git.sesse.net Git - nageru/blob - stereocompressor.cpp

   1 #include <math.h>
   2 #include <assert.h>
   3 #include <algorithm>
   4
   5 #include "stereocompressor.h"
   6
   7 namespace {
   8
   9 // Implement a less accurate but faster pow(x, y). We use the standard identity
  10 //
  11 //    x^y = exp(y * ln(x))
  12 //
  13 // with the ranges:
  14 //
  15 //    x in 1..(1/threshold)
  16 //    y in -1..0
  17 //
  18 // Assume threshold goes from 0 to -40 dB. That means 1/threshold = 100,
  19 // so input to ln(x) can be 1..100. Worst case for end accuracy is y=-1.
  20 // To get a good minimax approximation (not the least wrt. continuity
  21 // at x=1), I had to make a piecewise linear function for the two ranges:
  22 //
  23 //   with(numapprox):
  24 //   f1 := minimax(ln, 1..6, [3, 3], x -> 1/x, 'maxerror');
  25 //   f2 := minimax(ln, 6..100, [3, 3], x -> 1/x, 'maxerror');
  26 //   f := x -> piecewise(x < 6, f1(x), f2(x));
  27 //
  28 // (Continuity: Error is down to the 1e-6 range for x=1, difference between
  29 // f1 and f2 range at the crossover point is in the 1e-5 range. The cutoff
  30 // point at x=6 is chosen to get maxerror pretty close between f1 and f2.)
  31 //
  32 // Maximum output of ln(x) here is of course ln(100) ~= 4.605. So we can find
  33 // an approximation for exp over the range -4.605..0, where we care mostly
  34 // about the relative error:
  35 //
  36 //   g := minimax(exp, -ln(100)..0, [3, 3], x -> 1/exp(x), 'maxerror');
  37 //
  38 // We can find the worst-case error in dB from this through a simple plot:
  39 //
  40 //   dbdiff := (x, y) -> abs(20 * log10(x / y));
  41 //   plot(dbdiff(g(-f(x)), 1/x), x=1..100);
  42 //
  43 // which readily shows the error never to be above ~0.001 dB or so
  44 // (actually 0.00119 dB, for the case of x=100). y=-1 remains the worst case,
  45 // it would seem.
  46 //
  47 // If we cared even more about speed, we could probably fuse y into
  48 // the coefficients for ln_nom and postgain into the coefficients for ln_den.
  49 // But if so, we should probably rather just SIMD the entire thing instead.
  50 inline float fastpow(float x, float y)
  51 {
  52         float ln_nom, ln_den;
  53         if (x < 6.0f) {
  54                 ln_nom = -0.059237648 + (-0.0165117771 + (0.06818859075 + 0.007560968243 * x) * x) * x;
  55                 ln_den = 0.0202509098 + (0.08419174188 + (0.03647189417 + 0.001642577975 * x) * x) * x;
  56         } else {
  57                 ln_nom = -0.005430534 + (0.00633589178 + (0.0006319155549 + 0.4789541675e-5 * x) * x) * x;
  58                 ln_den = 0.0064785099 + (0.003219629109 + (0.0001531823694 + 0.6884656640e-6 * x) * x) * x;
  59         }
  60         float v = y * ln_nom / ln_den;
  61         float exp_nom = 0.2195097621 + (0.08546059868 + (0.01208501759 + 0.0006173448113 * v) * v) * v;
  62         float exp_den = 0.2194980791 + (-0.1343051968 + (0.03556072737 - 0.006174398513 * v) * v) * v;
  63         return exp_nom / exp_den;
  64 }
  65
  66 inline float compressor_knee(float x, float threshold, float inv_threshold, float inv_ratio_minus_one, float postgain)
  67 {
  68         assert(inv_ratio_minus_one <= 0.0f);
  69         if (x > threshold && inv_ratio_minus_one < 0.0f) {
  70                 return postgain * fastpow(x * inv_threshold, inv_ratio_minus_one);
  71         } else {
  72                 return postgain;
  73         }
  74 }
  75
  76 }  // namespace
  77
  78 void StereoCompressor::process(float *buf, size_t num_samples, float threshold, float ratio,
  79             float attack_time, float release_time, float makeup_gain)
  80 {
  81         float attack_increment = float(pow(2.0f, 1.0f / (attack_time * sample_rate + 1)));
  82         if (attack_time == 0.0f) attack_increment = 100000;  // For instant attack reaction.
  83
  84         const float release_increment = float(pow(2.0f, -1.0f / (release_time * sample_rate + 1)));
  85         const float peak_increment = float(pow(2.0f, -1.0f / (0.003f * sample_rate + 1)));
  86
  87         float inv_ratio_minus_one = 1.0f / ratio - 1.0f;
  88         if (ratio > 63) inv_ratio_minus_one = -1.0f;  // Infinite ratio.
  89         float inv_threshold = 1.0f / threshold;
  90
  91         float *left_ptr = buf;
  92         float *right_ptr = buf + 1;
  93
  94         float peak_level = this->peak_level;
  95         float compr_level = this->compr_level;
  96
  97         for (size_t i = 0; i < num_samples; ++i) {
  98                 if (fabs(*left_ptr) > peak_level) peak_level = float(fabs(*left_ptr));
  99                 if (fabs(*right_ptr) > peak_level) peak_level = float(fabs(*right_ptr));
 100
 101                 if (peak_level > compr_level) {
 102                         compr_level = std::min(compr_level * attack_increment, peak_level);
 103                 } else {
 104                         compr_level = std::max(compr_level * release_increment, 0.0001f);
 105                 }
 106
 107                 float scalefactor_with_gain = compressor_knee(compr_level, threshold, inv_threshold, inv_ratio_minus_one, makeup_gain);
 108
 109                 *left_ptr *= scalefactor_with_gain;
 110                 left_ptr += 2;
 111
 112                 *right_ptr *= scalefactor_with_gain;
 113                 right_ptr += 2;
 114
 115                 peak_level = std::max(peak_level * peak_increment, 0.0001f);
 116         }
 117
 118         // Store attenuation level for debug/visualization.
 119         scalefactor = compressor_knee(compr_level, threshold, inv_threshold, inv_ratio_minus_one, 1.0f);
 120
 121         this->peak_level = peak_level;
 122         this->compr_level = compr_level;
 123 }
 124