Refactoring DSMBC to ITAUP (uniform-partitioned ...)

include/ITADirectConvolution.h

+/*
+ * ----------------------------------------------------------------
+ *
+ *		ITA core libs
+ *		(c) Copyright Institute of Technical Acoustics (ITA)
+ *		RWTH Aachen University, Germany, 2015-2017
+ *
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+ *
+ * ----------------------------------------------------------------
+ *
+ */
+
+#ifndef INCLUDE_WATCHER_ITA_CONVOLUTION
+#define INCLUDE_WATCHER_ITA_CONVOLUTION
+
+#include <ITAConvolutionDefinitions.h>
+
+#include <ITASampleBuffer.h>
+#include <ITASampleFrame.h>
+#include <ITAUncopyable.h>
+
+// Vorwärtsdeklarationen
+class ITADirectConvolutionImpl;
+
+/**
+ * Diese Klasse definiert die Schnittstelle für schnelle (offline) Faltungen.
+ * Die Funktionalität besteht darin zwei Signale möglichst schnell und effizient
+ * miteinander zu falten. Die Eingaben und Ausgaben werden im Zeitbereich übergeben.
+ * Instanzen der Klasse repräsentieren Faltungen eines bestimmten Typs
+ * (bestimmte Eingabeparameter). Damit die maximale Leistung erreicht werden kann,
+ * müssen vorher die Faltungsoperationen geplant werden.
+ */
+
+class ITA_CONVOLUTION_API ITADirectConvolution : public ITAUncopyable
+{
+public:
+	// TODO: Flags static const int 
+	static const int DEFAULT_FLAGS = 0;
+
+	//! Standardkonstruktor
+	ITADirectConvolution();
+
+	//! Initialisierungskonstruktor (Arrays)
+	ITADirectConvolution( const int src1length, const int src2length, const int flags = DEFAULT_FLAGS );
+
+	//! Destruktor
+	virtual ~ITADirectConvolution();
+
+	//! Planungsmethode (Arrays)
+	void Plan( const int src1length, const int src2length, const int flags = DEFAULT_FLAGS );
+
+
+	//! Gibt zurück ob die Faltung schon geplant ist
+	bool IsPlanned() const;
+
+	//! Faltungsmethode (Arrays)
+	virtual void Convolve( const float* src1, const int src1length, const float* src2, const int src2length, float* dest, const int destlength );
+
+private:
+	ITADirectConvolutionImpl* m_pImpl;
+};
+
+#endif // INCLUDE_WATCHER_ITA_CONVOLUTION

include/ITAUPConvolution.h

+/*
+ * ----------------------------------------------------------------
+ *
+ *		ITA core libs
+ *		(c) Copyright Institute of Technical Acoustics (ITA)
+ *		RWTH Aachen University, Germany, 2015-2017
+ *
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+ * ----------------------------------------------------------------
+ *
+ */
+
+#ifndef INCLUDE_WATCHER_DSMBC_CONVOLVER
+#define INCLUDE_WATCHER_DSMBC_CONVOLVER
+
+#include <ITAConvolutionDefinitions.h>
+
+#include <ITACriticalSection.h>
+#include <ITAUncopyable.h>
+#include <vector>
+#include <ITAUPTrigger.h>
+
+#include <tbb/concurrent_queue.h>
+
+#include <atomic>
+
+// Vorwürtsdeklarationen
+class ITAUPFilter;
+class ITAUPFilterPool;
+class ITAFFT;
+
+/**
+ * Diese Klasse realisiert einen schnellen (einkanaligen) Falter (dynamic single-channel multi-block convolver),
+ * welcher die effiziente Overlap-Save Blockfaltung zusammen mit einer frequency-domain delay-line (FDL)
+ * benutzt um eine Impulsantwortet zu falten, welche in mehrere gleichlange Teile zerlegt wird.
+ * Dieser Ansatz ermüglicht eine wesentlich grüüere Leistung als ein einfacher Blockfaltungsansatz,
+ * bei welchem die komplette Impulsantwort mit einem Block gefaltet werden. Der Falter ist dynamisch,
+ * d.h. er erlaubt den Austausch der Filter zur Laufzeit bzw. Streamingzeit. Der Austausch der Filter
+ * geschieht entweder durch hartes Umschalten oder überblendung im Zeitbereich.
+ *
+ * Nebenlüufigkeit & Synchronisation:
+ *
+ * Folgende Methoden sind synchronisiert:
+ *
+ * - getFilterPool, setFilterPool, requestFilter, releaseFilter => Blocking aber leichtgewichtig, reentrant
+ * - getFilterExchangeMode, setFilterExchangeMode, getFilterCrossfadeLength, setFilterCrossfadeLength,
+ *   getActiveFilter, exchangeFilter => Non-blocking und wait-free, reentrant
+ * - process => Non-blocking, wait-free aber NICHT REENTRANT (!!)
+ *
+ * Alle anderen Methoden sind nicht synchronisiert.
+ *
+ * Müchtest Du mehr zu den Details wissen? Frag mich! -> Frank.Wefers@akustik.rwth-aachen.de
+ */
+
+class ITA_CONVOLUTION_API ITAUPConvolution : public ITAUncopyable
+{
+public:
+	//! Austausch-Modi
+	enum
+	{
+		SWITCH = 0,					//!< Hartes Umschalten
+		CROSSFADE_LINEAR,			//!< Lineare Kreuzblende
+		CROSSFADE_COSINE_SQUARE		//!< Cosinus-Quadrat Kreuzblende
+	};
+
+	//! Ausgabe-Modi
+	enum
+	{
+		OUTPUT_OVERWRITE = 0,		//!< Daten im Ausgabepuffer mit neuen Daten überschreiben
+		OUTPUT_MIX,					//!< Neue Daten in den Ausgabepuffer einmischen
+	};
+
+	static const int AUTO = -1;
+
+	//! Standard-Konstruktor
+	/**
+	 * Erzeugt einen Falter der seinen eigenen Filterpool betreibt
+	 */
+	ITAUPConvolution();
+
+	//! Initialierungs-Konstruktor
+	/**
+	 * Erzeugt einen Falter.
+	 *
+	 * \param iBlocklength		Blocklänge [in Samples]
+	 * \param iMaxFilterlength  Maximale Filterlänge [Anzahl Filterkoeffizienten]
+	 */
+	ITAUPConvolution( const int iBlocklength, const int iMaxFilterlength, ITAUPFilterPool* pFilterPool = NULL );
+
+	//! Destruktor
+	virtual ~ITAUPConvolution();
+
+	//! Initialisieren
+	/**
+	 * Initialisiert einen Falter.
+	 *
+	 * \param iBlocklength		Blocklänge [in Samples]
+	 * \param iMaxFilterlength  Maximale Filterlänge [Anzahl Filterkoeffizienten]
+	 */
+	void init( const int iBlocklength, const int iFilterLength );
+
+	//! Blocklänge zurückgeben
+	int getBlocklength() const;
+
+	//! Maximale Filterlänge [Anzahl Filterkoeffizienten] zurückgeben
+	int getMaxFilterlength() const;
+
+	//! Trigger für den Filteraustausch zurückgeben (NULL falls keiner zugeordnet)
+	const ITAUPTrigger* getFilterExchangeTrigger() const;
+
+	//! Trigger für den Filteraustausch setzen
+	void setFilterExchangeTrigger( const ITAUPTrigger* pTrigger );
+
+	//! Filteraustausch-Modus zurückgeben
+	int getFilterExchangeMode();
+
+	//! Filteraustausch-Modus setzen
+	void setFilterExchangeMode( const int iMode );
+
+	//! überblendlänge [Samples] des Filteraustauschs zurückgeben
+	int getFilterCrossfadeLength();
+
+	//! überblendlänge [Samples] für den Filteraustausch setzen
+	void setFilterCrossfadeLength( const int iLength );
+
+	//! Verstärkung zurückgeben
+	float getGain() const;
+
+	//! Verstärkung setzen
+	// Hinweis: Falls bSetImmediately==true gesetzt, wird die Verstärkung nicht
+	// dynamisch angepasst, sondern hart auf den angegebenen Wert gesetzt.
+	void setGain( const float fGain, const bool bSetImmediately = false );
+
+	//! Filterpool zurückgeben
+	ITAUPFilterPool* getFilterPool() const;
+
+	//! Filterpool setzen
+	/**
+	 * NULL => Falter-eigenen Pool benutzen
+	 */
+	void setFilterPool( ITAUPFilterPool* pFilterPool );
+
+	//! Freies Filter anfordern
+	ITAUPFilter* requestFilter();
+
+	//! Filter wieder zur anderweitigen Benutzung freigeben
+	void releaseFilter( ITAUPFilter* pFilter );
+
+	//! Aktives Filter zurückgeben
+	/**
+	 * Das aktive Filter ist jenes, welches der Falter momentan benutzt.
+	 */
+	ITAUPFilter* getActiveFilter();
+
+	//! Filter austauschen
+	/**
+	 * Hinweis: Nullzeiger => Aktives Filter entfernen
+	 */
+	void exchangeFilter( ITAUPFilter* pNewFilter, const int iExchangeMode = AUTO, const int iCrossfadeLength = AUTO );
+
+	//! Löscht alle internen Samplepuffer
+	void clear();
+
+	//! Faltungsmethode
+	/**
+	 * Nimmt einen neuen Block Eingangsdaten entgegen und faltet ihn mit der Impulsantwortet.
+	 * Das (partielle) Ausgangssignal wird als Block im Zielarray gespeichert.
+	 *
+	 * \param pfInputData   Array der Eingangsdaten (Exakt soviele Elemente wie die Blocklänge ist)
+	 * \param pfOutputData  Array der Ausgangsdaten (Exakt soviele Elemente wie die Blocklänge ist)
+	 * \param iOutputMode   Ausgabemodus (überschreiben oder Einmischen)
+	 */
+
+	// TODO: Hier wird Austausch durchgeführt!
+	void process( const float* pfInputData, float* pfOutputData, const int iOutputMode = OUTPUT_OVERWRITE );
+
+	//! Faltungsmethode (Erweitert)
+	/**
+	 * Nimmt einen neuen Block Eingangsdaten entgegen und faltet ihn mit der Impulsantwortet.
+	 * Das (partielle) Ausgangssignal wird als Block im Zielarray gespeichert.
+	 *
+	 * \param pfInputData   Array der Eingangsdaten
+	 * \param iInputLength  Anzahl der Samples in den Eingangsdaten
+	 * \param pfOutputData  Array der Ausgangsdaten (Exakt soviele Elemente wie die Blocklänge ist)
+	 * \param iOutputLength Anzahl der Samples in den Ausgabedaten
+	 * \param iOutputMode   Ausgabemodus (überschreiben oder Einmischen)
+	 */
+
+	void process( const float* pfInputData, const int iInputLength, float* pfOutputData, const int iOutputLength, const int iOutputMode = OUTPUT_OVERWRITE );
+
+private:
+	typedef struct
+	{
+		ITAUPFilter* pFilter;
+		int iExchangeMode;
+		int iCrossfadeLength;
+	} FilterUpdate;
+
+	int m_iBlocklength;
+	int m_iMaxFilterlength;
+
+	std::atomic< int > m_iExchangeMode;				// Austauschmodus
+	std::atomic< int > m_iCrossfadeLength;			// überblendlänge
+	std::atomic< float > m_fCurrentGain;				// Aktuelle Verstärkung
+	std::atomic< float > m_fNewGain;					// Gewünschte Verstärkung
+	std::atomic< ITAUPFilter* > m_pCurrentFilter;	// Aktives Filter
+	tbb::strict_ppl::concurrent_queue<FilterUpdate> m_qExchangeFilters;	// Queue: Nächste Filter zum Austausch
+
+	float *m_pfTimeInputBuffer;					// Eingangspuffer (Zeitbereich)
+	float *m_pfTimeOutputBuffer1;				// Ausgangspuffer (Zeitbereich)
+	float *m_pfTimeOutputBuffer2;				// Ausgangspuffer (Zeitbereich)
+	float *m_pfFreqAuxBuffer;					// Hilfspuffer (Frequenz-bereich)
+	float *m_pfFreqMixdownBuffer;				// Mischpuffer (Frequenz-bereich)
+	int m_iFreqCoeffs;							// Anzahl DFT-Koeffizienten (Symetrien eingerechnet)
+	std::vector< float* > m_vpfFreqDelayLine;		// Frequency-domain delay line (FDL)
+	ITAFFT *m_pFFT, *m_pIFFT;					// FFT, IFFT der Daten
+	ITACriticalSection m_csPool;				// Exklusiver Zugriff auf den Filterpool
+
+	ITAUPFilterPool* m_pCurrentPool;			// Gesetzer Filterpool
+	ITAUPFilterPool* m_pOwnPool;				// Falter-eigener Filterpool
+	ITAUPTriggerWatch m_oTriggerWatch;			// TriggerWatch für den Filteraustausch
+
+
+	void copyOutputApplyGain1( float* pfDest, const float* pfSrc, const int iNumSamples, const int iOutputMode );
+	void copyOutputApplyGain2( float* pfDest, const float* pfSrc1, const float* pfSrc2, const int iOutputLength, const int iCrossfadeLength, const int iOutputMode );
+};
+
+#endif // INCLUDE_WATCHER_DSMBC_CONVOLVER

include/ITAUPFilter.h

+/*
+ * ----------------------------------------------------------------
+ *
+ *		ITA core libs
+ *		(c) Copyright Institute of Technical Acoustics (ITA)
+ *		RWTH Aachen University, Germany, 2015-2017
+ *
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+ *
+ * ----------------------------------------------------------------
+ *
+ */
+
+#ifndef INCLUDE_WATCHER_DSMBC_FILTER
+#define INCLUDE_WATCHER_DSMBC_FILTER
+
+#include <ITAConvolutionDefinitions.h>
+
+#include <ITACriticalSection.h>
+#include <ITATypes.h>
+#include <ITAUncopyable.h>
+
+#include <atomic>
+#include <vector>
+
+// Vorwärtsdeklarationen
+class ITAUPFilterPool;
+class ITAFFT;
+
+/**
+ * Diese Klasse realisiert Filter (d.h. Representationen von Impulsantworten im Frequenzbereich)
+ * für DSMBCConvolver. Solche Filter haben einen Zustand: 1) unbenutzt oder 2) momentan in einem
+ * Falter in Benutzung. Generell kann 1 Filter in beliebig vielen Faltern verwendet werden.
+ * Seine Daten dürfen aber nur modifiziert werden, wenn es nicht in Benutzung ist.
+ *
+ * Eine neue Impulsantwort wird mittels der Methode load geladen und intern transformiert.
+ *
+ * Nebenläufigkeit & Synchronisation:
+ *
+ * Instanzen der Klasse sollen nur von einem Thread zu einer Zeit benutzt werden
+ * (üblicherweise der Thread der die Filterdaten generiert hat). Im Sinne der Anwendung
+ * macht es keinen Sinn das mehrere Threads um beispielsweise die load-Methode konkurrieren.
+ * Deshalb unternimmt die Klasse keine Maßnahmen zur Synchronisation.
+ */
+
+class ITA_CONVOLUTION_API ITAUPFilter : public ITAUncopyable
+{
+public:
+	//! Konstruktor
+	ITAUPFilter( const int iBlocklength, const int iMaxFilterLength );
+
+	//! Destruktor
+	/**
+	 * Hinweis: Das Objekt kann nur freigegeben werden, wenn es nicht mehr benutzt wird!
+	 */
+	virtual ~ITAUPFilter();
+
+	//! Gibt zurück ob der Filter aktuell in Benutzung ist
+	bool isInUse() const;
+
+	//! übergeordneten Filterpool zurückgeben (falls nicht vorhanden NULL)
+	ITAUPFilterPool* getParentFilterPool() const;
+
+	//! Filter übergeordneten Filterpool freigeben (falls Teil eines Filterpools)
+	void release();
+
+	//! Filterdaten laden
+	/**
+	 * \param pfFilterData Array mit den Filterkoeffizienten
+	 * \param iFilterLength Anzahl Filterkoeffizienten in pfFilterData (maximal iMaxFilterLength)
+	 *
+	 * \note Falls das Filter in Benutzung ist wird eine ITAException geworfen!
+	 */
+	void load( const float* pfFilterData, const int iFilterLength );
+
+	//! Nullen setzen
+	void zeros();
+
+	//! Einheitsimpuls (Dirac) setzen
+	void identity();
+
+	// Interne Zustandklasse, welche Referenzzähler enthält.
+	// Es werden immer zwei Zähler benötigt: Prep und Use.
+	class State
+	{
+	public:
+		State( ITAUPFilter* pParent );
+
+		bool isInUse() const;
+		void addPrep();
+		void removePrep();
+		void xchangePrep2Use();
+		void removeUse();
+
+		// Damit auf älteren Windows-System, welche keine DCAS-Operationen bereistellen,
+		// dieser zwei-elementige Zustand atomar verändert werden kann,
+		// muss eine Datenstruktur von 32-Bit realisiert werden.
+		// 16-Bit für die Zähler ist immer noch ausreichend
+		typedef struct
+		{
+			std::atomic< int16_t > iPrepRefCount;
+			std::atomic< int16_t > iUseRefCount;
+		} StateStruct;
+
+		ITAUPFilter* m_pParent;
+		StateStruct m_oState;
+
+		void modifyState( const int16_t iPrepDelta, const int16_t iUseDelta );
+	};
+
+	ITAUPFilterPool* m_pParent;				// Übergeordneter Filterpool
+	int m_iBlocklength;						// Blocklänge (Zeitbereich)
+	int m_iNumFilterParts;					// Anzahl Filterteile
+	int m_iNumEffectiveFilterParts;			// Anzahl effektiver Filterteile mit Filterkoeff. != 0
+	std::vector<float*> m_vpfFreqData;		// Filterdaten im Frequenzbereich (DFT-Spektren der Teile)
+	ITAFFT* m_pFFT;
+	ITACriticalSection m_csReentrance;		// Reentrance-Lock für die Load-Methode
+	State m_oState;							// Zustand
+
+	friend class ITAUPConvolution;
+	friend class ITAUPFilterPool;
+};
+
+#endif // INCLUDE_WATCHER_DSMBC_FILTER

include/ITAUPFilterPool.h

+/*
+ * ----------------------------------------------------------------
+ *
+ *		ITA core libs
+ *		(c) Copyright Institute of Technical Acoustics (ITA)
+ *		RWTH Aachen University, Germany, 2015-2017
+ *
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+ * ----------------------------------------------------------------
+ *
+ */
+
+#ifndef INCLUDE_WATCHER_DSMBC_FILTER_POOL
+#define INCLUDE_WATCHER_DSMBC_FILTER_POOL
+
+#include <ITAConvolutionDefinitions.h>
+
+#include <ITACriticalSection.h>
+#include <ITAFFT.h>
+#include <list>
+
+// Vorwärtsdeklarationen
+class ITAUPFilter;
+
+/**
+ * Diese Klasse realisiert eine Verwalter für Filterobjekte und
+ * ermöglicht ein effizientes Filter-Management mit geringem Speicherverbrauch,
+ * durch die automatische Wiederverwendung von Filtern.
+ *
+ * Nebenläufigkeit & Synchronisation:
+ *
+ * Instanzen der Klasse können von beliebig vielen Threads gleichzeitig benutzt werden.
+ * Alle Methoden mittels synchronisiert und dürfen auch mehrfach parallel aufgerufen
+ * werden (reentrant). Die Synchronisation ist blocking, aber die Wartezeiten sind
+ * gering, da innerhalb des exklusiven Zugriffs nur kurze Operationen durchgeführt werden.
+ *
+ */
+
+class ITA_CONVOLUTION_API ITAUPFilterPool
+{
+public:
+	//! Konstruktor
+	ITAUPFilterPool( const int iBlocklength, const int iMaxFilterLength, const int iInitialSize );
+
+	//! Destruktor
+	/**
+	 * Hinweis: Das Objekt kann nur freigegeben werden, wenn es nicht mehr benutzt wird!
+	 */
+	virtual ~ITAUPFilterPool();
+
+	//! Blocklänge zurückgeben
+	int getBlocklength() const;
+
+	//! Maximale Filterlänge [Anzahl Filterkoeffizienten] zurückgeben
+	int getMaxFilterlength() const;
+
+	//! Anzahl freier Filter zurückgeben
+	int getNumFreeFilters() const;
+
+	//! Anzahl freier Filter zurückgeben
+	int getNumUsedFilters() const;
+
+	//! Anzahl freier Filter zurückgeben
+	int getNumTotalFilters() const;
+
+	//! Freies Filter anfordern
+	ITAUPFilter* requestFilter();
+
+	//! Filter wieder zur anderweitigen Benutzung freigeben
+	/**
+	 * Ist das Filter nicht in Benutzung, so kann es sofort weiterbenutzt werden.
+	 * Ist das Filter in Benutzung, so wird es für die Weiterbenutzung freigebenen,
+	 * sobald es in einem Falter (DSMBCConvolver) nicht mehr in Benutzung ist
+	 */
+	void releaseFilter( ITAUPFilter* pFilter );
+
+private:
+	int m_iBlocklength;
+	int m_iMaxFilterLength;
+	std::list<ITAUPFilter*> m_lpFreeFilters;		// Unbenutzte (freie) Filter im Pool
+	std::list<ITAUPFilter*> m_lpUsedFilters;		// Benutzte Filter im Pool
+	std::list<ITAUPFilter*> m_lpAutoFilters;		// Filter welche nicht mehr seitens den Benutzers gebraucht werden, aber noch in einem Falter benutzt werden
+	ITACriticalSection m_csFilters;					// Exklusiver Zugriff auf die Listen
+};
+
+#endif // INCLUDE_WATCHER_DSMBC_FILTER_POOL
\ No newline at end of file

include/ITAUPTrigger.h

+/*
+ * ----------------------------------------------------------------
+ *
+ *		ITA core libs
+ *		(c) Copyright Institute of Technical Acoustics (ITA)
+ *		RWTH Aachen University, Germany, 2015-2017
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+ *
+ */
+
+#ifndef INCLUDE_WATCHER_DSMBC_TRIGGER
+#define INCLUDE_WATCHER_DSMBC_TRIGGER
+
+#include <ITAConvolutionDefinitions.h>
+
+#include <ITAUncopyable.h>
+
+// Lightweight atomic trigger for synchronized filter exchanges
+class ITAUPTrigger : public ITAUncopyable
+{
+public:
+	inline ITAUPTrigger() : m_iState( 0 )
+	{
+	};
+
+	// Returns the current state
+	inline int getState() const
+	{
+		return m_iState;
+	};
+
+	// Pull the trigger. Update/alter the state.
+	void trigger()
+	{
+		++m_iState;
+	};
+
+private:
+	volatile int m_iState;
+};
+
+// Simple watcher class, realization update checks on a trigger
+class ITAUPTriggerWatch
+{
+public:
+	inline ITAUPTriggerWatch()
+		: m_pTrigger( 0 )
+		, bFirst( true )
+		, m_iPrevTriggerState( 0 )
+	{
+	};
+
+	inline const ITAUPTrigger* getWatchedTrigger() const
+	{
+		return m_pTrigger;
+	};
+
+	inline void setWatchedTrigger( const ITAUPTrigger* pNewTrigger )
+	{
+		m_pTrigger = pNewTrigger;
+		bFirst = true;
+	};
+
+	// Logic: We always fire, if there is no trigger associated. This is needed in the convolver.
+	inline bool fire()
+	{
+		if( !m_pTrigger )
+			return true;
+
+		int iNewTriggerState = m_pTrigger->getState();
+		if( ( iNewTriggerState != m_iPrevTriggerState ) || bFirst )
+		{
+			m_iPrevTriggerState = iNewTriggerState;
+			bFirst = false;
+			return true;
+		}
+
+		return false;
+	};
+
+private:
+	const ITAUPTrigger* m_pTrigger;
+	bool bFirst;
+	int m_iPrevTriggerState;
+};
+
+#endif // INCLUDE_WATCHER_DSMBC_TRIGGER

src/ITADirectConvolution.cpp

+#include <ITADirectConvolution.h>
+#include "ITADirectConvolutionImpl.h"
+
+ITADirectConvolution::ITADirectConvolution() : m_pImpl( NULL )
+{
+}
+
+ITADirectConvolution::ITADirectConvolution( const int src1length, const int src2length, const int flags )
+	: m_pImpl( NULL )
+{
+	Plan( src1length, src2length