fea59261d3c585d168081bab12edf5a778c352ed
[c64tapwav] / level.cpp
1 // A small program to try to even out the audio levels within a file
2 // (essentially a compressor with infinite lookahead).
3
4 #include <stdio.h>
5 #include <math.h>
6 #include <vector>
7 #include <algorithm>
8
9 // The frequency to filter on, in Hertz. Larger values makes the
10 // compressor react faster, but if it is too large, you'll
11 // ruin the waveforms themselves.
12 #define LPFILTER_FREQ 50.0
13
14 // The minimum estimated sound level at any given point.
15 // If you decrease this, you'll be able to amplify really silent signals
16 // by more, but you'll also increase the level of silent (ie. noise-only) segments,
17 // possibly caused misdetected pulses in these segments.
18 #define MIN_LEVEL 0.05
19
20 // A final scalar to get the audio within approximately the right range.
21 // Increase to _lower_ overall volume.
22 #define DAMPENING_FACTOR 5.0
23
24 // 6dB/oct per round.
25 #define FILTER_DEPTH 4
26
27 static float a1, a2, b0, b1, b2;
28 static float d0, d1;
29
30 static void filter_init(float cutoff_radians)
31 {
32         float resonance = 1.0f / sqrt(2.0f);
33         float sn = sin(cutoff_radians), cs = cos(cutoff_radians);
34         float alpha = float(sn / (2 * resonance));
35
36         // coefficients for lowpass filter
37         float a0 = 1 + alpha;
38         b0 = (1 - cs) * 0.5f;
39         b1 = 1 - cs;
40         b2 = b0;
41         a1 = -2 * cs;
42         a2 = 1 - alpha;
43
44         b0 /= a0;
45         b1 /= a0;
46         b2 /= a0;
47         a1 /= a0;
48         a2 /= a0;
49
50         // reset filter delays
51         d0 = d1 = 0.0f;
52 }
53
54 static float filter_update(float in)
55 {
56         float out = b0*in + d0;
57         d0 = b1 * in - a1 * out + d1;
58         d1 = b2 * in - a2 * out;
59         return out;
60 }
61
62 std::vector<float> level_samples(const std::vector<float> &pcm, int sample_rate)
63 {
64         // filter forwards, then backwards (perfect phase filtering)
65         std::vector<float> filtered_samples, refiltered_samples, leveled_samples;
66         filtered_samples.resize(pcm.size());
67         refiltered_samples.resize(pcm.size());
68         leveled_samples.resize(pcm.size());
69
70         filter_init(M_PI * LPFILTER_FREQ / sample_rate);
71         for (unsigned i = 0; i < pcm.size(); ++i) {
72                 filtered_samples[i] = filter_update(fabs(pcm[i]));
73         }
74         filter_init(M_PI * LPFILTER_FREQ / sample_rate);
75         for (unsigned i = pcm.size(); i --> 0; ) {
76                 refiltered_samples[i] = filter_update(filtered_samples[i]);
77         }
78
79         for (int i = 1; i < FILTER_DEPTH; ++i) {
80                 filter_init(M_PI * LPFILTER_FREQ / sample_rate);
81                 for (unsigned i = 0; i < pcm.size(); ++i) {
82                         filtered_samples[i] = filter_update(refiltered_samples[i]);
83                 }
84                 filter_init(M_PI * LPFILTER_FREQ / sample_rate);
85                 for (unsigned i = pcm.size(); i --> 0; ) {
86                         refiltered_samples[i] = filter_update(filtered_samples[i]);
87                 }
88         }
89
90         for (unsigned i = 0; i < pcm.size(); ++i) {
91                 float f = DAMPENING_FACTOR * std::max<float>(refiltered_samples[i], MIN_LEVEL);
92                 leveled_samples[i] = pcm[i] / f;
93         }
94
95         return leveled_samples;
96 }