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         , _sample_rate (sample_rate)
  27         , _channels (channels)
  28         , _bufsize (bufsize / channels)
  29         , _n_samples (n_samples)
  30         , _pos (0)
  31 {
  32         assert (bufsize % channels == 0);
  33         //printf ("NEW ANALYSER %p r:%.1f c:%d f:%ld l%ld\n", this, sample_rate, channels, bufsize, n_samples);
  34         if (channels > 0 && channels <= 2) {
  35                 using namespace Vamp::HostExt;
  36                 PluginLoader* loader (PluginLoader::getInstance ());
  37                 _ebur128_plugin = loader->loadPlugin ("libardourvampplugins:ebur128", sample_rate, PluginLoader::ADAPT_ALL_SAFE);
  38                 assert (_ebur128_plugin);
  39                 _ebur128_plugin->reset ();
  40                 _ebur128_plugin->initialise (channels, _bufsize, _bufsize);
  41         }
  42         _bufs[0] = (float*) malloc (sizeof (float) * _bufsize);
  43         _bufs[1] = (float*) malloc (sizeof (float) * _bufsize);
  44
  45         const size_t peaks = sizeof (_result.peaks) / sizeof (ARDOUR::PeakData::PeakDatum) / 4;
  46         _spp = ceil ((_n_samples + 1.f) / (float) peaks);
  47
  48         const size_t swh = sizeof (_result.spectrum) / sizeof (float);
  49         const size_t height = sizeof (_result.spectrum[0]) / sizeof (float);
  50         const size_t width = swh / height;
  51         _fpp = ceil ((_n_samples + 1.f) / (float) width);
  52
  53         _fft_data_size   = _bufsize / 2;
  54         _fft_freq_per_bin = sample_rate / _fft_data_size / 2.f;
  55
  56         _fft_data_in  = (float *) fftwf_malloc (sizeof (float) * _bufsize);
  57         _fft_data_out = (float *) fftwf_malloc (sizeof (float) * _bufsize);
  58         _fft_power    = (float *) malloc (sizeof (float) * _fft_data_size);
  59
  60         for (uint32_t i = 0; i < _fft_data_size; ++i) {
  61                 _fft_power[i] = 0;
  62         }
  63         for (uint32_t i = 0; i < _bufsize; ++i) {
  64                 _fft_data_out[i] = 0;
  65         }
  66
  67         const float nyquist = (sample_rate * .5);
  68 #if 0 // linear
  69 #define YPOS(FREQ) ceil (height * (1.0 - FREQ / nyquist))
  70 #else
  71 #define YPOS(FREQ) ceil (height * (1 - logf (1.f + .1f * _fft_data_size * FREQ / nyquist) / logf (1.f + .1f * _fft_data_size)))
  72 #endif
  73
  74         _result.freq[0] = YPOS (50);
  75         _result.freq[1] = YPOS (100);
  76         _result.freq[2] = YPOS (500);
  77         _result.freq[3] = YPOS (1000);
  78         _result.freq[4] = YPOS (5000);
  79         _result.freq[5] = YPOS (10000);
  80
  81         _fft_plan = fftwf_plan_r2r_1d (_bufsize, _fft_data_in, _fft_data_out, FFTW_R2HC, FFTW_MEASURE);
  82
  83         _hann_window = (float *) malloc (sizeof (float) * _bufsize);
  84         double sum = 0.0;
  85
  86         for (uint32_t i = 0; i < _bufsize; ++i) {
  87                 _hann_window[i] = 0.5f - (0.5f * (float) cos (2.0f * M_PI * (float)i / (float)(_bufsize)));
  88                 sum += _hann_window[i];
  89         }
  90         const double isum = 2.0 / sum;
  91         for (uint32_t i = 0; i < _bufsize; ++i) {
  92                 _hann_window[i] *= isum;
  93         }
  94
  95         if (channels == 2) {
  96                 _result.n_channels = 2;
  97         } else {
  98                 _result.n_channels = 1;
  99         }
 100 }
 101
 102 Analyser::~Analyser ()
 103 {
 104         delete _ebur128_plugin;
 105         free (_bufs[0]);
 106         free (_bufs[1]);
 107         fftwf_destroy_plan (_fft_plan);
 108         fftwf_free (_fft_data_in);
 109         fftwf_free (_fft_data_out);
 110         free (_fft_power);
 111         free (_hann_window);
 112 }
 113
 114 void
 115 Analyser::process (ProcessContext<float> const & c)
 116 {
 117         framecnt_t n_samples = c.frames () / c.channels ();
 118         assert (c.frames () % c.channels () == 0);
 119         assert (n_samples <= _bufsize);
 120         //printf ("PROC %p @%ld F: %ld, S: %ld C:%d\n", this, _pos, c.frames (), n_samples, c.channels ());
 121         float const * d = c.data ();
 122         framecnt_t s;
 123         for (s = 0; s < n_samples; ++s) {
 124                 _fft_data_in[s] = 0;
 125                 const framecnt_t pk = (_pos + s) / _spp;
 126                 for (unsigned int c = 0; c < _channels; ++c) {
 127                         const float v = *d;
 128                         _bufs[c][s] = v;
 129                         const unsigned int cc = c % _result.n_channels; // TODO optimize
 130                         if (_result.peaks[cc][pk].min > v) { _result.peaks[cc][pk].min = *d; }
 131                         if (_result.peaks[cc][pk].max < v) { _result.peaks[cc][pk].max = *d; }
 132                         _fft_data_in[s] += v * _hann_window[s] / (float) _channels;
 133                         ++d;
 134                 }
 135         }
 136
 137         for (; s < _bufsize; ++s) {
 138                 _fft_data_in[s] = 0;
 139                 for (unsigned int c = 0; c < _channels; ++c) {
 140                         _bufs[c][s] = 0.f;
 141                 }
 142         }
 143
 144         if (_ebur128_plugin) {
 145                 _ebur128_plugin->process (_bufs, Vamp::RealTime::fromSeconds ((double) _pos / _sample_rate));
 146         }
 147
 148         fftwf_execute (_fft_plan);
 149
 150         _fft_power[0] = _fft_data_out[0] * _fft_data_out[0];
 151 #define FRe (_fft_data_out[i])
 152 #define FIm (_fft_data_out[_bufsize - i])
 153         for (uint32_t i = 1; i < _fft_data_size - 1; ++i) {
 154                 _fft_power[i] = (FRe * FRe) + (FIm * FIm);
 155         }
 156 #undef FRe
 157 #undef FIm
 158
 159         const size_t height = sizeof (_result.spectrum[0]) / sizeof (float);
 160         const framecnt_t x0 = _pos / _fpp;
 161         framecnt_t x1 = (_pos + n_samples) / _fpp;
 162         if (x0 == x1) x1 = x0 + 1;
 163         const float range = 80; // dB
 164
 165         for (uint32_t i = 1; i < _fft_data_size - 1; ++i) {
 166                 const float level = fft_power_at_bin (i, i);
 167                 if (level < -range) continue;
 168                 const float pk = level > 0.0 ? 1.0 : (range + level) / range;
 169 #if 0 // linear
 170                 const uint32_t y0 = height - ceil (i * (float) height / _fft_data_size);
 171                 uint32_t y1= height - ceil (i * (float) height / _fft_data_size);
 172 #else // logscale
 173                 const uint32_t y0 = height - ceilf (height * logf (1.f + .1f * i) / logf (1.f + .1f * _fft_data_size));
 174                 uint32_t y1 = height - ceilf (height * logf (1.f + .1f * (i + 1.f)) / logf (1.f + .1f * _fft_data_size));
 175 #endif
 176                 if (y0 == y1 && y0 > 0) y1 = y0 - 1;
 177                 for (int x = x0; x < x1; ++x) {
 178                         for (uint32_t y = y0; y > y1; --y) {
 179                                 if (_result.spectrum[x][y] < pk) { _result.spectrum[x][y] = pk; }
 180                         }
 181                 }
 182         }
 183
 184         _pos += n_samples;
 185
 186         /* pass audio audio through */
 187         ListedSource<float>::output (c);
 188 }
 189
 190 ARDOUR::ExportAnalysisPtr
 191 Analyser::result ()
 192 {
 193         //printf ("PROCESSED %ld / %ld samples\n", _pos, _n_samples);
 194         if (_pos == 0) {
 195                 return ARDOUR::ExportAnalysisPtr ();
 196         }
 197         if (_ebur128_plugin) {
 198                 Vamp::Plugin::FeatureSet features = _ebur128_plugin->getRemainingFeatures ();
 199                 if (!features.empty () && features.size () == 3) {
 200                         _result.loudness = features[0][0].values[0];
 201                         _result.loudness_range = features[1][0].values[0];
 202                         assert (features[2][0].values.size () == 540);
 203                         for (int i = 0; i < 540; ++i) {
 204                                 _result.loudness_hist[i] = features[2][0].values[i];
 205                                 if (_result.loudness_hist[i] > _result.loudness_hist_max) {
 206                                         _result.loudness_hist_max = _result.loudness_hist[i]; }
 207                         }
 208                         _result.have_loudness = true;
 209                 }
 210         }
 211         return ARDOUR::ExportAnalysisPtr (new ARDOUR::ExportAnalysis (_result));
 212 }
 213
 214 float
 215 Analyser::fft_power_at_bin (const uint32_t b, const float norm) const
 216 {
 217         const float a = _fft_power[b] * norm;
 218         return a > 1e-12 ? 10.0 * fast_log10 (a) : -INFINITY;
 219 }