nutemp/t.h

   1 #ifndef __ardour_tempo_h__
   2 #define __ardour_tempo_h__
   3
   4 #include <list>
   5 #include <string>
   6 #include <vector>
   7 #include <cmath>
   8 #include <exception>
   9
  10 #include <glibmm/threads.h>
  11
  12 #include "evoral/Beats.hpp"
  13
  14 #include "ardour/ardour.h"
  15 #include "ardour/superclock.h"
  16
  17 #include "timecode/bbt_time.h"
  18
  19 namespace ARDOUR {
  20
  21 class Meter;
  22 class TempoMap;
  23
  24 /** Tempo, the speed at which musical time progresses (BPM).
  25  */
  26
  27 class LIBARDOUR_API Tempo {
  28   public:
  29         /**
  30          * @param npm Note Types per minute
  31          * @param type Note Type (default `4': quarter note)
  32          */
  33         Tempo (double npm, int type = 4) : _superclocks_per_note_type (double_npm_to_sc (npm)), _note_type (type) {}
  34
  35         /* these two methods should only be used to show and collect information to the user (for whom
  36          * bpm as a floating point number is the obvious representation)
  37          */
  38         double note_types_per_minute () const { return (superclock_ticks_per_second * 60.0) / _superclocks_per_note_type; }
  39         void set_note_types_per_minute (double npm) { _superclocks_per_note_type = double_npm_to_sc (npm); }
  40
  41         int note_type () const { return _note_type; }
  42
  43         superclock_t superclocks_per_note_type () const {
  44                 return _superclocks_per_note_type;
  45         }
  46         superclock_t superclocks_per_note_type (int note_type) const {
  47                 return (_superclocks_per_note_type * _note_type) / note_type;
  48         }
  49         superclock_t superclocks_per_quarter_note () const {
  50                 return superclocks_per_note_type (4);
  51         }
  52
  53         Tempo& operator=(Tempo const& other) {
  54                 if (&other != this) {
  55                         _superclocks_per_note_type = other._superclocks_per_note_type;
  56                         _note_type = other._note_type;
  57                 }
  58                 return *this;
  59         }
  60
  61   protected:
  62         superclock_t _superclocks_per_note_type;
  63         int8_t       _note_type;
  64
  65         static inline double       sc_to_double_npm (superclock_t sc) { return (superclock_ticks_per_second * 60.0) / sc; }
  66         static inline superclock_t double_npm_to_sc (double npm) { return llrint ((superclock_ticks_per_second / npm) * 60.0); }
  67 };
  68
  69 /** Meter, or time signature (subdivisions per bar, and which note type is a single subdivision). */
  70 class LIBARDOUR_API Meter {
  71   public:
  72         Meter (int8_t dpb, int8_t nv) : _note_value (nv), _divisions_per_bar (dpb) {}
  73
  74         int divisions_per_bar () const { return _divisions_per_bar; }
  75         int note_value() const { return _note_value; }
  76
  77         inline bool operator==(const Meter& other) { return _divisions_per_bar == other.divisions_per_bar() && _note_value == other.note_value(); }
  78         inline bool operator!=(const Meter& other) { return _divisions_per_bar != other.divisions_per_bar() || _note_value != other.note_value(); }
  79
  80         Meter& operator=(Meter const & other) {
  81                 if (&other != this) {
  82                         _divisions_per_bar = other._divisions_per_bar;
  83                         _note_value = other._note_value;
  84                 }
  85                 return *this;
  86         }
  87
  88         Timecode::BBT_Time   bbt_add (Timecode::BBT_Time const & bbt, Timecode::BBT_Offset const & add) const;
  89         Timecode::BBT_Time   bbt_subtract (Timecode::BBT_Time const & bbt, Timecode::BBT_Offset const & sub) const;
  90         Timecode::BBT_Offset bbt_delta (Timecode::BBT_Time const & bbt, Timecode::BBT_Time const & sub) const;
  91
  92         Timecode::BBT_Time round_up_to_bar (Timecode::BBT_Time const &) const;
  93         Timecode::BBT_Time round_down_to_bar (Timecode::BBT_Time const &) const;
  94         Timecode::BBT_Time round_to_bar (Timecode::BBT_Time const &) const;
  95
  96         Evoral::Beats to_quarters (Timecode::BBT_Offset const &) const;
  97
  98   protected:
  99         /** The type of "note" that a division represents.  For example, 4 is
 100             a quarter (crotchet) note, 8 is an eighth (quaver) note, etc.
 101         */
 102         int8_t _note_value;
 103         /* how many of '_note_value' make up a bar or measure */
 104         int8_t _divisions_per_bar;
 105 };
 106
 107 /** Helper class to keep track of the Meter *AND* Tempo in effect
 108     at a given point in time.
 109 */
 110 class LIBARDOUR_API TempoMetric : public Tempo, public Meter {
 111   public:
 112         TempoMetric (Tempo const & t, Meter const & m, bool ramp) : Tempo (t), Meter (m), _c_per_quarter (0.0), _c_per_superclock (0.0), _ramped (ramp) {}
 113         ~TempoMetric () {}
 114
 115         double c_per_superclock () const { return _c_per_superclock; }
 116         double c_per_quarter () const { return _c_per_quarter; }
 117
 118         void compute_c_superclock (framecnt_t sr, superclock_t end_superclocks_per_note_type, superclock_t duration);
 119         void compute_c_quarters (framecnt_t sr, superclock_t end_superclocks_per_note_type, Evoral::Beats const & duration);
 120
 121         superclock_t superclocks_per_bar (framecnt_t sr) const;
 122         superclock_t superclocks_per_grid (framecnt_t sr) const;
 123
 124         superclock_t superclock_at_qn (Evoral::Beats const & qn) const;
 125         superclock_t superclock_per_note_type_at_superclock (superclock_t) const;
 126
 127         bool ramped () const { return _ramped; }
 128         void set_ramped (bool yn) { _ramped = yn; } /* caller must mark something dirty to force recompute */
 129
 130   private:
 131         double _c_per_quarter;
 132         double _c_per_superclock;
 133         bool   _ramped;
 134 };
 135
 136 /** Tempo Map - mapping of timecode to musical time.
 137  * convert audio-samples, sample-rate to Bar/Beat/Tick, Meter/Tempo
 138  */
 139
 140 /* TempoMap concepts
 141
 142    we have several different ways of talking about time:
 143
 144    * PULSE : whole notes, just because. These are linearly related to any other
 145              note type, so if you know a number of pulses (whole notes), you
 146              know the corresponding number of any other note type (e.g. quarter
 147              notes).
 148
 149    * QUARTER NOTES : just what the name says. A lot of MIDI software and
 150                      concepts assume that a "beat" is a quarter-note.
 151
 152    * BEAT : a fraction of a PULSE. Defined by the meter in effect, so requires
 153             meter (time signature) information to convert to/from PULSE or QUARTER NOTES.
 154             In a 5/8 time, a BEAT is 1/8th note. In a 4/4 time, a beat is quarter note.
 155             This means that measuring time in BEATS is potentially non-linear (if
 156             the time signature changes, there will be a different number of BEATS
 157             corresponding to a given time in any other unit).
 158
 159    * SUPERCLOCK : a very high resolution clock whose frequency
 160                   has as factors all common sample rates and all common note
 161                   type divisors. Related to MINUTES or SAMPLES only when a
 162                   sample rate is known. Related to PULSE or QUARTER NOTES only
 163                   when a tempo is known.
 164
 165    * MINUTES : wallclock time measurement. related to SAMPLES or SUPERCLOCK
 166                only when a sample rate is known.
 167
 168
 169    * SAMPLES : audio time measurement. Related to MINUTES or SUPERCLOCK only
 170                when a sample rate is known
 171
 172    * BBT : bars|beats|ticks ... linearly related to BEATS but with the added
 173            semantics of bars ("measures") added, in which beats are broken up
 174            into groups of bars ("measures"). Requires meter (time signature)
 175            information to compute to/from a given BEATS value. Contains no
 176            additional time information compared to BEATS, but does have
 177            additional semantic information.
 178
 179   Nick sez: not every note onset is on a tick
 180   Paul wonders: if it's 8 samples off, does it matter?
 181   Nick sez: it should not phase with existing audio
 182
 183  */
 184
 185 class LIBARDOUR_API TempoMapPoint
 186 {
 187   public:
 188         enum Flag {
 189                 ExplicitTempo = 0x1,
 190                 ExplicitMeter = 0x2,
 191         };
 192
 193         TempoMapPoint (Flag f, Tempo const& t, Meter const& m, superclock_t sc, Evoral::Beats const & q, Timecode::BBT_Time const & bbt, PositionLockStyle psl, bool ramp = false)
 194                 : _flags (f), _explicit (t, m, psl, ramp), _sclock (sc), _quarters (q), _bbt (bbt), _dirty (true) {}
 195         TempoMapPoint (TempoMapPoint const & tmp, superclock_t sc, Evoral::Beats const & q, Timecode::BBT_Time const & bbt)
 196                 : _flags (Flag (0)), _reference (&tmp), _sclock (sc), _quarters (q), _bbt (bbt), _dirty (true) {}
 197         ~TempoMapPoint () {}
 198
 199         bool is_explicit() const { return _flags != Flag (0); }
 200         bool is_implicit() const { return _flags == Flag (0); }
 201
 202         superclock_t superclocks_per_note_type (int8_t note_type) const {
 203                 if (is_explicit()) {
 204                         return _explicit.metric.superclocks_per_note_type (note_type);
 205                 }
 206                 return _reference->superclocks_per_note_type (note_type);
 207         }
 208
 209         struct BadTempoMetricLookup : public std::exception {
 210                 virtual const char* what() const throw() { return "cannot obtain non-const Metric from implicit map point"; }
 211         };
 212
 213         bool                dirty()  const { return _dirty; }
 214
 215         superclock_t        sclock() const      { return _sclock; }
 216         Evoral::Beats const & quarters() const  { return _quarters; }
 217         Timecode::BBT_Time  const & bbt() const { return _bbt; }
 218         bool                ramped() const      { return metric().ramped(); }
 219         TempoMetric const & metric() const      { return is_explicit() ? _explicit.metric : _reference->metric(); }
 220         PositionLockStyle   lock_style() const  { return is_explicit() ? _explicit.lock_style : _reference->lock_style(); }
 221
 222         void compute_c_superclock (framecnt_t sr, superclock_t end_superclocks_per_note_type, superclock_t duration) { if (is_explicit()) { _explicit.metric.compute_c_superclock (sr, end_superclocks_per_note_type, duration); } }
 223         void compute_c_quarters (framecnt_t sr, superclock_t end_superclocks_per_note_type, Evoral::Beats const & duration) { if (is_explicit()) { _explicit.metric.compute_c_quarters (sr, end_superclocks_per_note_type, duration); } }
 224
 225         /* None of these properties can be set for an Implicit point, because
 226          * they are determined by the TempoMapPoint pointed to by _reference.
 227          */
 228
 229         void set_sclock (superclock_t  sc) { if (is_explicit()) { _sclock = sc; _dirty = true; } }
 230         void set_quarters (Evoral::Beats const & q) { if (is_explicit()) { _quarters = q; _dirty = true;  } }
 231         void set_bbt (Timecode::BBT_Time const & bbt) {  if (is_explicit()) { _bbt = bbt; _dirty = true;  } }
 232         void set_dirty (bool yn) { if (is_explicit()) { _dirty = yn; } }
 233         void set_lock_style (PositionLockStyle psl) {  if (is_explicit()) { _explicit.lock_style = psl; _dirty = true; } }
 234
 235         void make_explicit (Flag f) {
 236                 _flags = Flag (_flags|f);
 237                 /* since _metric and _reference are part of an anonymous union,
 238                    avoid possible compiler glitches by copying to a stack
 239                    variable first, then assign.
 240                 */
 241                 TempoMetric tm (_explicit.metric);
 242                 _explicit.metric = tm;
 243                 _dirty = true;
 244         }
 245
 246         void make_implicit (TempoMapPoint & tmp) { _flags = Flag (0); _reference = &tmp; }
 247
 248         Evoral::Beats quarters_at (superclock_t sc) const;
 249         Evoral::Beats quarters_at (Timecode::BBT_Time const &) const;
 250
 251         Timecode::BBT_Time bbt_at (Evoral::Beats const &) const;
 252
 253 #if 0
 254         XMLNode& get_state() const;
 255         int set_state (XMLNode const&, int version);
 256 #endif
 257
 258         struct SuperClockComparator {
 259                 bool operator() (TempoMapPoint const & a, TempoMapPoint const & b) const { return a.sclock() < b.sclock(); }
 260         };
 261
 262         struct QuarterComparator {
 263                 bool operator() (TempoMapPoint const & a, TempoMapPoint const & b) const { return a.quarters() < b.quarters(); }
 264         };
 265
 266         struct BBTComparator {
 267                 bool operator() (TempoMapPoint const & a, TempoMapPoint const & b) const { return a.bbt() < b.bbt(); }
 268         };
 269
 270   protected:
 271         friend class TempoMap;
 272         void map_reset_set_sclock_for_sr_change (superclock_t sc) { _sclock = sc; }
 273
 274   private:
 275         struct ExplicitInfo {
 276                 ExplicitInfo (Tempo const & t, Meter const & m, PositionLockStyle psl, bool ramp) : metric (t, m, ramp), lock_style (psl) {}
 277
 278                 TempoMetric       metric;
 279                 PositionLockStyle lock_style;
 280         };
 281
 282         Flag                  _flags;
 283         union {
 284                 TempoMapPoint const * _reference;
 285                 ExplicitInfo          _explicit;
 286         };
 287         superclock_t          _sclock;
 288         Evoral::Beats         _quarters;
 289         Timecode::BBT_Time    _bbt;
 290         bool                  _dirty;
 291 };
 292
 293 typedef std::list<TempoMapPoint> TempoMapPoints;
 294
 295 class LIBARDOUR_API TempoMap
 296 {
 297    public:
 298         TempoMap (Tempo const & initial_tempo, Meter const & initial_meter, framecnt_t sr);
 299
 300         void set_sample_rate (framecnt_t sr);
 301         framecnt_t sample_rate() const { return _sample_rate; }
 302
 303         void remove_explicit_point (superclock_t);
 304
 305         bool move_to (superclock_t current, superclock_t destination, bool push = false);
 306
 307         bool set_tempo_and_meter (Tempo const &, Meter const &, superclock_t, bool ramp, bool flexible);
 308
 309         bool set_tempo (Tempo const &, Timecode::BBT_Time const &, bool ramp = false);
 310         bool set_tempo (Tempo const &, superclock_t, bool ramp = false);
 311
 312         bool set_meter (Meter const &, Timecode::BBT_Time const &);
 313         bool set_meter (Meter const &, superclock_t);
 314
 315         Meter const & meter_at (superclock_t sc) const;
 316         Meter const & meter_at (Evoral::Beats const & b) const;
 317         Meter const & meter_at (Timecode::BBT_Time const & bbt) const;
 318         Tempo const & tempo_at (superclock_t sc) const;
 319         Tempo const & tempo_at (Evoral::Beats const &b) const;
 320         Tempo const & tempo_at (Timecode::BBT_Time const & bbt) const;
 321
 322         Timecode::BBT_Time bbt_at (superclock_t sc) const;
 323         Timecode::BBT_Time bbt_at (Evoral::Beats const &) const;
 324         Evoral::Beats quarter_note_at (superclock_t sc) const;
 325         Evoral::Beats quarter_note_at (Timecode::BBT_Time const &) const;
 326         superclock_t superclock_at (Evoral::Beats const &) const;
 327         superclock_t superclock_at (Timecode::BBT_Time const &) const;
 328
 329         TempoMapPoint const & const_point_at (superclock_t sc) const { return *const_iterator_at (sc); }
 330         TempoMapPoint const & const_point_at (Evoral::Beats const & b) const { return *const_iterator_at (b); }
 331         TempoMapPoint const & const_point_at (Timecode::BBT_Time const & bbt) const { return *const_iterator_at (bbt); }
 332
 333         TempoMapPoint const & const_point_after (superclock_t sc) const;
 334         TempoMapPoint const & const_point_after (Evoral::Beats const & b) const;
 335         TempoMapPoint const & const_point_after (Timecode::BBT_Time const & bbt) const;
 336
 337         void get_grid (TempoMapPoints& points, superclock_t start, superclock_t end);
 338
 339         struct EmptyTempoMapException : public std::exception {
 340                 virtual const char* what() const throw() { return "TempoMap is empty"; }
 341         };
 342
 343         void dump (std::ostream&);
 344         void rebuild (superclock_t limit);
 345
 346    private:
 347         TempoMapPoints _points;
 348         framecnt_t     _sample_rate;
 349         mutable Glib::Threads::RWLock _lock;
 350
 351         /* these return an iterator that refers to the TempoMapPoint at or most immediately preceding the given position.
 352          *
 353          * Conceptually, these could be const methods, but C++ prevents them returning a non-const iterator in that case.
 354          *
 355          * Note that they cannot return an invalid iterator (e.g. _points.end()) because:
 356          *
 357          *    - if the map is empty, an exception is thrown
 358          *    - if the given time is before the first map entry, _points.begin() is returned
 359          *    - if the given time is after the last map entry, the equivalent of _points.rbegin() is returned
 360          *    - if the given time is within the map entries, a valid iterator will be returned
 361          */
 362
 363         TempoMapPoints::iterator iterator_at (superclock_t sc);
 364         TempoMapPoints::iterator iterator_at (Evoral::Beats const &);
 365         TempoMapPoints::iterator iterator_at (Timecode::BBT_Time const &);
 366
 367         TempoMapPoints::const_iterator const_iterator_at (superclock_t sc) const { return const_cast<TempoMap*>(this)->iterator_at (sc); }
 368         TempoMapPoints::const_iterator const_iterator_at (Evoral::Beats const & b) const { return const_cast<TempoMap*>(this)->iterator_at (b); }
 369         TempoMapPoints::const_iterator const_iterator_at (Timecode::BBT_Time const & bbt) const { return const_cast<TempoMap*>(this)->iterator_at (bbt); }
 370
 371         /* Returns the TempoMapPoint at or most immediately preceding the given time. If the given time is
 372          * before the first map entry, then the first map entry will be returned, which underlies the semantics
 373          * that the first map entry's values propagate backwards in time if not at absolute zero.
 374          *
 375          * As for iterator_at(), define both const+const and non-const variants, because C++ won't let us return a non-const iterator
 376            from a const method (which is a bit silly, but presumably aids compiler reasoning).
 377         */
 378
 379         TempoMapPoint & point_at (superclock_t sc) { return *iterator_at (sc); }
 380         TempoMapPoint & point_at (Evoral::Beats const & b) { return *iterator_at (b); }
 381         TempoMapPoint & point_at (Timecode::BBT_Time const & bbt) { return *iterator_at (bbt); }
 382
 383         Meter const & meter_at_locked (superclock_t sc) const { return const_point_at (sc).metric(); }
 384         Meter const & meter_at_locked (Evoral::Beats const & b) const { return const_point_at (b).metric(); }
 385         Meter const & meter_at_locked (Timecode::BBT_Time const & bbt) const { return const_point_at (bbt).metric(); }
 386         Tempo const & tempo_at_locked (superclock_t sc) const { return const_point_at (sc).metric(); }
 387         Tempo const & tempo_at_locked (Evoral::Beats const &b) const { return const_point_at (b).metric(); }
 388         Tempo const & tempo_at_locked (Timecode::BBT_Time const & bbt) const { return const_point_at (bbt).metric(); }
 389         Timecode::BBT_Time bbt_at_locked (superclock_t sc) const;
 390         Timecode::BBT_Time bbt_at_locked (Evoral::Beats const &) const;
 391         Evoral::Beats quarter_note_at_locked (superclock_t sc) const;
 392         Evoral::Beats quarter_note_at_locked (Timecode::BBT_Time const &) const;
 393         superclock_t superclock_at_locked (Evoral::Beats const &) const;
 394         superclock_t superclock_at_locked (Timecode::BBT_Time const &) const;
 395
 396         void rebuild_locked (superclock_t limit);
 397         void dump_locked (std::ostream&);
 398 };
 399
 400 }
 401
 402 std::ostream& operator<<(std::ostream&, ARDOUR::TempoMapPoint const &);
 403 std::ostream& operator<<(std::ostream&, ARDOUR::Tempo const &);
 404 std::ostream& operator<<(std::ostream&, ARDOUR::Meter const &);
 405
 406 #endif /* __ardour_tempo_h__ */