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     int ret;
 139
 140     s->K = av_rescale(s->pd, outlink->sample_rate, AV_TIME_BASE);
 141     s->S = av_rescale(s->rd, outlink->sample_rate, AV_TIME_BASE);
 142
 143     s->pts = AV_NOPTS_VALUE;
 144     s->H = s->K * 2 + 1;
 145     s->N = s->H + (s->K + s->S) * 2;
 146
 147     av_log(ctx, AV_LOG_DEBUG, "K:%d S:%d H:%d N:%d\n", s->K, s->S, s->H, s->N);
 148
 149     av_frame_free(&s->in);
 150     av_frame_free(&s->cache);
 151     s->in = ff_get_audio_buffer(outlink, s->N);
 152     if (!s->in)
 153         return AVERROR(ENOMEM);
 154
 155     s->cache = ff_get_audio_buffer(outlink, s->S * 2);
 156     if (!s->cache)
 157         return AVERROR(ENOMEM);
 158
 159     s->fifo = av_audio_fifo_alloc(outlink->format, outlink->channels, s->N);
 160     if (!s->fifo)
 161         return AVERROR(ENOMEM);
 162
 163     ret = av_audio_fifo_write(s->fifo, (void **)s->in->extended_data, s->K + s->S);
 164     if (ret < 0)
 165         return ret;
 166
 167     s->pdiff_lut_scale = 1.f / MAX_DIFF * WEIGHT_LUT_SIZE;
 168     for (int i = 0; i < WEIGHT_LUT_SIZE; i++) {
 169         float w = -i / s->pdiff_lut_scale;
 170
 171         s->weight_lut[i] = expf(w);
 172     }
 173
 174     ff_anlmdn_init(&s->dsp);
 175
 176     return 0;
 177 }
 178
 179 static int filter_channel(AVFilterContext *ctx, void *arg, int ch, int nb_jobs)
 180 {
 181     AudioNLMeansContext *s = ctx->priv;
 182     AVFrame *out = arg;
 183     const int S = s->S;
 184     const int K = s->K;
 185     const float *f = (const float *)(s->in->extended_data[ch]) + K;
 186     float *cache = (float *)s->cache->extended_data[ch];
 187     const float sw = 32768.f / s->a;
 188     float *dst = (float *)out->extended_data[ch] + s->offset;
 189
 190     for (int i = S; i < s->H + S; i++) {
 191         float P = 0.f, Q = 0.f;
 192         int v = 0;
 193
 194         if (i == S) {
 195             for (int j = i - S; j <= i + S; j++) {
 196                 if (i == j)
 197                     continue;
 198                 cache[v++] = s->dsp.compute_distance_ssd(f + i, f + j, K);
 199             }
 200         } else {
 201             s->dsp.compute_cache(cache, f, S, K, i, i - S);
 202             s->dsp.compute_cache(cache + S, f, S, K, i, i + 1);
 203         }
 204
 205         for (int j = 0; j < 2 * S; j++) {
 206             const float distance = cache[j];
 207             unsigned weight_lut_idx;
 208             float w;
 209
 210             av_assert2(distance >= 0.f);
 211             w = distance * sw;
 212             if (w >= MAX_DIFF)
 213                 continue;
 214             weight_lut_idx = w * s->pdiff_lut_scale;
 215             av_assert2(weight_lut_idx < WEIGHT_LUT_SIZE);
 216             w = s->weight_lut[weight_lut_idx];
 217             P += w * f[i - S + j + (j >= S)];
 218             Q += w;
 219         }
 220
 221         P += f[i];
 222         Q += 1;
 223
 224         dst[i - S] = P / Q;
 225     }
 226
 227     return 0;
 228 }
 229
 230 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *in)
 231 {
 232     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 233     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 234     AudioNLMeansContext *s = ctx->priv;
 235     AVFrame *out = NULL;
 236     int available, wanted, ret;
 237
 238     if (s->pts == AV_NOPTS_VALUE)
 239         s->pts = in->pts;
 240
 241     ret = av_audio_fifo_write(s->fifo, (void **)in->extended_data,
 242                               in->nb_samples);
 243     av_frame_free(&in);
 244
 245     s->offset = 0;
 246     available = av_audio_fifo_size(s->fifo);
 247     wanted = (available / s->H) * s->H;
 248
 249     if (wanted >= s->H && available >= s->N) {
 250         out = ff_get_audio_buffer(outlink, wanted);
 251         if (!out)
 252             return AVERROR(ENOMEM);
 253     }
 254
 255     while (available >= s->N) {
 256         ret = av_audio_fifo_peek(s->fifo, (void **)s->in->extended_data, s->N);
 257         if (ret < 0)
 258             break;
 259
 260         ctx->internal->execute(ctx, filter_channel, out, NULL, inlink->channels);
 261
 262         av_audio_fifo_drain(s->fifo, s->H);
 263
 264         s->offset += s->H;
 265         available -= s->H;
 266     }
 267
 268     if (out) {
 269         out->pts = s->pts;
 270         out->nb_samples = s->offset;
 271         s->pts += s->offset;
 272
 273         return ff_filter_frame(outlink, out);
 274     }
 275
 276     return ret;
 277 }
 278
 279 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 280 {
 281     AudioNLMeansContext *s = ctx->priv;
 282
 283     av_audio_fifo_free(s->fifo);
 284     av_frame_free(&s->in);
 285     av_frame_free(&s->cache);
 286 }
 287
 288 static const AVFilterPad inputs[] = {
 289     {
 290         .name         = "default",
 291         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 292         .filter_frame = filter_frame,
 293     },
 294     { NULL }
 295 };
 296
 297 static const AVFilterPad outputs[] = {
 298     {
 299         .name          = "default",
 300         .type          = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 301         .config_props  = config_output,
 302     },
 303     { NULL }
 304 };
 305
 306 AVFilter ff_af_anlmdn = {
 307     .name          = "anlmdn",
 308     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Reduce broadband noise from stream using Non-Local Means."),
 309     .query_formats = query_formats,
 310     .priv_size     = sizeof(AudioNLMeansContext),
 311     .priv_class    = &anlmdn_class,
 312     .uninit        = uninit,
 313     .inputs        = inputs,
 314     .outputs       = outputs,
 315     .flags         = AVFILTER_FLAG_SLICE_THREADS,
 316 };