]> git.sesse.net Git - nageru/blob - audio_mixer.h
Add mute buttons.
[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         bool get_mute(unsigned bus_index) const { return mute[bus_index]; }
71         void set_mute(unsigned bus_index, bool muted) { mute[bus_index] = muted; }
72
73         // Note: This operation holds all ALSA devices (see ALSAPool::get_devices()).
74         // You will need to call set_input_mapping() to get the hold state correctly,
75         // or every card will be held forever.
76         std::map<DeviceSpec, DeviceInfo> get_devices();
77
78         // See comments on ALSAPool::get_card_state().
79         ALSAPool::Device::State get_alsa_card_state(unsigned index)
80         {
81                 return alsa_pool.get_card_state(index);
82         }
83
84         // See comments on ALSAPool::create_dead_card().
85         DeviceSpec create_dead_card(const std::string &name, const std::string &info, unsigned num_channels)
86         {
87                 unsigned dead_card_index = alsa_pool.create_dead_card(name, info, num_channels);
88                 return DeviceSpec{InputSourceType::ALSA_INPUT, dead_card_index};
89         }
90
91         void set_display_name(DeviceSpec device_spec, const std::string &name);
92
93         // Note: The card should be held (currently this isn't enforced, though).
94         void serialize_device(DeviceSpec device_spec, DeviceSpecProto *device_spec_proto);
95
96         enum class MappingMode {
97                 // A single bus, only from a video card (no ALSA devices),
98                 // only channel 1 and 2, locked to +0 dB. Note that this is
99                 // only an UI abstraction around exactly the same audio code
100                 // as MULTICHANNEL; it's just less flexible.
101                 SIMPLE,
102
103                 // Full, arbitrary mappings.
104                 MULTICHANNEL
105         };
106
107         // Automatically sets mapping mode to MappingMode::SIMPLE.
108         void set_simple_input(unsigned card_index);
109
110         // If mapping mode is not representable as a MappingMode::SIMPLE type
111         // mapping, returns numeric_limits<unsigned>::max().
112         unsigned get_simple_input() const;
113
114         // Implicitly sets mapping mode to MappingMode::MULTICHANNEL.
115         void set_input_mapping(const InputMapping &input_mapping);
116
117         MappingMode get_mapping_mode() const;
118         InputMapping get_input_mapping() const;
119
120         unsigned num_buses() const;
121
122         void set_locut_cutoff(float cutoff_hz)
123         {
124                 locut_cutoff_hz = cutoff_hz;
125         }
126
127         float get_locut_cutoff() const
128         {
129                 return locut_cutoff_hz;
130         }
131
132         void set_locut_enabled(unsigned bus, bool enabled)
133         {
134                 locut_enabled[bus] = enabled;
135         }
136
137         bool get_locut_enabled(unsigned bus)
138         {
139                 return locut_enabled[bus];
140         }
141
142         void set_eq(unsigned bus_index, EQBand band, float db_gain)
143         {
144                 assert(band >= 0 && band < NUM_EQ_BANDS);
145                 eq_level_db[bus_index][band] = db_gain;
146         }
147
148         float get_eq(unsigned bus_index, EQBand band) const
149         {
150                 assert(band >= 0 && band < NUM_EQ_BANDS);
151                 return eq_level_db[bus_index][band];
152         }
153
154         float get_limiter_threshold_dbfs() const
155         {
156                 return limiter_threshold_dbfs;
157         }
158
159         float get_compressor_threshold_dbfs(unsigned bus_index) const
160         {
161                 return compressor_threshold_dbfs[bus_index];
162         }
163
164         void set_limiter_threshold_dbfs(float threshold_dbfs)
165         {
166                 limiter_threshold_dbfs = threshold_dbfs;
167         }
168
169         void set_compressor_threshold_dbfs(unsigned bus_index, float threshold_dbfs)
170         {
171                 compressor_threshold_dbfs[bus_index] = threshold_dbfs;
172         }
173
174         void set_limiter_enabled(bool enabled)
175         {
176                 limiter_enabled = enabled;
177         }
178
179         bool get_limiter_enabled() const
180         {
181                 return limiter_enabled;
182         }
183
184         void set_compressor_enabled(unsigned bus_index, bool enabled)
185         {
186                 compressor_enabled[bus_index] = enabled;
187         }
188
189         bool get_compressor_enabled(unsigned bus_index) const
190         {
191                 return compressor_enabled[bus_index];
192         }
193
194         void set_gain_staging_db(unsigned bus_index, float gain_db)
195         {
196                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
197                 level_compressor_enabled[bus_index] = false;
198                 gain_staging_db[bus_index] = gain_db;
199         }
200
201         float get_gain_staging_db(unsigned bus_index) const
202         {
203                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
204                 return gain_staging_db[bus_index];
205         }
206
207         void set_gain_staging_auto(unsigned bus_index, bool enabled)
208         {
209                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
210                 level_compressor_enabled[bus_index] = enabled;
211         }
212
213         bool get_gain_staging_auto(unsigned bus_index) const
214         {
215                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
216                 return level_compressor_enabled[bus_index];
217         }
218
219         void set_final_makeup_gain_db(float gain_db)
220         {
221                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
222                 final_makeup_gain_auto = false;
223                 final_makeup_gain = from_db(gain_db);
224         }
225
226         float get_final_makeup_gain_db()
227         {
228                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
229                 return to_db(final_makeup_gain);
230         }
231
232         void set_final_makeup_gain_auto(bool enabled)
233         {
234                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
235                 final_makeup_gain_auto = enabled;
236         }
237
238         bool get_final_makeup_gain_auto() const
239         {
240                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
241                 return final_makeup_gain_auto;
242         }
243
244         void reset_peak(unsigned bus_index);
245
246         struct BusLevel {
247                 float current_level_dbfs[2];  // Digital peak of last frame, left and right.
248                 float peak_level_dbfs[2];  // Digital peak with hold, left and right.
249                 float historic_peak_dbfs;
250                 float gain_staging_db;
251                 float compressor_attenuation_db;  // A positive number; 0.0 for no attenuation.
252         };
253
254         typedef std::function<void(float level_lufs, float peak_db,
255                                    std::vector<BusLevel> bus_levels,
256                                    float global_level_lufs, float range_low_lufs, float range_high_lufs,
257                                    float final_makeup_gain_db,
258                                    float correlation)> audio_level_callback_t;
259         void set_audio_level_callback(audio_level_callback_t callback)
260         {
261                 audio_level_callback = callback;
262         }
263
264         typedef std::function<void()> state_changed_callback_t;
265         void set_state_changed_callback(state_changed_callback_t callback)
266         {
267                 state_changed_callback = callback;
268         }
269
270         state_changed_callback_t get_state_changed_callback() const
271         {
272                 return state_changed_callback;
273         }
274
275         void trigger_state_changed_callback()
276         {
277                 if (state_changed_callback != nullptr) {
278                         state_changed_callback();
279                 }
280         }
281
282         // A combination of all settings for a bus. Useful if you want to get
283         // or store them as a whole without bothering to call all of the get_*
284         // or set_* functions for that bus.
285         struct BusSettings {
286                 float fader_volume_db;
287                 bool muted;
288                 bool locut_enabled;
289                 float eq_level_db[NUM_EQ_BANDS];
290                 float gain_staging_db;
291                 bool level_compressor_enabled;
292                 float compressor_threshold_dbfs;
293                 bool compressor_enabled;
294         };
295         static BusSettings get_default_bus_settings();
296         BusSettings get_bus_settings(unsigned bus_index) const;
297         void set_bus_settings(unsigned bus_index, const BusSettings &settings);
298
299 private:
300         struct AudioDevice {
301                 std::unique_ptr<ResamplingQueue> resampling_queue;
302                 int64_t next_local_pts = 0;
303                 std::string display_name;
304                 unsigned capture_frequency = OUTPUT_FREQUENCY;
305                 // Which channels we consider interesting (ie., are part of some input_mapping).
306                 std::set<unsigned> interesting_channels;
307                 bool silenced = false;
308         };
309
310         const AudioDevice *find_audio_device(DeviceSpec device_spec) const
311         {
312                 return const_cast<AudioMixer *>(this)->find_audio_device(device_spec);
313         }
314
315         AudioDevice *find_audio_device(DeviceSpec device_spec);
316
317         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);
318         void fill_audio_bus(const std::map<DeviceSpec, std::vector<float>> &samples_card, const InputMapping::Bus &bus, unsigned num_samples, float *output);
319         void reset_resampler_mutex_held(DeviceSpec device_spec);
320         void apply_eq(unsigned bus_index, std::vector<float> *samples_bus);
321         void update_meters(const std::vector<float> &samples);
322         void add_bus_to_master(unsigned bus_index, const std::vector<float> &samples_bus, std::vector<float> *samples_out);
323         void measure_bus_levels(unsigned bus_index, const std::vector<float> &left, const std::vector<float> &right);
324         void send_audio_level_callback();
325         std::vector<DeviceSpec> get_active_devices() const;
326         void set_input_mapping_lock_held(const InputMapping &input_mapping);
327
328         unsigned num_cards;
329
330         mutable std::timed_mutex audio_mutex;
331
332         ALSAPool alsa_pool;
333         AudioDevice video_cards[MAX_VIDEO_CARDS];  // Under audio_mutex.
334         AudioDevice alsa_inputs[MAX_ALSA_CARDS];  // Under audio_mutex.
335
336         std::atomic<float> locut_cutoff_hz{120};
337         StereoFilter locut[MAX_BUSES];  // Default cutoff 120 Hz, 24 dB/oct.
338         std::atomic<bool> locut_enabled[MAX_BUSES];
339         StereoFilter eq[MAX_BUSES][NUM_EQ_BANDS];  // The one for EQBand::MID isn't actually used (see comments in apply_eq()).
340
341         // First compressor; takes us up to about -12 dBFS.
342         mutable std::mutex compressor_mutex;
343         std::unique_ptr<StereoCompressor> level_compressor[MAX_BUSES];  // Under compressor_mutex. Used to set/override gain_staging_db if <level_compressor_enabled>.
344         float gain_staging_db[MAX_BUSES];  // Under compressor_mutex.
345         float last_gain_staging_db[MAX_BUSES];  // Under compressor_mutex.
346         bool level_compressor_enabled[MAX_BUSES];  // Under compressor_mutex.
347
348         static constexpr float ref_level_dbfs = -14.0f;  // Chosen so that we end up around 0 LU in practice.
349         static constexpr float ref_level_lufs = -23.0f;  // 0 LU, more or less by definition.
350
351         StereoCompressor limiter;
352         std::atomic<float> limiter_threshold_dbfs{ref_level_dbfs + 4.0f};   // 4 dB.
353         std::atomic<bool> limiter_enabled{true};
354         std::unique_ptr<StereoCompressor> compressor[MAX_BUSES];
355         std::atomic<float> compressor_threshold_dbfs[MAX_BUSES];
356         std::atomic<bool> compressor_enabled[MAX_BUSES];
357
358         // Note: The values here are not in dB.
359         struct PeakHistory {
360                 float current_level = 0.0f;  // Peak of the last frame.
361                 float historic_peak = 0.0f;  // Highest peak since last reset; no falloff.
362                 float current_peak = 0.0f;  // Current peak of the peak meter.
363                 float last_peak = 0.0f;
364                 float age_seconds = 0.0f;   // Time since "last_peak" was set.
365         };
366         PeakHistory peak_history[MAX_BUSES][2];  // Separate for each channel. Under audio_mutex.
367
368         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.
369         bool final_makeup_gain_auto = true;  // Under compressor_mutex.
370
371         MappingMode current_mapping_mode;  // Under audio_mutex.
372         InputMapping input_mapping;  // Under audio_mutex.
373         std::atomic<float> fader_volume_db[MAX_BUSES] {{ 0.0f }};
374         std::atomic<bool> mute[MAX_BUSES] {{ false }};
375         float last_fader_volume_db[MAX_BUSES] { 0.0f };  // Under audio_mutex.
376         std::atomic<float> eq_level_db[MAX_BUSES][NUM_EQ_BANDS] {{{ 0.0f }}};
377         float last_eq_level_db[MAX_BUSES][NUM_EQ_BANDS] {{ 0.0f }};
378
379         audio_level_callback_t audio_level_callback = nullptr;
380         state_changed_callback_t state_changed_callback = nullptr;
381         mutable std::mutex audio_measure_mutex;
382         Ebu_r128_proc r128;  // Under audio_measure_mutex.
383         CorrelationMeasurer correlation;  // Under audio_measure_mutex.
384         Resampler peak_resampler;  // Under audio_measure_mutex.
385         std::atomic<float> peak{0.0f};
386 };
387
388 extern AudioMixer *global_audio_mixer;
389
390 #endif  // !defined(_AUDIO_MIXER_H)