avfilter/vf_blend: add extremity blend mode
[ffmpeg.git] / libavfilter / af_superequalizer.c
1 /*
2  * Copyright (c) 2002 Naoki Shibata
3  * Copyright (c) 2017 Paul B Mahol
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 #include "libavutil/opt.h"
23
24 #include "libavcodec/avfft.h"
25
26 #include "audio.h"
27 #include "avfilter.h"
28 #include "internal.h"
29
30 #define NBANDS 17
31 #define M 15
32
33 typedef struct EqParameter {
34     float lower, upper, gain;
35 } EqParameter;
36
37 typedef struct SuperEqualizerContext {
38     const AVClass *class;
39
40     EqParameter params[NBANDS + 1];
41
42     float gains[NBANDS + 1];
43
44     float fact[M + 1];
45     float aa;
46     float iza;
47     float *ires, *irest;
48     float *fsamples;
49     int winlen, tabsize;
50
51     AVFrame *in, *out;
52     RDFTContext *rdft, *irdft;
53 } SuperEqualizerContext;
54
55 static const float bands[] = {
56     65.406392, 92.498606, 130.81278, 184.99721, 261.62557, 369.99442, 523.25113, 739.9884, 1046.5023,
57     1479.9768, 2093.0045, 2959.9536, 4186.0091, 5919.9072, 8372.0181, 11839.814, 16744.036
58 };
59
60 static float izero(SuperEqualizerContext *s, float x)
61 {
62     float ret = 1;
63     int m;
64
65     for (m = 1; m <= M; m++) {
66         float t;
67
68         t = pow(x / 2, m) / s->fact[m];
69         ret += t*t;
70     }
71
72     return ret;
73 }
74
75 static float hn_lpf(int n, float f, float fs)
76 {
77     float t = 1 / fs;
78     float omega = 2 * M_PI * f;
79
80     if (n * omega * t == 0)
81         return 2 * f * t;
82     return 2 * f * t * sinf(n * omega * t) / (n * omega * t);
83 }
84
85 static float hn_imp(int n)
86 {
87     return n == 0 ? 1.f : 0.f;
88 }
89
90 static float hn(int n, EqParameter *param, float fs)
91 {
92     float ret, lhn;
93     int i;
94
95     lhn = hn_lpf(n, param[0].upper, fs);
96     ret = param[0].gain*lhn;
97
98     for (i = 1; i < NBANDS + 1 && param[i].upper < fs / 2; i++) {
99         float lhn2 = hn_lpf(n, param[i].upper, fs);
100         ret += param[i].gain * (lhn2 - lhn);
101         lhn = lhn2;
102     }
103
104     ret += param[i].gain * (hn_imp(n) - lhn);
105
106     return ret;
107 }
108
109 static float alpha(float a)
110 {
111     if (a <= 21)
112         return 0;
113     if (a <= 50)
114         return .5842f * pow(a - 21, 0.4f) + 0.07886f * (a - 21);
115     return .1102f * (a - 8.7f);
116 }
117
118 static float win(SuperEqualizerContext *s, float n, int N)
119 {
120     return izero(s, alpha(s->aa) * sqrtf(1 - 4 * n * n / ((N - 1) * (N - 1)))) / s->iza;
121 }
122
123 static void process_param(float *bc, EqParameter *param, float fs)
124 {
125     int i;
126
127     for (i = 0; i <= NBANDS; i++) {
128         param[i].lower = i == 0 ? 0 : bands[i - 1];
129         param[i].upper = i == NBANDS ? fs : bands[i];
130         param[i].gain  = bc[i];
131     }
132 }
133
134 static int equ_init(SuperEqualizerContext *s, int wb)
135 {
136     int i,j;
137
138     s->rdft  = av_rdft_init(wb, DFT_R2C);
139     s->irdft = av_rdft_init(wb, IDFT_C2R);
140     if (!s->rdft || !s->irdft)
141         return AVERROR(ENOMEM);
142
143     s->aa = 96;
144     s->winlen = (1 << (wb-1))-1;
145     s->tabsize  = 1 << wb;
146
147     s->ires     = av_calloc(s->tabsize, sizeof(float));
148     s->irest    = av_calloc(s->tabsize, sizeof(float));
149     s->fsamples = av_calloc(s->tabsize, sizeof(float));
150
151     for (i = 0; i <= M; i++) {
152         s->fact[i] = 1;
153         for (j = 1; j <= i; j++)
154             s->fact[i] *= j;
155     }
156
157     s->iza = izero(s, alpha(s->aa));
158
159     return 0;
160 }
161
162 static void make_fir(SuperEqualizerContext *s, float *lbc, float *rbc, EqParameter *param, float fs)
163 {
164     const int winlen = s->winlen;
165     const int tabsize = s->tabsize;
166     float *nires;
167     int i;
168
169     if (fs <= 0)
170         return;
171
172     process_param(lbc, param, fs);
173     for (i = 0; i < winlen; i++)
174         s->irest[i] = hn(i - winlen / 2, param, fs) * win(s, i - winlen / 2, winlen);
175     for (; i < tabsize; i++)
176         s->irest[i] = 0;
177
178     av_rdft_calc(s->rdft, s->irest);
179     nires = s->ires;
180     for (i = 0; i < tabsize; i++)
181         nires[i] = s->irest[i];
182 }
183
184 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *in)
185 {
186     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
187     SuperEqualizerContext *s = ctx->priv;
188     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
189     const float *ires = s->ires;
190     float *fsamples = s->fsamples;
191     int ch, i;
192
193     AVFrame *out = ff_get_audio_buffer(outlink, s->winlen);
194     float *src, *dst, *ptr;
195
196     if (!out) {
197         av_frame_free(&in);
198         return AVERROR(ENOMEM);
199     }
200
201     for (ch = 0; ch < in->channels; ch++) {
202         ptr = (float *)out->extended_data[ch];
203         dst = (float *)s->out->extended_data[ch];
204         src = (float *)in->extended_data[ch];
205
206         for (i = 0; i < s->winlen; i++)
207             fsamples[i] = src[i];
208         for (; i < s->tabsize; i++)
209             fsamples[i] = 0;
210
211         av_rdft_calc(s->rdft, fsamples);
212
213         fsamples[0] = ires[0] * fsamples[0];
214         fsamples[1] = ires[1] * fsamples[1];
215         for (i = 1; i < s->tabsize / 2; i++) {
216             float re, im;
217
218             re = ires[i*2  ] * fsamples[i*2] - ires[i*2+1] * fsamples[i*2+1];
219             im = ires[i*2+1] * fsamples[i*2] + ires[i*2  ] * fsamples[i*2+1];
220
221             fsamples[i*2  ] = re;
222             fsamples[i*2+1] = im;
223         }
224
225         av_rdft_calc(s->irdft, fsamples);
226
227         for (i = 0; i < s->winlen; i++)
228             dst[i] += fsamples[i] / s->tabsize * 2;
229         for (i = s->winlen; i < s->tabsize; i++)
230             dst[i]  = fsamples[i] / s->tabsize * 2;
231         for (i = 0; i < s->winlen; i++)
232             ptr[i] = dst[i];
233         for (i = 0; i < s->winlen; i++)
234             dst[i] = dst[i+s->winlen];
235     }
236
237     out->pts = in->pts;
238     av_frame_free(&in);
239
240     return ff_filter_frame(outlink, out);
241 }
242
243 static av_cold int init(AVFilterContext *ctx)
244 {
245     SuperEqualizerContext *s = ctx->priv;
246
247     return equ_init(s, 14);
248 }
249
250 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
251 {
252     AVFilterFormats *formats;
253     AVFilterChannelLayouts *layouts;
254     static const enum AVSampleFormat sample_fmts[] = {
255         AV_SAMPLE_FMT_FLTP,
256         AV_SAMPLE_FMT_NONE
257     };
258     int ret;
259
260     layouts = ff_all_channel_counts();
261     if (!layouts)
262         return AVERROR(ENOMEM);
263     ret = ff_set_common_channel_layouts(ctx, layouts);
264     if (ret < 0)
265         return ret;
266
267     formats = ff_make_format_list(sample_fmts);
268     if ((ret = ff_set_common_formats(ctx, formats)) < 0)
269         return ret;
270
271     formats = ff_all_samplerates();
272     return ff_set_common_samplerates(ctx, formats);
273 }
274
275 static int config_input(AVFilterLink *inlink)
276 {
277     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
278     SuperEqualizerContext *s = ctx->priv;
279
280     inlink->partial_buf_size =
281     inlink->min_samples =
282     inlink->max_samples = s->winlen;
283
284     s->out = ff_get_audio_buffer(inlink, s->tabsize);
285     if (!s->out)
286         return AVERROR(ENOMEM);
287
288     return 0;
289 }
290
291 static int config_output(AVFilterLink *outlink)
292 {
293     AVFilterContext *ctx = outlink->src;
294     SuperEqualizerContext *s = ctx->priv;
295
296     make_fir(s, s->gains, s->gains, s->params, outlink->sample_rate);
297
298     return 0;
299 }
300
301 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
302 {
303     SuperEqualizerContext *s = ctx->priv;
304
305     av_frame_free(&s->out);
306     av_freep(&s->irest);
307     av_freep(&s->ires);
308     av_freep(&s->fsamples);
309     av_rdft_end(s->rdft);
310     av_rdft_end(s->irdft);
311 }
312
313 static const AVFilterPad superequalizer_inputs[] = {
314     {
315         .name         = "default",
316         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
317         .filter_frame = filter_frame,
318         .config_props = config_input,
319     },
320     { NULL }
321 };
322
323 static const AVFilterPad superequalizer_outputs[] = {
324     {
325         .name         = "default",
326         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
327         .config_props = config_output,
328     },
329     { NULL }
330 };
331
332 #define AF AV_OPT_FLAG_AUDIO_PARAM|AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM
333 #define OFFSET(x) offsetof(SuperEqualizerContext, x)
334
335 static const AVOption superequalizer_options[] = {
336     {  "1b", "set 65Hz band gain",    OFFSET(gains [0]), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1}, 0, 20, AF },
337     {  "2b", "set 92Hz band gain",    OFFSET(gains [1]), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1}, 0, 20, AF },
338     {  "3b", "set 131Hz band gain",   OFFSET(gains [2]), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1}, 0, 20, AF },
339     {  "4b", "set 185Hz band gain",   OFFSET(gains [3]), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1}, 0, 20, AF },
340     {  "5b", "set 262Hz band gain",   OFFSET(gains [4]), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1}, 0, 20, AF },
341     {  "6b", "set 370Hz band gain",   OFFSET(gains [5]), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1}, 0, 20, AF },
342     {  "7b", "set 523Hz band gain",   OFFSET(gains [6]), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1}, 0, 20, AF },
343     {  "8b", "set 740Hz band gain",   OFFSET(gains [7]), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1}, 0, 20, AF },
344     {  "9b", "set 1047Hz band gain",  OFFSET(gains [8]), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1}, 0, 20, AF },
345     { "10b", "set 1480Hz band gain",  OFFSET(gains [9]), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1}, 0, 20, AF },
346     { "11b", "set 2093Hz band gain",  OFFSET(gains[10]), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1}, 0, 20, AF },
347     { "12b", "set 2960Hz band gain",  OFFSET(gains[11]), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1}, 0, 20, AF },
348     { "13b", "set 4186Hz band gain",  OFFSET(gains[12]), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1}, 0, 20, AF },
349     { "14b", "set 5920Hz band gain",  OFFSET(gains[13]), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1}, 0, 20, AF },
350     { "15b", "set 8372Hz band gain",  OFFSET(gains[14]), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1}, 0, 20, AF },
351     { "16b", "set 11840Hz band gain", OFFSET(gains[15]), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1}, 0, 20, AF },
352     { "17b", "set 16744Hz band gain", OFFSET(gains[16]), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1}, 0, 20, AF },
353     { "18b", "set 20000Hz band gain", OFFSET(gains[17]), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl=1}, 0, 20, AF },
354     { NULL }
355 };
356
357 AVFILTER_DEFINE_CLASS(superequalizer);
358
359 AVFilter ff_af_superequalizer = {
360     .name          = "superequalizer",
361     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Apply 18 band equalization filter."),
362     .priv_size     = sizeof(SuperEqualizerContext),
363     .priv_class    = &superequalizer_class,
364     .query_formats = query_formats,
365     .init          = init,
366     .uninit        = uninit,
367     .inputs        = superequalizer_inputs,
368     .outputs       = superequalizer_outputs,
369 };