git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - libswresample/resample.c

   1 /*
   2  * audio resampling
   3  * Copyright (c) 2004-2012 Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
   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 resampling
  25  * @author Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
  26  */
  27
  28 #include "libavutil/log.h"
  29 #include "libavutil/avassert.h"
  30 #include "swresample_internal.h"
  31
  32
  33 typedef struct ResampleContext {
  34     const AVClass *av_class;
  35     uint8_t *filter_bank;
  36     int filter_length;
  37     int filter_alloc;
  38     int ideal_dst_incr;
  39     int dst_incr;
  40     int index;
  41     int frac;
  42     int src_incr;
  43     int compensation_distance;
  44     int phase_shift;
  45     int phase_mask;
  46     int linear;
  47     enum SwrFilterType filter_type;
  48     int kaiser_beta;
  49     double factor;
  50     enum AVSampleFormat format;
  51     int felem_size;
  52     int filter_shift;
  53 } ResampleContext;
  54
  55 /**
  56  * 0th order modified bessel function of the first kind.
  57  */
  58 static double bessel(double x){
  59     double v=1;
  60     double lastv=0;
  61     double t=1;
  62     int i;
  63     static const double inv[100]={
  64  1.0/( 1* 1), 1.0/( 2* 2), 1.0/( 3* 3), 1.0/( 4* 4), 1.0/( 5* 5), 1.0/( 6* 6), 1.0/( 7* 7), 1.0/( 8* 8), 1.0/( 9* 9), 1.0/(10*10),
  65  1.0/(11*11), 1.0/(12*12), 1.0/(13*13), 1.0/(14*14), 1.0/(15*15), 1.0/(16*16), 1.0/(17*17), 1.0/(18*18), 1.0/(19*19), 1.0/(20*20),
  66  1.0/(21*21), 1.0/(22*22), 1.0/(23*23), 1.0/(24*24), 1.0/(25*25), 1.0/(26*26), 1.0/(27*27), 1.0/(28*28), 1.0/(29*29), 1.0/(30*30),
  67  1.0/(31*31), 1.0/(32*32), 1.0/(33*33), 1.0/(34*34), 1.0/(35*35), 1.0/(36*36), 1.0/(37*37), 1.0/(38*38), 1.0/(39*39), 1.0/(40*40),
  68  1.0/(41*41), 1.0/(42*42), 1.0/(43*43), 1.0/(44*44), 1.0/(45*45), 1.0/(46*46), 1.0/(47*47), 1.0/(48*48), 1.0/(49*49), 1.0/(50*50),
  69  1.0/(51*51), 1.0/(52*52), 1.0/(53*53), 1.0/(54*54), 1.0/(55*55), 1.0/(56*56), 1.0/(57*57), 1.0/(58*58), 1.0/(59*59), 1.0/(60*60),
  70  1.0/(61*61), 1.0/(62*62), 1.0/(63*63), 1.0/(64*64), 1.0/(65*65), 1.0/(66*66), 1.0/(67*67), 1.0/(68*68), 1.0/(69*69), 1.0/(70*70),
  71  1.0/(71*71), 1.0/(72*72), 1.0/(73*73), 1.0/(74*74), 1.0/(75*75), 1.0/(76*76), 1.0/(77*77), 1.0/(78*78), 1.0/(79*79), 1.0/(80*80),
  72  1.0/(81*81), 1.0/(82*82), 1.0/(83*83), 1.0/(84*84), 1.0/(85*85), 1.0/(86*86), 1.0/(87*87), 1.0/(88*88), 1.0/(89*89), 1.0/(90*90),
  73  1.0/(91*91), 1.0/(92*92), 1.0/(93*93), 1.0/(94*94), 1.0/(95*95), 1.0/(96*96), 1.0/(97*97), 1.0/(98*98), 1.0/(99*99), 1.0/(10000)
  74     };
  75
  76     x= x*x/4;
  77     for(i=0; v != lastv; i++){
  78         lastv=v;
  79         t *= x*inv[i];
  80         v += t;
  81         av_assert2(i<99);
  82     }
  83     return v;
  84 }
  85
  86 /**
  87  * builds a polyphase filterbank.
  88  * @param factor resampling factor
  89  * @param scale wanted sum of coefficients for each filter
  90  * @param filter_type  filter type
  91  * @param kaiser_beta  kaiser window beta
  92  * @return 0 on success, negative on error
  93  */
  94 static int build_filter(ResampleContext *c, void *filter, double factor, int tap_count, int alloc, int phase_count, int scale,
  95                         int filter_type, int kaiser_beta){
  96     int ph, i;
  97     double x, y, w;
  98     double *tab = av_malloc(tap_count * sizeof(*tab));
  99     const int center= (tap_count-1)/2;
 100
 101     if (!tab)
 102         return AVERROR(ENOMEM);
 103
 104     /* if upsampling, only need to interpolate, no filter */
 105     if (factor > 1.0)
 106         factor = 1.0;
 107
 108     for(ph=0;ph<phase_count;ph++) {
 109         double norm = 0;
 110         for(i=0;i<tap_count;i++) {
 111             x = M_PI * ((double)(i - center) - (double)ph / phase_count) * factor;
 112             if (x == 0) y = 1.0;
 113             else        y = sin(x) / x;
 114             switch(filter_type){
 115             case SWR_FILTER_TYPE_CUBIC:{
 116                 const float d= -0.5; //first order derivative = -0.5
 117                 x = fabs(((double)(i - center) - (double)ph / phase_count) * factor);
 118                 if(x<1.0) y= 1 - 3*x*x + 2*x*x*x + d*(            -x*x + x*x*x);
 119                 else      y=                       d*(-4 + 8*x - 5*x*x + x*x*x);
 120                 break;}
 121             case SWR_FILTER_TYPE_BLACKMAN_NUTTALL:
 122                 w = 2.0*x / (factor*tap_count) + M_PI;
 123                 y *= 0.3635819 - 0.4891775 * cos(w) + 0.1365995 * cos(2*w) - 0.0106411 * cos(3*w);
 124                 break;
 125             case SWR_FILTER_TYPE_KAISER:
 126                 w = 2.0*x / (factor*tap_count*M_PI);
 127                 y *= bessel(kaiser_beta*sqrt(FFMAX(1-w*w, 0)));
 128                 break;
 129             default:
 130                 av_assert0(0);
 131             }
 132
 133             tab[i] = y;
 134             norm += y;
 135         }
 136
 137         /* normalize so that an uniform color remains the same */
 138         switch(c->format){
 139         case AV_SAMPLE_FMT_S16P:
 140             for(i=0;i<tap_count;i++)
 141                 ((int16_t*)filter)[ph * alloc + i] = av_clip(lrintf(tab[i] * scale / norm), INT16_MIN, INT16_MAX);
 142             break;
 143         case AV_SAMPLE_FMT_S32P:
 144             for(i=0;i<tap_count;i++)
 145                 ((int32_t*)filter)[ph * alloc + i] = av_clipl_int32(llrint(tab[i] * scale / norm));
 146             break;
 147         case AV_SAMPLE_FMT_FLTP:
 148             for(i=0;i<tap_count;i++)
 149                 ((float*)filter)[ph * alloc + i] = tab[i] * scale / norm;
 150             break;
 151         case AV_SAMPLE_FMT_DBLP:
 152             for(i=0;i<tap_count;i++)
 153                 ((double*)filter)[ph * alloc + i] = tab[i] * scale / norm;
 154             break;
 155         }
 156     }
 157 #if 0
 158     {
 159 #define LEN 1024
 160         int j,k;
 161         double sine[LEN + tap_count];
 162         double filtered[LEN];
 163         double maxff=-2, minff=2, maxsf=-2, minsf=2;
 164         for(i=0; i<LEN; i++){
 165             double ss=0, sf=0, ff=0;
 166             for(j=0; j<LEN+tap_count; j++)
 167                 sine[j]= cos(i*j*M_PI/LEN);
 168             for(j=0; j<LEN; j++){
 169                 double sum=0;
 170                 ph=0;
 171                 for(k=0; k<tap_count; k++)
 172                     sum += filter[ph * tap_count + k] * sine[k+j];
 173                 filtered[j]= sum / (1<<FILTER_SHIFT);
 174                 ss+= sine[j + center] * sine[j + center];
 175                 ff+= filtered[j] * filtered[j];
 176                 sf+= sine[j + center] * filtered[j];
 177             }
 178             ss= sqrt(2*ss/LEN);
 179             ff= sqrt(2*ff/LEN);
 180             sf= 2*sf/LEN;
 181             maxff= FFMAX(maxff, ff);
 182             minff= FFMIN(minff, ff);
 183             maxsf= FFMAX(maxsf, sf);
 184             minsf= FFMIN(minsf, sf);
 185             if(i%11==0){
 186                 av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "i:%4d ss:%f ff:%13.6e-%13.6e sf:%13.6e-%13.6e\n", i, ss, maxff, minff, maxsf, minsf);
 187                 minff=minsf= 2;
 188                 maxff=maxsf= -2;
 189             }
 190         }
 191     }
 192 #endif
 193
 194     av_free(tab);
 195     return 0;
 196 }
 197
 198 static ResampleContext *resample_init(ResampleContext *c, int out_rate, int in_rate, int filter_size, int phase_shift, int linear,
 199                                     double cutoff0, enum AVSampleFormat format, enum SwrFilterType filter_type, int kaiser_beta,
 200                                     double precision, int cheby){
 201     double cutoff = cutoff0? cutoff0 : 0.97;
 202     double factor= FFMIN(out_rate * cutoff / in_rate, 1.0);
 203     int phase_count= 1<<phase_shift;
 204
 205     if (!c || c->phase_shift != phase_shift || c->linear!=linear || c->factor != factor
 206            || c->filter_length != FFMAX((int)ceil(filter_size/factor), 1) || c->format != format
 207            || c->filter_type != filter_type || c->kaiser_beta != kaiser_beta) {
 208         c = av_mallocz(sizeof(*c));
 209         if (!c)
 210             return NULL;
 211
 212         c->format= format;
 213
 214         c->felem_size= av_get_bytes_per_sample(c->format);
 215
 216         switch(c->format){
 217         case AV_SAMPLE_FMT_S16P:
 218             c->filter_shift = 15;
 219             break;
 220         case AV_SAMPLE_FMT_S32P:
 221             c->filter_shift = 30;
 222             break;
 223         case AV_SAMPLE_FMT_FLTP:
 224         case AV_SAMPLE_FMT_DBLP:
 225             c->filter_shift = 0;
 226             break;
 227         default:
 228             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "Unsupported sample format\n");
 229             av_assert0(0);
 230         }
 231
 232         c->phase_shift   = phase_shift;
 233         c->phase_mask    = phase_count - 1;
 234         c->linear        = linear;
 235         c->factor        = factor;
 236         c->filter_length = FFMAX((int)ceil(filter_size/factor), 1);
 237         c->filter_alloc  = FFALIGN(c->filter_length, 8);
 238         c->filter_bank   = av_calloc(c->filter_alloc, (phase_count+1)*c->felem_size);
 239         c->filter_type   = filter_type;
 240         c->kaiser_beta   = kaiser_beta;
 241         if (!c->filter_bank)
 242             goto error;
 243         if (build_filter(c, (void*)c->filter_bank, factor, c->filter_length, c->filter_alloc, phase_count, 1<<c->filter_shift, filter_type, kaiser_beta))
 244             goto error;
 245         memcpy(c->filter_bank + (c->filter_alloc*phase_count+1)*c->felem_size, c->filter_bank, (c->filter_alloc-1)*c->felem_size);
 246         memcpy(c->filter_bank + (c->filter_alloc*phase_count  )*c->felem_size, c->filter_bank + (c->filter_alloc - 1)*c->felem_size, c->felem_size);
 247     }
 248
 249     c->compensation_distance= 0;
 250     if(!av_reduce(&c->src_incr, &c->dst_incr, out_rate, in_rate * (int64_t)phase_count, INT32_MAX/2))
 251         goto error;
 252     c->ideal_dst_incr= c->dst_incr;
 253
 254     c->index= -phase_count*((c->filter_length-1)/2);
 255     c->frac= 0;
 256
 257     return c;
 258 error:
 259     av_freep(&c->filter_bank);
 260     av_free(c);
 261     return NULL;
 262 }
 263
 264 static void resample_free(ResampleContext **c){
 265     if(!*c)
 266         return;
 267     av_freep(&(*c)->filter_bank);
 268     av_freep(c);
 269 }
 270
 271 static int set_compensation(ResampleContext *c, int sample_delta, int compensation_distance){
 272     c->compensation_distance= compensation_distance;
 273     if (compensation_distance)
 274         c->dst_incr = c->ideal_dst_incr - c->ideal_dst_incr * (int64_t)sample_delta / compensation_distance;
 275     else
 276         c->dst_incr = c->ideal_dst_incr;
 277     return 0;
 278 }
 279
 280 #define TEMPLATE_RESAMPLE_S16
 281 #include "resample_template.c"
 282 #undef TEMPLATE_RESAMPLE_S16
 283
 284 #define TEMPLATE_RESAMPLE_S32
 285 #include "resample_template.c"
 286 #undef TEMPLATE_RESAMPLE_S32
 287
 288 #define TEMPLATE_RESAMPLE_FLT
 289 #include "resample_template.c"
 290 #undef TEMPLATE_RESAMPLE_FLT
 291
 292 #define TEMPLATE_RESAMPLE_DBL
 293 #include "resample_template.c"
 294 #undef TEMPLATE_RESAMPLE_DBL
 295
 296 // XXX FIXME the whole C loop should be written in asm so this x86 specific code here isnt needed
 297 #if HAVE_MMXEXT_INLINE
 298
 299 #include "x86/resample_mmx.h"
 300
 301 #define TEMPLATE_RESAMPLE_S16_MMX2
 302 #include "resample_template.c"
 303 #undef TEMPLATE_RESAMPLE_S16_MMX2
 304
 305 #if HAVE_SSSE3_INLINE
 306 #define TEMPLATE_RESAMPLE_S16_SSSE3
 307 #include "resample_template.c"
 308 #undef TEMPLATE_RESAMPLE_S16_SSSE3
 309 #endif
 310
 311 #endif // HAVE_MMXEXT_INLINE
 312
 313 static int multiple_resample(ResampleContext *c, AudioData *dst, int dst_size, AudioData *src, int src_size, int *consumed){
 314     int i, ret= -1;
 315     int av_unused mm_flags = av_get_cpu_flags();
 316     int need_emms= 0;
 317
 318     for(i=0; i<dst->ch_count; i++){
 319 #if HAVE_MMXEXT_INLINE
 320 #if HAVE_SSSE3_INLINE
 321              if(c->format == AV_SAMPLE_FMT_S16P && (mm_flags&AV_CPU_FLAG_SSSE3)) ret= swri_resample_int16_ssse3(c, (int16_t*)dst->ch[i], (const int16_t*)src->ch[i], consumed, src_size, dst_size, i+1==dst->ch_count);
 322         else
 323 #endif
 324              if(c->format == AV_SAMPLE_FMT_S16P && (mm_flags&AV_CPU_FLAG_MMX2 )){
 325                  ret= swri_resample_int16_mmx2 (c, (int16_t*)dst->ch[i], (const int16_t*)src->ch[i], consumed, src_size, dst_size, i+1==dst->ch_count);
 326                  need_emms= 1;
 327              } else
 328 #endif
 329              if(c->format == AV_SAMPLE_FMT_S16P) ret= swri_resample_int16(c, (int16_t*)dst->ch[i], (const int16_t*)src->ch[i], consumed, src_size, dst_size, i+1==dst->ch_count);
 330         else if(c->format == AV_SAMPLE_FMT_S32P) ret= swri_resample_int32(c, (int32_t*)dst->ch[i], (const int32_t*)src->ch[i], consumed, src_size, dst_size, i+1==dst->ch_count);
 331         else if(c->format == AV_SAMPLE_FMT_FLTP) ret= swri_resample_float(c, (float  *)dst->ch[i], (const float  *)src->ch[i], consumed, src_size, dst_size, i+1==dst->ch_count);
 332         else if(c->format == AV_SAMPLE_FMT_DBLP) ret= swri_resample_double(c,(double *)dst->ch[i], (const double *)src->ch[i], consumed, src_size, dst_size, i+1==dst->ch_count);
 333     }
 334     if(need_emms)
 335         emms_c();
 336     return ret;
 337 }
 338
 339 static int64_t get_delay(struct SwrContext *s, int64_t base){
 340     ResampleContext *c = s->resample;
 341     int64_t num = s->in_buffer_count - (c->filter_length-1)/2;
 342     num <<= c->phase_shift;
 343     num -= c->index;
 344     num *= c->src_incr;
 345     num -= c->frac;
 346     return av_rescale(num, base, s->in_sample_rate*(int64_t)c->src_incr << c->phase_shift);
 347 }
 348
 349 static int resample_flush(struct SwrContext *s) {
 350     AudioData *a= &s->in_buffer;
 351     int i, j, ret;
 352     if((ret = swri_realloc_audio(a, s->in_buffer_index + 2*s->in_buffer_count)) < 0)
 353         return ret;
 354     av_assert0(a->planar);
 355     for(i=0; i<a->ch_count; i++){
 356         for(j=0; j<s->in_buffer_count; j++){
 357             memcpy(a->ch[i] + (s->in_buffer_index+s->in_buffer_count+j  )*a->bps,
 358                 a->ch[i] + (s->in_buffer_index+s->in_buffer_count-j-1)*a->bps, a->bps);
 359         }
 360     }
 361     s->in_buffer_count += (s->in_buffer_count+1)/2;
 362     return 0;
 363 }
 364
 365 struct Resampler const swri_resampler={
 366   resample_init,
 367   resample_free,
 368   multiple_resample,
 369   resample_flush,
 370   set_compensation,
 371   get_delay,
 372 };