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 filter_alloc;
  41     int ideal_dst_incr;
  42     int dst_incr;
  43     int index;
  44     int frac;
  45     int src_incr;
  46     int compensation_distance;
  47     int phase_shift;
  48     int phase_mask;
  49     int linear;
  50     double factor;
  51     enum AVSampleFormat format;
  52     int felem_size;
  53     int filter_shift;
  54 } ResampleContext;
  55
  56 /**
  57  * 0th order modified bessel function of the first kind.
  58  */
  59 static double bessel(double x){
  60     double v=1;
  61     double lastv=0;
  62     double t=1;
  63     int i;
  64     static const double inv[100]={
  65  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),
  66  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),
  67  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),
  68  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),
  69  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),
  70  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),
  71  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),
  72  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),
  73  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),
  74  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)
  75     };
  76
  77     x= x*x/4;
  78     for(i=0; v != lastv; i++){
  79         lastv=v;
  80         t *= x*inv[i];
  81         v += t;
  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 type 0->cubic, 1->blackman nuttall windowed sinc, 2..16->kaiser windowed sinc beta=2..16
  91  * @return 0 on success, negative on error
  92  */
  93 static int build_filter(ResampleContext *c, void *filter, double factor, int tap_count, int alloc, int phase_count, int scale, int type){
  94     int ph, i;
  95     double x, y, w;
  96     double *tab = av_malloc(tap_count * sizeof(*tab));
  97     const int center= (tap_count-1)/2;
  98
  99     if (!tab)
 100         return AVERROR(ENOMEM);
 101
 102     /* if upsampling, only need to interpolate, no filter */
 103     if (factor > 1.0)
 104         factor = 1.0;
 105
 106     for(ph=0;ph<phase_count;ph++) {
 107         double norm = 0;
 108         for(i=0;i<tap_count;i++) {
 109             x = M_PI * ((double)(i - center) - (double)ph / phase_count) * factor;
 110             if (x == 0) y = 1.0;
 111             else        y = sin(x) / x;
 112             switch(type){
 113             case 0:{
 114                 const float d= -0.5; //first order derivative = -0.5
 115                 x = fabs(((double)(i - center) - (double)ph / phase_count) * factor);
 116                 if(x<1.0) y= 1 - 3*x*x + 2*x*x*x + d*(            -x*x + x*x*x);
 117                 else      y=                       d*(-4 + 8*x - 5*x*x + x*x*x);
 118                 break;}
 119             case 1:
 120                 w = 2.0*x / (factor*tap_count) + M_PI;
 121                 y *= 0.3635819 - 0.4891775 * cos(w) + 0.1365995 * cos(2*w) - 0.0106411 * cos(3*w);
 122                 break;
 123             default:
 124                 w = 2.0*x / (factor*tap_count*M_PI);
 125                 y *= bessel(type*sqrt(FFMAX(1-w*w, 0)));
 126                 break;
 127             }
 128
 129             tab[i] = y;
 130             norm += y;
 131         }
 132
 133         /* normalize so that an uniform color remains the same */
 134         switch(c->format){
 135         case AV_SAMPLE_FMT_S16P:
 136             for(i=0;i<tap_count;i++)
 137                 ((int16_t*)filter)[ph * alloc + i] = av_clip(lrintf(tab[i] * scale / norm), INT16_MIN, INT16_MAX);
 138             break;
 139         case AV_SAMPLE_FMT_S32P:
 140             for(i=0;i<tap_count;i++)
 141                 ((int32_t*)filter)[ph * alloc + i] = av_clip(lrintf(tab[i] * scale / norm), INT32_MIN, INT32_MAX);
 142             break;
 143         case AV_SAMPLE_FMT_FLTP:
 144             for(i=0;i<tap_count;i++)
 145                 ((float*)filter)[ph * alloc + i] = tab[i] * scale / norm;
 146             break;
 147         case AV_SAMPLE_FMT_DBLP:
 148             for(i=0;i<tap_count;i++)
 149                 ((double*)filter)[ph * alloc + i] = tab[i] * scale / norm;
 150             break;
 151         }
 152     }
 153 #if 0
 154     {
 155 #define LEN 1024
 156         int j,k;
 157         double sine[LEN + tap_count];
 158         double filtered[LEN];
 159         double maxff=-2, minff=2, maxsf=-2, minsf=2;
 160         for(i=0; i<LEN; i++){
 161             double ss=0, sf=0, ff=0;
 162             for(j=0; j<LEN+tap_count; j++)
 163                 sine[j]= cos(i*j*M_PI/LEN);
 164             for(j=0; j<LEN; j++){
 165                 double sum=0;
 166                 ph=0;
 167                 for(k=0; k<tap_count; k++)
 168                     sum += filter[ph * tap_count + k] * sine[k+j];
 169                 filtered[j]= sum / (1<<FILTER_SHIFT);
 170                 ss+= sine[j + center] * sine[j + center];
 171                 ff+= filtered[j] * filtered[j];
 172                 sf+= sine[j + center] * filtered[j];
 173             }
 174             ss= sqrt(2*ss/LEN);
 175             ff= sqrt(2*ff/LEN);
 176             sf= 2*sf/LEN;
 177             maxff= FFMAX(maxff, ff);
 178             minff= FFMIN(minff, ff);
 179             maxsf= FFMAX(maxsf, sf);
 180             minsf= FFMIN(minsf, sf);
 181             if(i%11==0){
 182                 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);
 183                 minff=minsf= 2;
 184                 maxff=maxsf= -2;
 185             }
 186         }
 187     }
 188 #endif
 189
 190     av_free(tab);
 191     return 0;
 192 }
 193
 194 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){
 195     double factor= FFMIN(out_rate * cutoff / in_rate, 1.0);
 196     int phase_count= 1<<phase_shift;
 197
 198     if (!c || c->phase_shift != phase_shift || c->linear!=linear || c->factor != factor
 199            || c->filter_length != FFMAX((int)ceil(filter_size/factor), 1) || c->format != format) {
 200         c = av_mallocz(sizeof(*c));
 201         if (!c)
 202             return NULL;
 203
 204         c->format= format;
 205
 206         c->felem_size= av_get_bytes_per_sample(c->format);
 207
 208         switch(c->format){
 209         case AV_SAMPLE_FMT_S16P:
 210             c->filter_shift = 15;
 211             break;
 212         case AV_SAMPLE_FMT_S32P:
 213             c->filter_shift = 30;
 214             break;
 215         case AV_SAMPLE_FMT_FLTP:
 216         case AV_SAMPLE_FMT_DBLP:
 217             c->filter_shift = 0;
 218             break;
 219         default:
 220             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "Unsupported sample format\n");
 221             return NULL;
 222         }
 223
 224         c->phase_shift   = phase_shift;
 225         c->phase_mask    = phase_count - 1;
 226         c->linear        = linear;
 227         c->factor        = factor;
 228         c->filter_length = FFMAX((int)ceil(filter_size/factor), 1);
 229         c->filter_alloc  = FFALIGN(c->filter_length, 8);
 230         c->filter_bank   = av_mallocz(c->filter_alloc*(phase_count+1)*c->felem_size);
 231         if (!c->filter_bank)
 232             goto error;
 233         if (build_filter(c, (void*)c->filter_bank, factor, c->filter_length, c->filter_alloc, phase_count, 1<<c->filter_shift, WINDOW_TYPE))
 234             goto error;
 235         memcpy(c->filter_bank + (c->filter_alloc*phase_count+1)*c->felem_size, c->filter_bank, (c->filter_alloc-1)*c->felem_size);
 236         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);
 237     }
 238
 239     c->compensation_distance= 0;
 240     if(!av_reduce(&c->src_incr, &c->dst_incr, out_rate, in_rate * (int64_t)phase_count, INT32_MAX/2))
 241         goto error;
 242     c->ideal_dst_incr= c->dst_incr;
 243
 244     c->index= -phase_count*((c->filter_length-1)/2);
 245     c->frac= 0;
 246
 247     return c;
 248 error:
 249     av_free(c->filter_bank);
 250     av_free(c);
 251     return NULL;
 252 }
 253
 254 void swri_resample_free(ResampleContext **c){
 255     if(!*c)
 256         return;
 257     av_freep(&(*c)->filter_bank);
 258     av_freep(c);
 259 }
 260
 261 int swr_set_compensation(struct SwrContext *s, int sample_delta, int compensation_distance){
 262     ResampleContext *c;
 263     int ret;
 264
 265     if (!s || compensation_distance < 0)
 266         return AVERROR(EINVAL);
 267     if (!compensation_distance && sample_delta)
 268         return AVERROR(EINVAL);
 269     if (!s->resample) {
 270         s->flags |= SWR_FLAG_RESAMPLE;
 271         ret = swr_init(s);
 272         if (ret < 0)
 273             return ret;
 274     }
 275     c= s->resample;
 276     c->compensation_distance= compensation_distance;
 277     if (compensation_distance)
 278         c->dst_incr = c->ideal_dst_incr - c->ideal_dst_incr * (int64_t)sample_delta / compensation_distance;
 279     else
 280         c->dst_incr = c->ideal_dst_incr;
 281     return 0;
 282 }
 283
 284 #define RENAME(N) N ## _int16
 285 #define FILTER_SHIFT 15
 286 #define DELEM  int16_t
 287 #define FELEM  int16_t
 288 #define FELEM2 int32_t
 289 #define FELEML int64_t
 290 #define FELEM_MAX INT16_MAX
 291 #define FELEM_MIN INT16_MIN
 292 #define OUT(d, v) v = (v + (1<<(FILTER_SHIFT-1)))>>FILTER_SHIFT;\
 293                   d = (unsigned)(v + 32768) > 65535 ? (v>>31) ^ 32767 : v
 294 #include "resample_template.c"
 295
 296 #undef RENAME
 297 #undef FELEM
 298 #undef FELEM2
 299 #undef DELEM
 300 #undef FELEML
 301 #undef OUT
 302 #undef FELEM_MIN
 303 #undef FELEM_MAX
 304 #undef FILTER_SHIFT
 305
 306
 307 #define RENAME(N) N ## _int32
 308 #define FILTER_SHIFT 30
 309 #define DELEM  int32_t
 310 #define FELEM  int32_t
 311 #define FELEM2 int64_t
 312 #define FELEML int64_t
 313 #define FELEM_MAX INT32_MAX
 314 #define FELEM_MIN INT32_MIN
 315 #define OUT(d, v) v = (v + (1<<(FILTER_SHIFT-1)))>>FILTER_SHIFT;\
 316                   d = (uint64_t)(v + 0x80000000) > 0xFFFFFFFF ? (v>>63) ^ 0x7FFFFFFF : v
 317 #include "resample_template.c"
 318
 319 #undef RENAME
 320 #undef FELEM
 321 #undef FELEM2
 322 #undef DELEM
 323 #undef FELEML
 324 #undef OUT
 325 #undef FELEM_MIN
 326 #undef FELEM_MAX
 327 #undef FILTER_SHIFT
 328
 329
 330 #define RENAME(N) N ## _float
 331 #define FILTER_SHIFT 0
 332 #define DELEM  float
 333 #define FELEM  float
 334 #define FELEM2 float
 335 #define FELEML float
 336 #define OUT(d, v) d = v
 337 #include "resample_template.c"
 338
 339 #undef RENAME
 340 #undef FELEM
 341 #undef FELEM2
 342 #undef DELEM
 343 #undef FELEML
 344 #undef OUT
 345 #undef FELEM_MIN
 346 #undef FELEM_MAX
 347 #undef FILTER_SHIFT
 348
 349
 350 #define RENAME(N) N ## _double
 351 #define FILTER_SHIFT 0
 352 #define DELEM  double
 353 #define FELEM  double
 354 #define FELEM2 double
 355 #define FELEML double
 356 #define OUT(d, v) d = v
 357 #include "resample_template.c"
 358
 359 #undef RENAME
 360 #undef FELEM
 361 #undef FELEM2
 362 #undef DELEM
 363 #undef FELEML
 364 #undef OUT
 365 #undef FELEM_MIN
 366 #undef FELEM_MAX
 367 #undef FILTER_SHIFT
 368
 369 // XXX FIXME the whole C loop should be written in asm so this x86 specific code here isnt needed
 370 #if ARCH_X86
 371 #include "x86/resample_mmx.h"
 372 #define COMMON_CORE COMMON_CORE_INT16_MMX2
 373 #define RENAME(N) N ## _int16_mmx2
 374 #define FILTER_SHIFT 15
 375 #define DELEM  int16_t
 376 #define FELEM  int16_t
 377 #define FELEM2 int32_t
 378 #define FELEML int64_t
 379 #define FELEM_MAX INT16_MAX
 380 #define FELEM_MIN INT16_MIN
 381 #define OUT(d, v) v = (v + (1<<(FILTER_SHIFT-1)))>>FILTER_SHIFT;\
 382                   d = (unsigned)(v + 32768) > 65535 ? (v>>31) ^ 32767 : v
 383 #include "resample_template.c"
 384
 385 #undef COMMON_CORE
 386 #undef RENAME
 387 #undef FELEM
 388 #undef FELEM2
 389 #undef DELEM
 390 #undef FELEML
 391 #undef OUT
 392 #undef FELEM_MIN
 393 #undef FELEM_MAX
 394 #undef FILTER_SHIFT
 395
 396 #if HAVE_SSSE3
 397 #define COMMON_CORE COMMON_CORE_INT16_SSSE3
 398 #define RENAME(N) N ## _int16_ssse3
 399 #define FILTER_SHIFT 15
 400 #define DELEM  int16_t
 401 #define FELEM  int16_t
 402 #define FELEM2 int32_t
 403 #define FELEML int64_t
 404 #define FELEM_MAX INT16_MAX
 405 #define FELEM_MIN INT16_MIN
 406 #define OUT(d, v) v = (v + (1<<(FILTER_SHIFT-1)))>>FILTER_SHIFT;\
 407                   d = (unsigned)(v + 32768) > 65535 ? (v>>31) ^ 32767 : v
 408 #include "resample_template.c"
 409 #endif
 410 #endif // ARCH_X86
 411
 412 int swri_multiple_resample(ResampleContext *c, AudioData *dst, int dst_size, AudioData *src, int src_size, int *consumed){
 413     int i, ret= -1;
 414     int mm_flags = av_get_cpu_flags();
 415     int need_emms= 0;
 416
 417     for(i=0; i<dst->ch_count; i++){
 418 #if ARCH_X86
 419 #if HAVE_SSSE3
 420              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);
 421         else
 422 #endif
 423              if(c->format == AV_SAMPLE_FMT_S16P && (mm_flags&AV_CPU_FLAG_MMX2 )){
 424                  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);
 425                  need_emms= 1;
 426              } else
 427 #endif
 428              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);
 429         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);
 430         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);
 431         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);
 432     }
 433     if(need_emms)
 434         emms_c();
 435     return ret;
 436 }
 437
 438 int64_t swr_get_delay(struct SwrContext *s, int64_t base){
 439     ResampleContext *c = s->resample;
 440     if(c){
 441         int64_t num = s->in_buffer_count - (c->filter_length-1)/2;
 442         num <<= c->phase_shift;
 443         num -= c->index;
 444         num *= c->src_incr;
 445         num -= c->frac;
 446
 447         return av_rescale(num, base, s->in_sample_rate*(int64_t)c->src_incr << c->phase_shift);
 448     }else{
 449         return (s->in_buffer_count*base + (s->in_sample_rate>>1))/ s->in_sample_rate;
 450     }
 451 }