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

   1 /*
   2  * Copyright (c) Markus Schmidt and Christian Holschuh
   3  *
   4  * This file is part of FFmpeg.
   5  *
   6  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
   7  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
   8  * License as published by the Free Software Foundation; either
   9  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  10  *
  11  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
  12  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  13  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  14  * Lesser General Public License for more details.
  15  *
  16  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  17  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
  18  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  19  */
  20
  21 #include "libavutil/opt.h"
  22 #include "avfilter.h"
  23 #include "internal.h"
  24 #include "audio.h"
  25
  26 typedef struct LFOContext {
  27     double freq;
  28     double offset;
  29     int srate;
  30     double amount;
  31     double pwidth;
  32     double phase;
  33 } LFOContext;
  34
  35 typedef struct SRContext {
  36     double target;
  37     double real;
  38     double samples;
  39     double last;
  40 } SRContext;
  41
  42 typedef struct ACrusherContext {
  43     const AVClass *class;
  44
  45     double level_in;
  46     double level_out;
  47     double bits;
  48     double mix;
  49     int mode;
  50     double dc;
  51     double idc;
  52     double aa;
  53     double samples;
  54     int is_lfo;
  55     double lforange;
  56     double lforate;
  57
  58     double sqr;
  59     double aa1;
  60     double coeff;
  61     int    round;
  62     double sov;
  63     double smin;
  64     double sdiff;
  65
  66     LFOContext lfo;
  67     SRContext *sr;
  68 } ACrusherContext;
  69
  70 #define OFFSET(x) offsetof(ACrusherContext, x)
  71 #define A AV_OPT_FLAG_AUDIO_PARAM|AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM|AV_OPT_FLAG_RUNTIME_PARAM
  72
  73 static const AVOption acrusher_options[] = {
  74     { "level_in", "set level in",         OFFSET(level_in),  AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=1},    0.015625, 64, A },
  75     { "level_out","set level out",        OFFSET(level_out), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=1},    0.015625, 64, A },
  76     { "bits",     "set bit reduction",    OFFSET(bits),      AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=8},    1,        64, A },
  77     { "mix",      "set mix",              OFFSET(mix),       AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=.5},   0,         1, A },
  78     { "mode",     "set mode",             OFFSET(mode),      AV_OPT_TYPE_INT,    {.i64=0},    0,         1, A, "mode" },
  79     {   "lin",    "linear",               0,                 AV_OPT_TYPE_CONST,  {.i64=0},    0,         0, A, "mode" },
  80     {   "log",    "logarithmic",          0,                 AV_OPT_TYPE_CONST,  {.i64=1},    0,         0, A, "mode" },
  81     { "dc",       "set DC",               OFFSET(dc),        AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=1},  .25,         4, A },
  82     { "aa",       "set anti-aliasing",    OFFSET(aa),        AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=.5},   0,         1, A },
  83     { "samples",  "set sample reduction", OFFSET(samples),   AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=1},    1,       250, A },
  84     { "lfo",      "enable LFO",           OFFSET(is_lfo),    AV_OPT_TYPE_BOOL,   {.i64=0},    0,         1, A },
  85     { "lforange", "set LFO depth",        OFFSET(lforange),  AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=20},   1,       250, A },
  86     { "lforate",  "set LFO rate",         OFFSET(lforate),   AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=.3}, .01,       200, A },
  87     { NULL }
  88 };
  89
  90 AVFILTER_DEFINE_CLASS(acrusher);
  91
  92 static double samplereduction(ACrusherContext *s, SRContext *sr, double in)
  93 {
  94     sr->samples++;
  95     if (sr->samples >= s->round) {
  96         sr->target += s->samples;
  97         sr->real += s->round;
  98         if (sr->target + s->samples >= sr->real + 1) {
  99             sr->last = in;
 100             sr->target = 0;
 101             sr->real   = 0;
 102         }
 103         sr->samples = 0;
 104     }
 105     return sr->last;
 106 }
 107
 108 static double add_dc(double s, double dc, double idc)
 109 {
 110     return s > 0 ? s * dc : s * idc;
 111 }
 112
 113 static double remove_dc(double s, double dc, double idc)
 114 {
 115     return s > 0 ? s * idc : s * dc;
 116 }
 117
 118 static inline double factor(double y, double k, double aa1, double aa)
 119 {
 120     return 0.5 * (sin(M_PI * (fabs(y - k) - aa1) / aa - M_PI_2) + 1);
 121 }
 122
 123 static double bitreduction(ACrusherContext *s, double in)
 124 {
 125     const double sqr = s->sqr;
 126     const double coeff = s->coeff;
 127     const double aa = s->aa;
 128     const double aa1 = s->aa1;
 129     double y, k;
 130
 131     // add dc
 132     in = add_dc(in, s->dc, s->idc);
 133
 134     // main rounding calculation depending on mode
 135
 136     // the idea for anti-aliasing:
 137     // you need a function f which brings you to the scale, where
 138     // you want to round and the function f_b (with f(f_b)=id) which
 139     // brings you back to your original scale.
 140     //
 141     // then you can use the logic below in the following way:
 142     // y = f(in) and k = roundf(y)
 143     // if (y > k + aa1)
 144     //      k = f_b(k) + ( f_b(k+1) - f_b(k) ) * 0.5 * (sin(x - PI/2) + 1)
 145     // if (y < k + aa1)
 146     //      k = f_b(k) - ( f_b(k+1) - f_b(k) ) * 0.5 * (sin(x - PI/2) + 1)
 147     //
 148     // whereas x = (fabs(f(in) - k) - aa1) * PI / aa
 149     // for both cases.
 150
 151     switch (s->mode) {
 152     case 0:
 153     default:
 154         // linear
 155         y = in * coeff;
 156         k = roundf(y);
 157         if (k - aa1 <= y && y <= k + aa1) {
 158             k /= coeff;
 159         } else if (y > k + aa1) {
 160             k = k / coeff + ((k + 1) / coeff - k / coeff) *
 161                 factor(y, k, aa1, aa);
 162         } else {
 163             k = k / coeff - (k / coeff - (k - 1) / coeff) *
 164                 factor(y, k, aa1, aa);
 165         }
 166         break;
 167     case 1:
 168         // logarithmic
 169         y = sqr * log(fabs(in)) + sqr * sqr;
 170         k = roundf(y);
 171         if(!in) {
 172             k = 0;
 173         } else if (k - aa1 <= y && y <= k + aa1) {
 174             k = in / fabs(in) * exp(k / sqr - sqr);
 175         } else if (y > k + aa1) {
 176             double x = exp(k / sqr - sqr);
 177             k = FFSIGN(in) * (x + (exp((k + 1) / sqr - sqr) - x) *
 178                 factor(y, k, aa1, aa));
 179         } else {
 180             double x = exp(k / sqr - sqr);
 181             k = in / fabs(in) * (x - (x - exp((k - 1) / sqr - sqr)) *
 182                 factor(y, k, aa1, aa));
 183         }
 184         break;
 185     }
 186
 187     // mix between dry and wet signal
 188     k += (in - k) * s->mix;
 189
 190     // remove dc
 191     k = remove_dc(k, s->dc, s->idc);
 192
 193     return k;
 194 }
 195
 196 static double lfo_get(LFOContext *lfo)
 197 {
 198     double phs = FFMIN(100., lfo->phase / FFMIN(1.99, FFMAX(0.01, lfo->pwidth)) + lfo->offset);
 199     double val;
 200
 201     if (phs > 1)
 202         phs = fmod(phs, 1.);
 203
 204     val = sin((phs * 360.) * M_PI / 180);
 205
 206     return val * lfo->amount;
 207 }
 208
 209 static void lfo_advance(LFOContext *lfo, unsigned count)
 210 {
 211     lfo->phase = fabs(lfo->phase + count * lfo->freq * (1. / lfo->srate));
 212     if (lfo->phase >= 1.)
 213         lfo->phase = fmod(lfo->phase, 1.);
 214 }
 215
 216 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *in)
 217 {
 218     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 219     ACrusherContext *s = ctx->priv;
 220     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 221     AVFrame *out;
 222     const double *src = (const double *)in->data[0];
 223     double *dst;
 224     const double level_in = s->level_in;
 225     const double level_out = s->level_out;
 226     const double mix = s->mix;
 227     int n, c;
 228
 229     if (av_frame_is_writable(in)) {
 230         out = in;
 231     } else {
 232         out = ff_get_audio_buffer(inlink, in->nb_samples);
 233         if (!out) {
 234             av_frame_free(&in);
 235             return AVERROR(ENOMEM);
 236         }
 237         av_frame_copy_props(out, in);
 238     }
 239
 240     dst = (double *)out->data[0];
 241     for (n = 0; n < in->nb_samples; n++) {
 242         if (s->is_lfo) {
 243             s->samples = s->smin + s->sdiff * (lfo_get(&s->lfo) + 0.5);
 244             s->round = round(s->samples);
 245         }
 246
 247         for (c = 0; c < inlink->channels; c++) {
 248             double sample = src[c] * level_in;
 249
 250             sample = mix * samplereduction(s, &s->sr[c], sample) + src[c] * (1. - mix) * level_in;
 251             dst[c] = bitreduction(s, sample) * level_out;
 252         }
 253         src += c;
 254         dst += c;
 255
 256         if (s->is_lfo)
 257             lfo_advance(&s->lfo, 1);
 258     }
 259
 260     if (in != out)
 261         av_frame_free(&in);
 262
 263     return ff_filter_frame(outlink, out);
 264 }
 265
 266 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
 267 {
 268     AVFilterFormats *formats;
 269     AVFilterChannelLayouts *layouts;
 270     static const enum AVSampleFormat sample_fmts[] = {
 271         AV_SAMPLE_FMT_DBL,
 272         AV_SAMPLE_FMT_NONE
 273     };
 274     int ret;
 275
 276     layouts = ff_all_channel_counts();
 277     if (!layouts)
 278         return AVERROR(ENOMEM);
 279     ret = ff_set_common_channel_layouts(ctx, layouts);
 280     if (ret < 0)
 281         return ret;
 282
 283     formats = ff_make_format_list(sample_fmts);
 284     if (!formats)
 285         return AVERROR(ENOMEM);
 286     ret = ff_set_common_formats(ctx, formats);
 287     if (ret < 0)
 288         return ret;
 289
 290     formats = ff_all_samplerates();
 291     if (!formats)
 292         return AVERROR(ENOMEM);
 293     return ff_set_common_samplerates(ctx, formats);
 294 }
 295
 296 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 297 {
 298     ACrusherContext *s = ctx->priv;
 299
 300     av_freep(&s->sr);
 301 }
 302
 303 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
 304 {
 305     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 306     ACrusherContext *s = ctx->priv;
 307     double rad, sunder, smax, sover;
 308
 309     s->idc = 1. / s->dc;
 310     s->coeff = exp2(s->bits) - 1;
 311     s->sqr = sqrt(s->coeff / 2);
 312     s->aa1 = (1. - s->aa) / 2.;
 313     s->round = round(s->samples);
 314     rad = s->lforange / 2.;
 315     s->smin = FFMAX(s->samples - rad, 1.);
 316     sunder   = s->samples - rad - s->smin;
 317     smax = FFMIN(s->samples + rad, 250.);
 318     sover    = s->samples + rad - smax;
 319     smax    -= sunder;
 320     s->smin -= sover;
 321     s->sdiff = smax - s->smin;
 322
 323     s->lfo.freq = s->lforate;
 324     s->lfo.pwidth = 1.;
 325     s->lfo.srate = inlink->sample_rate;
 326     s->lfo.amount = .5;
 327
 328     if (!s->sr)
 329         s->sr = av_calloc(inlink->channels, sizeof(*s->sr));
 330     if (!s->sr)
 331         return AVERROR(ENOMEM);
 332
 333     return 0;
 334 }
 335
 336 static int process_command(AVFilterContext *ctx, const char *cmd, const char *args,
 337                            char *res, int res_len, int flags)
 338 {
 339     AVFilterLink *inlink = ctx->inputs[0];
 340     int ret;
 341
 342     ret = ff_filter_process_command(ctx, cmd, args, res, res_len, flags);
 343     if (ret < 0)
 344         return ret;
 345
 346     return config_input(inlink);
 347 }
 348
 349 static const AVFilterPad avfilter_af_acrusher_inputs[] = {
 350     {
 351         .name         = "default",
 352         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 353         .config_props = config_input,
 354         .filter_frame = filter_frame,
 355     },
 356     { NULL }
 357 };
 358
 359 static const AVFilterPad avfilter_af_acrusher_outputs[] = {
 360     {
 361         .name = "default",
 362         .type = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 363     },
 364     { NULL }
 365 };
 366
 367 const AVFilter ff_af_acrusher = {
 368     .name          = "acrusher",
 369     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Reduce audio bit resolution."),
 370     .priv_size     = sizeof(ACrusherContext),
 371     .priv_class    = &acrusher_class,
 372     .uninit        = uninit,
 373     .query_formats = query_formats,
 374     .inputs        = avfilter_af_acrusher_inputs,
 375     .outputs       = avfilter_af_acrusher_outputs,
 376     .process_command = process_command,
 377 };