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, 16, 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     { "win_func", "set window function", OFFSET(win_func), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64 = WFUNC_HANNING}, 0, NB_WFUNC-1, A, "win_func" },
  78         { "rect",     "Rectangular",      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_RECT},     0, 0, A, "win_func" },
  79         { "bartlett", "Bartlett",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BARTLETT}, 0, 0, A, "win_func" },
  80         { "hann",     "Hann",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HANNING},  0, 0, A, "win_func" },
  81         { "hanning",  "Hanning",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HANNING},  0, 0, A, "win_func" },
  82         { "hamming",  "Hamming",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HAMMING},  0, 0, A, "win_func" },
  83         { "sine",     "Sine",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_SINE},     0, 0, A, "win_func" },
  84     { "overlap", "set window overlap", OFFSET(overlap), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=0.75}, 0,  1, A },
  85     { NULL },
  86 };
  87
  88 AVFILTER_DEFINE_CLASS(afftfilt);
  89
  90 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
  91 {
  92     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
  93     AFFTFiltContext *s = ctx->priv;
  94     char *saveptr = NULL;
  95     int ret = 0, ch, i;
  96     float overlap;
  97     char *args;
  98     const char *last_expr = "1";
  99
 100     s->fft  = av_fft_init(s->fft_bits, 0);
 101     s->ifft = av_fft_init(s->fft_bits, 1);
 102     if (!s->fft || !s->ifft)
 103         return AVERROR(ENOMEM);
 104
 105     s->window_size = 1 << s->fft_bits;
 106
 107     s->fft_data = av_calloc(inlink->channels, sizeof(*s->fft_data));
 108     if (!s->fft_data)
 109         return AVERROR(ENOMEM);
 110
 111     for (ch = 0; ch < inlink->channels; ch++) {
 112         s->fft_data[ch] = av_calloc(s->window_size, sizeof(**s->fft_data));
 113         if (!s->fft_data[ch])
 114             return AVERROR(ENOMEM);
 115     }
 116
 117     s->real = av_calloc(inlink->channels, sizeof(*s->real));
 118     if (!s->real)
 119         return AVERROR(ENOMEM);
 120
 121     s->imag = av_calloc(inlink->channels, sizeof(*s->imag));
 122     if (!s->imag)
 123         return AVERROR(ENOMEM);
 124
 125     args = av_strdup(s->real_str);
 126     if (!args)
 127         return AVERROR(ENOMEM);
 128
 129     for (ch = 0; ch < inlink->channels; ch++) {
 130         char *arg = av_strtok(ch == 0 ? args : NULL, "|", &saveptr);
 131
 132         ret = av_expr_parse(&s->real[ch], arg ? arg : last_expr, var_names,
 133                             NULL, NULL, NULL, NULL, 0, ctx);
 134         if (ret < 0)
 135             break;
 136         if (arg)
 137             last_expr = arg;
 138         s->nb_exprs++;
 139     }
 140
 141     av_free(args);
 142
 143     args = av_strdup(s->img_str ? s->img_str : s->real_str);
 144     if (!args)
 145         return AVERROR(ENOMEM);
 146
 147     for (ch = 0; ch < inlink->channels; ch++) {
 148         char *arg = av_strtok(ch == 0 ? args : NULL, "|", &saveptr);
 149
 150         ret = av_expr_parse(&s->imag[ch], arg ? arg : last_expr, var_names,
 151                             NULL, NULL, NULL, NULL, 0, ctx);
 152         if (ret < 0)
 153             break;
 154         if (arg)
 155             last_expr = arg;
 156     }
 157
 158     av_free(args);
 159
 160     s->fifo = av_audio_fifo_alloc(inlink->format, inlink->channels, s->window_size);
 161     if (!s->fifo)
 162         return AVERROR(ENOMEM);
 163
 164     s->window_func_lut = av_realloc_f(s->window_func_lut, s->window_size,
 165                                       sizeof(*s->window_func_lut));
 166     if (!s->window_func_lut)
 167         return AVERROR(ENOMEM);
 168     ff_generate_window_func(s->window_func_lut, s->window_size, s->win_func, &overlap);
 169     if (s->overlap == 1)
 170         s->overlap = overlap;
 171
 172     for (s->win_scale = 0, i = 0; i < s->window_size; i++) {
 173         s->win_scale += s->window_func_lut[i] * s->window_func_lut[i];
 174     }
 175
 176     s->hop_size = s->window_size * (1 - s->overlap);
 177     if (s->hop_size <= 0)
 178         return AVERROR(EINVAL);
 179
 180     s->buffer = ff_get_audio_buffer(inlink, s->window_size * 2);
 181     if (!s->buffer)
 182         return AVERROR(ENOMEM);
 183
 184     return ret;
 185 }
 186
 187 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *frame)
 188 {
 189     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 190     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 191     AFFTFiltContext *s = ctx->priv;
 192     const int window_size = s->window_size;
 193     const float f = 1. / s->win_scale;
 194     double values[VAR_VARS_NB];
 195     AVFrame *out, *in = NULL;
 196     int ch, n, ret, i, j, k;
 197     int start = s->start, end = s->end;
 198
 199     av_audio_fifo_write(s->fifo, (void **)frame->extended_data, frame->nb_samples);
 200     av_frame_free(&frame);
 201
 202     while (av_audio_fifo_size(s->fifo) >= window_size) {
 203         if (!in) {
 204             in = ff_get_audio_buffer(outlink, window_size);
 205             if (!in)
 206                 return AVERROR(ENOMEM);
 207         }
 208
 209         ret = av_audio_fifo_peek(s->fifo, (void **)in->extended_data, window_size);
 210         if (ret < 0)
 211             break;
 212
 213         for (ch = 0; ch < inlink->channels; ch++) {
 214             const float *src = (float *)in->extended_data[ch];
 215             FFTComplex *fft_data = s->fft_data[ch];
 216
 217             for (n = 0; n < in->nb_samples; n++) {
 218                 fft_data[n].re = src[n] * s->window_func_lut[n];
 219                 fft_data[n].im = 0;
 220             }
 221
 222             for (; n < window_size; n++) {
 223                 fft_data[n].re = 0;
 224                 fft_data[n].im = 0;
 225             }
 226         }
 227
 228         values[VAR_PTS]         = s->pts;
 229         values[VAR_SAMPLE_RATE] = inlink->sample_rate;
 230         values[VAR_NBBINS]      = window_size / 2;
 231         values[VAR_CHANNELS]    = inlink->channels;
 232
 233         for (ch = 0; ch < inlink->channels; ch++) {
 234             FFTComplex *fft_data = s->fft_data[ch];
 235             float *buf = (float *)s->buffer->extended_data[ch];
 236             int x;
 237
 238             values[VAR_CHANNEL] = ch;
 239
 240             av_fft_permute(s->fft, fft_data);
 241             av_fft_calc(s->fft, fft_data);
 242
 243             for (n = 0; n < window_size / 2; n++) {
 244                 float fr, fi;
 245
 246                 values[VAR_BIN] = n;
 247
 248                 fr = av_expr_eval(s->real[ch], values, s);
 249                 fi = av_expr_eval(s->imag[ch], values, s);
 250
 251                 fft_data[n].re *= fr;
 252                 fft_data[n].im *= fi;
 253             }
 254
 255             for (n = window_size / 2 + 1, x = window_size / 2 - 1; n < window_size; n++, x--) {
 256                 fft_data[n].re =  fft_data[x].re;
 257                 fft_data[n].im = -fft_data[x].im;
 258             }
 259
 260             av_fft_permute(s->ifft, fft_data);
 261             av_fft_calc(s->ifft, fft_data);
 262
 263             start = s->start;
 264             end = s->end;
 265             k = end;
 266             for (i = 0, j = start; j < k && i < window_size; i++, j++) {
 267                 buf[j] += s->fft_data[ch][i].re * f;
 268             }
 269
 270             for (; i < window_size; i++, j++) {
 271                 buf[j] = s->fft_data[ch][i].re * f;
 272             }
 273
 274             start += s->hop_size;
 275             end = j;
 276         }
 277
 278         s->start = start;
 279         s->end = end;
 280
 281         if (start >= window_size) {
 282             float *dst, *buf;
 283
 284             start -= window_size;
 285             end   -= window_size;
 286
 287             s->start = start;
 288             s->end = end;
 289
 290             out = ff_get_audio_buffer(outlink, window_size);
 291             if (!out) {
 292                 ret = AVERROR(ENOMEM);
 293                 break;
 294             }
 295
 296             out->pts = s->pts;
 297             s->pts += window_size;
 298
 299             for (ch = 0; ch < inlink->channels; ch++) {
 300                 dst = (float *)out->extended_data[ch];
 301                 buf = (float *)s->buffer->extended_data[ch];
 302
 303                 for (n = 0; n < window_size; n++) {
 304                     dst[n] = buf[n] * (1 - s->overlap);
 305                 }
 306                 memmove(buf, buf + window_size, window_size * 4);
 307             }
 308
 309             ret = ff_filter_frame(outlink, out);
 310             if (ret < 0)
 311                 break;
 312         }
 313
 314         av_audio_fifo_drain(s->fifo, s->hop_size);
 315     }
 316
 317     av_frame_free(&in);
 318     return ret;
 319 }
 320
 321 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
 322 {
 323     AVFilterFormats *formats;
 324     AVFilterChannelLayouts *layouts;
 325     static const enum AVSampleFormat sample_fmts[] = {
 326         AV_SAMPLE_FMT_FLTP,
 327         AV_SAMPLE_FMT_NONE
 328     };
 329     int ret;
 330
 331     layouts = ff_all_channel_counts();
 332     if (!layouts)
 333         return AVERROR(ENOMEM);
 334     ret = ff_set_common_channel_layouts(ctx, layouts);
 335     if (ret < 0)
 336         return ret;
 337
 338     formats = ff_make_format_list(sample_fmts);
 339     if (!formats)
 340         return AVERROR(ENOMEM);
 341     ret = ff_set_common_formats(ctx, formats);
 342     if (ret < 0)
 343         return ret;
 344
 345     formats = ff_all_samplerates();
 346     if (!formats)
 347         return AVERROR(ENOMEM);
 348     return ff_set_common_samplerates(ctx, formats);
 349 }
 350
 351 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 352 {
 353     AFFTFiltContext *s = ctx->priv;
 354     int i;
 355
 356     av_fft_end(s->fft);
 357     av_fft_end(s->ifft);
 358
 359     for (i = 0; i < s->nb_exprs; i++) {
 360         if (s->fft_data)
 361             av_freep(&s->fft_data[i]);
 362     }
 363     av_freep(&s->fft_data);
 364
 365     for (i = 0; i < s->nb_exprs; i++) {
 366         av_expr_free(s->real[i]);
 367         av_expr_free(s->imag[i]);
 368     }
 369
 370     av_freep(&s->real);
 371     av_freep(&s->imag);
 372     av_frame_free(&s->buffer);
 373 }
 374
 375 static const AVFilterPad inputs[] = {
 376     {
 377         .name         = "default",
 378         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 379         .config_props = config_input,
 380         .filter_frame = filter_frame,
 381     },
 382     { NULL }
 383 };
 384
 385 static const AVFilterPad outputs[] = {
 386     {
 387         .name = "default",
 388         .type = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 389     },
 390     { NULL }
 391 };
 392
 393 AVFilter ff_af_afftfilt = {
 394     .name            = "afftfilt",
 395     .description     = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Apply arbitrary expressions to samples in frequency domain."),
 396     .priv_size       = sizeof(AFFTFiltContext),
 397     .priv_class      = &afftfilt_class,
 398     .inputs          = inputs,
 399     .outputs         = outputs,
 400     .query_formats   = query_formats,
 401     .uninit          = uninit,
 402 };