src/spectral/filterbank_mel.c

   1 /*
   2   Copyright (C) 2007-2009 Paul Brossier <piem@aubio.org>
   3                       and Amaury Hazan <ahazan@iua.upf.edu>
   4
   5   This file is part of aubio.
   6
   7   aubio is free software: you can redistribute it and/or modify
   8   it under the terms of the GNU General Public License as published by
   9   the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
  10   (at your option) any later version.
  11
  12   aubio is distributed in the hope that it will be useful,
  13   but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  14   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  15   GNU General Public License for more details.
  16
  17   You should have received a copy of the GNU General Public License
  18   along with aubio.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
  19
  20 */
  21
  22 #include "aubio_priv.h"
  23 #include "fmat.h"
  24 #include "fvec.h"
  25 #include "cvec.h"
  26 #include "spectral/filterbank.h"
  27 #include "spectral/filterbank_mel.h"
  28 #include "mathutils.h"
  29
  30 uint_t
  31 aubio_filterbank_set_triangle_bands (aubio_filterbank_t * fb,
  32     const fvec_t * freqs, smpl_t samplerate)
  33 {
  34
  35   fmat_t *filters = aubio_filterbank_get_coeffs (fb);
  36   uint_t n_filters = filters->height, win_s = filters->length;
  37   fvec_t *lower_freqs, *upper_freqs, *center_freqs;
  38   fvec_t *triangle_heights, *fft_freqs;
  39
  40   uint_t fn;                    /* filter counter */
  41   uint_t bin;                   /* bin counter */
  42
  43   smpl_t riseInc, downInc;
  44
  45   /* freqs define the bands of triangular overlapping windows.
  46      throw a warning if filterbank object fb is too short. */
  47   if (freqs->length - 2 > n_filters) {
  48     AUBIO_WRN ("not enough filters, %d allocated but %d requested\n",
  49         n_filters, freqs->length - 2);
  50   }
  51
  52   if (freqs->length - 2 < n_filters) {
  53     AUBIO_WRN ("too many filters, %d allocated but %d requested\n",
  54         n_filters, freqs->length - 2);
  55   }
  56
  57   if (freqs->data[freqs->length - 1] > samplerate / 2) {
  58     AUBIO_WRN ("Nyquist frequency is %fHz, but highest frequency band ends at \
  59 %fHz\n", samplerate / 2, freqs->data[freqs->length - 1]);
  60   }
  61
  62   /* convenience reference to lower/center/upper frequency for each triangle */
  63   lower_freqs = new_fvec (n_filters);
  64   upper_freqs = new_fvec (n_filters);
  65   center_freqs = new_fvec (n_filters);
  66
  67   /* height of each triangle */
  68   triangle_heights = new_fvec (n_filters);
  69
  70   /* lookup table of each bin frequency in hz */
  71   fft_freqs = new_fvec (win_s);
  72
  73   /* fill up the lower/center/upper */
  74   for (fn = 0; fn < n_filters; fn++) {
  75     lower_freqs->data[fn] = freqs->data[fn];
  76     center_freqs->data[fn] = freqs->data[fn + 1];
  77     upper_freqs->data[fn] = freqs->data[fn + 2];
  78   }
  79
  80   /* compute triangle heights so that each triangle has unit area */
  81   for (fn = 0; fn < n_filters; fn++) {
  82     triangle_heights->data[fn] =
  83         2. / (upper_freqs->data[fn] - lower_freqs->data[fn]);
  84   }
  85
  86   /* fill fft_freqs lookup table, which assigns the frequency in hz to each bin */
  87   for (bin = 0; bin < win_s; bin++) {
  88     fft_freqs->data[bin] =
  89         aubio_bintofreq (bin, samplerate, (win_s - 1) * 2);
  90   }
  91
  92   /* zeroing of all filters */
  93   fmat_zeros (filters);
  94
  95   if (fft_freqs->data[1] >= lower_freqs->data[0]) {
  96     /* - 1 to make sure we don't miss the smallest power of two */
  97     uint_t min_win_s =
  98         (uint_t) FLOOR (samplerate / lower_freqs->data[0]) - 1;
  99     AUBIO_WRN ("Lowest frequency bin (%.2fHz) is higher than lowest frequency \
 100 band (%.2f-%.2fHz). Consider increasing the window size from %d to %d.\n",
 101         fft_freqs->data[1], lower_freqs->data[0],
 102         upper_freqs->data[0], (win_s - 1) * 2,
 103         aubio_next_power_of_two (min_win_s));
 104   }
 105
 106   /* building each filter table */
 107   for (fn = 0; fn < n_filters; fn++) {
 108
 109     /* skip first elements */
 110     for (bin = 0; bin < win_s - 1; bin++) {
 111       if (fft_freqs->data[bin] <= lower_freqs->data[fn] &&
 112           fft_freqs->data[bin + 1] > lower_freqs->data[fn]) {
 113         bin++;
 114         break;
 115       }
 116     }
 117
 118     /* compute positive slope step size */
 119     riseInc =
 120         triangle_heights->data[fn] /
 121         (center_freqs->data[fn] - lower_freqs->data[fn]);
 122
 123     /* compute coefficients in positive slope */
 124     for (; bin < win_s - 1; bin++) {
 125       filters->data[fn][bin] =
 126           (fft_freqs->data[bin] - lower_freqs->data[fn]) * riseInc;
 127
 128       if (fft_freqs->data[bin + 1] >= center_freqs->data[fn]) {
 129         bin++;
 130         break;
 131       }
 132     }
 133
 134     /* compute negative slope step size */
 135     downInc =
 136         triangle_heights->data[fn] /
 137         (upper_freqs->data[fn] - center_freqs->data[fn]);
 138
 139     /* compute coefficents in negative slope */
 140     for (; bin < win_s - 1; bin++) {
 141       filters->data[fn][bin] +=
 142           (upper_freqs->data[fn] - fft_freqs->data[bin]) * downInc;
 143
 144       if (filters->data[fn][bin] < 0.) {
 145         filters->data[fn][bin] = 0.;
 146       }
 147
 148       if (fft_freqs->data[bin + 1] >= upper_freqs->data[fn])
 149         break;
 150     }
 151     /* nothing else to do */
 152
 153   }
 154
 155   /* destroy temporarly allocated vectors */
 156   del_fvec (lower_freqs);
 157   del_fvec (upper_freqs);
 158   del_fvec (center_freqs);
 159
 160   del_fvec (triangle_heights);
 161   del_fvec (fft_freqs);
 162
 163   return 0;
 164 }
 165
 166 uint_t
 167 aubio_filterbank_set_mel_coeffs_slaney (aubio_filterbank_t * fb,
 168     smpl_t samplerate)
 169 {
 170   uint_t retval;
 171
 172   /* Malcolm Slaney parameters */
 173   smpl_t lowestFrequency = 133.3333;
 174   smpl_t linearSpacing = 66.66666666;
 175   smpl_t logSpacing = 1.0711703;
 176
 177   uint_t linearFilters = 13;
 178   uint_t logFilters = 27;
 179   uint_t n_filters = linearFilters + logFilters;
 180
 181   uint_t fn;                    /* filter counter */
 182
 183   smpl_t lastlinearCF;
 184
 185   /* buffers to compute filter frequencies */
 186   fvec_t *freqs = new_fvec (n_filters + 2);
 187
 188   /* first step: fill all the linear filter frequencies */
 189   for (fn = 0; fn < linearFilters; fn++) {
 190     freqs->data[fn] = lowestFrequency + fn * linearSpacing;
 191   }
 192   lastlinearCF = freqs->data[fn - 1];
 193
 194   /* second step: fill all the log filter frequencies */
 195   for (fn = 0; fn < logFilters + 2; fn++) {
 196     freqs->data[fn + linearFilters] =
 197         lastlinearCF * (POW (logSpacing, fn + 1));
 198   }
 199
 200   /* now compute the actual coefficients */
 201   retval = aubio_filterbank_set_triangle_bands (fb, freqs, samplerate);
 202
 203   /* destroy vector used to store frequency limits */
 204   del_fvec (freqs);
 205
 206   return retval;
 207 }