#!/bin/env python

"""A software simulation of a theremin.

A 2-dimension area serves for control of the instrument; the user drags the mouse on this area to control the frequency and amplitude.  Several modes are provided that adds virtual "frets" to allow for the playing of the equal tempered tuning (or subsets of it).

For better musical sound run your sound card into a guitar amp or similar.

Requires Python 2.3+ and PyGTK 2.4+ (not tested on anything older).

Todo:  
  - Being able to vibrato when a scale is in use would be nice.

Contact:  nbm_clan@yahoo.com
"""

import array
import fcntl
import math
import ossaudiodev
import struct
import threading
import time

import pygtk
pygtk.require('2.0')
import gtk


SCALES = ("free", "chromatic", "diatonic", "pentatonic major", "pentatonic minor", "blues")
INIT_FREQ = 20

NAME="PTheremin"


# from "Musical Instrument Design" by Bart Hopkin
sharp = 1.05946
equal_temp_tuning = [16.352, 16.352*sharp, 18.354, 18.354*sharp, 20.602, 21.827, 21.827*sharp, 24.500, 24.500*sharp, 27.500, 27.500*sharp, 30.868]

# build up several octaves of notes
NOTES = []
for octave in range(11):
    for note in equal_temp_tuning:
        NOTES.append((2**octave)*note)


class PlaybackThread(threading.Thread):
    """A thread that manages audio playback."""

    def __init__(self, name, device):
        self.name = name

        self.fs = 44100 # the sample frequency
        self.ft = INIT_FREQ # the base frequency of the instrument
        self.vol = 1

        if device != '/dev/null':
            self.dsp = ossaudiodev.open(device, 'w')
            self.dsp.setparameters(ossaudiodev.AFMT_S16_LE, 1, self.fs)

        self.paused = True
        self.alive = True

        threading.Thread.__init__(self, name=name)


    def run(self):
        def tone_gen(fs):
            """A tone sample generator."""
            x = 0
            pi = math.pi
            sin = math.sin
            ft = self.ft
            sample = 0
            prev_sample = 0
            while 1:
                prev_sample = sample
                sample = sin(2*pi*ft*x/fs)

                # The idea here is to keep the waveform continuous by only changing
                # the frequency at the end of the previous frequency's period.  And
                # it works!
                if ft != self.ft and 0.01 > sample > -0.01 and prev_sample < sample:
                    ft = self.ft
                    x = 0

                x += 1
                yield sample*self.vol

        # to optimize loop performance, dereference everything ahead of time
        tone = tone_gen(self.fs)
        write_func = self.dsp.write
        free_func = self.dsp.obuffree
        pack_func = struct.pack

        while self.alive:
            wave = ""
            if not self.paused:
                while not free_func():
                    pass

                sample = pack_func("h", int(tone.next()*(2**15 - 1)))
                write_func(sample)


    def stop(self):
        self.alive = False


    def set_new_freq(self, freq, vol):
        """Updates the input frequency."""
        self.ft = freq
        self.vol = vol


class ThereminApp(object):
    """The GUI part of the theremin."""

    def delete_event(self, w, e, d=None): return False


    def destroy(self, w=None, d=None):
        for thread in self.threads.values():
            thread.stop()

        gtk.main_quit()


    # the next 5 functions were ripped from the scribblesimple.py example
    def configure_event(self, widget, event):
        # Create a new backing pixmap of the appropriate size
        x, y, width, height = widget.get_allocation()
        self.pixmap = gtk.gdk.Pixmap(widget.window, width, height)

        self.pixmap.draw_rectangle(widget.get_style().black_gc,
                              True, 0, 0, width, height)

        notes = [int(float(x - self.freq_min)*width/(self.freq_max - self.freq_min)) for x in NOTES]
        xgrid = width/20
        ygrid = height/10
        gc = widget.get_style().white_gc

        for x in range(width):
            if x in notes:
                self.pixmap.draw_line(gc, x, 0, x, height)

        for y in range(height):
            if y % ygrid == 0:
                self.pixmap.draw_line(gc, 0, y, width, y)
        """
        for x in range(width):
            for y in range(height):
                if x in notes or y % ygrid == 0:
                    self.pixmap.draw_point(gc, x, y)
                    """

        return True


    def expose_event(self, widget, event):
        # Redraw the screen from the backing pixmap
        x , y, width, height = event.area
        widget.window.draw_drawable(widget.get_style().fg_gc[gtk.STATE_NORMAL],
                                    self.pixmap, x, y, x, y, width, height)
        return False


    def draw_brush(self, widget, x, y):
        # Draw a rectangle on the screen
        rect = (int(x-5), int(y-5), 10, 10)
        self.pixmap.draw_rectangle(widget.get_style().black_gc, True,
                                   rect[0], rect[1], rect[2], rect[3])
        widget.queue_draw_area(rect[0], rect[1], rect[2], rect[3])


    def button_press_event(self, widget, event):
        if event.button == 1 and self.pixmap != None:
            pass#self.draw_brush(widget, event.x, event.y)
        return True


    def motion_notify_event(self, widget, event):
        if event.is_hint:
            x, y, state = event.window.get_pointer()
        else:
            x = event.x
            y = event.y
            state = event.state
        
        if state & gtk.gdk.BUTTON1_MASK and self.pixmap != None:
            width, height = widget.window.get_size()

            freq = (x/float(width))*(self.freq_max - self.freq_min) + self.freq_min
            if freq > self.freq_max:
                freq = self.freq_max
            if freq < self.freq_min:
                freq = self.freq_min

            vol = (height - y)/float(height)
            if vol > 1:
                vol = 1
            if vol < 0:
                vol = 0
            
            vol = 9*vol + 1 # scale to the range 1 - 10
            vol = math.log10(vol) # log scale

            self.set_tone(freq, vol)

            #self.draw_brush(widget, x, y)
      
        return True
        #return widget.emit("motion_notify_event", event)


    def make_menu(self):
        menu_def = """
        <ui>
          <menubar name="MenuBar">
            <menu action="File">
              <menuitem action="Quit"/>
            </menu>
            <menu action="Help">
              <menuitem action="About"/>
            </menu>
          </menubar>
          <toolbar name="ToolBar">
            <toolitem action="Play"/>
            <toolitem action="Stop"/>
          </toolbar>
        </ui>
        """

        def stop(w):
            self.threads['playback'].paused = True

        def play(w):
            self.threads['playback'].paused = False

        # so this runs on older GTK versions (2.2?)
        try:
            self.about_dialog = gtk.AboutDialog()
            self.about_dialog.set_name(NAME)
            self.about_dialog.set_authors(["nbm_clan@yahoo.com"])
            self.about_dialog.set_comments("A software simulation of a Theremin (see http://en.wikipedia.org/wiki/Theremin) with a few added features.")
            self.about_dialog.set_version("0.1")
            self.about_dialog.set_license("GPLv2")
            self.about_dialog.set_logo(gtk.gdk.pixbuf_new_from_inline(len(self.logo), self.logo, False))
            about_icon = gtk.STOCK_ABOUT
            play_icon = gtk.STOCK_MEDIA_PLAY
            stop_icon = gtk.STOCK_MEDIA_STOP
        except AttributeError, e:
            self.about_dialog = None
            about_icon = None
            play_icon = None
            stop_icon = None


        actions = [
        ('File', None, '_File'),
        ('Quit', gtk.STOCK_QUIT, '_Quit', None, 'Quit', self.destroy),
        ('Help', None, '_Help'),
        ('About', about_icon, '_About', None, 'About', lambda w: self.about_dialog and self.about_dialog.show_all() and self.about_dialog.run()),
        
        ('Play', play_icon, 'Play', None, 'Play', play),
        ('Stop', stop_icon, 'Stop', None, 'Stop', stop),
        ]

        ag = gtk.ActionGroup('menu')
        ag.add_actions(actions)
        
        ui = gtk.UIManager()
        ui.insert_action_group(ag, 0)
        ui.add_ui_from_string(menu_def)

        return ui.get_widget('/MenuBar'), ui.get_widget('/ToolBar')


    def init_ui(self):
        """All the gory details of the GUI."""

        self.window = gtk.Window(gtk.WINDOW_TOPLEVEL)
        self.window.set_size_request(900, 500)
        self.window.set_title(NAME)
        self.window.set_icon(gtk.gdk.pixbuf_new_from_inline(len(self.logo), self.logo, False))
        
        # so the close button works
        self.window.connect("delete_event", self.delete_event)
        self.window.connect("destroy", self.destroy)

        self.root = gtk.VBox(False, 1)
        self.window.add(self.root)
        self.root.show()

        menubar, toolbar = self.make_menu()
        self.root.pack_start(menubar, False)
        self.root.pack_start(toolbar, False)
        
        opts_box = gtk.HBox(False, 1)
        opts_frame = gtk.Frame("Options")
        opts_frame.add(opts_box)

        self.root.pack_start(opts_frame, False, False)

        scale_frame = gtk.Frame("Scale")
        scale_frame.set_shadow_type(gtk.SHADOW_NONE)
        scale_ctls = gtk.VBox(False, 1)
        scale_frame.add(scale_ctls)
        opts_box.pack_start(scale_frame, False, False)

        first_rb = None
        for scale in SCALES:
            rb = gtk.RadioButton(first_rb, scale)
            rb.connect("toggled", self.scale_changed, scale)
            if first_rb == None:
                first_rb = rb
                rb.set_active(True)

            scale_ctls.pack_start(rb, False, False)

        key_frame = gtk.Frame("Key")
        key_frame.set_shadow_type(gtk.SHADOW_NONE)
        key_ctl = gtk.combo_box_new_text()
        for key in ["A", "A#", "B", "C", "C#", "D", "D#", "E", "F", "F#", "G", "G#"]:
            key_ctl.append_text(key)
        key_ctl.set_active(0)
        key_frame.add(key_ctl)
        opts_box.pack_start(key_frame, False, False)
        
        self.root.pack_start(gtk.HSeparator(), False, False)

        self.pixmap = None

        input_frame = gtk.Frame("Control")
        input = gtk.DrawingArea()
        input.set_size_request(100, 100)

        input.show()

        # Signals used to handle backing pixmap
        input.connect("expose_event", self.expose_event)
        input.connect("configure_event", self.configure_event)

        # Event signals
        input.connect("button_press_event", self.button_press_event)

        input.set_events(gtk.gdk.EXPOSURE_MASK
                                | gtk.gdk.LEAVE_NOTIFY_MASK
                                | gtk.gdk.BUTTON_PRESS_MASK
                                | gtk.gdk.POINTER_MOTION_MASK)
                                #| gtk.gdk.POINTER_MOTION_HINT_MASK)


        input_table = gtk.Table(4, 3, False)
        input_table.attach(input, 2, 3, 2, 3, gtk.EXPAND | gtk.FILL, gtk.FILL, 0, 0)
        
        def motion_notify(ruler, event):
            return ruler.emit("motion_notify_event", event)

        hrule = gtk.HRuler()
        hrule.set_range(self.freq_min, self.freq_max, self.freq_min, self.freq_max)

        input.connect_object("motion_notify_event", motion_notify, hrule)
        input_table.attach(hrule, 2, 3, 1, 2, gtk.EXPAND | gtk.SHRINK | gtk.FILL, gtk.FILL, 0, 0)

        vrule = gtk.VRuler()
        vrule.set_range(1, 0, 0, 1)
        input.connect_object("motion_notify_event", motion_notify, vrule)
        input_table.attach(vrule, 1, 2, 2, 3, gtk.FILL, gtk.EXPAND | gtk.SHRINK | gtk.FILL, 0, 0)
        input.connect("motion_notify_event", self.motion_notify_event)

        input_table.attach(gtk.Label("V\no\nl\nu\nm\ne"), 0, 1, 0, 3, gtk.FILL, gtk.EXPAND | gtk.SHRINK | gtk.FILL, 0, 0)
        input_table.attach(gtk.Label("Frequency (Hz)"), 1, 3, 0, 1, gtk.EXPAND | gtk.SHRINK | gtk.FILL, gtk.FILL, 0, 0)

        input_frame.add(input_table)
        self.root.pack_start(input_frame, True, True)

        self.window.show_all()

        # status
        self.status = gtk.Statusbar()
        self.status.show()
        self.root.pack_end(self.status, False, False)


    def scale_changed(self, button, scale_name):
        if button.get_active():
            self.scale = scale_name


    def key_changed(self, button, key):
        self.key = key

        self.shifted_notes = NOTES
        shifts = {
            'A': 9,
            'A#': 10,
            'B': 11,
            'C': 0,
            'C#': 1,
            'D': 2,
            'D#': 3,
            'E': 4,
            'F': 5,
            'F#': 6,
            'G': 7,
            'G#': 8,
        }

        for i in range(shifts[self.key]):
            self.shifted_notes.append(shifted_notes.pop(0))


    def freq_changed(self, slider):
        self.freq = slider.get_value()

        if self.scale != 'free':

            if self.scale == 'chromatic':
                key_notes = NOTES

            elif self.scale == 'diatonic':
                notes = self.shifted_notes
                key_notes = [n for i,n in enumerate(notes) if i % 12 in (0, 2, 4, 5, 7, 9, 11)]

            elif self.scale == 'pentatonic major':
                notes = self.shifted_notes
                key_notes = [n for i,n in enumerate(notes) if i % 12 in (0, 2, 4, 7, 9)]

            elif self.scale == 'pentatonic minor':
                notes = self.shifted_notes
                key_notes = [n for i,n in enumerate(notes) if i % 12 in (0, 3, 5, 7, 10)]

            elif self.scale == 'blues':
                notes = self.shifted_notes
                key_notes = [n for i,n in enumerate(notes) if i % 12 in (0, 3, 5, 6, 7, 10)]

            else:
                assert None, "unknown scale!"

            err = 100000
            closest = key_notes[0]
            for note in key_notes:
                new_err = abs(self.freq - note)
                if new_err < err:
                    err = new_err
                    closest = note
                elif new_err > err:
                    break

        else:
            closest = self.freq

        self.status.push(self.status.get_context_id("note"), "Output frequency:  %.2f Hz" % closest)

        self.threads['playback'].set_new_freq(closest, 1)


    def set_tone(self, freq, vol):
        self.freq = freq

        if self.scale != 'free':

            if self.scale == 'chromatic':
                key_notes = NOTES

            elif self.scale == 'diatonic':
                notes = self.shifted_notes
                key_notes = [n for i,n in enumerate(notes) if i % 12 in (0, 2, 4, 5, 7, 9, 11)]

            elif self.scale == 'pentatonic major':
                notes = self.shifted_notes
                key_notes = [n for i,n in enumerate(notes) if i % 12 in (0, 2, 4, 7, 9)]

            elif self.scale == 'pentatonic minor':
                notes = self.shifted_notes
                key_notes = [n for i,n in enumerate(notes) if i % 12 in (0, 3, 5, 7, 10)]

            elif self.scale == 'blues':
                notes = self.shifted_notes
                key_notes = [n for i,n in enumerate(notes) if i % 12 in (0, 3, 5, 6, 7, 10)]

            else:
                assert None, "unknown scale!"

            err = 100000
            closest = key_notes[0]
            for note in key_notes:
                new_err = abs(self.freq - note)
                if new_err < err:
                    err = new_err
                    closest = note
                elif new_err > err:
                    break

        else:
            closest = self.freq

        self.status.push(self.status.get_context_id("note"), "Output frequency:  %.2f Hz - volume %.2f%%" % (closest, vol))

        self.threads['playback'].set_new_freq(closest, vol)


    def pause(self, button):
        if button.get_active():
            self.threads['playback'].paused = False
        else:
            self.threads['playback'].paused = True
    
    
    def __init__(self, device):

        self.threads = {}

        self.threads['playback'] = PlaybackThread("playback", device)

        self.freq = INIT_FREQ
        self.freq_max = 2000
        self.freq_min = 20

        self.scale = 'free'
        self.key = 'A'
        self.shifted_notes = NOTES

        self.init_ui()
        gtk.gdk.threads_init()

        for thread in self.threads.values():
            thread.start()

    def main(self):
        gtk.gdk.threads_enter()
        gtk.main()
        gtk.gdk.threads_leave()

    logo = "" +\
      "GdkP" +\
      "\0\0$\30" +\
      "\1\1\0\2" +\
      "\0\0\0\300" +\
      "\0\0\0""0" +\
      "\0\0\0""0" +\
      "\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377" +\
      "\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377" +\
      "\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377" +\
      "\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377" +\
      "\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377" +\
      "\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\376\376\376\0\334\334\334" +\
      "\377uuu\377AAA\377>>>\377\77\77\77\377CCC\377\247\247\247\377\371\371" +\
      "\371\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\376\376\376\0\360\360" +\
      "\360\0\223\223\223\377bbb\377:::\377333\377///\377///\377===\377\317" +\
      "\317\317\377\376\376\376\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0" +\
      "\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377" +\
      "\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\375\375\375" +\
      "\0\376\376\376\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377" +\
      "\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377" +\
      "\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377" +\
      "\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377" +\
      "\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\376\376\376" +\
      "\0\353\353\353\252\335\335\335\377\322\322\322\377\276\276\276\377\225" +\
      "\225\225\377GGG\377---\377///\377\204\204\204\377\375\375\375\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\362\362\362\0\376\376\376\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\372\372\372\0\340\340\340\377\343\343\343\377\335" +\
      "\335\335\377\325\325\325\377\241\241\241\377```\377---\377)))\377```" +\
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      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\376\376\376\0\355\355\355f\377\377" +\
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      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\362\362\362\0\337\337" +\
      "\337\377\340\340\340\377\331\331\331\377\310\310\310\377\200\200\200" +\
      "\377999\377)))\377***\377QQQ\377\373\373\373\0\376\376\376\0\377\377" +\
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      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\376\376" +\
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      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
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      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\356\356\356D\262\262\262\377\277\277\277\377}}}\377\226\226\226" +\
      "\377NNN\377AAA\377)))\377+++\377iii\377\374\374\374\0\377\377\377\0\377" +\
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      "\376\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\375\375" +\
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      "\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377" +\
      "\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\374\374\374" +\
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      "WWW\377\213\213\213\377\365\365\365\0\376\376\376\0\377\377\377\0\377" +\
      "\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377" +\
      "\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\376" +\
      "\376\376\0\357\357\357\"\376\376\376\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377" +\
      "\377\377\0\377\377\377\0\376\376\376\0\311\311\311\377bbb\377@@@\377" +\
      ">>>\377\254\254\254\377\375\375\375\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377" +\
      "\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377" +\
      "\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\375" +\
      "\375\375\0\314\314\314\377}}}\377\271\271\271\377\257\257\257\377ZZZ" +\
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      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\375\375\375\0\355\355\355f\376\376\376\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\375\375\375\0\334\334\334\377\215" +\
      "\215\215\377\214\214\214\377\202\202\202\377\232\232\232\377\370\370" +\
      "\370\0\376\376\376\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\375\375\375\0\325\325\325\377\237" +\
      "\237\237\377\235\235\235\377\211\211\211\377WWW\377DDD\377\213\213\213" +\
      "\377\373\373\373\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
      "\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377\377\0\377\377" +\
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def usage(pname):
    print """Usage:  %s [OPTIONS]

Options:

    --device=DEV    The device filename to open.  Defauts to /dev/dsp.
    --help          Display this help text and exit.
    """ % pname


def main():
    import getopt
    import sys

    opts, args = getopt.getopt(sys.argv[1:], '', ['device=', 'help'])

    dev = '/dev/dsp'
    for opt,val in opts:
        if opt == '--device':
            dev = val
        elif opt == '--help':
            usage(sys.argv[0])
            sys.exit(0)

    app = ThereminApp(device=dev)
    app.main()


if __name__ == '__main__': main()