]> git.sesse.net Git - nageru/blob - audio_mixer.h
71f36629341f54a6151d33469271efd6361ccbce
[nageru] / audio_mixer.h
1 #ifndef _AUDIO_MIXER_H
2 #define _AUDIO_MIXER_H 1
3
4 // The audio mixer, dealing with extracting the right signals from
5 // each capture card, resampling signals so that they are in sync,
6 // processing them with effects (if desired), and then mixing them
7 // all together into one final audio signal.
8 //
9 // All operations on AudioMixer (except destruction) are thread-safe.
10
11 #include <math.h>
12 #include <stdint.h>
13 #include <atomic>
14 #include <map>
15 #include <memory>
16 #include <mutex>
17 #include <set>
18 #include <vector>
19 #include <zita-resampler/resampler.h>
20
21 #include "alsa_input.h"
22 #include "alsa_pool.h"
23 #include "bmusb/bmusb.h"
24 #include "correlation_measurer.h"
25 #include "db.h"
26 #include "defs.h"
27 #include "ebu_r128_proc.h"
28 #include "filter.h"
29 #include "input_mapping.h"
30 #include "resampling_queue.h"
31 #include "stereocompressor.h"
32
33 namespace bmusb {
34 struct AudioFormat;
35 }  // namespace bmusb
36
37 enum EQBand {
38         EQ_BAND_BASS = 0,
39         EQ_BAND_MID,
40         EQ_BAND_TREBLE,
41         NUM_EQ_BANDS
42 };
43
44 class AudioMixer {
45 public:
46         AudioMixer(unsigned num_cards);
47         void reset_resampler(DeviceSpec device_spec);
48         void reset_meters();
49
50         // Add audio (or silence) to the given device's queue. Can return false if
51         // the lock wasn't successfully taken; if so, you should simply try again.
52         // (This is to avoid a deadlock where a card hangs on the mutex in add_audio()
53         // while we are trying to shut it down from another thread that also holds
54         // the mutex.) frame_length is in TIMEBASE units.
55         bool add_audio(DeviceSpec device_spec, const uint8_t *data, unsigned num_samples, bmusb::AudioFormat audio_format, int64_t frame_length);
56         bool add_silence(DeviceSpec device_spec, unsigned samples_per_frame, unsigned num_frames, int64_t frame_length);
57
58         // If a given device is offline for whatever reason and cannot deliver audio
59         // (by means of add_audio() or add_silence()), you can call put it in silence mode,
60         // where it will be taken to only output silence. Note that when taking it _out_
61         // of silence mode, the resampler will be reset, so that old audio will not
62         // affect it. Same true/false behavior as add_audio().
63         bool silence_card(DeviceSpec device_spec, bool silence);
64
65         std::vector<float> get_output(double pts, unsigned num_samples, ResamplingQueue::RateAdjustmentPolicy rate_adjustment_policy);
66
67         float get_fader_volume(unsigned bus_index) const { return fader_volume_db[bus_index]; }
68         void set_fader_volume(unsigned bus_index, float level_db) { fader_volume_db[bus_index] = level_db; }
69
70         // Note: This operation holds all ALSA devices (see ALSAPool::get_devices()).
71         // You will need to call set_input_mapping() to get the hold state correctly,
72         // or every card will be held forever.
73         std::map<DeviceSpec, DeviceInfo> get_devices();
74
75         // See comments on ALSAPool::get_card_state().
76         ALSAPool::Device::State get_alsa_card_state(unsigned index)
77         {
78                 return alsa_pool.get_card_state(index);
79         }
80
81         // See comments on ALSAPool::create_dead_card().
82         DeviceSpec create_dead_card(const std::string &name, const std::string &info, unsigned num_channels)
83         {
84                 unsigned dead_card_index = alsa_pool.create_dead_card(name, info, num_channels);
85                 return DeviceSpec{InputSourceType::ALSA_INPUT, dead_card_index};
86         }
87
88         void set_display_name(DeviceSpec device_spec, const std::string &name);
89
90         // Note: The card should be held (currently this isn't enforced, though).
91         void serialize_device(DeviceSpec device_spec, DeviceSpecProto *device_spec_proto);
92
93         enum class MappingMode {
94                 // A single bus, only from a video card (no ALSA devices),
95                 // only channel 1 and 2, locked to +0 dB. Note that this is
96                 // only an UI abstraction around exactly the same audio code
97                 // as MULTICHANNEL; it's just less flexible.
98                 SIMPLE,
99
100                 // Full, arbitrary mappings.
101                 MULTICHANNEL
102         };
103
104         // Automatically sets mapping mode to MappingMode::SIMPLE.
105         void set_simple_input(unsigned card_index);
106
107         // If mapping mode is not representable as a MappingMode::SIMPLE type
108         // mapping, returns numeric_limits<unsigned>::max().
109         unsigned get_simple_input() const;
110
111         // Implicitly sets mapping mode to MappingMode::MULTICHANNEL.
112         void set_input_mapping(const InputMapping &input_mapping);
113
114         MappingMode get_mapping_mode() const;
115         InputMapping get_input_mapping() const;
116
117         void set_locut_cutoff(float cutoff_hz)
118         {
119                 locut_cutoff_hz = cutoff_hz;
120         }
121
122         float get_locut_cutoff() const
123         {
124                 return locut_cutoff_hz;
125         }
126
127         void set_locut_enabled(unsigned bus, bool enabled)
128         {
129                 locut_enabled[bus] = enabled;
130         }
131
132         bool get_locut_enabled(unsigned bus)
133         {
134                 return locut_enabled[bus];
135         }
136
137         void set_eq(unsigned bus_index, EQBand band, float db_gain)
138         {
139                 assert(band >= 0 && band < NUM_EQ_BANDS);
140                 eq_level_db[bus_index][band] = db_gain;
141         }
142
143         float get_eq(unsigned bus_index, EQBand band) const
144         {
145                 assert(band >= 0 && band < NUM_EQ_BANDS);
146                 return eq_level_db[bus_index][band];
147         }
148
149         float get_limiter_threshold_dbfs() const
150         {
151                 return limiter_threshold_dbfs;
152         }
153
154         float get_compressor_threshold_dbfs(unsigned bus_index) const
155         {
156                 return compressor_threshold_dbfs[bus_index];
157         }
158
159         void set_limiter_threshold_dbfs(float threshold_dbfs)
160         {
161                 limiter_threshold_dbfs = threshold_dbfs;
162         }
163
164         void set_compressor_threshold_dbfs(unsigned bus_index, float threshold_dbfs)
165         {
166                 compressor_threshold_dbfs[bus_index] = threshold_dbfs;
167         }
168
169         void set_limiter_enabled(bool enabled)
170         {
171                 limiter_enabled = enabled;
172         }
173
174         bool get_limiter_enabled() const
175         {
176                 return limiter_enabled;
177         }
178
179         void set_compressor_enabled(unsigned bus_index, bool enabled)
180         {
181                 compressor_enabled[bus_index] = enabled;
182         }
183
184         bool get_compressor_enabled(unsigned bus_index) const
185         {
186                 return compressor_enabled[bus_index];
187         }
188
189         void set_gain_staging_db(unsigned bus_index, float gain_db)
190         {
191                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
192                 level_compressor_enabled[bus_index] = false;
193                 gain_staging_db[bus_index] = gain_db;
194         }
195
196         float get_gain_staging_db(unsigned bus_index) const
197         {
198                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
199                 return gain_staging_db[bus_index];
200         }
201
202         void set_gain_staging_auto(unsigned bus_index, bool enabled)
203         {
204                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
205                 level_compressor_enabled[bus_index] = enabled;
206         }
207
208         bool get_gain_staging_auto(unsigned bus_index) const
209         {
210                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
211                 return level_compressor_enabled[bus_index];
212         }
213
214         void set_final_makeup_gain_db(float gain_db)
215         {
216                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
217                 final_makeup_gain_auto = false;
218                 final_makeup_gain = from_db(gain_db);
219         }
220
221         float get_final_makeup_gain_db()
222         {
223                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
224                 return to_db(final_makeup_gain);
225         }
226
227         void set_final_makeup_gain_auto(bool enabled)
228         {
229                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
230                 final_makeup_gain_auto = enabled;
231         }
232
233         bool get_final_makeup_gain_auto() const
234         {
235                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
236                 return final_makeup_gain_auto;
237         }
238
239         void reset_peak(unsigned bus_index);
240
241         struct BusLevel {
242                 float current_level_dbfs[2];  // Digital peak of last frame, left and right.
243                 float peak_level_dbfs[2];  // Digital peak with hold, left and right.
244                 float historic_peak_dbfs;
245                 float gain_staging_db;
246                 float compressor_attenuation_db;  // A positive number; 0.0 for no attenuation.
247         };
248
249         typedef std::function<void(float level_lufs, float peak_db,
250                                    std::vector<BusLevel> bus_levels,
251                                    float global_level_lufs, float range_low_lufs, float range_high_lufs,
252                                    float final_makeup_gain_db,
253                                    float correlation)> audio_level_callback_t;
254         void set_audio_level_callback(audio_level_callback_t callback)
255         {
256                 audio_level_callback = callback;
257         }
258
259         typedef std::function<void()> state_changed_callback_t;
260         void set_state_changed_callback(state_changed_callback_t callback)
261         {
262                 state_changed_callback = callback;
263         }
264
265         state_changed_callback_t get_state_changed_callback() const
266         {
267                 return state_changed_callback;
268         }
269
270         void trigger_state_changed_callback()
271         {
272                 if (state_changed_callback != nullptr) {
273                         state_changed_callback();
274                 }
275         }
276
277         // A combination of all settings for a bus. Useful if you want to get
278         // or store them as a whole without bothering to call all of the get_*
279         // or set_* functions for that bus.
280         struct BusSettings {
281                 float fader_volume_db;
282                 bool locut_enabled;
283                 float eq_level_db[NUM_EQ_BANDS];
284                 float gain_staging_db;
285                 bool level_compressor_enabled;
286                 float compressor_threshold_dbfs;
287                 bool compressor_enabled;
288         };
289         static BusSettings get_default_bus_settings();
290         BusSettings get_bus_settings(unsigned bus_index) const;
291         void set_bus_settings(unsigned bus_index, const BusSettings &settings);
292
293 private:
294         struct AudioDevice {
295                 std::unique_ptr<ResamplingQueue> resampling_queue;
296                 int64_t next_local_pts = 0;
297                 std::string display_name;
298                 unsigned capture_frequency = OUTPUT_FREQUENCY;
299                 // Which channels we consider interesting (ie., are part of some input_mapping).
300                 std::set<unsigned> interesting_channels;
301                 bool silenced = false;
302         };
303
304         const AudioDevice *find_audio_device(DeviceSpec device_spec) const
305         {
306                 return const_cast<AudioMixer *>(this)->find_audio_device(device_spec);
307         }
308
309         AudioDevice *find_audio_device(DeviceSpec device_spec);
310
311         void find_sample_src_from_device(const std::map<DeviceSpec, std::vector<float>> &samples_card, DeviceSpec device_spec, int source_channel, const float **srcptr, unsigned *stride);
312         void fill_audio_bus(const std::map<DeviceSpec, std::vector<float>> &samples_card, const InputMapping::Bus &bus, unsigned num_samples, float *output);
313         void reset_resampler_mutex_held(DeviceSpec device_spec);
314         void apply_eq(unsigned bus_index, std::vector<float> *samples_bus);
315         void update_meters(const std::vector<float> &samples);
316         void add_bus_to_master(unsigned bus_index, const std::vector<float> &samples_bus, std::vector<float> *samples_out);
317         void measure_bus_levels(unsigned bus_index, const std::vector<float> &left, const std::vector<float> &right);
318         void send_audio_level_callback();
319         std::vector<DeviceSpec> get_active_devices() const;
320         void set_input_mapping_lock_held(const InputMapping &input_mapping);
321
322         unsigned num_cards;
323
324         mutable std::timed_mutex audio_mutex;
325
326         ALSAPool alsa_pool;
327         AudioDevice video_cards[MAX_VIDEO_CARDS];  // Under audio_mutex.
328         AudioDevice alsa_inputs[MAX_ALSA_CARDS];  // Under audio_mutex.
329
330         std::atomic<float> locut_cutoff_hz{120};
331         StereoFilter locut[MAX_BUSES];  // Default cutoff 120 Hz, 24 dB/oct.
332         std::atomic<bool> locut_enabled[MAX_BUSES];
333         StereoFilter eq[MAX_BUSES][NUM_EQ_BANDS];  // The one for EQBand::MID isn't actually used (see comments in apply_eq()).
334
335         // First compressor; takes us up to about -12 dBFS.
336         mutable std::mutex compressor_mutex;
337         std::unique_ptr<StereoCompressor> level_compressor[MAX_BUSES];  // Under compressor_mutex. Used to set/override gain_staging_db if <level_compressor_enabled>.
338         float gain_staging_db[MAX_BUSES];  // Under compressor_mutex.
339         float last_gain_staging_db[MAX_BUSES];  // Under compressor_mutex.
340         bool level_compressor_enabled[MAX_BUSES];  // Under compressor_mutex.
341
342         static constexpr float ref_level_dbfs = -14.0f;  // Chosen so that we end up around 0 LU in practice.
343         static constexpr float ref_level_lufs = -23.0f;  // 0 LU, more or less by definition.
344
345         StereoCompressor limiter;
346         std::atomic<float> limiter_threshold_dbfs{ref_level_dbfs + 4.0f};   // 4 dB.
347         std::atomic<bool> limiter_enabled{true};
348         std::unique_ptr<StereoCompressor> compressor[MAX_BUSES];
349         std::atomic<float> compressor_threshold_dbfs[MAX_BUSES];
350         std::atomic<bool> compressor_enabled[MAX_BUSES];
351
352         // Note: The values here are not in dB.
353         struct PeakHistory {
354                 float current_level = 0.0f;  // Peak of the last frame.
355                 float historic_peak = 0.0f;  // Highest peak since last reset; no falloff.
356                 float current_peak = 0.0f;  // Current peak of the peak meter.
357                 float last_peak = 0.0f;
358                 float age_seconds = 0.0f;   // Time since "last_peak" was set.
359         };
360         PeakHistory peak_history[MAX_BUSES][2];  // Separate for each channel. Under audio_mutex.
361
362         double final_makeup_gain = 1.0;  // Under compressor_mutex. Read/write by the user. Note: Not in dB, we want the numeric precision so that we can change it slowly.
363         bool final_makeup_gain_auto = true;  // Under compressor_mutex.
364
365         MappingMode current_mapping_mode;  // Under audio_mutex.
366         InputMapping input_mapping;  // Under audio_mutex.
367         std::atomic<float> fader_volume_db[MAX_BUSES] {{ 0.0f }};
368         float last_fader_volume_db[MAX_BUSES] { 0.0f };  // Under audio_mutex.
369         std::atomic<float> eq_level_db[MAX_BUSES][NUM_EQ_BANDS] {{{ 0.0f }}};
370         float last_eq_level_db[MAX_BUSES][NUM_EQ_BANDS] {{ 0.0f }};
371
372         audio_level_callback_t audio_level_callback = nullptr;
373         state_changed_callback_t state_changed_callback = nullptr;
374         mutable std::mutex audio_measure_mutex;
375         Ebu_r128_proc r128;  // Under audio_measure_mutex.
376         CorrelationMeasurer correlation;  // Under audio_measure_mutex.
377         Resampler peak_resampler;  // Under audio_measure_mutex.
378         std::atomic<float> peak{0.0f};
379 };
380
381 extern AudioMixer *global_audio_mixer;
382
383 #endif  // !defined(_AUDIO_MIXER_H)