accd8c7911d4b1c3455bda64d53a7b6d1e68458c
[ffmpeg.git] / libavfilter / avf_showspectrum.c
1 /*
2  * Copyright (c) 2012-2013 Clément Bœsch
3  * Copyright (c) 2013 Rudolf Polzer <divverent@xonotic.org>
4  * Copyright (c) 2015 Paul B Mahol
5  *
6  * This file is part of FFmpeg.
7  *
8  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
9  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
10  * License as published by the Free Software Foundation; either
11  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
12  *
13  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
14  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
15  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
16  * Lesser General Public License for more details.
17  *
18  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
19  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
20  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
21  */
22
23 /**
24  * @file
25  * audio to spectrum (video) transmedia filter, based on ffplay rdft showmode
26  * (by Michael Niedermayer) and lavfi/avf_showwaves (by Stefano Sabatini).
27  */
28
29 #include <math.h>
30
31 #include "libavcodec/avfft.h"
32 #include "libavutil/audio_fifo.h"
33 #include "libavutil/avassert.h"
34 #include "libavutil/channel_layout.h"
35 #include "libavutil/opt.h"
36 #include "audio.h"
37 #include "video.h"
38 #include "avfilter.h"
39 #include "internal.h"
40 #include "window_func.h"
41
42 enum DisplayMode  { COMBINED, SEPARATE, NB_MODES };
43 enum DisplayScale { LINEAR, SQRT, CBRT, LOG, FOURTHRT, FIFTHRT, NB_SCALES };
44 enum ColorMode    { CHANNEL, INTENSITY, RAINBOW, MORELAND, NEBULAE, FIRE, FIERY, NB_CLMODES };
45 enum SlideMode    { REPLACE, SCROLL, FULLFRAME, RSCROLL, NB_SLIDES };
46 enum Orientation  { VERTICAL, HORIZONTAL, NB_ORIENTATIONS };
47
48 typedef struct {
49     const AVClass *class;
50     int w, h;
51     AVFrame *outpicref;
52     int nb_display_channels;
53     int orientation;
54     int channel_width;
55     int channel_height;
56     int sliding;                ///< 1 if sliding mode, 0 otherwise
57     int mode;                   ///< channel display mode
58     int color_mode;             ///< display color scheme
59     int scale;
60     float saturation;           ///< color saturation multiplier
61     int xpos;                   ///< x position (current column)
62     FFTContext *fft;            ///< Fast Fourier Transform context
63     int fft_bits;               ///< number of bits (FFT window size = 1<<fft_bits)
64     FFTComplex **fft_data;      ///< bins holder for each (displayed) channels
65     float *window_func_lut;     ///< Window function LUT
66     float **magnitudes;
67     int win_func;
68     int win_size;
69     double win_scale;
70     float overlap;
71     float gain;
72     int skip_samples;
73     float *combine_buffer;      ///< color combining buffer (3 * h items)
74     AVAudioFifo *fifo;
75     int64_t pts;
76     int single_pic;
77 } ShowSpectrumContext;
78
79 #define OFFSET(x) offsetof(ShowSpectrumContext, x)
80 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM|AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM
81
82 static const AVOption showspectrum_options[] = {
83     { "size", "set video size", OFFSET(w), AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str = "640x512"}, 0, 0, FLAGS },
84     { "s",    "set video size", OFFSET(w), AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str = "640x512"}, 0, 0, FLAGS },
85     { "slide", "set sliding mode", OFFSET(sliding), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64 = 0}, 0, NB_SLIDES-1, FLAGS, "slide" },
86         { "replace", "replace old columns with new", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=REPLACE}, 0, 0, FLAGS, "slide" },
87         { "scroll", "scroll from right to left", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=SCROLL}, 0, 0, FLAGS, "slide" },
88         { "rscroll", "scroll from left to right", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=RSCROLL}, 0, 0, FLAGS, "slide" },
89         { "fullframe", "return full frames", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FULLFRAME}, 0, 0, FLAGS, "slide" },
90     { "mode", "set channel display mode", OFFSET(mode), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=COMBINED}, COMBINED, NB_MODES-1, FLAGS, "mode" },
91         { "combined", "combined mode", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=COMBINED}, 0, 0, FLAGS, "mode" },
92         { "separate", "separate mode", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=SEPARATE}, 0, 0, FLAGS, "mode" },
93     { "color", "set channel coloring", OFFSET(color_mode), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=CHANNEL}, CHANNEL, NB_CLMODES-1, FLAGS, "color" },
94         { "channel",   "separate color for each channel", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=CHANNEL},   0, 0, FLAGS, "color" },
95         { "intensity", "intensity based coloring",        0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=INTENSITY}, 0, 0, FLAGS, "color" },
96         { "rainbow",   "rainbow based coloring",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=RAINBOW},   0, 0, FLAGS, "color" },
97         { "moreland",  "moreland based coloring",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=MORELAND},  0, 0, FLAGS, "color" },
98         { "nebulae",   "nebulae based coloring",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=NEBULAE},   0, 0, FLAGS, "color" },
99         { "fire",      "fire based coloring",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FIRE},      0, 0, FLAGS, "color" },
100         { "fiery",     "fiery based coloring",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FIERY},     0, 0, FLAGS, "color" },
101     { "scale", "set display scale", OFFSET(scale), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=SQRT}, LINEAR, NB_SCALES-1, FLAGS, "scale" },
102         { "sqrt", "square root", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=SQRT},   0, 0, FLAGS, "scale" },
103         { "cbrt", "cubic root",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=CBRT},   0, 0, FLAGS, "scale" },
104         { "4thrt","4th root",    0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FOURTHRT}, 0, 0, FLAGS, "scale" },
105         { "5thrt","5th root",    0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FIFTHRT},  0, 0, FLAGS, "scale" },
106         { "log",  "logarithmic", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=LOG},    0, 0, FLAGS, "scale" },
107         { "lin",  "linear",      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=LINEAR}, 0, 0, FLAGS, "scale" },
108     { "saturation", "color saturation multiplier", OFFSET(saturation), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl = 1}, -10, 10, FLAGS },
109     { "win_func", "set window function", OFFSET(win_func), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64 = WFUNC_HANNING}, 0, NB_WFUNC-1, FLAGS, "win_func" },
110         { "rect",     "Rectangular",      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_RECT},     0, 0, FLAGS, "win_func" },
111         { "bartlett", "Bartlett",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BARTLETT}, 0, 0, FLAGS, "win_func" },
112         { "hann",     "Hann",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HANNING},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
113         { "hanning",  "Hanning",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HANNING},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
114         { "hamming",  "Hamming",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HAMMING},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
115         { "blackman", "Blackman",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BLACKMAN}, 0, 0, FLAGS, "win_func" },
116         { "welch",    "Welch",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_WELCH},    0, 0, FLAGS, "win_func" },
117         { "flattop",  "Flat-top",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_FLATTOP},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
118         { "bharris",  "Blackman-Harris",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BHARRIS},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
119         { "bnuttall", "Blackman-Nuttall", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BNUTTALL}, 0, 0, FLAGS, "win_func" },
120         { "bhann",    "Bartlett-Hann",    0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BHANN},    0, 0, FLAGS, "win_func" },
121         { "sine",     "Sine",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_SINE},     0, 0, FLAGS, "win_func" },
122         { "nuttall",  "Nuttall",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_NUTTALL},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
123         { "lanczos",  "Lanczos",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_LANCZOS},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
124         { "gauss",    "Gauss",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_GAUSS},    0, 0, FLAGS, "win_func" },
125     { "orientation", "set orientation", OFFSET(orientation), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=VERTICAL}, 0, NB_ORIENTATIONS-1, FLAGS, "orientation" },
126         { "vertical",   NULL, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=VERTICAL},   0, 0, FLAGS, "orientation" },
127         { "horizontal", NULL, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=HORIZONTAL}, 0, 0, FLAGS, "orientation" },
128     { "overlap", "set window overlap", OFFSET(overlap), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl = 0}, 0, 1, FLAGS },
129     { "gain", "set scale gain", OFFSET(gain), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl = 1}, 0, 128, FLAGS },
130     { NULL }
131 };
132
133 AVFILTER_DEFINE_CLASS(showspectrum);
134
135 static const struct ColorTable {
136     float a, y, u, v;
137 } color_table[][8] = {
138     [INTENSITY] = {
139     {    0,                  0,                  0,                   0 },
140     { 0.13, .03587126228984074,  .1573300977624594, -.02548747583751842 },
141     { 0.30, .18572281794568020,  .1772436246393981,  .17475554840414750 },
142     { 0.60, .28184980583656130, -.1593064119945782,  .47132074554608920 },
143     { 0.73, .65830621175547810, -.3716070802232764,  .24352759331252930 },
144     { 0.78, .76318535758242900, -.4307467689263783,  .16866496622310430 },
145     { 0.91, .95336363636363640, -.2045454545454546,  .03313636363636363 },
146     {    1,                  1,                  0,                   0 }},
147     [RAINBOW] = {
148     {    0,                  0,                  0,                   0 },
149     { 0.13,            44/256.,     (189-128)/256.,      (138-128)/256. },
150     { 0.25,            29/256.,     (186-128)/256.,      (119-128)/256. },
151     { 0.38,           119/256.,     (194-128)/256.,       (53-128)/256. },
152     { 0.60,           111/256.,      (73-128)/256.,       (59-128)/256. },
153     { 0.73,           205/256.,      (19-128)/256.,      (149-128)/256. },
154     { 0.86,           135/256.,      (83-128)/256.,      (200-128)/256. },
155     {    1,            73/256.,      (95-128)/256.,      (225-128)/256. }},
156     [MORELAND] = {
157     {    0,            44/256.,     (181-128)/256.,      (112-128)/256. },
158     { 0.13,           126/256.,     (177-128)/256.,      (106-128)/256. },
159     { 0.25,           164/256.,     (163-128)/256.,      (109-128)/256. },
160     { 0.38,           200/256.,     (140-128)/256.,      (120-128)/256. },
161     { 0.60,           201/256.,     (117-128)/256.,      (141-128)/256. },
162     { 0.73,           177/256.,     (103-128)/256.,      (165-128)/256. },
163     { 0.86,           136/256.,     (100-128)/256.,      (183-128)/256. },
164     {    1,            68/256.,     (117-128)/256.,      (203-128)/256. }},
165     [NEBULAE] = {
166     {    0,            10/256.,     (134-128)/256.,      (132-128)/256. },
167     { 0.23,            21/256.,     (137-128)/256.,      (130-128)/256. },
168     { 0.45,            35/256.,     (134-128)/256.,      (134-128)/256. },
169     { 0.57,            51/256.,     (130-128)/256.,      (139-128)/256. },
170     { 0.67,           104/256.,     (116-128)/256.,      (162-128)/256. },
171     { 0.77,           120/256.,     (105-128)/256.,      (188-128)/256. },
172     { 0.87,           140/256.,     (105-128)/256.,      (188-128)/256. },
173     {    1,                  1,                  0,                   0 }},
174     [FIRE] = {
175     {    0,                  0,                  0,                   0 },
176     { 0.23,            44/256.,     (132-128)/256.,      (127-128)/256. },
177     { 0.45,            62/256.,     (116-128)/256.,      (140-128)/256. },
178     { 0.57,            75/256.,     (105-128)/256.,      (152-128)/256. },
179     { 0.67,            95/256.,      (91-128)/256.,      (166-128)/256. },
180     { 0.77,           126/256.,      (74-128)/256.,      (172-128)/256. },
181     { 0.87,           164/256.,      (73-128)/256.,      (162-128)/256. },
182     {    1,                  1,                  0,                   0 }},
183     [FIERY] = {
184     {    0,                  0,                  0,                   0 },
185     { 0.23,            36/256.,     (116-128)/256.,      (163-128)/256. },
186     { 0.45,            52/256.,     (102-128)/256.,      (200-128)/256. },
187     { 0.57,           116/256.,      (84-128)/256.,      (196-128)/256. },
188     { 0.67,           157/256.,      (67-128)/256.,      (181-128)/256. },
189     { 0.77,           193/256.,      (40-128)/256.,      (155-128)/256. },
190     { 0.87,           221/256.,     (101-128)/256.,      (134-128)/256. },
191     {    1,                  1,                  0,                   0 }},
192 };
193
194 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
195 {
196     ShowSpectrumContext *s = ctx->priv;
197     int i;
198
199     av_freep(&s->combine_buffer);
200     av_fft_end(s->fft);
201     if (s->fft_data) {
202         for (i = 0; i < s->nb_display_channels; i++)
203             av_freep(&s->fft_data[i]);
204     }
205     av_freep(&s->fft_data);
206     av_freep(&s->window_func_lut);
207     if (s->magnitudes) {
208         for (i = 0; i < s->nb_display_channels; i++)
209             av_freep(&s->magnitudes[i]);
210     }
211     av_freep(&s->magnitudes);
212     av_frame_free(&s->outpicref);
213     av_audio_fifo_free(s->fifo);
214 }
215
216 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
217 {
218     AVFilterFormats *formats = NULL;
219     AVFilterChannelLayouts *layouts = NULL;
220     AVFilterLink *inlink = ctx->inputs[0];
221     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
222     static const enum AVSampleFormat sample_fmts[] = { AV_SAMPLE_FMT_FLTP, AV_SAMPLE_FMT_NONE };
223     static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = { AV_PIX_FMT_YUVJ444P, AV_PIX_FMT_NONE };
224     int ret;
225
226     /* set input audio formats */
227     formats = ff_make_format_list(sample_fmts);
228     if ((ret = ff_formats_ref(formats, &inlink->out_formats)) < 0)
229         return ret;
230
231     layouts = ff_all_channel_layouts();
232     if ((ret = ff_channel_layouts_ref(layouts, &inlink->out_channel_layouts)) < 0)
233         return ret;
234
235     formats = ff_all_samplerates();
236     if ((ret = ff_formats_ref(formats, &inlink->out_samplerates)) < 0)
237         return ret;
238
239     /* set output video format */
240     formats = ff_make_format_list(pix_fmts);
241     if ((ret = ff_formats_ref(formats, &outlink->in_formats)) < 0)
242         return ret;
243
244     return 0;
245 }
246
247 static int config_output(AVFilterLink *outlink)
248 {
249     AVFilterContext *ctx = outlink->src;
250     AVFilterLink *inlink = ctx->inputs[0];
251     ShowSpectrumContext *s = ctx->priv;
252     int i, fft_bits, h, w;
253     float overlap;
254
255     if (!strcmp(ctx->filter->name, "showspectrumpic"))
256         s->single_pic = 1;
257
258     outlink->w = s->w;
259     outlink->h = s->h;
260
261     h = (s->mode == COMBINED || s->orientation == HORIZONTAL) ? outlink->h : outlink->h / inlink->channels;
262     w = (s->mode == COMBINED || s->orientation == VERTICAL)   ? outlink->w : outlink->w / inlink->channels;
263     s->channel_height = h;
264     s->channel_width  = w;
265
266     if (s->orientation == VERTICAL) {
267         /* FFT window size (precision) according to the requested output frame height */
268         for (fft_bits = 1; 1 << fft_bits < 2 * h; fft_bits++);
269     } else {
270         /* FFT window size (precision) according to the requested output frame width */
271         for (fft_bits = 1; 1 << fft_bits < 2 * w; fft_bits++);
272     }
273     s->win_size = 1 << fft_bits;
274
275     /* (re-)configuration if the video output changed (or first init) */
276     if (fft_bits != s->fft_bits) {
277         AVFrame *outpicref;
278
279         av_fft_end(s->fft);
280         s->fft = av_fft_init(fft_bits, 0);
281         if (!s->fft) {
282             av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "Unable to create FFT context. "
283                    "The window size might be too high.\n");
284             return AVERROR(EINVAL);
285         }
286         s->fft_bits = fft_bits;
287
288         /* FFT buffers: x2 for each (display) channel buffer.
289          * Note: we use free and malloc instead of a realloc-like function to
290          * make sure the buffer is aligned in memory for the FFT functions. */
291         for (i = 0; i < s->nb_display_channels; i++)
292             av_freep(&s->fft_data[i]);
293         av_freep(&s->fft_data);
294         s->nb_display_channels = inlink->channels;
295
296         s->magnitudes = av_calloc(s->nb_display_channels, sizeof(*s->magnitudes));
297         if (!s->magnitudes)
298             return AVERROR(ENOMEM);
299         for (i = 0; i < s->nb_display_channels; i++) {
300             s->magnitudes[i] = av_calloc(s->orientation == VERTICAL ? s->h : s->w, sizeof(**s->magnitudes));
301             if (!s->magnitudes[i])
302                 return AVERROR(ENOMEM);
303         }
304
305         s->fft_data = av_calloc(s->nb_display_channels, sizeof(*s->fft_data));
306         if (!s->fft_data)
307             return AVERROR(ENOMEM);
308         for (i = 0; i < s->nb_display_channels; i++) {
309             s->fft_data[i] = av_calloc(s->win_size, sizeof(**s->fft_data));
310             if (!s->fft_data[i])
311                 return AVERROR(ENOMEM);
312         }
313
314         /* pre-calc windowing function */
315         s->window_func_lut =
316             av_realloc_f(s->window_func_lut, s->win_size,
317                          sizeof(*s->window_func_lut));
318         if (!s->window_func_lut)
319             return AVERROR(ENOMEM);
320         ff_generate_window_func(s->window_func_lut, s->win_size, s->win_func, &overlap);
321         if (s->overlap == 1)
322             s->overlap = overlap;
323         s->skip_samples = (1. - s->overlap) * s->win_size;
324         if (s->skip_samples < 1) {
325             av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "overlap %f too big\n", s->overlap);
326             return AVERROR(EINVAL);
327         }
328
329         for (s->win_scale = 0, i = 0; i < s->win_size; i++) {
330             s->win_scale += s->window_func_lut[i] * s->window_func_lut[i];
331         }
332         s->win_scale = 1. / sqrt(s->win_scale);
333
334         /* prepare the initial picref buffer (black frame) */
335         av_frame_free(&s->outpicref);
336         s->outpicref = outpicref =
337             ff_get_video_buffer(outlink, outlink->w, outlink->h);
338         if (!outpicref)
339             return AVERROR(ENOMEM);
340         outlink->sample_aspect_ratio = (AVRational){1,1};
341         for (i = 0; i < outlink->h; i++) {
342             memset(outpicref->data[0] + i * outpicref->linesize[0],   0, outlink->w);
343             memset(outpicref->data[1] + i * outpicref->linesize[1], 128, outlink->w);
344             memset(outpicref->data[2] + i * outpicref->linesize[2], 128, outlink->w);
345         }
346     }
347
348     if ((s->orientation == VERTICAL   && s->xpos >= outlink->w) ||
349         (s->orientation == HORIZONTAL && s->xpos >= outlink->h))
350         s->xpos = 0;
351
352     outlink->frame_rate = av_make_q(inlink->sample_rate, s->win_size * (1.-s->overlap));
353     if (s->orientation == VERTICAL && s->sliding == FULLFRAME)
354         outlink->frame_rate.den *= outlink->w;
355     if (s->orientation == HORIZONTAL && s->sliding == FULLFRAME)
356         outlink->frame_rate.den *= outlink->h;
357
358     if (s->orientation == VERTICAL) {
359         s->combine_buffer =
360             av_realloc_f(s->combine_buffer, outlink->h * 3,
361                          sizeof(*s->combine_buffer));
362     } else {
363         s->combine_buffer =
364             av_realloc_f(s->combine_buffer, outlink->w * 3,
365                          sizeof(*s->combine_buffer));
366     }
367
368     av_log(ctx, AV_LOG_VERBOSE, "s:%dx%d FFT window size:%d\n",
369            s->w, s->h, s->win_size);
370
371     av_audio_fifo_free(s->fifo);
372     s->fifo = av_audio_fifo_alloc(inlink->format, inlink->channels, s->win_size);
373     if (!s->fifo)
374         return AVERROR(ENOMEM);
375     return 0;
376 }
377
378 static void run_fft(ShowSpectrumContext *s, AVFrame *fin)
379 {
380     int ch, n;
381
382     /* fill FFT input with the number of samples available */
383     for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++) {
384         const float *p = (float *)fin->extended_data[ch];
385
386         for (n = 0; n < s->win_size; n++) {
387             s->fft_data[ch][n].re = p[n] * s->window_func_lut[n];
388             s->fft_data[ch][n].im = 0;
389         }
390     }
391
392     /* run FFT on each samples set */
393     for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++) {
394         av_fft_permute(s->fft, s->fft_data[ch]);
395         av_fft_calc(s->fft, s->fft_data[ch]);
396     }
397 }
398
399 #define RE(y, ch) s->fft_data[ch][y].re
400 #define IM(y, ch) s->fft_data[ch][y].im
401 #define MAGNITUDE(y, ch) hypot(RE(y, ch), IM(y, ch))
402
403 static void calc_magnitudes(ShowSpectrumContext *s)
404 {
405     int ch, y, h = s->orientation == VERTICAL ? s->h : s->w;
406
407     for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++) {
408         float *magnitudes = s->magnitudes[ch];
409
410         for (y = 0; y < h; y++)
411             magnitudes[y] = MAGNITUDE(y, ch);
412     }
413 }
414
415 static void acalc_magnitudes(ShowSpectrumContext *s)
416 {
417     int ch, y, h = s->orientation == VERTICAL ? s->h : s->w;
418
419     for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++) {
420         float *magnitudes = s->magnitudes[ch];
421
422         for (y = 0; y < h; y++)
423             magnitudes[y] += MAGNITUDE(y, ch);
424     }
425 }
426
427 static void scale_magnitudes(ShowSpectrumContext *s, float scale)
428 {
429     int ch, y, h = s->orientation == VERTICAL ? s->h : s->w;
430
431     for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++) {
432         float *magnitudes = s->magnitudes[ch];
433
434         for (y = 0; y < h; y++)
435             magnitudes[y] *= scale;
436     }
437 }
438
439 static void pick_color(ShowSpectrumContext *s,
440                        float yf, float uf, float vf,
441                        float a, float *out)
442 {
443     if (s->color_mode > CHANNEL) {
444         const int cm = s->color_mode;
445         float y, u, v;
446         int i;
447
448         for (i = 1; i < FF_ARRAY_ELEMS(color_table[cm]) - 1; i++)
449             if (color_table[cm][i].a >= a)
450                 break;
451         // i now is the first item >= the color
452         // now we know to interpolate between item i - 1 and i
453         if (a <= color_table[cm][i - 1].a) {
454             y = color_table[cm][i - 1].y;
455             u = color_table[cm][i - 1].u;
456             v = color_table[cm][i - 1].v;
457         } else if (a >= color_table[cm][i].a) {
458             y = color_table[cm][i].y;
459             u = color_table[cm][i].u;
460             v = color_table[cm][i].v;
461         } else {
462             float start = color_table[cm][i - 1].a;
463             float end = color_table[cm][i].a;
464             float lerpfrac = (a - start) / (end - start);
465             y = color_table[cm][i - 1].y * (1.0f - lerpfrac)
466               + color_table[cm][i].y * lerpfrac;
467             u = color_table[cm][i - 1].u * (1.0f - lerpfrac)
468               + color_table[cm][i].u * lerpfrac;
469             v = color_table[cm][i - 1].v * (1.0f - lerpfrac)
470               + color_table[cm][i].v * lerpfrac;
471         }
472
473         out[0] += y * yf;
474         out[1] += u * uf;
475         out[2] += v * vf;
476     } else {
477         out[0] += a * yf;
478         out[1] += a * uf;
479         out[2] += a * vf;
480     }
481 }
482
483 static void clear_combine_buffer(ShowSpectrumContext *s, int size)
484 {
485     int y;
486
487     for (y = 0; y < size; y++) {
488         s->combine_buffer[3 * y    ] = 0;
489         s->combine_buffer[3 * y + 1] = 127.5;
490         s->combine_buffer[3 * y + 2] = 127.5;
491     }
492 }
493
494 static int plot_spectrum_column(AVFilterLink *inlink, AVFrame *insamples)
495 {
496     int ret;
497     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
498     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
499     ShowSpectrumContext *s = ctx->priv;
500     AVFrame *outpicref = s->outpicref;
501     const double w = s->win_scale;
502     const float g = s->gain;
503     int h = s->orientation == VERTICAL ? s->channel_height : s->channel_width;
504
505     int ch, plane, x, y;
506
507     /* fill a new spectrum column */
508     /* initialize buffer for combining to black */
509     clear_combine_buffer(s, s->orientation == VERTICAL ? outlink->h : outlink->w);
510
511     for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++) {
512         float *magnitudes = s->magnitudes[ch];
513         float yf, uf, vf;
514
515         /* decide color range */
516         switch (s->mode) {
517         case COMBINED:
518             // reduce range by channel count
519             yf = 256.0f / s->nb_display_channels;
520             switch (s->color_mode) {
521             case RAINBOW:
522             case MORELAND:
523             case NEBULAE:
524             case FIRE:
525             case FIERY:
526             case INTENSITY:
527                 uf = yf;
528                 vf = yf;
529                 break;
530             case CHANNEL:
531                 /* adjust saturation for mixed UV coloring */
532                 /* this factor is correct for infinite channels, an approximation otherwise */
533                 uf = yf * M_PI;
534                 vf = yf * M_PI;
535                 break;
536             default:
537                 av_assert0(0);
538             }
539             break;
540         case SEPARATE:
541             // full range
542             yf = 256.0f;
543             uf = 256.0f;
544             vf = 256.0f;
545             break;
546         default:
547             av_assert0(0);
548         }
549
550         if (s->color_mode == CHANNEL) {
551             if (s->nb_display_channels > 1) {
552                 uf *= 0.5 * sin((2 * M_PI * ch) / s->nb_display_channels);
553                 vf *= 0.5 * cos((2 * M_PI * ch) / s->nb_display_channels);
554             } else {
555                 uf = 0.0f;
556                 vf = 0.0f;
557             }
558         }
559         uf *= s->saturation;
560         vf *= s->saturation;
561
562         /* draw the channel */
563         for (y = 0; y < h; y++) {
564             int row = (s->mode == COMBINED) ? y : ch * h + y;
565             float *out = &s->combine_buffer[3 * row];
566
567             /* get magnitude */
568             float a = g * w * magnitudes[y];
569
570             /* apply scale */
571             switch (s->scale) {
572             case LINEAR:
573                 break;
574             case SQRT:
575                 a = sqrt(a);
576                 break;
577             case CBRT:
578                 a = cbrt(a);
579                 break;
580             case FOURTHRT:
581                 a = pow(a, 0.25);
582                 break;
583             case FIFTHRT:
584                 a = pow(a, 0.20);
585                 break;
586             case LOG:
587                 a = 1 + log10(FFMAX(FFMIN(1, a * w), 1e-6)) / 6; // zero = -120dBFS
588                 break;
589             default:
590                 av_assert0(0);
591             }
592
593             pick_color(s, yf, uf, vf, a, out);
594         }
595     }
596
597     av_frame_make_writable(s->outpicref);
598     /* copy to output */
599     if (s->orientation == VERTICAL) {
600         if (s->sliding == SCROLL) {
601             for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
602                 for (y = 0; y < outlink->h; y++) {
603                     uint8_t *p = outpicref->data[plane] +
604                                  y * outpicref->linesize[plane];
605                     memmove(p, p + 1, outlink->w - 1);
606                 }
607             }
608             s->xpos = outlink->w - 1;
609         } else if (s->sliding == RSCROLL) {
610             for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
611                 for (y = 0; y < outlink->h; y++) {
612                     uint8_t *p = outpicref->data[plane] +
613                                  y * outpicref->linesize[plane];
614                     memmove(p + 1, p, outlink->w - 1);
615                 }
616             }
617             s->xpos = 0;
618         }
619         for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
620             uint8_t *p = outpicref->data[plane] +
621                          (outlink->h - 1) * outpicref->linesize[plane] +
622                          s->xpos;
623             for (y = 0; y < outlink->h; y++) {
624                 *p = lrint(FFMAX(0, FFMIN(s->combine_buffer[3 * y + plane], 255)));
625                 p -= outpicref->linesize[plane];
626             }
627         }
628     } else {
629         if (s->sliding == SCROLL) {
630             for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
631                 for (y = 1; y < outlink->h; y++) {
632                     memmove(outpicref->data[plane] + (y-1) * outpicref->linesize[plane],
633                             outpicref->data[plane] + (y  ) * outpicref->linesize[plane],
634                             outlink->w);
635                 }
636             }
637             s->xpos = outlink->h - 1;
638         } else if (s->sliding == RSCROLL) {
639             for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
640                 for (y = outlink->h - 1; y >= 1; y--) {
641                     memmove(outpicref->data[plane] + (y  ) * outpicref->linesize[plane],
642                             outpicref->data[plane] + (y-1) * outpicref->linesize[plane],
643                             outlink->w);
644                 }
645             }
646             s->xpos = 0;
647         }
648         for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
649             uint8_t *p = outpicref->data[plane] +
650                          s->xpos * outpicref->linesize[plane];
651             for (x = 0; x < outlink->w; x++) {
652                 *p = lrint(FFMAX(0, FFMIN(s->combine_buffer[3 * x + plane], 255)));
653                 p++;
654             }
655         }
656     }
657
658     if (s->sliding != FULLFRAME || s->xpos == 0)
659         outpicref->pts = insamples->pts;
660
661     s->xpos++;
662     if (s->orientation == VERTICAL && s->xpos >= outlink->w)
663         s->xpos = 0;
664     if (s->orientation == HORIZONTAL && s->xpos >= outlink->h)
665         s->xpos = 0;
666     if (!s->single_pic && (s->sliding != FULLFRAME || s->xpos == 0)) {
667         ret = ff_filter_frame(outlink, av_frame_clone(s->outpicref));
668         if (ret < 0)
669             return ret;
670     }
671
672     return s->win_size;
673 }
674
675 #if CONFIG_SHOWSPECTRUM_FILTER
676
677 static int request_frame(AVFilterLink *outlink)
678 {
679     ShowSpectrumContext *s = outlink->src->priv;
680     AVFilterLink *inlink = outlink->src->inputs[0];
681     unsigned i;
682     int ret;
683
684     ret = ff_request_frame(inlink);
685     if (ret == AVERROR_EOF && s->sliding == FULLFRAME && s->xpos > 0 &&
686         s->outpicref) {
687         if (s->orientation == VERTICAL) {
688             for (i = 0; i < outlink->h; i++) {
689                 memset(s->outpicref->data[0] + i * s->outpicref->linesize[0] + s->xpos,   0, outlink->w - s->xpos);
690                 memset(s->outpicref->data[1] + i * s->outpicref->linesize[1] + s->xpos, 128, outlink->w - s->xpos);
691                 memset(s->outpicref->data[2] + i * s->outpicref->linesize[2] + s->xpos, 128, outlink->w - s->xpos);
692             }
693         } else {
694             for (i = s->xpos; i < outlink->h; i++) {
695                 memset(s->outpicref->data[0] + i * s->outpicref->linesize[0],   0, outlink->w);
696                 memset(s->outpicref->data[1] + i * s->outpicref->linesize[1], 128, outlink->w);
697                 memset(s->outpicref->data[2] + i * s->outpicref->linesize[2], 128, outlink->w);
698             }
699         }
700         ret = ff_filter_frame(outlink, s->outpicref);
701         s->outpicref = NULL;
702     }
703
704     return ret;
705 }
706
707 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *insamples)
708 {
709     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
710     ShowSpectrumContext *s = ctx->priv;
711     AVFrame *fin = NULL;
712     int ret = 0;
713
714     av_audio_fifo_write(s->fifo, (void **)insamples->extended_data, insamples->nb_samples);
715     av_frame_free(&insamples);
716     while (av_audio_fifo_size(s->fifo) >= s->win_size) {
717         fin = ff_get_audio_buffer(inlink, s->win_size);
718         if (!fin) {
719             ret = AVERROR(ENOMEM);
720             goto fail;
721         }
722
723         fin->pts = s->pts;
724         s->pts += s->skip_samples;
725         ret = av_audio_fifo_peek(s->fifo, (void **)fin->extended_data, s->win_size);
726         if (ret < 0)
727             goto fail;
728
729         av_assert0(fin->nb_samples == s->win_size);
730
731         run_fft(s, fin);
732         calc_magnitudes(s);
733
734         ret = plot_spectrum_column(inlink, fin);
735         av_frame_free(&fin);
736         av_audio_fifo_drain(s->fifo, s->skip_samples);
737         if (ret < 0)
738             goto fail;
739     }
740
741 fail:
742     av_frame_free(&fin);
743     return ret;
744 }
745
746 static const AVFilterPad showspectrum_inputs[] = {
747     {
748         .name         = "default",
749         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
750         .filter_frame = filter_frame,
751     },
752     { NULL }
753 };
754
755 static const AVFilterPad showspectrum_outputs[] = {
756     {
757         .name          = "default",
758         .type          = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
759         .config_props  = config_output,
760         .request_frame = request_frame,
761     },
762     { NULL }
763 };
764
765 AVFilter ff_avf_showspectrum = {
766     .name          = "showspectrum",
767     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Convert input audio to a spectrum video output."),
768     .uninit        = uninit,
769     .query_formats = query_formats,
770     .priv_size     = sizeof(ShowSpectrumContext),
771     .inputs        = showspectrum_inputs,
772     .outputs       = showspectrum_outputs,
773     .priv_class    = &showspectrum_class,
774 };
775 #endif // CONFIG_SHOWSPECTRUM_FILTER
776
777 #if CONFIG_SHOWSPECTRUMPIC_FILTER
778
779 static const AVOption showspectrumpic_options[] = {
780     { "size", "set video size", OFFSET(w), AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str = "4096x2048"}, 0, 0, FLAGS },
781     { "s",    "set video size", OFFSET(w), AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str = "4096x2048"}, 0, 0, FLAGS },
782     { "mode", "set channel display mode", OFFSET(mode), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=COMBINED}, 0, NB_MODES-1, FLAGS, "mode" },
783         { "combined", "combined mode", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=COMBINED}, 0, 0, FLAGS, "mode" },
784         { "separate", "separate mode", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=SEPARATE}, 0, 0, FLAGS, "mode" },
785     { "color", "set channel coloring", OFFSET(color_mode), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=INTENSITY}, 0, NB_CLMODES-1, FLAGS, "color" },
786         { "channel",   "separate color for each channel", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=CHANNEL},   0, 0, FLAGS, "color" },
787         { "intensity", "intensity based coloring",        0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=INTENSITY}, 0, 0, FLAGS, "color" },
788         { "rainbow",   "rainbow based coloring",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=RAINBOW},   0, 0, FLAGS, "color" },
789         { "moreland",  "moreland based coloring",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=MORELAND},  0, 0, FLAGS, "color" },
790         { "nebulae",   "nebulae based coloring",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=NEBULAE},   0, 0, FLAGS, "color" },
791         { "fire",      "fire based coloring",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FIRE},      0, 0, FLAGS, "color" },
792         { "fiery",     "fiery based coloring",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FIERY},     0, 0, FLAGS, "color" },
793     { "scale", "set display scale", OFFSET(scale), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=LOG}, 0, NB_SCALES-1, FLAGS, "scale" },
794         { "sqrt", "square root", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=SQRT},   0, 0, FLAGS, "scale" },
795         { "cbrt", "cubic root",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=CBRT},   0, 0, FLAGS, "scale" },
796         { "4thrt","4th root",    0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FOURTHRT}, 0, 0, FLAGS, "scale" },
797         { "5thrt","5th root",    0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FIFTHRT},  0, 0, FLAGS, "scale" },
798         { "log",  "logarithmic", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=LOG},    0, 0, FLAGS, "scale" },
799         { "lin",  "linear",      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=LINEAR}, 0, 0, FLAGS, "scale" },
800     { "saturation", "color saturation multiplier", OFFSET(saturation), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl = 1}, -10, 10, FLAGS },
801     { "win_func", "set window function", OFFSET(win_func), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64 = WFUNC_HANNING}, 0, NB_WFUNC-1, FLAGS, "win_func" },
802         { "rect",     "Rectangular",      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_RECT},     0, 0, FLAGS, "win_func" },
803         { "bartlett", "Bartlett",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BARTLETT}, 0, 0, FLAGS, "win_func" },
804         { "hann",     "Hann",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HANNING},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
805         { "hanning",  "Hanning",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HANNING},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
806         { "hamming",  "Hamming",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HAMMING},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
807         { "blackman", "Blackman",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BLACKMAN}, 0, 0, FLAGS, "win_func" },
808         { "welch",    "Welch",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_WELCH},    0, 0, FLAGS, "win_func" },
809         { "flattop",  "Flat-top",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_FLATTOP},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
810         { "bharris",  "Blackman-Harris",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BHARRIS},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
811         { "bnuttall", "Blackman-Nuttall", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BNUTTALL}, 0, 0, FLAGS, "win_func" },
812         { "bhann",    "Bartlett-Hann",    0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BHANN},    0, 0, FLAGS, "win_func" },
813         { "sine",     "Sine",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_SINE},     0, 0, FLAGS, "win_func" },
814         { "nuttall",  "Nuttall",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_NUTTALL},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
815         { "lanczos",  "Lanczos",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_LANCZOS},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
816         { "gauss",    "Gauss",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_GAUSS},    0, 0, FLAGS, "win_func" },
817     { "orientation", "set orientation", OFFSET(orientation), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=VERTICAL}, 0, NB_ORIENTATIONS-1, FLAGS, "orientation" },
818         { "vertical",   NULL, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=VERTICAL},   0, 0, FLAGS, "orientation" },
819         { "horizontal", NULL, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=HORIZONTAL}, 0, 0, FLAGS, "orientation" },
820     { "gain", "set scale gain", OFFSET(gain), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl = 1}, 0, 128, FLAGS },
821     { NULL }
822 };
823
824 AVFILTER_DEFINE_CLASS(showspectrumpic);
825
826 static int showspectrumpic_request_frame(AVFilterLink *outlink)
827 {
828     ShowSpectrumContext *s = outlink->src->priv;
829     AVFilterLink *inlink = outlink->src->inputs[0];
830     int ret;
831
832     ret = ff_request_frame(inlink);
833     if (ret == AVERROR_EOF && s->outpicref) {
834         int samples = av_audio_fifo_size(s->fifo);
835         int consumed = 0;
836         int x = 0, sz = s->orientation == VERTICAL ? s->w : s->h;
837         int ch, spf, spb;
838         AVFrame *fin;
839
840         spf = s->win_size * (samples / ((s->win_size * sz) * ceil(samples / (float)(s->win_size * sz))));
841         spb = (samples / (spf * sz)) * spf;
842
843         fin = ff_get_audio_buffer(inlink, s->win_size);
844         if (!fin)
845             return AVERROR(ENOMEM);
846
847         while (x < sz) {
848             ret = av_audio_fifo_peek(s->fifo, (void **)fin->extended_data, s->win_size);
849             if (ret < 0) {
850                 av_frame_free(&fin);
851                 return ret;
852             }
853
854             av_audio_fifo_drain(s->fifo, spf);
855
856             if (ret < s->win_size) {
857                 for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++) {
858                     memset(fin->extended_data[ch] + ret * sizeof(float), 0,
859                            (s->win_size - ret) * sizeof(float));
860                 }
861             }
862
863             run_fft(s, fin);
864             acalc_magnitudes(s);
865
866             consumed += spf;
867             if (consumed >= spb) {
868                 int h = s->orientation == VERTICAL ? s->h : s->w;
869
870                 scale_magnitudes(s, 1. / (consumed / spf));
871                 plot_spectrum_column(inlink, fin);
872                 consumed = 0;
873                 x++;
874                 for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++)
875                     memset(s->magnitudes[ch], 0, h * sizeof(float));
876             }
877         }
878
879         av_frame_free(&fin);
880         s->outpicref->pts = 0;
881         ret = ff_filter_frame(outlink, s->outpicref);
882         s->outpicref = NULL;
883     }
884
885     return ret;
886 }
887
888 static int showspectrumpic_filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *insamples)
889 {
890     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
891     ShowSpectrumContext *s = ctx->priv;
892     int ret;
893
894     ret = av_audio_fifo_write(s->fifo, (void **)insamples->extended_data, insamples->nb_samples);
895     av_frame_free(&insamples);
896     return ret;
897 }
898
899 static const AVFilterPad showspectrumpic_inputs[] = {
900     {
901         .name         = "default",
902         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
903         .filter_frame = showspectrumpic_filter_frame,
904     },
905     { NULL }
906 };
907
908 static const AVFilterPad showspectrumpic_outputs[] = {
909     {
910         .name          = "default",
911         .type          = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
912         .config_props  = config_output,
913         .request_frame = showspectrumpic_request_frame,
914     },
915     { NULL }
916 };
917
918 AVFilter ff_avf_showspectrumpic = {
919     .name          = "showspectrumpic",
920     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Convert input audio to a spectrum video output single picture."),
921     .uninit        = uninit,
922     .query_formats = query_formats,
923     .priv_size     = sizeof(ShowSpectrumContext),
924     .inputs        = showspectrumpic_inputs,
925     .outputs       = showspectrumpic_outputs,
926     .priv_class    = &showspectrumpic_class,
927 };
928
929 #endif // CONFIG_SHOWSPECTRUMPIC_FILTER