Merge remote-tracking branch 'qatar/master'
[ffmpeg.git] / libavfilter / avf_showspectrum.c
1 /*
2  * Copyright (c) 2012 Clément Bœsch
3  * Copyright (c) 2013 Rudolf Polzer <divverent@xonotic.org>
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
24  * audio to spectrum (video) transmedia filter, based on ffplay rdft showmode
25  * (by Michael Niedermayer) and lavfi/avf_showwaves (by Stefano Sabatini).
26  */
27
28 #include <math.h>
29
30 #include "libavcodec/avfft.h"
31 #include "libavutil/avassert.h"
32 #include "libavutil/channel_layout.h"
33 #include "libavutil/opt.h"
34 #include "avfilter.h"
35 #include "internal.h"
36
37 enum DisplayMode  { COMBINED, SEPARATE, NB_MODES };
38 enum DisplayScale { LINEAR, SQRT, CBRT, LOG, NB_SCALES };
39 enum ColorMode    { CHANNEL, INTENSITY, NB_CLMODES };
40
41 typedef struct {
42     const AVClass *class;
43     int w, h;
44     AVFrame *outpicref;
45     int req_fullfilled;
46     int nb_display_channels;
47     int channel_height;
48     int sliding;                ///< 1 if sliding mode, 0 otherwise
49     enum DisplayMode mode;      ///< channel display mode
50     enum ColorMode color_mode;  ///< display color scheme
51     enum DisplayScale scale;
52     float saturation;           ///< color saturation multiplier
53     int xpos;                   ///< x position (current column)
54     RDFTContext *rdft;          ///< Real Discrete Fourier Transform context
55     int rdft_bits;              ///< number of bits (RDFT window size = 1<<rdft_bits)
56     FFTSample **rdft_data;      ///< bins holder for each (displayed) channels
57     int filled;                 ///< number of samples (per channel) filled in current rdft_buffer
58     int consumed;               ///< number of samples (per channel) consumed from the input frame
59     float *window_func_lut;     ///< Window function LUT
60     float *combine_buffer;      ///< color combining buffer (3 * h items)
61 } ShowSpectrumContext;
62
63 #define OFFSET(x) offsetof(ShowSpectrumContext, x)
64 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM|AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM
65
66 static const AVOption showspectrum_options[] = {
67     { "size", "set video size", OFFSET(w), AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str = "640x512"}, 0, 0, FLAGS },
68     { "s",    "set video size", OFFSET(w), AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str = "640x512"}, 0, 0, FLAGS },
69     { "slide", "set sliding mode", OFFSET(sliding), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64 = 0}, 0, 1, FLAGS },
70     { "mode", "set channel display mode", OFFSET(mode), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=COMBINED}, COMBINED, NB_MODES-1, FLAGS, "mode" },
71     { "combined", "combined mode", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=COMBINED}, 0, 0, FLAGS, "mode" },
72     { "separate", "separate mode", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=SEPARATE}, 0, 0, FLAGS, "mode" },
73     { "color", "set channel coloring", OFFSET(color_mode), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=CHANNEL}, CHANNEL, NB_CLMODES-1, FLAGS, "color" },
74     { "channel",   "separate color for each channel", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=CHANNEL},   0, 0, FLAGS, "color" },
75     { "intensity", "intensity based coloring",        0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=INTENSITY}, 0, 0, FLAGS, "color" },
76     { "scale", "set display scale", OFFSET(scale), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=SQRT}, LINEAR, NB_SCALES-1, FLAGS, "scale" },
77     { "sqrt", "square root", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=SQRT},   0, 0, FLAGS, "scale" },
78     { "cbrt", "cubic root",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=CBRT},   0, 0, FLAGS, "scale" },
79     { "log",  "logarithmic", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=LOG},    0, 0, FLAGS, "scale" },
80     { "lin",  "linear",      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=LINEAR}, 0, 0, FLAGS, "scale" },
81     { "saturation", "color saturation multiplier", OFFSET(saturation), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl = 1}, -10, 10, FLAGS },
82     { NULL }
83 };
84
85 AVFILTER_DEFINE_CLASS(showspectrum);
86
87 static const struct {
88     float a, y, u, v;
89 } intensity_color_table[] = {
90     {    0,                  0,                  0,                   0 },
91     { 0.13, .03587126228984074,  .1573300977624594, -.02548747583751842 },
92     { 0.30, .18572281794568020,  .1772436246393981,  .17475554840414750 },
93     { 0.60, .28184980583656130, -.1593064119945782,  .47132074554608920 },
94     { 0.73, .65830621175547810, -.3716070802232764,  .24352759331252930 },
95     { 0.78, .76318535758242900, -.4307467689263783,  .16866496622310430 },
96     { 0.91, .95336363636363640, -.2045454545454546,  .03313636363636363 },
97     {    1,                  1,                  0,                   0 }
98 };
99
100 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
101 {
102     ShowSpectrumContext *s = ctx->priv;
103     int i;
104
105     av_freep(&s->combine_buffer);
106     av_rdft_end(s->rdft);
107     for (i = 0; i < s->nb_display_channels; i++)
108         av_freep(&s->rdft_data[i]);
109     av_freep(&s->rdft_data);
110     av_freep(&s->window_func_lut);
111     av_frame_free(&s->outpicref);
112 }
113
114 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
115 {
116     AVFilterFormats *formats = NULL;
117     AVFilterChannelLayouts *layouts = NULL;
118     AVFilterLink *inlink = ctx->inputs[0];
119     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
120     static const enum AVSampleFormat sample_fmts[] = { AV_SAMPLE_FMT_S16P, AV_SAMPLE_FMT_NONE };
121     static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = { AV_PIX_FMT_YUVJ444P, AV_PIX_FMT_NONE };
122
123     /* set input audio formats */
124     formats = ff_make_format_list(sample_fmts);
125     if (!formats)
126         return AVERROR(ENOMEM);
127     ff_formats_ref(formats, &inlink->out_formats);
128
129     layouts = ff_all_channel_layouts();
130     if (!layouts)
131         return AVERROR(ENOMEM);
132     ff_channel_layouts_ref(layouts, &inlink->out_channel_layouts);
133
134     formats = ff_all_samplerates();
135     if (!formats)
136         return AVERROR(ENOMEM);
137     ff_formats_ref(formats, &inlink->out_samplerates);
138
139     /* set output video format */
140     formats = ff_make_format_list(pix_fmts);
141     if (!formats)
142         return AVERROR(ENOMEM);
143     ff_formats_ref(formats, &outlink->in_formats);
144
145     return 0;
146 }
147
148 static int config_output(AVFilterLink *outlink)
149 {
150     AVFilterContext *ctx = outlink->src;
151     AVFilterLink *inlink = ctx->inputs[0];
152     ShowSpectrumContext *s = ctx->priv;
153     int i, rdft_bits, win_size, h;
154
155     outlink->w = s->w;
156     outlink->h = s->h;
157
158     h = (s->mode == COMBINED) ? outlink->h : outlink->h / inlink->channels;
159     s->channel_height = h;
160
161     /* RDFT window size (precision) according to the requested output frame height */
162     for (rdft_bits = 1; 1 << rdft_bits < 2 * h; rdft_bits++);
163     win_size = 1 << rdft_bits;
164
165     /* (re-)configuration if the video output changed (or first init) */
166     if (rdft_bits != s->rdft_bits) {
167         size_t rdft_size, rdft_listsize;
168         AVFrame *outpicref;
169
170         av_rdft_end(s->rdft);
171         s->rdft = av_rdft_init(rdft_bits, DFT_R2C);
172         s->rdft_bits = rdft_bits;
173
174         /* RDFT buffers: x2 for each (display) channel buffer.
175          * Note: we use free and malloc instead of a realloc-like function to
176          * make sure the buffer is aligned in memory for the FFT functions. */
177         for (i = 0; i < s->nb_display_channels; i++)
178             av_freep(&s->rdft_data[i]);
179         av_freep(&s->rdft_data);
180         s->nb_display_channels = inlink->channels;
181
182         if (av_size_mult(sizeof(*s->rdft_data),
183                          s->nb_display_channels, &rdft_listsize) < 0)
184             return AVERROR(EINVAL);
185         if (av_size_mult(sizeof(**s->rdft_data),
186                          win_size, &rdft_size) < 0)
187             return AVERROR(EINVAL);
188         s->rdft_data = av_malloc(rdft_listsize);
189         if (!s->rdft_data)
190             return AVERROR(ENOMEM);
191         for (i = 0; i < s->nb_display_channels; i++) {
192             s->rdft_data[i] = av_malloc(rdft_size);
193             if (!s->rdft_data[i])
194                 return AVERROR(ENOMEM);
195         }
196         s->filled = 0;
197
198         /* pre-calc windowing function (hann here) */
199         s->window_func_lut =
200             av_realloc_f(s->window_func_lut, win_size,
201                          sizeof(*s->window_func_lut));
202         if (!s->window_func_lut)
203             return AVERROR(ENOMEM);
204         for (i = 0; i < win_size; i++)
205             s->window_func_lut[i] = .5f * (1 - cos(2*M_PI*i / (win_size-1)));
206
207         /* prepare the initial picref buffer (black frame) */
208         av_frame_free(&s->outpicref);
209         s->outpicref = outpicref =
210             ff_get_video_buffer(outlink, outlink->w, outlink->h);
211         if (!outpicref)
212             return AVERROR(ENOMEM);
213         outlink->sample_aspect_ratio = (AVRational){1,1};
214         for (i = 0; i < outlink->h; i++) {
215             memset(outpicref->data[0] + i * outpicref->linesize[0],   0, outlink->w);
216             memset(outpicref->data[1] + i * outpicref->linesize[1], 128, outlink->w);
217             memset(outpicref->data[2] + i * outpicref->linesize[2], 128, outlink->w);
218         }
219     }
220
221     if (s->xpos >= outlink->w)
222         s->xpos = 0;
223
224     s->combine_buffer =
225         av_realloc_f(s->combine_buffer, outlink->h * 3,
226                      sizeof(*s->combine_buffer));
227
228     av_log(ctx, AV_LOG_VERBOSE, "s:%dx%d RDFT window size:%d\n",
229            s->w, s->h, win_size);
230     return 0;
231 }
232
233 inline static int push_frame(AVFilterLink *outlink)
234 {
235     ShowSpectrumContext *s = outlink->src->priv;
236
237     s->xpos++;
238     if (s->xpos >= outlink->w)
239         s->xpos = 0;
240     s->filled = 0;
241     s->req_fullfilled = 1;
242
243     return ff_filter_frame(outlink, av_frame_clone(s->outpicref));
244 }
245
246 static int request_frame(AVFilterLink *outlink)
247 {
248     ShowSpectrumContext *s = outlink->src->priv;
249     AVFilterLink *inlink = outlink->src->inputs[0];
250     int ret;
251
252     s->req_fullfilled = 0;
253     do {
254         ret = ff_request_frame(inlink);
255     } while (!s->req_fullfilled && ret >= 0);
256
257     if (ret == AVERROR_EOF && s->outpicref)
258         push_frame(outlink);
259     return ret;
260 }
261
262 static int plot_spectrum_column(AVFilterLink *inlink, AVFrame *insamples, int nb_samples)
263 {
264     int ret;
265     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
266     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
267     ShowSpectrumContext *s = ctx->priv;
268     AVFrame *outpicref = s->outpicref;
269
270     /* nb_freq contains the power of two superior or equal to the output image
271      * height (or half the RDFT window size) */
272     const int nb_freq = 1 << (s->rdft_bits - 1);
273     const int win_size = nb_freq << 1;
274     const double w = 1. / (sqrt(nb_freq) * 32768.);
275
276     int ch, plane, n, y;
277     const int start = s->filled;
278     const int add_samples = FFMIN(win_size - start, nb_samples);
279
280     /* fill RDFT input with the number of samples available */
281     for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++) {
282         const int16_t *p = (int16_t *)insamples->extended_data[ch];
283
284         p += s->consumed;
285         for (n = 0; n < add_samples; n++)
286             s->rdft_data[ch][start + n] = p[n] * s->window_func_lut[start + n];
287     }
288     s->filled += add_samples;
289
290     /* complete RDFT window size? */
291     if (s->filled == win_size) {
292
293         /* channel height */
294         int h = s->channel_height;
295
296         /* run RDFT on each samples set */
297         for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++)
298             av_rdft_calc(s->rdft, s->rdft_data[ch]);
299
300         /* fill a new spectrum column */
301 #define RE(y, ch) s->rdft_data[ch][2 * y + 0]
302 #define IM(y, ch) s->rdft_data[ch][2 * y + 1]
303 #define MAGNITUDE(y, ch) hypot(RE(y, ch), IM(y, ch))
304
305         /* initialize buffer for combining to black */
306         for (y = 0; y < outlink->h; y++) {
307             s->combine_buffer[3 * y    ] = 0;
308             s->combine_buffer[3 * y + 1] = 127.5;
309             s->combine_buffer[3 * y + 2] = 127.5;
310         }
311
312         for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++) {
313             float yf, uf, vf;
314
315             /* decide color range */
316             switch (s->mode) {
317             case COMBINED:
318                 // reduce range by channel count
319                 yf = 256.0f / s->nb_display_channels;
320                 switch (s->color_mode) {
321                 case INTENSITY:
322                     uf = yf;
323                     vf = yf;
324                     break;
325                 case CHANNEL:
326                     /* adjust saturation for mixed UV coloring */
327                     /* this factor is correct for infinite channels, an approximation otherwise */
328                     uf = yf * M_PI;
329                     vf = yf * M_PI;
330                     break;
331                 default:
332                     av_assert0(0);
333                 }
334                 break;
335             case SEPARATE:
336                 // full range
337                 yf = 256.0f;
338                 uf = 256.0f;
339                 vf = 256.0f;
340                 break;
341             default:
342                 av_assert0(0);
343             }
344
345             if (s->color_mode == CHANNEL) {
346                 if (s->nb_display_channels > 1) {
347                     uf *= 0.5 * sin((2 * M_PI * ch) / s->nb_display_channels);
348                     vf *= 0.5 * cos((2 * M_PI * ch) / s->nb_display_channels);
349                 } else {
350                     uf = 0.0f;
351                     vf = 0.0f;
352                 }
353             }
354             uf *= s->saturation;
355             vf *= s->saturation;
356
357             /* draw the channel */
358             for (y = 0; y < h; y++) {
359                 int row = (s->mode == COMBINED) ? y : ch * h + y;
360                 float *out = &s->combine_buffer[3 * row];
361
362                 /* get magnitude */
363                 float a = w * MAGNITUDE(y, ch);
364
365                 /* apply scale */
366                 switch (s->scale) {
367                 case LINEAR:
368                     break;
369                 case SQRT:
370                     a = sqrt(a);
371                     break;
372                 case CBRT:
373                     a = cbrt(a);
374                     break;
375                 case LOG:
376                     a = 1 - log(FFMAX(FFMIN(1, a), 1e-6)) / log(1e-6); // zero = -120dBFS
377                     break;
378                 default:
379                     av_assert0(0);
380                 }
381
382                 if (s->color_mode == INTENSITY) {
383                     float y, u, v;
384                     int i;
385
386                     for (i = 1; i < sizeof(intensity_color_table) / sizeof(*intensity_color_table) - 1; i++)
387                         if (intensity_color_table[i].a >= a)
388                             break;
389                     // i now is the first item >= the color
390                     // now we know to interpolate between item i - 1 and i
391                     if (a <= intensity_color_table[i - 1].a) {
392                         y = intensity_color_table[i - 1].y;
393                         u = intensity_color_table[i - 1].u;
394                         v = intensity_color_table[i - 1].v;
395                     } else if (a >= intensity_color_table[i].a) {
396                         y = intensity_color_table[i].y;
397                         u = intensity_color_table[i].u;
398                         v = intensity_color_table[i].v;
399                     } else {
400                         float start = intensity_color_table[i - 1].a;
401                         float end = intensity_color_table[i].a;
402                         float lerpfrac = (a - start) / (end - start);
403                         y = intensity_color_table[i - 1].y * (1.0f - lerpfrac)
404                           + intensity_color_table[i].y * lerpfrac;
405                         u = intensity_color_table[i - 1].u * (1.0f - lerpfrac)
406                           + intensity_color_table[i].u * lerpfrac;
407                         v = intensity_color_table[i - 1].v * (1.0f - lerpfrac)
408                           + intensity_color_table[i].v * lerpfrac;
409                     }
410
411                     out[0] += y * yf;
412                     out[1] += u * uf;
413                     out[2] += v * vf;
414                 } else {
415                     out[0] += a * yf;
416                     out[1] += a * uf;
417                     out[2] += a * vf;
418                 }
419             }
420         }
421
422         /* copy to output */
423         if (s->sliding) {
424             for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
425                 for (y = 0; y < outlink->h; y++) {
426                     uint8_t *p = outpicref->data[plane] +
427                                  y * outpicref->linesize[plane];
428                     memmove(p, p + 1, outlink->w - 1);
429                 }
430             }
431             s->xpos = outlink->w - 1;
432         }
433         for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
434             uint8_t *p = outpicref->data[plane] +
435                          (outlink->h - 1) * outpicref->linesize[plane] +
436                          s->xpos;
437             for (y = 0; y < outlink->h; y++) {
438                 *p = rint(FFMAX(0, FFMIN(s->combine_buffer[3 * y + plane], 255)));
439                 p -= outpicref->linesize[plane];
440             }
441         }
442
443         outpicref->pts = insamples->pts +
444             av_rescale_q(s->consumed,
445                          (AVRational){ 1, inlink->sample_rate },
446                          outlink->time_base);
447         ret = push_frame(outlink);
448         if (ret < 0)
449             return ret;
450     }
451
452     return add_samples;
453 }
454
455 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *insamples)
456 {
457     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
458     ShowSpectrumContext *s = ctx->priv;
459     int ret = 0, left_samples = insamples->nb_samples;
460
461     s->consumed = 0;
462     while (left_samples) {
463         int ret = plot_spectrum_column(inlink, insamples, left_samples);
464         if (ret < 0)
465             break;
466         s->consumed += ret;
467         left_samples -= ret;
468     }
469
470     av_frame_free(&insamples);
471     return ret;
472 }
473
474 static const AVFilterPad showspectrum_inputs[] = {
475     {
476         .name         = "default",
477         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
478         .filter_frame = filter_frame,
479     },
480     { NULL }
481 };
482
483 static const AVFilterPad showspectrum_outputs[] = {
484     {
485         .name          = "default",
486         .type          = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
487         .config_props  = config_output,
488         .request_frame = request_frame,
489     },
490     { NULL }
491 };
492
493 AVFilter ff_avf_showspectrum = {
494     .name          = "showspectrum",
495     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Convert input audio to a spectrum video output."),
496     .uninit        = uninit,
497     .query_formats = query_formats,
498     .priv_size     = sizeof(ShowSpectrumContext),
499     .inputs        = showspectrum_inputs,
500     .outputs       = showspectrum_outputs,
501     .priv_class    = &showspectrum_class,
502 };