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

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2016 Paul B Mahol
   3  *
   4  * This file is part of FFmpeg.
   5  *
   6  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or modify it
   7  * under the terms of the GNU Lesser General Public License as published
   8  * by the Free Software Foundation; either version 2.1 of the License,
   9  * 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/audio_fifo.h"
  22 #include "libavutil/avstring.h"
  23 #include "libavfilter/internal.h"
  24 #include "libavutil/common.h"
  25 #include "libavutil/opt.h"
  26 #include "libavcodec/avfft.h"
  27 #include "libavutil/eval.h"
  28 #include "audio.h"
  29 #include "window_func.h"
  30
  31 typedef struct AFFTFiltContext {
  32     const AVClass *class;
  33     char *real_str;
  34     char *img_str;
  35     int fft_bits;
  36
  37     FFTContext *fft, *ifft;
  38     FFTComplex **fft_data;
  39     int nb_exprs;
  40     int window_size;
  41     AVExpr **real;
  42     AVExpr **imag;
  43     AVAudioFifo *fifo;
  44     int64_t pts;
  45     int hop_size;
  46     float overlap;
  47     AVFrame *buffer;
  48     int start, end;
  49     int win_func;
  50     float win_scale;
  51     float *window_func_lut;
  52 } AFFTFiltContext;
  53
  54 static const char *const var_names[] = {            "sr",     "b",       "nb",        "ch",        "chs",   "pts",        NULL };
  55 enum                                   { VAR_SAMPLE_RATE, VAR_BIN, VAR_NBBINS, VAR_CHANNEL, VAR_CHANNELS, VAR_PTS, VAR_VARS_NB };
  56
  57 #define OFFSET(x) offsetof(AFFTFiltContext, x)
  58 #define A AV_OPT_FLAG_AUDIO_PARAM|AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM
  59
  60 static const AVOption afftfilt_options[] = {
  61     { "real", "set channels real expressions",       OFFSET(real_str), AV_OPT_TYPE_STRING, {.str = "1" }, 0, 0, A },
  62     { "imag",  "set channels imaginary expressions", OFFSET(img_str),  AV_OPT_TYPE_STRING, {.str = NULL }, 0, 0, A },
  63     { "win_size", "set window size", OFFSET(fft_bits), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=12}, 4, 17, A, "fft" },
  64         { "w16",    0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=4},  0, 0, A, "fft" },
  65         { "w32",    0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=5},  0, 0, A, "fft" },
  66         { "w64",    0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=6},  0, 0, A, "fft" },
  67         { "w128",   0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=7},  0, 0, A, "fft" },
  68         { "w256",   0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=8},  0, 0, A, "fft" },
  69         { "w512",   0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=9},  0, 0, A, "fft" },
  70         { "w1024",  0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=10}, 0, 0, A, "fft" },
  71         { "w2048",  0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=11}, 0, 0, A, "fft" },
  72         { "w4096",  0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=12}, 0, 0, A, "fft" },
  73         { "w8192",  0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=13}, 0, 0, A, "fft" },
  74         { "w16384", 0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=14}, 0, 0, A, "fft" },
  75         { "w32768", 0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=15}, 0, 0, A, "fft" },
  76         { "w65536", 0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=16}, 0, 0, A, "fft" },
  77         { "w131072",0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=17}, 0, 0, A, "fft" },
  78     { "win_func", "set window function", OFFSET(win_func), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64 = WFUNC_HANNING}, 0, NB_WFUNC-1, A, "win_func" },
  79         { "rect",     "Rectangular",      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_RECT},     0, 0, A, "win_func" },
  80         { "bartlett", "Bartlett",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BARTLETT}, 0, 0, A, "win_func" },
  81         { "hann",     "Hann",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HANNING},  0, 0, A, "win_func" },
  82         { "hanning",  "Hanning",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HANNING},  0, 0, A, "win_func" },
  83         { "hamming",  "Hamming",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HAMMING},  0, 0, A, "win_func" },
  84         { "sine",     "Sine",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_SINE},     0, 0, A, "win_func" },
  85     { "overlap", "set window overlap", OFFSET(overlap), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=0.75}, 0,  1, A },
  86     { NULL },
  87 };
  88
  89 AVFILTER_DEFINE_CLASS(afftfilt);
  90
  91 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
  92 {
  93     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
  94     AFFTFiltContext *s = ctx->priv;
  95     char *saveptr = NULL;
  96     int ret = 0, ch, i;
  97     float overlap;
  98     char *args;
  99     const char *last_expr = "1";
 100
 101     s->fft  = av_fft_init(s->fft_bits, 0);
 102     s->ifft = av_fft_init(s->fft_bits, 1);
 103     if (!s->fft || !s->ifft)
 104         return AVERROR(ENOMEM);
 105
 106     s->window_size = 1 << s->fft_bits;
 107
 108     s->fft_data = av_calloc(inlink->channels, sizeof(*s->fft_data));
 109     if (!s->fft_data)
 110         return AVERROR(ENOMEM);
 111
 112     for (ch = 0; ch < inlink->channels; ch++) {
 113         s->fft_data[ch] = av_calloc(s->window_size, sizeof(**s->fft_data));
 114         if (!s->fft_data[ch])
 115             return AVERROR(ENOMEM);
 116     }
 117
 118     s->real = av_calloc(inlink->channels, sizeof(*s->real));
 119     if (!s->real)
 120         return AVERROR(ENOMEM);
 121
 122     s->imag = av_calloc(inlink->channels, sizeof(*s->imag));
 123     if (!s->imag)
 124         return AVERROR(ENOMEM);
 125
 126     args = av_strdup(s->real_str);
 127     if (!args)
 128         return AVERROR(ENOMEM);
 129
 130     for (ch = 0; ch < inlink->channels; ch++) {
 131         char *arg = av_strtok(ch == 0 ? args : NULL, "|", &saveptr);
 132
 133         ret = av_expr_parse(&s->real[ch], arg ? arg : last_expr, var_names,
 134                             NULL, NULL, NULL, NULL, 0, ctx);
 135         if (ret < 0)
 136             break;
 137         if (arg)
 138             last_expr = arg;
 139         s->nb_exprs++;
 140     }
 141
 142     av_free(args);
 143
 144     args = av_strdup(s->img_str ? s->img_str : s->real_str);
 145     if (!args)
 146         return AVERROR(ENOMEM);
 147
 148     for (ch = 0; ch < inlink->channels; ch++) {
 149         char *arg = av_strtok(ch == 0 ? args : NULL, "|", &saveptr);
 150
 151         ret = av_expr_parse(&s->imag[ch], arg ? arg : last_expr, var_names,
 152                             NULL, NULL, NULL, NULL, 0, ctx);
 153         if (ret < 0)
 154             break;
 155         if (arg)
 156             last_expr = arg;
 157     }
 158
 159     av_free(args);
 160
 161     s->fifo = av_audio_fifo_alloc(inlink->format, inlink->channels, s->window_size);
 162     if (!s->fifo)
 163         return AVERROR(ENOMEM);
 164
 165     s->window_func_lut = av_realloc_f(s->window_func_lut, s->window_size,
 166                                       sizeof(*s->window_func_lut));
 167     if (!s->window_func_lut)
 168         return AVERROR(ENOMEM);
 169     generate_window_func(s->window_func_lut, s->window_size, s->win_func, &overlap);
 170     if (s->overlap == 1)
 171         s->overlap = overlap;
 172
 173     for (s->win_scale = 0, i = 0; i < s->window_size; i++) {
 174         s->win_scale += s->window_func_lut[i] * s->window_func_lut[i];
 175     }
 176
 177     s->hop_size = s->window_size * (1 - s->overlap);
 178     if (s->hop_size <= 0)
 179         return AVERROR(EINVAL);
 180
 181     s->buffer = ff_get_audio_buffer(inlink, s->window_size * 2);
 182     if (!s->buffer)
 183         return AVERROR(ENOMEM);
 184
 185     return ret;
 186 }
 187
 188 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *frame)
 189 {
 190     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 191     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 192     AFFTFiltContext *s = ctx->priv;
 193     const int window_size = s->window_size;
 194     const float f = 1. / s->win_scale;
 195     double values[VAR_VARS_NB];
 196     AVFrame *out, *in = NULL;
 197     int ch, n, ret, i, j, k;
 198     int start = s->start, end = s->end;
 199
 200     av_audio_fifo_write(s->fifo, (void **)frame->extended_data, frame->nb_samples);
 201     av_frame_free(&frame);
 202
 203     while (av_audio_fifo_size(s->fifo) >= window_size) {
 204         if (!in) {
 205             in = ff_get_audio_buffer(outlink, window_size);
 206             if (!in)
 207                 return AVERROR(ENOMEM);
 208         }
 209
 210         ret = av_audio_fifo_peek(s->fifo, (void **)in->extended_data, window_size);
 211         if (ret < 0)
 212             break;
 213
 214         for (ch = 0; ch < inlink->channels; ch++) {
 215             const float *src = (float *)in->extended_data[ch];
 216             FFTComplex *fft_data = s->fft_data[ch];
 217
 218             for (n = 0; n < in->nb_samples; n++) {
 219                 fft_data[n].re = src[n] * s->window_func_lut[n];
 220                 fft_data[n].im = 0;
 221             }
 222
 223             for (; n < window_size; n++) {
 224                 fft_data[n].re = 0;
 225                 fft_data[n].im = 0;
 226             }
 227         }
 228
 229         values[VAR_PTS]         = s->pts;
 230         values[VAR_SAMPLE_RATE] = inlink->sample_rate;
 231         values[VAR_NBBINS]      = window_size / 2;
 232         values[VAR_CHANNELS]    = inlink->channels;
 233
 234         for (ch = 0; ch < inlink->channels; ch++) {
 235             FFTComplex *fft_data = s->fft_data[ch];
 236             float *buf = (float *)s->buffer->extended_data[ch];
 237             int x;
 238
 239             values[VAR_CHANNEL] = ch;
 240
 241             av_fft_permute(s->fft, fft_data);
 242             av_fft_calc(s->fft, fft_data);
 243
 244             for (n = 0; n < window_size / 2; n++) {
 245                 float fr, fi;
 246
 247                 values[VAR_BIN] = n;
 248
 249                 fr = av_expr_eval(s->real[ch], values, s);
 250                 fi = av_expr_eval(s->imag[ch], values, s);
 251
 252                 fft_data[n].re *= fr;
 253                 fft_data[n].im *= fi;
 254             }
 255
 256             for (n = window_size / 2 + 1, x = window_size / 2 - 1; n < window_size; n++, x--) {
 257                 fft_data[n].re =  fft_data[x].re;
 258                 fft_data[n].im = -fft_data[x].im;
 259             }
 260
 261             av_fft_permute(s->ifft, fft_data);
 262             av_fft_calc(s->ifft, fft_data);
 263
 264             start = s->start;
 265             end = s->end;
 266             k = end;
 267             for (i = 0, j = start; j < k && i < window_size; i++, j++) {
 268                 buf[j] += s->fft_data[ch][i].re * f;
 269             }
 270
 271             for (; i < window_size; i++, j++) {
 272                 buf[j] = s->fft_data[ch][i].re * f;
 273             }
 274
 275             start += s->hop_size;
 276             end = j;
 277         }
 278
 279         s->start = start;
 280         s->end = end;
 281
 282         if (start >= window_size) {
 283             float *dst, *buf;
 284
 285             start -= window_size;
 286             end   -= window_size;
 287
 288             s->start = start;
 289             s->end = end;
 290
 291             out = ff_get_audio_buffer(outlink, window_size);
 292             if (!out) {
 293                 ret = AVERROR(ENOMEM);
 294                 break;
 295             }
 296
 297             out->pts = s->pts;
 298             s->pts += window_size;
 299
 300             for (ch = 0; ch < inlink->channels; ch++) {
 301                 dst = (float *)out->extended_data[ch];
 302                 buf = (float *)s->buffer->extended_data[ch];
 303
 304                 for (n = 0; n < window_size; n++) {
 305                     dst[n] = buf[n] * (1 - s->overlap);
 306                 }
 307                 memmove(buf, buf + window_size, window_size * 4);
 308             }
 309
 310             ret = ff_filter_frame(outlink, out);
 311             if (ret < 0)
 312                 break;
 313         }
 314
 315         av_audio_fifo_drain(s->fifo, s->hop_size);
 316     }
 317
 318     av_frame_free(&in);
 319     return ret;
 320 }
 321
 322 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
 323 {
 324     AVFilterFormats *formats;
 325     AVFilterChannelLayouts *layouts;
 326     static const enum AVSampleFormat sample_fmts[] = {
 327         AV_SAMPLE_FMT_FLTP,
 328         AV_SAMPLE_FMT_NONE
 329     };
 330     int ret;
 331
 332     layouts = ff_all_channel_counts();
 333     if (!layouts)
 334         return AVERROR(ENOMEM);
 335     ret = ff_set_common_channel_layouts(ctx, layouts);
 336     if (ret < 0)
 337         return ret;
 338
 339     formats = ff_make_format_list(sample_fmts);
 340     if (!formats)
 341         return AVERROR(ENOMEM);
 342     ret = ff_set_common_formats(ctx, formats);
 343     if (ret < 0)
 344         return ret;
 345
 346     formats = ff_all_samplerates();
 347     if (!formats)
 348         return AVERROR(ENOMEM);
 349     return ff_set_common_samplerates(ctx, formats);
 350 }
 351
 352 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 353 {
 354     AFFTFiltContext *s = ctx->priv;
 355     int i;
 356
 357     av_fft_end(s->fft);
 358     av_fft_end(s->ifft);
 359
 360     for (i = 0; i < s->nb_exprs; i++) {
 361         if (s->fft_data)
 362             av_freep(&s->fft_data[i]);
 363     }
 364     av_freep(&s->fft_data);
 365
 366     for (i = 0; i < s->nb_exprs; i++) {
 367         av_expr_free(s->real[i]);
 368         av_expr_free(s->imag[i]);
 369     }
 370
 371     av_freep(&s->real);
 372     av_freep(&s->imag);
 373     av_frame_free(&s->buffer);
 374     av_freep(&s->window_func_lut);
 375
 376     av_audio_fifo_free(s->fifo);
 377 }
 378
 379 static const AVFilterPad inputs[] = {
 380     {
 381         .name         = "default",
 382         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 383         .config_props = config_input,
 384         .filter_frame = filter_frame,
 385     },
 386     { NULL }
 387 };
 388
 389 static const AVFilterPad outputs[] = {
 390     {
 391         .name = "default",
 392         .type = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 393     },
 394     { NULL }
 395 };
 396
 397 AVFilter ff_af_afftfilt = {
 398     .name            = "afftfilt",
 399     .description     = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Apply arbitrary expressions to samples in frequency domain."),
 400     .priv_size       = sizeof(AFFTFiltContext),
 401     .priv_class      = &afftfilt_class,
 402     .inputs          = inputs,
 403     .outputs         = outputs,
 404     .query_formats   = query_formats,
 405     .uninit          = uninit,
 406 };