git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libavcodec/libspeexenc.c

   1 /*
   2  * Copyright (C) 2009 Justin Ruggles
   3  * Copyright (c) 2009 Xuggle Incorporated
   4  *
   5  * This file is part of FFmpeg.
   6  *
   7  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
   8  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
   9  * License as published by the Free Software Foundation; either
  10  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  11  *
  12  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
  13  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  14  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  15  * Lesser General Public License for more details.
  16  *
  17  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  18  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
  19  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  20  */
  21
  22 /**
  23  * @file
  24  * libspeex Speex audio encoder
  25  *
  26  * Usage Guide
  27  * This explains the values that need to be set prior to initialization in
  28  * order to control various encoding parameters.
  29  *
  30  * Channels
  31  *     Speex only supports mono or stereo, so avctx->channels must be set to
  32  *     1 or 2.
  33  *
  34  * Sample Rate / Encoding Mode
  35  *     Speex has 3 modes, each of which uses a specific sample rate.
  36  *         narrowband     :  8 kHz
  37  *         wideband       : 16 kHz
  38  *         ultra-wideband : 32 kHz
  39  *     avctx->sample_rate must be set to one of these 3 values.  This will be
  40  *     used to set the encoding mode.
  41  *
  42  * Rate Control
  43  *     VBR mode is turned on by setting AV_CODEC_FLAG_QSCALE in avctx->flags.
  44  *     avctx->global_quality is used to set the encoding quality.
  45  *     For CBR mode, avctx->bit_rate can be used to set the constant bitrate.
  46  *     Alternatively, the 'cbr_quality' option can be set from 0 to 10 to set
  47  *     a constant bitrate based on quality.
  48  *     For ABR mode, set avctx->bit_rate and set the 'abr' option to 1.
  49  *     Approx. Bitrate Range:
  50  *         narrowband     : 2400 - 25600 bps
  51  *         wideband       : 4000 - 43200 bps
  52  *         ultra-wideband : 4400 - 45200 bps
  53  *
  54  * Complexity
  55  *     Encoding complexity is controlled by setting avctx->compression_level.
  56  *     The valid range is 0 to 10.  A higher setting gives generally better
  57  *     quality at the expense of encoding speed.  This does not affect the
  58  *     bit rate.
  59  *
  60  * Frames-per-Packet
  61  *     The encoder defaults to using 1 frame-per-packet.  However, it is
  62  *     sometimes desirable to use multiple frames-per-packet to reduce the
  63  *     amount of container overhead.  This can be done by setting the
  64  *     'frames_per_packet' option to a value 1 to 8.
  65  *
  66  *
  67  * Optional features
  68  * Speex encoder supports several optional features, which can be useful
  69  * for some conditions.
  70  *
  71  * Voice Activity Detection
  72  *     When enabled, voice activity detection detects whether the audio
  73  *     being encoded is speech or silence/background noise. VAD is always
  74  *     implicitly activated when encoding in VBR, so the option is only useful
  75  *     in non-VBR operation. In this case, Speex detects non-speech periods and
  76  *     encodes them with just enough bits to reproduce the background noise.
  77  *
  78  * Discontinuous Transmission (DTX)
  79  *     DTX is an addition to VAD/VBR operation, that makes it possible to stop transmitting
  80  *     completely when the background noise is stationary.
  81  *     In file-based operation only 5 bits are used for such frames.
  82  */
  83
  84 #include <speex/speex.h>
  85 #include <speex/speex_header.h>
  86 #include <speex/speex_stereo.h>
  87
  88 #include "libavutil/channel_layout.h"
  89 #include "libavutil/common.h"
  90 #include "libavutil/opt.h"
  91 #include "avcodec.h"
  92 #include "internal.h"
  93 #include "audio_frame_queue.h"
  94
  95 /* TODO: Think about converting abr, vad, dtx and such flags to a bit field */
  96 typedef struct LibSpeexEncContext {
  97     AVClass *class;             ///< AVClass for private options
  98     SpeexBits bits;             ///< libspeex bitwriter context
  99     SpeexHeader header;         ///< libspeex header struct
 100     void *enc_state;            ///< libspeex encoder state
 101     int frames_per_packet;      ///< number of frames to encode in each packet
 102     float vbr_quality;          ///< VBR quality 0.0 to 10.0
 103     int cbr_quality;            ///< CBR quality 0 to 10
 104     int abr;                    ///< flag to enable ABR
 105     int vad;                    ///< flag to enable VAD
 106     int dtx;                    ///< flag to enable DTX
 107     int pkt_frame_count;        ///< frame count for the current packet
 108     AudioFrameQueue afq;        ///< frame queue
 109 } LibSpeexEncContext;
 110
 111 static av_cold void print_enc_params(AVCodecContext *avctx,
 112                                      LibSpeexEncContext *s)
 113 {
 114     const char *mode_str = "unknown";
 115
 116     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "channels: %d\n", avctx->channels);
 117     switch (s->header.mode) {
 118     case SPEEX_MODEID_NB:  mode_str = "narrowband";     break;
 119     case SPEEX_MODEID_WB:  mode_str = "wideband";       break;
 120     case SPEEX_MODEID_UWB: mode_str = "ultra-wideband"; break;
 121     }
 122     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "mode: %s\n", mode_str);
 123     if (s->header.vbr) {
 124         av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "rate control: VBR\n");
 125         av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "  quality: %f\n", s->vbr_quality);
 126     } else if (s->abr) {
 127         av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "rate control: ABR\n");
 128         av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "  bitrate: %"PRId64" bps\n", avctx->bit_rate);
 129     } else {
 130         av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "rate control: CBR\n");
 131         av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "  bitrate: %"PRId64" bps\n", avctx->bit_rate);
 132     }
 133     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "complexity: %d\n",
 134            avctx->compression_level);
 135     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "frame size: %d samples\n",
 136            avctx->frame_size);
 137     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "frames per packet: %d\n",
 138            s->frames_per_packet);
 139     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "packet size: %d\n",
 140            avctx->frame_size * s->frames_per_packet);
 141     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "voice activity detection: %d\n", s->vad);
 142     av_log(avctx, AV_LOG_DEBUG, "discontinuous transmission: %d\n", s->dtx);
 143 }
 144
 145 static av_cold int encode_init(AVCodecContext *avctx)
 146 {
 147     LibSpeexEncContext *s = avctx->priv_data;
 148     const SpeexMode *mode;
 149     uint8_t *header_data;
 150     int header_size;
 151     int32_t complexity;
 152
 153     /* channels */
 154     if (avctx->channels < 1 || avctx->channels > 2) {
 155         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Invalid channels (%d). Only stereo and "
 156                "mono are supported\n", avctx->channels);
 157         return AVERROR(EINVAL);
 158     }
 159
 160     /* sample rate and encoding mode */
 161     switch (avctx->sample_rate) {
 162     case  8000: mode = speex_lib_get_mode(SPEEX_MODEID_NB);  break;
 163     case 16000: mode = speex_lib_get_mode(SPEEX_MODEID_WB);  break;
 164     case 32000: mode = speex_lib_get_mode(SPEEX_MODEID_UWB); break;
 165     default:
 166         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Sample rate of %d Hz is not supported. "
 167                "Resample to 8, 16, or 32 kHz.\n", avctx->sample_rate);
 168         return AVERROR(EINVAL);
 169     }
 170
 171     /* initialize libspeex */
 172     s->enc_state = speex_encoder_init(mode);
 173     if (!s->enc_state) {
 174         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Error initializing libspeex\n");
 175         return -1;
 176     }
 177     speex_init_header(&s->header, avctx->sample_rate, avctx->channels, mode);
 178
 179     /* rate control method and parameters */
 180     if (avctx->flags & AV_CODEC_FLAG_QSCALE) {
 181         /* VBR */
 182         s->header.vbr = 1;
 183         s->vad = 1; /* VAD is always implicitly activated for VBR */
 184         speex_encoder_ctl(s->enc_state, SPEEX_SET_VBR, &s->header.vbr);
 185         s->vbr_quality = av_clipf(avctx->global_quality / (float)FF_QP2LAMBDA,
 186                                   0.0f, 10.0f);
 187         speex_encoder_ctl(s->enc_state, SPEEX_SET_VBR_QUALITY, &s->vbr_quality);
 188     } else {
 189         s->header.bitrate = avctx->bit_rate;
 190         if (avctx->bit_rate > 0) {
 191             /* CBR or ABR by bitrate */
 192             if (s->abr) {
 193                 speex_encoder_ctl(s->enc_state, SPEEX_SET_ABR,
 194                                   &s->header.bitrate);
 195                 speex_encoder_ctl(s->enc_state, SPEEX_GET_ABR,
 196                                   &s->header.bitrate);
 197             } else {
 198                 speex_encoder_ctl(s->enc_state, SPEEX_SET_BITRATE,
 199                                   &s->header.bitrate);
 200                 speex_encoder_ctl(s->enc_state, SPEEX_GET_BITRATE,
 201                                   &s->header.bitrate);
 202             }
 203         } else {
 204             /* CBR by quality */
 205             speex_encoder_ctl(s->enc_state, SPEEX_SET_QUALITY,
 206                               &s->cbr_quality);
 207             speex_encoder_ctl(s->enc_state, SPEEX_GET_BITRATE,
 208                               &s->header.bitrate);
 209         }
 210         /* stereo side information adds about 800 bps to the base bitrate */
 211         /* TODO: this should be calculated exactly */
 212         avctx->bit_rate = s->header.bitrate + (avctx->channels == 2 ? 800 : 0);
 213     }
 214
 215     /* VAD is activated with VBR or can be turned on by itself */
 216     if (s->vad)
 217         speex_encoder_ctl(s->enc_state, SPEEX_SET_VAD, &s->vad);
 218
 219     /* Activating Discontinuous Transmission */
 220     if (s->dtx) {
 221         speex_encoder_ctl(s->enc_state, SPEEX_SET_DTX, &s->dtx);
 222         if (!(s->abr || s->vad || s->header.vbr))
 223             av_log(avctx, AV_LOG_WARNING, "DTX is not much of use without ABR, VAD or VBR\n");
 224     }
 225
 226     /* set encoding complexity */
 227     if (avctx->compression_level > FF_COMPRESSION_DEFAULT) {
 228         complexity = av_clip(avctx->compression_level, 0, 10);
 229         speex_encoder_ctl(s->enc_state, SPEEX_SET_COMPLEXITY, &complexity);
 230     }
 231     speex_encoder_ctl(s->enc_state, SPEEX_GET_COMPLEXITY, &complexity);
 232     avctx->compression_level = complexity;
 233
 234     /* set packet size */
 235     avctx->frame_size = s->header.frame_size;
 236     s->header.frames_per_packet = s->frames_per_packet;
 237
 238     /* set encoding delay */
 239     speex_encoder_ctl(s->enc_state, SPEEX_GET_LOOKAHEAD, &avctx->initial_padding);
 240     ff_af_queue_init(avctx, &s->afq);
 241
 242     /* create header packet bytes from header struct */
 243     /* note: libspeex allocates the memory for header_data, which is freed
 244              below with speex_header_free() */
 245     header_data = speex_header_to_packet(&s->header, &header_size);
 246
 247     /* allocate extradata */
 248     avctx->extradata = av_malloc(header_size + AV_INPUT_BUFFER_PADDING_SIZE);
 249     if (!avctx->extradata) {
 250         speex_header_free(header_data);
 251         speex_encoder_destroy(s->enc_state);
 252         av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "memory allocation error\n");
 253         return AVERROR(ENOMEM);
 254     }
 255
 256     /* copy header packet to extradata */
 257     memcpy(avctx->extradata, header_data, header_size);
 258     avctx->extradata_size = header_size;
 259     speex_header_free(header_data);
 260
 261     /* init libspeex bitwriter */
 262     speex_bits_init(&s->bits);
 263
 264     print_enc_params(avctx, s);
 265     return 0;
 266 }
 267
 268 static int encode_frame(AVCodecContext *avctx, AVPacket *avpkt,
 269                         const AVFrame *frame, int *got_packet_ptr)
 270 {
 271     LibSpeexEncContext *s = avctx->priv_data;
 272     int16_t *samples      = frame ? (int16_t *)frame->data[0] : NULL;
 273     int ret;
 274
 275     if (samples) {
 276         /* encode Speex frame */
 277         if (avctx->channels == 2)
 278             speex_encode_stereo_int(samples, s->header.frame_size, &s->bits);
 279         speex_encode_int(s->enc_state, samples, &s->bits);
 280         s->pkt_frame_count++;
 281         if ((ret = ff_af_queue_add(&s->afq, frame)) < 0)
 282             return ret;
 283     } else {
 284         /* handle end-of-stream */
 285         if (!s->pkt_frame_count)
 286             return 0;
 287         /* add extra terminator codes for unused frames in last packet */
 288         while (s->pkt_frame_count < s->frames_per_packet) {
 289             speex_bits_pack(&s->bits, 15, 5);
 290             s->pkt_frame_count++;
 291         }
 292     }
 293
 294     /* write output if all frames for the packet have been encoded */
 295     if (s->pkt_frame_count == s->frames_per_packet) {
 296         s->pkt_frame_count = 0;
 297         if ((ret = ff_alloc_packet2(avctx, avpkt, speex_bits_nbytes(&s->bits), 0)) < 0)
 298             return ret;
 299         ret = speex_bits_write(&s->bits, avpkt->data, avpkt->size);
 300         speex_bits_reset(&s->bits);
 301
 302         /* Get the next frame pts/duration */
 303         ff_af_queue_remove(&s->afq, s->frames_per_packet * avctx->frame_size,
 304                            &avpkt->pts, &avpkt->duration);
 305
 306         avpkt->size = ret;
 307         *got_packet_ptr = 1;
 308         return 0;
 309     }
 310     return 0;
 311 }
 312
 313 static av_cold int encode_close(AVCodecContext *avctx)
 314 {
 315     LibSpeexEncContext *s = avctx->priv_data;
 316
 317     speex_bits_destroy(&s->bits);
 318     speex_encoder_destroy(s->enc_state);
 319
 320     ff_af_queue_close(&s->afq);
 321     av_freep(&avctx->extradata);
 322
 323     return 0;
 324 }
 325
 326 #define OFFSET(x) offsetof(LibSpeexEncContext, x)
 327 #define AE AV_OPT_FLAG_AUDIO_PARAM | AV_OPT_FLAG_ENCODING_PARAM
 328 static const AVOption options[] = {
 329     { "abr",               "Use average bit rate",                      OFFSET(abr),               AV_OPT_TYPE_INT, { .i64 = 0 }, 0,   1, AE },
 330     { "cbr_quality",       "Set quality value (0 to 10) for CBR",       OFFSET(cbr_quality),       AV_OPT_TYPE_INT, { .i64 = 8 }, 0,  10, AE },
 331     { "frames_per_packet", "Number of frames to encode in each packet", OFFSET(frames_per_packet), AV_OPT_TYPE_INT, { .i64 = 1 }, 1,   8, AE },
 332     { "vad",               "Voice Activity Detection",                  OFFSET(vad),               AV_OPT_TYPE_INT, { .i64 = 0 }, 0,   1, AE },
 333     { "dtx",               "Discontinuous Transmission",                OFFSET(dtx),               AV_OPT_TYPE_INT, { .i64 = 0 }, 0,   1, AE },
 334     { NULL },
 335 };
 336
 337 static const AVClass speex_class = {
 338     .class_name = "libspeex",
 339     .item_name  = av_default_item_name,
 340     .option     = options,
 341     .version    = LIBAVUTIL_VERSION_INT,
 342 };
 343
 344 static const AVCodecDefault defaults[] = {
 345     { "b",                 "0" },
 346     { "compression_level", "3" },
 347     { NULL },
 348 };
 349
 350 AVCodec ff_libspeex_encoder = {
 351     .name           = "libspeex",
 352     .long_name      = NULL_IF_CONFIG_SMALL("libspeex Speex"),
 353     .type           = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 354     .id             = AV_CODEC_ID_SPEEX,
 355     .priv_data_size = sizeof(LibSpeexEncContext),
 356     .init           = encode_init,
 357     .encode2        = encode_frame,
 358     .close          = encode_close,
 359     .capabilities   = AV_CODEC_CAP_DELAY,
 360     .sample_fmts    = (const enum AVSampleFormat[]){ AV_SAMPLE_FMT_S16,
 361                                                      AV_SAMPLE_FMT_NONE },
 362     .channel_layouts = (const uint64_t[]){ AV_CH_LAYOUT_MONO,
 363                                            AV_CH_LAYOUT_STEREO,
 364                                            0 },
 365     .supported_samplerates = (const int[]){ 8000, 16000, 32000, 0 },
 366     .priv_class     = &speex_class,
 367     .defaults       = defaults,
 368 };