remove dithering of filter coefficients, improves precision by 1-2 bits and
[ffmpeg.git] / libavcodec / 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 /**
24  * @file resample2.c
25  * audio resampling
26  * @author Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
27  */
28
29 #include "avcodec.h"
30 #include "common.h"
31 #include "dsputil.h"
32
33 #if 1
34 #define FILTER_SHIFT 15
35
36 #define FELEM int16_t
37 #define FELEM2 int32_t
38 #define FELEM_MAX INT16_MAX
39 #define FELEM_MIN INT16_MIN
40 #else
41 #define FILTER_SHIFT 22
42
43 #define FELEM int32_t
44 #define FELEM2 int64_t
45 #define FELEM_MAX INT32_MAX
46 #define FELEM_MIN INT32_MIN
47 #endif
48
49
50 typedef struct AVResampleContext{
51     FELEM *filter_bank;
52     int filter_length;
53     int ideal_dst_incr;
54     int dst_incr;
55     int index;
56     int frac;
57     int src_incr;
58     int compensation_distance;
59     int phase_shift;
60     int phase_mask;
61     int linear;
62 }AVResampleContext;
63
64 /**
65  * 0th order modified bessel function of the first kind.
66  */
67 static double bessel(double x){
68     double v=1;
69     double t=1;
70     int i;
71
72     for(i=1; i<50; i++){
73         t *= i;
74         v += pow(x*x/4, i)/(t*t);
75     }
76     return v;
77 }
78
79 /**
80  * builds a polyphase filterbank.
81  * @param factor resampling factor
82  * @param scale wanted sum of coefficients for each filter
83  * @param type 0->cubic, 1->blackman nuttall windowed sinc, 2->kaiser windowed sinc beta=16
84  */
85 void av_build_filter(FELEM *filter, double factor, int tap_count, int phase_count, int scale, int type){
86     int ph, i, v;
87     double x, y, w, tab[tap_count];
88     const int center= (tap_count-1)/2;
89
90     /* if upsampling, only need to interpolate, no filter */
91     if (factor > 1.0)
92         factor = 1.0;
93
94     for(ph=0;ph<phase_count;ph++) {
95         double norm = 0;
96         for(i=0;i<tap_count;i++) {
97             x = M_PI * ((double)(i - center) - (double)ph / phase_count) * factor;
98             if (x == 0) y = 1.0;
99             else        y = sin(x) / x;
100             switch(type){
101             case 0:{
102                 const float d= -0.5; //first order derivative = -0.5
103                 x = fabs(((double)(i - center) - (double)ph / phase_count) * factor);
104                 if(x<1.0) y= 1 - 3*x*x + 2*x*x*x + d*(            -x*x + x*x*x);
105                 else      y=                       d*(-4 + 8*x - 5*x*x + x*x*x);
106                 break;}
107             case 1:
108                 w = 2.0*x / (factor*tap_count) + M_PI;
109                 y *= 0.3635819 - 0.4891775 * cos(w) + 0.1365995 * cos(2*w) - 0.0106411 * cos(3*w);
110                 break;
111             case 2:
112                 w = 2.0*x / (factor*tap_count*M_PI);
113                 y *= bessel(16*sqrt(FFMAX(1-w*w, 0)));
114                 break;
115             }
116
117             tab[i] = y;
118             norm += y;
119         }
120
121         /* normalize so that an uniform color remains the same */
122         for(i=0;i<tap_count;i++) {
123             v = av_clip(lrintf(tab[i] * scale / norm), FELEM_MIN, FELEM_MAX);
124             filter[ph * tap_count + i] = v;
125         }
126     }
127 }
128
129 /**
130  * initalizes a audio resampler.
131  * note, if either rate is not a integer then simply scale both rates up so they are
132  */
133 AVResampleContext *av_resample_init(int out_rate, int in_rate, int filter_size, int phase_shift, int linear, double cutoff){
134     AVResampleContext *c= av_mallocz(sizeof(AVResampleContext));
135     double factor= FFMIN(out_rate * cutoff / in_rate, 1.0);
136     int phase_count= 1<<phase_shift;
137
138     c->phase_shift= phase_shift;
139     c->phase_mask= phase_count-1;
140     c->linear= linear;
141
142     c->filter_length= FFMAX((int)ceil(filter_size/factor), 1);
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 /**
161  * Compensates samplerate/timestamp drift. The compensation is done by changing
162  * the resampler parameters, so no audible clicks or similar distortions ocur
163  * @param compensation_distance distance in output samples over which the compensation should be performed
164  * @param sample_delta number of output samples which should be output less
165  *
166  * example: av_resample_compensate(c, 10, 500)
167  * here instead of 510 samples only 500 samples would be output
168  *
169  * note, due to rounding the actual compensation might be slightly different,
170  * especially if the compensation_distance is large and the in_rate used during init is small
171  */
172 void av_resample_compensate(AVResampleContext *c, int sample_delta, int compensation_distance){
173 //    sample_delta += (c->ideal_dst_incr - c->dst_incr)*(int64_t)c->compensation_distance / c->ideal_dst_incr;
174     c->compensation_distance= compensation_distance;
175     c->dst_incr = c->ideal_dst_incr - c->ideal_dst_incr * (int64_t)sample_delta / compensation_distance;
176 }
177
178 /**
179  * resamples.
180  * @param src an array of unconsumed samples
181  * @param consumed the number of samples of src which have been consumed are returned here
182  * @param src_size the number of unconsumed samples available
183  * @param dst_size the amount of space in samples available in dst
184  * @param update_ctx if this is 0 then the context wont be modified, that way several channels can be resampled with the same context
185  * @return the number of samples written in dst or -1 if an error occured
186  */
187 int av_resample(AVResampleContext *c, short *dst, short *src, int *consumed, int src_size, int dst_size, int update_ctx){
188     int dst_index, i;
189     int index= c->index;
190     int frac= c->frac;
191     int dst_incr_frac= c->dst_incr % c->src_incr;
192     int dst_incr=      c->dst_incr / c->src_incr;
193     int compensation_distance= c->compensation_distance;
194
195   if(compensation_distance == 0 && c->filter_length == 1 && c->phase_shift==0){
196         int64_t index2= ((int64_t)index)<<32;
197         int64_t incr= (1LL<<32) * c->dst_incr / c->src_incr;
198         dst_size= FFMIN(dst_size, (src_size-1-index) * (int64_t)c->src_incr / c->dst_incr);
199
200         for(dst_index=0; dst_index < dst_size; dst_index++){
201             dst[dst_index] = src[index2>>32];
202             index2 += incr;
203         }
204         frac += dst_index * dst_incr_frac;
205         index += dst_index * dst_incr;
206         index += frac / c->src_incr;
207         frac %= c->src_incr;
208   }else{
209     for(dst_index=0; dst_index < dst_size; dst_index++){
210         FELEM *filter= c->filter_bank + c->filter_length*(index & c->phase_mask);
211         int sample_index= index >> c->phase_shift;
212         FELEM2 val=0;
213
214         if(sample_index < 0){
215             for(i=0; i<c->filter_length; i++)
216                 val += src[FFABS(sample_index + i) % src_size] * filter[i];
217         }else if(sample_index + c->filter_length > src_size){
218             break;
219         }else if(c->linear){
220             int64_t v=0;
221             int sub_phase= (frac<<8) / c->src_incr;
222             for(i=0; i<c->filter_length; i++){
223                 int64_t coeff= filter[i]*(256 - sub_phase) + filter[i + c->filter_length]*sub_phase;
224                 v += src[sample_index + i] * coeff;
225             }
226             val= v>>8;
227         }else{
228             for(i=0; i<c->filter_length; i++){
229                 val += src[sample_index + i] * (FELEM2)filter[i];
230             }
231         }
232
233         val = (val + (1<<(FILTER_SHIFT-1)))>>FILTER_SHIFT;
234         dst[dst_index] = (unsigned)(val + 32768) > 65535 ? (val>>31) ^ 32767 : val;
235
236         frac += dst_incr_frac;
237         index += dst_incr;
238         if(frac >= c->src_incr){
239             frac -= c->src_incr;
240             index++;
241         }
242
243         if(dst_index + 1 == compensation_distance){
244             compensation_distance= 0;
245             dst_incr_frac= c->ideal_dst_incr % c->src_incr;
246             dst_incr=      c->ideal_dst_incr / c->src_incr;
247         }
248     }
249   }
250     *consumed= FFMAX(index, 0) >> c->phase_shift;
251     if(index>=0) index &= c->phase_mask;
252
253     if(compensation_distance){
254         compensation_distance -= dst_index;
255         assert(compensation_distance > 0);
256     }
257     if(update_ctx){
258         c->frac= frac;
259         c->index= index;
260         c->dst_incr= dst_incr_frac + c->src_incr*dst_incr;
261         c->compensation_distance= compensation_distance;
262     }
263 #if 0
264     if(update_ctx && !c->compensation_distance){
265 #undef rand
266         av_resample_compensate(c, rand() % (8000*2) - 8000, 8000*2);
267 av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "%d %d %d\n", c->dst_incr, c->ideal_dst_incr, c->compensation_distance);
268     }
269 #endif
270
271     return dst_index;
272 }