Libreria in linguaggio C per elaborazione audio in real time

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1 FONDAMENTI DI INFORMATICA Prof. PIER LUCA MONTESSORO Facoltà di Ingegneria Università degli Studi di Udine Libreria in linguaggio C per elaborazione audio in real time 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 1

2 Nota di Copyright Fondamenti di Informatica - Real-time audio Questo insieme di trasparenze (detto nel seguito slide) è protetto dalle leggi sul copyright e dalle disposizioni dei trattati internazionali. Il titolo ed i copyright relativi alle slides (ivi inclusi, ma non limitatamente, ogni immagine, fotografia, animazione, video, audio, musica e testo) sono di proprietà dell autore prof. Pier Luca Montessoro, Università degli Studi di Udine. Le slide possono essere riprodotte ed utilizzate liberamente dagli istituti di ricerca, scolastici ed universitari afferenti al Ministero della Pubblica Istruzione e al Ministero dell Università e Ricerca Scientifica e Tecnologica, per scopi istituzionali, non a fine di lucro. In tal caso non è richiesta alcuna autorizzazione. Ogni altro utilizzo o riproduzione (ivi incluse, ma non limitatamente, le riproduzioni su supporti magnetici, su reti di calcolatori e stampe) in toto o in parte è vietata, se non esplicitamente autorizzata per iscritto, a priori, da parte degli autori. L informazione contenuta in queste slide è ritenuta essere accurata alla data della pubblicazione. Essa è fornita per scopi meramente didattici e non per essere utilizzata in progetti di impianti, prodotti, reti, ecc. In ogni caso essa è soggetta a cambiamenti senza preavviso. L autore non assume alcuna responsabilità per il contenuto di queste slide (ivi incluse, ma non limitatamente, la correttezza, completezza, applicabilità, aggiornamento dell informazione). In ogni caso non può essere dichiarata conformità all informazione contenuta in queste slide. In ogni caso questa nota di copyright e il suo richiamo in calce ad ogni slide non devono mai essere rimossi e devono essere riportati anche in utilizzi parziali Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 2

3 Interfaccia audio dispositivo hardware driver software programma applicativo qui ci pensa il costruttore qui tocca a noi! 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 3

4 Libreria portaudio Portable cross-platform Audio API Compatibile con cygwin/gcc Wrapper per le esercitazioni di Architettura dei calcolatori : rtalib (real-time audio library) 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 4

5 Un piccolo problema Il driver software esiste già. Come fa a chiamare una funzione della nostra applicazione? Funzioni di CALLBACK!!! 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 5

6 Callback function driver software programma applicativo f_inizializzazione (indirizzo_fz_appl) chiamata di (*indirizzo_fz_appl)() 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 6

7 rtalib Limitata al formato CD audio (44.1 KHz, 16 bit, stereo) Richiede i file cygportaudio-2.dll e libportaudio.dll.a (Windows) o libportaudio.so (Linux), portaudio.h, rtalib.c, rtalib.h, wav.c, wav.h, (sul sito per compilare: cc_rta <nome programma> 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 7

8 rtalib: funzioni di inizializzazione int init_stream_for_input (void) int init_stream_for_output (void) int init_stream_for_input_and_output (void) 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 8

9 rtalib: funzioni di callback void write_buffer_to_play (signed short int *buffer, int buffer_size) void read_recorded_buffer (signed short int *buffer, int buffer_size) void read_and_write_buffer (signed short int *input_buffer, signed short int *output_buffer, int buffer_size) 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 9

10 rtalib: temporizzazione e chiusura void sleep_while_stream_is_running (double seconds) int close_stream (void) 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 10

11 Esempio: play_wave (main) WAVE wave; int current_playback_position; int main (int argc, char *argv[]) { FILE *fpin; if (argc!= 2)... fpin = fopen (argv[1], "rb"); if (fpin == NULL)... wave = ReadWave (fpin); fclose (fpin); play_wave (); } ReleaseWaveData (&wave); return EXIT_SUCCESS; 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 11

12 Esempio: play_wave (inizializzazione) void play_wave (void) { current_playback_position = 0; if (init_stream_for_output() == -1) { printf ("error opening output stream\n"); exit (EXIT_FAILURE); } sleep_while_stream_is_running (wave.numofstereosamples / (double) SAMPLINGRATE); } return; 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 12

13 Esempio: play_wave (callback) void write_buffer_to_play (signed short int *buffer, int buffer_size) { int i; for (i = 0; i + current_playback_position < wave.numofstereosamples && i < buffer_size; i++) { *buffer++ = SAMPLE(wave, LEFT, i + current_playback_position); *buffer++ = SAMPLE(wave, RIGHT, i + current_playback_position); } } while (i < buffer_size) { /* silence left... and right */ *buffer++ = 0; *buffer++ = 0; i++; } current_playback_position += buffer_size; return; 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 13

14 Esempio: wire void wire (void) { if (init_stream_for_input_and_output() == -1) { printf ("error opening output stream\n"); exit (EXIT_FAILURE); } printf ("Playing... 'X' to terminate.\n"); while (toupper(getchar())!= 'X'); } return; 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 14

15 Esempio: wire void read_and_write_buffer (signed short int *input_buffer, signed short int *output_buffer, int buffer_size) { int i; for (i = 0; i < buffer_size; i++) { *output_buffer++ = *input_buffer++; /* left */ *output_buffer++ = *input_buffer++; /* right */ } } return; 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 15

16 Fondamenti di Informatica - Real-time audio Esempio: overdrive 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 16

17 Overdrive analogico Fondamenti di Informatica - Real-time audio 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 17

18 Overdrive analogico 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 18

19 Overdrive analogico: il caldo suono delle valvole 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 19

20 Il diodo ideale: clip Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 20

21 Il diodo ideale in linguaggio C sample = input_buffer[current_position]; overdriven_sample = fabs (sample * gain); if (overdriven_sample > DYNRANGE * MAXVALUE) overdriven_sample = DYNRANGE * MAXVALUE; if (sample < 0) overdriven_sample = -overdriven_sample; output_buffer[current_position = overdriven_sample; 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 21

22 Verso un suono più caldo: saturazione esponenziale Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 22

23 Verso un suono più caldo: saturazione esponenziale sample = input_buffer[current_position] * gain / MAXVALUE; overdriven_sample = 1 - (exp (-K * fabs(sample))); if (sample < 0) overdriven_sample = -overdriven_sample; output_buffer[current_position] = overdriven_sample * MAXVALUE; 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 23

24 Verso un suono più caldo: saturazione esponenziale asimmetrica Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 24

25 Verso un suono più caldo: saturazione esponenziale asimmetrica sample = input_buffer[current_position] * gain / MAXVALUE; if (sample < 0) overdriven_sample = - (1 - (exp(-k*fabs(sample)))); else overdriven_sample = (1 - (exp(-k*fabs(sample*asymgain))))/asymgain; output_buffer[current_position] = overdriven_sample * MAXVALUE; 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 25

26 Fondamenti di Informatica - Real-time audio Esempio: delay (eco) 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 26

27 L effetto eco prima del digitale 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 27

28 L effetto eco prima del digitale 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 28

29 L effetto eco prima del digitale 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 29

30 Delay digitale Fondamenti di Informatica - Real-time audio 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 30

31 Delay digitale Fondamenti di Informatica - Real-time audio 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 31

32 Il nastro magnetico digitale in C Buffer circolare posizione di estrazione posizione di inserimento avanzamento degli indici 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 32

33 Il nastro magnetico digitale in C Per il delay, scrittura e lettura sono sincronizzate (semplificazione!) output_buffer[i] = input_buffer[i] + nastro[indice_estrazione]*attenuazione; nastro[indice_inserimento] = output_buffer[i]; if (++indice_inserimento >= DIM_BUFFER) indice_inserimento = 0; if (++indice_estrazione >= DIM_BUFFER) indice_estrazione = 0; 2010 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n. 2) 33