audio_processor.cpp

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// Created by pengx on 2026/2/10.
//

#include "audio_processor.hpp"

// μ-law 解码查找表
static constexpr int16_t ulaw_decode_table[256] = {
    // 负值区（索引0-127）
    -32124, -31100, -30076, -29052, -28028, -27004, -25980, -24956,
    -23932, -22908, -21884, -20860, -19836, -18812, -17788, -16764,
    -15996, -15484, -14972, -14460, -13948, -13436, -12924, -12412,
    -11900, -11388, -10876, -10364, -9852, -9340, -8828, -8316,
    -7932, -7676, -7420, -7164, -6908, -6652, -6396, -6140,
    -5884, -5628, -5372, -5116, -4860, -4604, -4348, -4092,
    -3900, -3772, -3644, -3516, -3388, -3260, -3132, -3004,
    -2876, -2748, -2620, -2492, -2364, -2236, -2108, -1980,
    -1884, -1820, -1756, -1692, -1628, -1564, -1500, -1436,
    -1372, -1308, -1244, -1180, -1116, -1052, -988, -924,
    -876, -844, -812, -780, -748, -716, -684, -652,
    -620, -588, -556, -524, -492, -460, -428, -396,
    -372, -356, -340, -324, -308, -292, -276, -260,
    -244, -228, -212, -196, -180, -164, -148, -132,
    -120, -112, -104, -96, -88, -80, -72, -64,
    -56, -48, -40, -32, -24, -16, -8, 0,

    // 正值区（索引128-255）
    32124, 31100, 30076, 29052, 28028, 27004, 25980, 24956,
    23932, 22908, 21884, 20860, 19836, 18812, 17788, 16764,
    15996, 15484, 14972, 14460, 13948, 13436, 12924, 12412,
    11900, 11388, 10876, 10364, 9852, 9340, 8828, 8316,
    7932, 7676, 7420, 7164, 6908, 6652, 6396, 6140,
    5884, 5628, 5372, 5116, 4860, 4604, 4348, 4092,
    3900, 3772, 3644, 3516, 3388, 3260, 3132, 3004,
    2876, 2748, 2620, 2492, 2364, 2236, 2108, 1980,
    1884, 1820, 1756, 1692, 1628, 1564, 1500, 1436,
    1372, 1308, 1244, 1180, 1116, 1052, 988, 924,
    876, 844, 812, 780, 748, 716, 684, 652,
    620, 588, 556, 524, 492, 460, 428, 396,
    372, 356, 340, 324, 308, 292, 276, 260,
    244, 228, 212, 196, 180, 164, 148, 132,
    120, 112, 104, 96, 88, 80, 72, 64,
    56, 48, 40, 32, 24, 16, 8, 0
};

// A-law 解码查找表
static constexpr int16_t alaw_decode_table[256] = {
    // 负值区（索引0-127）
    -5504, -5248, -6016, -5760, -4480, -4224, -4992, -4736,
    -7552, -7296, -8064, -7808, -6528, -6272, -7040, -6784,
    -2752, -2624, -3008, -2880, -2240, -2112, -2496, -2368,
    -3776, -3648, -4032, -3904, -3264, -3136, -3520, -3392,
    -22016, -20992, -24064, -23040, -17920, -16896, -19968, -18944,
    -30208, -29184, -32256, -31232, -26112, -25088, -28160, -27136,
    -11008, -10496, -12032, -11520, -8960, -8448, -9984, -9472,
    -15104, -14592, -16128, -15616, -13056, -12544, -14080, -13568,
    -344, -328, -376, -360, -280, -264, -312, -296,
    -472, -456, -504, -488, -408, -392, -440, -424,
    -88, -72, -120, -104, -24, -8, -56, -40,
    -216, -200, -248, -232, -152, -136, -184, -168,
    -1376, -1312, -1504, -1440, -1120, -1056, -1248, -1184,
    -1888, -1824, -2016, -1952, -1632, -1568, -1760, -1696,
    -688, -656, -752, -720, -560, -528, -624, -592,
    -944, -912, -1008, -976, -816, -784, -880, -848,

    // 正值区（索引128-255）
    5504, 5248, 6016, 5760, 4480, 4224, 4992, 4736,
    7552, 7296, 8064, 7808, 6528, 6272, 7040, 6784,
    2752, 2624, 3008, 2880, 2240, 2112, 2496, 2368,
    3776, 3648, 4032, 3904, 3264, 3136, 3520, 3392,
    22016, 20992, 24064, 23040, 17920, 16896, 19968, 18944,
    30208, 29184, 32256, 31232, 26112, 25088, 28160, 27136,
    11008, 10496, 12032, 11520, 8960, 8448, 9984, 9472,
    15104, 14592, 16128, 15616, 13056, 12544, 14080, 13568,
    344, 328, 376, 360, 280, 264, 312, 296,
    472, 456, 504, 488, 408, 392, 440, 424,
    88, 72, 120, 104, 24, 8, 56, 40,
    216, 200, 248, 232, 152, 136, 184, 168,
    1376, 1312, 1504, 1440, 1120, 1056, 1248, 1184,
    1888, 1824, 2016, 1952, 1632, 1568, 1760, 1696,
    688, 656, 752, 720, 560, 528, 624, 592,
    944, 912, 1008, 976, 816, 784, 880, 848
};

static uint8_t linear_to_ulaw(const int16_t pcm) {
    // 步骤1：提取符号位（第 15 位）
    const uint8_t sign = (pcm >> 8) & 0x80;

    // 步骤2：取绝对值（如果为负则取反）
    int16_t magnitude = (sign != 0) ? static_cast<int16_t>(-static_cast<int32_t>(pcm)) : pcm;

    // 步骤3：添加偏置值（用于提高小信号的量化精度）
    magnitude += 33; // μ-law 偏置值（标准值）

    // 步骤4：计算指数部分
    // 通过找到第一个 '1' 的位置来确定指数（段号）
    // 检查从高位到低位，找到第一个为 1 的比特位
    int exponent = 7;
    if (magnitude & 0x4000) {
        // bit 14
        exponent = 7;
    } else if (magnitude & 0x2000) {
        // bit 13
        exponent = 6;
    } else if (magnitude & 0x1000) {
        // bit 12
        exponent = 5;
    } else if (magnitude & 0x0800) {
        // bit 11
        exponent = 4;
    } else if (magnitude & 0x0400) {
        // bit 10
        exponent = 3;
    } else if (magnitude & 0x0200) {
        // bit 9
        exponent = 2;
    } else if (magnitude & 0x0100) {
        // bit 8
        exponent = 1;
    } else {
        // bit 7 或更低
        exponent = 0;
    }

    // 步骤5：提取尾数部分
    // 尾数是去掉指数后的低 4 位
    uint8_t mantissa;
    if (exponent == 0) {
        mantissa = (magnitude >> 4) & 0x0F;
    } else {
        mantissa = (magnitude >> (exponent + 3)) & 0x0F;
    }

    // 步骤6：组合编码（符号位 + 指数 + 尾数）
    const uint8_t mulaw_code = sign | (exponent << 4) | mantissa;

    // 步骤7：取反码（G.711 标准使用反码表示）
    return ~mulaw_code;
}

static uint8_t linear_to_alaw(const int16_t pcm) {
    // 步骤1：提取符号位
    const uint8_t sign = (pcm >> 8) & 0x80;

    // 步骤2：取绝对值
    int16_t magnitude = (sign != 0) ? static_cast<int16_t>(-static_cast<int32_t>(pcm)) : pcm;

    // 步骤3：裁剪最大值并右移1位（A-law 使用 14-bit 幅度）
    if (magnitude > 32635) {
        magnitude = 32635;
    }
    magnitude >>= 1;

    // 步骤4：确定段号（从 bit 12 开始判断）
    uint8_t exponent = 0;
    if (magnitude & 0x2000) {
        exponent = 7;
    } else if (magnitude & 0x1000) {
        exponent = 6;
    } else if (magnitude & 0x0800) {
        exponent = 5;
    } else if (magnitude & 0x0400) {
        exponent = 4;
    } else if (magnitude & 0x0200) {
        exponent = 3;
    } else if (magnitude & 0x0100) {
        exponent = 2;
    } else if (magnitude & 0x0080) {
        exponent = 1;
    } else {
        exponent = 0;
    }

    // 步骤5：提取尾数
    uint8_t mantissa;
    if (exponent == 0) {
        mantissa = (magnitude >> 4) & 0x0F;
    } else {
        mantissa = (magnitude >> (exponent + 3)) & 0x0F;
    }

    // 步骤6：组合编码
    const uint8_t alaw_code = sign | (exponent << 4) | mantissa;

    // 步骤7：偶数位取反
    return alaw_code ^ 0x55;
}

/**
 * @brief 将 PCM 数据批量转换为 μ-law（PCMU）编码
 *
 * 处理流程：
 * 1. 遍历每个 16-bit PCM 采样点
 * 2. 对每个采样点进行 μ-law 编码
 * 3. 输出为 8-bit 编码数据，数据量减半
 *
 * 应用场景：
 * - 电话系统音频传输（北美、日本）
 * - VoIP 通信（G.711 PCMU）
 * - 音频数据压缩存储
 *
 * @param input  输入的 16-bit PCM 数据数组
 * @param output 输出的 8-bit μ-law 编码数据数组
 * @param samples   要处理的采样点数量
 */
void AudioProcessor::pcm_to_ulaw(const int16_t* input, uint8_t* output, const size_t samples) {
    for (size_t i = 0; i < samples; i++) {
        output[i] = linear_to_ulaw(input[i]);
    }
}

/**
 * @brief 将 μ-law（PCMU）编码批量转换为 PCM 数据
 *
 * 处理流程：
 * 1. 使用预计算的查找表快速解码
 * 2. 将 8-bit μ-law 值映射回 16-bit PCM 值
 * 3. 恢复线性音频样本
 *
 * 优势：
 * - 查找表解码速度极快
 * - 避免重复计算对数和指数函数
 * - 实时性能优秀
 *
 * @param input  输入的 8-bit μ-law 编码数据数组
 * @param output 输出的 16-bit PCM 数据数组
 * @param samples   要处理的采样点数量
 */
void AudioProcessor::ulaw_to_pcm(const uint8_t* input, int16_t* output, const size_t samples) {
    for (size_t i = 0; i < samples; i++) {
        output[i] = ulaw_decode_table[input[i]];
    }
}

/**
 * @brief 将 PCM 数据批量转换为 A-law（PCMA）编码
 *
 * 处理流程：
 * 1. 遍历每个 16-bit PCM 采样点
 * 2. 对每个采样点进行 A-law 编码
 * 3. 输出为 8-bit 编码数据，数据量减半
 *
 * 应用场景：
 * - 电话系统音频传输（欧洲、中国等）
 * - VoIP 通信（G.711 PCMA）
 * - 音频数据压缩存储
 *
 * @param input  输入的 16-bit PCM 数据数组
 * @param output 输出的 8-bit A-law 编码数据数组
 * @param samples   要处理的采样点数量
 */
void AudioProcessor::pcm_to_alaw(const int16_t* input, uint8_t* output, const size_t samples) {
    for (size_t i = 0; i < samples; i++) {
        output[i] = linear_to_alaw(input[i]);
    }
}

/**
 * @brief 将 A-law（PCMA）编码批量转换为 PCM 数据
 *
 * 处理流程：
 * 1. 使用预计算的查找表快速解码
 * 2. 将 8-bit A-law 值映射回 16-bit PCM 值
 * 3. 恢复线性音频样本
 *
 * 优势：
 * - 查找表解码速度极快
 * - 避免重复计算
 * - 实时性能优秀
 *
 * @param input  输入的 8-bit A-law 编码数据数组
 * @param output 输出的 16-bit PCM 数据数组
 * @param samples   要处理的采样点数量
 */
void AudioProcessor::alaw_to_pcm(const uint8_t* input, int16_t* output, const size_t samples) {
    for (size_t i = 0; i < samples; i++) {
        output[i] = alaw_decode_table[input[i]];
    }
}