git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libavcodec/resample2.c

   1 /*
   2  * audio resampling
   3  * Copyright (c) 2004 Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
   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 /**
  24  * @file resample2.c
  25  * audio resampling
  26  * @author Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
  27  */
  28
  29 #include "avcodec.h"
  30 #include "common.h"
  31 #include "dsputil.h"
  32
  33 #if 1
  34 #define FILTER_SHIFT 15
  35
  36 #define FELEM int16_t
  37 #define FELEM2 int32_t
  38 #define FELEM_MAX INT16_MAX
  39 #define FELEM_MIN INT16_MIN
  40 #else
  41 #define FILTER_SHIFT 30
  42
  43 #define FELEM int32_t
  44 #define FELEM2 int64_t
  45 #define FELEM_MAX INT32_MAX
  46 #define FELEM_MIN INT32_MIN
  47 #endif
  48
  49
  50 typedef struct AVResampleContext{
  51     FELEM *filter_bank;
  52     int filter_length;
  53     int ideal_dst_incr;
  54     int dst_incr;
  55     int index;
  56     int frac;
  57     int src_incr;
  58     int compensation_distance;
  59     int phase_shift;
  60     int phase_mask;
  61     int linear;
  62 }AVResampleContext;
  63
  64 /**
  65  * 0th order modified bessel function of the first kind.
  66  */
  67 static double bessel(double x){
  68     double v=1;
  69     double t=1;
  70     int i;
  71
  72     for(i=1; i<50; i++){
  73         t *= i;
  74         v += pow(x*x/4, i)/(t*t);
  75     }
  76     return v;
  77 }
  78
  79 /**
  80  * builds a polyphase filterbank.
  81  * @param factor resampling factor
  82  * @param scale wanted sum of coefficients for each filter
  83  * @param type 0->cubic, 1->blackman nuttall windowed sinc, 2->kaiser windowed sinc beta=16
  84  */
  85 void av_build_filter(FELEM *filter, double factor, int tap_count, int phase_count, int scale, int type){
  86     int ph, i, v;
  87     double x, y, w, tab[tap_count];
  88     const int center= (tap_count-1)/2;
  89
  90     /* if upsampling, only need to interpolate, no filter */
  91     if (factor > 1.0)
  92         factor = 1.0;
  93
  94     for(ph=0;ph<phase_count;ph++) {
  95         double norm = 0;
  96         for(i=0;i<tap_count;i++) {
  97             x = M_PI * ((double)(i - center) - (double)ph / phase_count) * factor;
  98             if (x == 0) y = 1.0;
  99             else        y = sin(x) / x;
 100             switch(type){
 101             case 0:{
 102                 const float d= -0.5; //first order derivative = -0.5
 103                 x = fabs(((double)(i - center) - (double)ph / phase_count) * factor);
 104                 if(x<1.0) y= 1 - 3*x*x + 2*x*x*x + d*(            -x*x + x*x*x);
 105                 else      y=                       d*(-4 + 8*x - 5*x*x + x*x*x);
 106                 break;}
 107             case 1:
 108                 w = 2.0*x / (factor*tap_count) + M_PI;
 109                 y *= 0.3635819 - 0.4891775 * cos(w) + 0.1365995 * cos(2*w) - 0.0106411 * cos(3*w);
 110                 break;
 111             case 2:
 112                 w = 2.0*x / (factor*tap_count*M_PI);
 113                 y *= bessel(16*sqrt(FFMAX(1-w*w, 0)));
 114                 break;
 115             }
 116
 117             tab[i] = y;
 118             norm += y;
 119         }
 120
 121         /* normalize so that an uniform color remains the same */
 122         for(i=0;i<tap_count;i++) {
 123             v = av_clip(lrintf(tab[i] * scale / norm), FELEM_MIN, FELEM_MAX);
 124             filter[ph * tap_count + i] = v;
 125         }
 126     }
 127 #if 0
 128     {
 129 #define LEN 1024
 130         int j,k;
 131         double sine[LEN + tap_count];
 132         double filtered[LEN];
 133         double maxff=-2, minff=2, maxsf=-2, minsf=2;
 134         for(i=0; i<LEN; i++){
 135             double ss=0, sf=0, ff=0;
 136             for(j=0; j<LEN+tap_count; j++)
 137                 sine[j]= cos(i*j*M_PI/LEN);
 138             for(j=0; j<LEN; j++){
 139                 double sum=0;
 140                 ph=0;
 141                 for(k=0; k<tap_count; k++)
 142                     sum += filter[ph * tap_count + k] * sine[k+j];
 143                 filtered[j]= sum / (1<<FILTER_SHIFT);
 144                 ss+= sine[j + center] * sine[j + center];
 145                 ff+= filtered[j] * filtered[j];
 146                 sf+= sine[j + center] * filtered[j];
 147             }
 148             ss= sqrt(2*ss/LEN);
 149             ff= sqrt(2*ff/LEN);
 150             sf= 2*sf/LEN;
 151             maxff= FFMAX(maxff, ff);
 152             minff= FFMIN(minff, ff);
 153             maxsf= FFMAX(maxsf, sf);
 154             minsf= FFMIN(minsf, sf);
 155             if(i%11==0){
 156                 av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "i:%4d ss:%f ff:%f-%f sf:%f-%f\n", i, ss, maxff, minff, maxsf, minsf);
 157                 minff=minsf= 2;
 158                 maxff=maxsf= -2;
 159             }
 160         }
 161     }
 162 #endif
 163 }
 164
 165 /**
 166  * initalizes a audio resampler.
 167  * note, if either rate is not a integer then simply scale both rates up so they are
 168  */
 169 AVResampleContext *av_resample_init(int out_rate, int in_rate, int filter_size, int phase_shift, int linear, double cutoff){
 170     AVResampleContext *c= av_mallocz(sizeof(AVResampleContext));
 171     double factor= FFMIN(out_rate * cutoff / in_rate, 1.0);
 172     int phase_count= 1<<phase_shift;
 173
 174     c->phase_shift= phase_shift;
 175     c->phase_mask= phase_count-1;
 176     c->linear= linear;
 177
 178     c->filter_length= FFMAX((int)ceil(filter_size/factor), 1);
 179     c->filter_bank= av_mallocz(c->filter_length*(phase_count+1)*sizeof(FELEM));
 180     av_build_filter(c->filter_bank, factor, c->filter_length, phase_count, 1<<FILTER_SHIFT, 1);
 181     memcpy(&c->filter_bank[c->filter_length*phase_count+1], c->filter_bank, (c->filter_length-1)*sizeof(FELEM));
 182     c->filter_bank[c->filter_length*phase_count]= c->filter_bank[c->filter_length - 1];
 183
 184     c->src_incr= out_rate;
 185     c->ideal_dst_incr= c->dst_incr= in_rate * phase_count;
 186     c->index= -phase_count*((c->filter_length-1)/2);
 187
 188     return c;
 189 }
 190
 191 void av_resample_close(AVResampleContext *c){
 192     av_freep(&c->filter_bank);
 193     av_freep(&c);
 194 }
 195
 196 /**
 197  * Compensates samplerate/timestamp drift. The compensation is done by changing
 198  * the resampler parameters, so no audible clicks or similar distortions ocur
 199  * @param compensation_distance distance in output samples over which the compensation should be performed
 200  * @param sample_delta number of output samples which should be output less
 201  *
 202  * example: av_resample_compensate(c, 10, 500)
 203  * here instead of 510 samples only 500 samples would be output
 204  *
 205  * note, due to rounding the actual compensation might be slightly different,
 206  * especially if the compensation_distance is large and the in_rate used during init is small
 207  */
 208 void av_resample_compensate(AVResampleContext *c, int sample_delta, int compensation_distance){
 209 //    sample_delta += (c->ideal_dst_incr - c->dst_incr)*(int64_t)c->compensation_distance / c->ideal_dst_incr;
 210     c->compensation_distance= compensation_distance;
 211     c->dst_incr = c->ideal_dst_incr - c->ideal_dst_incr * (int64_t)sample_delta / compensation_distance;
 212 }
 213
 214 /**
 215  * resamples.
 216  * @param src an array of unconsumed samples
 217  * @param consumed the number of samples of src which have been consumed are returned here
 218  * @param src_size the number of unconsumed samples available
 219  * @param dst_size the amount of space in samples available in dst
 220  * @param update_ctx if this is 0 then the context wont be modified, that way several channels can be resampled with the same context
 221  * @return the number of samples written in dst or -1 if an error occured
 222  */
 223 int av_resample(AVResampleContext *c, short *dst, short *src, int *consumed, int src_size, int dst_size, int update_ctx){
 224     int dst_index, i;
 225     int index= c->index;
 226     int frac= c->frac;
 227     int dst_incr_frac= c->dst_incr % c->src_incr;
 228     int dst_incr=      c->dst_incr / c->src_incr;
 229     int compensation_distance= c->compensation_distance;
 230
 231   if(compensation_distance == 0 && c->filter_length == 1 && c->phase_shift==0){
 232         int64_t index2= ((int64_t)index)<<32;
 233         int64_t incr= (1LL<<32) * c->dst_incr / c->src_incr;
 234         dst_size= FFMIN(dst_size, (src_size-1-index) * (int64_t)c->src_incr / c->dst_incr);
 235
 236         for(dst_index=0; dst_index < dst_size; dst_index++){
 237             dst[dst_index] = src[index2>>32];
 238             index2 += incr;
 239         }
 240         frac += dst_index * dst_incr_frac;
 241         index += dst_index * dst_incr;
 242         index += frac / c->src_incr;
 243         frac %= c->src_incr;
 244   }else{
 245     for(dst_index=0; dst_index < dst_size; dst_index++){
 246         FELEM *filter= c->filter_bank + c->filter_length*(index & c->phase_mask);
 247         int sample_index= index >> c->phase_shift;
 248         FELEM2 val=0;
 249
 250         if(sample_index < 0){
 251             for(i=0; i<c->filter_length; i++)
 252                 val += src[FFABS(sample_index + i) % src_size] * filter[i];
 253         }else if(sample_index + c->filter_length > src_size){
 254             break;
 255         }else if(c->linear){
 256             int64_t v=0;
 257             int sub_phase= (frac<<8) / c->src_incr;
 258             for(i=0; i<c->filter_length; i++){
 259                 int64_t coeff= filter[i]*(256 - sub_phase) + filter[i + c->filter_length]*sub_phase;
 260                 v += src[sample_index + i] * coeff;
 261             }
 262             val= v>>8;
 263         }else{
 264             for(i=0; i<c->filter_length; i++){
 265                 val += src[sample_index + i] * (FELEM2)filter[i];
 266             }
 267         }
 268
 269         val = (val + (1<<(FILTER_SHIFT-1)))>>FILTER_SHIFT;
 270         dst[dst_index] = (unsigned)(val + 32768) > 65535 ? (val>>31) ^ 32767 : val;
 271
 272         frac += dst_incr_frac;
 273         index += dst_incr;
 274         if(frac >= c->src_incr){
 275             frac -= c->src_incr;
 276             index++;
 277         }
 278
 279         if(dst_index + 1 == compensation_distance){
 280             compensation_distance= 0;
 281             dst_incr_frac= c->ideal_dst_incr % c->src_incr;
 282             dst_incr=      c->ideal_dst_incr / c->src_incr;
 283         }
 284     }
 285   }
 286     *consumed= FFMAX(index, 0) >> c->phase_shift;
 287     if(index>=0) index &= c->phase_mask;
 288
 289     if(compensation_distance){
 290         compensation_distance -= dst_index;
 291         assert(compensation_distance > 0);
 292     }
 293     if(update_ctx){
 294         c->frac= frac;
 295         c->index= index;
 296         c->dst_incr= dst_incr_frac + c->src_incr*dst_incr;
 297         c->compensation_distance= compensation_distance;
 298     }
 299 #if 0
 300     if(update_ctx && !c->compensation_distance){
 301 #undef rand
 302         av_resample_compensate(c, rand() % (8000*2) - 8000, 8000*2);
 303 av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "%d %d %d\n", c->dst_incr, c->ideal_dst_incr, c->compensation_distance);
 304     }
 305 #endif
 306
 307     return dst_index;
 308 }