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

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2012 Clément Bœsch
   3  * Copyright (c) 2013 Rudolf Polzer <divverent@xonotic.org>
   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 /**
  23  * @file
  24  * audio to spectrum (video) transmedia filter, based on ffplay rdft showmode
  25  * (by Michael Niedermayer) and lavfi/avf_showwaves (by Stefano Sabatini).
  26  */
  27
  28 #include <math.h>
  29
  30 #include "libavcodec/avfft.h"
  31 #include "libavutil/avassert.h"
  32 #include "libavutil/channel_layout.h"
  33 #include "libavutil/opt.h"
  34 #include "avfilter.h"
  35 #include "internal.h"
  36
  37 enum DisplayMode  { COMBINED, SEPARATE, NB_MODES };
  38 enum DisplayScale { LINEAR, SQRT, CBRT, LOG, NB_SCALES };
  39 enum ColorMode    { CHANNEL, INTENSITY, NB_CLMODES };
  40
  41 typedef struct {
  42     const AVClass *class;
  43     int w, h;
  44     AVFrame *outpicref;
  45     int req_fullfilled;
  46     int nb_display_channels;
  47     int channel_height;
  48     int sliding;                ///< 1 if sliding mode, 0 otherwise
  49     enum DisplayMode mode;      ///< channel display mode
  50     enum ColorMode color_mode;  ///< display color scheme
  51     enum DisplayScale scale;
  52     float saturation;           ///< color saturation multiplier
  53     int xpos;                   ///< x position (current column)
  54     RDFTContext *rdft;          ///< Real Discrete Fourier Transform context
  55     int rdft_bits;              ///< number of bits (RDFT window size = 1<<rdft_bits)
  56     FFTSample **rdft_data;      ///< bins holder for each (displayed) channels
  57     int filled;                 ///< number of samples (per channel) filled in current rdft_buffer
  58     int consumed;               ///< number of samples (per channel) consumed from the input frame
  59     float *window_func_lut;     ///< Window function LUT
  60     float *combine_buffer;      ///< color combining buffer (3 * h items)
  61 } ShowSpectrumContext;
  62
  63 #define OFFSET(x) offsetof(ShowSpectrumContext, x)
  64 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM|AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM
  65
  66 static const AVOption showspectrum_options[] = {
  67     { "size", "set video size", OFFSET(w), AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str = "640x512"}, 0, 0, FLAGS },
  68     { "s",    "set video size", OFFSET(w), AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str = "640x512"}, 0, 0, FLAGS },
  69     { "slide", "set sliding mode", OFFSET(sliding), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64 = 0}, 0, 1, FLAGS },
  70     { "mode", "set channel display mode", OFFSET(mode), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=COMBINED}, COMBINED, NB_MODES-1, FLAGS, "mode" },
  71     { "combined", "combined mode", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=COMBINED}, 0, 0, FLAGS, "mode" },
  72     { "separate", "separate mode", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=SEPARATE}, 0, 0, FLAGS, "mode" },
  73     { "color", "set channel coloring", OFFSET(color_mode), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=CHANNEL}, CHANNEL, NB_CLMODES-1, FLAGS, "color" },
  74     { "channel",   "separate color for each channel", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=CHANNEL},   0, 0, FLAGS, "color" },
  75     { "intensity", "intensity based coloring",        0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=INTENSITY}, 0, 0, FLAGS, "color" },
  76     { "scale", "set display scale", OFFSET(scale), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=SQRT}, LINEAR, NB_SCALES-1, FLAGS, "scale" },
  77     { "sqrt", "square root", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=SQRT},   0, 0, FLAGS, "scale" },
  78     { "cbrt", "cubic root",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=CBRT},   0, 0, FLAGS, "scale" },
  79     { "log",  "logarithmic", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=LOG},    0, 0, FLAGS, "scale" },
  80     { "lin",  "linear",      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=LINEAR}, 0, 0, FLAGS, "scale" },
  81     { "saturation", "color saturation multiplier", OFFSET(saturation), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl = 1}, -10, 10, FLAGS },
  82     { NULL },
  83 };
  84
  85 AVFILTER_DEFINE_CLASS(showspectrum);
  86
  87 static const struct {
  88     float a, y, u, v;
  89 } intensity_color_table[] = {
  90     {    0,                  0,                  0,                   0 },
  91     { 0.13, .03587126228984074,  .1573300977624594, -.02548747583751842 },
  92     { 0.30, .18572281794568020,  .1772436246393981,  .17475554840414750 },
  93     { 0.60, .28184980583656130, -.1593064119945782,  .47132074554608920 },
  94     { 0.73, .65830621175547810, -.3716070802232764,  .24352759331252930 },
  95     { 0.78, .76318535758242900, -.4307467689263783,  .16866496622310430 },
  96     { 0.91, .95336363636363640, -.2045454545454546,  .03313636363636363 },
  97     {    1,                  1,                  0,                   0 }
  98 };
  99
 100 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
 101 {
 102     ShowSpectrumContext *showspectrum = ctx->priv;
 103     int i;
 104
 105     av_freep(&showspectrum->combine_buffer);
 106     av_rdft_end(showspectrum->rdft);
 107     for (i = 0; i < showspectrum->nb_display_channels; i++)
 108         av_freep(&showspectrum->rdft_data[i]);
 109     av_freep(&showspectrum->rdft_data);
 110     av_freep(&showspectrum->window_func_lut);
 111     av_frame_free(&showspectrum->outpicref);
 112 }
 113
 114 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
 115 {
 116     AVFilterFormats *formats = NULL;
 117     AVFilterChannelLayouts *layouts = NULL;
 118     AVFilterLink *inlink = ctx->inputs[0];
 119     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 120     static const enum AVSampleFormat sample_fmts[] = { AV_SAMPLE_FMT_S16P, AV_SAMPLE_FMT_NONE };
 121     static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = { AV_PIX_FMT_YUVJ444P, AV_PIX_FMT_NONE };
 122
 123     /* set input audio formats */
 124     formats = ff_make_format_list(sample_fmts);
 125     if (!formats)
 126         return AVERROR(ENOMEM);
 127     ff_formats_ref(formats, &inlink->out_formats);
 128
 129     layouts = ff_all_channel_layouts();
 130     if (!layouts)
 131         return AVERROR(ENOMEM);
 132     ff_channel_layouts_ref(layouts, &inlink->out_channel_layouts);
 133
 134     formats = ff_all_samplerates();
 135     if (!formats)
 136         return AVERROR(ENOMEM);
 137     ff_formats_ref(formats, &inlink->out_samplerates);
 138
 139     /* set output video format */
 140     formats = ff_make_format_list(pix_fmts);
 141     if (!formats)
 142         return AVERROR(ENOMEM);
 143     ff_formats_ref(formats, &outlink->in_formats);
 144
 145     return 0;
 146 }
 147
 148 static int config_output(AVFilterLink *outlink)
 149 {
 150     AVFilterContext *ctx = outlink->src;
 151     AVFilterLink *inlink = ctx->inputs[0];
 152     ShowSpectrumContext *showspectrum = ctx->priv;
 153     int i, rdft_bits, win_size, h;
 154
 155     outlink->w = showspectrum->w;
 156     outlink->h = showspectrum->h;
 157
 158     h = (showspectrum->mode == COMBINED) ? outlink->h : outlink->h / inlink->channels;
 159     showspectrum->channel_height = h;
 160
 161     /* RDFT window size (precision) according to the requested output frame height */
 162     for (rdft_bits = 1; 1 << rdft_bits < 2 * h; rdft_bits++);
 163     win_size = 1 << rdft_bits;
 164
 165     /* (re-)configuration if the video output changed (or first init) */
 166     if (rdft_bits != showspectrum->rdft_bits) {
 167         size_t rdft_size, rdft_listsize;
 168         AVFrame *outpicref;
 169
 170         av_rdft_end(showspectrum->rdft);
 171         showspectrum->rdft = av_rdft_init(rdft_bits, DFT_R2C);
 172         showspectrum->rdft_bits = rdft_bits;
 173
 174         /* RDFT buffers: x2 for each (display) channel buffer.
 175          * Note: we use free and malloc instead of a realloc-like function to
 176          * make sure the buffer is aligned in memory for the FFT functions. */
 177         for (i = 0; i < showspectrum->nb_display_channels; i++)
 178             av_freep(&showspectrum->rdft_data[i]);
 179         av_freep(&showspectrum->rdft_data);
 180         showspectrum->nb_display_channels = inlink->channels;
 181
 182         if (av_size_mult(sizeof(*showspectrum->rdft_data),
 183                          showspectrum->nb_display_channels, &rdft_listsize) < 0)
 184             return AVERROR(EINVAL);
 185         if (av_size_mult(sizeof(**showspectrum->rdft_data),
 186                          win_size, &rdft_size) < 0)
 187             return AVERROR(EINVAL);
 188         showspectrum->rdft_data = av_malloc(rdft_listsize);
 189         if (!showspectrum->rdft_data)
 190             return AVERROR(ENOMEM);
 191         for (i = 0; i < showspectrum->nb_display_channels; i++) {
 192             showspectrum->rdft_data[i] = av_malloc(rdft_size);
 193             if (!showspectrum->rdft_data[i])
 194                 return AVERROR(ENOMEM);
 195         }
 196         showspectrum->filled = 0;
 197
 198         /* pre-calc windowing function (hann here) */
 199         showspectrum->window_func_lut =
 200             av_realloc_f(showspectrum->window_func_lut, win_size,
 201                          sizeof(*showspectrum->window_func_lut));
 202         if (!showspectrum->window_func_lut)
 203             return AVERROR(ENOMEM);
 204         for (i = 0; i < win_size; i++)
 205             showspectrum->window_func_lut[i] = .5f * (1 - cos(2*M_PI*i / (win_size-1)));
 206
 207         /* prepare the initial picref buffer (black frame) */
 208         av_frame_free(&showspectrum->outpicref);
 209         showspectrum->outpicref = outpicref =
 210             ff_get_video_buffer(outlink, outlink->w, outlink->h);
 211         if (!outpicref)
 212             return AVERROR(ENOMEM);
 213         outlink->sample_aspect_ratio = (AVRational){1,1};
 214         memset(outpicref->data[0],   0, outlink->h * outpicref->linesize[0]);
 215         memset(outpicref->data[1], 128, outlink->h * outpicref->linesize[1]);
 216         memset(outpicref->data[2], 128, outlink->h * outpicref->linesize[2]);
 217     }
 218
 219     if (showspectrum->xpos >= outlink->w)
 220         showspectrum->xpos = 0;
 221
 222     showspectrum->combine_buffer =
 223         av_realloc_f(showspectrum->combine_buffer, outlink->h * 3,
 224                      sizeof(*showspectrum->combine_buffer));
 225
 226     av_log(ctx, AV_LOG_VERBOSE, "s:%dx%d RDFT window size:%d\n",
 227            showspectrum->w, showspectrum->h, win_size);
 228     return 0;
 229 }
 230
 231 inline static int push_frame(AVFilterLink *outlink)
 232 {
 233     ShowSpectrumContext *showspectrum = outlink->src->priv;
 234
 235     showspectrum->xpos++;
 236     if (showspectrum->xpos >= outlink->w)
 237         showspectrum->xpos = 0;
 238     showspectrum->filled = 0;
 239     showspectrum->req_fullfilled = 1;
 240
 241     return ff_filter_frame(outlink, av_frame_clone(showspectrum->outpicref));
 242 }
 243
 244 static int request_frame(AVFilterLink *outlink)
 245 {
 246     ShowSpectrumContext *showspectrum = outlink->src->priv;
 247     AVFilterLink *inlink = outlink->src->inputs[0];
 248     int ret;
 249
 250     showspectrum->req_fullfilled = 0;
 251     do {
 252         ret = ff_request_frame(inlink);
 253     } while (!showspectrum->req_fullfilled && ret >= 0);
 254
 255     if (ret == AVERROR_EOF && showspectrum->outpicref)
 256         push_frame(outlink);
 257     return ret;
 258 }
 259
 260 static int plot_spectrum_column(AVFilterLink *inlink, AVFrame *insamples, int nb_samples)
 261 {
 262     int ret;
 263     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 264     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 265     ShowSpectrumContext *showspectrum = ctx->priv;
 266     AVFrame *outpicref = showspectrum->outpicref;
 267
 268     /* nb_freq contains the power of two superior or equal to the output image
 269      * height (or half the RDFT window size) */
 270     const int nb_freq = 1 << (showspectrum->rdft_bits - 1);
 271     const int win_size = nb_freq << 1;
 272     const double w = 1. / (sqrt(nb_freq) * 32768.);
 273
 274     int ch, plane, n, y;
 275     const int start = showspectrum->filled;
 276     const int add_samples = FFMIN(win_size - start, nb_samples);
 277
 278     /* fill RDFT input with the number of samples available */
 279     for (ch = 0; ch < showspectrum->nb_display_channels; ch++) {
 280         const int16_t *p = (int16_t *)insamples->extended_data[ch];
 281
 282         p += showspectrum->consumed;
 283         for (n = 0; n < add_samples; n++)
 284             showspectrum->rdft_data[ch][start + n] = p[n] * showspectrum->window_func_lut[start + n];
 285     }
 286     showspectrum->filled += add_samples;
 287
 288     /* complete RDFT window size? */
 289     if (showspectrum->filled == win_size) {
 290
 291         /* channel height */
 292         int h = showspectrum->channel_height;
 293
 294         /* run RDFT on each samples set */
 295         for (ch = 0; ch < showspectrum->nb_display_channels; ch++)
 296             av_rdft_calc(showspectrum->rdft, showspectrum->rdft_data[ch]);
 297
 298         /* fill a new spectrum column */
 299 #define RE(y, ch) showspectrum->rdft_data[ch][2 * y + 0]
 300 #define IM(y, ch) showspectrum->rdft_data[ch][2 * y + 1]
 301 #define MAGNITUDE(y, ch) hypot(RE(y, ch), IM(y, ch))
 302
 303         /* initialize buffer for combining to black */
 304         for (y = 0; y < outlink->h; y++) {
 305             showspectrum->combine_buffer[3 * y    ] = 0;
 306             showspectrum->combine_buffer[3 * y + 1] = 127.5;
 307             showspectrum->combine_buffer[3 * y + 2] = 127.5;
 308         }
 309
 310         for (ch = 0; ch < showspectrum->nb_display_channels; ch++) {
 311             float yf, uf, vf;
 312
 313             /* decide color range */
 314             switch (showspectrum->mode) {
 315             case COMBINED:
 316                 // reduce range by channel count
 317                 yf = 256.0f / showspectrum->nb_display_channels;
 318                 switch (showspectrum->color_mode) {
 319                 case INTENSITY:
 320                     uf = yf;
 321                     vf = yf;
 322                     break;
 323                 case CHANNEL:
 324                     /* adjust saturation for mixed UV coloring */
 325                     /* this factor is correct for infinite channels, an approximation otherwise */
 326                     uf = yf * M_PI;
 327                     vf = yf * M_PI;
 328                     break;
 329                 default:
 330                     av_assert0(0);
 331                 }
 332                 break;
 333             case SEPARATE:
 334                 // full range
 335                 yf = 256.0f;
 336                 uf = 256.0f;
 337                 vf = 256.0f;
 338                 break;
 339             default:
 340                 av_assert0(0);
 341             }
 342
 343             if (showspectrum->color_mode == CHANNEL) {
 344                 if (showspectrum->nb_display_channels > 1) {
 345                     uf *= 0.5 * sin((2 * M_PI * ch) / showspectrum->nb_display_channels);
 346                     vf *= 0.5 * cos((2 * M_PI * ch) / showspectrum->nb_display_channels);
 347                 } else {
 348                     uf = 0.0f;
 349                     vf = 0.0f;
 350                 }
 351             }
 352             uf *= showspectrum->saturation;
 353             vf *= showspectrum->saturation;
 354
 355             /* draw the channel */
 356             for (y = 0; y < h; y++) {
 357                 int row = (showspectrum->mode == COMBINED) ? y : ch * h + y;
 358                 float *out = &showspectrum->combine_buffer[3 * row];
 359
 360                 /* get magnitude */
 361                 float a = w * MAGNITUDE(y, ch);
 362
 363                 /* apply scale */
 364                 switch (showspectrum->scale) {
 365                 case LINEAR:
 366                     break;
 367                 case SQRT:
 368                     a = sqrt(a);
 369                     break;
 370                 case CBRT:
 371                     a = cbrt(a);
 372                     break;
 373                 case LOG:
 374                     a = 1 - log(FFMAX(FFMIN(1, a), 1e-6)) / log(1e-6); // zero = -120dBFS
 375                     break;
 376                 default:
 377                     av_assert0(0);
 378                 }
 379
 380                 if (showspectrum->color_mode == INTENSITY) {
 381                     float y, u, v;
 382                     int i;
 383
 384                     for (i = 1; i < sizeof(intensity_color_table) / sizeof(*intensity_color_table) - 1; i++)
 385                         if (intensity_color_table[i].a >= a)
 386                             break;
 387                     // i now is the first item >= the color
 388                     // now we know to interpolate between item i - 1 and i
 389                     if (a <= intensity_color_table[i - 1].a) {
 390                         y = intensity_color_table[i - 1].y;
 391                         u = intensity_color_table[i - 1].u;
 392                         v = intensity_color_table[i - 1].v;
 393                     } else if (a >= intensity_color_table[i].a) {
 394                         y = intensity_color_table[i].y;
 395                         u = intensity_color_table[i].u;
 396                         v = intensity_color_table[i].v;
 397                     } else {
 398                         float start = intensity_color_table[i - 1].a;
 399                         float end = intensity_color_table[i].a;
 400                         float lerpfrac = (a - start) / (end - start);
 401                         y = intensity_color_table[i - 1].y * (1.0f - lerpfrac)
 402                           + intensity_color_table[i].y * lerpfrac;
 403                         u = intensity_color_table[i - 1].u * (1.0f - lerpfrac)
 404                           + intensity_color_table[i].u * lerpfrac;
 405                         v = intensity_color_table[i - 1].v * (1.0f - lerpfrac)
 406                           + intensity_color_table[i].v * lerpfrac;
 407                     }
 408
 409                     out[0] += y * yf;
 410                     out[1] += u * uf;
 411                     out[2] += v * vf;
 412                 } else {
 413                     out[0] += a * yf;
 414                     out[1] += a * uf;
 415                     out[2] += a * vf;
 416                 }
 417             }
 418         }
 419
 420         /* copy to output */
 421         if (showspectrum->sliding) {
 422             for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
 423                 for (y = 0; y < outlink->h; y++) {
 424                     uint8_t *p = outpicref->data[plane] +
 425                                  y * outpicref->linesize[plane];
 426                     memmove(p, p + 1, outlink->w - 1);
 427                 }
 428             }
 429             showspectrum->xpos = outlink->w - 1;
 430         }
 431         for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
 432             uint8_t *p = outpicref->data[plane] +
 433                          (outlink->h - 1) * outpicref->linesize[plane] +
 434                          showspectrum->xpos;
 435             for (y = 0; y < outlink->h; y++) {
 436                 *p = rint(FFMAX(0, FFMIN(showspectrum->combine_buffer[3 * y + plane], 255)));
 437                 p -= outpicref->linesize[plane];
 438             }
 439         }
 440
 441         outpicref->pts = insamples->pts +
 442             av_rescale_q(showspectrum->consumed,
 443                          (AVRational){ 1, inlink->sample_rate },
 444                          outlink->time_base);
 445         ret = push_frame(outlink);
 446         if (ret < 0)
 447             return ret;
 448     }
 449
 450     return add_samples;
 451 }
 452
 453 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *insamples)
 454 {
 455     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 456     ShowSpectrumContext *showspectrum = ctx->priv;
 457     int ret = 0, left_samples = insamples->nb_samples;
 458
 459     showspectrum->consumed = 0;
 460     while (left_samples) {
 461         int ret = plot_spectrum_column(inlink, insamples, left_samples);
 462         if (ret < 0)
 463             break;
 464         showspectrum->consumed += ret;
 465         left_samples -= ret;
 466     }
 467
 468     av_frame_free(&insamples);
 469     return ret;
 470 }
 471
 472 static const AVFilterPad showspectrum_inputs[] = {
 473     {
 474         .name         = "default",
 475         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 476         .filter_frame = filter_frame,
 477     },
 478     { NULL }
 479 };
 480
 481 static const AVFilterPad showspectrum_outputs[] = {
 482     {
 483         .name          = "default",
 484         .type          = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 485         .config_props  = config_output,
 486         .request_frame = request_frame,
 487     },
 488     { NULL }
 489 };
 490
 491 AVFilter avfilter_avf_showspectrum = {
 492     .name           = "showspectrum",
 493     .description    = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Convert input audio to a spectrum video output."),
 494     .uninit         = uninit,
 495     .query_formats  = query_formats,
 496     .priv_size      = sizeof(ShowSpectrumContext),
 497     .inputs         = showspectrum_inputs,
 498     .outputs        = showspectrum_outputs,
 499     .priv_class     = &showspectrum_class,
 500 };