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 const float Analyser::fft_range_db (80); // dB
  25
  26 Analyser::Analyser (float sample_rate, unsigned int channels, framecnt_t bufsize, framecnt_t n_samples)
  27         : _ebur128_plugin (0)
  28         , _dbtp_plugin (0)
  29         , _sample_rate (sample_rate)
  30         , _channels (channels)
  31         , _bufsize (bufsize / channels)
  32         , _n_samples (n_samples)
  33         , _pos (0)
  34 {
  35         assert (bufsize % channels == 0);
  36         assert (bufsize > 1);
  37         //printf ("NEW ANALYSER %p r:%.1f c:%d f:%ld l%ld\n", this, sample_rate, channels, bufsize, n_samples);
  38         if (channels > 0 && channels <= 2) {
  39                 using namespace Vamp::HostExt;
  40                 PluginLoader* loader (PluginLoader::getInstance ());
  41                 _ebur128_plugin = loader->loadPlugin ("libardourvampplugins:ebur128", sample_rate, PluginLoader::ADAPT_ALL_SAFE);
  42                 assert (_ebur128_plugin);
  43                 _ebur128_plugin->reset ();
  44                 if (!_ebur128_plugin->initialise (channels, _bufsize, _bufsize)) {
  45                         printf ("FAILED TO INITIALIZE EBUR128\n");
  46                         delete _ebur128_plugin;
  47                         _ebur128_plugin = 0;
  48                 }
  49         }
  50
  51         _dbtp_plugin = (Vamp::Plugin**) malloc (sizeof(Vamp::Plugin*) * channels);
  52         for (unsigned int c = 0; c < _channels; ++c) {
  53                 using namespace Vamp::HostExt;
  54                 PluginLoader* loader (PluginLoader::getInstance ());
  55                 _dbtp_plugin[c] = loader->loadPlugin ("libardourvampplugins:dBTP", sample_rate, PluginLoader::ADAPT_ALL_SAFE);
  56                 assert (_dbtp_plugin[c]);
  57                 _dbtp_plugin[c]->reset ();
  58                 if (!_dbtp_plugin[c]->initialise (1, _bufsize, _bufsize)) {
  59                         printf ("FAILED TO INITIALIZE DBTP %d\n", c);
  60                         delete _dbtp_plugin[c];
  61                         _dbtp_plugin[c] = 0;
  62                 }
  63         }
  64
  65         _bufs[0] = (float*) malloc (sizeof (float) * _bufsize);
  66         _bufs[1] = (float*) malloc (sizeof (float) * _bufsize);
  67
  68         const size_t peaks = sizeof (_result.peaks) / sizeof (ARDOUR::PeakData::PeakDatum) / 4;
  69         _spp = ceil ((_n_samples + 1.f) / (float) peaks);
  70
  71         const size_t swh = sizeof (_result.spectrum) / sizeof (float);
  72         const size_t height = sizeof (_result.spectrum[0]) / sizeof (float);
  73         const size_t width = swh / height;
  74         _fpp = ceil ((_n_samples + 1.f) / (float) width);
  75
  76         _fft_data_size   = _bufsize / 2;
  77         _fft_freq_per_bin = sample_rate / _fft_data_size / 2.f;
  78
  79         _fft_data_in  = (float *) fftwf_malloc (sizeof (float) * _bufsize);
  80         _fft_data_out = (float *) fftwf_malloc (sizeof (float) * _bufsize);
  81         _fft_power    = (float *) malloc (sizeof (float) * _fft_data_size);
  82
  83         for (uint32_t i = 0; i < _fft_data_size; ++i) {
  84                 _fft_power[i] = 0;
  85         }
  86         for (uint32_t i = 0; i < _bufsize; ++i) {
  87                 _fft_data_out[i] = 0;
  88         }
  89
  90         const float nyquist = (sample_rate * .5);
  91 #if 0 // linear
  92 #define YPOS(FREQ) rint (height * (1.0 - FREQ / nyquist))
  93 #else
  94 #define YPOS(FREQ) rint (height * (1 - logf (1.f + .1f * _fft_data_size * FREQ / nyquist) / logf (1.f + .1f * _fft_data_size)))
  95 #endif
  96
  97         _result.freq[0] = YPOS (50);
  98         _result.freq[1] = YPOS (100);
  99         _result.freq[2] = YPOS (500);
 100         _result.freq[3] = YPOS (1000);
 101         _result.freq[4] = YPOS (5000);
 102         _result.freq[5] = YPOS (10000);
 103
 104         _fft_plan = fftwf_plan_r2r_1d (_bufsize, _fft_data_in, _fft_data_out, FFTW_R2HC, FFTW_MEASURE);
 105
 106         _hann_window = (float *) malloc (sizeof (float) * _bufsize);
 107         double sum = 0.0;
 108
 109         for (uint32_t i = 0; i < _bufsize; ++i) {
 110                 _hann_window[i] = 0.5f - (0.5f * (float) cos (2.0f * M_PI * (float)i / (float)(_bufsize)));
 111                 sum += _hann_window[i];
 112         }
 113         const double isum = 2.0 / sum;
 114         for (uint32_t i = 0; i < _bufsize; ++i) {
 115                 _hann_window[i] *= isum;
 116         }
 117
 118         if (channels == 2) {
 119                 _result.n_channels = 2;
 120         } else {
 121                 _result.n_channels = 1;
 122         }
 123 }
 124
 125 Analyser::~Analyser ()
 126 {
 127         delete _ebur128_plugin;
 128         for (unsigned int c = 0; c < _channels; ++c) {
 129                 delete _dbtp_plugin[c];
 130         }
 131         free (_dbtp_plugin);
 132         free (_bufs[0]);
 133         free (_bufs[1]);
 134         fftwf_destroy_plan (_fft_plan);
 135         fftwf_free (_fft_data_in);
 136         fftwf_free (_fft_data_out);
 137         free (_fft_power);
 138         free (_hann_window);
 139 }
 140
 141 void
 142 Analyser::process (ProcessContext<float> const & c)
 143 {
 144         framecnt_t n_samples = c.frames () / c.channels ();
 145         assert (c.frames () % c.channels () == 0);
 146         assert (n_samples <= _bufsize);
 147         //printf ("PROC %p @%ld F: %ld, S: %ld C:%d\n", this, _pos, c.frames (), n_samples, c.channels ());
 148         float const * d = c.data ();
 149         framecnt_t s;
 150         const unsigned cmask = _result.n_channels - 1; // [0, 1]
 151         for (s = 0; s < n_samples; ++s) {
 152                 _fft_data_in[s] = 0;
 153                 const framecnt_t pk = (_pos + s) / _spp;
 154                 for (unsigned int c = 0; c < _channels; ++c) {
 155                         const float v = *d;
 156                         if (fabsf(v) > _result.peak) { _result.peak = fabsf(v); }
 157                         _bufs[c][s] = v;
 158                         const unsigned int cc = c & cmask;
 159                         if (_result.peaks[cc][pk].min > v) { _result.peaks[cc][pk].min = *d; }
 160                         if (_result.peaks[cc][pk].max < v) { _result.peaks[cc][pk].max = *d; }
 161                         _fft_data_in[s] += v * _hann_window[s] / (float) _channels;
 162                         ++d;
 163                 }
 164         }
 165
 166         for (; s < _bufsize; ++s) {
 167                 _fft_data_in[s] = 0;
 168                 for (unsigned int c = 0; c < _channels; ++c) {
 169                         _bufs[c][s] = 0.f;
 170                 }
 171         }
 172
 173         if (_ebur128_plugin) {
 174                 _ebur128_plugin->process (_bufs, Vamp::RealTime::fromSeconds ((double) _pos / _sample_rate));
 175         }
 176
 177         float const * const data = c.data ();
 178         for (unsigned int c = 0; c < _channels; ++c) {
 179                 if (!_dbtp_plugin[c]) { continue; }
 180                 for (s = 0; s < n_samples; ++s) {
 181                         _bufs[0][s] = data[s * _channels + c];
 182                 }
 183                 _dbtp_plugin[c]->process (_bufs, Vamp::RealTime::fromSeconds ((double) _pos / _sample_rate));
 184         }
 185
 186         fftwf_execute (_fft_plan);
 187
 188         _fft_power[0] = _fft_data_out[0] * _fft_data_out[0];
 189 #define FRe (_fft_data_out[i])
 190 #define FIm (_fft_data_out[_bufsize - i])
 191         for (uint32_t i = 1; i < _fft_data_size - 1; ++i) {
 192                 _fft_power[i] = (FRe * FRe) + (FIm * FIm);
 193         }
 194 #undef FRe
 195 #undef FIm
 196
 197         const size_t height = sizeof (_result.spectrum[0]) / sizeof (float);
 198         const framecnt_t x0 = _pos / _fpp;
 199         framecnt_t x1 = (_pos + n_samples) / _fpp;
 200         if (x0 == x1) x1 = x0 + 1;
 201
 202         for (uint32_t i = 0; i < _fft_data_size - 1; ++i) {
 203                 const float level = fft_power_at_bin (i, i);
 204                 if (level < -fft_range_db) continue;
 205                 const float pk = level > 0.0 ? 1.0 : (fft_range_db + level) / fft_range_db;
 206 #if 0 // linear
 207                 const uint32_t y0 = floor (i * (float) height / _fft_data_size);
 208                 uint32_t y1 = ceil ((i + 1.0) * (float) height / _fft_data_size);
 209 #else // logscale
 210                 const uint32_t y0 = floor (height * logf (1.f + .1f * i) / logf (1.f + .1f * _fft_data_size));
 211                 uint32_t y1 = ceilf (height * logf (1.f + .1f * (i + 1.f)) / logf (1.f + .1f * _fft_data_size));
 212 #endif
 213                 assert (y0 < height);
 214                 assert (y1 > 0 && y1 <= height);
 215                 if (y0 == y1) y1 = y0 + 1;
 216                 for (int x = x0; x < x1; ++x) {
 217                         for (uint32_t y = y0; y < y1 && y < height; ++y) {
 218                                 uint32_t yy = height - 1 - y;
 219                                 if (_result.spectrum[x][yy] < pk) { _result.spectrum[x][yy] = pk; }
 220                         }
 221                 }
 222         }
 223
 224         _pos += n_samples;
 225
 226         /* pass audio audio through */
 227         ListedSource<float>::output (c);
 228 }
 229
 230 ARDOUR::ExportAnalysisPtr
 231 Analyser::result ()
 232 {
 233         //printf ("PROCESSED %ld / %ld samples\n", _pos, _n_samples);
 234         if (_pos == 0) {
 235                 return ARDOUR::ExportAnalysisPtr ();
 236         }
 237         if (_ebur128_plugin) {
 238                 Vamp::Plugin::FeatureSet features = _ebur128_plugin->getRemainingFeatures ();
 239                 if (!features.empty () && features.size () == 3) {
 240                         _result.loudness = features[0][0].values[0];
 241                         _result.loudness_range = features[1][0].values[0];
 242                         assert (features[2][0].values.size () == 540);
 243                         for (int i = 0; i < 540; ++i) {
 244                                 _result.loudness_hist[i] = features[2][0].values[i];
 245                                 if (_result.loudness_hist[i] > _result.loudness_hist_max) {
 246                                         _result.loudness_hist_max = _result.loudness_hist[i]; }
 247                         }
 248                         _result.have_loudness = true;
 249                 }
 250         }
 251
 252         const unsigned cmask = _result.n_channels - 1; // [0, 1]
 253         for (unsigned int c = 0; c < _channels; ++c) {
 254                 if (!_dbtp_plugin[c]) { continue; }
 255                 Vamp::Plugin::FeatureSet features = _dbtp_plugin[c]->getRemainingFeatures ();
 256                 if (!features.empty () && features.size () == 2) {
 257                         _result.have_dbtp = true;
 258                         float p = features[0][0].values[0];
 259                         if (p > _result.truepeak) { _result.truepeak = p; }
 260
 261                         for (std::vector<float>::const_iterator i = features[1][0].values.begin();
 262                                         i != features[1][0].values.end(); ++i) {
 263                                 const framecnt_t pk = (*i) / _spp;
 264                                 const unsigned int cc = c & cmask;
 265                                 _result.truepeakpos[cc].insert (pk);
 266                         }
 267                 }
 268         }
 269
 270         return ARDOUR::ExportAnalysisPtr (new ARDOUR::ExportAnalysis (_result));
 271 }
 272
 273 float
 274 Analyser::fft_power_at_bin (const uint32_t b, const float norm) const
 275 {
 276         const float a = _fft_power[b] * norm;
 277         return a > 1e-12 ? 10.0 * fast_log10 (a) : -INFINITY;
 278 }