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

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2019 Paul B Mahol
   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 <float.h>
  22
  23 #include "libavutil/avassert.h"
  24 #include "libavutil/audio_fifo.h"
  25 #include "libavutil/opt.h"
  26 #include "avfilter.h"
  27 #include "audio.h"
  28 #include "formats.h"
  29
  30 #include "af_anlmdndsp.h"
  31
  32 #define MAX_DIFF         11.f
  33 #define WEIGHT_LUT_NBITS 20
  34 #define WEIGHT_LUT_SIZE  (1<<WEIGHT_LUT_NBITS)
  35
  36 #define SQR(x) ((x) * (x))
  37
  38 typedef struct AudioNLMeansContext {
  39     const AVClass *class;
  40
  41     float a;
  42     int64_t pd;
  43     int64_t rd;
  44
  45     float pdiff_lut_scale;
  46     float weight_lut[WEIGHT_LUT_SIZE];
  47
  48     int K;
  49     int S;
  50     int N;
  51     int H;
  52
  53     int offset;
  54     AVFrame *in;
  55     AVFrame *cache;
  56
  57     int64_t pts;
  58
  59     AVAudioFifo *fifo;
  60
  61     AudioNLMDNDSPContext dsp;
  62 } AudioNLMeansContext;
  63
  64 #define OFFSET(x) offsetof(AudioNLMeansContext, x)
  65 #define AF AV_OPT_FLAG_AUDIO_PARAM|AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM
  66
  67 static const AVOption anlmdn_options[] = {
  68     { "s", "set denoising strength", OFFSET(a),  AV_OPT_TYPE_FLOAT,    {.dbl=1},       1,   9999, AF },
  69     { "p", "set patch duration",     OFFSET(pd), AV_OPT_TYPE_DURATION, {.i64=2000}, 1000, 100000, AF },
  70     { "r", "set research duration",  OFFSET(rd), AV_OPT_TYPE_DURATION, {.i64=6000}, 2000, 300000, AF },
  71     { NULL }
  72 };
  73
  74 AVFILTER_DEFINE_CLASS(anlmdn);
  75
  76 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
  77 {
  78     AVFilterFormats *formats = NULL;
  79     AVFilterChannelLayouts *layouts = NULL;
  80     static const enum AVSampleFormat sample_fmts[] = {
  81         AV_SAMPLE_FMT_FLTP,
  82         AV_SAMPLE_FMT_NONE
  83     };
  84     int ret;
  85
  86     formats = ff_make_format_list(sample_fmts);
  87     if (!formats)
  88         return AVERROR(ENOMEM);
  89     ret = ff_set_common_formats(ctx, formats);
  90     if (ret < 0)
  91         return ret;
  92
  93     layouts = ff_all_channel_counts();
  94     if (!layouts)
  95         return AVERROR(ENOMEM);
  96
  97     ret = ff_set_common_channel_layouts(ctx, layouts);
  98     if (ret < 0)
  99         return ret;
 100
 101     formats = ff_all_samplerates();
 102     return ff_set_common_samplerates(ctx, formats);
 103 }
 104
 105 static float compute_distance_ssd_c(const float *f1, const float *f2, ptrdiff_t K)
 106 {
 107     float distance = 0.;
 108
 109     for (int k = -K; k <= K; k++)
 110         distance += SQR(f1[k] - f2[k]);
 111
 112     return distance;
 113 }
 114
 115 static void compute_cache_c(float *cache, const float *f,
 116                             ptrdiff_t S, ptrdiff_t K,
 117                             ptrdiff_t i, ptrdiff_t jj)
 118 {
 119     int v = 0;
 120
 121     for (int j = jj; j < jj + S; j++, v++)
 122         cache[v] += -SQR(f[i - K - 1] - f[j - K - 1]) + SQR(f[i + K] - f[j + K]);
 123 }
 124
 125 void ff_anlmdn_init(AudioNLMDNDSPContext *dsp)
 126 {
 127     dsp->compute_distance_ssd = compute_distance_ssd_c;
 128     dsp->compute_cache        = compute_cache_c;
 129
 130     if (ARCH_X86)
 131         ff_anlmdn_init_x86(dsp);
 132 }
 133
 134 static int config_output(AVFilterLink *outlink)
 135 {
 136     AVFilterContext *ctx = outlink->src;
 137     AudioNLMeansContext *s = ctx->priv;
 138
 139     s->K = av_rescale(s->pd, outlink->sample_rate, AV_TIME_BASE);
 140     s->S = av_rescale(s->rd, outlink->sample_rate, AV_TIME_BASE);
 141
 142     s->pts = AV_NOPTS_VALUE;
 143     s->H = s->K * 2 + 1;
 144     s->N = s->H + (s->K + s->S) * 2;
 145
 146     av_frame_free(&s->in);
 147     av_frame_free(&s->cache);
 148     s->in = ff_get_audio_buffer(outlink, s->N);
 149     if (!s->in)
 150         return AVERROR(ENOMEM);
 151
 152     s->cache = ff_get_audio_buffer(outlink, s->S * 2);
 153     if (!s->cache)
 154         return AVERROR(ENOMEM);
 155
 156     s->fifo = av_audio_fifo_alloc(outlink->format, outlink->channels, s->N);
 157     if (!s->fifo)
 158         return AVERROR(ENOMEM);
 159
 160     s->pdiff_lut_scale = 1.f / MAX_DIFF * WEIGHT_LUT_SIZE;
 161     for (int i = 0; i < WEIGHT_LUT_SIZE; i++) {
 162         float w = -i / s->pdiff_lut_scale;
 163
 164         s->weight_lut[i] = expf(w);
 165     }
 166
 167     ff_anlmdn_init(&s->dsp);
 168
 169     return 0;
 170 }
 171
 172 static int filter_channel(AVFilterContext *ctx, void *arg, int ch, int nb_jobs)
 173 {
 174     AudioNLMeansContext *s = ctx->priv;
 175     AVFrame *out = arg;
 176     const int S = s->S;
 177     const int K = s->K;
 178     const float *f = (const float *)(s->in->extended_data[ch]) + K;
 179     float *cache = (float *)s->cache->extended_data[ch];
 180     const float sw = 32768.f / s->a;
 181     float *dst = (float *)out->extended_data[ch] + s->offset;
 182
 183     for (int i = S; i < s->H + S; i++) {
 184         float P = 0.f, Q = 0.f;
 185         int v = 0;
 186
 187         if (i == S) {
 188             for (int j = i - S; j <= i + S; j++) {
 189                 if (i == j)
 190                     continue;
 191                 cache[v++] = s->dsp.compute_distance_ssd(f + i, f + j, K);
 192             }
 193         } else {
 194             s->dsp.compute_cache(cache, f, S, K, i, i - S);
 195             s->dsp.compute_cache(cache + S, f, S, K, i, i + 1);
 196         }
 197
 198         for (int j = 0; j < 2 * S; j++) {
 199             const float distance = cache[j];
 200             unsigned weight_lut_idx;
 201             float w;
 202
 203             av_assert2(distance >= 0.f);
 204             w = distance * sw;
 205             if (w >= MAX_DIFF)
 206                 continue;
 207             weight_lut_idx = w * s->pdiff_lut_scale;
 208             av_assert2(weight_lut_idx < WEIGHT_LUT_SIZE);
 209             w = s->weight_lut[weight_lut_idx];
 210             P += w * f[i - S + j + (j >= S)];
 211             Q += w;
 212         }
 213
 214         P += f[i];
 215         Q += 1;
 216
 217         dst[i - S] = P / Q;
 218     }
 219
 220     return 0;
 221 }
 222
 223 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *in)
 224 {
 225     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 226     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 227     AudioNLMeansContext *s = ctx->priv;
 228     AVFrame *out = NULL;
 229     int available, wanted, ret;
 230
 231     if (s->pts == AV_NOPTS_VALUE)
 232         s->pts = in->pts;
 233
 234     ret = av_audio_fifo_write(s->fifo, (void **)in->extended_data,
 235                               in->nb_samples);
 236     av_frame_free(&in);
 237
 238     s->offset = 0;
 239     available = av_audio_fifo_size(s->fifo);
 240     wanted = (available / s->H) * s->H;
 241
 242     if (wanted >= s->H && available >= s->N) {
 243         out = ff_get_audio_buffer(outlink, wanted);
 244         if (!out)
 245             return AVERROR(ENOMEM);
 246     }
 247
 248     while (available >= s->N) {
 249         ret = av_audio_fifo_peek(s->fifo, (void **)s->in->extended_data, s->N);
 250         if (ret < 0)
 251             break;
 252
 253         ctx->internal->execute(ctx, filter_channel, out, NULL, inlink->channels);
 254
 255         av_audio_fifo_drain(s->fifo, s->H);
 256
 257         s->offset += s->H;
 258         available -= s->H;
 259     }
 260
 261     if (out) {
 262         out->pts = s->pts;
 263         out->nb_samples = s->offset;
 264         s->pts += s->offset;
 265
 266         return ff_filter_frame(outlink, out);
 267     }
 268
 269     return ret;
 270 }
 271
 272 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 273 {
 274     AudioNLMeansContext *s = ctx->priv;
 275
 276     av_audio_fifo_free(s->fifo);
 277     av_frame_free(&s->in);
 278     av_frame_free(&s->cache);
 279 }
 280
 281 static const AVFilterPad inputs[] = {
 282     {
 283         .name         = "default",
 284         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 285         .filter_frame = filter_frame,
 286     },
 287     { NULL }
 288 };
 289
 290 static const AVFilterPad outputs[] = {
 291     {
 292         .name          = "default",
 293         .type          = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 294         .config_props  = config_output,
 295     },
 296     { NULL }
 297 };
 298
 299 AVFilter ff_af_anlmdn = {
 300     .name          = "anlmdn",
 301     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Reduce broadband noise from stream using Non-Local Means."),
 302     .query_formats = query_formats,
 303     .priv_size     = sizeof(AudioNLMeansContext),
 304     .priv_class    = &anlmdn_class,
 305     .uninit        = uninit,
 306     .inputs        = inputs,
 307     .outputs       = outputs,
 308     .flags         = AVFILTER_FLAG_SLICE_THREADS,
 309 };