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/channel_layout.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 sliding;                ///< 1 if sliding mode, 0 otherwise
  41     int xpos;                   ///< x position (current column)
  42     RDFTContext *rdft;          ///< Real Discrete Fourier Transform context
  43     int rdft_bits;              ///< number of bits (RDFT window size = 1<<rdft_bits)
  44     FFTSample *rdft_data;       ///< bins holder for each (displayed) channels
  45     int filled;                 ///< number of samples (per channel) filled in current rdft_buffer
  46     int consumed;               ///< number of samples (per channel) consumed from the input frame
  47     float *window_func_lut;     ///< Window function LUT
  48 } ShowSpectrumContext;
  49
  50 #define OFFSET(x) offsetof(ShowSpectrumContext, x)
  51 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM|AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM
  52
  53 static const AVOption showspectrum_options[] = {
  54     { "size", "set video size", OFFSET(w), AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str = "640x480"}, 0, 0, FLAGS },
  55     { "s",    "set video size", OFFSET(w), AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str = "640x480"}, 0, 0, FLAGS },
  56     { "slide", "set sliding mode", OFFSET(sliding), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64 = 0}, 0, 1, FLAGS },
  57     { NULL },
  58 };
  59
  60 AVFILTER_DEFINE_CLASS(showspectrum);
  61
  62 static av_cold int init(AVFilterContext *ctx, const char *args)
  63 {
  64     ShowSpectrumContext *showspectrum = ctx->priv;
  65     int err;
  66
  67     showspectrum->class = &showspectrum_class;
  68     av_opt_set_defaults(showspectrum);
  69
  70     if ((err = av_set_options_string(showspectrum, args, "=", ":")) < 0)
  71         return err;
  72
  73     return 0;
  74 }
  75
  76 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
  77 {
  78     ShowSpectrumContext *showspectrum = ctx->priv;
  79
  80     av_rdft_end(showspectrum->rdft);
  81     av_freep(&showspectrum->rdft_data);
  82     av_freep(&showspectrum->window_func_lut);
  83     avfilter_unref_bufferp(&showspectrum->outpicref);
  84 }
  85
  86 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
  87 {
  88     AVFilterFormats *formats = NULL;
  89     AVFilterChannelLayouts *layouts = NULL;
  90     AVFilterLink *inlink = ctx->inputs[0];
  91     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
  92     static const enum AVSampleFormat sample_fmts[] = { AV_SAMPLE_FMT_S16P, AV_SAMPLE_FMT_NONE };
  93     static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = { AV_PIX_FMT_RGB24, AV_PIX_FMT_NONE };
  94
  95     /* set input audio formats */
  96     formats = ff_make_format_list(sample_fmts);
  97     if (!formats)
  98         return AVERROR(ENOMEM);
  99     ff_formats_ref(formats, &inlink->out_formats);
 100
 101     layouts = ff_all_channel_layouts();
 102     if (!layouts)
 103         return AVERROR(ENOMEM);
 104     ff_channel_layouts_ref(layouts, &inlink->out_channel_layouts);
 105
 106     formats = ff_all_samplerates();
 107     if (!formats)
 108         return AVERROR(ENOMEM);
 109     ff_formats_ref(formats, &inlink->out_samplerates);
 110
 111     /* set output video format */
 112     formats = ff_make_format_list(pix_fmts);
 113     if (!formats)
 114         return AVERROR(ENOMEM);
 115     ff_formats_ref(formats, &outlink->in_formats);
 116
 117     return 0;
 118 }
 119
 120 static int config_output(AVFilterLink *outlink)
 121 {
 122     AVFilterContext *ctx = outlink->src;
 123     ShowSpectrumContext *showspectrum = ctx->priv;
 124     int i, rdft_bits, win_size;
 125
 126     outlink->w = showspectrum->w;
 127     outlink->h = showspectrum->h;
 128
 129     /* RDFT window size (precision) according to the requested output frame height */
 130     for (rdft_bits = 1; 1<<rdft_bits < 2*outlink->h; rdft_bits++);
 131     win_size = 1 << rdft_bits;
 132
 133     /* (re-)configuration if the video output changed (or first init) */
 134     if (rdft_bits != showspectrum->rdft_bits) {
 135         size_t rdft_size;
 136         AVFilterBufferRef *outpicref;
 137
 138         av_rdft_end(showspectrum->rdft);
 139         showspectrum->rdft = av_rdft_init(rdft_bits, DFT_R2C);
 140         showspectrum->rdft_bits = rdft_bits;
 141
 142         /* RDFT buffers: x2 for each (display) channel buffer.
 143          * Note: we use free and malloc instead of a realloc-like function to
 144          * make sure the buffer is aligned in memory for the FFT functions. */
 145         av_freep(&showspectrum->rdft_data);
 146         if (av_size_mult(sizeof(*showspectrum->rdft_data), 2 * win_size, &rdft_size) < 0)
 147             return AVERROR(EINVAL);
 148         showspectrum->rdft_data = av_malloc(rdft_size);
 149         if (!showspectrum->rdft_data)
 150             return AVERROR(ENOMEM);
 151         showspectrum->filled = 0;
 152
 153         /* pre-calc windowing function (hann here) */
 154         showspectrum->window_func_lut =
 155             av_realloc_f(showspectrum->window_func_lut, win_size,
 156                          sizeof(*showspectrum->window_func_lut));
 157         if (!showspectrum->window_func_lut)
 158             return AVERROR(ENOMEM);
 159         for (i = 0; i < win_size; i++)
 160             showspectrum->window_func_lut[i] = .5f * (1 - cos(2*M_PI*i / (win_size-1)));
 161
 162         /* prepare the initial picref buffer (black frame) */
 163         avfilter_unref_bufferp(&showspectrum->outpicref);
 164         showspectrum->outpicref = outpicref =
 165             ff_get_video_buffer(outlink, AV_PERM_WRITE|AV_PERM_PRESERVE|AV_PERM_REUSE2,
 166                                 outlink->w, outlink->h);
 167         if (!outpicref)
 168             return AVERROR(ENOMEM);
 169         outlink->sample_aspect_ratio = (AVRational){1,1};
 170         memset(outpicref->data[0], 0, outlink->h * outpicref->linesize[0]);
 171     }
 172
 173     if (showspectrum->xpos >= outlink->w)
 174         showspectrum->xpos = 0;
 175
 176     av_log(ctx, AV_LOG_VERBOSE, "s:%dx%d RDFT window size:%d\n",
 177            showspectrum->w, showspectrum->h, win_size);
 178     return 0;
 179 }
 180
 181 inline static void push_frame(AVFilterLink *outlink)
 182 {
 183     ShowSpectrumContext *showspectrum = outlink->src->priv;
 184
 185     showspectrum->xpos++;
 186     if (showspectrum->xpos >= outlink->w)
 187         showspectrum->xpos = 0;
 188     showspectrum->filled = 0;
 189     showspectrum->req_fullfilled = 1;
 190
 191     ff_filter_frame(outlink, avfilter_ref_buffer(showspectrum->outpicref, ~AV_PERM_WRITE));
 192 }
 193
 194 static int request_frame(AVFilterLink *outlink)
 195 {
 196     ShowSpectrumContext *showspectrum = outlink->src->priv;
 197     AVFilterLink *inlink = outlink->src->inputs[0];
 198     int ret;
 199
 200     showspectrum->req_fullfilled = 0;
 201     do {
 202         ret = ff_request_frame(inlink);
 203     } while (!showspectrum->req_fullfilled && ret >= 0);
 204
 205     if (ret == AVERROR_EOF && showspectrum->outpicref)
 206         push_frame(outlink);
 207     return ret;
 208 }
 209
 210 static int plot_spectrum_column(AVFilterLink *inlink, AVFilterBufferRef *insamples, int nb_samples)
 211 {
 212     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 213     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
 214     ShowSpectrumContext *showspectrum = ctx->priv;
 215     AVFilterBufferRef *outpicref = showspectrum->outpicref;
 216     const int nb_channels = av_get_channel_layout_nb_channels(insamples->audio->channel_layout);
 217
 218     /* nb_freq contains the power of two superior or equal to the output image
 219      * height (or half the RDFT window size) */
 220     const int nb_freq = 1 << (showspectrum->rdft_bits - 1);
 221     const int win_size = nb_freq << 1;
 222
 223     int ch, n, y;
 224     FFTSample *data[2];
 225     const int nb_display_channels = FFMIN(nb_channels, 2);
 226     const int start = showspectrum->filled;
 227     const int add_samples = FFMIN(win_size - start, nb_samples);
 228
 229     /* fill RDFT input with the number of samples available */
 230     for (ch = 0; ch < nb_display_channels; ch++) {
 231         const int16_t *p = (int16_t *)insamples->extended_data[ch];
 232
 233         p += showspectrum->consumed;
 234         data[ch] = showspectrum->rdft_data + win_size * ch; // select channel buffer
 235         for (n = 0; n < add_samples; n++)
 236             data[ch][start + n] = p[n] * showspectrum->window_func_lut[start + n];
 237     }
 238     showspectrum->filled += add_samples;
 239
 240     /* complete RDFT window size? */
 241     if (showspectrum->filled == win_size) {
 242
 243         /* run RDFT on each samples set */
 244         for (ch = 0; ch < nb_display_channels; ch++)
 245             av_rdft_calc(showspectrum->rdft, data[ch]);
 246
 247         /* fill a new spectrum column */
 248 #define RE(ch) data[ch][2*y + 0]
 249 #define IM(ch) data[ch][2*y + 1]
 250 #define MAGNITUDE(re, im) sqrt((re)*(re) + (im)*(im))
 251
 252         for (y = 0; y < outlink->h; y++) {
 253             // FIXME: bin[0] contains first and last bins
 254             uint8_t *p = outpicref->data[0] + (outlink->h - y - 1) * outpicref->linesize[0];
 255             const double w = 1. / sqrt(nb_freq);
 256             int a =                           sqrt(w * MAGNITUDE(RE(0), IM(0)));
 257             int b = nb_display_channels > 1 ? sqrt(w * MAGNITUDE(RE(1), IM(1))) : a;
 258
 259             if (showspectrum->sliding) {
 260                 memmove(p, p + 3, (outlink->w - 1) * 3);
 261                 p += (outlink->w - 1) * 3;
 262             } else {
 263                 p += showspectrum->xpos * 3;
 264             }
 265
 266             a = FFMIN(a, 255);
 267             b = FFMIN(b, 255);
 268             p[0] = a;
 269             p[1] = b;
 270             p[2] = (a + b) / 2;
 271         }
 272         outpicref->pts = insamples->pts +
 273             av_rescale_q(showspectrum->consumed,
 274                          (AVRational){ 1, inlink->sample_rate },
 275                          outlink->time_base);
 276         push_frame(outlink);
 277     }
 278
 279     return add_samples;
 280 }
 281
 282 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFilterBufferRef *insamples)
 283 {
 284     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
 285     ShowSpectrumContext *showspectrum = ctx->priv;
 286     int left_samples = insamples->audio->nb_samples;
 287
 288     showspectrum->consumed = 0;
 289     while (left_samples) {
 290         const int added_samples = plot_spectrum_column(inlink, insamples, left_samples);
 291         showspectrum->consumed += added_samples;
 292         left_samples -= added_samples;
 293     }
 294
 295     avfilter_unref_buffer(insamples);
 296     return 0;
 297 }
 298
 299 static const AVFilterPad showspectrum_inputs[] = {
 300     {
 301         .name         = "default",
 302         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
 303         .filter_frame = filter_frame,
 304         .min_perms    = AV_PERM_READ,
 305     },
 306     { NULL }
 307 };
 308
 309 static const AVFilterPad showspectrum_outputs[] = {
 310     {
 311         .name          = "default",
 312         .type          = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
 313         .config_props  = config_output,
 314         .request_frame = request_frame,
 315     },
 316     { NULL }
 317 };
 318
 319 AVFilter avfilter_avf_showspectrum = {
 320     .name           = "showspectrum",
 321     .description    = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Convert input audio to a spectrum video output."),
 322     .init           = init,
 323     .uninit         = uninit,
 324     .query_formats  = query_formats,
 325     .priv_size      = sizeof(ShowSpectrumContext),
 326     .inputs         = showspectrum_inputs,
 327     .outputs        = showspectrum_outputs,
 328     .priv_class     = &showspectrum_class,
 329 };