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     int eof_left;
  61
  62     AudioNLMDNDSPContext dsp;
  63 } AudioNLMeansContext;
  64
  65 #define OFFSET(x) offsetof(AudioNLMeansContext, x)
  66 #define AF AV_OPT_FLAG_AUDIO_PARAM|AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM
  67
  68 static const AVOption anlmdn_options[] = {
  69     { "s", "set denoising strength", OFFSET(a),  AV_OPT_TYPE_FLOAT,    {.dbl=0.00001},0.00001, 10, AF },
  70     { "p", "set patch duration",     OFFSET(pd), AV_OPT_TYPE_DURATION, {.i64=2000}, 1000, 100000, AF },
  71     { "r", "set research duration",  OFFSET(rd), AV_OPT_TYPE_DURATION, {.i64=6000}, 2000, 300000, AF },
  72     { NULL }
  73 };
  74
  75 AVFILTER_DEFINE_CLASS(anlmdn);
  76
  77 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
  78 {
  79     AVFilterFormats *formats = NULL;
  80     AVFilterChannelLayouts *layouts = NULL;
  81     static const enum AVSampleFormat sample_fmts[] = {
  82         AV_SAMPLE_FMT_FLTP,
  83         AV_SAMPLE_FMT_NONE
  84     };
  85     int ret;
  86
  87     formats = ff_make_format_list(sample_fmts);
  88     if (!formats)
  89         return AVERROR(ENOMEM);
  90     ret = ff_set_common_formats(ctx, formats);
  91     if (ret < 0)
  92         return ret;
  93
  94     layouts = ff_all_channel_counts();
  95     if (!layouts)
  96         return AVERROR(ENOMEM);
  97
  98     ret = ff_set_common_channel_layouts(ctx, layouts);
  99     if (ret < 0)
 100         return ret;
 101
 102     formats = ff_all_samplerates();
 103     return ff_set_common_samplerates(ctx, formats);
 104 }
 105
 106 static float compute_distance_ssd_c(const float *f1, const float *f2, ptrdiff_t K)
 107 {
 108     float distance = 0.;
 109
 110     for (int k = -K; k <= K; k++)
 111         distance += SQR(f1[k] - f2[k]);
 112
 113     return distance;
 114 }
 115
 116 static void compute_cache_c(float *cache, const float *f,
 117                             ptrdiff_t S, ptrdiff_t K,
 118                             ptrdiff_t i, ptrdiff_t jj)
 119 {
 120     int v = 0;
 121
 122     for (int j = jj; j < jj + S; j++, v++)
 123         cache[v] += -SQR(f[i - K - 1] - f[j - K - 1]) + SQR(f[i + K] - f[j + K]);
 124 }
 125
 126 void ff_anlmdn_init(AudioNLMDNDSPContext *dsp)
 127 {
 128     dsp->compute_distance_ssd = compute_distance_ssd_c;
 129     dsp->compute_cache        = compute_cache_c;
 130
 131     if (ARCH_X86)
 132         ff_anlmdn_init_x86(dsp);
 133 }
 134
 135 static int config_output(AVFilterLink *outlink)
 136 {
 137     AVFilterContext *ctx = outlink->src;
 138     AudioNLMeansContext *s = ctx->priv;
 139     int ret;
 140
 141     s->K = av_rescale(s->pd, outlink->sample_rate, AV_TIME_BASE);
 142     s->S = av_rescale(s->rd, outlink->sample_rate, AV_TIME_BASE);
 143
 144     s->eof_left = -1;
 145     s->pts = AV_NOPTS_VALUE;
 146     s->H = s->K * 2 + 1;
 147     s->N = s->H + (s->K + s->S) * 2;
 148
 149     av_log(ctx, AV_LOG_DEBUG, "K:%d S:%d H:%d N:%d\n", s->K, s->S, s->H, s->N);
 150
 151     av_frame_free(&s->in);
 152     av_frame_free(&s->cache);
 153     s->in = ff_get_audio_buffer(outlink, s->N);
 154     if (!s->in)
 155         return AVERROR(ENOMEM);
 156
 157     s->cache = ff_get_audio_buffer(outlink, s->S * 2);
 158     if (!s->cache)
 159         return AVERROR(ENOMEM);
 160
 161     s->fifo = av_audio_fifo_alloc(outlink->format, outlink->channels, s->N);
 162     if (!s->fifo)
 163         return AVERROR(ENOMEM);
 164
 165     ret = av_audio_fifo_write(s->fifo, (void **)s->in->extended_data, s->K + s->S);
 166     if (ret < 0)
 167         return ret;
 168
 169     s->pdiff_lut_scale = 1.f / MAX_DIFF * WEIGHT_LUT_SIZE;
 170     for (int i = 0; i < WEIGHT_LUT_SIZE; i++) {
 171         float w = -i / s->pdiff_lut_scale;
 172
 173         s->weight_lut[i] = expf(w);
 174     }
 175
 176     ff_anlmdn_init(&s->dsp);
 177
 178     return 0;
 179 }
 180
 181 static int filter_channel(AVFilterContext *ctx, void *arg, int ch, int nb_jobs)
 182 {
 183     AudioNLMeansContext *s = ctx->priv;
 184     AVFrame *out = arg;
 185     const int S = s->S;
 186     const int K = s->K;
 187     const float *f = (const float *)(s->in->extended_data[ch]) + K;
 188     float *cache = (float *)s->cache->extended_data[ch];
 189     const float sw = (65536.f / (4 * K + 2)) / sqrtf(s->a);
 190     float *dst = (float *)out->extended_data[ch] + s->offset;
 191
 192     for (int i = S; i < s->H + S; i++) {
 193         float P = 0.f, Q = 0.f;
 194         int v = 0;
 195
 196         if (i == S) {
 197             for (int j = i - S; j <= i + S; j++) {
 198                 if (i == j)
 199                     continue;
 200                 cache[v++] = s->dsp.compute_distance_ssd(f + i, f + j, K);
 201             }
 202         } else {
 203             s->dsp.compute_cache(cache, f, S, K, i, i - S);
 204             s->dsp.compute_cache(cache + S, f, S, K, i, i + 1);
 205         }
 206
 207         for (int j = 0; j < 2 * S && !ctx->is_disabled; j++) {
 208             const float distance = cache[j];
 209             unsigned weight_lut_idx;
 210             float w;
 211
 212             av_assert2(distance >= 0.f);
 213             w = distance * sw;
 214             if (w >= MAX_DIFF)
 215                 continue;
 216             weight_lut_idx = w * s->pdiff_lut_scale;
 217             av_assert2(weight_lut_idx < WEIGHT_LUT_SIZE);
 218             w = s->weight_lut[weight_lut_idx];
 219             P += w * f[i - S + j + (j >= S)];
 220             Q += w;
 221         }
 222
 223         P += f[i];
 224         Q += 1;
 225
 226         dst[i - S] = P / Q;
 227     }
 228
 229     return 0;
 230 }
 231
 232 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *in)
 233 {
 234     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 235     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 236     AudioNLMeansContext *s = ctx->priv;
 237     AVFrame *out = NULL;
 238     int available, wanted, ret;
 239
 240     if (s->pts == AV_NOPTS_VALUE)
 241         s->pts = in->pts;
 242
 243     ret = av_audio_fifo_write(s->fifo, (void **)in->extended_data,
 244                               in->nb_samples);
 245     av_frame_free(&in);
 246
 247     s->offset = 0;
 248     available = av_audio_fifo_size(s->fifo);
 249     wanted = (available / s->H) * s->H;
 250
 251     if (wanted >= s->H && available >= s->N) {
 252         out = ff_get_audio_buffer(outlink, wanted);
 253         if (!out)
 254             return AVERROR(ENOMEM);
 255     }
 256
 257     while (available >= s->N) {
 258         ret = av_audio_fifo_peek(s->fifo, (void **)s->in->extended_data, s->N);
 259         if (ret < 0)
 260             break;
 261
 262         ctx->internal->execute(ctx, filter_channel, out, NULL, inlink->channels);
 263
 264         av_audio_fifo_drain(s->fifo, s->H);
 265
 266         s->offset += s->H;
 267         available -= s->H;
 268     }
 269
 270     if (out) {
 271         out->pts = s->pts;
 272         out->nb_samples = s->offset;
 273         if (s->eof_left >= 0) {
 274             out->nb_samples = FFMIN(s->eof_left, s->offset);
 275             s->eof_left -= out->nb_samples;
 276         }
 277         s->pts += s->offset;
 278
 279         return ff_filter_frame(outlink, out);
 280     }
 281
 282     return ret;
 283 }
 284
 285 static int request_frame(AVFilterLink *outlink)
 286 {
 287     AVFilterContext *ctx = outlink->src;
 288     AudioNLMeansContext *s = ctx->priv;
 289     int ret;
 290
 291     ret = ff_request_frame(ctx->inputs[0]);
 292
 293     if (ret == AVERROR_EOF && s->eof_left != 0) {
 294         AVFrame *in;
 295
 296         if (s->eof_left < 0)
 297             s->eof_left = av_audio_fifo_size(s->fifo) - (s->S + s->K);
 298         if (s->eof_left < 0)
 299             return AVERROR_EOF;
 300         in = ff_get_audio_buffer(outlink, s->H);
 301         if (!in)
 302             return AVERROR(ENOMEM);
 303
 304         return filter_frame(ctx->inputs[0], in);
 305     }
 306
 307     return ret;
 308 }
 309
 310 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 311 {
 312     AudioNLMeansContext *s = ctx->priv;
 313
 314     av_audio_fifo_free(s->fifo);
 315     av_frame_free(&s->in);
 316     av_frame_free(&s->cache);
 317 }
 318
 319 static const AVFilterPad inputs[] = {
 320     {
 321         .name         = "default",
 322         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 323         .filter_frame = filter_frame,
 324     },
 325     { NULL }
 326 };
 327
 328 static const AVFilterPad outputs[] = {
 329     {
 330         .name          = "default",
 331         .type          = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 332         .config_props  = config_output,
 333         .request_frame = request_frame,
 334     },
 335     { NULL }
 336 };
 337
 338 AVFilter ff_af_anlmdn = {
 339     .name          = "anlmdn",
 340     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Reduce broadband noise from stream using Non-Local Means."),
 341     .query_formats = query_formats,
 342     .priv_size     = sizeof(AudioNLMeansContext),
 343     .priv_class    = &anlmdn_class,
 344     .uninit        = uninit,
 345     .inputs        = inputs,
 346     .outputs       = outputs,
 347     .flags         = AVFILTER_FLAG_SUPPORT_TIMELINE_INTERNAL |
 348                      AVFILTER_FLAG_SLICE_THREADS,
 349 };