c# - C＃でビットシフトを使用して乗算を行う方法

Question

固定小数点演算の演算で使用されるビットシフト乗算を知っています。たとえば、2つの浮動小数点値を乗算する必要がある場合は、スケール係数（たとえば、その場合は20）で乗算し、その後、結果値を整数として乗算する必要があります。値とその後、それらを通常の数値の表示に戻す必要があります。ビットシフト演算でそれを実行する方法をスケールファクターで再度除算する必要がありますか？

この記事に基づく：5.4固定小数点演算

私は以下のこのコード例を試しました、そして私はその結果floatResShiftを期待しfloatResNormal、同じになるでしょうが、それらは異なります、私がしていることは間違っていますか？：

        float mul1 = 18.579434f;
        float mul2 = 34.307951f;

        int shiftMul1 = (int)((2 ^ 32) * mul1);
        int shiftMul2 = (int)((2 ^ 32) * mul2);

        var resultMul = shiftMul1 * shiftMul2;
        float floatResShift = resultMul >> 32; // wrong value
        float floatResNormal = mul1 * mul2; //expected value

アップデート：

固定小数点演算の説明：

32ビット整数を使用してA=2.5およびB=8.4の場合に固定小数点演算を使用してA・Bの結果を計算するには、次の操作が必要になります。

スケーリング係数を決定します。これは、どのような数字が見られる可能性が高いかに大きく依存します。この例の数値は非常に小さいため、重要性は低く、16小数ビット（基数ポイントの右側のビット）が許容されます。その場合、スケーリング係数はf = 216 = 65536になります。この形式はQ15.16として知られています（小数点の左側に15ビット、右側に16ビット、符号の場合は1ビット）。

通常の整数乗算を使用してAiとBiを乗算します。Ri = Ai・Bi = 163840・550502 = 90194247680。このような大きな数値の理由は、AiとBiの両方がQ15.16形式にスケーリングされたため、乗算の結果の数値は基本的に（A・f）・です。 （B・f）= A・B・f2。

結果をQ15.16形式に戻すには、結果をスケーリング係数で除算する必要があります。これもビットシフト演算を使用して実行できますが、簡単にするためにここでは除算を使用します。Ri / f = 90194247680/65536=1376255これはQ15.16形式の結果です

数値を通常の実数に戻すには、必要な形式にキャストし、スケーリング係数で再度除算するだけで済みます。つまり、1376255.0 / 65536.0 = 20.999985であり、これは期待値21に近い値です。

スケーリング係数を使用して数値をスケーリングします。2進演算では、これはビットシフトを使用して実行できますが、簡単にするために、スケーリング係数による乗算を使用します。Ai = A・f = 2.5・65536 = 163840およびB・f = 8.4・65536 = 550502.4は切り捨てられ、整数に変換されるため、Bi=550502になります。

数値を通常の実数に戻すには、必要な形式にキャストし、スケーリング係数で再度除算するだけで済みます。つまり、1376255.0 / 65536.0 = 20.999985であり、これは期待値21に近い値です。

上記のコメントと同じようにする方法ですが、ビットシフトを使用します。そして、ポイントの後に大きなフロート値があります

上記のコードで試しましたが、うまくいきませんでした。

たとえば、2つの値18.579434fと34.307951fを乗算する必要がありますが、固定小数点演算を使用します。

アップデート：

私はこれをより少ないスケールファクターで試しましたが、運がありませんでした。

解決：

質問を明確に説明していないかもしれませんが、問題を修正して解決策を見つけました：

おかげさまで、質問は締め切られました。固定点乗算を使用した完全なコードは次のとおりです。

    float mul1 = 18.579434f;
    float mul2 = 34.307951f;

    int scaleFactor = (int) Math.Pow(2, 20);

    long shiftMul1 = (int)((scaleFactor) * mul1);
    long shiftMul2 = (int)((scaleFactor) * mul2);

    var resultMul = shiftMul1 * shiftMul2;
    float floatResShift = resultMul >> 40; 
    float floatResNormal = mul1 * mul2; // the result floatResNormal almost same as floatResShift

Answer 1

var k = 20;
var k_2 = k/2;
var p = 1 << k;

float mul1 = 18.579434f;
float mul2 = 34.307951f;

int shiftMul1 = (int)(p * mul1);
int shiftMul2 = (int)(p * mul2);

//fixed point multiplication         
var resultMul = ((shiftMul1 >> k_2) * (shiftMul2 >> k_2));

float floatResShift = ((float)resultMul)/p;
float floatResNormal = mul1 * mul2; 

Console.WriteLine("{0} {1}", floatResNormal, floatResShift);

出力：

637,4223 637,4043

Answer 2

このコードを確認してください

/*
Fixed Point Arithmatic structure and relevant methods. Simple fixed point structure included as well.

Created from information and code gathered here: http://stackoverflow.com/questions/605124/fixed-point-math-in-c

May be used for anything without permission.

To quote the original author (x4000 of stackoverflow.com):
"The accuracy of these functions as they are coded here is more than enough for my purposes, but if you need more you can increase the SHIFT AMOUNT on FInt.
Just be aware that if you do so, the constants on [trigonomic] functions will then need to be divided by 4096 and then multiplied by whatever your new SHIFT AMOUNT requires.
You're likely to run into some bugs if you do that and aren't careful, so be sure to run checks against the built-in Math functions to make sure that your results aren't
being put off by incorrectly adjusting a constant."

Code credit: x4000 of stackoverflow.com

Compiled into a usable source file by: Paul Bergeron

Date: 7/1/2009

More fixed point functions can be found written in Java here: http://home.comcast.net/~ohommes/MathFP/

*/

public struct FInt
{
    public long RawValue;
    public const int SHIFT_AMOUNT = 12; //12 is 4096

    public const long One = 1 << SHIFT_AMOUNT;
    public const int OneI = 1 << SHIFT_AMOUNT;
    public static FInt OneF = new FInt( 1, true );

    #region Constructors
    public FInt( long StartingRawValue, bool UseMultiple )
    {
        this.RawValue = StartingRawValue;
        if ( UseMultiple )
            this.RawValue = this.RawValue << SHIFT_AMOUNT;
    }
    public FInt( double DoubleValue )
    {
        DoubleValue *= (double)One;
        this.RawValue = (int)Math.Round( DoubleValue );
    }
    #endregion

    public int IntValue
    {
        get { return (int)( this.RawValue >> SHIFT_AMOUNT ); }
    }

    public int ToInt()
    {
        return (int)( this.RawValue >> SHIFT_AMOUNT );
    }

    public double ToDouble()
    {
        return (double)this.RawValue / (double)One;
    }

    public FInt Inverse
    {
        get { return new FInt( -this.RawValue, false ); }
    }

    #region FromParts
    /// <summary>
    /// Create a fixed-int number from parts.  For example, to create 1.5 pass in 1 and 500.
    /// </summary>
    /// <param name="PreDecimal">The number above the decimal.  For 1.5, this would be 1.</param>
    /// <param name="PostDecimal">The number below the decimal, to three digits.
    /// For 1.5, this would be 500. For 1.005, this would be 5.</param>
    /// <returns>A fixed-int representation of the number parts</returns>
    public static FInt FromParts( int PreDecimal, int PostDecimal )
    {
        FInt f = new FInt( PreDecimal );
        if ( PostDecimal != 0 )
            f.RawValue += ( new FInt( PostDecimal ) / 1000 ).RawValue;

        return f;
    }
    #endregion

    #region *
    public static FInt operator *( FInt one, FInt other )
    {
        return new FInt( ( one.RawValue * other.RawValue ) >> SHIFT_AMOUNT, false );
    }

    public static FInt operator *( FInt one, int multi )
    {
        return one * (FInt)multi;
    }

    public static FInt operator *( int multi, FInt one )
    {
        return one * (FInt)multi;
    }
    #endregion

    #region /
    public static FInt operator /( FInt one, FInt other )
    {
        return new FInt( ( one.RawValue << SHIFT_AMOUNT ) / ( other.RawValue  ), false );
    }

    public static FInt operator /( FInt one, int divisor )
    {
        return one / (FInt)divisor;
    }

    public static FInt operator /( int divisor, FInt one )
    {
        return (FInt)divisor / one;
    }
    #endregion

    #region %
    public static FInt operator %( FInt one, FInt other )
    {
        return new FInt( ( one.RawValue ) % ( other.RawValue ), false );
    }

    public static FInt operator %( FInt one, int divisor )
    {
        return one % (FInt)divisor;
    }

    public static FInt operator %( int divisor, FInt one )
    {
        return (FInt)divisor % one;
    }
    #endregion

    #region +
    public static FInt operator +( FInt one, FInt other )
    {
        return new FInt( one.RawValue + other.RawValue, false );
    }

    public static FInt operator +( FInt one, int other )
    {
        return one + (FInt)other;
    }

    public static FInt operator +( int other, FInt one )
    {
        return one + (FInt)other;
    }
    #endregion

    #region -
    public static FInt operator -( FInt one, FInt other )
    {
        return new FInt( one.RawValue - other.RawValue, false );
    }

    public static FInt operator -( FInt one, int other )
    {
        return one - (FInt)other;
    }

    public static FInt operator -( int other, FInt one )
    {
        return (FInt)other - one;
    }
    #endregion

    #region ==
    public static bool operator ==( FInt one, FInt other )
    {
        return one.RawValue == other.RawValue;
    }

    public static bool operator ==( FInt one, int other )
    {
        return one == (FInt)other;
    }

    public static bool operator ==( int other, FInt one )
    {
        return (FInt)other == one;
    }
    #endregion

    #region !=
    public static bool operator !=( FInt one, FInt other )
    {
        return one.RawValue != other.RawValue;
    }

    public static bool operator !=( FInt one, int other )
    {
        return one != (FInt)other;
    }

    public static bool operator !=( int other, FInt one )
    {
        return (FInt)other != one;
    }
    #endregion

    #region >=
    public static bool operator >=( FInt one, FInt other )
    {
        return one.RawValue >= other.RawValue;
    }

    public static bool operator >=( FInt one, int other )
    {
        return one >= (FInt)other;
    }

    public static bool operator >=( int other, FInt one )
    {
        return (FInt)other >= one;
    }
    #endregion

    #region <=
    public static bool operator <=( FInt one, FInt other )
    {
        return one.RawValue <= other.RawValue;
    }

    public static bool operator <=( FInt one, int other )
    {
        return one <= (FInt)other;
    }

    public static bool operator <=( int other, FInt one )
    {
        return (FInt)other <= one;
    }
    #endregion

    #region >
    public static bool operator >( FInt one, FInt other )
    {
        return one.RawValue > other.RawValue;
    }

    public static bool operator >( FInt one, int other )
    {
        return one > (FInt)other;
    }

    public static bool operator >( int other, FInt one )
    {
        return (FInt)other > one;
    }
    #endregion

    #region <
    public static bool operator <( FInt one, FInt other )
    {
        return one.RawValue < other.RawValue;
    }

    public static bool operator <( FInt one, int other )
    {
        return one < (FInt)other;
    }

    public static bool operator <( int other, FInt one )
    {
        return (FInt)other < one;
    }
    #endregion

    public static explicit operator int( FInt src )
    {
        return (int)( src.RawValue >> SHIFT_AMOUNT );
    }

    public static explicit operator FInt( int src )
    {
        return new FInt( src, true );
    }

    public static explicit operator FInt( long src )
    {
        return new FInt( src, true );
    }

    public static explicit operator FInt( ulong src )
    {
        return new FInt( (long)src, true );
    }

    public static FInt operator <<( FInt one, int Amount )
    {
        return new FInt( one.RawValue << Amount, false );
    }

    public static FInt operator >>( FInt one, int Amount )
    {
        return new FInt( one.RawValue >> Amount, false );
    }

    public override bool Equals( object obj )
    {
        if ( obj is FInt )
            return ( (FInt)obj ).RawValue == this.RawValue;
        else
            return false;
    }

    public override int GetHashCode()
    {
        return RawValue.GetHashCode();
    }

    public override string ToString()
    {
        return this.RawValue.ToString();
    }

    #region PI, DoublePI
    public static FInt PI = new FInt( 12868, false ); //PI x 2^12
    public static FInt TwoPIF = PI * 2; //radian equivalent of 260 degrees
    public static FInt PIOver180F = PI / (FInt)180; //PI / 180
    #endregion

    #region Sqrt
    public static FInt Sqrt( FInt f, int NumberOfIterations )
    {
        if ( f.RawValue < 0 ) //NaN in Math.Sqrt
            throw new ArithmeticException( "Input Error" );
        if ( f.RawValue == 0 )
            return (FInt)0;
        FInt k = f + FInt.OneF >> 1;
        for ( int i = 0; i < NumberOfIterations; i++ )
            k = ( k + ( f / k ) ) >> 1;

        if ( k.RawValue < 0 )
            throw new ArithmeticException( "Overflow" );
        else
            return k;
    }

    public static FInt Sqrt( FInt f )
    {
        byte numberOfIterations = 8;
        if ( f.RawValue > 0x64000 )
            numberOfIterations = 12;
        if ( f.RawValue > 0x3e8000 )
            numberOfIterations = 16;
        return Sqrt( f, numberOfIterations );
    }
    #endregion

    #region Sin
    public static FInt Sin( FInt i )
    {
        FInt j = (FInt)0;
        for ( ; i < 0; i += new FInt( 25736, false ) ) ;
        if ( i > new FInt( 25736, false ) )
            i %= new FInt( 25736, false );
        FInt k = ( i * new FInt( 10, false ) ) / new FInt( 714, false );
        if ( i != 0 && i != new FInt( 6434, false ) && i != new FInt( 12868, false ) &&
            i != new FInt( 19302, false ) && i != new FInt( 25736, false ) )
            j = ( i * new FInt( 100, false ) ) / new FInt( 714, false ) - k * new FInt( 10, false );
        if ( k <= new FInt( 90, false ) )
            return sin_lookup( k, j );
        if ( k <= new FInt( 180, false ) )
            return sin_lookup( new FInt( 180, false ) - k, j );
        if ( k <= new FInt( 270, false ) )
            return sin_lookup( k - new FInt( 180, false ), j ).Inverse;
        else
            return sin_lookup( new FInt( 360, false ) - k, j ).Inverse;
    }

    private static FInt sin_lookup( FInt i, FInt j )
    {
        if ( j > 0 && j < new FInt( 10, false ) && i < new FInt( 90, false ) )
            return new FInt( SIN_TABLE[i.RawValue], false ) +
                ( ( new FInt( SIN_TABLE[i.RawValue + 1], false ) - new FInt( SIN_TABLE[i.RawValue], false ) ) /
                new FInt( 10, false ) ) * j;
        else
            return new FInt( SIN_TABLE[i.RawValue], false );
    }

    private static int[] SIN_TABLE = {
        0, 71, 142, 214, 285, 357, 428, 499, 570, 641,
        711, 781, 851, 921, 990, 1060, 1128, 1197, 1265, 1333,
        1400, 1468, 1534, 1600, 1665, 1730, 1795, 1859, 1922, 1985,
        2048, 2109, 2170, 2230, 2290, 2349, 2407, 2464, 2521, 2577,
        2632, 2686, 2740, 2793, 2845, 2896, 2946, 2995, 3043, 3091,
        3137, 3183, 3227, 3271, 3313, 3355, 3395, 3434, 3473, 3510,
        3547, 3582, 3616, 3649, 3681, 3712, 3741, 3770, 3797, 3823,
        3849, 3872, 3895, 3917, 3937, 3956, 3974, 3991, 4006, 4020,
        4033, 4045, 4056, 4065, 4073, 4080, 4086, 4090, 4093, 4095,
        4096
    };
    #endregion

    private static FInt mul( FInt F1, FInt F2 )
    {
        return F1 * F2;
    }

    #region Cos, Tan, Asin
    public static FInt Cos( FInt i )
    {
        return Sin( i + new FInt( 6435, false ) );
    }

    public static FInt Tan( FInt i )
    {
        return Sin( i ) / Cos( i );
    }

    public static FInt Asin( FInt F )
    {
        bool isNegative = F < 0;
        F = Abs( F );

        if ( F > FInt.OneF )
            throw new ArithmeticException( "Bad Asin Input:" + F.ToDouble() );

        FInt f1 = mul( mul( mul( mul( new FInt( 145103 >> FInt.SHIFT_AMOUNT, false ), F ) -
            new FInt( 599880 >> FInt.SHIFT_AMOUNT, false ), F ) +
            new FInt( 1420468 >> FInt.SHIFT_AMOUNT, false ), F ) -
            new FInt( 3592413 >> FInt.SHIFT_AMOUNT, false ), F ) +
            new FInt( 26353447 >> FInt.SHIFT_AMOUNT, false );
        FInt f2 = PI / new FInt( 2, true ) - ( Sqrt( FInt.OneF - F ) * f1 );

        return isNegative ? f2.Inverse : f2;
    }
    #endregion

    #region ATan, ATan2
    public static FInt Atan( FInt F )
    {
        return Asin( F / Sqrt( FInt.OneF + ( F * F ) ) );
    }

    public static FInt Atan2( FInt F1, FInt F2 )
    {
        if ( F2.RawValue == 0 && F1.RawValue == 0 )
            return (FInt)0;

        FInt result = (FInt)0;
        if ( F2 > 0 )
            result = Atan( F1 / F2 );
        else if ( F2 < 0 )
        {
            if ( F1 >= 0 )
                result = ( PI - Atan( Abs( F1 / F2 ) ) );
            else
                result = ( PI - Atan( Abs( F1 / F2 ) ) ).Inverse;
        }
        else
            result = ( F1 >= 0 ? PI : PI.Inverse ) / new FInt( 2, true );

        return result;
    }
    #endregion

    #region Abs
    public static FInt Abs( FInt F )
    {
        if ( F < 0 )
            return F.Inverse;
        else
            return F;
    }
    #endregion

}

public struct FPoint
{
    public FInt X;
    public FInt Y;

    public FPoint( FInt X, FInt Y )
    {
        this.X = X;
        this.Y = Y;
    }

    public static FPoint FromPoint( Point p )
    {
        FPoint f = new FPoint();
        f.X = (FInt)p.X;
        f.Y = (FInt)p.Y;
        return f;
    }

    public static Point ToPoint( FPoint f )
    {
        return new Point( f.X.IntValue, f.Y.IntValue );
    }
}