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 <complex.h>
  22
  23 #include "libavutil/opt.h"
  24 #include "avfilter.h"
  25 #include "internal.h"
  26 #include "audio.h"
  27
  28 typedef struct BiquadCoeffs {
  29     double a0, a1, a2, b1, b2;
  30 } BiquadCoeffs;
  31
  32 typedef struct BiquadD2 {
  33     double a0, a1, a2, b1, b2, w1, w2;
  34 } BiquadD2;
  35
  36 typedef struct RIAACurve {
  37     BiquadD2 r1;
  38     BiquadD2 brickw;
  39     int use_brickw;
  40 } RIAACurve;
  41
  42 typedef struct AudioEmphasisContext {
  43     const AVClass *class;
  44     int mode, type;
  45     double level_in, level_out;
  46
  47     RIAACurve *rc;
  48 } AudioEmphasisContext;
  49
  50 #define OFFSET(x) offsetof(AudioEmphasisContext, x)
  51 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_AUDIO_PARAM|AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM
  52
  53 static const AVOption aemphasis_options[] = {
  54     { "level_in",      "set input gain", OFFSET(level_in),  AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=1}, 0, 64, FLAGS },
  55     { "level_out",    "set output gain", OFFSET(level_out), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=1}, 0, 64, FLAGS },
  56     { "mode",         "set filter mode", OFFSET(mode), AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=0}, 0, 1, FLAGS, "mode" },
  57     { "reproduction",              NULL,            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=0}, 0, 0, FLAGS, "mode" },
  58     { "production",                NULL,            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=1}, 0, 0, FLAGS, "mode" },
  59     { "type",         "set filter type", OFFSET(type), AV_OPT_TYPE_INT,   {.i64=4}, 0, 8, FLAGS, "type" },
  60     { "col",                 "Columbia",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=0}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  61     { "emi",                      "EMI",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=1}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  62     { "bsi",              "BSI (78RPM)",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=2}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  63     { "riaa",                    "RIAA",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=3}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  64     { "cd",         "Compact Disc (CD)",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=4}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  65     { "50fm",               "50µs (FM)",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=5}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  66     { "75fm",               "75µs (FM)",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=6}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  67     { "50kf",            "50µs (FM-KF)",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=7}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  68     { "75kf",            "75µs (FM-KF)",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=8}, 0, 0, FLAGS, "type" },
  69     { NULL }
  70 };
  71
  72 AVFILTER_DEFINE_CLASS(aemphasis);
  73
  74 static inline double biquad(BiquadD2 *bq, double in)
  75 {
  76     double n = in;
  77     double tmp = n - bq->w1 * bq->b1 - bq->w2 * bq->b2;
  78     double out = tmp * bq->a0 + bq->w1 * bq->a1 + bq->w2 * bq->a2;
  79
  80     bq->w2 = bq->w1;
  81     bq->w1 = tmp;
  82
  83     return out;
  84 }
  85
  86 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *in)
  87 {
  88     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
  89     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
  90     AudioEmphasisContext *s = ctx->priv;
  91     const double *src = (const double *)in->data[0];
  92     const double level_out = s->level_out;
  93     const double level_in = s->level_in;
  94     AVFrame *out;
  95     double *dst;
  96     int n, c;
  97
  98     if (av_frame_is_writable(in)) {
  99         out = in;
 100     } else {
 101         out = ff_get_audio_buffer(inlink, in->nb_samples);
 102         if (!out) {
 103             av_frame_free(&in);
 104             return AVERROR(ENOMEM);
 105         }
 106         av_frame_copy_props(out, in);
 107     }
 108     dst = (double *)out->data[0];
 109
 110     for (n = 0; n < in->nb_samples; n++) {
 111         for (c = 0; c < inlink->channels; c++)
 112             dst[c] = level_out * biquad(&s->rc[c].r1, s->rc[c].use_brickw ? biquad(&s->rc[c].brickw, src[c] * level_in) : src[c] * level_in);
 113         dst += inlink->channels;
 114         src += inlink->channels;
 115     }
 116
 117     if (in != out)
 118         av_frame_free(&in);
 119     return ff_filter_frame(outlink, out);
 120 }
 121
 122 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
 123 {
 124     AVFilterChannelLayouts *layouts;
 125     AVFilterFormats *formats;
 126     static const enum AVSampleFormat sample_fmts[] = {
 127         AV_SAMPLE_FMT_DBL,
 128         AV_SAMPLE_FMT_NONE
 129     };
 130     int ret;
 131
 132     layouts = ff_all_channel_counts();
 133     if (!layouts)
 134         return AVERROR(ENOMEM);
 135     ret = ff_set_common_channel_layouts(ctx, layouts);
 136     if (ret < 0)
 137         return ret;
 138
 139     formats = ff_make_format_list(sample_fmts);
 140     if (!formats)
 141         return AVERROR(ENOMEM);
 142     ret = ff_set_common_formats(ctx, formats);
 143     if (ret < 0)
 144         return ret;
 145
 146     formats = ff_all_samplerates();
 147     if (!formats)
 148         return AVERROR(ENOMEM);
 149     return ff_set_common_samplerates(ctx, formats);
 150 }
 151
 152 static inline void set_highshelf_rbj(BiquadD2 *bq, double freq, double q, double peak, double sr)
 153 {
 154     double A = sqrt(peak);
 155     double w0 = freq * 2 * M_PI / sr;
 156     double alpha = sin(w0) / (2 * q);
 157     double cw0 = cos(w0);
 158     double tmp = 2 * sqrt(A) * alpha;
 159     double b0 = 0, ib0 = 0;
 160
 161     bq->a0 =    A*( (A+1) + (A-1)*cw0 + tmp);
 162     bq->a1 = -2*A*( (A-1) + (A+1)*cw0);
 163     bq->a2 =    A*( (A+1) + (A-1)*cw0 - tmp);
 164         b0 =        (A+1) - (A-1)*cw0 + tmp;
 165     bq->b1 =    2*( (A-1) - (A+1)*cw0);
 166     bq->b2 =        (A+1) - (A-1)*cw0 - tmp;
 167
 168     ib0     = 1 / b0;
 169     bq->b1 *= ib0;
 170     bq->b2 *= ib0;
 171     bq->a0 *= ib0;
 172     bq->a1 *= ib0;
 173     bq->a2 *= ib0;
 174 }
 175
 176 static inline void set_lp_rbj(BiquadD2 *bq, double fc, double q, double sr, double gain)
 177 {
 178     double omega = 2.0 * M_PI * fc / sr;
 179     double sn = sin(omega);
 180     double cs = cos(omega);
 181     double alpha = sn/(2 * q);
 182     double inv = 1.0/(1.0 + alpha);
 183
 184     bq->a2 = bq->a0 = gain * inv * (1.0 - cs) * 0.5;
 185     bq->a1 = bq->a0 + bq->a0;
 186     bq->b1 = (-2.0 * cs * inv);
 187     bq->b2 = ((1.0 - alpha) * inv);
 188 }
 189
 190 static double freq_gain(BiquadCoeffs *c, double freq, double sr)
 191 {
 192     double complex z, w;
 193
 194     freq *= 2.0 * M_PI / sr;
 195     w = 0 + I * freq;
 196     z = 1.0 / cexp(w);
 197
 198     return cabs(((double complex)c->a0 + c->a1 * z + c->a2 * z*z) /
 199                 ((double complex)1.0 + c->b1 * z + c->b2 * z*z));
 200 }
 201
 202 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
 203 {
 204     double i, j, k, g, t, a0, a1, a2, b1, b2, tau1, tau2, tau3;
 205     double cutfreq, gain1kHz, gc, sr = inlink->sample_rate;
 206     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 207     AudioEmphasisContext *s = ctx->priv;
 208     BiquadCoeffs coeffs;
 209     int ch;
 210
 211     s->rc = av_calloc(inlink->channels, sizeof(*s->rc));
 212     if (!s->rc)
 213         return AVERROR(ENOMEM);
 214
 215     switch (s->type) {
 216     case 0: //"Columbia"
 217         i = 100.;
 218         j = 500.;
 219         k = 1590.;
 220         break;
 221     case 1: //"EMI"
 222         i = 70.;
 223         j = 500.;
 224         k = 2500.;
 225         break;
 226     case 2: //"BSI(78rpm)"
 227         i = 50.;
 228         j = 353.;
 229         k = 3180.;
 230         break;
 231     case 3: //"RIAA"
 232     default:
 233         tau1 = 0.003180;
 234         tau2 = 0.000318;
 235         tau3 = 0.000075;
 236         i = 1. / (2. * M_PI * tau1);
 237         j = 1. / (2. * M_PI * tau2);
 238         k = 1. / (2. * M_PI * tau3);
 239         break;
 240     case 4: //"CD Mastering"
 241         tau1 = 0.000050;
 242         tau2 = 0.000015;
 243         tau3 = 0.0000001;// 1.6MHz out of audible range for null impact
 244         i = 1. / (2. * M_PI * tau1);
 245         j = 1. / (2. * M_PI * tau2);
 246         k = 1. / (2. * M_PI * tau3);
 247         break;
 248     case 5: //"50µs FM (Europe)"
 249         tau1 = 0.000050;
 250         tau2 = tau1 / 20;// not used
 251         tau3 = tau1 / 50;//
 252         i = 1. / (2. * M_PI * tau1);
 253         j = 1. / (2. * M_PI * tau2);
 254         k = 1. / (2. * M_PI * tau3);
 255         break;
 256     case 6: //"75µs FM (US)"
 257         tau1 = 0.000075;
 258         tau2 = tau1 / 20;// not used
 259         tau3 = tau1 / 50;//
 260         i = 1. / (2. * M_PI * tau1);
 261         j = 1. / (2. * M_PI * tau2);
 262         k = 1. / (2. * M_PI * tau3);
 263         break;
 264     }
 265
 266     i *= 2 * M_PI;
 267     j *= 2 * M_PI;
 268     k *= 2 * M_PI;
 269
 270     t = 1. / sr;
 271
 272     //swap a1 b1, a2 b2
 273     if (s->type == 7 || s->type == 8) {
 274         double tau = (s->type == 7 ? 0.000050 : 0.000075);
 275         double f = 1.0 / (2 * M_PI * tau);
 276         double nyq = sr * 0.5;
 277         double gain = sqrt(1.0 + nyq * nyq / (f * f)); // gain at Nyquist
 278         double cfreq = sqrt((gain - 1.0) * f * f); // frequency
 279         double q = 1.0;
 280
 281         if (s->type == 8)
 282             q = pow((sr / 3269.0) + 19.5, -0.25); // somewhat poor curve-fit
 283         if (s->type == 7)
 284             q = pow((sr / 4750.0) + 19.5, -0.25);
 285         if (s->mode == 0)
 286             set_highshelf_rbj(&s->rc[0].r1, cfreq, q, 1. / gain, sr);
 287         else
 288             set_highshelf_rbj(&s->rc[0].r1, cfreq, q, gain, sr);
 289         s->rc[0].use_brickw = 0;
 290     } else {
 291         s->rc[0].use_brickw = 1;
 292         if (s->mode == 0) { // Reproduction
 293             g  = 1. / (4.+2.*i*t+2.*k*t+i*k*t*t);
 294             a0 = (2.*t+j*t*t)*g;
 295             a1 = (2.*j*t*t)*g;
 296             a2 = (-2.*t+j*t*t)*g;
 297             b1 = (-8.+2.*i*k*t*t)*g;
 298             b2 = (4.-2.*i*t-2.*k*t+i*k*t*t)*g;
 299         } else {  // Production
 300             g  = 1. / (2.*t+j*t*t);
 301             a0 = (4.+2.*i*t+2.*k*t+i*k*t*t)*g;
 302             a1 = (-8.+2.*i*k*t*t)*g;
 303             a2 = (4.-2.*i*t-2.*k*t+i*k*t*t)*g;
 304             b1 = (2.*j*t*t)*g;
 305             b2 = (-2.*t+j*t*t)*g;
 306         }
 307
 308         coeffs.a0 = a0;
 309         coeffs.a1 = a1;
 310         coeffs.a2 = a2;
 311         coeffs.b1 = b1;
 312         coeffs.b2 = b2;
 313
 314         // the coeffs above give non-normalized value, so it should be normalized to produce 0dB at 1 kHz
 315         // find actual gain
 316         // Note: for FM emphasis, use 100 Hz for normalization instead
 317         gain1kHz = freq_gain(&coeffs, 1000.0, sr);
 318         // divide one filter's x[n-m] coefficients by that value
 319         gc = 1.0 / gain1kHz;
 320         s->rc[0].r1.a0 = coeffs.a0 * gc;
 321         s->rc[0].r1.a1 = coeffs.a1 * gc;
 322         s->rc[0].r1.a2 = coeffs.a2 * gc;
 323         s->rc[0].r1.b1 = coeffs.b1;
 324         s->rc[0].r1.b2 = coeffs.b2;
 325     }
 326
 327     cutfreq = FFMIN(0.45 * sr, 21000.);
 328     set_lp_rbj(&s->rc[0].brickw, cutfreq, 0.707, sr, 1.);
 329
 330     for (ch = 1; ch < inlink->channels; ch++) {
 331         memcpy(&s->rc[ch], &s->rc[0], sizeof(RIAACurve));
 332     }
 333
 334     return 0;
 335 }
 336
 337 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 338 {
 339     AudioEmphasisContext *s = ctx->priv;
 340     av_freep(&s->rc);
 341 }
 342
 343 static const AVFilterPad avfilter_af_aemphasis_inputs[] = {
 344     {
 345         .name         = "default",
 346         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 347         .config_props = config_input,
 348         .filter_frame = filter_frame,
 349     },
 350     { NULL }
 351 };
 352
 353 static const AVFilterPad avfilter_af_aemphasis_outputs[] = {
 354     {
 355         .name = "default",
 356         .type = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 357     },
 358     { NULL }
 359 };
 360
 361 AVFilter ff_af_aemphasis = {
 362     .name          = "aemphasis",
 363     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Audio emphasis."),
 364     .priv_size     = sizeof(AudioEmphasisContext),
 365     .priv_class    = &aemphasis_class,
 366     .uninit        = uninit,
 367     .query_formats = query_formats,
 368     .inputs        = avfilter_af_aemphasis_inputs,
 369     .outputs       = avfilter_af_aemphasis_outputs,
 370 };