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 #define WINDOW_TYPE 9
  33
  34
  35
  36 typedef struct ResampleContext {
  37     const AVClass *av_class;
  38     uint8_t *filter_bank;
  39     int filter_length;
  40     int ideal_dst_incr;
  41     int dst_incr;
  42     int index;
  43     int frac;
  44     int src_incr;
  45     int compensation_distance;
  46     int phase_shift;
  47     int phase_mask;
  48     int linear;
  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     }
  82     return v;
  83 }
  84
  85 /**
  86  * builds a polyphase filterbank.
  87  * @param factor resampling factor
  88  * @param scale wanted sum of coefficients for each filter
  89  * @param type 0->cubic, 1->blackman nuttall windowed sinc, 2..16->kaiser windowed sinc beta=2..16
  90  * @return 0 on success, negative on error
  91  */
  92 static int build_filter(ResampleContext *c, void *filter, double factor, int tap_count, int phase_count, int scale, int type){
  93     int ph, i;
  94     double x, y, w;
  95     double *tab = av_malloc(tap_count * sizeof(*tab));
  96     const int center= (tap_count-1)/2;
  97
  98     if (!tab)
  99         return AVERROR(ENOMEM);
 100
 101     /* if upsampling, only need to interpolate, no filter */
 102     if (factor > 1.0)
 103         factor = 1.0;
 104
 105     for(ph=0;ph<phase_count;ph++) {
 106         double norm = 0;
 107         for(i=0;i<tap_count;i++) {
 108             x = M_PI * ((double)(i - center) - (double)ph / phase_count) * factor;
 109             if (x == 0) y = 1.0;
 110             else        y = sin(x) / x;
 111             switch(type){
 112             case 0:{
 113                 const float d= -0.5; //first order derivative = -0.5
 114                 x = fabs(((double)(i - center) - (double)ph / phase_count) * factor);
 115                 if(x<1.0) y= 1 - 3*x*x + 2*x*x*x + d*(            -x*x + x*x*x);
 116                 else      y=                       d*(-4 + 8*x - 5*x*x + x*x*x);
 117                 break;}
 118             case 1:
 119                 w = 2.0*x / (factor*tap_count) + M_PI;
 120                 y *= 0.3635819 - 0.4891775 * cos(w) + 0.1365995 * cos(2*w) - 0.0106411 * cos(3*w);
 121                 break;
 122             default:
 123                 w = 2.0*x / (factor*tap_count*M_PI);
 124                 y *= bessel(type*sqrt(FFMAX(1-w*w, 0)));
 125                 break;
 126             }
 127
 128             tab[i] = y;
 129             norm += y;
 130         }
 131
 132         /* normalize so that an uniform color remains the same */
 133         switch(c->format){
 134         case AV_SAMPLE_FMT_S16P:
 135             for(i=0;i<tap_count;i++)
 136                 ((int16_t*)filter)[ph * tap_count + i] = av_clip(lrintf(tab[i] * scale / norm), INT16_MIN, INT16_MAX);
 137             break;
 138         case AV_SAMPLE_FMT_S32P:
 139             for(i=0;i<tap_count;i++)
 140                 ((int32_t*)filter)[ph * tap_count + i] = av_clip(lrintf(tab[i] * scale / norm), INT32_MIN, INT32_MAX);
 141             break;
 142         case AV_SAMPLE_FMT_FLTP:
 143             for(i=0;i<tap_count;i++)
 144                 ((float*)filter)[ph * tap_count + i] = tab[i] * scale / norm;
 145             break;
 146         case AV_SAMPLE_FMT_DBLP:
 147             for(i=0;i<tap_count;i++)
 148                 ((double*)filter)[ph * tap_count + i] = tab[i] * scale / norm;
 149             break;
 150         }
 151     }
 152 #if 0
 153     {
 154 #define LEN 1024
 155         int j,k;
 156         double sine[LEN + tap_count];
 157         double filtered[LEN];
 158         double maxff=-2, minff=2, maxsf=-2, minsf=2;
 159         for(i=0; i<LEN; i++){
 160             double ss=0, sf=0, ff=0;
 161             for(j=0; j<LEN+tap_count; j++)
 162                 sine[j]= cos(i*j*M_PI/LEN);
 163             for(j=0; j<LEN; j++){
 164                 double sum=0;
 165                 ph=0;
 166                 for(k=0; k<tap_count; k++)
 167                     sum += filter[ph * tap_count + k] * sine[k+j];
 168                 filtered[j]= sum / (1<<FILTER_SHIFT);
 169                 ss+= sine[j + center] * sine[j + center];
 170                 ff+= filtered[j] * filtered[j];
 171                 sf+= sine[j + center] * filtered[j];
 172             }
 173             ss= sqrt(2*ss/LEN);
 174             ff= sqrt(2*ff/LEN);
 175             sf= 2*sf/LEN;
 176             maxff= FFMAX(maxff, ff);
 177             minff= FFMIN(minff, ff);
 178             maxsf= FFMAX(maxsf, sf);
 179             minsf= FFMIN(minsf, sf);
 180             if(i%11==0){
 181                 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);
 182                 minff=minsf= 2;
 183                 maxff=maxsf= -2;
 184             }
 185         }
 186     }
 187 #endif
 188
 189     av_free(tab);
 190     return 0;
 191 }
 192
 193 ResampleContext *swri_resample_init(ResampleContext *c, int out_rate, int in_rate, int filter_size, int phase_shift, int linear, double cutoff, enum AVSampleFormat format){
 194     double factor= FFMIN(out_rate * cutoff / in_rate, 1.0);
 195     int phase_count= 1<<phase_shift;
 196
 197     if (!c || c->phase_shift != phase_shift || c->linear!=linear || c->factor != factor
 198            || c->filter_length != FFMAX((int)ceil(filter_size/factor), 1) || c->format != format) {
 199         c = av_mallocz(sizeof(*c));
 200         if (!c)
 201             return NULL;
 202
 203         c->format= format;
 204
 205         c->felem_size= av_get_bytes_per_sample(c->format);
 206
 207         switch(c->format){
 208         case AV_SAMPLE_FMT_S16P:
 209             c->filter_shift = 15;
 210             break;
 211         case AV_SAMPLE_FMT_S32P:
 212             c->filter_shift = 30;
 213             break;
 214         case AV_SAMPLE_FMT_FLTP:
 215         case AV_SAMPLE_FMT_DBLP:
 216             c->filter_shift = 0;
 217             break;
 218         default:
 219             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "Unsupported sample format\n");
 220             return NULL;
 221         }
 222
 223         c->phase_shift   = phase_shift;
 224         c->phase_mask    = phase_count - 1;
 225         c->linear        = linear;
 226         c->factor        = factor;
 227         c->filter_length = FFMAX((int)ceil(filter_size/factor), 1);
 228         c->filter_bank   = av_mallocz(c->filter_length*(phase_count+1)*c->felem_size);
 229         if (!c->filter_bank)
 230             goto error;
 231         if (build_filter(c, (void*)c->filter_bank, factor, c->filter_length, phase_count, 1<<c->filter_shift, WINDOW_TYPE))
 232             goto error;
 233         memcpy(c->filter_bank + (c->filter_length*phase_count+1)*c->felem_size, c->filter_bank, (c->filter_length-1)*c->felem_size);
 234         memcpy(c->filter_bank + (c->filter_length*phase_count  )*c->felem_size, c->filter_bank + (c->filter_length - 1)*c->felem_size, c->felem_size);
 235     }
 236
 237     c->compensation_distance= 0;
 238     if(!av_reduce(&c->src_incr, &c->dst_incr, out_rate, in_rate * (int64_t)phase_count, INT32_MAX/2))
 239         goto error;
 240     c->ideal_dst_incr= c->dst_incr;
 241
 242     c->index= -phase_count*((c->filter_length-1)/2);
 243     c->frac= 0;
 244
 245     return c;
 246 error:
 247     av_free(c->filter_bank);
 248     av_free(c);
 249     return NULL;
 250 }
 251
 252 void swri_resample_free(ResampleContext **c){
 253     if(!*c)
 254         return;
 255     av_freep(&(*c)->filter_bank);
 256     av_freep(c);
 257 }
 258
 259 int swr_set_compensation(struct SwrContext *s, int sample_delta, int compensation_distance){
 260     ResampleContext *c;
 261     int ret;
 262
 263     if (!s || compensation_distance < 0)
 264         return AVERROR(EINVAL);
 265     if (!compensation_distance && sample_delta)
 266         return AVERROR(EINVAL);
 267     if (!s->resample) {
 268         s->flags |= SWR_FLAG_RESAMPLE;
 269         ret = swr_init(s);
 270         if (ret < 0)
 271             return ret;
 272     }
 273     c= s->resample;
 274     c->compensation_distance= compensation_distance;
 275     if (compensation_distance)
 276         c->dst_incr = c->ideal_dst_incr - c->ideal_dst_incr * (int64_t)sample_delta / compensation_distance;
 277     else
 278         c->dst_incr = c->ideal_dst_incr;
 279     return 0;
 280 }
 281
 282 #define RENAME(N) N ## _int16
 283 #define FILTER_SHIFT 15
 284 #define DELEM  int16_t
 285 #define FELEM  int16_t
 286 #define FELEM2 int32_t
 287 #define FELEML int64_t
 288 #define FELEM_MAX INT16_MAX
 289 #define FELEM_MIN INT16_MIN
 290 #define OUT(d, v) v = (v + (1<<(FILTER_SHIFT-1)))>>FILTER_SHIFT;\
 291                   d = (unsigned)(v + 32768) > 65535 ? (v>>31) ^ 32767 : v
 292 #include "resample_template.c"
 293
 294 #undef RENAME
 295 #undef FELEM
 296 #undef FELEM2
 297 #undef DELEM
 298 #undef FELEML
 299 #undef OUT
 300 #undef FELEM_MIN
 301 #undef FELEM_MAX
 302 #undef FILTER_SHIFT
 303
 304
 305 #define RENAME(N) N ## _int32
 306 #define FILTER_SHIFT 30
 307 #define DELEM  int32_t
 308 #define FELEM  int32_t
 309 #define FELEM2 int64_t
 310 #define FELEML int64_t
 311 #define FELEM_MAX INT32_MAX
 312 #define FELEM_MIN INT32_MIN
 313 #define OUT(d, v) v = (v + (1<<(FILTER_SHIFT-1)))>>FILTER_SHIFT;\
 314                   d = (uint64_t)(v + 0x80000000) > 0xFFFFFFFF ? (v>>63) ^ 0x7FFFFFFF : v
 315 #include "resample_template.c"
 316
 317 #undef RENAME
 318 #undef FELEM
 319 #undef FELEM2
 320 #undef DELEM
 321 #undef FELEML
 322 #undef OUT
 323 #undef FELEM_MIN
 324 #undef FELEM_MAX
 325 #undef FILTER_SHIFT
 326
 327
 328 #define RENAME(N) N ## _float
 329 #define FILTER_SHIFT 0
 330 #define DELEM  float
 331 #define FELEM  float
 332 #define FELEM2 float
 333 #define FELEML float
 334 #define OUT(d, v) d = v
 335 #include "resample_template.c"
 336
 337 #undef RENAME
 338 #undef FELEM
 339 #undef FELEM2
 340 #undef DELEM
 341 #undef FELEML
 342 #undef OUT
 343 #undef FELEM_MIN
 344 #undef FELEM_MAX
 345 #undef FILTER_SHIFT
 346
 347
 348 #define RENAME(N) N ## _double
 349 #define FILTER_SHIFT 0
 350 #define DELEM  double
 351 #define FELEM  double
 352 #define FELEM2 double
 353 #define FELEML double
 354 #define OUT(d, v) d = v
 355 #include "resample_template.c"
 356
 357
 358 int swri_multiple_resample(ResampleContext *c, AudioData *dst, int dst_size, AudioData *src, int src_size, int *consumed){
 359     int i, ret= -1;
 360
 361     for(i=0; i<dst->ch_count; i++){
 362         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);
 363         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);
 364         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);
 365         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);
 366     }
 367
 368     return ret;
 369 }
 370
 371 int64_t swr_get_delay(struct SwrContext *s, int64_t base){
 372     ResampleContext *c = s->resample;
 373     if(c){
 374         int64_t num = s->in_buffer_count - (c->filter_length-1)/2;
 375         num <<= c->phase_shift;
 376         num -= c->index;
 377         num *= c->src_incr;
 378         num -= c->frac;
 379
 380         return av_rescale(num, base, s->in_sample_rate*(int64_t)c->src_incr << c->phase_shift);
 381     }else{
 382         return (s->in_buffer_count*base + (s->in_sample_rate>>1))/ s->in_sample_rate;
 383     }
 384 }