make filter size, int32/int16 and a few other things selectable at compiletime
[ffmpeg.git] / libavcodec / resample2.c
1 /*
2  * audio resampling
3  * Copyright (c) 2004 Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
4  *
5  * This library is free software; you can redistribute it and/or
6  * modify it under the terms of the GNU Lesser 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  * Lesser General Public License for more details.
14  *
15  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
16  * License along with this library; if not, write to the Free Software
17  * Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA
18  *
19  */
20  
21 /**
22  * @file resample2.c
23  * audio resampling
24  * @author Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
25  */
26
27 #include "avcodec.h"
28 #include "common.h"
29 #include "dsputil.h"
30
31 #define PHASE_SHIFT 10
32 #define PHASE_COUNT (1<<PHASE_SHIFT)
33 #define PHASE_MASK (PHASE_COUNT-1)
34 #define FILTER_SIZE 16
35 //#define LINEAR 1
36
37 #if 1
38 #define FILTER_SHIFT 15
39
40 #define FELEM int16_t
41 #define FELEM2 int32_t
42 #define FELEM_MAX INT16_MAX
43 #define FELEM_MIN INT16_MIN
44 #else
45 #define FILTER_SHIFT 24
46
47 #define FELEM int32_t
48 #define FELEM2 int64_t
49 #define FELEM_MAX INT32_MAX
50 #define FELEM_MIN INT32_MIN
51 #endif
52
53
54 typedef struct AVResampleContext{
55     FELEM *filter_bank;
56     int filter_length;
57     int ideal_dst_incr;
58     int dst_incr;
59     int index;
60     int frac;
61     int src_incr;
62     int compensation_distance;
63 }AVResampleContext;
64
65 /**
66  * 0th order modified bessel function of the first kind.
67  */
68 double bessel(double x){
69     double v=1;
70     double t=1;
71     int i;
72     
73     for(i=1; i<50; i++){
74         t *= i;
75         v += pow(x*x/4, i)/(t*t);
76     }
77     return v;
78 }
79
80 /**
81  * builds a polyphase filterbank.
82  * @param factor resampling factor
83  * @param scale wanted sum of coefficients for each filter
84  * @param type 0->cubic, 1->blackman nuttall windowed sinc, 2->kaiser windowed sinc beta=16
85  */
86 void av_build_filter(FELEM *filter, double factor, int tap_count, int phase_count, int scale, int type){
87     int ph, i, v;
88     double x, y, w, tab[tap_count];
89     const int center= (tap_count-1)/2;
90
91     /* if upsampling, only need to interpolate, no filter */
92     if (factor > 1.0)
93         factor = 1.0;
94
95     for(ph=0;ph<phase_count;ph++) {
96         double norm = 0;
97         double e= 0;
98         for(i=0;i<tap_count;i++) {
99             x = M_PI * ((double)(i - center) - (double)ph / phase_count) * factor;
100             if (x == 0) y = 1.0;
101             else        y = sin(x) / x;
102             switch(type){
103             case 0:{
104                 const float d= -0.5; //first order derivative = -0.5
105                 x = fabs(((double)(i - center) - (double)ph / phase_count) * factor);
106                 if(x<1.0) y= 1 - 3*x*x + 2*x*x*x + d*(            -x*x + x*x*x);
107                 else      y=                       d*(-4 + 8*x - 5*x*x + x*x*x);
108                 break;}
109             case 1:
110                 w = 2.0*x / (factor*tap_count) + M_PI;
111                 y *= 0.3635819 - 0.4891775 * cos(w) + 0.1365995 * cos(2*w) - 0.0106411 * cos(3*w);
112                 break;
113             case 2:
114                 w = 2.0*x / (factor*tap_count*M_PI);
115                 y *= bessel(16*sqrt(FFMAX(1-w*w, 0)));
116                 break;
117             }
118
119             tab[i] = y;
120             norm += y;
121         }
122
123         /* normalize so that an uniform color remains the same */
124         for(i=0;i<tap_count;i++) {
125             v = clip(lrintf(tab[i] * scale / norm + e), FELEM_MIN, FELEM_MAX);
126             filter[ph * tap_count + i] = v;
127             e += tab[i] * scale / norm - v;
128         }
129     }
130 }
131
132 /**
133  * initalizes a audio resampler.
134  * note, if either rate is not a integer then simply scale both rates up so they are
135  */
136 AVResampleContext *av_resample_init(int out_rate, int in_rate){
137     AVResampleContext *c= av_mallocz(sizeof(AVResampleContext));
138     double factor= FFMIN(out_rate / (double)in_rate, 1.0);
139
140     memset(c, 0, sizeof(AVResampleContext));
141
142     c->filter_length= ceil(FILTER_SIZE/factor);
143     c->filter_bank= av_mallocz(c->filter_length*(PHASE_COUNT+1)*sizeof(FELEM));
144     av_build_filter(c->filter_bank, factor, c->filter_length, PHASE_COUNT, 1<<FILTER_SHIFT, 1);
145     memcpy(&c->filter_bank[c->filter_length*PHASE_COUNT+1], c->filter_bank, (c->filter_length-1)*sizeof(FELEM));
146     c->filter_bank[c->filter_length*PHASE_COUNT]= c->filter_bank[c->filter_length - 1];
147
148     c->src_incr= out_rate;
149     c->ideal_dst_incr= c->dst_incr= in_rate * PHASE_COUNT;
150     c->index= -PHASE_COUNT*((c->filter_length-1)/2);
151
152     return c;
153 }
154
155 void av_resample_close(AVResampleContext *c){
156     av_freep(&c->filter_bank);
157     av_freep(&c);
158 }
159
160 void av_resample_compensate(AVResampleContext *c, int sample_delta, int compensation_distance){
161 //    sample_delta += (c->ideal_dst_incr - c->dst_incr)*(int64_t)c->compensation_distance / c->ideal_dst_incr;
162     c->compensation_distance= compensation_distance;
163     c->dst_incr = c->ideal_dst_incr - c->ideal_dst_incr * (int64_t)sample_delta / compensation_distance;
164 }
165
166 /**
167  * resamples.
168  * @param src an array of unconsumed samples
169  * @param consumed the number of samples of src which have been consumed are returned here
170  * @param src_size the number of unconsumed samples available
171  * @param dst_size the amount of space in samples available in dst
172  * @param update_ctx if this is 0 then the context wont be modified, that way several channels can be resampled with the same context
173  * @return the number of samples written in dst or -1 if an error occured
174  */
175 int av_resample(AVResampleContext *c, short *dst, short *src, int *consumed, int src_size, int dst_size, int update_ctx){
176     int dst_index, i;
177     int index= c->index;
178     int frac= c->frac;
179     int dst_incr_frac= c->dst_incr % c->src_incr;
180     int dst_incr=      c->dst_incr / c->src_incr;
181     int compensation_distance= c->compensation_distance;
182     
183     for(dst_index=0; dst_index < dst_size; dst_index++){
184         FELEM *filter= c->filter_bank + c->filter_length*(index & PHASE_MASK);
185         int sample_index= index >> PHASE_SHIFT;
186         FELEM2 val=0;
187                 
188         if(sample_index < 0){
189             for(i=0; i<c->filter_length; i++)
190                 val += src[ABS(sample_index + i) % src_size] * filter[i];
191         }else if(sample_index + c->filter_length > src_size){
192             break;
193         }else{
194 #ifdef LINEAR
195             int64_t v=0;
196             int sub_phase= (frac<<12) / c->src_incr;
197             for(i=0; i<c->filter_length; i++){
198                 int64_t coeff= filter[i]*(FELEM2)(4096 - sub_phase) + filter[i + c->filter_length]*(FELEM2)sub_phase;
199                 v += src[sample_index + i] * coeff;
200             }
201             val= v>>12;
202 #else
203             for(i=0; i<c->filter_length; i++){
204                 val += src[sample_index + i] * (FELEM2)filter[i];
205             }
206 #endif
207         }
208
209         val = (val + (1<<(FILTER_SHIFT-1)))>>FILTER_SHIFT;
210         dst[dst_index] = (unsigned)(val + 32768) > 65535 ? (val>>31) ^ 32767 : val;
211
212         frac += dst_incr_frac;
213         index += dst_incr;
214         if(frac >= c->src_incr){
215             frac -= c->src_incr;
216             index++;
217         }
218
219         if(dst_index + 1 == compensation_distance){
220             compensation_distance= 0;
221             dst_incr_frac= c->ideal_dst_incr % c->src_incr;
222             dst_incr=      c->ideal_dst_incr / c->src_incr;
223         }
224     }
225     *consumed= FFMAX(index, 0) >> PHASE_SHIFT;
226     index= FFMIN(index, 0);
227
228     if(compensation_distance){
229         compensation_distance -= dst_index;
230         assert(compensation_distance > 0);
231     }
232     if(update_ctx){
233         c->frac= frac;
234         c->index= index;
235         c->dst_incr= dst_incr_frac + c->src_incr*dst_incr;
236         c->compensation_distance= compensation_distance;
237     }
238 #if 0    
239     if(update_ctx && !c->compensation_distance){
240 #undef rand
241         av_resample_compensate(c, rand() % (8000*2) - 8000, 8000*2);
242 av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "%d %d %d\n", c->dst_incr, c->ideal_dst_incr, c->compensation_distance);
243     }
244 #endif
245     
246     return dst_index;
247 }