git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libavfilter/af_aemphasis.c

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2001-2010 Krzysztof Foltman, Markus Schmidt, Thor Harald Johansen, Damien Zammit and others
   3  *
   4  * This file is part of FFmpeg.
   5  *
   6  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
   7  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
   8  * License as published by the Free Software Foundation; either
   9  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  10  *
  11  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
  12  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  13  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  14  * Lesser General Public License for more details.
  15  *
  16  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  17  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
  18  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  19  */
  20
  21 #include "libavutil/opt.h"
  22 #include "avfilter.h"
  23 #include "internal.h"
  24 #include "audio.h"
  25
  26 typedef struct BiquadCoeffs {
  27     double a0, a1, a2, b1, b2;
  28 } BiquadCoeffs;
  29
  30 typedef struct BiquadD2 {
  31     double a0, a1, a2, b1, b2, w1, w2;
  32 } BiquadD2;
  33
  34 typedef struct RIAACurve {
  35     BiquadD2 r1;
  36     BiquadD2 brickw;
  37     int use_brickw;
  38 } RIAACurve;
  39
  40 typedef struct AudioEmphasisContext {
  41     const AVClass *class;
  42     int mode, type;
  43     double level_in, level_out;
  44
  45     RIAACurve *rc;
  46 } AudioEmphasisContext;
  47
  48 #define OFFSET(x) offsetof(AudioEmphasisContext, x)
  49 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_AUDIO_PARAM|AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM
  50
  51 static const AVOption aemphasis_options[] = {
  52     { "level_in",      "set input gain", OFFSET(level_in),  AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=1}, 0, 64, FLAGS },
  53     { "level_out",    "set output gain", OFFSET(level_out), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=1}, 0, 64, FLAGS },
  54     { "mode",         "set filter mode", OFFSET(mode), AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=0}, 0, 1, FLAGS, "mode" },
  55     { "reproduction",              NULL,            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=0}, 0, 0, FLAGS, "mode" },
  56     { "production",                NULL,            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=1}, 0, 0, FLAGS, "mode" },
  57     { "type",         "set filter type", OFFSET(type), AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=4}, 0, 8, FLAGS, "type" },
  58     { "col",                 "Columbia",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=0}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  59     { "emi",                      "EMI",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=1}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  60     { "bsi",              "BSI (78RPM)",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=2}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  61     { "riaa",                    "RIAA",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=3}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  62     { "cd",         "Compact Disc (CD)",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=4}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  63     { "50fm",               "50µs (FM)",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=5}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  64     { "75fm",               "75µs (FM)",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=6}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  65     { "50kf",            "50µs (FM-KF)",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=7}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  66     { "75kf",            "75µs (FM-KF)",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=8}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  67     { NULL }
  68 };
  69
  70 AVFILTER_DEFINE_CLASS(aemphasis);
  71
  72 static inline double biquad(BiquadD2 *bq, double in)
  73 {
  74     double n = in;
  75     double tmp = n - bq->w1 * bq->b1 - bq->w2 * bq->b2;
  76     double out = tmp * bq->a0 + bq->w1 * bq->a1 + bq->w2 * bq->a2;
  77
  78     bq->w2 = bq->w1;
  79     bq->w1 = tmp;
  80
  81     return out;
  82 }
  83
  84 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *in)
  85 {
  86     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
  87     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
  88     AudioEmphasisContext *s = ctx->priv;
  89     const double *src = (const double *)in->data[0];
  90     const double level_out = s->level_out;
  91     const double level_in = s->level_in;
  92     AVFrame *out;
  93     double *dst;
  94     int n, c;
  95
  96     if (av_frame_is_writable(in)) {
  97         out = in;
  98     } else {
  99         out = ff_get_audio_buffer(outlink, in->nb_samples);
 100         if (!out) {
 101             av_frame_free(&in);
 102             return AVERROR(ENOMEM);
 103         }
 104         av_frame_copy_props(out, in);
 105     }
 106     dst = (double *)out->data[0];
 107
 108     for (n = 0; n < in->nb_samples; n++) {
 109         for (c = 0; c < inlink->channels; c++)
 110             dst[c] = level_out * biquad(&s->rc[c].r1, s->rc[c].use_brickw ? biquad(&s->rc[c].brickw, src[c] * level_in) : src[c] * level_in);
 111         dst += inlink->channels;
 112         src += inlink->channels;
 113     }
 114
 115     if (in != out)
 116         av_frame_free(&in);
 117     return ff_filter_frame(outlink, out);
 118 }
 119
 120 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
 121 {
 122     AVFilterChannelLayouts *layouts;
 123     AVFilterFormats *formats;
 124     static const enum AVSampleFormat sample_fmts[] = {
 125         AV_SAMPLE_FMT_DBL,
 126         AV_SAMPLE_FMT_NONE
 127     };
 128     int ret;
 129
 130     layouts = ff_all_channel_counts();
 131     if (!layouts)
 132         return AVERROR(ENOMEM);
 133     ret = ff_set_common_channel_layouts(ctx, layouts);
 134     if (ret < 0)
 135         return ret;
 136
 137     formats = ff_make_format_list(sample_fmts);
 138     if (!formats)
 139         return AVERROR(ENOMEM);
 140     ret = ff_set_common_formats(ctx, formats);
 141     if (ret < 0)
 142         return ret;
 143
 144     formats = ff_all_samplerates();
 145     if (!formats)
 146         return AVERROR(ENOMEM);
 147     return ff_set_common_samplerates(ctx, formats);
 148 }
 149
 150 static inline void set_highshelf_rbj(BiquadD2 *bq, double freq, double q, double peak, double sr)
 151 {
 152     double A = sqrt(peak);
 153     double w0 = freq * 2 * M_PI / sr;
 154     double alpha = sin(w0) / (2 * q);
 155     double cw0 = cos(w0);
 156     double tmp = 2 * sqrt(A) * alpha;
 157     double b0 = 0, ib0 = 0;
 158
 159     bq->a0 =    A*( (A+1) + (A-1)*cw0 + tmp);
 160     bq->a1 = -2*A*( (A-1) + (A+1)*cw0);
 161     bq->a2 =    A*( (A+1) + (A-1)*cw0 - tmp);
 162         b0 =        (A+1) - (A-1)*cw0 + tmp;
 163     bq->b1 =    2*( (A-1) - (A+1)*cw0);
 164     bq->b2 =        (A+1) - (A-1)*cw0 - tmp;
 165
 166     ib0     = 1 / b0;
 167     bq->b1 *= ib0;
 168     bq->b2 *= ib0;
 169     bq->a0 *= ib0;
 170     bq->a1 *= ib0;
 171     bq->a2 *= ib0;
 172 }
 173
 174 static inline void set_lp_rbj(BiquadD2 *bq, double fc, double q, double sr, double gain)
 175 {
 176     double omega = 2.0 * M_PI * fc / sr;
 177     double sn = sin(omega);
 178     double cs = cos(omega);
 179     double alpha = sn/(2 * q);
 180     double inv = 1.0/(1.0 + alpha);
 181
 182     bq->a2 = bq->a0 = gain * inv * (1.0 - cs) * 0.5;
 183     bq->a1 = bq->a0 + bq->a0;
 184     bq->b1 = (-2.0 * cs * inv);
 185     bq->b2 = ((1.0 - alpha) * inv);
 186 }
 187
 188 static double freq_gain(BiquadCoeffs *c, double freq, double sr)
 189 {
 190     double zr, zi;
 191
 192     freq *= 2.0 * M_PI / sr;
 193     zr = cos(freq);
 194     zi = -sin(freq);
 195
 196     /* |(a0 + a1*z + a2*z^2)/(1 + b1*z + b2*z^2)| */
 197     return hypot(c->a0 + c->a1*zr + c->a2*(zr*zr-zi*zi), c->a1*zi + 2*c->a2*zr*zi) /
 198            hypot(1 + c->b1*zr + c->b2*(zr*zr-zi*zi), c->b1*zi + 2*c->b2*zr*zi);
 199 }
 200
 201 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
 202 {
 203     double i, j, k, g, t, a0, a1, a2, b1, b2, tau1, tau2, tau3;
 204     double cutfreq, gain1kHz, gc, sr = inlink->sample_rate;
 205     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 206     AudioEmphasisContext *s = ctx->priv;
 207     BiquadCoeffs coeffs;
 208     int ch;
 209
 210     s->rc = av_calloc(inlink->channels, sizeof(*s->rc));
 211     if (!s->rc)
 212         return AVERROR(ENOMEM);
 213
 214     switch (s->type) {
 215     case 0: //"Columbia"
 216         i = 100.;
 217         j = 500.;
 218         k = 1590.;
 219         break;
 220     case 1: //"EMI"
 221         i = 70.;
 222         j = 500.;
 223         k = 2500.;
 224         break;
 225     case 2: //"BSI(78rpm)"
 226         i = 50.;
 227         j = 353.;
 228         k = 3180.;
 229         break;
 230     case 3: //"RIAA"
 231     default:
 232         tau1 = 0.003180;
 233         tau2 = 0.000318;
 234         tau3 = 0.000075;
 235         i = 1. / (2. * M_PI * tau1);
 236         j = 1. / (2. * M_PI * tau2);
 237         k = 1. / (2. * M_PI * tau3);
 238         break;
 239     case 4: //"CD Mastering"
 240         tau1 = 0.000050;
 241         tau2 = 0.000015;
 242         tau3 = 0.0000001;// 1.6MHz out of audible range for null impact
 243         i = 1. / (2. * M_PI * tau1);
 244         j = 1. / (2. * M_PI * tau2);
 245         k = 1. / (2. * M_PI * tau3);
 246         break;
 247     case 5: //"50µs FM (Europe)"
 248         tau1 = 0.000050;
 249         tau2 = tau1 / 20;// not used
 250         tau3 = tau1 / 50;//
 251         i = 1. / (2. * M_PI * tau1);
 252         j = 1. / (2. * M_PI * tau2);
 253         k = 1. / (2. * M_PI * tau3);
 254         break;
 255     case 6: //"75µs FM (US)"
 256         tau1 = 0.000075;
 257         tau2 = tau1 / 20;// not used
 258         tau3 = tau1 / 50;//
 259         i = 1. / (2. * M_PI * tau1);
 260         j = 1. / (2. * M_PI * tau2);
 261         k = 1. / (2. * M_PI * tau3);
 262         break;
 263     }
 264
 265     i *= 2 * M_PI;
 266     j *= 2 * M_PI;
 267     k *= 2 * M_PI;
 268
 269     t = 1. / sr;
 270
 271     //swap a1 b1, a2 b2
 272     if (s->type == 7 || s->type == 8) {
 273         double tau = (s->type == 7 ? 0.000050 : 0.000075);
 274         double f = 1.0 / (2 * M_PI * tau);
 275         double nyq = sr * 0.5;
 276         double gain = sqrt(1.0 + nyq * nyq / (f * f)); // gain at Nyquist
 277         double cfreq = sqrt((gain - 1.0) * f * f); // frequency
 278         double q = 1.0;
 279
 280         if (s->type == 8)
 281             q = pow((sr / 3269.0) + 19.5, -0.25); // somewhat poor curve-fit
 282         if (s->type == 7)
 283             q = pow((sr / 4750.0) + 19.5, -0.25);
 284         if (s->mode == 0)
 285             set_highshelf_rbj(&s->rc[0].r1, cfreq, q, 1. / gain, sr);
 286         else
 287             set_highshelf_rbj(&s->rc[0].r1, cfreq, q, gain, sr);
 288         s->rc[0].use_brickw = 0;
 289     } else {
 290         s->rc[0].use_brickw = 1;
 291         if (s->mode == 0) { // Reproduction
 292             g  = 1. / (4.+2.*i*t+2.*k*t+i*k*t*t);
 293             a0 = (2.*t+j*t*t)*g;
 294             a1 = (2.*j*t*t)*g;
 295             a2 = (-2.*t+j*t*t)*g;
 296             b1 = (-8.+2.*i*k*t*t)*g;
 297             b2 = (4.-2.*i*t-2.*k*t+i*k*t*t)*g;
 298         } else {  // Production
 299             g  = 1. / (2.*t+j*t*t);
 300             a0 = (4.+2.*i*t+2.*k*t+i*k*t*t)*g;
 301             a1 = (-8.+2.*i*k*t*t)*g;
 302             a2 = (4.-2.*i*t-2.*k*t+i*k*t*t)*g;
 303             b1 = (2.*j*t*t)*g;
 304             b2 = (-2.*t+j*t*t)*g;
 305         }
 306
 307         coeffs.a0 = a0;
 308         coeffs.a1 = a1;
 309         coeffs.a2 = a2;
 310         coeffs.b1 = b1;
 311         coeffs.b2 = b2;
 312
 313         // the coeffs above give non-normalized value, so it should be normalized to produce 0dB at 1 kHz
 314         // find actual gain
 315         // Note: for FM emphasis, use 100 Hz for normalization instead
 316         gain1kHz = freq_gain(&coeffs, 1000.0, sr);
 317         // divide one filter's x[n-m] coefficients by that value
 318         gc = 1.0 / gain1kHz;
 319         s->rc[0].r1.a0 = coeffs.a0 * gc;
 320         s->rc[0].r1.a1 = coeffs.a1 * gc;
 321         s->rc[0].r1.a2 = coeffs.a2 * gc;
 322         s->rc[0].r1.b1 = coeffs.b1;
 323         s->rc[0].r1.b2 = coeffs.b2;
 324     }
 325
 326     cutfreq = FFMIN(0.45 * sr, 21000.);
 327     set_lp_rbj(&s->rc[0].brickw, cutfreq, 0.707, sr, 1.);
 328
 329     for (ch = 1; ch < inlink->channels; ch++) {
 330         memcpy(&s->rc[ch], &s->rc[0], sizeof(RIAACurve));
 331     }
 332
 333     return 0;
 334 }
 335
 336 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 337 {
 338     AudioEmphasisContext *s = ctx->priv;
 339     av_freep(&s->rc);
 340 }
 341
 342 static const AVFilterPad avfilter_af_aemphasis_inputs[] = {
 343     {
 344         .name         = "default",
 345         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 346         .config_props = config_input,
 347         .filter_frame = filter_frame,
 348     },
 349     { NULL }
 350 };
 351
 352 static const AVFilterPad avfilter_af_aemphasis_outputs[] = {
 353     {
 354         .name = "default",
 355         .type = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 356     },
 357     { NULL }
 358 };
 359
 360 AVFilter ff_af_aemphasis = {
 361     .name          = "aemphasis",
 362     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Audio emphasis."),
 363     .priv_size     = sizeof(AudioEmphasisContext),
 364     .priv_class    = &aemphasis_class,
 365     .uninit        = uninit,
 366     .query_formats = query_formats,
 367     .inputs        = avfilter_af_aemphasis_inputs,
 368     .outputs       = avfilter_af_aemphasis_outputs,
 369 };