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

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2001-2010 Krzysztof Foltman, Markus Schmidt, Thor Harald Johansen, Damien Zammit and others
   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 BiquadCoeffs {
  27     double a0, a1, a2, b1, b2;
  28 } BiquadCoeffs;
  29
  30 typedef struct BiquadD2 {
  31     double a0, a1, a2, b1, b2, w1, w2;
  32 } BiquadD2;
  33
  34 typedef struct RIAACurve {
  35     BiquadD2 r1;
  36     BiquadD2 brickw;
  37     int use_brickw;
  38 } RIAACurve;
  39
  40 typedef struct AudioEmphasisContext {
  41     const AVClass *class;
  42     int mode, type;
  43     double level_in, level_out;
  44
  45     RIAACurve *rc;
  46 } AudioEmphasisContext;
  47
  48 #define OFFSET(x) offsetof(AudioEmphasisContext, x)
  49 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_AUDIO_PARAM|AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM
  50
  51 static const AVOption aemphasis_options[] = {
  52     { "level_in",      "set input gain", OFFSET(level_in),  AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=1}, 0, 64, FLAGS },
  53     { "level_out",    "set output gain", OFFSET(level_out), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=1}, 0, 64, FLAGS },
  54     { "mode",         "set filter mode", OFFSET(mode), AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=0}, 0, 1, FLAGS, "mode" },
  55     { "reproduction",              NULL,            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=0}, 0, 0, FLAGS, "mode" },
  56     { "production",                NULL,            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=1}, 0, 0, FLAGS, "mode" },
  57     { "type",         "set filter type", OFFSET(type), AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=4}, 0, 8, FLAGS, "type" },
  58     { "col",                 "Columbia",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=0}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  59     { "emi",                      "EMI",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=1}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  60     { "bsi",              "BSI (78RPM)",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=2}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  61     { "riaa",                    "RIAA",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=3}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  62     { "cd",         "Compact Disc (CD)",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=4}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  63     { "50fm",               "50µs (FM)",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=5}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  64     { "75fm",               "75µs (FM)",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=6}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  65     { "50kf",            "50µs (FM-KF)",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=7}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  66     { "75kf",            "75µs (FM-KF)",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=8}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  67     { NULL }
  68 };
  69
  70 AVFILTER_DEFINE_CLASS(aemphasis);
  71
  72 static inline void biquad_process(BiquadD2 *bq, double *dst, const double *src, int nb_samples,
  73                                   double level_in, double level_out)
  74 {
  75     const double a0 = bq->a0;
  76     const double a1 = bq->a1;
  77     const double a2 = bq->a2;
  78     const double b1 = bq->b1;
  79     const double b2 = bq->b2;
  80     double w1 = bq->w1;
  81     double w2 = bq->w2;
  82
  83     for (int i = 0; i < nb_samples; i++) {
  84         double n = src[i] * level_in;
  85         double tmp = n - w1 * b1 - w2 * b2;
  86         double out = tmp * a0 + w1 * a1 + w2 * a2;
  87
  88         w2 = w1;
  89         w1 = tmp;
  90
  91         dst[i] = out * level_out;
  92     }
  93
  94     bq->w1 = w1;
  95     bq->w2 = w2;
  96 }
  97
  98 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *in)
  99 {
 100     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 101     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 102     AudioEmphasisContext *s = ctx->priv;
 103     const double level_out = s->level_out;
 104     const double level_in = s->level_in;
 105     AVFrame *out;
 106
 107     if (av_frame_is_writable(in)) {
 108         out = in;
 109     } else {
 110         out = ff_get_audio_buffer(outlink, in->nb_samples);
 111         if (!out) {
 112             av_frame_free(&in);
 113             return AVERROR(ENOMEM);
 114         }
 115         av_frame_copy_props(out, in);
 116     }
 117
 118     for (int ch = 0; ch < inlink->channels; ch++) {
 119         const double *src = (const double *)in->extended_data[ch];
 120         double *dst = (double *)out->extended_data[ch];
 121
 122         if (s->rc[ch].use_brickw) {
 123             biquad_process(&s->rc[ch].brickw, dst, src, in->nb_samples, level_in, 1.);
 124             biquad_process(&s->rc[ch].r1, dst, dst, in->nb_samples, 1., level_out);
 125         } else {
 126             biquad_process(&s->rc[ch].r1, dst, src, in->nb_samples, level_in, level_out);
 127         }
 128     }
 129
 130     if (in != out)
 131         av_frame_free(&in);
 132     return ff_filter_frame(outlink, out);
 133 }
 134
 135 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
 136 {
 137     AVFilterChannelLayouts *layouts;
 138     AVFilterFormats *formats;
 139     static const enum AVSampleFormat sample_fmts[] = {
 140         AV_SAMPLE_FMT_DBLP,
 141         AV_SAMPLE_FMT_NONE
 142     };
 143     int ret;
 144
 145     layouts = ff_all_channel_counts();
 146     if (!layouts)
 147         return AVERROR(ENOMEM);
 148     ret = ff_set_common_channel_layouts(ctx, layouts);
 149     if (ret < 0)
 150         return ret;
 151
 152     formats = ff_make_format_list(sample_fmts);
 153     if (!formats)
 154         return AVERROR(ENOMEM);
 155     ret = ff_set_common_formats(ctx, formats);
 156     if (ret < 0)
 157         return ret;
 158
 159     formats = ff_all_samplerates();
 160     if (!formats)
 161         return AVERROR(ENOMEM);
 162     return ff_set_common_samplerates(ctx, formats);
 163 }
 164
 165 static inline void set_highshelf_rbj(BiquadD2 *bq, double freq, double q, double peak, double sr)
 166 {
 167     double A = sqrt(peak);
 168     double w0 = freq * 2 * M_PI / sr;
 169     double alpha = sin(w0) / (2 * q);
 170     double cw0 = cos(w0);
 171     double tmp = 2 * sqrt(A) * alpha;
 172     double b0 = 0, ib0 = 0;
 173
 174     bq->a0 =    A*( (A+1) + (A-1)*cw0 + tmp);
 175     bq->a1 = -2*A*( (A-1) + (A+1)*cw0);
 176     bq->a2 =    A*( (A+1) + (A-1)*cw0 - tmp);
 177         b0 =        (A+1) - (A-1)*cw0 + tmp;
 178     bq->b1 =    2*( (A-1) - (A+1)*cw0);
 179     bq->b2 =        (A+1) - (A-1)*cw0 - tmp;
 180
 181     ib0     = 1 / b0;
 182     bq->b1 *= ib0;
 183     bq->b2 *= ib0;
 184     bq->a0 *= ib0;
 185     bq->a1 *= ib0;
 186     bq->a2 *= ib0;
 187 }
 188
 189 static inline void set_lp_rbj(BiquadD2 *bq, double fc, double q, double sr, double gain)
 190 {
 191     double omega = 2.0 * M_PI * fc / sr;
 192     double sn = sin(omega);
 193     double cs = cos(omega);
 194     double alpha = sn/(2 * q);
 195     double inv = 1.0/(1.0 + alpha);
 196
 197     bq->a2 = bq->a0 = gain * inv * (1.0 - cs) * 0.5;
 198     bq->a1 = bq->a0 + bq->a0;
 199     bq->b1 = (-2.0 * cs * inv);
 200     bq->b2 = ((1.0 - alpha) * inv);
 201 }
 202
 203 static double freq_gain(BiquadCoeffs *c, double freq, double sr)
 204 {
 205     double zr, zi;
 206
 207     freq *= 2.0 * M_PI / sr;
 208     zr = cos(freq);
 209     zi = -sin(freq);
 210
 211     /* |(a0 + a1*z + a2*z^2)/(1 + b1*z + b2*z^2)| */
 212     return hypot(c->a0 + c->a1*zr + c->a2*(zr*zr-zi*zi), c->a1*zi + 2*c->a2*zr*zi) /
 213            hypot(1 + c->b1*zr + c->b2*(zr*zr-zi*zi), c->b1*zi + 2*c->b2*zr*zi);
 214 }
 215
 216 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
 217 {
 218     double i, j, k, g, t, a0, a1, a2, b1, b2, tau1, tau2, tau3;
 219     double cutfreq, gain1kHz, gc, sr = inlink->sample_rate;
 220     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 221     AudioEmphasisContext *s = ctx->priv;
 222     BiquadCoeffs coeffs;
 223     int ch;
 224
 225     s->rc = av_calloc(inlink->channels, sizeof(*s->rc));
 226     if (!s->rc)
 227         return AVERROR(ENOMEM);
 228
 229     switch (s->type) {
 230     case 0: //"Columbia"
 231         i = 100.;
 232         j = 500.;
 233         k = 1590.;
 234         break;
 235     case 1: //"EMI"
 236         i = 70.;
 237         j = 500.;
 238         k = 2500.;
 239         break;
 240     case 2: //"BSI(78rpm)"
 241         i = 50.;
 242         j = 353.;
 243         k = 3180.;
 244         break;
 245     case 3: //"RIAA"
 246     default:
 247         tau1 = 0.003180;
 248         tau2 = 0.000318;
 249         tau3 = 0.000075;
 250         i = 1. / (2. * M_PI * tau1);
 251         j = 1. / (2. * M_PI * tau2);
 252         k = 1. / (2. * M_PI * tau3);
 253         break;
 254     case 4: //"CD Mastering"
 255         tau1 = 0.000050;
 256         tau2 = 0.000015;
 257         tau3 = 0.0000001;// 1.6MHz out of audible range for null impact
 258         i = 1. / (2. * M_PI * tau1);
 259         j = 1. / (2. * M_PI * tau2);
 260         k = 1. / (2. * M_PI * tau3);
 261         break;
 262     case 5: //"50µs FM (Europe)"
 263         tau1 = 0.000050;
 264         tau2 = tau1 / 20;// not used
 265         tau3 = tau1 / 50;//
 266         i = 1. / (2. * M_PI * tau1);
 267         j = 1. / (2. * M_PI * tau2);
 268         k = 1. / (2. * M_PI * tau3);
 269         break;
 270     case 6: //"75µs FM (US)"
 271         tau1 = 0.000075;
 272         tau2 = tau1 / 20;// not used
 273         tau3 = tau1 / 50;//
 274         i = 1. / (2. * M_PI * tau1);
 275         j = 1. / (2. * M_PI * tau2);
 276         k = 1. / (2. * M_PI * tau3);
 277         break;
 278     }
 279
 280     i *= 2 * M_PI;
 281     j *= 2 * M_PI;
 282     k *= 2 * M_PI;
 283
 284     t = 1. / sr;
 285
 286     //swap a1 b1, a2 b2
 287     if (s->type == 7 || s->type == 8) {
 288         double tau = (s->type == 7 ? 0.000050 : 0.000075);
 289         double f = 1.0 / (2 * M_PI * tau);
 290         double nyq = sr * 0.5;
 291         double gain = sqrt(1.0 + nyq * nyq / (f * f)); // gain at Nyquist
 292         double cfreq = sqrt((gain - 1.0) * f * f); // frequency
 293         double q = 1.0;
 294
 295         if (s->type == 8)
 296             q = pow((sr / 3269.0) + 19.5, -0.25); // somewhat poor curve-fit
 297         if (s->type == 7)
 298             q = pow((sr / 4750.0) + 19.5, -0.25);
 299         if (s->mode == 0)
 300             set_highshelf_rbj(&s->rc[0].r1, cfreq, q, 1. / gain, sr);
 301         else
 302             set_highshelf_rbj(&s->rc[0].r1, cfreq, q, gain, sr);
 303         s->rc[0].use_brickw = 0;
 304     } else {
 305         s->rc[0].use_brickw = 1;
 306         if (s->mode == 0) { // Reproduction
 307             g  = 1. / (4.+2.*i*t+2.*k*t+i*k*t*t);
 308             a0 = (2.*t+j*t*t)*g;
 309             a1 = (2.*j*t*t)*g;
 310             a2 = (-2.*t+j*t*t)*g;
 311             b1 = (-8.+2.*i*k*t*t)*g;
 312             b2 = (4.-2.*i*t-2.*k*t+i*k*t*t)*g;
 313         } else {  // Production
 314             g  = 1. / (2.*t+j*t*t);
 315             a0 = (4.+2.*i*t+2.*k*t+i*k*t*t)*g;
 316             a1 = (-8.+2.*i*k*t*t)*g;
 317             a2 = (4.-2.*i*t-2.*k*t+i*k*t*t)*g;
 318             b1 = (2.*j*t*t)*g;
 319             b2 = (-2.*t+j*t*t)*g;
 320         }
 321
 322         coeffs.a0 = a0;
 323         coeffs.a1 = a1;
 324         coeffs.a2 = a2;
 325         coeffs.b1 = b1;
 326         coeffs.b2 = b2;
 327
 328         // the coeffs above give non-normalized value, so it should be normalized to produce 0dB at 1 kHz
 329         // find actual gain
 330         // Note: for FM emphasis, use 100 Hz for normalization instead
 331         gain1kHz = freq_gain(&coeffs, 1000.0, sr);
 332         // divide one filter's x[n-m] coefficients by that value
 333         gc = 1.0 / gain1kHz;
 334         s->rc[0].r1.a0 = coeffs.a0 * gc;
 335         s->rc[0].r1.a1 = coeffs.a1 * gc;
 336         s->rc[0].r1.a2 = coeffs.a2 * gc;
 337         s->rc[0].r1.b1 = coeffs.b1;
 338         s->rc[0].r1.b2 = coeffs.b2;
 339     }
 340
 341     cutfreq = FFMIN(0.45 * sr, 21000.);
 342     set_lp_rbj(&s->rc[0].brickw, cutfreq, 0.707, sr, 1.);
 343
 344     for (ch = 1; ch < inlink->channels; ch++) {
 345         memcpy(&s->rc[ch], &s->rc[0], sizeof(RIAACurve));
 346     }
 347
 348     return 0;
 349 }
 350
 351 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 352 {
 353     AudioEmphasisContext *s = ctx->priv;
 354     av_freep(&s->rc);
 355 }
 356
 357 static const AVFilterPad avfilter_af_aemphasis_inputs[] = {
 358     {
 359         .name         = "default",
 360         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 361         .config_props = config_input,
 362         .filter_frame = filter_frame,
 363     },
 364     { NULL }
 365 };
 366
 367 static const AVFilterPad avfilter_af_aemphasis_outputs[] = {
 368     {
 369         .name = "default",
 370         .type = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 371     },
 372     { NULL }
 373 };
 374
 375 AVFilter ff_af_aemphasis = {
 376     .name          = "aemphasis",
 377     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Audio emphasis."),
 378     .priv_size     = sizeof(AudioEmphasisContext),
 379     .priv_class    = &aemphasis_class,
 380     .uninit        = uninit,
 381     .query_formats = query_formats,
 382     .inputs        = avfilter_af_aemphasis_inputs,
 383     .outputs       = avfilter_af_aemphasis_outputs,
 384 };