]> git.sesse.net Git - nageru/blob - audio_mixer.h
Write 1.4.0 changelog.
[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 <assert.h>
12 #include <stdint.h>
13 #include <zita-resampler/resampler.h>
14 #include <atomic>
15 #include <functional>
16 #include <map>
17 #include <memory>
18 #include <mutex>
19 #include <set>
20 #include <string>
21 #include <vector>
22
23 #include "alsa_pool.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 class DeviceSpecProto;
34
35 namespace bmusb {
36 struct AudioFormat;
37 }  // namespace bmusb
38
39 enum EQBand {
40         EQ_BAND_BASS = 0,
41         EQ_BAND_MID,
42         EQ_BAND_TREBLE,
43         NUM_EQ_BANDS
44 };
45
46 class AudioMixer {
47 public:
48         AudioMixer(unsigned num_cards);
49         void reset_resampler(DeviceSpec device_spec);
50         void reset_meters();
51
52         // Add audio (or silence) to the given device's queue. Can return false if
53         // the lock wasn't successfully taken; if so, you should simply try again.
54         // (This is to avoid a deadlock where a card hangs on the mutex in add_audio()
55         // while we are trying to shut it down from another thread that also holds
56         // the mutex.) frame_length is in TIMEBASE units.
57         bool add_audio(DeviceSpec device_spec, const uint8_t *data, unsigned num_samples, bmusb::AudioFormat audio_format, int64_t frame_length);
58         bool add_silence(DeviceSpec device_spec, unsigned samples_per_frame, unsigned num_frames, int64_t frame_length);
59
60         // If a given device is offline for whatever reason and cannot deliver audio
61         // (by means of add_audio() or add_silence()), you can call put it in silence mode,
62         // where it will be taken to only output silence. Note that when taking it _out_
63         // of silence mode, the resampler will be reset, so that old audio will not
64         // affect it. Same true/false behavior as add_audio().
65         bool silence_card(DeviceSpec device_spec, bool silence);
66
67         std::vector<float> get_output(double pts, unsigned num_samples, ResamplingQueue::RateAdjustmentPolicy rate_adjustment_policy);
68
69         float get_fader_volume(unsigned bus_index) const { return fader_volume_db[bus_index]; }
70         void set_fader_volume(unsigned bus_index, float level_db) { fader_volume_db[bus_index] = level_db; }
71
72         bool get_mute(unsigned bus_index) const { return mute[bus_index]; }
73         void set_mute(unsigned bus_index, bool muted) { mute[bus_index] = muted; }
74
75         // Note: This operation holds all ALSA devices (see ALSAPool::get_devices()).
76         // You will need to call set_input_mapping() to get the hold state correctly,
77         // or every card will be held forever.
78         std::map<DeviceSpec, DeviceInfo> get_devices();
79
80         // See comments on ALSAPool::get_card_state().
81         ALSAPool::Device::State get_alsa_card_state(unsigned index)
82         {
83                 return alsa_pool.get_card_state(index);
84         }
85
86         // See comments on ALSAPool::create_dead_card().
87         DeviceSpec create_dead_card(const std::string &name, const std::string &info, unsigned num_channels)
88         {
89                 unsigned dead_card_index = alsa_pool.create_dead_card(name, info, num_channels);
90                 return DeviceSpec{InputSourceType::ALSA_INPUT, dead_card_index};
91         }
92
93         void set_display_name(DeviceSpec device_spec, const std::string &name);
94
95         // Note: The card should be held (currently this isn't enforced, though).
96         void serialize_device(DeviceSpec device_spec, DeviceSpecProto *device_spec_proto);
97
98         enum class MappingMode {
99                 // A single bus, only from a video card (no ALSA devices),
100                 // only channel 1 and 2, locked to +0 dB. Note that this is
101                 // only an UI abstraction around exactly the same audio code
102                 // as MULTICHANNEL; it's just less flexible.
103                 SIMPLE,
104
105                 // Full, arbitrary mappings.
106                 MULTICHANNEL
107         };
108
109         // Automatically sets mapping mode to MappingMode::SIMPLE.
110         void set_simple_input(unsigned card_index);
111
112         // If mapping mode is not representable as a MappingMode::SIMPLE type
113         // mapping, returns numeric_limits<unsigned>::max().
114         unsigned get_simple_input() const;
115
116         // Implicitly sets mapping mode to MappingMode::MULTICHANNEL.
117         void set_input_mapping(const InputMapping &input_mapping);
118
119         MappingMode get_mapping_mode() const;
120         InputMapping get_input_mapping() const;
121
122         unsigned num_buses() const;
123
124         void set_locut_cutoff(float cutoff_hz)
125         {
126                 locut_cutoff_hz = cutoff_hz;
127         }
128
129         float get_locut_cutoff() const
130         {
131                 return locut_cutoff_hz;
132         }
133
134         void set_locut_enabled(unsigned bus, bool enabled)
135         {
136                 locut_enabled[bus] = enabled;
137         }
138
139         bool get_locut_enabled(unsigned bus)
140         {
141                 return locut_enabled[bus];
142         }
143
144         void set_eq(unsigned bus_index, EQBand band, float db_gain)
145         {
146                 assert(band >= 0 && band < NUM_EQ_BANDS);
147                 eq_level_db[bus_index][band] = db_gain;
148         }
149
150         float get_eq(unsigned bus_index, EQBand band) const
151         {
152                 assert(band >= 0 && band < NUM_EQ_BANDS);
153                 return eq_level_db[bus_index][band];
154         }
155
156         float get_limiter_threshold_dbfs() const
157         {
158                 return limiter_threshold_dbfs;
159         }
160
161         float get_compressor_threshold_dbfs(unsigned bus_index) const
162         {
163                 return compressor_threshold_dbfs[bus_index];
164         }
165
166         void set_limiter_threshold_dbfs(float threshold_dbfs)
167         {
168                 limiter_threshold_dbfs = threshold_dbfs;
169         }
170
171         void set_compressor_threshold_dbfs(unsigned bus_index, float threshold_dbfs)
172         {
173                 compressor_threshold_dbfs[bus_index] = threshold_dbfs;
174         }
175
176         void set_limiter_enabled(bool enabled)
177         {
178                 limiter_enabled = enabled;
179         }
180
181         bool get_limiter_enabled() const
182         {
183                 return limiter_enabled;
184         }
185
186         void set_compressor_enabled(unsigned bus_index, bool enabled)
187         {
188                 compressor_enabled[bus_index] = enabled;
189         }
190
191         bool get_compressor_enabled(unsigned bus_index) const
192         {
193                 return compressor_enabled[bus_index];
194         }
195
196         void set_gain_staging_db(unsigned bus_index, float gain_db)
197         {
198                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
199                 level_compressor_enabled[bus_index] = false;
200                 gain_staging_db[bus_index] = gain_db;
201         }
202
203         float get_gain_staging_db(unsigned bus_index) const
204         {
205                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
206                 return gain_staging_db[bus_index];
207         }
208
209         void set_gain_staging_auto(unsigned bus_index, bool enabled)
210         {
211                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
212                 level_compressor_enabled[bus_index] = enabled;
213         }
214
215         bool get_gain_staging_auto(unsigned bus_index) const
216         {
217                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
218                 return level_compressor_enabled[bus_index];
219         }
220
221         void set_final_makeup_gain_db(float gain_db)
222         {
223                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
224                 final_makeup_gain_auto = false;
225                 final_makeup_gain = from_db(gain_db);
226         }
227
228         float get_final_makeup_gain_db()
229         {
230                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
231                 return to_db(final_makeup_gain);
232         }
233
234         void set_final_makeup_gain_auto(bool enabled)
235         {
236                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
237                 final_makeup_gain_auto = enabled;
238         }
239
240         bool get_final_makeup_gain_auto() const
241         {
242                 std::unique_lock<std::mutex> lock(compressor_mutex);
243                 return final_makeup_gain_auto;
244         }
245
246         void reset_peak(unsigned bus_index);
247
248         struct BusLevel {
249                 float current_level_dbfs[2];  // Digital peak of last frame, left and right.
250                 float peak_level_dbfs[2];  // Digital peak with hold, left and right.
251                 float historic_peak_dbfs;
252                 float gain_staging_db;
253                 float compressor_attenuation_db;  // A positive number; 0.0 for no attenuation.
254         };
255
256         typedef std::function<void(float level_lufs, float peak_db,
257                                    std::vector<BusLevel> bus_levels,
258                                    float global_level_lufs, float range_low_lufs, float range_high_lufs,
259                                    float final_makeup_gain_db,
260                                    float correlation)> audio_level_callback_t;
261         void set_audio_level_callback(audio_level_callback_t callback)
262         {
263                 audio_level_callback = callback;
264         }
265
266         typedef std::function<void()> state_changed_callback_t;
267         void set_state_changed_callback(state_changed_callback_t callback)
268         {
269                 state_changed_callback = callback;
270         }
271
272         state_changed_callback_t get_state_changed_callback() const
273         {
274                 return state_changed_callback;
275         }
276
277         void trigger_state_changed_callback()
278         {
279                 if (state_changed_callback != nullptr) {
280                         state_changed_callback();
281                 }
282         }
283
284         // A combination of all settings for a bus. Useful if you want to get
285         // or store them as a whole without bothering to call all of the get_*
286         // or set_* functions for that bus.
287         struct BusSettings {
288                 float fader_volume_db;
289                 bool muted;
290                 bool locut_enabled;
291                 float eq_level_db[NUM_EQ_BANDS];
292                 float gain_staging_db;
293                 bool level_compressor_enabled;
294                 float compressor_threshold_dbfs;
295                 bool compressor_enabled;
296         };
297         static BusSettings get_default_bus_settings();
298         BusSettings get_bus_settings(unsigned bus_index) const;
299         void set_bus_settings(unsigned bus_index, const BusSettings &settings);
300
301 private:
302         struct AudioDevice {
303                 std::unique_ptr<ResamplingQueue> resampling_queue;
304                 int64_t next_local_pts = 0;
305                 std::string display_name;
306                 unsigned capture_frequency = OUTPUT_FREQUENCY;
307                 // Which channels we consider interesting (ie., are part of some input_mapping).
308                 std::set<unsigned> interesting_channels;
309                 bool silenced = false;
310         };
311
312         const AudioDevice *find_audio_device(DeviceSpec device_spec) const
313         {
314                 return const_cast<AudioMixer *>(this)->find_audio_device(device_spec);
315         }
316
317         AudioDevice *find_audio_device(DeviceSpec device_spec);
318
319         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);
320         void fill_audio_bus(const std::map<DeviceSpec, std::vector<float>> &samples_card, const InputMapping::Bus &bus, unsigned num_samples, float *output);
321         void reset_resampler_mutex_held(DeviceSpec device_spec);
322         void apply_eq(unsigned bus_index, std::vector<float> *samples_bus);
323         void update_meters(const std::vector<float> &samples);
324         void add_bus_to_master(unsigned bus_index, const std::vector<float> &samples_bus, std::vector<float> *samples_out);
325         void measure_bus_levels(unsigned bus_index, const std::vector<float> &left, const std::vector<float> &right);
326         void send_audio_level_callback();
327         std::vector<DeviceSpec> get_active_devices() const;
328         void set_input_mapping_lock_held(const InputMapping &input_mapping);
329
330         unsigned num_cards;
331
332         mutable std::timed_mutex audio_mutex;
333
334         ALSAPool alsa_pool;
335         AudioDevice video_cards[MAX_VIDEO_CARDS];  // Under audio_mutex.
336         AudioDevice alsa_inputs[MAX_ALSA_CARDS];  // Under audio_mutex.
337
338         std::atomic<float> locut_cutoff_hz{120};
339         StereoFilter locut[MAX_BUSES];  // Default cutoff 120 Hz, 24 dB/oct.
340         std::atomic<bool> locut_enabled[MAX_BUSES];
341         StereoFilter eq[MAX_BUSES][NUM_EQ_BANDS];  // The one for EQBand::MID isn't actually used (see comments in apply_eq()).
342
343         // First compressor; takes us up to about -12 dBFS.
344         mutable std::mutex compressor_mutex;
345         std::unique_ptr<StereoCompressor> level_compressor[MAX_BUSES];  // Under compressor_mutex. Used to set/override gain_staging_db if <level_compressor_enabled>.
346         float gain_staging_db[MAX_BUSES];  // Under compressor_mutex.
347         float last_gain_staging_db[MAX_BUSES];  // Under compressor_mutex.
348         bool level_compressor_enabled[MAX_BUSES];  // Under compressor_mutex.
349
350         static constexpr float ref_level_dbfs = -14.0f;  // Chosen so that we end up around 0 LU in practice.
351         static constexpr float ref_level_lufs = -23.0f;  // 0 LU, more or less by definition.
352
353         StereoCompressor limiter;
354         std::atomic<float> limiter_threshold_dbfs{ref_level_dbfs + 4.0f};   // 4 dB.
355         std::atomic<bool> limiter_enabled{true};
356         std::unique_ptr<StereoCompressor> compressor[MAX_BUSES];
357         std::atomic<float> compressor_threshold_dbfs[MAX_BUSES];
358         std::atomic<bool> compressor_enabled[MAX_BUSES];
359
360         // Note: The values here are not in dB.
361         struct PeakHistory {
362                 float current_level = 0.0f;  // Peak of the last frame.
363                 float historic_peak = 0.0f;  // Highest peak since last reset; no falloff.
364                 float current_peak = 0.0f;  // Current peak of the peak meter.
365                 float last_peak = 0.0f;
366                 float age_seconds = 0.0f;   // Time since "last_peak" was set.
367         };
368         PeakHistory peak_history[MAX_BUSES][2];  // Separate for each channel. Under audio_mutex.
369
370         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.
371         bool final_makeup_gain_auto = true;  // Under compressor_mutex.
372
373         MappingMode current_mapping_mode;  // Under audio_mutex.
374         InputMapping input_mapping;  // Under audio_mutex.
375         std::atomic<float> fader_volume_db[MAX_BUSES] {{ 0.0f }};
376         std::atomic<bool> mute[MAX_BUSES] {{ false }};
377         float last_fader_volume_db[MAX_BUSES] { 0.0f };  // Under audio_mutex.
378         std::atomic<float> eq_level_db[MAX_BUSES][NUM_EQ_BANDS] {{{ 0.0f }}};
379         float last_eq_level_db[MAX_BUSES][NUM_EQ_BANDS] {{ 0.0f }};
380
381         audio_level_callback_t audio_level_callback = nullptr;
382         state_changed_callback_t state_changed_callback = nullptr;
383         mutable std::mutex audio_measure_mutex;
384         Ebu_r128_proc r128;  // Under audio_measure_mutex.
385         CorrelationMeasurer correlation;  // Under audio_measure_mutex.
386         Resampler peak_resampler;  // Under audio_measure_mutex.
387         std::atomic<float> peak{0.0f};
388 };
389
390 extern AudioMixer *global_audio_mixer;
391
392 #endif  // !defined(_AUDIO_MIXER_H)