d9fae7fa1d51f9b55e7e279658affe2894be45cc
[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     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         { "4thrt","4th root",    0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FOURTHRT}, 0, 0, FLAGS, "scale" },
104         { "5thrt","5th root",    0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FIFTHRT},  0, 0, FLAGS, "scale" },
105         { "log",  "logarithmic", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=LOG},    0, 0, FLAGS, "scale" },
106         { "lin",  "linear",      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=LINEAR}, 0, 0, FLAGS, "scale" },
107     { "saturation", "color saturation multiplier", OFFSET(saturation), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl = 1}, -10, 10, FLAGS },
108     { "win_func", "set window function", OFFSET(win_func), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64 = WFUNC_HANNING}, 0, NB_WFUNC-1, FLAGS, "win_func" },
109         { "rect",     "Rectangular",      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_RECT},     0, 0, FLAGS, "win_func" },
110         { "bartlett", "Bartlett",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BARTLETT}, 0, 0, FLAGS, "win_func" },
111         { "hann",     "Hann",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HANNING},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
112         { "hanning",  "Hanning",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HANNING},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
113         { "hamming",  "Hamming",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HAMMING},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
114         { "blackman", "Blackman",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BLACKMAN}, 0, 0, FLAGS, "win_func" },
115         { "welch",    "Welch",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_WELCH},    0, 0, FLAGS, "win_func" },
116         { "flattop",  "Flat-top",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_FLATTOP},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
117         { "bharris",  "Blackman-Harris",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BHARRIS},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
118         { "bnuttall", "Blackman-Nuttall", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BNUTTALL}, 0, 0, FLAGS, "win_func" },
119         { "bhann",    "Bartlett-Hann",    0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BHANN},    0, 0, FLAGS, "win_func" },
120         { "sine",     "Sine",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_SINE},     0, 0, FLAGS, "win_func" },
121         { "nuttall",  "Nuttall",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_NUTTALL},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
122         { "lanczos",  "Lanczos",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_LANCZOS},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
123         { "gauss",    "Gauss",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_GAUSS},    0, 0, FLAGS, "win_func" },
124     { "orientation", "set orientation", OFFSET(orientation), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=VERTICAL}, 0, NB_ORIENTATIONS-1, FLAGS, "orientation" },
125         { "vertical",   NULL, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=VERTICAL},   0, 0, FLAGS, "orientation" },
126         { "horizontal", NULL, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=HORIZONTAL}, 0, 0, FLAGS, "orientation" },
127     { "overlap", "set window overlap", OFFSET(overlap), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl = 0}, 0, 1, FLAGS },
128     { NULL }
129 };
130
131 AVFILTER_DEFINE_CLASS(showspectrum);
132
133 static const struct ColorTable {
134     float a, y, u, v;
135 } color_table[][8] = {
136     [INTENSITY] = {
137     {    0,                  0,                  0,                   0 },
138     { 0.13, .03587126228984074,  .1573300977624594, -.02548747583751842 },
139     { 0.30, .18572281794568020,  .1772436246393981,  .17475554840414750 },
140     { 0.60, .28184980583656130, -.1593064119945782,  .47132074554608920 },
141     { 0.73, .65830621175547810, -.3716070802232764,  .24352759331252930 },
142     { 0.78, .76318535758242900, -.4307467689263783,  .16866496622310430 },
143     { 0.91, .95336363636363640, -.2045454545454546,  .03313636363636363 },
144     {    1,                  1,                  0,                   0 }},
145     [RAINBOW] = {
146     {    0,                  0,                  0,                   0 },
147     { 0.13,            44/256.,     (189-128)/256.,      (138-128)/256. },
148     { 0.25,            29/256.,     (186-128)/256.,      (119-128)/256. },
149     { 0.38,           119/256.,     (194-128)/256.,       (53-128)/256. },
150     { 0.60,           111/256.,      (73-128)/256.,       (59-128)/256. },
151     { 0.73,           205/256.,      (19-128)/256.,      (149-128)/256. },
152     { 0.86,           135/256.,      (83-128)/256.,      (200-128)/256. },
153     {    1,            73/256.,      (95-128)/256.,      (225-128)/256. }},
154     [MORELAND] = {
155     {    0,            44/256.,     (181-128)/256.,      (112-128)/256. },
156     { 0.13,           126/256.,     (177-128)/256.,      (106-128)/256. },
157     { 0.25,           164/256.,     (163-128)/256.,      (109-128)/256. },
158     { 0.38,           200/256.,     (140-128)/256.,      (120-128)/256. },
159     { 0.60,           201/256.,     (117-128)/256.,      (141-128)/256. },
160     { 0.73,           177/256.,     (103-128)/256.,      (165-128)/256. },
161     { 0.86,           136/256.,     (100-128)/256.,      (183-128)/256. },
162     {    1,            68/256.,     (117-128)/256.,      (203-128)/256. }},
163     [NEBULAE] = {
164     {    0,            10/256.,     (134-128)/256.,      (132-128)/256. },
165     { 0.23,            21/256.,     (137-128)/256.,      (130-128)/256. },
166     { 0.45,            35/256.,     (134-128)/256.,      (134-128)/256. },
167     { 0.57,            51/256.,     (130-128)/256.,      (139-128)/256. },
168     { 0.67,           104/256.,     (116-128)/256.,      (162-128)/256. },
169     { 0.77,           120/256.,     (105-128)/256.,      (188-128)/256. },
170     { 0.87,           140/256.,     (105-128)/256.,      (188-128)/256. },
171     {    1,                  1,                  0,                   0 }},
172     [FIRE] = {
173     {    0,                  0,                  0,                   0 },
174     { 0.23,            44/256.,     (132-128)/256.,      (127-128)/256. },
175     { 0.45,            62/256.,     (116-128)/256.,      (140-128)/256. },
176     { 0.57,            75/256.,     (105-128)/256.,      (152-128)/256. },
177     { 0.67,            95/256.,      (91-128)/256.,      (166-128)/256. },
178     { 0.77,           126/256.,      (74-128)/256.,      (172-128)/256. },
179     { 0.87,           164/256.,      (73-128)/256.,      (162-128)/256. },
180     {    1,                  1,                  0,                   0 }},
181     [FIERY] = {
182     {    0,                  0,                  0,                   0 },
183     { 0.23,            36/256.,     (116-128)/256.,      (163-128)/256. },
184     { 0.45,            52/256.,     (102-128)/256.,      (200-128)/256. },
185     { 0.57,           116/256.,      (84-128)/256.,      (196-128)/256. },
186     { 0.67,           157/256.,      (67-128)/256.,      (181-128)/256. },
187     { 0.77,           193/256.,      (40-128)/256.,      (155-128)/256. },
188     { 0.87,           221/256.,     (101-128)/256.,      (134-128)/256. },
189     {    1,                  1,                  0,                   0 }},
190 };
191
192 static av_cold void uninit(AVFilterContext *ctx)
193 {
194     ShowSpectrumContext *s = ctx->priv;
195     int i;
196
197     av_freep(&s->combine_buffer);
198     av_rdft_end(s->rdft);
199     if (s->rdft_data) {
200         for (i = 0; i < s->nb_display_channels; i++)
201             av_freep(&s->rdft_data[i]);
202     }
203     av_freep(&s->rdft_data);
204     av_freep(&s->window_func_lut);
205     if (s->magnitudes) {
206         for (i = 0; i < s->nb_display_channels; i++)
207             av_freep(&s->magnitudes[i]);
208     }
209     av_freep(&s->magnitudes);
210     av_frame_free(&s->outpicref);
211     av_audio_fifo_free(s->fifo);
212 }
213
214 static int query_formats(AVFilterContext *ctx)
215 {
216     AVFilterFormats *formats = NULL;
217     AVFilterChannelLayouts *layouts = NULL;
218     AVFilterLink *inlink = ctx->inputs[0];
219     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
220     static const enum AVSampleFormat sample_fmts[] = { AV_SAMPLE_FMT_S16P, AV_SAMPLE_FMT_NONE };
221     static const enum AVPixelFormat pix_fmts[] = { AV_PIX_FMT_YUVJ444P, AV_PIX_FMT_NONE };
222     int ret;
223
224     /* set input audio formats */
225     formats = ff_make_format_list(sample_fmts);
226     if ((ret = ff_formats_ref(formats, &inlink->out_formats)) < 0)
227         return ret;
228
229     layouts = ff_all_channel_layouts();
230     if ((ret = ff_channel_layouts_ref(layouts, &inlink->out_channel_layouts)) < 0)
231         return ret;
232
233     formats = ff_all_samplerates();
234     if ((ret = ff_formats_ref(formats, &inlink->out_samplerates)) < 0)
235         return ret;
236
237     /* set output video format */
238     formats = ff_make_format_list(pix_fmts);
239     if ((ret = ff_formats_ref(formats, &outlink->in_formats)) < 0)
240         return ret;
241
242     return 0;
243 }
244
245 static int config_output(AVFilterLink *outlink)
246 {
247     AVFilterContext *ctx = outlink->src;
248     AVFilterLink *inlink = ctx->inputs[0];
249     ShowSpectrumContext *s = ctx->priv;
250     int i, rdft_bits, h, w;
251     float overlap;
252
253     if (!strcmp(ctx->filter->name, "showspectrumpic"))
254         s->single_pic = 1;
255
256     outlink->w = s->w;
257     outlink->h = s->h;
258
259     h = (s->mode == COMBINED || s->orientation == HORIZONTAL) ? outlink->h : outlink->h / inlink->channels;
260     w = (s->mode == COMBINED || s->orientation == VERTICAL)   ? outlink->w : outlink->w / inlink->channels;
261     s->channel_height = h;
262     s->channel_width  = w;
263
264     if (s->orientation == VERTICAL) {
265         /* RDFT window size (precision) according to the requested output frame height */
266         for (rdft_bits = 1; 1 << rdft_bits < 2 * h; rdft_bits++);
267     } else {
268         /* RDFT window size (precision) according to the requested output frame width */
269         for (rdft_bits = 1; 1 << rdft_bits < 2 * w; rdft_bits++);
270     }
271     s->win_size = 1 << rdft_bits;
272
273     /* (re-)configuration if the video output changed (or first init) */
274     if (rdft_bits != s->rdft_bits) {
275         AVFrame *outpicref;
276
277         av_rdft_end(s->rdft);
278         s->rdft = av_rdft_init(rdft_bits, DFT_R2C);
279         if (!s->rdft) {
280             av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "Unable to create RDFT context. "
281                    "The window size might be too high.\n");
282             return AVERROR(EINVAL);
283         }
284         s->rdft_bits = rdft_bits;
285
286         /* RDFT buffers: x2 for each (display) channel buffer.
287          * Note: we use free and malloc instead of a realloc-like function to
288          * make sure the buffer is aligned in memory for the FFT functions. */
289         for (i = 0; i < s->nb_display_channels; i++)
290             av_freep(&s->rdft_data[i]);
291         av_freep(&s->rdft_data);
292         s->nb_display_channels = inlink->channels;
293
294         s->magnitudes = av_calloc(s->nb_display_channels, sizeof(*s->magnitudes));
295         if (!s->magnitudes)
296             return AVERROR(ENOMEM);
297         for (i = 0; i < s->nb_display_channels; i++) {
298             s->magnitudes[i] = av_calloc(s->orientation == VERTICAL ? s->h : s->w, sizeof(**s->magnitudes));
299             if (!s->magnitudes[i])
300                 return AVERROR(ENOMEM);
301         }
302
303         s->rdft_data = av_calloc(s->nb_display_channels, sizeof(*s->rdft_data));
304         if (!s->rdft_data)
305             return AVERROR(ENOMEM);
306         for (i = 0; i < s->nb_display_channels; i++) {
307             s->rdft_data[i] = av_calloc(s->win_size, sizeof(**s->rdft_data));
308             if (!s->rdft_data[i])
309                 return AVERROR(ENOMEM);
310         }
311
312         /* pre-calc windowing function */
313         s->window_func_lut =
314             av_realloc_f(s->window_func_lut, s->win_size,
315                          sizeof(*s->window_func_lut));
316         if (!s->window_func_lut)
317             return AVERROR(ENOMEM);
318         ff_generate_window_func(s->window_func_lut, s->win_size, s->win_func, &overlap);
319         if (s->overlap == 1)
320             s->overlap = overlap;
321         s->skip_samples = (1. - s->overlap) * s->win_size;
322         if (s->skip_samples < 1) {
323             av_log(ctx, AV_LOG_ERROR, "overlap %f too big\n", s->overlap);
324             return AVERROR(EINVAL);
325         }
326
327         for (s->win_scale = 0, i = 0; i < s->win_size; i++) {
328             s->win_scale += s->window_func_lut[i] * s->window_func_lut[i];
329         }
330         s->win_scale = 1. / (sqrt(s->win_scale) * 32768.);
331
332         /* prepare the initial picref buffer (black frame) */
333         av_frame_free(&s->outpicref);
334         s->outpicref = outpicref =
335             ff_get_video_buffer(outlink, outlink->w, outlink->h);
336         if (!outpicref)
337             return AVERROR(ENOMEM);
338         outlink->sample_aspect_ratio = (AVRational){1,1};
339         for (i = 0; i < outlink->h; i++) {
340             memset(outpicref->data[0] + i * outpicref->linesize[0],   0, outlink->w);
341             memset(outpicref->data[1] + i * outpicref->linesize[1], 128, outlink->w);
342             memset(outpicref->data[2] + i * outpicref->linesize[2], 128, outlink->w);
343         }
344     }
345
346     if ((s->orientation == VERTICAL   && s->xpos >= outlink->w) ||
347         (s->orientation == HORIZONTAL && s->xpos >= outlink->h))
348         s->xpos = 0;
349
350     outlink->frame_rate = av_make_q(inlink->sample_rate, s->win_size * (1.-s->overlap));
351     if (s->orientation == VERTICAL && s->sliding == FULLFRAME)
352         outlink->frame_rate.den *= outlink->w;
353     if (s->orientation == HORIZONTAL && s->sliding == FULLFRAME)
354         outlink->frame_rate.den *= outlink->h;
355
356     if (s->orientation == VERTICAL) {
357         s->combine_buffer =
358             av_realloc_f(s->combine_buffer, outlink->h * 3,
359                          sizeof(*s->combine_buffer));
360     } else {
361         s->combine_buffer =
362             av_realloc_f(s->combine_buffer, outlink->w * 3,
363                          sizeof(*s->combine_buffer));
364     }
365
366     av_log(ctx, AV_LOG_VERBOSE, "s:%dx%d RDFT window size:%d\n",
367            s->w, s->h, s->win_size);
368
369     av_audio_fifo_free(s->fifo);
370     s->fifo = av_audio_fifo_alloc(inlink->format, inlink->channels, s->win_size);
371     if (!s->fifo)
372         return AVERROR(ENOMEM);
373     return 0;
374 }
375
376 static void run_rdft(ShowSpectrumContext *s, AVFrame *fin)
377 {
378     int ch, n;
379
380     /* fill RDFT input with the number of samples available */
381     for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++) {
382         const int16_t *p = (int16_t *)fin->extended_data[ch];
383
384         for (n = 0; n < s->win_size; n++)
385             s->rdft_data[ch][n] = p[n] * s->window_func_lut[n];
386     }
387
388     /* run RDFT on each samples set */
389     for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++)
390         av_rdft_calc(s->rdft, s->rdft_data[ch]);
391 }
392
393 #define RE(y, ch) s->rdft_data[ch][2 * (y) + 0]
394 #define IM(y, ch) s->rdft_data[ch][2 * (y) + 1]
395 #define MAGNITUDE(y, ch) hypot(RE(y, ch), IM(y, ch))
396
397 static void calc_magnitudes(ShowSpectrumContext *s)
398 {
399     int ch, y, h = s->orientation == VERTICAL ? s->h : s->w;
400
401     for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++) {
402         float *magnitudes = s->magnitudes[ch];
403
404         for (y = 0; y < h; y++)
405             magnitudes[y] = MAGNITUDE(y, ch);
406     }
407 }
408
409 static void acalc_magnitudes(ShowSpectrumContext *s)
410 {
411     int ch, y, h = s->orientation == VERTICAL ? s->h : s->w;
412
413     for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++) {
414         float *magnitudes = s->magnitudes[ch];
415
416         for (y = 0; y < h; y++)
417             magnitudes[y] += MAGNITUDE(y, ch);
418     }
419 }
420
421 static void scale_magnitudes(ShowSpectrumContext *s, float scale)
422 {
423     int ch, y, h = s->orientation == VERTICAL ? s->h : s->w;
424
425     for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++) {
426         float *magnitudes = s->magnitudes[ch];
427
428         for (y = 0; y < h; y++)
429             magnitudes[y] *= scale;
430     }
431 }
432
433 static void pick_color(ShowSpectrumContext *s,
434                        float yf, float uf, float vf,
435                        float a, float *out)
436 {
437     if (s->color_mode > CHANNEL) {
438         const int cm = s->color_mode;
439         float y, u, v;
440         int i;
441
442         for (i = 1; i < FF_ARRAY_ELEMS(color_table[cm]) - 1; i++)
443             if (color_table[cm][i].a >= a)
444                 break;
445         // i now is the first item >= the color
446         // now we know to interpolate between item i - 1 and i
447         if (a <= color_table[cm][i - 1].a) {
448             y = color_table[cm][i - 1].y;
449             u = color_table[cm][i - 1].u;
450             v = color_table[cm][i - 1].v;
451         } else if (a >= color_table[cm][i].a) {
452             y = color_table[cm][i].y;
453             u = color_table[cm][i].u;
454             v = color_table[cm][i].v;
455         } else {
456             float start = color_table[cm][i - 1].a;
457             float end = color_table[cm][i].a;
458             float lerpfrac = (a - start) / (end - start);
459             y = color_table[cm][i - 1].y * (1.0f - lerpfrac)
460               + color_table[cm][i].y * lerpfrac;
461             u = color_table[cm][i - 1].u * (1.0f - lerpfrac)
462               + color_table[cm][i].u * lerpfrac;
463             v = color_table[cm][i - 1].v * (1.0f - lerpfrac)
464               + color_table[cm][i].v * lerpfrac;
465         }
466
467         out[0] += y * yf;
468         out[1] += u * uf;
469         out[2] += v * vf;
470     } else {
471         out[0] += a * yf;
472         out[1] += a * uf;
473         out[2] += a * vf;
474     }
475 }
476
477 static void clear_combine_buffer(ShowSpectrumContext *s, int size)
478 {
479     int y;
480
481     for (y = 0; y < size; y++) {
482         s->combine_buffer[3 * y    ] = 0;
483         s->combine_buffer[3 * y + 1] = 127.5;
484         s->combine_buffer[3 * y + 2] = 127.5;
485     }
486 }
487
488 static int plot_spectrum_column(AVFilterLink *inlink, AVFrame *insamples)
489 {
490     int ret;
491     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
492     AVFilterLink *outlink = ctx->outputs[0];
493     ShowSpectrumContext *s = ctx->priv;
494     AVFrame *outpicref = s->outpicref;
495     const double w = s->win_scale;
496     int h = s->orientation == VERTICAL ? s->channel_height : s->channel_width;
497
498     int ch, plane, x, y;
499
500     /* fill a new spectrum column */
501     /* initialize buffer for combining to black */
502     clear_combine_buffer(s, s->orientation == VERTICAL ? outlink->h : outlink->w);
503
504     for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++) {
505         float *magnitudes = s->magnitudes[ch];
506         float yf, uf, vf;
507
508         /* decide color range */
509         switch (s->mode) {
510         case COMBINED:
511             // reduce range by channel count
512             yf = 256.0f / s->nb_display_channels;
513             switch (s->color_mode) {
514             case RAINBOW:
515             case MORELAND:
516             case NEBULAE:
517             case FIRE:
518             case FIERY:
519             case INTENSITY:
520                 uf = yf;
521                 vf = yf;
522                 break;
523             case CHANNEL:
524                 /* adjust saturation for mixed UV coloring */
525                 /* this factor is correct for infinite channels, an approximation otherwise */
526                 uf = yf * M_PI;
527                 vf = yf * M_PI;
528                 break;
529             default:
530                 av_assert0(0);
531             }
532             break;
533         case SEPARATE:
534             // full range
535             yf = 256.0f;
536             uf = 256.0f;
537             vf = 256.0f;
538             break;
539         default:
540             av_assert0(0);
541         }
542
543         if (s->color_mode == CHANNEL) {
544             if (s->nb_display_channels > 1) {
545                 uf *= 0.5 * sin((2 * M_PI * ch) / s->nb_display_channels);
546                 vf *= 0.5 * cos((2 * M_PI * ch) / s->nb_display_channels);
547             } else {
548                 uf = 0.0f;
549                 vf = 0.0f;
550             }
551         }
552         uf *= s->saturation;
553         vf *= s->saturation;
554
555         /* draw the channel */
556         for (y = 0; y < h; y++) {
557             int row = (s->mode == COMBINED) ? y : ch * h + y;
558             float *out = &s->combine_buffer[3 * row];
559
560             /* get magnitude */
561             float a = w * magnitudes[y];
562
563             /* apply scale */
564             switch (s->scale) {
565             case LINEAR:
566                 break;
567             case SQRT:
568                 a = sqrt(a);
569                 break;
570             case CBRT:
571                 a = cbrt(a);
572                 break;
573             case FOURTHRT:
574                 a = pow(a, 0.25);
575                 break;
576             case FIFTHRT:
577                 a = pow(a, 0.20);
578                 break;
579             case LOG:
580                 a = 1 + log10(FFMAX(FFMIN(1, a), 1e-6)) / 5; // zero = -120dBFS
581                 break;
582             default:
583                 av_assert0(0);
584             }
585
586             pick_color(s, yf, uf, vf, a, out);
587         }
588     }
589
590     av_frame_make_writable(s->outpicref);
591     /* copy to output */
592     if (s->orientation == VERTICAL) {
593         if (s->sliding == SCROLL) {
594             for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
595                 for (y = 0; y < outlink->h; y++) {
596                     uint8_t *p = outpicref->data[plane] +
597                                  y * outpicref->linesize[plane];
598                     memmove(p, p + 1, outlink->w - 1);
599                 }
600             }
601             s->xpos = outlink->w - 1;
602         } else if (s->sliding == RSCROLL) {
603             for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
604                 for (y = 0; y < outlink->h; y++) {
605                     uint8_t *p = outpicref->data[plane] +
606                                  y * outpicref->linesize[plane];
607                     memmove(p + 1, p, outlink->w - 1);
608                 }
609             }
610             s->xpos = 0;
611         }
612         for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
613             uint8_t *p = outpicref->data[plane] +
614                          (outlink->h - 1) * outpicref->linesize[plane] +
615                          s->xpos;
616             for (y = 0; y < outlink->h; y++) {
617                 *p = lrint(FFMAX(0, FFMIN(s->combine_buffer[3 * y + plane], 255)));
618                 p -= outpicref->linesize[plane];
619             }
620         }
621     } else {
622         if (s->sliding == SCROLL) {
623             for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
624                 for (y = 1; y < outlink->h; y++) {
625                     memmove(outpicref->data[plane] + (y-1) * outpicref->linesize[plane],
626                             outpicref->data[plane] + (y  ) * outpicref->linesize[plane],
627                             outlink->w);
628                 }
629             }
630             s->xpos = outlink->h - 1;
631         } else if (s->sliding == RSCROLL) {
632             for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
633                 for (y = outlink->h - 1; y >= 1; y--) {
634                     memmove(outpicref->data[plane] + (y  ) * outpicref->linesize[plane],
635                             outpicref->data[plane] + (y-1) * outpicref->linesize[plane],
636                             outlink->w);
637                 }
638             }
639             s->xpos = 0;
640         }
641         for (plane = 0; plane < 3; plane++) {
642             uint8_t *p = outpicref->data[plane] +
643                          s->xpos * outpicref->linesize[plane];
644             for (x = 0; x < outlink->w; x++) {
645                 *p = lrint(FFMAX(0, FFMIN(s->combine_buffer[3 * x + plane], 255)));
646                 p++;
647             }
648         }
649     }
650
651     if (s->sliding != FULLFRAME || s->xpos == 0)
652         outpicref->pts = insamples->pts;
653
654     s->xpos++;
655     if (s->orientation == VERTICAL && s->xpos >= outlink->w)
656         s->xpos = 0;
657     if (s->orientation == HORIZONTAL && s->xpos >= outlink->h)
658         s->xpos = 0;
659     if (!s->single_pic && (s->sliding != FULLFRAME || s->xpos == 0)) {
660         ret = ff_filter_frame(outlink, av_frame_clone(s->outpicref));
661         if (ret < 0)
662             return ret;
663     }
664
665     return s->win_size;
666 }
667
668 #if CONFIG_SHOWSPECTRUM_FILTER
669
670 static int request_frame(AVFilterLink *outlink)
671 {
672     ShowSpectrumContext *s = outlink->src->priv;
673     AVFilterLink *inlink = outlink->src->inputs[0];
674     unsigned i;
675     int ret;
676
677     ret = ff_request_frame(inlink);
678     if (ret == AVERROR_EOF && s->sliding == FULLFRAME && s->xpos > 0 &&
679         s->outpicref) {
680         if (s->orientation == VERTICAL) {
681             for (i = 0; i < outlink->h; i++) {
682                 memset(s->outpicref->data[0] + i * s->outpicref->linesize[0] + s->xpos,   0, outlink->w - s->xpos);
683                 memset(s->outpicref->data[1] + i * s->outpicref->linesize[1] + s->xpos, 128, outlink->w - s->xpos);
684                 memset(s->outpicref->data[2] + i * s->outpicref->linesize[2] + s->xpos, 128, outlink->w - s->xpos);
685             }
686         } else {
687             for (i = s->xpos; i < outlink->h; i++) {
688                 memset(s->outpicref->data[0] + i * s->outpicref->linesize[0],   0, outlink->w);
689                 memset(s->outpicref->data[1] + i * s->outpicref->linesize[1], 128, outlink->w);
690                 memset(s->outpicref->data[2] + i * s->outpicref->linesize[2], 128, outlink->w);
691             }
692         }
693         ret = ff_filter_frame(outlink, s->outpicref);
694         s->outpicref = NULL;
695     }
696
697     return ret;
698 }
699
700 static int filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *insamples)
701 {
702     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
703     ShowSpectrumContext *s = ctx->priv;
704     AVFrame *fin = NULL;
705     int ret = 0;
706
707     av_audio_fifo_write(s->fifo, (void **)insamples->extended_data, insamples->nb_samples);
708     av_frame_free(&insamples);
709     while (av_audio_fifo_size(s->fifo) >= s->win_size) {
710         fin = ff_get_audio_buffer(inlink, s->win_size);
711         if (!fin) {
712             ret = AVERROR(ENOMEM);
713             goto fail;
714         }
715
716         fin->pts = s->pts;
717         s->pts += s->skip_samples;
718         ret = av_audio_fifo_peek(s->fifo, (void **)fin->extended_data, s->win_size);
719         if (ret < 0)
720             goto fail;
721
722         av_assert0(fin->nb_samples == s->win_size);
723
724         run_rdft(s, fin);
725         calc_magnitudes(s);
726
727         ret = plot_spectrum_column(inlink, fin);
728         av_frame_free(&fin);
729         av_audio_fifo_drain(s->fifo, s->skip_samples);
730         if (ret < 0)
731             goto fail;
732     }
733
734 fail:
735     av_frame_free(&fin);
736     return ret;
737 }
738
739 static const AVFilterPad showspectrum_inputs[] = {
740     {
741         .name         = "default",
742         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
743         .filter_frame = filter_frame,
744     },
745     { NULL }
746 };
747
748 static const AVFilterPad showspectrum_outputs[] = {
749     {
750         .name          = "default",
751         .type          = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
752         .config_props  = config_output,
753         .request_frame = request_frame,
754     },
755     { NULL }
756 };
757
758 AVFilter ff_avf_showspectrum = {
759     .name          = "showspectrum",
760     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Convert input audio to a spectrum video output."),
761     .uninit        = uninit,
762     .query_formats = query_formats,
763     .priv_size     = sizeof(ShowSpectrumContext),
764     .inputs        = showspectrum_inputs,
765     .outputs       = showspectrum_outputs,
766     .priv_class    = &showspectrum_class,
767 };
768 #endif // CONFIG_SHOWSPECTRUM_FILTER
769
770 #if CONFIG_SHOWSPECTRUMPIC_FILTER
771
772 static const AVOption showspectrumpic_options[] = {
773     { "size", "set video size", OFFSET(w), AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str = "4096x2048"}, 0, 0, FLAGS },
774     { "s",    "set video size", OFFSET(w), AV_OPT_TYPE_IMAGE_SIZE, {.str = "4096x2048"}, 0, 0, FLAGS },
775     { "mode", "set channel display mode", OFFSET(mode), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=COMBINED}, 0, NB_MODES-1, FLAGS, "mode" },
776         { "combined", "combined mode", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=COMBINED}, 0, 0, FLAGS, "mode" },
777         { "separate", "separate mode", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=SEPARATE}, 0, 0, FLAGS, "mode" },
778     { "color", "set channel coloring", OFFSET(color_mode), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=INTENSITY}, 0, NB_CLMODES-1, FLAGS, "color" },
779         { "channel",   "separate color for each channel", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=CHANNEL},   0, 0, FLAGS, "color" },
780         { "intensity", "intensity based coloring",        0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=INTENSITY}, 0, 0, FLAGS, "color" },
781         { "rainbow",   "rainbow based coloring",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=RAINBOW},   0, 0, FLAGS, "color" },
782         { "moreland",  "moreland based coloring",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=MORELAND},  0, 0, FLAGS, "color" },
783         { "nebulae",   "nebulae based coloring",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=NEBULAE},   0, 0, FLAGS, "color" },
784         { "fire",      "fire based coloring",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FIRE},      0, 0, FLAGS, "color" },
785         { "fiery",     "fiery based coloring",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FIERY},     0, 0, FLAGS, "color" },
786     { "scale", "set display scale", OFFSET(scale), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=LOG}, 0, NB_SCALES-1, FLAGS, "scale" },
787         { "sqrt", "square root", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=SQRT},   0, 0, FLAGS, "scale" },
788         { "cbrt", "cubic root",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=CBRT},   0, 0, FLAGS, "scale" },
789         { "4thrt","4th root",    0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FOURTHRT}, 0, 0, FLAGS, "scale" },
790         { "5thrt","5th root",    0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=FIFTHRT},  0, 0, FLAGS, "scale" },
791         { "log",  "logarithmic", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=LOG},    0, 0, FLAGS, "scale" },
792         { "lin",  "linear",      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=LINEAR}, 0, 0, FLAGS, "scale" },
793     { "saturation", "color saturation multiplier", OFFSET(saturation), AV_OPT_TYPE_FLOAT, {.dbl = 1}, -10, 10, FLAGS },
794     { "win_func", "set window function", OFFSET(win_func), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64 = WFUNC_HANNING}, 0, NB_WFUNC-1, FLAGS, "win_func" },
795         { "rect",     "Rectangular",      0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_RECT},     0, 0, FLAGS, "win_func" },
796         { "bartlett", "Bartlett",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BARTLETT}, 0, 0, FLAGS, "win_func" },
797         { "hann",     "Hann",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HANNING},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
798         { "hanning",  "Hanning",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HANNING},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
799         { "hamming",  "Hamming",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_HAMMING},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
800         { "blackman", "Blackman",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BLACKMAN}, 0, 0, FLAGS, "win_func" },
801         { "welch",    "Welch",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_WELCH},    0, 0, FLAGS, "win_func" },
802         { "flattop",  "Flat-top",         0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_FLATTOP},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
803         { "bharris",  "Blackman-Harris",  0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BHARRIS},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
804         { "bnuttall", "Blackman-Nuttall", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BNUTTALL}, 0, 0, FLAGS, "win_func" },
805         { "bhann",    "Bartlett-Hann",    0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_BHANN},    0, 0, FLAGS, "win_func" },
806         { "sine",     "Sine",             0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_SINE},     0, 0, FLAGS, "win_func" },
807         { "nuttall",  "Nuttall",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_NUTTALL},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
808         { "lanczos",  "Lanczos",          0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_LANCZOS},  0, 0, FLAGS, "win_func" },
809         { "gauss",    "Gauss",            0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=WFUNC_GAUSS},    0, 0, FLAGS, "win_func" },
810     { "orientation", "set orientation", OFFSET(orientation), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64=VERTICAL}, 0, NB_ORIENTATIONS-1, FLAGS, "orientation" },
811         { "vertical",   NULL, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=VERTICAL},   0, 0, FLAGS, "orientation" },
812         { "horizontal", NULL, 0, AV_OPT_TYPE_CONST, {.i64=HORIZONTAL}, 0, 0, FLAGS, "orientation" },
813     { NULL }
814 };
815
816 AVFILTER_DEFINE_CLASS(showspectrumpic);
817
818 static int showspectrumpic_request_frame(AVFilterLink *outlink)
819 {
820     ShowSpectrumContext *s = outlink->src->priv;
821     AVFilterLink *inlink = outlink->src->inputs[0];
822     int ret;
823
824     ret = ff_request_frame(inlink);
825     if (ret == AVERROR_EOF && s->outpicref) {
826         int samples = av_audio_fifo_size(s->fifo);
827         int consumed = 0;
828         int x = 0, sz = s->orientation == VERTICAL ? s->w : s->h;
829         int ch, spf, spb;
830         AVFrame *fin;
831
832         spf = s->win_size * (samples / ((s->win_size * sz) * ceil(samples / (float)(s->win_size * sz))));
833         spb = (samples / (spf * sz)) * spf;
834
835         fin = ff_get_audio_buffer(inlink, s->win_size);
836         if (!fin)
837             return AVERROR(ENOMEM);
838
839         while (x < sz) {
840             ret = av_audio_fifo_peek(s->fifo, (void **)fin->extended_data, s->win_size);
841             if (ret < 0) {
842                 av_frame_free(&fin);
843                 return ret;
844             }
845
846             av_audio_fifo_drain(s->fifo, spf);
847
848             if (ret < s->win_size) {
849                 for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++) {
850                     memset(fin->extended_data[ch] + ret * sizeof(int16_t), 0,
851                            (s->win_size - ret) * sizeof(int16_t));
852                 }
853             }
854
855             run_rdft(s, fin);
856             acalc_magnitudes(s);
857
858             consumed += spf;
859             if (consumed >= spb) {
860                 int h = s->orientation == VERTICAL ? s->h : s->w;
861
862                 scale_magnitudes(s, 1. / (consumed / spf));
863                 plot_spectrum_column(inlink, fin);
864                 consumed = 0;
865                 x++;
866                 for (ch = 0; ch < s->nb_display_channels; ch++)
867                     memset(s->magnitudes[ch], 0, h * sizeof(float));
868             }
869         }
870
871         av_frame_free(&fin);
872         s->outpicref->pts = 0;
873         ret = ff_filter_frame(outlink, s->outpicref);
874         s->outpicref = NULL;
875     }
876
877     return ret;
878 }
879
880 static int showspectrumpic_filter_frame(AVFilterLink *inlink, AVFrame *insamples)
881 {
882     AVFilterContext *ctx = inlink->dst;
883     ShowSpectrumContext *s = ctx->priv;
884     int ret;
885
886     ret = av_audio_fifo_write(s->fifo, (void **)insamples->extended_data, insamples->nb_samples);
887     av_frame_free(&insamples);
888     return ret;
889 }
890
891 static const AVFilterPad showspectrumpic_inputs[] = {
892     {
893         .name         = "default",
894         .type         = AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
895         .filter_frame = showspectrumpic_filter_frame,
896     },
897     { NULL }
898 };
899
900 static const AVFilterPad showspectrumpic_outputs[] = {
901     {
902         .name          = "default",
903         .type          = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
904         .config_props  = config_output,
905         .request_frame = showspectrumpic_request_frame,
906     },
907     { NULL }
908 };
909
910 AVFilter ff_avf_showspectrumpic = {
911     .name          = "showspectrumpic",
912     .description   = NULL_IF_CONFIG_SMALL("Convert input audio to a spectrum video output single picture."),
913     .uninit        = uninit,
914     .query_formats = query_formats,
915     .priv_size     = sizeof(ShowSpectrumContext),
916     .inputs        = showspectrumpic_inputs,
917     .outputs       = showspectrumpic_outputs,
918     .priv_class    = &showspectrumpic_class,
919 };
920
921 #endif // CONFIG_SHOWSPECTRUMPIC_FILTER