gst/audiofx/audiocheblimit.c

   1 /*
   2  * GStreamer
   3  * Copyright (C) 2007-2009 Sebastian Dröge <sebastian.droege@collabora.co.uk>
   4  *
   5  * This library is free software; you can redistribute it and/or
   6  * modify it under the terms of the GNU Library General Public
   7  * License as published by the Free Software Foundation; either
   8  * version 2 of the License, or (at your option) any later version.
   9  *
  10  * This library is distributed in the hope that it will be useful,
  11  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  12  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  13  * Library General Public License for more details.
  14  *
  15  * You should have received a copy of the GNU Library General Public
  16  * License along with this library; if not, write to the
  17  * Free Software Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330,
  18  * Boston, MA 02111-1307, USA.
  19  */
  20
  21 /*
  22  * Chebyshev type 1 filter design based on
  23  * "The Scientist and Engineer's Guide to DSP", Chapter 20.
  24  * http://www.dspguide.com/
  25  *
  26  * For type 2 and Chebyshev filters in general read
  27  * http://en.wikipedia.org/wiki/Chebyshev_filter
  28  *
  29  */
  30
  31 /**
  32  * SECTION:element-audiocheblimit
  33  *
  34  * Attenuates all frequencies above the cutoff frequency (low-pass) or all frequencies below the
  35  * cutoff frequency (high-pass). The number of poles and the ripple parameter control the rolloff.
  36  *
  37  * This element has the advantage over the windowed sinc lowpass and highpass filter that it is
  38  * much faster and produces almost as good results. It's only disadvantages are the highly
  39  * non-linear phase and the slower rolloff compared to a windowed sinc filter with a large kernel.
  40  *
  41  * For type 1 the ripple parameter specifies how much ripple in dB is allowed in the passband, i.e.
  42  * some frequencies in the passband will be amplified by that value. A higher ripple value will allow
  43  * a faster rolloff.
  44  *
  45  * For type 2 the ripple parameter specifies the stopband attenuation. In the stopband the gain will
  46  * be at most this value. A lower ripple value will allow a faster rolloff.
  47  *
  48  * As a special case, a Chebyshev type 1 filter with no ripple is a Butterworth filter.
  49  * </para>
  50  * <note><para>
  51  * Be warned that a too large number of poles can produce noise. The most poles are possible with
  52  * a cutoff frequency at a quarter of the sampling rate.
  53  * </para></note>
  54  * <para>
  55  * <refsect2>
  56  * <title>Example launch line</title>
  57  * |[
  58  * gst-launch audiotestsrc freq=1500 ! audioconvert ! audiocheblimit mode=low-pass cutoff=1000 poles=4 ! audioconvert ! alsasink
  59  * gst-launch filesrc location="melo1.ogg" ! oggdemux ! vorbisdec ! audioconvert ! audiocheblimit mode=high-pass cutoff=400 ripple=0.2 ! audioconvert ! alsasink
  60  * gst-launch audiotestsrc wave=white-noise ! audioconvert ! audiocheblimit mode=low-pass cutoff=800 type=2 ! audioconvert ! alsasink
  61  * ]|
  62  * </refsect2>
  63  */
  64
  65 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  66 #include "config.h"
  67 #endif
  68
  69 #include <gst/gst.h>
  70 #include <gst/base/gstbasetransform.h>
  71 #include <gst/audio/audio.h>
  72 #include <gst/audio/gstaudiofilter.h>
  73 #include <gst/controller/gstcontroller.h>
  74
  75 #include <math.h>
  76
  77 #include "math_compat.h"
  78
  79 #include "audiocheblimit.h"
  80
  81 #define GST_CAT_DEFAULT gst_audio_cheb_limit_debug
  82 GST_DEBUG_CATEGORY_STATIC (GST_CAT_DEFAULT);
  83
  84 enum
  85 {
  86   PROP_0,
  87   PROP_MODE,
  88   PROP_TYPE,
  89   PROP_CUTOFF,
  90   PROP_RIPPLE,
  91   PROP_POLES
  92 };
  93
  94 #define DEBUG_INIT(bla) \
  95   GST_DEBUG_CATEGORY_INIT (gst_audio_cheb_limit_debug, "audiocheblimit", 0, "audiocheblimit element");
  96
  97 GST_BOILERPLATE_FULL (GstAudioChebLimit,
  98     gst_audio_cheb_limit, GstAudioFXBaseIIRFilter,
  99     GST_TYPE_AUDIO_FX_BASE_IIR_FILTER, DEBUG_INIT);
 100
 101 static void gst_audio_cheb_limit_set_property (GObject * object,
 102     guint prop_id, const GValue * value, GParamSpec * pspec);
 103 static void gst_audio_cheb_limit_get_property (GObject * object,
 104     guint prop_id, GValue * value, GParamSpec * pspec);
 105 static void gst_audio_cheb_limit_finalize (GObject * object);
 106
 107 static gboolean gst_audio_cheb_limit_setup (GstAudioFilter * filter,
 108     GstRingBufferSpec * format);
 109
 110 enum
 111 {
 112   MODE_LOW_PASS = 0,
 113   MODE_HIGH_PASS
 114 };
 115
 116 #define GST_TYPE_AUDIO_CHEBYSHEV_FREQ_LIMIT_MODE (gst_audio_cheb_limit_mode_get_type ())
 117 static GType
 118 gst_audio_cheb_limit_mode_get_type (void)
 119 {
 120   static GType gtype = 0;
 121
 122   if (gtype == 0) {
 123     static const GEnumValue values[] = {
 124       {MODE_LOW_PASS, "Low pass (default)",
 125           "low-pass"},
 126       {MODE_HIGH_PASS, "High pass",
 127           "high-pass"},
 128       {0, NULL, NULL}
 129     };
 130
 131     gtype = g_enum_register_static ("GstAudioChebLimitMode", values);
 132   }
 133   return gtype;
 134 }
 135
 136 /* GObject vmethod implementations */
 137
 138 static void
 139 gst_audio_cheb_limit_base_init (gpointer klass)
 140 {
 141   GstElementClass *element_class = GST_ELEMENT_CLASS (klass);
 142
 143   gst_element_class_set_details_simple (element_class,
 144       "Low pass & high pass filter",
 145       "Filter/Effect/Audio",
 146       "Chebyshev low pass and high pass filter",
 147       "Sebastian Dröge <sebastian.droege@collabora.co.uk>");
 148 }
 149
 150 static void
 151 gst_audio_cheb_limit_class_init (GstAudioChebLimitClass * klass)
 152 {
 153   GObjectClass *gobject_class = (GObjectClass *) klass;
 154   GstAudioFilterClass *filter_class = (GstAudioFilterClass *) klass;
 155
 156   gobject_class->set_property = gst_audio_cheb_limit_set_property;
 157   gobject_class->get_property = gst_audio_cheb_limit_get_property;
 158   gobject_class->finalize = gst_audio_cheb_limit_finalize;
 159
 160   g_object_class_install_property (gobject_class, PROP_MODE,
 161       g_param_spec_enum ("mode", "Mode",
 162           "Low pass or high pass mode",
 163           GST_TYPE_AUDIO_CHEBYSHEV_FREQ_LIMIT_MODE, MODE_LOW_PASS,
 164           G_PARAM_READWRITE | GST_PARAM_CONTROLLABLE | G_PARAM_STATIC_STRINGS));
 165   g_object_class_install_property (gobject_class, PROP_TYPE,
 166       g_param_spec_int ("type", "Type", "Type of the chebychev filter", 1, 2, 1,
 167           G_PARAM_READWRITE | GST_PARAM_CONTROLLABLE | G_PARAM_STATIC_STRINGS));
 168
 169   /* FIXME: Don't use the complete possible range but restrict the upper boundary
 170    * so automatically generated UIs can use a slider without */
 171   g_object_class_install_property (gobject_class, PROP_CUTOFF,
 172       g_param_spec_float ("cutoff", "Cutoff", "Cut off frequency (Hz)", 0.0,
 173           100000.0, 0.0,
 174           G_PARAM_READWRITE | GST_PARAM_CONTROLLABLE | G_PARAM_STATIC_STRINGS));
 175   g_object_class_install_property (gobject_class, PROP_RIPPLE,
 176       g_param_spec_float ("ripple", "Ripple", "Amount of ripple (dB)", 0.0,
 177           200.0, 0.25,
 178           G_PARAM_READWRITE | GST_PARAM_CONTROLLABLE | G_PARAM_STATIC_STRINGS));
 179
 180   /* FIXME: What to do about this upper boundary? With a cutoff frequency of
 181    * rate/4 32 poles are completely possible, with a cutoff frequency very low
 182    * or very high 16 poles already produces only noise */
 183   g_object_class_install_property (gobject_class, PROP_POLES,
 184       g_param_spec_int ("poles", "Poles",
 185           "Number of poles to use, will be rounded up to the next even number",
 186           2, 32, 4,
 187           G_PARAM_READWRITE | GST_PARAM_CONTROLLABLE | G_PARAM_STATIC_STRINGS));
 188
 189   filter_class->setup = GST_DEBUG_FUNCPTR (gst_audio_cheb_limit_setup);
 190 }
 191
 192 static void
 193 gst_audio_cheb_limit_init (GstAudioChebLimit * filter,
 194     GstAudioChebLimitClass * klass)
 195 {
 196   filter->cutoff = 0.0;
 197   filter->mode = MODE_LOW_PASS;
 198   filter->type = 1;
 199   filter->poles = 4;
 200   filter->ripple = 0.25;
 201
 202   filter->lock = g_mutex_new ();
 203 }
 204
 205 static void
 206 generate_biquad_coefficients (GstAudioChebLimit * filter,
 207     gint p, gdouble * a0, gdouble * a1, gdouble * a2,
 208     gdouble * b1, gdouble * b2)
 209 {
 210   gint np = filter->poles;
 211   gdouble ripple = filter->ripple;
 212
 213   /* pole location in s-plane */
 214   gdouble rp, ip;
 215
 216   /* zero location in s-plane */
 217   gdouble iz = 0.0;
 218
 219   /* transfer function coefficients for the z-plane */
 220   gdouble x0, x1, x2, y1, y2;
 221   gint type = filter->type;
 222
 223   /* Calculate pole location for lowpass at frequency 1 */
 224   {
 225     gdouble angle = (G_PI / 2.0) * (2.0 * p - 1) / np;
 226
 227     rp = -sin (angle);
 228     ip = cos (angle);
 229   }
 230
 231   /* If we allow ripple, move the pole from the unit
 232    * circle to an ellipse and keep cutoff at frequency 1 */
 233   if (ripple > 0 && type == 1) {
 234     gdouble es, vx;
 235
 236     es = sqrt (pow (10.0, ripple / 10.0) - 1.0);
 237
 238     vx = (1.0 / np) * asinh (1.0 / es);
 239     rp = rp * sinh (vx);
 240     ip = ip * cosh (vx);
 241   } else if (type == 2) {
 242     gdouble es, vx;
 243
 244     es = sqrt (pow (10.0, ripple / 10.0) - 1.0);
 245     vx = (1.0 / np) * asinh (es);
 246     rp = rp * sinh (vx);
 247     ip = ip * cosh (vx);
 248   }
 249
 250   /* Calculate inverse of the pole location to convert from
 251    * type I to type II */
 252   if (type == 2) {
 253     gdouble mag2 = rp * rp + ip * ip;
 254
 255     rp /= mag2;
 256     ip /= mag2;
 257   }
 258
 259   /* Calculate zero location for frequency 1 on the
 260    * unit circle for type 2 */
 261   if (type == 2) {
 262     gdouble angle = G_PI / (np * 2.0) + ((p - 1) * G_PI) / (np);
 263     gdouble mag2;
 264
 265     iz = cos (angle);
 266     mag2 = iz * iz;
 267     iz /= mag2;
 268   }
 269
 270   /* Convert from s-domain to z-domain by
 271    * using the bilinear Z-transform, i.e.
 272    * substitute s by (2/t)*((z-1)/(z+1))
 273    * with t = 2 * tan(0.5).
 274    */
 275   if (type == 1) {
 276     gdouble t, m, d;
 277
 278     t = 2.0 * tan (0.5);
 279     m = rp * rp + ip * ip;
 280     d = 4.0 - 4.0 * rp * t + m * t * t;
 281
 282     x0 = (t * t) / d;
 283     x1 = 2.0 * x0;
 284     x2 = x0;
 285     y1 = (8.0 - 2.0 * m * t * t) / d;
 286     y2 = (-4.0 - 4.0 * rp * t - m * t * t) / d;
 287   } else {
 288     gdouble t, m, d;
 289
 290     t = 2.0 * tan (0.5);
 291     m = rp * rp + ip * ip;
 292     d = 4.0 - 4.0 * rp * t + m * t * t;
 293
 294     x0 = (t * t * iz * iz + 4.0) / d;
 295     x1 = (-8.0 + 2.0 * iz * iz * t * t) / d;
 296     x2 = x0;
 297     y1 = (8.0 - 2.0 * m * t * t) / d;
 298     y2 = (-4.0 - 4.0 * rp * t - m * t * t) / d;
 299   }
 300
 301   /* Convert from lowpass at frequency 1 to either lowpass
 302    * or highpass.
 303    *
 304    * For lowpass substitute z^(-1) with:
 305    *  -1
 306    * z   - k
 307    * ------------
 308    *          -1
 309    * 1 - k * z
 310    *
 311    * k = sin((1-w)/2) / sin((1+w)/2)
 312    *
 313    * For highpass substitute z^(-1) with:
 314    *
 315    *   -1
 316    * -z   - k
 317    * ------------
 318    *          -1
 319    * 1 + k * z
 320    *
 321    * k = -cos((1+w)/2) / cos((1-w)/2)
 322    *
 323    */
 324   {
 325     gdouble k, d;
 326     gdouble omega =
 327         2.0 * G_PI * (filter->cutoff / GST_AUDIO_FILTER (filter)->format.rate);
 328
 329     if (filter->mode == MODE_LOW_PASS)
 330       k = sin ((1.0 - omega) / 2.0) / sin ((1.0 + omega) / 2.0);
 331     else
 332       k = -cos ((omega + 1.0) / 2.0) / cos ((omega - 1.0) / 2.0);
 333
 334     d = 1.0 + y1 * k - y2 * k * k;
 335     *a0 = (x0 + k * (-x1 + k * x2)) / d;
 336     *a1 = (x1 + k * k * x1 - 2.0 * k * (x0 + x2)) / d;
 337     *a2 = (x0 * k * k - x1 * k + x2) / d;
 338     *b1 = (2.0 * k + y1 + y1 * k * k - 2.0 * y2 * k) / d;
 339     *b2 = (-k * k - y1 * k + y2) / d;
 340
 341     if (filter->mode == MODE_HIGH_PASS) {
 342       *a1 = -*a1;
 343       *b1 = -*b1;
 344     }
 345   }
 346 }
 347
 348 static void
 349 generate_coefficients (GstAudioChebLimit * filter)
 350 {
 351   if (GST_AUDIO_FILTER (filter)->format.rate == 0) {
 352     gdouble *a = g_new0 (gdouble, 1);
 353
 354     a[0] = 1.0;
 355     gst_audio_fx_base_iir_filter_set_coefficients (GST_AUDIO_FX_BASE_IIR_FILTER
 356         (filter), a, 1, NULL, 0);
 357
 358     GST_LOG_OBJECT (filter, "rate was not set yet");
 359     return;
 360   }
 361
 362   if (filter->cutoff >= GST_AUDIO_FILTER (filter)->format.rate / 2.0) {
 363     gdouble *a = g_new0 (gdouble, 1);
 364
 365     a[0] = (filter->mode == MODE_LOW_PASS) ? 1.0 : 0.0;
 366     gst_audio_fx_base_iir_filter_set_coefficients (GST_AUDIO_FX_BASE_IIR_FILTER
 367         (filter), a, 1, NULL, 0);
 368     GST_LOG_OBJECT (filter, "cutoff was higher than nyquist frequency");
 369     return;
 370   } else if (filter->cutoff <= 0.0) {
 371     gdouble *a = g_new0 (gdouble, 1);
 372
 373     a[0] = (filter->mode == MODE_LOW_PASS) ? 0.0 : 1.0;
 374     gst_audio_fx_base_iir_filter_set_coefficients (GST_AUDIO_FX_BASE_IIR_FILTER
 375         (filter), a, 1, NULL, 0);
 376     GST_LOG_OBJECT (filter, "cutoff is lower than zero");
 377     return;
 378   }
 379
 380   /* Calculate coefficients for the chebyshev filter */
 381   {
 382     gint np = filter->poles;
 383     gdouble *a, *b;
 384     gint i, p;
 385
 386     a = g_new0 (gdouble, np + 3);
 387     b = g_new0 (gdouble, np + 3);
 388
 389     /* Calculate transfer function coefficients */
 390     a[2] = 1.0;
 391     b[2] = 1.0;
 392
 393     for (p = 1; p <= np / 2; p++) {
 394       gdouble a0, a1, a2, b1, b2;
 395       gdouble *ta = g_new0 (gdouble, np + 3);
 396       gdouble *tb = g_new0 (gdouble, np + 3);
 397
 398       generate_biquad_coefficients (filter, p, &a0, &a1, &a2, &b1, &b2);
 399
 400       memcpy (ta, a, sizeof (gdouble) * (np + 3));
 401       memcpy (tb, b, sizeof (gdouble) * (np + 3));
 402
 403       /* add the new coefficients for the new two poles
 404        * to the cascade by multiplication of the transfer
 405        * functions */
 406       for (i = 2; i < np + 3; i++) {
 407         a[i] = a0 * ta[i] + a1 * ta[i - 1] + a2 * ta[i - 2];
 408         b[i] = tb[i] - b1 * tb[i - 1] - b2 * tb[i - 2];
 409       }
 410       g_free (ta);
 411       g_free (tb);
 412     }
 413
 414     /* Move coefficients to the beginning of the array
 415      * and multiply the b coefficients with -1 to move from
 416      * the transfer function's coefficients to the difference
 417      * equation's coefficients */
 418     b[2] = 0.0;
 419     for (i = 0; i <= np; i++) {
 420       a[i] = a[i + 2];
 421       b[i] = -b[i + 2];
 422     }
 423
 424     /* Normalize to unity gain at frequency 0 for lowpass
 425      * and frequency 0.5 for highpass */
 426     {
 427       gdouble gain;
 428
 429       if (filter->mode == MODE_LOW_PASS)
 430         gain =
 431             gst_audio_fx_base_iir_filter_calculate_gain (a, np + 1, b, np + 1,
 432             1.0, 0.0);
 433       else
 434         gain =
 435             gst_audio_fx_base_iir_filter_calculate_gain (a, np + 1, b, np + 1,
 436             -1.0, 0.0);
 437
 438       for (i = 0; i <= np; i++) {
 439         a[i] /= gain;
 440       }
 441     }
 442
 443     gst_audio_fx_base_iir_filter_set_coefficients (GST_AUDIO_FX_BASE_IIR_FILTER
 444         (filter), a, np + 1, b, np + 1);
 445
 446     GST_LOG_OBJECT (filter,
 447         "Generated IIR coefficients for the Chebyshev filter");
 448     GST_LOG_OBJECT (filter,
 449         "mode: %s, type: %d, poles: %d, cutoff: %.2f Hz, ripple: %.2f dB",
 450         (filter->mode == MODE_LOW_PASS) ? "low-pass" : "high-pass",
 451         filter->type, filter->poles, filter->cutoff, filter->ripple);
 452     GST_LOG_OBJECT (filter, "%.2f dB gain @ 0 Hz",
 453         20.0 * log10 (gst_audio_fx_base_iir_filter_calculate_gain (a, np + 1, b,
 454                 np + 1, 1.0, 0.0)));
 455
 456 #ifndef GST_DISABLE_GST_DEBUG
 457     {
 458       gdouble wc =
 459           2.0 * G_PI * (filter->cutoff /
 460           GST_AUDIO_FILTER (filter)->format.rate);
 461       gdouble zr = cos (wc), zi = sin (wc);
 462
 463       GST_LOG_OBJECT (filter, "%.2f dB gain @ %d Hz",
 464           20.0 * log10 (gst_audio_fx_base_iir_filter_calculate_gain (a, np + 1,
 465                   b, np + 1, zr, zi)), (int) filter->cutoff);
 466     }
 467 #endif
 468
 469     GST_LOG_OBJECT (filter, "%.2f dB gain @ %d Hz",
 470         20.0 * log10 (gst_audio_fx_base_iir_filter_calculate_gain (a, np + 1, b,
 471                 np + 1, -1.0, 0.0)),
 472         GST_AUDIO_FILTER (filter)->format.rate / 2);
 473   }
 474 }
 475
 476 static void
 477 gst_audio_cheb_limit_finalize (GObject * object)
 478 {
 479   GstAudioChebLimit *filter = GST_AUDIO_CHEB_LIMIT (object);
 480
 481   g_mutex_free (filter->lock);
 482   filter->lock = NULL;
 483
 484   G_OBJECT_CLASS (parent_class)->finalize (object);
 485 }
 486
 487 static void
 488 gst_audio_cheb_limit_set_property (GObject * object, guint prop_id,
 489     const GValue * value, GParamSpec * pspec)
 490 {
 491   GstAudioChebLimit *filter = GST_AUDIO_CHEB_LIMIT (object);
 492
 493   switch (prop_id) {
 494     case PROP_MODE:
 495       g_mutex_lock (filter->lock);
 496       filter->mode = g_value_get_enum (value);
 497       generate_coefficients (filter);
 498       g_mutex_unlock (filter->lock);
 499       break;
 500     case PROP_TYPE:
 501       g_mutex_lock (filter->lock);
 502       filter->type = g_value_get_int (value);
 503       generate_coefficients (filter);
 504       g_mutex_unlock (filter->lock);
 505       break;
 506     case PROP_CUTOFF:
 507       g_mutex_lock (filter->lock);
 508       filter->cutoff = g_value_get_float (value);
 509       generate_coefficients (filter);
 510       g_mutex_unlock (filter->lock);
 511       break;
 512     case PROP_RIPPLE:
 513       g_mutex_lock (filter->lock);
 514       filter->ripple = g_value_get_float (value);
 515       generate_coefficients (filter);
 516       g_mutex_unlock (filter->lock);
 517       break;
 518     case PROP_POLES:
 519       g_mutex_lock (filter->lock);
 520       filter->poles = GST_ROUND_UP_2 (g_value_get_int (value));
 521       generate_coefficients (filter);
 522       g_mutex_unlock (filter->lock);
 523       break;
 524     default:
 525       G_OBJECT_WARN_INVALID_PROPERTY_ID (object, prop_id, pspec);
 526       break;
 527   }
 528 }
 529
 530 static void
 531 gst_audio_cheb_limit_get_property (GObject * object, guint prop_id,
 532     GValue * value, GParamSpec * pspec)
 533 {
 534   GstAudioChebLimit *filter = GST_AUDIO_CHEB_LIMIT (object);
 535
 536   switch (prop_id) {
 537     case PROP_MODE:
 538       g_value_set_enum (value, filter->mode);
 539       break;
 540     case PROP_TYPE:
 541       g_value_set_int (value, filter->type);
 542       break;
 543     case PROP_CUTOFF:
 544       g_value_set_float (value, filter->cutoff);
 545       break;
 546     case PROP_RIPPLE:
 547       g_value_set_float (value, filter->ripple);
 548       break;
 549     case PROP_POLES:
 550       g_value_set_int (value, filter->poles);
 551       break;
 552     default:
 553       G_OBJECT_WARN_INVALID_PROPERTY_ID (object, prop_id, pspec);
 554       break;
 555   }
 556 }
 557
 558 /* GstAudioFilter vmethod implementations */
 559
 560 static gboolean
 561 gst_audio_cheb_limit_setup (GstAudioFilter * base, GstRingBufferSpec * format)
 562 {
 563   GstAudioChebLimit *filter = GST_AUDIO_CHEB_LIMIT (base);
 564
 565   generate_coefficients (filter);
 566
 567   return GST_AUDIO_FILTER_CLASS (parent_class)->setup (base, format);
 568 }