swresample/resample: fix invert_initial_buffer() after flush
[ffmpeg.git] / libswresample / resample.c
1 /*
2  * audio resampling
3  * Copyright (c) 2004-2012 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  * @file
24  * audio resampling
25  * @author Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
26  */
27
28 #include "libavutil/avassert.h"
29 #include "resample.h"
30
31 /**
32  * 0th order modified bessel function of the first kind.
33  */
34 static double bessel(double x){
35     double v=1;
36     double lastv=0;
37     double t=1;
38     int i;
39     static const double inv[100]={
40  1.0/( 1* 1), 1.0/( 2* 2), 1.0/( 3* 3), 1.0/( 4* 4), 1.0/( 5* 5), 1.0/( 6* 6), 1.0/( 7* 7), 1.0/( 8* 8), 1.0/( 9* 9), 1.0/(10*10),
41  1.0/(11*11), 1.0/(12*12), 1.0/(13*13), 1.0/(14*14), 1.0/(15*15), 1.0/(16*16), 1.0/(17*17), 1.0/(18*18), 1.0/(19*19), 1.0/(20*20),
42  1.0/(21*21), 1.0/(22*22), 1.0/(23*23), 1.0/(24*24), 1.0/(25*25), 1.0/(26*26), 1.0/(27*27), 1.0/(28*28), 1.0/(29*29), 1.0/(30*30),
43  1.0/(31*31), 1.0/(32*32), 1.0/(33*33), 1.0/(34*34), 1.0/(35*35), 1.0/(36*36), 1.0/(37*37), 1.0/(38*38), 1.0/(39*39), 1.0/(40*40),
44  1.0/(41*41), 1.0/(42*42), 1.0/(43*43), 1.0/(44*44), 1.0/(45*45), 1.0/(46*46), 1.0/(47*47), 1.0/(48*48), 1.0/(49*49), 1.0/(50*50),
45  1.0/(51*51), 1.0/(52*52), 1.0/(53*53), 1.0/(54*54), 1.0/(55*55), 1.0/(56*56), 1.0/(57*57), 1.0/(58*58), 1.0/(59*59), 1.0/(60*60),
46  1.0/(61*61), 1.0/(62*62), 1.0/(63*63), 1.0/(64*64), 1.0/(65*65), 1.0/(66*66), 1.0/(67*67), 1.0/(68*68), 1.0/(69*69), 1.0/(70*70),
47  1.0/(71*71), 1.0/(72*72), 1.0/(73*73), 1.0/(74*74), 1.0/(75*75), 1.0/(76*76), 1.0/(77*77), 1.0/(78*78), 1.0/(79*79), 1.0/(80*80),
48  1.0/(81*81), 1.0/(82*82), 1.0/(83*83), 1.0/(84*84), 1.0/(85*85), 1.0/(86*86), 1.0/(87*87), 1.0/(88*88), 1.0/(89*89), 1.0/(90*90),
49  1.0/(91*91), 1.0/(92*92), 1.0/(93*93), 1.0/(94*94), 1.0/(95*95), 1.0/(96*96), 1.0/(97*97), 1.0/(98*98), 1.0/(99*99), 1.0/(10000)
50     };
51
52     x= x*x/4;
53     for(i=0; v != lastv; i++){
54         lastv=v;
55         t *= x*inv[i];
56         v += t;
57         av_assert2(i<99);
58     }
59     return v;
60 }
61
62 /**
63  * builds a polyphase filterbank.
64  * @param factor resampling factor
65  * @param scale wanted sum of coefficients for each filter
66  * @param filter_type  filter type
67  * @param kaiser_beta  kaiser window beta
68  * @return 0 on success, negative on error
69  */
70 static int build_filter(ResampleContext *c, void *filter, double factor, int tap_count, int alloc, int phase_count, int scale,
71                         int filter_type, int kaiser_beta){
72     int ph, i;
73     double x, y, w;
74     double *tab = av_malloc_array(tap_count,  sizeof(*tab));
75     const int center= (tap_count-1)/2;
76
77     if (!tab)
78         return AVERROR(ENOMEM);
79
80     /* if upsampling, only need to interpolate, no filter */
81     if (factor > 1.0)
82         factor = 1.0;
83
84     for(ph=0;ph<phase_count;ph++) {
85         double norm = 0;
86         for(i=0;i<tap_count;i++) {
87             x = M_PI * ((double)(i - center) - (double)ph / phase_count) * factor;
88             if (x == 0) y = 1.0;
89             else        y = sin(x) / x;
90             switch(filter_type){
91             case SWR_FILTER_TYPE_CUBIC:{
92                 const float d= -0.5; //first order derivative = -0.5
93                 x = fabs(((double)(i - center) - (double)ph / phase_count) * factor);
94                 if(x<1.0) y= 1 - 3*x*x + 2*x*x*x + d*(            -x*x + x*x*x);
95                 else      y=                       d*(-4 + 8*x - 5*x*x + x*x*x);
96                 break;}
97             case SWR_FILTER_TYPE_BLACKMAN_NUTTALL:
98                 w = 2.0*x / (factor*tap_count) + M_PI;
99                 y *= 0.3635819 - 0.4891775 * cos(w) + 0.1365995 * cos(2*w) - 0.0106411 * cos(3*w);
100                 break;
101             case SWR_FILTER_TYPE_KAISER:
102                 w = 2.0*x / (factor*tap_count*M_PI);
103                 y *= bessel(kaiser_beta*sqrt(FFMAX(1-w*w, 0)));
104                 break;
105             default:
106                 av_assert0(0);
107             }
108
109             tab[i] = y;
110             norm += y;
111         }
112
113         /* normalize so that an uniform color remains the same */
114         switch(c->format){
115         case AV_SAMPLE_FMT_S16P:
116             for(i=0;i<tap_count;i++)
117                 ((int16_t*)filter)[ph * alloc + i] = av_clip(lrintf(tab[i] * scale / norm), INT16_MIN, INT16_MAX);
118             break;
119         case AV_SAMPLE_FMT_S32P:
120             for(i=0;i<tap_count;i++)
121                 ((int32_t*)filter)[ph * alloc + i] = av_clipl_int32(llrint(tab[i] * scale / norm));
122             break;
123         case AV_SAMPLE_FMT_FLTP:
124             for(i=0;i<tap_count;i++)
125                 ((float*)filter)[ph * alloc + i] = tab[i] * scale / norm;
126             break;
127         case AV_SAMPLE_FMT_DBLP:
128             for(i=0;i<tap_count;i++)
129                 ((double*)filter)[ph * alloc + i] = tab[i] * scale / norm;
130             break;
131         }
132     }
133 #if 0
134     {
135 #define LEN 1024
136         int j,k;
137         double sine[LEN + tap_count];
138         double filtered[LEN];
139         double maxff=-2, minff=2, maxsf=-2, minsf=2;
140         for(i=0; i<LEN; i++){
141             double ss=0, sf=0, ff=0;
142             for(j=0; j<LEN+tap_count; j++)
143                 sine[j]= cos(i*j*M_PI/LEN);
144             for(j=0; j<LEN; j++){
145                 double sum=0;
146                 ph=0;
147                 for(k=0; k<tap_count; k++)
148                     sum += filter[ph * tap_count + k] * sine[k+j];
149                 filtered[j]= sum / (1<<FILTER_SHIFT);
150                 ss+= sine[j + center] * sine[j + center];
151                 ff+= filtered[j] * filtered[j];
152                 sf+= sine[j + center] * filtered[j];
153             }
154             ss= sqrt(2*ss/LEN);
155             ff= sqrt(2*ff/LEN);
156             sf= 2*sf/LEN;
157             maxff= FFMAX(maxff, ff);
158             minff= FFMIN(minff, ff);
159             maxsf= FFMAX(maxsf, sf);
160             minsf= FFMIN(minsf, sf);
161             if(i%11==0){
162                 av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "i:%4d ss:%f ff:%13.6e-%13.6e sf:%13.6e-%13.6e\n", i, ss, maxff, minff, maxsf, minsf);
163                 minff=minsf= 2;
164                 maxff=maxsf= -2;
165             }
166         }
167     }
168 #endif
169
170     av_free(tab);
171     return 0;
172 }
173
174 static ResampleContext *resample_init(ResampleContext *c, int out_rate, int in_rate, int filter_size, int phase_shift, int linear,
175                                     double cutoff0, enum AVSampleFormat format, enum SwrFilterType filter_type, int kaiser_beta,
176                                     double precision, int cheby)
177 {
178     double cutoff = cutoff0? cutoff0 : 0.97;
179     double factor= FFMIN(out_rate * cutoff / in_rate, 1.0);
180     int phase_count= 1<<phase_shift;
181
182     if (!c || c->phase_shift != phase_shift || c->linear!=linear || c->factor != factor
183            || c->filter_length != FFMAX((int)ceil(filter_size/factor), 1) || c->format != format
184            || c->filter_type != filter_type || c->kaiser_beta != kaiser_beta) {
185         c = av_mallocz(sizeof(*c));
186         if (!c)
187             return NULL;
188
189         c->format= format;
190
191         c->felem_size= av_get_bytes_per_sample(c->format);
192
193         switch(c->format){
194         case AV_SAMPLE_FMT_S16P:
195             c->filter_shift = 15;
196             break;
197         case AV_SAMPLE_FMT_S32P:
198             c->filter_shift = 30;
199             break;
200         case AV_SAMPLE_FMT_FLTP:
201         case AV_SAMPLE_FMT_DBLP:
202             c->filter_shift = 0;
203             break;
204         default:
205             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "Unsupported sample format\n");
206             av_assert0(0);
207         }
208
209         if (filter_size/factor > INT32_MAX/256) {
210             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "Filter length too large\n");
211             goto error;
212         }
213
214         c->phase_shift   = phase_shift;
215         c->phase_mask    = phase_count - 1;
216         c->linear        = linear;
217         c->factor        = factor;
218         c->filter_length = FFMAX((int)ceil(filter_size/factor), 1);
219         c->filter_alloc  = FFALIGN(c->filter_length, 8);
220         c->filter_bank   = av_calloc(c->filter_alloc, (phase_count+1)*c->felem_size);
221         c->filter_type   = filter_type;
222         c->kaiser_beta   = kaiser_beta;
223         if (!c->filter_bank)
224             goto error;
225         if (build_filter(c, (void*)c->filter_bank, factor, c->filter_length, c->filter_alloc, phase_count, 1<<c->filter_shift, filter_type, kaiser_beta))
226             goto error;
227         memcpy(c->filter_bank + (c->filter_alloc*phase_count+1)*c->felem_size, c->filter_bank, (c->filter_alloc-1)*c->felem_size);
228         memcpy(c->filter_bank + (c->filter_alloc*phase_count  )*c->felem_size, c->filter_bank + (c->filter_alloc - 1)*c->felem_size, c->felem_size);
229     }
230
231     c->compensation_distance= 0;
232     if(!av_reduce(&c->src_incr, &c->dst_incr, out_rate, in_rate * (int64_t)phase_count, INT32_MAX/2))
233         goto error;
234     c->ideal_dst_incr = c->dst_incr;
235     c->dst_incr_div   = c->dst_incr / c->src_incr;
236     c->dst_incr_mod   = c->dst_incr % c->src_incr;
237
238     c->index= -phase_count*((c->filter_length-1)/2);
239     c->frac= 0;
240
241     swri_resample_dsp_init(c);
242
243     return c;
244 error:
245     av_freep(&c->filter_bank);
246     av_free(c);
247     return NULL;
248 }
249
250 static void resample_free(ResampleContext **c){
251     if(!*c)
252         return;
253     av_freep(&(*c)->filter_bank);
254     av_freep(c);
255 }
256
257 static int set_compensation(ResampleContext *c, int sample_delta, int compensation_distance){
258     c->compensation_distance= compensation_distance;
259     if (compensation_distance)
260         c->dst_incr = c->ideal_dst_incr - c->ideal_dst_incr * (int64_t)sample_delta / compensation_distance;
261     else
262         c->dst_incr = c->ideal_dst_incr;
263
264     c->dst_incr_div   = c->dst_incr / c->src_incr;
265     c->dst_incr_mod   = c->dst_incr % c->src_incr;
266
267     return 0;
268 }
269
270 static int swri_resample(ResampleContext *c,
271                          uint8_t *dst, const uint8_t *src, int *consumed,
272                          int src_size, int dst_size, int update_ctx)
273 {
274     if (c->filter_length == 1 && c->phase_shift == 0) {
275         int index= c->index;
276         int frac= c->frac;
277         int64_t index2= (1LL<<32)*c->frac/c->src_incr + (1LL<<32)*index;
278         int64_t incr= (1LL<<32) * c->dst_incr / c->src_incr;
279         int new_size = (src_size * (int64_t)c->src_incr - frac + c->dst_incr - 1) / c->dst_incr;
280
281         dst_size= FFMIN(dst_size, new_size);
282         c->dsp.resample_one(dst, src, dst_size, index2, incr);
283
284         index += dst_size * c->dst_incr_div;
285         index += (frac + dst_size * (int64_t)c->dst_incr_mod) / c->src_incr;
286         av_assert2(index >= 0);
287         *consumed= index;
288         if (update_ctx) {
289             c->frac   = (frac + dst_size * (int64_t)c->dst_incr_mod) % c->src_incr;
290             c->index = 0;
291         }
292     } else {
293         int64_t end_index = (1LL + src_size - c->filter_length) << c->phase_shift;
294         int64_t delta_frac = (end_index - c->index) * c->src_incr - c->frac;
295         int delta_n = (delta_frac + c->dst_incr - 1) / c->dst_incr;
296
297         dst_size = FFMIN(dst_size, delta_n);
298         if (dst_size > 0) {
299             *consumed = c->dsp.resample(c, dst, src, dst_size, update_ctx);
300         } else {
301             *consumed = 0;
302         }
303     }
304
305     return dst_size;
306 }
307
308 static int multiple_resample(ResampleContext *c, AudioData *dst, int dst_size, AudioData *src, int src_size, int *consumed){
309     int i, ret= -1;
310     int av_unused mm_flags = av_get_cpu_flags();
311     int need_emms = c->format == AV_SAMPLE_FMT_S16P && ARCH_X86_32 &&
312                     (mm_flags & (AV_CPU_FLAG_MMX2 | AV_CPU_FLAG_SSE2)) == AV_CPU_FLAG_MMX2;
313     int64_t max_src_size = (INT64_MAX >> (c->phase_shift+1)) / c->src_incr;
314
315     if (c->compensation_distance)
316         dst_size = FFMIN(dst_size, c->compensation_distance);
317     src_size = FFMIN(src_size, max_src_size);
318
319     for(i=0; i<dst->ch_count; i++){
320         ret= swri_resample(c, dst->ch[i], src->ch[i],
321                            consumed, src_size, dst_size, i+1==dst->ch_count);
322     }
323     if(need_emms)
324         emms_c();
325
326     if (c->compensation_distance) {
327         c->compensation_distance -= ret;
328         if (!c->compensation_distance) {
329             c->dst_incr     = c->ideal_dst_incr;
330             c->dst_incr_div = c->dst_incr / c->src_incr;
331             c->dst_incr_mod = c->dst_incr % c->src_incr;
332         }
333     }
334
335     return ret;
336 }
337
338 static int64_t get_delay(struct SwrContext *s, int64_t base){
339     ResampleContext *c = s->resample;
340     int64_t num = s->in_buffer_count - (c->filter_length-1)/2;
341     num <<= c->phase_shift;
342     num -= c->index;
343     num *= c->src_incr;
344     num -= c->frac;
345     return av_rescale(num, base, s->in_sample_rate*(int64_t)c->src_incr << c->phase_shift);
346 }
347
348 static int resample_flush(struct SwrContext *s) {
349     AudioData *a= &s->in_buffer;
350     int i, j, ret;
351     if((ret = swri_realloc_audio(a, s->in_buffer_index + 2*s->in_buffer_count)) < 0)
352         return ret;
353     av_assert0(a->planar);
354     for(i=0; i<a->ch_count; i++){
355         for(j=0; j<s->in_buffer_count; j++){
356             memcpy(a->ch[i] + (s->in_buffer_index+s->in_buffer_count+j  )*a->bps,
357                 a->ch[i] + (s->in_buffer_index+s->in_buffer_count-j-1)*a->bps, a->bps);
358         }
359     }
360     s->in_buffer_count += (s->in_buffer_count+1)/2;
361     return 0;
362 }
363
364 // in fact the whole handle multiple ridiculously small buffers might need more thinking...
365 static int invert_initial_buffer(ResampleContext *c, AudioData *dst, const AudioData *src,
366                                  int in_count, int *out_idx, int *out_sz)
367 {
368     int n, ch, num = FFMIN(in_count + *out_sz, c->filter_length + 1), res;
369
370     if (c->index >= 0)
371         return 0;
372
373     if ((res = swri_realloc_audio(dst, c->filter_length * 2 + 1)) < 0)
374         return res;
375
376     // copy
377     for (n = *out_sz; n < num; n++) {
378         for (ch = 0; ch < src->ch_count; ch++) {
379             memcpy(dst->ch[ch] + ((c->filter_length + n) * c->felem_size),
380                    src->ch[ch] + ((n - *out_sz) * c->felem_size), c->felem_size);
381         }
382     }
383
384     // if not enough data is in, return and wait for more
385     if (num < c->filter_length + 1) {
386         *out_sz = num;
387         *out_idx = c->filter_length;
388         return INT_MAX;
389     }
390
391     // else invert
392     for (n = 1; n <= c->filter_length; n++) {
393         for (ch = 0; ch < src->ch_count; ch++) {
394             memcpy(dst->ch[ch] + ((c->filter_length - n) * c->felem_size),
395                    dst->ch[ch] + ((c->filter_length + n) * c->felem_size),
396                    c->felem_size);
397         }
398     }
399
400     res = num - *out_sz;
401     *out_idx = c->filter_length + (c->index >> c->phase_shift);
402     *out_sz = FFMAX(*out_sz + c->filter_length,
403                     1 + c->filter_length * 2) - *out_idx;
404     c->index &= c->phase_mask;
405
406     return FFMAX(res, 0);
407 }
408
409 struct Resampler const swri_resampler={
410   resample_init,
411   resample_free,
412   multiple_resample,
413   resample_flush,
414   set_compensation,
415   get_delay,
416   invert_initial_buffer,
417 };