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

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2012 Clément Bœsch
   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 /**
  22  * @file
  23  * audio to spectrum (video) transmedia filter, based on ffplay rdft showmode
  24  * (by Michael Niedermayer) and lavfi/avf_showwaves (by Stefano Sabatini).
  25  */
  26
  27 #include <math.h>
  28
  29 #include "libavcodec/avfft.h"
  30 #include "libavutil/audioconvert.h"
  31 #include "libavutil/opt.h"
  32 #include "avfilter.h"
  33 #include "internal.h"
  34
  35 typedef struct {
  36     const AVClass *class;
  37     int w, h;
  38     AVFilterBufferRef *outpicref;
  39     int req_fullfilled;
  40     int xpos;                   ///< x position (current column)
  41     RDFTContext *rdft;          ///< Real Discrete Fourier Transform context
  42     int rdft_bits;              ///< number of bits (RDFT window size = 1<<rdft_bits)
  43     FFTSample *rdft_data;       ///< bins holder for each (displayed) channels
  44     int filled;                 ///< number of samples (per channel) filled in current rdft_buffer
  45     int consumed;               ///< number of samples (per channel) consumed from the input frame
  46     float *window_func_lut;     ///< Window function LUT
  47 } ShowSpectrumContext;
  48
  49 #define OFFSET(x) offsetof(ShowSpectrumContext, x)
  50 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM|AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM
  51
  52 static const AVOption showspectrum_options[] = {
  53     { "size", "set video size", OFFSET(w), AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str = "640x480"}, 0, 0, FLAGS },
  54     { "s",    "set video size", OFFSET(w), AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str = "640x480"}, 0, 0, FLAGS },
  55     { NULL },
  56 };
  57
  58 AVFILTER_DEFINE_CLASS(showspectrum);
  59
  60 static av_cold int init(AVFilterContext *ctx, const char *args)
  61 {
  62     ShowSpectrumContext *showspectrum = ctx->priv;
  63     int err;
  64
  65     showspectrum->class = &showspectrum_class;
  66     av_opt_set_defaults(showspectrum);
  67
  68     if ((err = av_set_options_string(showspectrum, args, "=", ":")) < 0)
  69         return err;
  70
  71     return 0;
  72 }
  73
  74 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
  75 {
  76     ShowSpectrumContext *showspectrum = ctx->priv;
  77
  78     av_rdft_end(showspectrum->rdft);
  79     av_freep(&showspectrum->rdft_data);
  80     av_freep(&showspectrum->window_func_lut);
  81     avfilter_unref_bufferp(&showspectrum->outpicref);
  82 }
  83
  84 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
  85 {
  86     AVFilterFormats *formats = NULL;
  87     AVFilterChannelLayouts *layouts = NULL;
  88     AVFilterLink *inlink = ctx->inputs[0];
  89     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
  90     static const enum AVSampleFormat sample_fmts[] = { AV_SAMPLE_FMT_S16P, -1 };
  91     static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = { AV_PIX_FMT_RGB24, -1 };
  92
  93     /* set input audio formats */
  94     formats = ff_make_format_list(sample_fmts);
  95     if (!formats)
  96         return AVERROR(ENOMEM);
  97     ff_formats_ref(formats, &inlink->out_formats);
  98
  99     layouts = ff_all_channel_layouts();
 100     if (!layouts)
 101         return AVERROR(ENOMEM);
 102     ff_channel_layouts_ref(layouts, &inlink->out_channel_layouts);
 103
 104     formats = ff_all_samplerates();
 105     if (!formats)
 106         return AVERROR(ENOMEM);
 107     ff_formats_ref(formats, &inlink->out_samplerates);
 108
 109     /* set output video format */
 110     formats = ff_make_format_list(pix_fmts);
 111     if (!formats)
 112         return AVERROR(ENOMEM);
 113     ff_formats_ref(formats, &outlink->in_formats);
 114
 115     return 0;
 116 }
 117
 118 static int config_output(AVFilterLink *outlink)
 119 {
 120     AVFilterContext *ctx = outlink->src;
 121     ShowSpectrumContext *showspectrum = ctx->priv;
 122     int i, rdft_bits, win_size;
 123
 124     outlink->w = showspectrum->w;
 125     outlink->h = showspectrum->h;
 126
 127     /* RDFT window size (precision) according to the requested output frame height */
 128     for (rdft_bits = 1; 1<<rdft_bits < 2*outlink->h; rdft_bits++);
 129     win_size = 1 << rdft_bits;
 130
 131     /* (re-)configuration if the video output changed (or first init) */
 132     if (rdft_bits != showspectrum->rdft_bits) {
 133         AVFilterBufferRef *outpicref;
 134
 135         av_rdft_end(showspectrum->rdft);
 136         showspectrum->rdft = av_rdft_init(rdft_bits, DFT_R2C);
 137         showspectrum->rdft_bits = rdft_bits;
 138
 139         /* RDFT buffers: x2 for each (display) channel buffer */
 140         showspectrum->rdft_data =
 141             av_realloc_f(showspectrum->rdft_data, 2 * win_size,
 142                          sizeof(*showspectrum->rdft_data));
 143         if (!showspectrum->rdft_data)
 144             return AVERROR(ENOMEM);
 145         showspectrum->filled = 0;
 146
 147         /* pre-calc windowing function (hann here) */
 148         showspectrum->window_func_lut =
 149             av_realloc_f(showspectrum->window_func_lut, win_size,
 150                          sizeof(*showspectrum->window_func_lut));
 151         if (!showspectrum->window_func_lut)
 152             return AVERROR(ENOMEM);
 153         for (i = 0; i < win_size; i++)
 154             showspectrum->window_func_lut[i] = .5f * (1 - cos(2*M_PI*i / (win_size-1)));
 155
 156         /* prepare the initial picref buffer (black frame) */
 157         avfilter_unref_bufferp(&showspectrum->outpicref);
 158         showspectrum->outpicref = outpicref =
 159             ff_get_video_buffer(outlink, AV_PERM_WRITE|AV_PERM_PRESERVE|AV_PERM_REUSE2,
 160                                 outlink->w, outlink->h);
 161         if (!outpicref)
 162             return AVERROR(ENOMEM);
 163         outlink->sample_aspect_ratio = (AVRational){1,1};
 164         memset(outpicref->data[0], 0, outlink->h * outpicref->linesize[0]);
 165     }
 166
 167     if (showspectrum->xpos >= outlink->w)
 168         showspectrum->xpos = 0;
 169
 170     av_log(ctx, AV_LOG_VERBOSE, "s:%dx%d RDFT window size:%d\n",
 171            showspectrum->w, showspectrum->h, win_size);
 172     return 0;
 173 }
 174
 175 inline static void push_frame(AVFilterLink *outlink)
 176 {
 177     ShowSpectrumContext *showspectrum = outlink->src->priv;
 178
 179     showspectrum->xpos++;
 180     if (showspectrum->xpos >= outlink->w)
 181         showspectrum->xpos = 0;
 182     showspectrum->filled = 0;
 183     showspectrum->req_fullfilled = 1;
 184
 185     ff_start_frame(outlink, avfilter_ref_buffer(showspectrum->outpicref, ~AV_PERM_WRITE));
 186     ff_draw_slice(outlink, 0, outlink->h, 1);
 187     ff_end_frame(outlink);
 188 }
 189
 190 static int request_frame(AVFilterLink *outlink)
 191 {
 192     ShowSpectrumContext *showspectrum = outlink->src->priv;
 193     AVFilterLink *inlink = outlink->src->inputs[0];
 194     int ret;
 195
 196     showspectrum->req_fullfilled = 0;
 197     do {
 198         ret = ff_request_frame(inlink);
 199     } while (!showspectrum->req_fullfilled && ret >= 0);
 200
 201     if (ret == AVERROR_EOF && showspectrum->outpicref)
 202         push_frame(outlink);
 203     return ret;
 204 }
 205
 206 static int plot_spectrum_column(AVFilterLink *inlink, AVFilterBufferRef *insamples, int nb_samples)
 207 {
 208     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 209     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 210     ShowSpectrumContext *showspectrum = ctx->priv;
 211     AVFilterBufferRef *outpicref = showspectrum->outpicref;
 212     const int nb_channels = av_get_channel_layout_nb_channels(insamples->audio->channel_layout);
 213
 214     /* nb_freq contains the power of two superior or equal to the output image
 215      * height (or half the RDFT window size) */
 216     const int nb_freq = 1 << (showspectrum->rdft_bits - 1);
 217     const int win_size = nb_freq << 1;
 218
 219     int ch, n, y;
 220     FFTSample *data[2];
 221     const int nb_display_channels = FFMIN(nb_channels, 2);
 222     const int start = showspectrum->filled;
 223     const int add_samples = FFMIN(win_size - start, nb_samples);
 224
 225     /* fill RDFT input with the number of samples available */
 226     for (ch = 0; ch < nb_display_channels; ch++) {
 227         const int16_t *p = (int16_t *)insamples->extended_data[ch];
 228
 229         p += showspectrum->consumed;
 230         data[ch] = showspectrum->rdft_data + win_size * ch; // select channel buffer
 231         for (n = 0; n < add_samples; n++)
 232             data[ch][start + n] = p[n] * showspectrum->window_func_lut[start + n];
 233     }
 234     showspectrum->filled += add_samples;
 235
 236     /* complete RDFT window size? */
 237     if (showspectrum->filled == win_size) {
 238
 239         /* run RDFT on each samples set */
 240         for (ch = 0; ch < nb_display_channels; ch++)
 241             av_rdft_calc(showspectrum->rdft, data[ch]);
 242
 243         /* fill a new spectrum column */
 244 #define RE(ch) data[ch][2*y + 0]
 245 #define IM(ch) data[ch][2*y + 1]
 246 #define MAGNITUDE(re, im) sqrt((re)*(re) + (im)*(im))
 247
 248         for (y = 0; y < outlink->h; y++) {
 249             // FIXME: bin[0] contains first and last bins
 250             const int pos = showspectrum->xpos * 3 + (outlink->h - y - 1) * outpicref->linesize[0];
 251             const double w = 1. / sqrt(nb_freq);
 252             int a =                           sqrt(w * MAGNITUDE(RE(0), IM(0)));
 253             int b = nb_display_channels > 1 ? sqrt(w * MAGNITUDE(RE(1), IM(1))) : a;
 254
 255             a = FFMIN(a, 255);
 256             b = FFMIN(b, 255);
 257             outpicref->data[0][pos]   = a;
 258             outpicref->data[0][pos+1] = b;
 259             outpicref->data[0][pos+2] = (a + b) / 2;
 260         }
 261         outpicref->pts = insamples->pts +
 262             av_rescale_q(showspectrum->consumed,
 263                          (AVRational){ 1, inlink->sample_rate },
 264                          outlink->time_base);
 265         push_frame(outlink);
 266     }
 267
 268     return add_samples;
 269 }
 270
 271 static int filter_samples(AVFilterLink *inlink, AVFilterBufferRef *insamples)
 272 {
 273     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 274     ShowSpectrumContext *showspectrum = ctx->priv;
 275     int left_samples = insamples->audio->nb_samples;
 276
 277     showspectrum->consumed = 0;
 278     while (left_samples) {
 279         const int added_samples = plot_spectrum_column(inlink, insamples, left_samples);
 280         showspectrum->consumed += added_samples;
 281         left_samples -= added_samples;
 282     }
 283
 284     avfilter_unref_buffer(insamples);
 285     return 0;
 286 }
 287
 288 AVFilter avfilter_avf_showspectrum = {
 289     .name           = "showspectrum",
 290     .description    = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Convert input audio to a spectrum video output."),
 291     .init           = init,
 292     .uninit         = uninit,
 293     .query_formats  = query_formats,
 294     .priv_size      = sizeof(ShowSpectrumContext),
 295
 296     .inputs  = (const AVFilterPad[]) {
 297         {
 298             .name           = "default",
 299             .type           = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 300             .filter_samples = filter_samples,
 301             .min_perms      = AV_PERM_READ,
 302         },
 303         { .name = NULL }
 304     },
 305
 306     .outputs = (const AVFilterPad[]) {
 307         {
 308             .name           = "default",
 309             .type           = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 310             .config_props   = config_output,
 311             .request_frame  = request_frame,
 312         },
 313         { .name = NULL }
 314     },
 315
 316     .priv_class = &showspectrum_class,
 317 };