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

   1 /*
   2  * Copyright (c) Paul B Mahol
   3  * Copyright (c) Laurent de Soras, 2005
   4  *
   5  * This file is part of FFmpeg.
   6  *
   7  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
   8  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
   9  * License as published by the Free Software Foundation; either
  10  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  11  *
  12  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
  13  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  14  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  15  * Lesser General Public License for more details.
  16  *
  17  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  18  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
  19  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  20  */
  21
  22 #include "libavutil/channel_layout.h"
  23 #include "libavutil/ffmath.h"
  24 #include "libavutil/opt.h"
  25 #include "avfilter.h"
  26 #include "audio.h"
  27 #include "formats.h"
  28
  29 #define NB_COEFS 16
  30
  31 typedef struct AFreqShift {
  32     const AVClass *class;
  33
  34     double shift;
  35     double level;
  36
  37     double cd[NB_COEFS];
  38     float cf[NB_COEFS];
  39
  40     int64_t in_samples;
  41
  42     AVFrame *i1, *o1;
  43     AVFrame *i2, *o2;
  44
  45     void (*filter_channel)(AVFilterContext *ctx,
  46                            int channel,
  47                            AVFrame *in, AVFrame *out);
  48 } AFreqShift;
  49
  50 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
  51 {
  52     AVFilterFormats *formats = NULL;
  53     AVFilterChannelLayouts *layouts = NULL;
  54     static const enum AVSampleFormat sample_fmts[] = {
  55         AV_SAMPLE_FMT_FLTP,
  56         AV_SAMPLE_FMT_DBLP,
  57         AV_SAMPLE_FMT_NONE
  58     };
  59     int ret;
  60
  61     formats = ff_make_format_list(sample_fmts);
  62     if (!formats)
  63         return AVERROR(ENOMEM);
  64     ret = ff_set_common_formats(ctx, formats);
  65     if (ret < 0)
  66         return ret;
  67
  68     layouts = ff_all_channel_counts();
  69     if (!layouts)
  70         return AVERROR(ENOMEM);
  71
  72     ret = ff_set_common_channel_layouts(ctx, layouts);
  73     if (ret < 0)
  74         return ret;
  75
  76     formats = ff_all_samplerates();
  77     return ff_set_common_samplerates(ctx, formats);
  78 }
  79
  80 #define PFILTER(name, type, sin, cos, cc)                     \
  81 static void pfilter_channel_## name(AVFilterContext *ctx,     \
  82                             int ch,                           \
  83                             AVFrame *in, AVFrame *out)        \
  84 {                                                             \
  85     AFreqShift *s = ctx->priv;                                \
  86     const int nb_samples = in->nb_samples;                    \
  87     const type *src = (const type *)in->extended_data[ch];    \
  88     type *dst = (type *)out->extended_data[ch];               \
  89     type *i1 = (type *)s->i1->extended_data[ch];              \
  90     type *o1 = (type *)s->o1->extended_data[ch];              \
  91     type *i2 = (type *)s->i2->extended_data[ch];              \
  92     type *o2 = (type *)s->o2->extended_data[ch];              \
  93     const type *c = s->cc;                                    \
  94     const type level = s->level;                              \
  95     type shift = s->shift * M_PI;                             \
  96     type cos_theta = cos(shift);                              \
  97     type sin_theta = sin(shift);                              \
  98                                                               \
  99     for (int n = 0; n < nb_samples; n++) {                    \
 100         type xn1 = src[n], xn2 = src[n];                      \
 101         type I, Q;                                            \
 102                                                               \
 103         for (int j = 0; j < NB_COEFS / 2; j++) {              \
 104             I = c[j] * (xn1 + o2[j]) - i2[j];                 \
 105             i2[j] = i1[j];                                    \
 106             i1[j] = xn1;                                      \
 107             o2[j] = o1[j];                                    \
 108             o1[j] = I;                                        \
 109             xn1 = I;                                          \
 110         }                                                     \
 111                                                               \
 112         for (int j = NB_COEFS / 2; j < NB_COEFS; j++) {       \
 113             Q = c[j] * (xn2 + o2[j]) - i2[j];                 \
 114             i2[j] = i1[j];                                    \
 115             i1[j] = xn2;                                      \
 116             o2[j] = o1[j];                                    \
 117             o1[j] = Q;                                        \
 118             xn2 = Q;                                          \
 119         }                                                     \
 120         Q = o2[NB_COEFS - 1];                                 \
 121                                                               \
 122         dst[n] = (I * cos_theta - Q * sin_theta) * level;     \
 123     }                                                         \
 124 }
 125
 126 PFILTER(flt, float, sin, cos, cf)
 127 PFILTER(dbl, double, sin, cos, cd)
 128
 129 #define FFILTER(name, type, sin, cos, fmod, cc)               \
 130 static void ffilter_channel_## name(AVFilterContext *ctx,     \
 131                             int ch,                           \
 132                             AVFrame *in, AVFrame *out)        \
 133 {                                                             \
 134     AFreqShift *s = ctx->priv;                                \
 135     const int nb_samples = in->nb_samples;                    \
 136     const type *src = (const type *)in->extended_data[ch];    \
 137     type *dst = (type *)out->extended_data[ch];               \
 138     type *i1 = (type *)s->i1->extended_data[ch];              \
 139     type *o1 = (type *)s->o1->extended_data[ch];              \
 140     type *i2 = (type *)s->i2->extended_data[ch];              \
 141     type *o2 = (type *)s->o2->extended_data[ch];              \
 142     const type *c = s->cc;                                    \
 143     const type level = s->level;                              \
 144     type ts = 1. / in->sample_rate;                           \
 145     type shift = s->shift;                                    \
 146     int64_t N = s->in_samples;                                \
 147                                                               \
 148     for (int n = 0; n < nb_samples; n++) {                    \
 149         type xn1 = src[n], xn2 = src[n];                      \
 150         type I, Q, theta;                                     \
 151                                                               \
 152         for (int j = 0; j < NB_COEFS / 2; j++) {              \
 153             I = c[j] * (xn1 + o2[j]) - i2[j];                 \
 154             i2[j] = i1[j];                                    \
 155             i1[j] = xn1;                                      \
 156             o2[j] = o1[j];                                    \
 157             o1[j] = I;                                        \
 158             xn1 = I;                                          \
 159         }                                                     \
 160                                                               \
 161         for (int j = NB_COEFS / 2; j < NB_COEFS; j++) {       \
 162             Q = c[j] * (xn2 + o2[j]) - i2[j];                 \
 163             i2[j] = i1[j];                                    \
 164             i1[j] = xn2;                                      \
 165             o2[j] = o1[j];                                    \
 166             o1[j] = Q;                                        \
 167             xn2 = Q;                                          \
 168         }                                                     \
 169         Q = o2[NB_COEFS - 1];                                 \
 170                                                               \
 171         theta = 2. * M_PI * fmod(shift * (N + n) * ts, 1.);   \
 172         dst[n] = (I * cos(theta) - Q * sin(theta)) * level;   \
 173     }                                                         \
 174 }
 175
 176 FFILTER(flt, float, sinf, cosf, fmodf, cf)
 177 FFILTER(dbl, double, sin, cos, fmod, cd)
 178
 179 static void compute_transition_param(double *K, double *Q, double transition)
 180 {
 181     double kksqrt, e, e2, e4, k, q;
 182
 183     k  = tan((1. - transition * 2.) * M_PI / 4.);
 184     k *= k;
 185     kksqrt = pow(1 - k * k, 0.25);
 186     e = 0.5 * (1. - kksqrt) / (1. + kksqrt);
 187     e2 = e * e;
 188     e4 = e2 * e2;
 189     q = e * (1. + e4 * (2. + e4 * (15. + 150. * e4)));
 190
 191     *Q = q;
 192     *K = k;
 193 }
 194
 195 static double ipowp(double x, int64_t n)
 196 {
 197     double z = 1.;
 198
 199     while (n != 0) {
 200         if (n & 1)
 201             z *= x;
 202         n >>= 1;
 203         x *= x;
 204     }
 205
 206     return z;
 207 }
 208
 209 static double compute_acc_num(double q, int order, int c)
 210 {
 211     int64_t i = 0;
 212     int j = 1;
 213     double acc = 0.;
 214     double q_ii1;
 215
 216     do {
 217         q_ii1  = ipowp(q, i * (i + 1));
 218         q_ii1 *= sin((i * 2 + 1) * c * M_PI / order) * j;
 219         acc   += q_ii1;
 220
 221         j = -j;
 222         i++;
 223     } while (fabs(q_ii1) > 1e-100);
 224
 225     return acc;
 226 }
 227
 228 static double compute_acc_den(double q, int order, int c)
 229 {
 230     int64_t i = 1;
 231     int j = -1;
 232     double acc = 0.;
 233     double q_i2;
 234
 235     do {
 236         q_i2  = ipowp(q, i * i);
 237         q_i2 *= cos(i * 2 * c * M_PI / order) * j;
 238         acc  += q_i2;
 239
 240         j = -j;
 241         i++;
 242     } while (fabs(q_i2) > 1e-100);
 243
 244     return acc;
 245 }
 246
 247 static double compute_coef(int index, double k, double q, int order)
 248 {
 249     const int    c    = index + 1;
 250     const double num  = compute_acc_num(q, order, c) * pow(q, 0.25);
 251     const double den  = compute_acc_den(q, order, c) + 0.5;
 252     const double ww   = num / den;
 253     const double wwsq = ww * ww;
 254
 255     const double x    = sqrt((1 - wwsq * k) * (1 - wwsq / k)) / (1 + wwsq);
 256     const double coef = (1 - x) / (1 + x);
 257
 258     return coef;
 259 }
 260
 261 static void compute_coefs(double *coef_arrd, float *coef_arrf, int nbr_coefs, double transition)
 262 {
 263     const int order = nbr_coefs * 2 + 1;
 264     double k, q;
 265
 266     compute_transition_param(&k, &q, transition);
 267
 268     for (int n = 0; n < nbr_coefs; n++) {
 269         const int idx = (n / 2) + (n & 1) * nbr_coefs / 2;
 270
 271         coef_arrd[idx] = compute_coef(n, k, q, order);
 272         coef_arrf[idx] = coef_arrd[idx];
 273     }
 274 }
 275
 276 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
 277 {
 278     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 279     AFreqShift *s = ctx->priv;
 280
 281     compute_coefs(s->cd, s->cf, NB_COEFS, 2. * 20. / inlink->sample_rate);
 282
 283     s->i1 = ff_get_audio_buffer(inlink, NB_COEFS);
 284     s->o1 = ff_get_audio_buffer(inlink, NB_COEFS);
 285     s->i2 = ff_get_audio_buffer(inlink, NB_COEFS);
 286     s->o2 = ff_get_audio_buffer(inlink, NB_COEFS);
 287     if (!s->i1 || !s->o1 || !s->i2 || !s->o2)
 288         return AVERROR(ENOMEM);
 289
 290     if (inlink->format == AV_SAMPLE_FMT_DBLP) {
 291         if (!strcmp(ctx->filter->name, "afreqshift"))
 292             s->filter_channel = ffilter_channel_dbl;
 293         else
 294             s->filter_channel = pfilter_channel_dbl;
 295     } else {
 296         if (!strcmp(ctx->filter->name, "afreqshift"))
 297             s->filter_channel = ffilter_channel_flt;
 298         else
 299             s->filter_channel = pfilter_channel_flt;
 300     }
 301
 302     return 0;
 303 }
 304
 305 typedef struct ThreadData {
 306     AVFrame *in, *out;
 307 } ThreadData;
 308
 309 static int filter_channels(AVFilterContext *ctx, void *arg, int jobnr, int nb_jobs)
 310 {
 311     AFreqShift *s = ctx->priv;
 312     ThreadData *td = arg;
 313     AVFrame *out = td->out;
 314     AVFrame *in = td->in;
 315     const int start = (in->channels * jobnr) / nb_jobs;
 316     const int end = (in->channels * (jobnr+1)) / nb_jobs;
 317
 318     for (int ch = start; ch < end; ch++)
 319         s->filter_channel(ctx, ch, in, out);
 320
 321     return 0;
 322 }
 323
 324 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *in)
 325 {
 326     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 327     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 328     AFreqShift *s = ctx->priv;
 329     AVFrame *out;
 330     ThreadData td;
 331
 332     if (av_frame_is_writable(in)) {
 333         out = in;
 334     } else {
 335         out = ff_get_audio_buffer(outlink, in->nb_samples);
 336         if (!out) {
 337             av_frame_free(&in);
 338             return AVERROR(ENOMEM);
 339         }
 340         av_frame_copy_props(out, in);
 341     }
 342
 343     td.in = in; td.out = out;
 344     ctx->internal->execute(ctx, filter_channels, &td, NULL, FFMIN(inlink->channels,
 345                                                             ff_filter_get_nb_threads(ctx)));
 346
 347     s->in_samples += in->nb_samples;
 348
 349     if (out != in)
 350         av_frame_free(&in);
 351     return ff_filter_frame(outlink, out);
 352 }
 353
 354 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 355 {
 356     AFreqShift *s = ctx->priv;
 357
 358     av_frame_free(&s->i1);
 359     av_frame_free(&s->o1);
 360     av_frame_free(&s->i2);
 361     av_frame_free(&s->o2);
 362 }
 363
 364 #define OFFSET(x) offsetof(AFreqShift, x)
 365 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_AUDIO_PARAM|AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM|AV_OPT_FLAG_RUNTIME_PARAM
 366
 367 static const AVOption afreqshift_options[] = {
 368     { "shift", "set frequency shift", OFFSET(shift), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=0}, -INT_MAX, INT_MAX, FLAGS },
 369     { "level", "set output level",    OFFSET(level), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=1},      0.0,     1.0, FLAGS },
 370     { NULL }
 371 };
 372
 373 AVFILTER_DEFINE_CLASS(afreqshift);
 374
 375 static const AVFilterPad inputs[] = {
 376     {
 377         .name         = "default",
 378         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 379         .filter_frame = filter_frame,
 380         .config_props = config_input,
 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 const AVFilter ff_af_afreqshift = {
 394     .name            = "afreqshift",
 395     .description     = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Apply frequency shifting to input audio."),
 396     .query_formats   = query_formats,
 397     .priv_size       = sizeof(AFreqShift),
 398     .priv_class      = &afreqshift_class,
 399     .uninit          = uninit,
 400     .inputs          = inputs,
 401     .outputs         = outputs,
 402     .process_command = ff_filter_process_command,
 403     .flags           = AVFILTER_FLAG_SUPPORT_TIMELINE_GENERIC |
 404                        AVFILTER_FLAG_SLICE_THREADS,
 405 };
 406
 407 static const AVOption aphaseshift_options[] = {
 408     { "shift", "set phase shift", OFFSET(shift), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=0}, -1.0, 1.0, FLAGS },
 409     { "level", "set output level",OFFSET(level), AV_OPT_TYPE_DOUBLE, {.dbl=1},  0.0, 1.0, FLAGS },
 410     { NULL }
 411 };
 412
 413 AVFILTER_DEFINE_CLASS(aphaseshift);
 414
 415 const AVFilter ff_af_aphaseshift = {
 416     .name            = "aphaseshift",
 417     .description     = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Apply phase shifting to input audio."),
 418     .query_formats   = query_formats,
 419     .priv_size       = sizeof(AFreqShift),
 420     .priv_class      = &aphaseshift_class,
 421     .uninit          = uninit,
 422     .inputs          = inputs,
 423     .outputs         = outputs,
 424     .process_command = ff_filter_process_command,
 425     .flags           = AVFILTER_FLAG_SUPPORT_TIMELINE_GENERIC |
 426                        AVFILTER_FLAG_SLICE_THREADS,
 427 };