git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libavfilter/af_acrossover.c

   1 /*
   2  * This file is part of FFmpeg.
   3  *
   4  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
   5  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
   6  * License as published by the Free Software Foundation; either
   7  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
   8  *
   9  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
  10  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  11  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  12  * Lesser General Public License for more details.
  13  *
  14  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  15  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
  16  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  17  */
  18
  19 /**
  20  * @file
  21  * Crossover filter
  22  *
  23  * Split an audio stream into several bands.
  24  */
  25
  26 #include "libavutil/attributes.h"
  27 #include "libavutil/avstring.h"
  28 #include "libavutil/channel_layout.h"
  29 #include "libavutil/eval.h"
  30 #include "libavutil/internal.h"
  31 #include "libavutil/opt.h"
  32
  33 #include "audio.h"
  34 #include "avfilter.h"
  35 #include "formats.h"
  36 #include "internal.h"
  37
  38 #define MAX_SPLITS 16
  39 #define MAX_BANDS MAX_SPLITS + 1
  40
  41 typedef struct BiquadContext {
  42     double b0, b1, b2;
  43     double a1, a2;
  44     double z1, z2;
  45 } BiquadContext;
  46
  47 typedef struct CrossoverChannel {
  48     BiquadContext lp[MAX_BANDS][20];
  49     BiquadContext hp[MAX_BANDS][20];
  50 } CrossoverChannel;
  51
  52 typedef struct AudioCrossoverContext {
  53     const AVClass *class;
  54
  55     char *splits_str;
  56     int order_opt;
  57
  58     int order;
  59     int filter_count;
  60     int nb_splits;
  61     float *splits;
  62
  63     CrossoverChannel *xover;
  64
  65     AVFrame *input_frame;
  66     AVFrame *frames[MAX_BANDS];
  67 } AudioCrossoverContext;
  68
  69 #define OFFSET(x) offsetof(AudioCrossoverContext, x)
  70 #define AF AV_OPT_FLAG_AUDIO_PARAM | AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM
  71
  72 static const AVOption acrossover_options[] = {
  73     { "split", "set split frequencies", OFFSET(splits_str), AV_OPT_TYPE_STRING, {.str="500"}, 0, 0, AF },
  74     { "order", "set order",             OFFSET(order_opt),  AV_OPT_TYPE_INT,    {.i64=1},     0, 9, AF, "m" },
  75     { "2nd",   "2nd order",             0,                  AV_OPT_TYPE_CONST,  {.i64=0},     0, 0, AF, "m" },
  76     { "4th",   "4th order",             0,                  AV_OPT_TYPE_CONST,  {.i64=1},     0, 0, AF, "m" },
  77     { "6th",   "6th order",             0,                  AV_OPT_TYPE_CONST,  {.i64=2},     0, 0, AF, "m" },
  78     { "8th",   "8th order",             0,                  AV_OPT_TYPE_CONST,  {.i64=3},     0, 0, AF, "m" },
  79     { "10th",  "10th order",            0,                  AV_OPT_TYPE_CONST,  {.i64=4},     0, 0, AF, "m" },
  80     { "12th",  "12th order",            0,                  AV_OPT_TYPE_CONST,  {.i64=5},     0, 0, AF, "m" },
  81     { "14th",  "14th order",            0,                  AV_OPT_TYPE_CONST,  {.i64=6},     0, 0, AF, "m" },
  82     { "16th",  "16th order",            0,                  AV_OPT_TYPE_CONST,  {.i64=7},     0, 0, AF, "m" },
  83     { "18th",  "18th order",            0,                  AV_OPT_TYPE_CONST,  {.i64=8},     0, 0, AF, "m" },
  84     { "20th",  "20th order",            0,                  AV_OPT_TYPE_CONST,  {.i64=9},     0, 0, AF, "m" },
  85     { NULL }
  86 };
  87
  88 AVFILTER_DEFINE_CLASS(acrossover);
  89
  90 static av_cold int init(AVFilterContext *ctx)
  91 {
  92     AudioCrossoverContext *s = ctx->priv;
  93     char *p, *arg, *saveptr = NULL;
  94     int i, ret = 0;
  95
  96     s->splits = av_calloc(MAX_SPLITS, sizeof(*s->splits));
  97     if (!s->splits)
  98         return AVERROR(ENOMEM);
  99
 100     p = s->splits_str;
 101     for (i = 0; i < MAX_SPLITS; i++) {
 102         float freq;
 103
 104         if (!(arg = av_strtok(p, " |", &saveptr)))
 105             break;
 106
 107         p = NULL;
 108
 109         if (av_sscanf(arg, "%f", &freq) != 1) {
 110             av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "Invalid syntax for frequency[%d].\n", i);
 111             return AVERROR(EINVAL);
 112         }
 113         if (freq <= 0) {
 114             av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "Frequency %f must be positive number.\n", freq);
 115             return AVERROR(EINVAL);
 116         }
 117
 118         if (i > 0 && freq <= s->splits[i-1]) {
 119             av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "Frequency %f must be in increasing order.\n", freq);
 120             return AVERROR(EINVAL);
 121         }
 122
 123         s->splits[i] = freq;
 124     }
 125
 126     s->nb_splits = i;
 127
 128     for (i = 0; i <= s->nb_splits; i++) {
 129         AVFilterPad pad  = { 0 };
 130         char *name;
 131
 132         pad.type = AVMEDIA_TYPE_AUDIO;
 133         name = av_asprintf("out%d", ctx->nb_outputs);
 134         if (!name)
 135             return AVERROR(ENOMEM);
 136         pad.name = name;
 137
 138         if ((ret = ff_insert_outpad(ctx, i, &pad)) < 0) {
 139             av_freep(&pad.name);
 140             return ret;
 141         }
 142     }
 143
 144     return ret;
 145 }
 146
 147 static void set_lp(BiquadContext *b, double fc, double q, double sr)
 148 {
 149     double omega = M_PI * fc / sr;
 150     double cosine = cos(omega);
 151     double alpha = sin(omega) / (2. * q);
 152
 153     double b0 = (1. - cosine) / 2.;
 154     double b1 = 1. - cosine;
 155     double b2 = (1. - cosine) / 2.;
 156     double a0 = 1. + alpha;
 157     double a1 = -2. * cosine;
 158     double a2 = 1. - alpha;
 159
 160     b->b0 =  b0 / a0;
 161     b->b1 =  b1 / a0;
 162     b->b2 =  b2 / a0;
 163     b->a1 = -a1 / a0;
 164     b->a2 = -a2 / a0;
 165 }
 166
 167 static void set_hp(BiquadContext *b, double fc, double q, double sr)
 168 {
 169     double omega = M_PI * fc / sr;
 170     double cosine = cos(omega);
 171     double alpha = sin(omega) / (2. * q);
 172
 173     double b0 = (1. + cosine) / 2.;
 174     double b1 = -1. - cosine;
 175     double b2 = (1. + cosine) / 2.;
 176     double a0 = 1. + alpha;
 177     double a1 = -2. * cosine;
 178     double a2 = 1. - alpha;
 179
 180     b->b0 =  b0 / a0;
 181     b->b1 =  b1 / a0;
 182     b->b2 =  b2 / a0;
 183     b->a1 = -a1 / a0;
 184     b->a2 = -a2 / a0;
 185 }
 186
 187 static void calc_q_factors(int order, double *q)
 188 {
 189     double n = order / 2.;
 190
 191     for (int i = 0; i < n / 2; i++)
 192         q[i] = 1. / (-2. * cos(M_PI * (2. * (i + 1) + n - 1.) / (2. * n)));
 193 }
 194
 195 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
 196 {
 197     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 198     AudioCrossoverContext *s = ctx->priv;
 199     int sample_rate = inlink->sample_rate;
 200     int first_order;
 201     double q[16];
 202
 203     s->xover = av_calloc(inlink->channels, sizeof(*s->xover));
 204     if (!s->xover)
 205         return AVERROR(ENOMEM);
 206
 207     s->order = (s->order_opt + 1) * 2;
 208     s->filter_count = s->order / 2;
 209     first_order = s->filter_count & 1;
 210     calc_q_factors(s->order, q);
 211
 212     for (int ch = 0; ch < inlink->channels; ch++) {
 213         for (int band = 0; band <= s->nb_splits; band++) {
 214             if (first_order) {
 215                 set_lp(&s->xover[ch].lp[band][0], s->splits[band], 0.5, sample_rate);
 216                 set_hp(&s->xover[ch].hp[band][0], s->splits[band], 0.5, sample_rate);
 217             }
 218
 219             for (int n = first_order; n < s->filter_count; n++) {
 220                 const int idx = s->filter_count / 2 - ((n + first_order) / 2 - first_order) - 1;
 221
 222                 set_lp(&s->xover[ch].lp[band][n], s->splits[band], q[idx], sample_rate);
 223                 set_hp(&s->xover[ch].hp[band][n], s->splits[band], q[idx], sample_rate);
 224             }
 225         }
 226     }
 227
 228     return 0;
 229 }
 230
 231 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
 232 {
 233     AVFilterFormats *formats;
 234     AVFilterChannelLayouts *layouts;
 235     static const enum AVSampleFormat sample_fmts[] = {
 236         AV_SAMPLE_FMT_DBLP,
 237         AV_SAMPLE_FMT_NONE
 238     };
 239     int ret;
 240
 241     layouts = ff_all_channel_counts();
 242     if (!layouts)
 243         return AVERROR(ENOMEM);
 244     ret = ff_set_common_channel_layouts(ctx, layouts);
 245     if (ret < 0)
 246         return ret;
 247
 248     formats = ff_make_format_list(sample_fmts);
 249     if (!formats)
 250         return AVERROR(ENOMEM);
 251     ret = ff_set_common_formats(ctx, formats);
 252     if (ret < 0)
 253         return ret;
 254
 255     formats = ff_all_samplerates();
 256     if (!formats)
 257         return AVERROR(ENOMEM);
 258     return ff_set_common_samplerates(ctx, formats);
 259 }
 260
 261 static void biquad_process(BiquadContext *b,
 262                            double *dst, const double *src,
 263                            int nb_samples)
 264 {
 265     const double b0 = b->b0;
 266     const double b1 = b->b1;
 267     const double b2 = b->b2;
 268     const double a1 = b->a1;
 269     const double a2 = b->a2;
 270     double z1 = b->z1;
 271     double z2 = b->z2;
 272
 273     for (int n = 0; n < nb_samples; n++) {
 274         const double in = src[n];
 275         double out;
 276
 277         out = in * b0 + z1;
 278         z1 = b1 * in + z2 + a1 * out;
 279         z2 = b2 * in + a2 * out;
 280         dst[n] = out;
 281     }
 282
 283     b->z1 = z1;
 284     b->z2 = z2;
 285 }
 286
 287 static int filter_channels(AVFilterContext *ctx, void *arg, int jobnr, int nb_jobs)
 288 {
 289     AudioCrossoverContext *s = ctx->priv;
 290     AVFrame *in = s->input_frame;
 291     AVFrame **frames = s->frames;
 292     const int start = (in->channels * jobnr) / nb_jobs;
 293     const int end = (in->channels * (jobnr+1)) / nb_jobs;
 294     const int nb_samples = in->nb_samples;
 295
 296     for (int ch = start; ch < end; ch++) {
 297         CrossoverChannel *xover = &s->xover[ch];
 298
 299         for (int band = 0; band < ctx->nb_outputs; band++) {
 300             for (int f = 0; band + 1 < ctx->nb_outputs && f < s->filter_count; f++) {
 301                 const double *src = band == 0 ? (const double *)in->extended_data[ch] : (const double *)frames[band]->extended_data[ch];
 302                 double *dst = (double *)frames[band + 1]->extended_data[ch];
 303                 const double *hsrc = f == 0 ? src : dst;
 304                 BiquadContext *hp = &xover->hp[band][f];
 305
 306                 biquad_process(hp, dst, hsrc, nb_samples);
 307             }
 308
 309             for (int f = 0; band + 1 < ctx->nb_outputs && f < s->filter_count; f++) {
 310                 const double *src = band == 0 ? (const double *)in->extended_data[ch] : (const double *)frames[band]->extended_data[ch];
 311                 double *dst = (double *)frames[band]->extended_data[ch];
 312                 const double *lsrc = f == 0 ? src : dst;
 313                 BiquadContext *lp = &xover->lp[band][f];
 314
 315                 biquad_process(lp, dst, lsrc, nb_samples);
 316             }
 317         }
 318     }
 319
 320     return 0;
 321 }
 322
 323 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *in)
 324 {
 325     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 326     AudioCrossoverContext *s = ctx->priv;
 327     AVFrame **frames = s->frames;
 328     int i, ret = 0;
 329
 330     for (i = 0; i < ctx->nb_outputs; i++) {
 331         frames[i] = ff_get_audio_buffer(ctx->outputs[i], in->nb_samples);
 332
 333         if (!frames[i]) {
 334             ret = AVERROR(ENOMEM);
 335             break;
 336         }
 337
 338         frames[i]->pts = in->pts;
 339     }
 340
 341     if (ret < 0)
 342         goto fail;
 343
 344     s->input_frame = in;
 345     ctx->internal->execute(ctx, filter_channels, NULL, NULL, FFMIN(inlink->channels,
 346                                                                    ff_filter_get_nb_threads(ctx)));
 347
 348     for (i = 0; i < ctx->nb_outputs; i++) {
 349         ret = ff_filter_frame(ctx->outputs[i], frames[i]);
 350         frames[i] = NULL;
 351         if (ret < 0)
 352             break;
 353     }
 354
 355 fail:
 356     for (i = 0; i < ctx->nb_outputs; i++)
 357         av_frame_free(&frames[i]);
 358     av_frame_free(&in);
 359     s->input_frame = NULL;
 360
 361     return ret;
 362 }
 363
 364 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 365 {
 366     AudioCrossoverContext *s = ctx->priv;
 367     int i;
 368
 369     av_freep(&s->splits);
 370     av_freep(&s->xover);
 371
 372     for (i = 0; i < ctx->nb_outputs; i++)
 373         av_freep(&ctx->output_pads[i].name);
 374 }
 375
 376 static const AVFilterPad inputs[] = {
 377     {
 378         .name         = "default",
 379         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 380         .filter_frame = filter_frame,
 381         .config_props = config_input,
 382     },
 383     { NULL }
 384 };
 385
 386 AVFilter ff_af_acrossover = {
 387     .name           = "acrossover",
 388     .description    = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Split audio into per-bands streams."),
 389     .priv_size      = sizeof(AudioCrossoverContext),
 390     .priv_class     = &acrossover_class,
 391     .init           = init,
 392     .uninit         = uninit,
 393     .query_formats  = query_formats,
 394     .inputs         = inputs,
 395     .outputs        = NULL,
 396     .flags          = AVFILTER_FLAG_DYNAMIC_OUTPUTS |
 397                       AVFILTER_FLAG_SLICE_THREADS,
 398 };