Source/WebCore/platform/audio/FFTFrame.cpp

   1 /*
   2  * Copyright (C) 2010 Google Inc. All rights reserved.
   3  *
   4  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   5  * modification, are permitted provided that the following conditions
   6  * are met:
   7  *
   8  * 1.  Redistributions of source code must retain the above copyright
   9  *     notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  10  * 2.  Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  11  *     notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  12  *     documentation and/or other materials provided with the distribution.
  13  * 3.  Neither the name of Apple Computer, Inc. ("Apple") nor the names of
  14  *     its contributors may be used to endorse or promote products derived
  15  *     from this software without specific prior written permission.
  16  *
  17  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY APPLE AND ITS CONTRIBUTORS "AS IS" AND ANY
  18  * EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE IMPLIED
  19  * WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE ARE
  20  * DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL APPLE OR ITS CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY
  21  * DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES
  22  * (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES;
  23  * LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND
  24  * ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT
  25  * (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF
  26  * THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
  27  */
  28
  29 #include "config.h"
  30
  31 #if ENABLE(WEB_AUDIO)
  32
  33 #include "FFTFrame.h"
  34
  35 #ifndef NDEBUG
  36 #include <stdio.h>
  37 #endif
  38
  39 #include "Logging.h"
  40 #include <wtf/Complex.h>
  41 #include <wtf/MathExtras.h>
  42 #include <wtf/OwnPtr.h>
  43
  44 namespace WebCore {
  45
  46 void FFTFrame::doPaddedFFT(const float* data, size_t dataSize)
  47 {
  48     // Zero-pad the impulse response
  49     AudioFloatArray paddedResponse(fftSize()); // zero-initialized
  50     paddedResponse.copyToRange(data, 0, dataSize);
  51
  52     // Get the frequency-domain version of padded response
  53     doFFT(paddedResponse.data());
  54 }
  55
  56 PassOwnPtr<FFTFrame> FFTFrame::createInterpolatedFrame(const FFTFrame& frame1, const FFTFrame& frame2, double x)
  57 {
  58     OwnPtr<FFTFrame> newFrame = adoptPtr(new FFTFrame(frame1.fftSize()));
  59
  60     newFrame->interpolateFrequencyComponents(frame1, frame2, x);
  61
  62     // In the time-domain, the 2nd half of the response must be zero, to avoid circular convolution aliasing...
  63     int fftSize = newFrame->fftSize();
  64     AudioFloatArray buffer(fftSize);
  65     newFrame->doInverseFFT(buffer.data());
  66     buffer.zeroRange(fftSize / 2, fftSize);
  67
  68     // Put back into frequency domain.
  69     newFrame->doFFT(buffer.data());
  70
  71     return newFrame.release();
  72 }
  73
  74 void FFTFrame::interpolateFrequencyComponents(const FFTFrame& frame1, const FFTFrame& frame2, double interp)
  75 {
  76     // FIXME : with some work, this method could be optimized
  77
  78     float* realP = realData();
  79     float* imagP = imagData();
  80
  81     const float* realP1 = frame1.realData();
  82     const float* imagP1 = frame1.imagData();
  83     const float* realP2 = frame2.realData();
  84     const float* imagP2 = frame2.imagData();
  85
  86     m_FFTSize = frame1.fftSize();
  87     m_log2FFTSize = frame1.log2FFTSize();
  88
  89     double s1base = (1.0 - interp);
  90     double s2base = interp;
  91
  92     double phaseAccum = 0.0;
  93     double lastPhase1 = 0.0;
  94     double lastPhase2 = 0.0;
  95
  96     realP[0] = static_cast<float>(s1base * realP1[0] + s2base * realP2[0]);
  97     imagP[0] = static_cast<float>(s1base * imagP1[0] + s2base * imagP2[0]);
  98
  99     int n = m_FFTSize / 2;
 100
 101     for (int i = 1; i < n; ++i) {
 102         Complex c1(realP1[i], imagP1[i]);
 103         Complex c2(realP2[i], imagP2[i]);
 104
 105         double mag1 = abs(c1);
 106         double mag2 = abs(c2);
 107
 108         // Interpolate magnitudes in decibels
 109         double mag1db = 20.0 * log10(mag1);
 110         double mag2db = 20.0 * log10(mag2);
 111
 112         double s1 = s1base;
 113         double s2 = s2base;
 114
 115         double magdbdiff = mag1db - mag2db;
 116
 117         // Empirical tweak to retain higher-frequency zeroes
 118         double threshold =  (i > 16) ? 5.0 : 2.0;
 119
 120         if (magdbdiff < -threshold && mag1db < 0.0) {
 121             s1 = pow(s1, 0.75);
 122             s2 = 1.0 - s1;
 123         } else if (magdbdiff > threshold && mag2db < 0.0) {
 124             s2 = pow(s2, 0.75);
 125             s1 = 1.0 - s2;
 126         }
 127
 128         // Average magnitude by decibels instead of linearly
 129         double magdb = s1 * mag1db + s2 * mag2db;
 130         double mag = pow(10.0, 0.05 * magdb);
 131
 132         // Now, deal with phase
 133         double phase1 = arg(c1);
 134         double phase2 = arg(c2);
 135
 136         double deltaPhase1 = phase1 - lastPhase1;
 137         double deltaPhase2 = phase2 - lastPhase2;
 138         lastPhase1 = phase1;
 139         lastPhase2 = phase2;
 140
 141         // Unwrap phase deltas
 142         if (deltaPhase1 > piDouble)
 143             deltaPhase1 -= 2.0 * piDouble;
 144         if (deltaPhase1 < -piDouble)
 145             deltaPhase1 += 2.0 * piDouble;
 146         if (deltaPhase2 > piDouble)
 147             deltaPhase2 -= 2.0 * piDouble;
 148         if (deltaPhase2 < -piDouble)
 149             deltaPhase2 += 2.0 * piDouble;
 150
 151         // Blend group-delays
 152         double deltaPhaseBlend;
 153
 154         if (deltaPhase1 - deltaPhase2 > piDouble)
 155             deltaPhaseBlend = s1 * deltaPhase1 + s2 * (2.0 * piDouble + deltaPhase2);
 156         else if (deltaPhase2 - deltaPhase1 > piDouble)
 157             deltaPhaseBlend = s1 * (2.0 * piDouble + deltaPhase1) + s2 * deltaPhase2;
 158         else
 159             deltaPhaseBlend = s1 * deltaPhase1 + s2 * deltaPhase2;
 160
 161         phaseAccum += deltaPhaseBlend;
 162
 163         // Unwrap
 164         if (phaseAccum > piDouble)
 165             phaseAccum -= 2.0 * piDouble;
 166         if (phaseAccum < -piDouble)
 167             phaseAccum += 2.0 * piDouble;
 168
 169         Complex c = complexFromMagnitudePhase(mag, phaseAccum);
 170
 171         realP[i] = static_cast<float>(c.real());
 172         imagP[i] = static_cast<float>(c.imag());
 173     }
 174 }
 175
 176 double FFTFrame::extractAverageGroupDelay()
 177 {
 178     float* realP = realData();
 179     float* imagP = imagData();
 180
 181     double aveSum = 0.0;
 182     double weightSum = 0.0;
 183     double lastPhase = 0.0;
 184
 185     int halfSize = fftSize() / 2;
 186
 187     const double kSamplePhaseDelay = (2.0 * piDouble) / double(fftSize());
 188
 189     // Calculate weighted average group delay
 190     for (int i = 0; i < halfSize; i++) {
 191         Complex c(realP[i], imagP[i]);
 192         double mag = abs(c);
 193         double phase = arg(c);
 194
 195         double deltaPhase = phase - lastPhase;
 196         lastPhase = phase;
 197
 198         // Unwrap
 199         if (deltaPhase < -piDouble)
 200             deltaPhase += 2.0 * piDouble;
 201         if (deltaPhase > piDouble)
 202             deltaPhase -= 2.0 * piDouble;
 203
 204         aveSum += mag * deltaPhase;
 205         weightSum += mag;
 206     }
 207
 208     // Note how we invert the phase delta wrt frequency since this is how group delay is defined
 209     double ave = aveSum / weightSum;
 210     double aveSampleDelay = -ave / kSamplePhaseDelay;
 211
 212     // Leave 20 sample headroom (for leading edge of impulse)
 213     if (aveSampleDelay > 20.0)
 214         aveSampleDelay -= 20.0;
 215
 216     // Remove average group delay (minus 20 samples for headroom)
 217     addConstantGroupDelay(-aveSampleDelay);
 218
 219     // Remove DC offset
 220     realP[0] = 0.0f;
 221
 222     return aveSampleDelay;
 223 }
 224
 225 void FFTFrame::addConstantGroupDelay(double sampleFrameDelay)
 226 {
 227     int halfSize = fftSize() / 2;
 228
 229     float* realP = realData();
 230     float* imagP = imagData();
 231
 232     const double kSamplePhaseDelay = (2.0 * piDouble) / double(fftSize());
 233
 234     double phaseAdj = -sampleFrameDelay * kSamplePhaseDelay;
 235
 236     // Add constant group delay
 237     for (int i = 1; i < halfSize; i++) {
 238         Complex c(realP[i], imagP[i]);
 239         double mag = abs(c);
 240         double phase = arg(c);
 241
 242         phase += i * phaseAdj;
 243
 244         Complex c2 = complexFromMagnitudePhase(mag, phase);
 245
 246         realP[i] = static_cast<float>(c2.real());
 247         imagP[i] = static_cast<float>(c2.imag());
 248     }
 249 }
 250
 251 #ifndef NDEBUG
 252 void FFTFrame::print()
 253 {
 254     FFTFrame& frame = *this;
 255     float* realP = frame.realData();
 256     float* imagP = frame.imagData();
 257     LOG(WebAudio, "**** \n");
 258     LOG(WebAudio, "DC = %f : nyquist = %f\n", realP[0], imagP[0]);
 259
 260     int n = m_FFTSize / 2;
 261
 262     for (int i = 1; i < n; i++) {
 263         double mag = sqrt(realP[i] * realP[i] + imagP[i] * imagP[i]);
 264         double phase = atan2(realP[i], imagP[i]);
 265
 266         LOG(WebAudio, "[%d] (%f %f)\n", i, mag, phase);
 267     }
 268     LOG(WebAudio, "****\n");
 269 }
 270 #endif // NDEBUG
 271
 272 } // namespace WebCore
 273
 274 #endif // ENABLE(WEB_AUDIO)