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     FFTComplex **fft_temp;
  40     int nb_exprs;
  41     int window_size;
  42     AVExpr **real;
  43     AVExpr **imag;
  44     AVAudioFifo *fifo;
  45     int64_t pts;
  46     int hop_size;
  47     float overlap;
  48     AVFrame *buffer;
  49     int start, end;
  50     int win_func;
  51     float win_scale;
  52     float *window_func_lut;
  53 } AFFTFiltContext;
  54
  55 static const char *const var_names[] = {            "sr",     "b",       "nb",        "ch",        "chs",   "pts",     "re",     "im", NULL };
  56 enum                                   { VAR_SAMPLE_RATE, VAR_BIN, VAR_NBBINS, VAR_CHANNEL, VAR_CHANNELS, VAR_PTS, VAR_REAL, VAR_IMAG, VAR_VARS_NB };
  57
  58 #define OFFSET(x) offsetof(AFFTFiltContext, x)
  59 #define A AV_OPT_FLAG_AUDIO_PARAM|AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM
  60
  61 static const AVOption afftfilt_options[] = {
  62     { "real", "set channels real expressions",       OFFSET(real_str), AV_OPT_TYPE_STRING, {.str = "re" }, 0, 0, A },
  63     { "imag", "set channels imaginary expressions",  OFFSET(img_str),  AV_OPT_TYPE_STRING, {.str = "im" }, 0, 0, A },
  64     { "win_size", "set window size", OFFSET(fft_bits), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=12}, 4, 17, A, "fft" },
  65         { "w16",    0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=4},  0, 0, A, "fft" },
  66         { "w32",    0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=5},  0, 0, A, "fft" },
  67         { "w64",    0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=6},  0, 0, A, "fft" },
  68         { "w128",   0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=7},  0, 0, A, "fft" },
  69         { "w256",   0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=8},  0, 0, A, "fft" },
  70         { "w512",   0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=9},  0, 0, A, "fft" },
  71         { "w1024",  0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=10}, 0, 0, A, "fft" },
  72         { "w2048",  0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=11}, 0, 0, A, "fft" },
  73         { "w4096",  0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=12}, 0, 0, A, "fft" },
  74         { "w8192",  0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=13}, 0, 0, A, "fft" },
  75         { "w16384", 0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=14}, 0, 0, A, "fft" },
  76         { "w32768", 0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=15}, 0, 0, A, "fft" },
  77         { "w65536", 0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=16}, 0, 0, A, "fft" },
  78         { "w131072",0, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=17}, 0, 0, A, "fft" },
  79     { "win_func", "set window function", OFFSET(win_func), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64 = WFUNC_HANNING}, 0, NB_WFUNC-1, A, "win_func" },
  80         { "rect",     "Rectangular",      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_RECT},     0, 0, A, "win_func" },
  81         { "bartlett", "Bartlett",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BARTLETT}, 0, 0, A, "win_func" },
  82         { "hann",     "Hann",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HANNING},  0, 0, A, "win_func" },
  83         { "hanning",  "Hanning",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HANNING},  0, 0, A, "win_func" },
  84         { "hamming",  "Hamming",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HAMMING},  0, 0, A, "win_func" },
  85         { "sine",     "Sine",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_SINE},     0, 0, A, "win_func" },
  86     { "overlap", "set window overlap", OFFSET(overlap), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=0.75}, 0,  1, A },
  87     { NULL },
  88 };
  89
  90 AVFILTER_DEFINE_CLASS(afftfilt);
  91
  92 static inline double getreal(void *priv, double x, double ch)
  93 {
  94     AFFTFiltContext *s = priv;
  95     int ich, ix;
  96
  97     ich = av_clip(ch, 0, s->nb_exprs - 1);
  98     ix = av_clip(x, 0, s->window_size / 2);
  99
 100     return s->fft_data[ich][ix].re;
 101 }
 102
 103 static inline double getimag(void *priv, double x, double ch)
 104 {
 105     AFFTFiltContext *s = priv;
 106     int ich, ix;
 107
 108     ich = av_clip(ch, 0, s->nb_exprs - 1);
 109     ix = av_clip(x, 0, s->window_size / 2);
 110
 111     return s->fft_data[ich][ix].im;
 112 }
 113
 114 static double realf(void *priv, double x, double ch) { return getreal(priv, x, ch); }
 115 static double imagf(void *priv, double x, double ch) { return getimag(priv, x, ch); }
 116
 117 static const char *const func2_names[]    = { "real", "imag", NULL };
 118 double (*func2[])(void *, double, double) = {  realf,  imagf, NULL };
 119
 120 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
 121 {
 122     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 123     AFFTFiltContext *s = ctx->priv;
 124     char *saveptr = NULL;
 125     int ret = 0, ch, i;
 126     float overlap;
 127     char *args;
 128     const char *last_expr = "1";
 129
 130     s->fft  = av_fft_init(s->fft_bits, 0);
 131     s->ifft = av_fft_init(s->fft_bits, 1);
 132     if (!s->fft || !s->ifft)
 133         return AVERROR(ENOMEM);
 134
 135     s->window_size = 1 << s->fft_bits;
 136
 137     s->fft_data = av_calloc(inlink->channels, sizeof(*s->fft_data));
 138     if (!s->fft_data)
 139         return AVERROR(ENOMEM);
 140
 141     s->fft_temp = av_calloc(inlink->channels, sizeof(*s->fft_temp));
 142     if (!s->fft_temp)
 143         return AVERROR(ENOMEM);
 144
 145     for (ch = 0; ch < inlink->channels; ch++) {
 146         s->fft_data[ch] = av_calloc(s->window_size, sizeof(**s->fft_data));
 147         if (!s->fft_data[ch])
 148             return AVERROR(ENOMEM);
 149     }
 150
 151     for (ch = 0; ch < inlink->channels; ch++) {
 152         s->fft_temp[ch] = av_calloc(s->window_size, sizeof(**s->fft_temp));
 153         if (!s->fft_temp[ch])
 154             return AVERROR(ENOMEM);
 155     }
 156
 157     s->real = av_calloc(inlink->channels, sizeof(*s->real));
 158     if (!s->real)
 159         return AVERROR(ENOMEM);
 160
 161     s->imag = av_calloc(inlink->channels, sizeof(*s->imag));
 162     if (!s->imag)
 163         return AVERROR(ENOMEM);
 164
 165     args = av_strdup(s->real_str);
 166     if (!args)
 167         return AVERROR(ENOMEM);
 168
 169     for (ch = 0; ch < inlink->channels; ch++) {
 170         char *arg = av_strtok(ch == 0 ? args : NULL, "|", &saveptr);
 171
 172         ret = av_expr_parse(&s->real[ch], arg ? arg : last_expr, var_names,
 173                             NULL, NULL, func2_names, func2, 0, ctx);
 174         if (ret < 0)
 175             break;
 176         if (arg)
 177             last_expr = arg;
 178         s->nb_exprs++;
 179     }
 180
 181     av_free(args);
 182
 183     args = av_strdup(s->img_str ? s->img_str : s->real_str);
 184     if (!args)
 185         return AVERROR(ENOMEM);
 186
 187     for (ch = 0; ch < inlink->channels; ch++) {
 188         char *arg = av_strtok(ch == 0 ? args : NULL, "|", &saveptr);
 189
 190         ret = av_expr_parse(&s->imag[ch], arg ? arg : last_expr, var_names,
 191                             NULL, NULL, func2_names, func2, 0, ctx);
 192         if (ret < 0)
 193             break;
 194         if (arg)
 195             last_expr = arg;
 196     }
 197
 198     av_free(args);
 199
 200     s->fifo = av_audio_fifo_alloc(inlink->format, inlink->channels, s->window_size);
 201     if (!s->fifo)
 202         return AVERROR(ENOMEM);
 203
 204     s->window_func_lut = av_realloc_f(s->window_func_lut, s->window_size,
 205                                       sizeof(*s->window_func_lut));
 206     if (!s->window_func_lut)
 207         return AVERROR(ENOMEM);
 208     generate_window_func(s->window_func_lut, s->window_size, s->win_func, &overlap);
 209     if (s->overlap == 1)
 210         s->overlap = overlap;
 211
 212     for (s->win_scale = 0, i = 0; i < s->window_size; i++) {
 213         s->win_scale += s->window_func_lut[i] * s->window_func_lut[i];
 214     }
 215
 216     s->hop_size = s->window_size * (1 - s->overlap);
 217     if (s->hop_size <= 0)
 218         return AVERROR(EINVAL);
 219
 220     s->buffer = ff_get_audio_buffer(inlink, s->window_size * 2);
 221     if (!s->buffer)
 222         return AVERROR(ENOMEM);
 223
 224     return ret;
 225 }
 226
 227 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *frame)
 228 {
 229     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 230     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 231     AFFTFiltContext *s = ctx->priv;
 232     const int window_size = s->window_size;
 233     const float f = 1. / s->win_scale;
 234     double values[VAR_VARS_NB];
 235     AVFrame *out, *in = NULL;
 236     int ch, n, ret, i, j, k;
 237     int start = s->start, end = s->end;
 238
 239     ret = av_audio_fifo_write(s->fifo, (void **)frame->extended_data, frame->nb_samples);
 240     av_frame_free(&frame);
 241     if (ret < 0)
 242         return ret;
 243
 244     while (av_audio_fifo_size(s->fifo) >= window_size) {
 245         if (!in) {
 246             in = ff_get_audio_buffer(outlink, window_size);
 247             if (!in)
 248                 return AVERROR(ENOMEM);
 249         }
 250
 251         ret = av_audio_fifo_peek(s->fifo, (void **)in->extended_data, window_size);
 252         if (ret < 0)
 253             break;
 254
 255         for (ch = 0; ch < inlink->channels; ch++) {
 256             const float *src = (float *)in->extended_data[ch];
 257             FFTComplex *fft_data = s->fft_data[ch];
 258
 259             for (n = 0; n < in->nb_samples; n++) {
 260                 fft_data[n].re = src[n] * s->window_func_lut[n];
 261                 fft_data[n].im = 0;
 262             }
 263
 264             for (; n < window_size; n++) {
 265                 fft_data[n].re = 0;
 266                 fft_data[n].im = 0;
 267             }
 268         }
 269
 270         values[VAR_PTS]         = s->pts;
 271         values[VAR_SAMPLE_RATE] = inlink->sample_rate;
 272         values[VAR_NBBINS]      = window_size / 2;
 273         values[VAR_CHANNELS]    = inlink->channels;
 274
 275         for (ch = 0; ch < inlink->channels; ch++) {
 276             FFTComplex *fft_data = s->fft_data[ch];
 277             FFTComplex *fft_temp = s->fft_temp[ch];
 278             float *buf = (float *)s->buffer->extended_data[ch];
 279             int x;
 280
 281             values[VAR_CHANNEL] = ch;
 282
 283             av_fft_permute(s->fft, fft_data);
 284             av_fft_calc(s->fft, fft_data);
 285
 286             for (n = 0; n <= window_size / 2; n++) {
 287                 float fr, fi;
 288
 289                 values[VAR_BIN] = n;
 290                 values[VAR_REAL] = fft_data[n].re;
 291                 values[VAR_IMAG] = fft_data[n].im;
 292
 293                 fr = av_expr_eval(s->real[ch], values, s);
 294                 fi = av_expr_eval(s->imag[ch], values, s);
 295
 296                 fft_temp[n].re = fr;
 297                 fft_temp[n].im = fi;
 298             }
 299
 300             for (n = window_size / 2 + 1, x = window_size / 2 - 1; n < window_size; n++, x--) {
 301                 fft_temp[n].re =  fft_temp[x].re;
 302                 fft_temp[n].im = -fft_temp[x].im;
 303             }
 304
 305             av_fft_permute(s->ifft, fft_temp);
 306             av_fft_calc(s->ifft, fft_temp);
 307
 308             start = s->start;
 309             end = s->end;
 310             k = end;
 311             for (i = 0, j = start; j < k && i < window_size; i++, j++) {
 312                 buf[j] += s->fft_temp[ch][i].re * f;
 313             }
 314
 315             for (; i < window_size; i++, j++) {
 316                 buf[j] = s->fft_temp[ch][i].re * f;
 317             }
 318
 319             start += s->hop_size;
 320             end = j;
 321         }
 322
 323         s->start = start;
 324         s->end = end;
 325
 326         if (start >= window_size) {
 327             float *dst, *buf;
 328
 329             start -= window_size;
 330             end   -= window_size;
 331
 332             s->start = start;
 333             s->end = end;
 334
 335             out = ff_get_audio_buffer(outlink, window_size);
 336             if (!out) {
 337                 ret = AVERROR(ENOMEM);
 338                 break;
 339             }
 340
 341             out->pts = s->pts;
 342             s->pts += window_size;
 343
 344             for (ch = 0; ch < inlink->channels; ch++) {
 345                 dst = (float *)out->extended_data[ch];
 346                 buf = (float *)s->buffer->extended_data[ch];
 347
 348                 for (n = 0; n < window_size; n++) {
 349                     dst[n] = buf[n] * (1 - s->overlap);
 350                 }
 351                 memmove(buf, buf + window_size, window_size * 4);
 352             }
 353
 354             ret = ff_filter_frame(outlink, out);
 355             if (ret < 0)
 356                 break;
 357         }
 358
 359         av_audio_fifo_drain(s->fifo, s->hop_size);
 360     }
 361
 362     av_frame_free(&in);
 363     return ret < 0 ? ret : 0;
 364 }
 365
 366 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
 367 {
 368     AVFilterFormats *formats;
 369     AVFilterChannelLayouts *layouts;
 370     static const enum AVSampleFormat sample_fmts[] = {
 371         AV_SAMPLE_FMT_FLTP,
 372         AV_SAMPLE_FMT_NONE
 373     };
 374     int ret;
 375
 376     layouts = ff_all_channel_counts();
 377     if (!layouts)
 378         return AVERROR(ENOMEM);
 379     ret = ff_set_common_channel_layouts(ctx, layouts);
 380     if (ret < 0)
 381         return ret;
 382
 383     formats = ff_make_format_list(sample_fmts);
 384     if (!formats)
 385         return AVERROR(ENOMEM);
 386     ret = ff_set_common_formats(ctx, formats);
 387     if (ret < 0)
 388         return ret;
 389
 390     formats = ff_all_samplerates();
 391     if (!formats)
 392         return AVERROR(ENOMEM);
 393     return ff_set_common_samplerates(ctx, formats);
 394 }
 395
 396 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 397 {
 398     AFFTFiltContext *s = ctx->priv;
 399     int i;
 400
 401     av_fft_end(s->fft);
 402     av_fft_end(s->ifft);
 403
 404     for (i = 0; i < s->nb_exprs; i++) {
 405         if (s->fft_data)
 406             av_freep(&s->fft_data[i]);
 407         if (s->fft_temp)
 408             av_freep(&s->fft_temp[i]);
 409     }
 410     av_freep(&s->fft_data);
 411     av_freep(&s->fft_temp);
 412
 413     for (i = 0; i < s->nb_exprs; i++) {
 414         av_expr_free(s->real[i]);
 415         av_expr_free(s->imag[i]);
 416     }
 417
 418     av_freep(&s->real);
 419     av_freep(&s->imag);
 420     av_frame_free(&s->buffer);
 421     av_freep(&s->window_func_lut);
 422
 423     av_audio_fifo_free(s->fifo);
 424 }
 425
 426 static const AVFilterPad inputs[] = {
 427     {
 428         .name         = "default",
 429         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 430         .config_props = config_input,
 431         .filter_frame = filter_frame,
 432     },
 433     { NULL }
 434 };
 435
 436 static const AVFilterPad outputs[] = {
 437     {
 438         .name = "default",
 439         .type = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 440     },
 441     { NULL }
 442 };
 443
 444 AVFilter ff_af_afftfilt = {
 445     .name            = "afftfilt",
 446     .description     = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Apply arbitrary expressions to samples in frequency domain."),
 447     .priv_size       = sizeof(AFFTFiltContext),
 448     .priv_class      = &afftfilt_class,
 449     .inputs          = inputs,
 450     .outputs         = outputs,
 451     .query_formats   = query_formats,
 452     .uninit          = uninit,
 453 };