libs/audiographer/src/general/analyser.cc

   1 /*
   2  * Copyright (C) 2016 Robin Gareus <robin@gareus.org>
   3  *
   4  * This program is free software; you can redistribute it and/or
   5  * modify it under the terms of the GNU General Public License
   6  * as published by the Free Software Foundation; either version 2
   7  * of the License, or (at your option) any later version.
   8  *
   9  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
  10  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  11  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  12  * GNU General Public License for more details.
  13  *
  14  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  15  * along with this program; if not, write to the Free Software
  16  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301, USA.
  17  */
  18
  19 #include "audiographer/general/analyser.h"
  20 #include "pbd/fastlog.h"
  21
  22 using namespace AudioGrapher;
  23
  24 Analyser::Analyser (float sample_rate, unsigned int channels, framecnt_t bufsize, framecnt_t n_samples)
  25         : _ebur128_plugin (0)
  26         , _dbtp_plugin (0)
  27         , _sample_rate (sample_rate)
  28         , _channels (channels)
  29         , _bufsize (bufsize / channels)
  30         , _n_samples (n_samples)
  31         , _pos (0)
  32 {
  33         assert (bufsize % channels == 0);
  34         assert (bufsize > 1);
  35         //printf ("NEW ANALYSER %p r:%.1f c:%d f:%ld l%ld\n", this, sample_rate, channels, bufsize, n_samples);
  36         if (channels > 0 && channels <= 2) {
  37                 using namespace Vamp::HostExt;
  38                 PluginLoader* loader (PluginLoader::getInstance ());
  39                 _ebur128_plugin = loader->loadPlugin ("libardourvampplugins:ebur128", sample_rate, PluginLoader::ADAPT_ALL_SAFE);
  40                 assert (_ebur128_plugin);
  41                 _ebur128_plugin->reset ();
  42                 if (!_ebur128_plugin->initialise (channels, _bufsize, _bufsize)) {
  43                         printf ("FAILED TO INITIALIZE EBUR128\n");
  44                         delete _ebur128_plugin;
  45                         _ebur128_plugin = 0;
  46                 }
  47         }
  48
  49         _dbtp_plugin = (Vamp::Plugin**) malloc (sizeof(Vamp::Plugin*) * channels);
  50         for (unsigned int c = 0; c < _channels; ++c) {
  51                 using namespace Vamp::HostExt;
  52                 PluginLoader* loader (PluginLoader::getInstance ());
  53                 _dbtp_plugin[c] = loader->loadPlugin ("libardourvampplugins:dBTP", sample_rate, PluginLoader::ADAPT_ALL_SAFE);
  54                 assert (_dbtp_plugin[c]);
  55                 _dbtp_plugin[c]->reset ();
  56                 if (!_dbtp_plugin[c]->initialise (1, _bufsize, _bufsize)) {
  57                         printf ("FAILED TO INITIALIZE DBTP %d\n", c);
  58                         delete _dbtp_plugin[c];
  59                         _dbtp_plugin[c] = 0;
  60                 }
  61         }
  62
  63         _bufs[0] = (float*) malloc (sizeof (float) * _bufsize);
  64         _bufs[1] = (float*) malloc (sizeof (float) * _bufsize);
  65
  66         const size_t peaks = sizeof (_result.peaks) / sizeof (ARDOUR::PeakData::PeakDatum) / 4;
  67         _spp = ceil ((_n_samples + 1.f) / (float) peaks);
  68
  69         const size_t swh = sizeof (_result.spectrum) / sizeof (float);
  70         const size_t height = sizeof (_result.spectrum[0]) / sizeof (float);
  71         const size_t width = swh / height;
  72         _fpp = ceil ((_n_samples + 1.f) / (float) width);
  73
  74         _fft_data_size   = _bufsize / 2;
  75         _fft_freq_per_bin = sample_rate / _fft_data_size / 2.f;
  76
  77         _fft_data_in  = (float *) fftwf_malloc (sizeof (float) * _bufsize);
  78         _fft_data_out = (float *) fftwf_malloc (sizeof (float) * _bufsize);
  79         _fft_power    = (float *) malloc (sizeof (float) * _fft_data_size);
  80
  81         for (uint32_t i = 0; i < _fft_data_size; ++i) {
  82                 _fft_power[i] = 0;
  83         }
  84         for (uint32_t i = 0; i < _bufsize; ++i) {
  85                 _fft_data_out[i] = 0;
  86         }
  87
  88         const float nyquist = (sample_rate * .5);
  89 #if 0 // linear
  90 #define YPOS(FREQ) rint (height * (1.0 - FREQ / nyquist))
  91 #else
  92 #define YPOS(FREQ) rint (height * (1 - logf (1.f + .1f * _fft_data_size * FREQ / nyquist) / logf (1.f + .1f * _fft_data_size)))
  93 #endif
  94
  95         _result.freq[0] = YPOS (50);
  96         _result.freq[1] = YPOS (100);
  97         _result.freq[2] = YPOS (500);
  98         _result.freq[3] = YPOS (1000);
  99         _result.freq[4] = YPOS (5000);
 100         _result.freq[5] = YPOS (10000);
 101
 102         _fft_plan = fftwf_plan_r2r_1d (_bufsize, _fft_data_in, _fft_data_out, FFTW_R2HC, FFTW_MEASURE);
 103
 104         _hann_window = (float *) malloc (sizeof (float) * _bufsize);
 105         double sum = 0.0;
 106
 107         for (uint32_t i = 0; i < _bufsize; ++i) {
 108                 _hann_window[i] = 0.5f - (0.5f * (float) cos (2.0f * M_PI * (float)i / (float)(_bufsize)));
 109                 sum += _hann_window[i];
 110         }
 111         const double isum = 2.0 / sum;
 112         for (uint32_t i = 0; i < _bufsize; ++i) {
 113                 _hann_window[i] *= isum;
 114         }
 115
 116         if (channels == 2) {
 117                 _result.n_channels = 2;
 118         } else {
 119                 _result.n_channels = 1;
 120         }
 121 }
 122
 123 Analyser::~Analyser ()
 124 {
 125         delete _ebur128_plugin;
 126         for (unsigned int c = 0; c < _channels; ++c) {
 127                 delete _dbtp_plugin[c];
 128         }
 129         free (_dbtp_plugin);
 130         free (_bufs[0]);
 131         free (_bufs[1]);
 132         fftwf_destroy_plan (_fft_plan);
 133         fftwf_free (_fft_data_in);
 134         fftwf_free (_fft_data_out);
 135         free (_fft_power);
 136         free (_hann_window);
 137 }
 138
 139 void
 140 Analyser::process (ProcessContext<float> const & c)
 141 {
 142         framecnt_t n_samples = c.frames () / c.channels ();
 143         assert (c.frames () % c.channels () == 0);
 144         assert (n_samples <= _bufsize);
 145         //printf ("PROC %p @%ld F: %ld, S: %ld C:%d\n", this, _pos, c.frames (), n_samples, c.channels ());
 146         float const * d = c.data ();
 147         framecnt_t s;
 148         const unsigned cmask = _result.n_channels - 1; // [0, 1]
 149         for (s = 0; s < n_samples; ++s) {
 150                 _fft_data_in[s] = 0;
 151                 const framecnt_t pk = (_pos + s) / _spp;
 152                 for (unsigned int c = 0; c < _channels; ++c) {
 153                         const float v = *d;
 154                         if (fabsf(v) > _result.peak) { _result.peak = fabsf(v); }
 155                         _bufs[c][s] = v;
 156                         const unsigned int cc = c & cmask;
 157                         if (_result.peaks[cc][pk].min > v) { _result.peaks[cc][pk].min = *d; }
 158                         if (_result.peaks[cc][pk].max < v) { _result.peaks[cc][pk].max = *d; }
 159                         _fft_data_in[s] += v * _hann_window[s] / (float) _channels;
 160                         ++d;
 161                 }
 162         }
 163
 164         for (; s < _bufsize; ++s) {
 165                 _fft_data_in[s] = 0;
 166                 for (unsigned int c = 0; c < _channels; ++c) {
 167                         _bufs[c][s] = 0.f;
 168                 }
 169         }
 170
 171         if (_ebur128_plugin) {
 172                 _ebur128_plugin->process (_bufs, Vamp::RealTime::fromSeconds ((double) _pos / _sample_rate));
 173         }
 174
 175         float const * const data = c.data ();
 176         for (unsigned int c = 0; c < _channels; ++c) {
 177                 if (!_dbtp_plugin[c]) { continue; }
 178                 for (s = 0; s < n_samples; ++s) {
 179                         _bufs[0][s] = data[s * _channels + c];
 180                 }
 181                 _dbtp_plugin[c]->process (_bufs, Vamp::RealTime::fromSeconds ((double) _pos / _sample_rate));
 182         }
 183
 184         fftwf_execute (_fft_plan);
 185
 186         _fft_power[0] = _fft_data_out[0] * _fft_data_out[0];
 187 #define FRe (_fft_data_out[i])
 188 #define FIm (_fft_data_out[_bufsize - i])
 189         for (uint32_t i = 1; i < _fft_data_size - 1; ++i) {
 190                 _fft_power[i] = (FRe * FRe) + (FIm * FIm);
 191         }
 192 #undef FRe
 193 #undef FIm
 194
 195         const size_t height = sizeof (_result.spectrum[0]) / sizeof (float);
 196         const framecnt_t x0 = _pos / _fpp;
 197         framecnt_t x1 = (_pos + n_samples) / _fpp;
 198         if (x0 == x1) x1 = x0 + 1;
 199         const float range = 80; // dB
 200
 201         for (uint32_t i = 0; i < _fft_data_size - 1; ++i) {
 202                 const float level = fft_power_at_bin (i, i);
 203                 if (level < -range) continue;
 204                 const float pk = level > 0.0 ? 1.0 : (range + level) / range;
 205 #if 0 // linear
 206                 const uint32_t y0 = floor (i * (float) height / _fft_data_size);
 207                 uint32_t y1 = ceil ((i + 1.0) * (float) height / _fft_data_size);
 208 #else // logscale
 209                 const uint32_t y0 = floor (height * logf (1.f + .1f * i) / logf (1.f + .1f * _fft_data_size));
 210                 uint32_t y1 = ceilf (height * logf (1.f + .1f * (i + 1.f)) / logf (1.f + .1f * _fft_data_size));
 211 #endif
 212                 assert (y0 < height);
 213                 assert (y1 > 0 && y1 <= height);
 214                 if (y0 == y1) y1 = y0 + 1;
 215                 for (int x = x0; x < x1; ++x) {
 216                         for (uint32_t y = y0; y < y1 && y < height; ++y) {
 217                                 uint32_t yy = height - 1 - y;
 218                                 if (_result.spectrum[x][yy] < pk) { _result.spectrum[x][yy] = pk; }
 219                         }
 220                 }
 221         }
 222
 223         _pos += n_samples;
 224
 225         /* pass audio audio through */
 226         ListedSource<float>::output (c);
 227 }
 228
 229 ARDOUR::ExportAnalysisPtr
 230 Analyser::result ()
 231 {
 232         //printf ("PROCESSED %ld / %ld samples\n", _pos, _n_samples);
 233         if (_pos == 0) {
 234                 return ARDOUR::ExportAnalysisPtr ();
 235         }
 236         if (_ebur128_plugin) {
 237                 Vamp::Plugin::FeatureSet features = _ebur128_plugin->getRemainingFeatures ();
 238                 if (!features.empty () && features.size () == 3) {
 239                         _result.loudness = features[0][0].values[0];
 240                         _result.loudness_range = features[1][0].values[0];
 241                         assert (features[2][0].values.size () == 540);
 242                         for (int i = 0; i < 540; ++i) {
 243                                 _result.loudness_hist[i] = features[2][0].values[i];
 244                                 if (_result.loudness_hist[i] > _result.loudness_hist_max) {
 245                                         _result.loudness_hist_max = _result.loudness_hist[i]; }
 246                         }
 247                         _result.have_loudness = true;
 248                 }
 249         }
 250
 251         for (unsigned int c = 0; c < _channels; ++c) {
 252                 if (!_dbtp_plugin[c]) { continue; }
 253                 Vamp::Plugin::FeatureSet features = _dbtp_plugin[c]->getRemainingFeatures ();
 254                 if (!features.empty () && features.size () == 1) {
 255                         _result.have_dbtp = true;
 256                         float p = features[0][0].values[0];
 257                         if (p > _result.truepeak) { _result.truepeak = p; }
 258                 }
 259         }
 260
 261         return ARDOUR::ExportAnalysisPtr (new ARDOUR::ExportAnalysis (_result));
 262 }
 263
 264 float
 265 Analyser::fft_power_at_bin (const uint32_t b, const float norm) const
 266 {
 267         const float a = _fft_power[b] * norm;
 268         return a > 1e-12 ? 10.0 * fast_log10 (a) : -INFINITY;
 269 }