python音频处理用到的操作

作者：桂。

时间：2017-05-03 12:18:46

链接：http://www.cnblogs.com/xingshansi/p/6799994.html

前言

本文主要记录python下音频常用的操作，以.wav格式文件为例。其实网上有很多现成的音频工具包，如果仅仅调用，工具包是更方便的。

更多pyton下的操作可以参考：用python做科学计算

1、批量读取.wav文件名：

import os
 
filepath = "./data/" #添加路径
filename= os.listdir(filepath) #得到文件夹下的所有文件名称  
for file in filename:
    print(filepath+file)

　　这里用到字符串路径：

1.通常意义字符串(str)
2.原始字符串，以大写R 或 小写r开始，r''，不对特殊字符进行转义
3.Unicode字符串，u'' basestring子类

如：

path = './file/n'
path = r'.\file\n'
path = '.\\file\\n'

　　三者等价，右划线\为转义字符，引号前加r表示原始字符串，而不转义（r:raw string）.

常用获取帮助的方式：

>>> help(str)
>>> dir(str)
>>> help(str.replace)

2、读取.wav文件

wave.open 用法：

1	`wave.open(file,mode)`

　　mode可以是：

‘rb’，读取文件；

‘wb’，写入文件;

不支持同时读/写操作。

Wave_read.getparams用法：

f = wave.open(file,'rb')
params = f.getparams()
nchannels, sampwidth, framerate, nframes = params[:4]

　　其中最后一行为常用的音频参数：

nchannels:声道数

sampwidth:量化位数（byte）

framerate:采样频率

nframes:采样点数

单通道

对应code:

import wave
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import os
 
filepath = "./data/" #添加路径
filename= os.listdir(filepath) #得到文件夹下的所有文件名称  
f = wave.open(filepath+filename[1],'rb')
params = f.getparams()
nchannels, sampwidth, framerate, nframes = params[:4]
strData = f.readframes(nframes)#读取音频，字符串格式
waveData = np.fromstring(strData,dtype=np.int16)#将字符串转化为int
waveData = waveData*1.0/(max(abs(waveData)))#wave幅值归一化
# plot the wave
time = np.arange(0,nframes)*(1.0 / framerate)
plt.plot(time,waveData)
plt.xlabel("Time(s)")
plt.ylabel("Amplitude")
plt.title("Single channel wavedata")
plt.grid('on')#标尺，on：有，off:无。

　　结果图：

多通道

这里通道数为3，主要借助np.reshape一下，其他同单通道处理完全一致，对应code:

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Wed May  3 12:15:34 2017
 
@author: Nobleding
"""
 
import wave
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import os
 
filepath = "./data/" #添加路径
filename= os.listdir(filepath) #得到文件夹下的所有文件名称  
f = wave.open(filepath+filename[0],'rb')
params = f.getparams()
nchannels, sampwidth, framerate, nframes = params[:4]
strData = f.readframes(nframes)#读取音频，字符串格式
waveData = np.fromstring(strData,dtype=np.int16)#将字符串转化为int
waveData = waveData*1.0/(max(abs(waveData)))#wave幅值归一化
waveData = np.reshape(waveData,[nframes,nchannels])
f.close()
# plot the wave
time = np.arange(0,nframes)*(1.0 / framerate)
plt.figure()
plt.subplot(5,1,1)
plt.plot(time,waveData[:,0])
plt.xlabel("Time(s)")
plt.ylabel("Amplitude")
plt.title("Ch-1 wavedata")
plt.grid('on')#标尺，on：有，off:无。
plt.subplot(5,1,3)
plt.plot(time,waveData[:,1])
plt.xlabel("Time(s)")
plt.ylabel("Amplitude")
plt.title("Ch-2 wavedata")
plt.grid('on')#标尺，on：有，off:无。
plt.subplot(5,1,5)
plt.plot(time,waveData[:,2])
plt.xlabel("Time(s)")
plt.ylabel("Amplitude")
plt.title("Ch-3 wavedata")
plt.grid('on')#标尺，on：有，off:无。
plt.show()

　　效果图：

单通道为多通道的特例，所以多通道的读取方式对任意通道wav文件都适用。需要注意的是，waveData在reshape之后，与之前的数据结构是不同的。即waveData[0]等价于reshape之前的waveData，但不影响绘图分析，只是在分析频谱时才有必要考虑这一点。

3、wav写入

涉及到的主要指令有三个：

参数设置：

nchannels = 1 #单通道为例
sampwidth = 2
fs = 8000
data_size = len(outData)
framerate = int(fs)
nframes = data_size
comptype = "NONE"
compname = "not compressed"
outwave.setparams((nchannels, sampwidth, framerate, nframes, comptype, compname))

待写入wav文件的存储路径及文件名：

1 2	`outfile` `=` `filepath+'out1.wav'` `outwave` `=` `wave.open(outfile,` `'wb')#定义存储路径以及文件名`

数据的写入：

1 2	`for` `v` `in` `outData:` `outwave.writeframes(struct.pack('h',` `int(v` `*` `64000` `/` `2)))#outData:16位，-32767~32767，注意不要溢出`

单通道数据写入：

import wave
#import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import os
import struct
 
#wav文件读取
filepath = "./data/" #添加路径
filename= os.listdir(filepath) #得到文件夹下的所有文件名称  
f = wave.open(filepath+filename[1],'rb')
params = f.getparams()
nchannels, sampwidth, framerate, nframes = params[:4]
strData = f.readframes(nframes)#读取音频，字符串格式
waveData = np.fromstring(strData,dtype=np.int16)#将字符串转化为int
waveData = waveData*1.0/(max(abs(waveData)))#wave幅值归一化
f.close()
#wav文件写入
outData = waveData#待写入wav的数据，这里仍然取waveData数据
outfile = filepath+'out1.wav'
outwave = wave.open(outfile, 'wb')#定义存储路径以及文件名
nchannels = 1
sampwidth = 2
fs = 8000
data_size = len(outData)
framerate = int(fs)
nframes = data_size
comptype = "NONE"
compname = "not compressed"
outwave.setparams((nchannels, sampwidth, framerate, nframes,
    comptype, compname))
 
for v in outData:
        outwave.writeframes(struct.pack('h', int(v * 64000 / 2)))#outData:16位，-32767~32767，注意不要溢出
outwave.close()

多通道数据写入：

多通道的写入与多通道读取类似，多通道读取是将一维数据reshape为二维，多通道的写入是将二维的数据reshape为一维，其实就是一个逆向的过程：

import wave
#import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import os
import struct
 
#wav文件读取
filepath = "./data/" #添加路径
filename= os.listdir(filepath) #得到文件夹下的所有文件名称  
f = wave.open(filepath+filename[0],'rb')
params = f.getparams()
nchannels, sampwidth, framerate, nframes = params[:4]
strData = f.readframes(nframes)#读取音频，字符串格式
waveData = np.fromstring(strData,dtype=np.int16)#将字符串转化为int
waveData = waveData*1.0/(max(abs(waveData)))#wave幅值归一化
waveData = np.reshape(waveData,[nframes,nchannels])
f.close()
#wav文件写入
outData = waveData#待写入wav的数据，这里仍然取waveData数据
outData = np.reshape(outData,[nframes*nchannels,1])
outfile = filepath+'out2.wav'
outwave = wave.open(outfile, 'wb')#定义存储路径以及文件名
nchannels = 3
sampwidth = 2
fs = 8000
data_size = len(outData)
framerate = int(fs)
nframes = data_size
comptype = "NONE"
compname = "not compressed"
outwave.setparams((nchannels, sampwidth, framerate, nframes,
    comptype, compname))
 
for v in outData:
        outwave.writeframes(struct.pack('h', int(v * 64000 / 2)))#outData:16位，-32767~32767，注意不要溢出
outwave.close()

　　这里用到struct.pack(.)二进制的转化：

例如：

4、音频播放

wav文件的播放需要用到pyaudio，安装包点击这里。我将它放在\Scripts文件夹下，cmd并切换到对应目录

1	`pip install PyAudio-0.2.9-cp35-none-win_amd64.whl`

　　pyaudio安装完成。

Pyaudio主要用法：

主要列出pyaudio对象的open()方法的参数：

- rate:采样率
- channels:声道数
- format:采样值的量化格式，值可以为paFloat32、paInt32、paInt24、paInt16、paInt8等。下面的例子中，使用get_from_width()将值为2的sampwidth转换为paInt16.
- input:输入流标志，Ture表示开始输入流
- output:输出流标志

给出对应code:

import wave
import pyaudio  
import os
 
#wav文件读取
filepath = "./data/" #添加路径
filename= os.listdir(filepath) #得到文件夹下的所有文件名称  
f = wave.open(filepath+filename[0],'rb')
params = f.getparams()
nchannels, sampwidth, framerate, nframes = params[:4]
#instantiate PyAudio  
p = pyaudio.PyAudio()  
#define stream chunk   
chunk = 1024 
#打开声音输出流
stream = p.open(format = p.get_format_from_width(sampwidth), 
                channels = nchannels, 
                rate = framerate,  
                output = True)  
 
#写声音输出流到声卡进行播放
data = f.readframes(chunk)  
i=1
while True: 
    data = f.readframes(chunk)
    if data == b'': break
    stream.write(data)    
f.close()
#stop stream  
stream.stop_stream()  
stream.close()  
#close PyAudio  
p.terminate()  

　　因为是python3.5，判断语句if data == b'': break 的b不能缺少。

5、信号加窗

通常对信号截断、分帧需要加窗，因为截断都有频域能量泄露，而窗函数可以减少截断带来的影响。

窗函数在scipy.signal信号处理工具箱中，如hamming窗：

1 2	`import` `scipy.signal as signal` `pl.plot(signal.hanning(512))`

利用上面的函数，绘制hanning窗：

import pylab as pl
import scipy.signal as signal
pl.figure(figsize=(6,2))
pl.plot(signal.hanning(512))

6、信号分帧

信号分帧的理论依据，其中x是语音信号，w是窗函数：

加窗截断类似采样，为了保证相邻帧不至于差别过大，通常帧与帧之间有帧移，其实就是插值平滑的作用。

给出示意图：

这里主要用到numpy工具包，涉及的指令有：

np.repeat：主要是直接重复

np.tile：主要是周期性重复

对比一下：

向量情况：

矩阵情况：

对于数据：

repeat操作：

tile操作：

对应结果：

对应分帧的代码实现：

这是没有加窗的示例：

import numpy as np
import wave
import os
#import math
 
def enframe(signal, nw, inc):
    '''将音频信号转化为帧。
    参数含义：
    signal:原始音频型号
    nw:每一帧的长度(这里指采样点的长度，即采样频率乘以时间间隔)
    inc:相邻帧的间隔（同上定义）
    '''
    signal_length=len(signal) #信号总长度
    if signal_length<=nw: #若信号长度小于一个帧的长度，则帧数定义为1
        nf=1
    else: #否则，计算帧的总长度
        nf=int(np.ceil((1.0*signal_length-nw+inc)/inc))
    pad_length=int((nf-1)*inc+nw) #所有帧加起来总的铺平后的长度
    zeros=np.zeros((pad_length-signal_length,)) #不够的长度使用0填补，类似于FFT中的扩充数组操作
    pad_signal=np.concatenate((signal,zeros)) #填补后的信号记为pad_signal
    indices=np.tile(np.arange(0,nw),(nf,1))+np.tile(np.arange(0,nf*inc,inc),(nw,1)).T  #相当于对所有帧的时间点进行抽取，得到nf*nw长度的矩阵
    indices=np.array(indices,dtype=np.int32) #将indices转化为矩阵
    frames=pad_signal[indices] #得到帧信号
#    win=np.tile(winfunc(nw),(nf,1))  #window窗函数，这里默认取1
#    return frames*win   #返回帧信号矩阵
    return frames
def wavread(filename):
    f = wave.open(filename,'rb')
    params = f.getparams()
    nchannels, sampwidth, framerate, nframes = params[:4]
    strData = f.readframes(nframes)#读取音频，字符串格式
    waveData = np.fromstring(strData,dtype=np.int16)#将字符串转化为int
    f.close()
    waveData = waveData*1.0/(max(abs(waveData)))#wave幅值归一化
    waveData = np.reshape(waveData,[nframes,nchannels]).T
    return waveData
 
filepath = "./data/" #添加路径
dirname= os.listdir(filepath) #得到文件夹下的所有文件名称  
filename = filepath+dirname[0]
data = wavread(filename)
nw = 512
inc = 128
Frame = enframe(data[0], nw, inc) 

如果需要加窗，只需要将函数修改为：

def enframe(signal, nw, inc, winfunc):
    '''将音频信号转化为帧。
    参数含义：
    signal:原始音频型号
    nw:每一帧的长度(这里指采样点的长度，即采样频率乘以时间间隔)
    inc:相邻帧的间隔（同上定义）
    '''
    signal_length=len(signal) #信号总长度
    if signal_length<=nw: #若信号长度小于一个帧的长度，则帧数定义为1
        nf=1
    else: #否则，计算帧的总长度
        nf=int(np.ceil((1.0*signal_length-nw+inc)/inc))
    pad_length=int((nf-1)*inc+nw) #所有帧加起来总的铺平后的长度
    zeros=np.zeros((pad_length-signal_length,)) #不够的长度使用0填补，类似于FFT中的扩充数组操作
    pad_signal=np.concatenate((signal,zeros)) #填补后的信号记为pad_signal
    indices=np.tile(np.arange(0,nw),(nf,1))+np.tile(np.arange(0,nf*inc,inc),(nw,1)).T  #相当于对所有帧的时间点进行抽取，得到nf*nw长度的矩阵
    indices=np.array(indices,dtype=np.int32) #将indices转化为矩阵
    frames=pad_signal[indices] #得到帧信号
    win=np.tile(winfunc,(nf,1))  #window窗函数，这里默认取1
    return frames*win   #返回帧信号矩阵

　　其中窗函数，以hamming窗为例：

1 2	`winfunc` `=` `signal.hamming(nw)` `Frame` `=` `enframe(data[0], nw, inc, winfunc)`

　　调用即可。

7、语谱图

其实得到了分帧信号，频域变换取幅值，就可以得到语谱图，如果仅仅是观察，matplotlib.pyplot有specgram指令：

import wave
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import os
 
filepath = "./data/" #添加路径
filename= os.listdir(filepath) #得到文件夹下的所有文件名称  
f = wave.open(filepath+filename[0],'rb')
params = f.getparams()
nchannels, sampwidth, framerate, nframes = params[:4]
strData = f.readframes(nframes)#读取音频，字符串格式
waveData = np.fromstring(strData,dtype=np.int16)#将字符串转化为int
waveData = waveData*1.0/(max(abs(waveData)))#wave幅值归一化
waveData = np.reshape(waveData,[nframes,nchannels]).T
f.close()
# plot the wave
plt.specgram(waveData[0],Fs = framerate, scale_by_freq = True, sides = 'default')
plt.ylabel('Frequency(Hz)')
plt.xlabel('Time(s)')
plt.show()