src/pulsecore/ffmpeg/resample2.c

   1 /*
   2  * audio resampling
   3  * Copyright (c) 2004 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 libavcodec/resample2.c
  24  * audio resampling
  25  * @author Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
  26  */
  27
  28 #include "avcodec.h"
  29 #include "dsputil.h"
  30
  31 #include <stdio.h>
  32 #ifndef CONFIG_RESAMPLE_HP
  33 #define FILTER_SHIFT 15
  34
  35 #define FELEM int16_t
  36 #define FELEM2 int32_t
  37 #define FELEML int64_t
  38 #define FELEM_MAX INT16_MAX
  39 #define FELEM_MIN INT16_MIN
  40 #define WINDOW_TYPE 9
  41 #elif !defined(CONFIG_RESAMPLE_AUDIOPHILE_KIDDY_MODE)
  42 #define FILTER_SHIFT 30
  43
  44 #define FELEM int32_t
  45 #define FELEM2 int64_t
  46 #define FELEML int64_t
  47 #define FELEM_MAX INT32_MAX
  48 #define FELEM_MIN INT32_MIN
  49 #define WINDOW_TYPE 12
  50 #else
  51 #define FILTER_SHIFT 0
  52
  53 #define FELEM double
  54 #define FELEM2 double
  55 #define FELEML double
  56 #define WINDOW_TYPE 24
  57 #endif
  58
  59 #define PRE_FILTER_TABLE_PATH   "/etc/pulse/filter"
  60
  61 typedef struct AVResampleContext{
  62     FELEM *filter_bank;
  63     int filter_length;
  64     int ideal_dst_incr;
  65     int dst_incr;
  66     int index;
  67     int frac;
  68     int src_incr;
  69     int compensation_distance;
  70     int phase_shift;
  71     int phase_mask;
  72     int linear;
  73 }AVResampleContext;
  74
  75 /**
  76  * 0th order modified bessel function of the first kind.
  77  */
  78 static double bessel(double x){
  79     double v=1;
  80     double t=1;
  81     int i;
  82
  83     x= x*x/4;
  84     for(i=1; i<50; i++){
  85         t *= x/(i*i);
  86         v += t;
  87     }
  88     return v;
  89 }
  90
  91 /**
  92  * builds a polyphase filterbank.
  93  * @param factor resampling factor
  94  * @param scale wanted sum of coefficients for each filter
  95  * @param type 0->cubic, 1->blackman nuttall windowed sinc, 2..16->kaiser windowed sinc beta=2..16
  96  */
  97 void av_build_filter(FELEM *filter, double factor, int tap_count, int phase_count, int scale, int type){
  98     int ph, i;
  99     double x, y, w, tab[tap_count];
 100     const int center= (tap_count-1)/2;
 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         for(i=0;i<tap_count;i++) {
 135 #ifdef CONFIG_RESAMPLE_AUDIOPHILE_KIDDY_MODE
 136             filter[ph * tap_count + i] = tab[i] / norm;
 137 #else
 138             filter[ph * tap_count + i] = av_clip(lrintf(tab[i] * scale / norm), FELEM_MIN, FELEM_MAX);
 139 #endif
 140         }
 141     }
 142 #if 0
 143     {
 144 #define LEN 1024
 145         int j,k;
 146         double sine[LEN + tap_count];
 147         double filtered[LEN];
 148         double maxff=-2, minff=2, maxsf=-2, minsf=2;
 149         for(i=0; i<LEN; i++){
 150             double ss=0, sf=0, ff=0;
 151             for(j=0; j<LEN+tap_count; j++)
 152                 sine[j]= cos(i*j*M_PI/LEN);
 153             for(j=0; j<LEN; j++){
 154                 double sum=0;
 155                 ph=0;
 156                 for(k=0; k<tap_count; k++)
 157                     sum += filter[ph * tap_count + k] * sine[k+j];
 158                 filtered[j]= sum / (1<<FILTER_SHIFT);
 159                 ss+= sine[j + center] * sine[j + center];
 160                 ff+= filtered[j] * filtered[j];
 161                 sf+= sine[j + center] * filtered[j];
 162             }
 163             ss= sqrt(2*ss/LEN);
 164             ff= sqrt(2*ff/LEN);
 165             sf= 2*sf/LEN;
 166             maxff= FFMAX(maxff, ff);
 167             minff= FFMIN(minff, ff);
 168             maxsf= FFMAX(maxsf, sf);
 169             minsf= FFMIN(minsf, sf);
 170             if(i%11==0){
 171                 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);
 172                 minff=minsf= 2;
 173                 maxff=maxsf= -2;
 174             }
 175         }
 176     }
 177 #endif
 178 }
 179
 180 int64_t __gettime(void)
 181 {
 182         struct timeval tv;
 183         gettimeofday(&tv,NULL);
 184         return (int64_t)tv.tv_sec * 1000000 + tv.tv_usec;
 185 }
 186
 187 #define PRELOAD_FILTER
 188
 189 AVResampleContext *av_resample_init(int out_rate, int in_rate, int filter_size, int phase_shift, int linear, double cutoff)
 190 {
 191 #ifdef DEBUG_MODE
 192     int64_t start = __gettime ();
 193     printf("[%s][%d] out=%d, in=%d, filter_size=%d, phase_shift=%d, linear=%d, cutoff=%f\n", __func__, __LINE__,
 194             out_rate, in_rate, filter_size, phase_shift, linear, cutoff);
 195 #endif
 196     AVResampleContext *c= av_mallocz(sizeof(AVResampleContext));
 197     double factor= FFMIN(out_rate * cutoff / in_rate, 1.0);
 198     int phase_count= 1<<phase_shift;
 199
 200     c->phase_shift= phase_shift;
 201     c->phase_mask= phase_count-1;
 202     c->linear= linear;
 203
 204     c->filter_length= FFMAX((int)ceil(filter_size/factor), 1);
 205     c->filter_bank= av_mallocz(c->filter_length*(phase_count+1)*sizeof(FELEM));
 206 #ifdef DEBUG_MODE
 207     printf("factor=%f, filter length=%d, filter_bank size=%d\n", factor, c->filter_length, c->filter_length*(phase_count+1)*sizeof(FELEM));
 208 #endif
 209
 210     int filter_bank_size = c->filter_length*(phase_count+1)*sizeof(FELEM);
 211
 212 #ifndef PRELOAD_FILTER
 213     av_build_filter(c->filter_bank, factor, c->filter_length, phase_count, 1<<FILTER_SHIFT, WINDOW_TYPE);
 214 #else // PRELOAD_FILTER
 215     char filter_data_name[256];
 216     pa_snprintf (filter_data_name, sizeof(filter_data_name), "%s/filter_%d_%d.dat", PRE_FILTER_TABLE_PATH, in_rate, out_rate);
 217
 218 #ifdef DEBUG_MODE
 219     printf ("filter_data_name = %s\n", filter_data_name);
 220 #endif
 221
 222     /* Check whether pre-created file is exists */
 223     FILE* f1 = fopen(filter_data_name, "r");
 224     if (f1) {
 225         /* Read pre-created filter data */
 226         if (fread (c->filter_bank, 1, filter_bank_size, f1) != filter_bank_size) {
 227             printf ("Error!!! Loading Filter [%s]!!!!!\n", filter_data_name);
 228         } else {
 229             printf ("Filter [%s] Loaded!!!!\n", filter_data_name);
 230         }
 231         fclose (f1);
 232     } else {
 233         /* If not exist, Create filter data */
 234         av_build_filter(c->filter_bank, factor, c->filter_length, phase_count, 1<<FILTER_SHIFT, WINDOW_TYPE);
 235
 236         /* Save filter data */
 237         FILE* f2 = fopen(filter_data_name, "w");
 238         if (f2) {
 239             if (fwrite(c->filter_bank, 1, filter_bank_size, f2) == filter_bank_size) {
 240                 printf ("Filter data [%s] saved\n", filter_data_name);
 241             } else {
 242                 printf ("Error!!! Writing Filter data [%s]\n", filter_data_name);
 243             }
 244             fclose (f2);
 245         } else {
 246             printf ("Error!!! Failed to open filter data file [%s]\n", filter_data_name);
 247         }
 248
 249     }
 250 #endif // PRELOAD_FILTER
 251     memcpy(&c->filter_bank[c->filter_length*phase_count+1], c->filter_bank, (c->filter_length-1)*sizeof(FELEM));
 252     c->filter_bank[c->filter_length*phase_count]= c->filter_bank[c->filter_length - 1];
 253
 254     c->src_incr= out_rate;
 255     c->ideal_dst_incr= c->dst_incr= in_rate * phase_count;
 256     c->index= -phase_count*((c->filter_length-1)/2);
 257 #ifdef DEBUG_MODE
 258     printf("[%s][%d] elapsed = %lld\n", __func__, __LINE__, __gettime() - start);
 259 #endif
 260
 261     return c;
 262 }
 263
 264 void av_resample_close(AVResampleContext *c){
 265     av_freep(&c->filter_bank);
 266     av_freep(&c);
 267 }
 268
 269 void av_resample_compensate(AVResampleContext *c, int sample_delta, int compensation_distance){
 270 //    sample_delta += (c->ideal_dst_incr - c->dst_incr)*(int64_t)c->compensation_distance / c->ideal_dst_incr;
 271     c->compensation_distance= compensation_distance;
 272     c->dst_incr = c->ideal_dst_incr - c->ideal_dst_incr * (int64_t)sample_delta / compensation_distance;
 273 }
 274
 275 int av_resample(AVResampleContext *c, short *dst, short *src, int *consumed, int src_size, int dst_size, int update_ctx){
 276     int dst_index, i;
 277     int index= c->index;
 278     int frac= c->frac;
 279     int dst_incr_frac= c->dst_incr % c->src_incr;
 280     int dst_incr=      c->dst_incr / c->src_incr;
 281     int compensation_distance= c->compensation_distance;
 282
 283   if(compensation_distance == 0 && c->filter_length == 1 && c->phase_shift==0){
 284         int64_t index2= ((int64_t)index)<<32;
 285         int64_t incr= (1LL<<32) * c->dst_incr / c->src_incr;
 286         dst_size= FFMIN(dst_size, (src_size-1-index) * (int64_t)c->src_incr / c->dst_incr);
 287
 288         for(dst_index=0; dst_index < dst_size; dst_index++){
 289             dst[dst_index] = src[index2>>32];
 290             index2 += incr;
 291         }
 292         frac += dst_index * dst_incr_frac;
 293         index += dst_index * dst_incr;
 294         index += frac / c->src_incr;
 295         frac %= c->src_incr;
 296   }else{
 297     for(dst_index=0; dst_index < dst_size; dst_index++){
 298         FELEM *filter= c->filter_bank + c->filter_length*(index & c->phase_mask);
 299         int sample_index= index >> c->phase_shift;
 300         FELEM2 val=0;
 301
 302         if(sample_index < 0){
 303             for(i=0; i<c->filter_length; i++)
 304                 val += src[FFABS(sample_index + i) % src_size] * filter[i];
 305         }else if(sample_index + c->filter_length > src_size){
 306             break;
 307         }else if(c->linear){
 308             FELEM2 v2=0;
 309             for(i=0; i<c->filter_length; i++){
 310                 val += src[sample_index + i] * (FELEM2)filter[i];
 311                 v2  += src[sample_index + i] * (FELEM2)filter[i + c->filter_length];
 312             }
 313             val+=(v2-val)*(FELEML)frac / c->src_incr;
 314         }else{
 315             for(i=0; i<c->filter_length; i++){
 316                 val += src[sample_index + i] * (FELEM2)filter[i];
 317             }
 318         }
 319
 320 #ifdef CONFIG_RESAMPLE_AUDIOPHILE_KIDDY_MODE
 321         dst[dst_index] = av_clip_int16(lrintf(val));
 322 #else
 323         val = (val + (1<<(FILTER_SHIFT-1)))>>FILTER_SHIFT;
 324         dst[dst_index] = (unsigned)(val + 32768) > 65535 ? (val>>31) ^ 32767 : val;
 325 #endif
 326
 327         frac += dst_incr_frac;
 328         index += dst_incr;
 329         if(frac >= c->src_incr){
 330             frac -= c->src_incr;
 331             index++;
 332         }
 333
 334         if(dst_index + 1 == compensation_distance){
 335             compensation_distance= 0;
 336             dst_incr_frac= c->ideal_dst_incr % c->src_incr;
 337             dst_incr=      c->ideal_dst_incr / c->src_incr;
 338         }
 339     }
 340   }
 341     *consumed= FFMAX(index, 0) >> c->phase_shift;
 342     if(index>=0) index &= c->phase_mask;
 343
 344     if(compensation_distance){
 345         compensation_distance -= dst_index;
 346         assert(compensation_distance > 0);
 347     }
 348     if(update_ctx){
 349         c->frac= frac;
 350         c->index= index;
 351         c->dst_incr= dst_incr_frac + c->src_incr*dst_incr;
 352         c->compensation_distance= compensation_distance;
 353     }
 354 #if 0
 355     if(update_ctx && !c->compensation_distance){
 356 #undef rand
 357         av_resample_compensate(c, rand() % (8000*2) - 8000, 8000*2);
 358 av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "%d %d %d\n", c->dst_incr, c->ideal_dst_incr, c->compensation_distance);
 359     }
 360 #endif
 361
 362     return dst_index;
 363 }