b7ee266220c002e602f6fbea343683df652a6c1b
[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, 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     RDFTContext *rdft;          ///< Real Discrete Fourier Transform context
63     int rdft_bits;              ///< number of bits (RDFT window size = 1<<rdft_bits)
64     FFTSample **rdft_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     int skip_samples;
72     float *combine_buffer;      ///< color combining buffer (3 * h items)
73     AVAudioFifo *fifo;
74     int64_t pts;
75     int single_pic;
76 } ShowSpectrumContext;
77
78 #define OFFSET(x) offsetof(ShowSpectrumContext, x)
79 #define FLAGS AV_OPT_FLAG_FILTERING_PARAM|AV_OPT_FLAG_VIDEO_PARAM
80
81 static const AVOption showspectrum_options[] = {
82     { "size", "set video size", OFFSET(w), AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str = "640x512"}, 0, 0, FLAGS },
83     { "s",    "set video size", OFFSET(w), AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str = "640x512"}, 0, 0, FLAGS },
84     { "slide", "set sliding mode", OFFSET(sliding), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64 = 0}, 0, NB_SLIDES-1, FLAGS, "slide" },
85         { "replace", "replace old columns with new", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=REPLACE}, 0, 0, FLAGS, "slide" },
86         { "scroll", "scroll from right to left", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=SCROLL}, 0, 0, FLAGS, "slide" },
87         { "rscroll", "scroll from left to right", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=RSCROLL}, 0, 0, FLAGS, "slide" },
88         { "fullframe", "return full frames", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FULLFRAME}, 0, 0, FLAGS, "slide" },
89     { "mode", "set channel display mode", OFFSET(mode), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=COMBINED}, COMBINED, NB_MODES-1, FLAGS, "mode" },
90         { "combined", "combined mode", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=COMBINED}, 0, 0, FLAGS, "mode" },
91         { "separate", "separate mode", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=SEPARATE}, 0, 0, FLAGS, "mode" },
92     { "color", "set channel coloring", OFFSET(color_mode), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=CHANNEL}, CHANNEL, NB_CLMODES-1, FLAGS, "color" },
93         { "channel",   "separate color for each channel", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=CHANNEL},   0, 0, FLAGS, "color" },
94         { "intensity", "intensity based coloring",        0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=INTENSITY}, 0, 0, FLAGS, "color" },
95         { "rainbow",   "rainbow based coloring",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=RAINBOW},   0, 0, FLAGS, "color" },
96         { "moreland",  "moreland based coloring",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=MORELAND},  0, 0, FLAGS, "color" },
97         { "nebulae",   "nebulae based coloring",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=NEBULAE},   0, 0, FLAGS, "color" },
98         { "fire",      "fire based coloring",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FIRE},      0, 0, FLAGS, "color" },
99         { "fiery",     "fiery based coloring",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FIERY},     0, 0, FLAGS, "color" },
100     { "scale", "set display scale", OFFSET(scale), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=SQRT}, LINEAR, NB_SCALES-1, FLAGS, "scale" },
101         { "sqrt", "square root", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=SQRT},   0, 0, FLAGS, "scale" },
102         { "cbrt", "cubic root",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=CBRT},   0, 0, FLAGS, "scale" },
103         { "log",  "logarithmic", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=LOG},    0, 0, FLAGS, "scale" },
104         { "lin",  "linear",      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=LINEAR}, 0, 0, FLAGS, "scale" },
105     { "saturation", "color saturation multiplier", OFFSET(saturation), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl = 1}, -10, 10, FLAGS },
106     { "win_func", "set window function", OFFSET(win_func), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64 = WFUNC_HANNING}, 0, NB_WFUNC-1, FLAGS, "win_func" },
107         { "rect",     "Rectangular",      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_RECT},     0, 0, FLAGS, "win_func" },
108         { "bartlett", "Bartlett",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BARTLETT}, 0, 0, FLAGS, "win_func" },
109         { "hann",     "Hann",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HANNING},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
110         { "hanning",  "Hanning",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HANNING},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
111         { "hamming",  "Hamming",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HAMMING},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
112         { "blackman", "Blackman",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BLACKMAN}, 0, 0, FLAGS, "win_func" },
113         { "welch",    "Welch",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_WELCH},    0, 0, FLAGS, "win_func" },
114         { "flattop",  "Flat-top",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_FLATTOP},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
115         { "bharris",  "Blackman-Harris",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BHARRIS},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
116         { "bnuttall", "Blackman-Nuttall", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BNUTTALL}, 0, 0, FLAGS, "win_func" },
117         { "bhann",    "Bartlett-Hann",    0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BHANN},    0, 0, FLAGS, "win_func" },
118         { "sine",     "Sine",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_SINE},     0, 0, FLAGS, "win_func" },
119         { "nuttall",  "Nuttall",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_NUTTALL},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
120         { "lanczos",  "Lanczos",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_LANCZOS},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
121         { "gauss",    "Gauss",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_GAUSS},    0, 0, FLAGS, "win_func" },
122     { "orientation", "set orientation", OFFSET(orientation), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=VERTICAL}, 0, NB_ORIENTATIONS-1, FLAGS, "orientation" },
123         { "vertical",   NULL, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=VERTICAL},   0, 0, FLAGS, "orientation" },
124         { "horizontal", NULL, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=HORIZONTAL}, 0, 0, FLAGS, "orientation" },
125     { "overlap", "set window overlap", OFFSET(overlap), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl = 0}, 0, 1, FLAGS },
126     { NULL }
127 };
128
129 AVFILTER_DEFINE_CLASS(showspectrum);
130
131 static const struct ColorTable {
132     float a, y, u, v;
133 } color_table[][8] = {
134     [INTENSITY] = {
135     {    0,                  0,                  0,                   0 },
136     { 0.13, .03587126228984074,  .1573300977624594, -.02548747583751842 },
137     { 0.30, .18572281794568020,  .1772436246393981,  .17475554840414750 },
138     { 0.60, .28184980583656130, -.1593064119945782,  .47132074554608920 },
139     { 0.73, .65830621175547810, -.3716070802232764,  .24352759331252930 },
140     { 0.78, .76318535758242900, -.4307467689263783,  .16866496622310430 },
141     { 0.91, .95336363636363640, -.2045454545454546,  .03313636363636363 },
142     {    1,                  1,                  0,                   0 }},
143     [RAINBOW] = {
144     {    0,                  0,                  0,                   0 },
145     { 0.13,            44/256.,     (189-128)/256.,      (138-128)/256. },
146     { 0.25,            29/256.,     (186-128)/256.,      (119-128)/256. },
147     { 0.38,           119/256.,     (194-128)/256.,       (53-128)/256. },
148     { 0.60,           111/256.,      (73-128)/256.,       (59-128)/256. },
149     { 0.73,           205/256.,      (19-128)/256.,      (149-128)/256. },
150     { 0.86,           135/256.,      (83-128)/256.,      (200-128)/256. },
151     {    1,            73/256.,      (95-128)/256.,      (225-128)/256. }},
152     [MORELAND] = {
153     {    0,            44/256.,     (181-128)/256.,      (112-128)/256. },
154     { 0.13,           126/256.,     (177-128)/256.,      (106-128)/256. },
155     { 0.25,           164/256.,     (163-128)/256.,      (109-128)/256. },
156     { 0.38,           200/256.,     (140-128)/256.,      (120-128)/256. },
157     { 0.60,           201/256.,     (117-128)/256.,      (141-128)/256. },
158     { 0.73,           177/256.,     (103-128)/256.,      (165-128)/256. },
159     { 0.86,           136/256.,     (100-128)/256.,      (183-128)/256. },
160     {    1,            68/256.,     (117-128)/256.,      (203-128)/256. }},
161     [NEBULAE] = {
162     {    0,            10/256.,     (134-128)/256.,      (132-128)/256. },
163     { 0.23,            21/256.,     (137-128)/256.,      (130-128)/256. },
164     { 0.45,            35/256.,     (134-128)/256.,      (134-128)/256. },
165     { 0.57,            51/256.,     (130-128)/256.,      (139-128)/256. },
166     { 0.67,           104/256.,     (116-128)/256.,      (162-128)/256. },
167     { 0.77,           120/256.,     (105-128)/256.,      (188-128)/256. },
168     { 0.87,           140/256.,     (105-128)/256.,      (188-128)/256. },
169     {    1,                  1,                  0,                   0 }},
170     [FIRE] = {
171     {    0,                  0,                  0,                   0 },
172     { 0.23,            44/256.,     (132-128)/256.,      (127-128)/256. },
173     { 0.45,            62/256.,     (116-128)/256.,      (140-128)/256. },
174     { 0.57,            75/256.,     (105-128)/256.,      (152-128)/256. },
175     { 0.67,            95/256.,      (91-128)/256.,      (166-128)/256. },
176     { 0.77,           126/256.,      (74-128)/256.,      (172-128)/256. },
177     { 0.87,           164/256.,      (73-128)/256.,      (162-128)/256. },
178     {    1,                  1,                  0,                   0 }},
179     [FIERY] = {
180     {    0,                  0,                  0,                   0 },
181     { 0.23,            36/256.,     (116-128)/256.,      (163-128)/256. },
182     { 0.45,            52/256.,     (102-128)/256.,      (200-128)/256. },
183     { 0.57,           116/256.,      (84-128)/256.,      (196-128)/256. },
184     { 0.67,           157/256.,      (67-128)/256.,      (181-128)/256. },
185     { 0.77,           193/256.,      (40-128)/256.,      (155-128)/256. },
186     { 0.87,           221/256.,     (101-128)/256.,      (134-128)/256. },
187     {    1,                  1,                  0,                   0 }},
188 };
189
190 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
191 {
192     ShowSpectrumContext *s = ctx->priv;
193     int i;
194
195     av_freep(&s->combine_buffer);
196     av_rdft_end(s->rdft);
197     for (i = 0; i < s->nb_display_channels; i++)
198         av_freep(&s->rdft_data[i]);
199     av_freep(&s->rdft_data);
200     av_freep(&s->window_func_lut);
201     for (i = 0; i < s->nb_display_channels; i++)
202         av_freep(&s->magnitudes[i]);
203     av_freep(&s->magnitudes);
204     av_frame_free(&s->outpicref);
205     av_audio_fifo_free(s->fifo);
206 }
207
208 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
209 {
210     AVFilterFormats *formats = NULL;
211     AVFilterChannelLayouts *layouts = NULL;
212     AVFilterLink *inlink = ctx->inputs[0];
213     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
214     static const enum AVSampleFormat sample_fmts[] = { AV_SAMPLE_FMT_S16P, AV_SAMPLE_FMT_NONE };
215     static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = { AV_PIX_FMT_YUVJ444P, AV_PIX_FMT_NONE };
216     int ret;
217
218     /* set input audio formats */
219     formats = ff_make_format_list(sample_fmts);
220     if ((ret = ff_formats_ref(formats, &inlink->out_formats)) < 0)
221         return ret;
222
223     layouts = ff_all_channel_layouts();
224     if ((ret = ff_channel_layouts_ref(layouts, &inlink->out_channel_layouts)) < 0)
225         return ret;
226
227     formats = ff_all_samplerates();
228     if ((ret = ff_formats_ref(formats, &inlink->out_samplerates)) < 0)
229         return ret;
230
231     /* set output video format */
232     formats = ff_make_format_list(pix_fmts);
233     if ((ret = ff_formats_ref(formats, &outlink->in_formats)) < 0)
234         return ret;
235
236     return 0;
237 }
238
239 static int config_output(AVFilterLink *outlink)
240 {
241     AVFilterContext *ctx = outlink->src;
242     AVFilterLink *inlink = ctx->inputs[0];
243     ShowSpectrumContext *s = ctx->priv;
244     int i, rdft_bits, h, w;
245     float overlap;
246
247     if (!strcmp(ctx->filter->name, "showspectrumpic"))
248         s->single_pic = 1;
249
250     outlink->w = s->w;
251     outlink->h = s->h;
252
253     h = (s->mode == COMBINED || s->orientation == HORIZONTAL) ? outlink->h : outlink->h / inlink->channels;
254     w = (s->mode == COMBINED || s->orientation == VERTICAL)   ? outlink->w : outlink->w / inlink->channels;
255     s->channel_height = h;
256     s->channel_width  = w;
257
258     if (s->orientation == VERTICAL) {
259         /* RDFT window size (precision) according to the requested output frame height */
260         for (rdft_bits = 1; 1 << rdft_bits < 2 * h; rdft_bits++);
261     } else {
262         /* RDFT window size (precision) according to the requested output frame width */
263         for (rdft_bits = 1; 1 << rdft_bits < 2 * w; rdft_bits++);
264     }
265     s->win_size = 1 << rdft_bits;
266
267     /* (re-)configuration if the video output changed (or first init) */
268     if (rdft_bits != s->rdft_bits) {
269         AVFrame *outpicref;
270
271         av_rdft_end(s->rdft);
272         s->rdft = av_rdft_init(rdft_bits, DFT_R2C);
273         if (!s->rdft) {
274             av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "Unable to create RDFT context. "
275                    "The window size might be too high.\n");
276             return AVERROR(EINVAL);
277         }
278         s->rdft_bits = rdft_bits;
279
280         /* RDFT buffers: x2 for each (display) channel buffer.
281          * Note: we use free and malloc instead of a realloc-like function to
282          * make sure the buffer is aligned in memory for the FFT functions. */
283         for (i = 0; i < s->nb_display_channels; i++)
284             av_freep(&s->rdft_data[i]);
285         av_freep(&s->rdft_data);
286         s->nb_display_channels = inlink->channels;
287
288         s->magnitudes = av_calloc(s->nb_display_channels, sizeof(*s->magnitudes));
289         if (!s->magnitudes)
290             return AVERROR(ENOMEM);
291         for (i = 0; i < s->nb_display_channels; i++) {
292             s->magnitudes[i] = av_calloc(s->orientation == VERTICAL ? s->h : s->w, sizeof(**s->magnitudes));
293             if (!s->magnitudes[i])
294                 return AVERROR(ENOMEM);
295         }
296
297         s->rdft_data = av_calloc(s->nb_display_channels, sizeof(*s->rdft_data));
298         if (!s->rdft_data)
299             return AVERROR(ENOMEM);
300         for (i = 0; i < s->nb_display_channels; i++) {
301             s->rdft_data[i] = av_calloc(s->win_size, sizeof(**s->rdft_data));
302             if (!s->rdft_data[i])
303                 return AVERROR(ENOMEM);
304         }
305
306         /* pre-calc windowing function */
307         s->window_func_lut =
308             av_realloc_f(s->window_func_lut, s->win_size,
309                          sizeof(*s->window_func_lut));
310         if (!s->window_func_lut)
311             return AVERROR(ENOMEM);
312         ff_generate_window_func(s->window_func_lut, s->win_size, s->win_func, &overlap);
313         if (s->overlap == 1)
314             s->overlap = overlap;
315         s->skip_samples = (1. - s->overlap) * s->win_size;
316         if (s->skip_samples < 1) {
317             av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "overlap %f too big\n", s->overlap);
318             return AVERROR(EINVAL);
319         }
320
321         for (s->win_scale = 0, i = 0; i < s->win_size; i++) {
322             s->win_scale += s->window_func_lut[i] * s->window_func_lut[i];
323         }
324         s->win_scale = 1. / (sqrt(s->win_scale) * 32768.);
325
326         /* prepare the initial picref buffer (black frame) */
327         av_frame_free(&s->outpicref);
328         s->outpicref = outpicref =
329             ff_get_video_buffer(outlink, outlink->w, outlink->h);
330         if (!outpicref)
331             return AVERROR(ENOMEM);
332         outlink->sample_aspect_ratio = (AVRational){1,1};
333         for (i = 0; i < outlink->h; i++) {
334             memset(outpicref->data[0] + i * outpicref->linesize[0],   0, outlink->w);
335             memset(outpicref->data[1] + i * outpicref->linesize[1], 128, outlink->w);
336             memset(outpicref->data[2] + i * outpicref->linesize[2], 128, outlink->w);
337         }
338     }
339
340     if ((s->orientation == VERTICAL   && s->xpos >= outlink->w) ||
341         (s->orientation == HORIZONTAL && s->xpos >= outlink->h))
342         s->xpos = 0;
343
344     outlink->frame_rate = av_make_q(inlink->sample_rate, s->win_size * (1.-s->overlap));
345     if (s->orientation == VERTICAL && s->sliding == FULLFRAME)
346         outlink->frame_rate.den *= outlink->w;
347     if (s->orientation == HORIZONTAL && s->sliding == FULLFRAME)
348         outlink->frame_rate.den *= outlink->h;
349
350     if (s->orientation == VERTICAL) {
351         s->combine_buffer =
352             av_realloc_f(s->combine_buffer, outlink->h * 3,
353                          sizeof(*s->combine_buffer));
354     } else {
355         s->combine_buffer =
356             av_realloc_f(s->combine_buffer, outlink->w * 3,
357                          sizeof(*s->combine_buffer));
358     }
359
360     av_log(ctx, AV_LOG_VERBOSE, "s:%dx%d RDFT window size:%d\n",
361            s->w, s->h, s->win_size);
362
363     av_audio_fifo_free(s->fifo);
364     s->fifo = av_audio_fifo_alloc(inlink->format, inlink->channels, s->win_size);
365     if (!s->fifo)
366         return AVERROR(ENOMEM);
367     return 0;
368 }
369
370 static void run_rdft(ShowSpectrumContext *s, AVFrame *fin)
371 {
372     int ch, n;
373
374     /* fill RDFT input with the number of samples available */
375     for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++) {
376         const int16_t *p = (int16_t *)fin->extended_data[ch];
377
378         for (n = 0; n < s->win_size; n++)
379             s->rdft_data[ch][n] = p[n] * s->window_func_lut[n];
380     }
381
382     /* run RDFT on each samples set */
383     for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++)
384         av_rdft_calc(s->rdft, s->rdft_data[ch]);
385 }
386
387 #define RE(y, ch) s->rdft_data[ch][2 * (y) + 0]
388 #define IM(y, ch) s->rdft_data[ch][2 * (y) + 1]
389 #define MAGNITUDE(y, ch) hypot(RE(y, ch), IM(y, ch))
390
391 static void calc_magnitudes(ShowSpectrumContext *s)
392 {
393     int ch, y, h = s->orientation == VERTICAL ? s->h : s->w;
394
395     for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++) {
396         float *magnitudes = s->magnitudes[ch];
397
398         for (y = 0; y < h; y++)
399             magnitudes[y] = MAGNITUDE(y, ch);
400     }
401 }
402
403 static void acalc_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 scale_magnitudes(ShowSpectrumContext *s, float scale)
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] *= scale;
424     }
425 }
426
427 static int plot_spectrum_column(AVFilterLink *inlink, AVFrame *insamples)
428 {
429     int ret;
430     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
431     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
432     ShowSpectrumContext *s = ctx->priv;
433     AVFrame *outpicref = s->outpicref;
434     const double w = s->win_scale;
435     int h = s->orientation == VERTICAL ? s->channel_height : s->channel_width;
436
437     int ch, plane, x, y;
438
439     /* fill a new spectrum column */
440     /* initialize buffer for combining to black */
441     if (s->orientation == VERTICAL) {
442         for (y = 0; y < outlink->h; y++) {
443             s->combine_buffer[3 * y    ] = 0;
444             s->combine_buffer[3 * y + 1] = 127.5;
445             s->combine_buffer[3 * y + 2] = 127.5;
446         }
447     } else {
448         for (y = 0; y < outlink->w; y++) {
449             s->combine_buffer[3 * y    ] = 0;
450             s->combine_buffer[3 * y + 1] = 127.5;
451             s->combine_buffer[3 * y + 2] = 127.5;
452         }
453     }
454
455     for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++) {
456         float *magnitudes = s->magnitudes[ch];
457         float yf, uf, vf;
458
459         /* decide color range */
460         switch (s->mode) {
461         case COMBINED:
462             // reduce range by channel count
463             yf = 256.0f / s->nb_display_channels;
464             switch (s->color_mode) {
465             case RAINBOW:
466             case MORELAND:
467             case NEBULAE:
468             case FIRE:
469             case FIERY:
470             case INTENSITY:
471                 uf = yf;
472                 vf = yf;
473                 break;
474             case CHANNEL:
475                 /* adjust saturation for mixed UV coloring */
476                 /* this factor is correct for infinite channels, an approximation otherwise */
477                 uf = yf * M_PI;
478                 vf = yf * M_PI;
479                 break;
480             default:
481                 av_assert0(0);
482             }
483             break;
484         case SEPARATE:
485             // full range
486             yf = 256.0f;
487             uf = 256.0f;
488             vf = 256.0f;
489             break;
490         default:
491             av_assert0(0);
492         }
493
494         if (s->color_mode == CHANNEL) {
495             if (s->nb_display_channels > 1) {
496                 uf *= 0.5 * sin((2 * M_PI * ch) / s->nb_display_channels);
497                 vf *= 0.5 * cos((2 * M_PI * ch) / s->nb_display_channels);
498             } else {
499                 uf = 0.0f;
500                 vf = 0.0f;
501             }
502         }
503         uf *= s->saturation;
504         vf *= s->saturation;
505
506         /* draw the channel */
507         for (y = 0; y < h; y++) {
508             int row = (s->mode == COMBINED) ? y : ch * h + y;
509             float *out = &s->combine_buffer[3 * row];
510
511             /* get magnitude */
512             float a = w * magnitudes[y];
513
514             /* apply scale */
515             switch (s->scale) {
516             case LINEAR:
517                 break;
518             case SQRT:
519                 a = sqrt(a);
520                 break;
521             case CBRT:
522                 a = cbrt(a);
523                 break;
524             case LOG:
525                 a = 1 + log10(FFMAX(FFMIN(1, a), 1e-6)) / 5; // zero = -120dBFS
526                 break;
527             default:
528                 av_assert0(0);
529             }
530
531             if (s->color_mode > CHANNEL) {
532                 const int cm = s->color_mode;
533                 float y, u, v;
534                 int i;
535
536                 for (i = 1; i < FF_ARRAY_ELEMS(color_table[cm]) - 1; i++)
537                     if (color_table[cm][i].a >= a)
538                         break;
539                 // i now is the first item >= the color
540                 // now we know to interpolate between item i - 1 and i
541                 if (a <= color_table[cm][i - 1].a) {
542                     y = color_table[cm][i - 1].y;
543                     u = color_table[cm][i - 1].u;
544                     v = color_table[cm][i - 1].v;
545                 } else if (a >= color_table[cm][i].a) {
546                     y = color_table[cm][i].y;
547                     u = color_table[cm][i].u;
548                     v = color_table[cm][i].v;
549                 } else {
550                     float start = color_table[cm][i - 1].a;
551                     float end = color_table[cm][i].a;
552                     float lerpfrac = (a - start) / (end - start);
553                     y = color_table[cm][i - 1].y * (1.0f - lerpfrac)
554                       + color_table[cm][i].y * lerpfrac;
555                     u = color_table[cm][i - 1].u * (1.0f - lerpfrac)
556                       + color_table[cm][i].u * lerpfrac;
557                     v = color_table[cm][i - 1].v * (1.0f - lerpfrac)
558                       + color_table[cm][i].v * lerpfrac;
559                 }
560
561                 out[0] += y * yf;
562                 out[1] += u * uf;
563                 out[2] += v * vf;
564             } else {
565                 out[0] += a * yf;
566                 out[1] += a * uf;
567                 out[2] += a * vf;
568             }
569         }
570     }
571
572     av_frame_make_writable(s->outpicref);
573     /* copy to output */
574     if (s->orientation == VERTICAL) {
575         if (s->sliding == SCROLL) {
576             for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
577                 for (y = 0; y < outlink->h; y++) {
578                     uint8_t *p = outpicref->data[plane] +
579                                  y * outpicref->linesize[plane];
580                     memmove(p, p + 1, outlink->w - 1);
581                 }
582             }
583             s->xpos = outlink->w - 1;
584         } else if (s->sliding == RSCROLL) {
585             for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
586                 for (y = 0; y < outlink->h; y++) {
587                     uint8_t *p = outpicref->data[plane] +
588                                  y * outpicref->linesize[plane];
589                     memmove(p + 1, p, outlink->w - 1);
590                 }
591             }
592             s->xpos = 0;
593         }
594         for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
595             uint8_t *p = outpicref->data[plane] +
596                          (outlink->h - 1) * outpicref->linesize[plane] +
597                          s->xpos;
598             for (y = 0; y < outlink->h; y++) {
599                 *p = lrint(FFMAX(0, FFMIN(s->combine_buffer[3 * y + plane], 255)));
600                 p -= outpicref->linesize[plane];
601             }
602         }
603     } else {
604         if (s->sliding == SCROLL) {
605             for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
606                 for (y = 1; y < outlink->h; y++) {
607                     memmove(outpicref->data[plane] + (y-1) * outpicref->linesize[plane],
608                             outpicref->data[plane] + (y  ) * outpicref->linesize[plane],
609                             outlink->w);
610                 }
611             }
612             s->xpos = outlink->h - 1;
613         } else if (s->sliding == RSCROLL) {
614             for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
615                 for (y = outlink->h - 1; y >= 1; y--) {
616                     memmove(outpicref->data[plane] + (y  ) * outpicref->linesize[plane],
617                             outpicref->data[plane] + (y-1) * outpicref->linesize[plane],
618                             outlink->w);
619                 }
620             }
621             s->xpos = 0;
622         }
623         for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
624             uint8_t *p = outpicref->data[plane] +
625                          s->xpos * outpicref->linesize[plane];
626             for (x = 0; x < outlink->w; x++) {
627                 *p = lrint(FFMAX(0, FFMIN(s->combine_buffer[3 * x + plane], 255)));
628                 p++;
629             }
630         }
631     }
632
633     if (s->sliding != FULLFRAME || s->xpos == 0)
634         outpicref->pts = insamples->pts;
635
636     s->xpos++;
637     if (s->orientation == VERTICAL && s->xpos >= outlink->w)
638         s->xpos = 0;
639     if (s->orientation == HORIZONTAL && s->xpos >= outlink->h)
640         s->xpos = 0;
641     if (!s->single_pic && (s->sliding != FULLFRAME || s->xpos == 0)) {
642         ret = ff_filter_frame(outlink, av_frame_clone(s->outpicref));
643         if (ret < 0)
644             return ret;
645     }
646
647     return s->win_size;
648 }
649
650 #if CONFIG_SHOWSPECTRUM_FILTER
651
652 static int request_frame(AVFilterLink *outlink)
653 {
654     ShowSpectrumContext *s = outlink->src->priv;
655     AVFilterLink *inlink = outlink->src->inputs[0];
656     unsigned i;
657     int ret;
658
659     ret = ff_request_frame(inlink);
660     if (ret == AVERROR_EOF && s->sliding == FULLFRAME && s->xpos > 0 &&
661         s->outpicref) {
662         if (s->orientation == VERTICAL) {
663             for (i = 0; i < outlink->h; i++) {
664                 memset(s->outpicref->data[0] + i * s->outpicref->linesize[0] + s->xpos,   0, outlink->w - s->xpos);
665                 memset(s->outpicref->data[1] + i * s->outpicref->linesize[1] + s->xpos, 128, outlink->w - s->xpos);
666                 memset(s->outpicref->data[2] + i * s->outpicref->linesize[2] + s->xpos, 128, outlink->w - s->xpos);
667             }
668         } else {
669             for (i = s->xpos; i < outlink->h; i++) {
670                 memset(s->outpicref->data[0] + i * s->outpicref->linesize[0],   0, outlink->w);
671                 memset(s->outpicref->data[1] + i * s->outpicref->linesize[1], 128, outlink->w);
672                 memset(s->outpicref->data[2] + i * s->outpicref->linesize[2], 128, outlink->w);
673             }
674         }
675         ret = ff_filter_frame(outlink, s->outpicref);
676         s->outpicref = NULL;
677     }
678
679     return ret;
680 }
681
682 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *insamples)
683 {
684     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
685     ShowSpectrumContext *s = ctx->priv;
686     AVFrame *fin = NULL;
687     int ret = 0;
688
689     av_audio_fifo_write(s->fifo, (void **)insamples->extended_data, insamples->nb_samples);
690     av_frame_free(&insamples);
691     while (av_audio_fifo_size(s->fifo) >= s->win_size) {
692         fin = ff_get_audio_buffer(inlink, s->win_size);
693         if (!fin) {
694             ret = AVERROR(ENOMEM);
695             goto fail;
696         }
697
698         fin->pts = s->pts;
699         s->pts += s->skip_samples;
700         ret = av_audio_fifo_peek(s->fifo, (void **)fin->extended_data, s->win_size);
701         if (ret < 0)
702             goto fail;
703
704         av_assert0(fin->nb_samples == s->win_size);
705
706         run_rdft(s, fin);
707         calc_magnitudes(s);
708
709         ret = plot_spectrum_column(inlink, fin);
710         av_frame_free(&fin);
711         av_audio_fifo_drain(s->fifo, s->skip_samples);
712         if (ret < 0)
713             goto fail;
714     }
715
716 fail:
717     av_frame_free(&fin);
718     return ret;
719 }
720
721 static const AVFilterPad showspectrum_inputs[] = {
722     {
723         .name         = "default",
724         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
725         .filter_frame = filter_frame,
726     },
727     { NULL }
728 };
729
730 static const AVFilterPad showspectrum_outputs[] = {
731     {
732         .name          = "default",
733         .type          = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
734         .config_props  = config_output,
735         .request_frame = request_frame,
736     },
737     { NULL }
738 };
739
740 AVFilter ff_avf_showspectrum = {
741     .name          = "showspectrum",
742     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Convert input audio to a spectrum video output."),
743     .uninit        = uninit,
744     .query_formats = query_formats,
745     .priv_size     = sizeof(ShowSpectrumContext),
746     .inputs        = showspectrum_inputs,
747     .outputs       = showspectrum_outputs,
748     .priv_class    = &showspectrum_class,
749 };
750 #endif // CONFIG_SHOWSPECTRUM_FILTER
751
752 #if CONFIG_SHOWSPECTRUMPIC_FILTER
753
754 static const AVOption showspectrumpic_options[] = {
755     { "size", "set video size", OFFSET(w), AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str = "4096x2048"}, 0, 0, FLAGS },
756     { "s",    "set video size", OFFSET(w), AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str = "4096x2048"}, 0, 0, FLAGS },
757     { "mode", "set channel display mode", OFFSET(mode), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=COMBINED}, 0, NB_MODES-1, FLAGS, "mode" },
758         { "combined", "combined mode", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=COMBINED}, 0, 0, FLAGS, "mode" },
759         { "separate", "separate mode", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=SEPARATE}, 0, 0, FLAGS, "mode" },
760     { "color", "set channel coloring", OFFSET(color_mode), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=INTENSITY}, 0, NB_CLMODES-1, FLAGS, "color" },
761         { "channel",   "separate color for each channel", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=CHANNEL},   0, 0, FLAGS, "color" },
762         { "intensity", "intensity based coloring",        0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=INTENSITY}, 0, 0, FLAGS, "color" },
763         { "rainbow",   "rainbow based coloring",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=RAINBOW},   0, 0, FLAGS, "color" },
764         { "moreland",  "moreland based coloring",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=MORELAND},  0, 0, FLAGS, "color" },
765         { "nebulae",   "nebulae based coloring",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=NEBULAE},   0, 0, FLAGS, "color" },
766         { "fire",      "fire based coloring",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FIRE},      0, 0, FLAGS, "color" },
767         { "fiery",     "fiery based coloring",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FIERY},     0, 0, FLAGS, "color" },
768     { "scale", "set display scale", OFFSET(scale), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=LOG}, 0, NB_SCALES-1, FLAGS, "scale" },
769         { "sqrt", "square root", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=SQRT},   0, 0, FLAGS, "scale" },
770         { "cbrt", "cubic root",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=CBRT},   0, 0, FLAGS, "scale" },
771         { "log",  "logarithmic", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=LOG},    0, 0, FLAGS, "scale" },
772         { "lin",  "linear",      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=LINEAR}, 0, 0, FLAGS, "scale" },
773     { "saturation", "color saturation multiplier", OFFSET(saturation), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl = 1}, -10, 10, FLAGS },
774     { "win_func", "set window function", OFFSET(win_func), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64 = WFUNC_HANNING}, 0, NB_WFUNC-1, FLAGS, "win_func" },
775         { "rect",     "Rectangular",      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_RECT},     0, 0, FLAGS, "win_func" },
776         { "bartlett", "Bartlett",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BARTLETT}, 0, 0, FLAGS, "win_func" },
777         { "hann",     "Hann",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HANNING},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
778         { "hanning",  "Hanning",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HANNING},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
779         { "hamming",  "Hamming",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HAMMING},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
780         { "blackman", "Blackman",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BLACKMAN}, 0, 0, FLAGS, "win_func" },
781         { "welch",    "Welch",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_WELCH},    0, 0, FLAGS, "win_func" },
782         { "flattop",  "Flat-top",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_FLATTOP},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
783         { "bharris",  "Blackman-Harris",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BHARRIS},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
784         { "bnuttall", "Blackman-Nuttall", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BNUTTALL}, 0, 0, FLAGS, "win_func" },
785         { "bhann",    "Bartlett-Hann",    0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BHANN},    0, 0, FLAGS, "win_func" },
786         { "sine",     "Sine",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_SINE},     0, 0, FLAGS, "win_func" },
787         { "nuttall",  "Nuttall",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_NUTTALL},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
788         { "lanczos",  "Lanczos",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_LANCZOS},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
789         { "gauss",    "Gauss",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_GAUSS},    0, 0, FLAGS, "win_func" },
790     { "orientation", "set orientation", OFFSET(orientation), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=VERTICAL}, 0, NB_ORIENTATIONS-1, FLAGS, "orientation" },
791         { "vertical",   NULL, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=VERTICAL},   0, 0, FLAGS, "orientation" },
792         { "horizontal", NULL, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=HORIZONTAL}, 0, 0, FLAGS, "orientation" },
793     { NULL }
794 };
795
796 AVFILTER_DEFINE_CLASS(showspectrumpic);
797
798 static int showspectrumpic_request_frame(AVFilterLink *outlink)
799 {
800     ShowSpectrumContext *s = outlink->src->priv;
801     AVFilterLink *inlink = outlink->src->inputs[0];
802     int ret;
803
804     ret = ff_request_frame(inlink);
805     if (ret == AVERROR_EOF && s->outpicref) {
806         int samples = av_audio_fifo_size(s->fifo);
807         int consumed = 0;
808         int x = 0, sz = s->orientation == VERTICAL ? s->w : s->h;
809         int ch, spf, spb;
810         AVFrame *fin;
811
812         spf = s->win_size * (samples / ((s->win_size * sz) * ceil(samples / (float)(s->win_size * sz))));
813         spb = (samples / (spf * sz)) * spf;
814
815         fin = ff_get_audio_buffer(inlink, s->win_size);
816         if (!fin)
817             return AVERROR(ENOMEM);
818
819         while (x < sz) {
820             ret = av_audio_fifo_peek(s->fifo, (void **)fin->extended_data, s->win_size);
821             if (ret < 0) {
822                 av_frame_free(&fin);
823                 return ret;
824             }
825
826             av_audio_fifo_drain(s->fifo, spf);
827
828             if (ret < s->win_size) {
829                 for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++) {
830                     memset(fin->extended_data[ch] + ret * sizeof(int16_t), 0,
831                            (s->win_size - ret) * sizeof(int16_t));
832                 }
833             }
834
835             run_rdft(s, fin);
836             acalc_magnitudes(s);
837
838             consumed += spf;
839             if (consumed >= spb) {
840                 int h = s->orientation == VERTICAL ? s->h : s->w;
841
842                 scale_magnitudes(s, 1. / (consumed / spf));
843                 plot_spectrum_column(inlink, fin);
844                 consumed = 0;
845                 x++;
846                 for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++)
847                     memset(s->magnitudes[ch], 0, h * sizeof(float));
848             }
849         }
850
851         av_frame_free(&fin);
852         s->outpicref->pts = 0;
853         ret = ff_filter_frame(outlink, s->outpicref);
854         s->outpicref = NULL;
855     }
856
857     return ret;
858 }
859
860 static int showspectrumpic_filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *insamples)
861 {
862     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
863     ShowSpectrumContext *s = ctx->priv;
864     int ret;
865
866     ret = av_audio_fifo_write(s->fifo, (void **)insamples->extended_data, insamples->nb_samples);
867     av_frame_free(&insamples);
868     return ret;
869 }
870
871 static const AVFilterPad showspectrumpic_inputs[] = {
872     {
873         .name         = "default",
874         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
875         .filter_frame = showspectrumpic_filter_frame,
876     },
877     { NULL }
878 };
879
880 static const AVFilterPad showspectrumpic_outputs[] = {
881     {
882         .name          = "default",
883         .type          = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
884         .config_props  = config_output,
885         .request_frame = showspectrumpic_request_frame,
886     },
887     { NULL }
888 };
889
890 AVFilter ff_avf_showspectrumpic = {
891     .name          = "showspectrumpic",
892     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Convert input audio to a spectrum video output single picture."),
893     .uninit        = uninit,
894     .query_formats = query_formats,
895     .priv_size     = sizeof(ShowSpectrumContext),
896     .inputs        = showspectrumpic_inputs,
897     .outputs       = showspectrumpic_outputs,
898     .priv_class    = &showspectrumpic_class,
899 };
900
901 #endif // CONFIG_SHOWSPECTRUMPIC_FILTER