5.1.2 音频分析库（SoundFile、PyAudio、Librosa、Aubio）

在完成对基础库的熟悉后，我们接下来需要做的就是对工程中，音视频分析的相关核心功能库的学习。以音频分析库为切入点。

如果期望对 一段音频（或音频流）进行解读，根据我们已有的认知，将当前的音频数据从封装的音频格式，还原为采样模拟信号对应的 PCM 数字信号载体 只是第一步。该操作是后续所有工作的起点。

而音频格式在前文已有介绍，分为 三大类别，即 无压缩编码格式、无损压缩编码格式、有损压缩编码格式。虽然能通过一些针对 某单个类型 或 类型族 的 音频编解码库 来做解码工作，但我们在分析过程中，更希望能够通过 简单而统一 的方式，排除掉格式本身细部的工程干扰。使我们能够更关注于对 音频所含有信息本身 的分析。

既然如此，为何不直接使用大名鼎鼎的 FFMpeg 来完成从 编解码到分析，甚至是 重排、编辑 等操作呢？

其中的关键就在于，FFMpeg 虽然功能强大，但在以 实时处理、数据集成、特征提取 等为主要应用场景的音频分析情况下，FFMpeg 并不具备足够的优势。更不用提 Python 的使用环境 和 对断点调试临时插值，与 基础库的高度兼容 方面的要求了（尤其对 模型训练时，提取的数据能够 直接被训练过程使用 的这一点）。

所以，音频分析场景，除非只需要当前音视频数据的 元信息（Metadata），即 头部信息（Header），一般会采用以下这些库来进行。至于 FFMpeg ，在实际使用中会把其核心能力局限于 编解码 和 转码 的范围里，虽然 其核心库 和 辅助插件 是包含了包括滤镜在内的多种功能的，但通常我们只会以 最简形式接入。这一部分，伴随着网络推拉流协议和更贴近于规格的编解码协议库（如 x264 等），将在本系列书籍的进阶篇中细讲。此处暂不做更进一步的讨论。

现在，让焦点回到音频分析库上。常用的音频分析库主要有四个，为 SoundFile、PyAudio、Librosa、Aubio，分别对应 [ 音频文件读写、音频流数据的输入输出、工程乐理分析、实时音频处理 ] 的需求。

SoundFile（Python Sound File）

SoundFile（PySoundFile [Python Sound File]） 是一个 用于读写音频文件的 Python 库，主要被用于解码（或者编码）常用的 音频格式文件 [4] 。例如前文介绍过的 WAV、AIFF、FLAC 等大多数常见音频格式，SoundFile 都已完整支持。并且，通过 SoundFile 取出的音频数据，可以和其他音频分析库（如 Librosa、Aubio 等）和科学计算库（如 NumPy、SciPy 等）配合使用。

实际上，SoundFile 核心能力来自于 C开源库 Libsndfile，正是 Libsndfile 为它 提供了多种音频文件格式的支撑。而 PySoundFile 则可以看做是 Libsndfile 这个 C语言库的 Python 套接访问入口。因此，如果我们在常规工程中存在对音频文件的读写需求，不妨考虑采用 Libsndfile 来处理，它的官网位于 http://www.mega-nerd.com/libsndfile/ ，含有该库的相关技术参数。

主要功能：

  1. 支持 WAV、AIFF、FLAC、OGG 等多种常见 音频文件格式，适用于 广泛的 音频读写需求
  2. 支持长音频处理，提供快速读写大文件的功能，并可用于临时性的（分块）流式处理
  3. 提供 高可定制化的 API，允许用户自定义音频处理流程和数据操作，适合快速分析
  4. 允许以不同的数据格式（如浮点型、整型）读取和写入音频数据，及 基本元数据访问
  5. 与主流科学计算库（如 NumPy、Pandas、SciPy 等）的 无缝集成
  6. 单一的文件操作专精库，不存在多个子模块，仅有有限但明确的 API 入口

基础库（sf.）的常用函数（简，仅列出名称）：

  1. 数据结构： <SoundFile>
  2. 关联文件： open
  3. 音频读写： read, write
  4. 基本信息： info

核心类（sf.SoundFile 即 <SoundFile>）的常用函数（简，仅列出名称）：

  1. 基础参数： samplerate, channels, format, subtype, endian, frames
  2. 帧位索引： seek, tell
  3. 数据访问： read, write, read_frames, write_frames
  4. 分块读写： buffer_read, buffer_write

由上可知，SoundFile 本身的调用极其简便，但已满足完整的音频文件读写需求。开源项目位于 Github:bastibe/python-soundfile。使用细节，可自行前往 官方档案馆查阅。

PyAudio（Python Audio）

PyAudio（Python Audio） 是音频分析中 常用的音频输入输出操作库，即 音频 I/O 库 [5] 。换句话说，它提供了一组工具和函数，使得开发者可以在项目的 Python 程序中，利用 PyAudio 已有的函数接口，快速进行音频的流式（这里指本地流）录制和输出。同 SoundFile 一样，PyAudio 依赖于底层 C语言库 PortAudio 的帮助，而其内核 PortAudio 库实则为一个 专精于多种操作系统上运行（即跨 Windows、MacOS、Linux 平台）的底层音频输入输出（I/O）库。

所以，与 SoundFile 注重于对音频文件（即本地音频流结果）的操作不同，PyAudio 或者说 PortAudio 的操作重点，在于 处理对 “实时” 音频流的捕获和析出。实时音频流，是能够被连续处理传输的音频数据，例如采样自麦克风输入模数转换后的持续不断的数字信号，或者取自播放音频的连续到来分块数据，即 过程中音频数据。

由此，音频分析中常用 PyAudio 来完成对被分析音频的 “启停转播”（Play/Stop/Seek/Pause），所谓 音频本地流控（LASC [Local Audio Stream Control]）。

主要功能：

  1. 专业音频本地流控 Python 库，支持实时音频流的捕获和播放，适合 实时音频处理任务
  2. 稳定的 跨平台兼容性，完整覆盖主流操作系统，包括 Windows、macOS 和 Linux
  3. 灵活的 音频流配置，提供多种配置选项，如采样率、通道数、样本格式、缓冲区大小等
  4. 提供 接入式回调，支持使用回调函数处理音频数据，适合低延迟的实时音频分析
  5. 与主流科学计算库 和 其他音频库（如 SoundFile）的 无缝集成
  6. 单一的音频本地流读写专精库，不存在多个子模块，仅有有限但明确的 API 入口

基础库（pyaudio.）由于特殊的套接设计，仅用于创建 <PyAudio> 即 PortAudio 实例：

  1. 数据结构： <PyAudio>、 <Stream>
  2. 创建实例： PyAudio

核心类（pyaudio.PyAudio 即 <PyAudio> 设备实例）的常用函数（简，仅列出名称）：

  1. 销毁实例： terminate
  2. 联音频流： open （返回 <Stream> 实例，通过 stream_callback 参数配置回调）
  3. 设备查询： get_device_count, get_device_info_by_index, get_host_api_count, get_default_input_device_info, get_default_output_device_info, get_host_api_info_by_index, get_device_info_by_host_api_device_index
  4. 参数查验： get_sample_size, is_format_supported

核心类的（pyaudio.Stream 即 <Stream> 音频流实例）的常用函数（简，仅列出名称）：

  1. 音频流启停： start_stream, stop_stream
  2. 音频流关闭： close（注意，<Stream> 的 open 状态来自于设备实例，亦是其初始状态）
  3. 流状态检测： is_active, is_stopped
  4. 流数据读写： read, write

余下使用细节，可自行前往 项目官网 ，或 官方档案馆查阅。


上述关键函数已包含 PyAudio 的 几乎全部调用，但并没有列出 PyAudio 回调格式。这是因为，这一部分正是 PyAudio 分析适用性的关键。在具体使用中，PyAudio 回调 的设定方式，和回调各参数意义与取值，是我们留意的重点。

参考 PyAudio 0.2.14 当前最新版，回调的设置方式和格式都是固定的，有：

def callback(in_data, frame_count, time_info, in_status):
    # 在此处处理音频数据（例如，进行实时分析或处理）
    return (out_data, out_status)

p = pyaudio.PyAudio()
stream = p.open(
                format=p.get_format_from_width(2),
                channels=1 if sys.platform == 'darwin' else 2,
                rate=44100,
                input=True,
                output=True,
                stream_callback=callback
)

其中，callback(in_data, frame_count, time_info, status) 即 回调传入，包含四个关键参：

  • in_data 为 音频数据的输入流，通常配合 np.frombuffer(in_data, dtype=np.int16) 读取数据
  • frame_count 为 输入流当前数据对应音频帧数，即当前 in_data 数据覆盖的 帧数
  • time_info 是一个包含了 三个设备相关时间戳 的 数据字典，有参数（注意表述）：
    • input_buffer_adc_time 表示 输入音频数据被 ADC 处理时的时间戳（如果适用）
    • output_buffer_dac_time 表示 输出音频数据被 DAC 处理时的时间戳（如果适用）
    • current_time 表示 当前时间，即 当前调用触发时的系统时间戳
  • in_status 是 记录当前输入回调时，流状态的枚举类标识。可取三个状态常量，分别是：
    • pyaudio.paContinue 表示 流继续，即恢复播放和正常播放时的状态，也是默认状态
    • pyaudio.paComplete 表示 流完成，即代指当前输入流数据为最末尾的一组
    • pyaudio.paAbort 表示 流中止，即立刻停止时触发，一般为紧急关流或异常情况

在 callback 处理完毕后，回调要求以 return (out_data, out_status) 的 格式返回。同样：

  • out_data 为 音频数据的输出流，根据协定好的音频 PCM 位数对应的格式输出，一般同输入
  • out_status 是 记录当前输出的状态，同 in_status 的可取值一致，一般同 in_status 不变

配置好 callback 后，我们该如何使用呢？只需要于 <PyAudio> 实例调用 open 开启流 <Stream> 实体时，以 stream_callback=callback 将 函数句柄以参数传入 即可生效。而这里的 callback 也可 根据具体情况修改命名，比如 audio_analyze_callback 。

随之就可以在回调中，完成分析作业了。

Librosa

Librosa 是一个功能强大且易于使用的 音频/乐理（工程）科学分析原生 Python 库，成体系的提供了用于 音频特征提取、节拍节奏分析、音高（工程）估计、音频效果器（滤波、特效接口） 等处理的算法实现。其设计理念来自于 SciPy 2015 年的第十四届 Python 科学大会中，有关音频处理、音频潜藏信息提取与分析快捷化的讨论 [6] 。因此，在设计之初就完全采用了，与其他科学计算库（如 NumPy、SciPy）和可视化库（主要指 Matplotlib）的 无缝集成。而极强的分析能力和可操作性（工程层面），使 Librosa 成为了我们做 音频分析与操作时的重要工具。

必须熟练掌握。

主要功能：

  1. 临时处理友好，提供简便的方法，在必要时做临时读取和写入音频文件，支持多种格式
  2. 快速时频转换，提供短时傅里叶变换（STFT）、常规Q变换（CQT）等，方便时频域分析
  3. 音频特征提取，支持对梅尔频率倒谱系数（MFCC）、色度特征、频谱对比度等特征提取
  4. 节拍节奏分析，具有节拍跟踪、起音检测等，音乐（工程）分析能力
  5. 分割与重采样，提供音频分割与重采样工具，便于快速分析对比
  6. 调音与音频特效，具有音高估计和调音功能，并支持音频时间伸缩和音高变换等音频效果
  7. 当然还有最重要的【无缝集成】特性

基础库（librosa.）的常用函数（简，仅列出名称）：

  1. 音频加载： load, stream
  2. 音频生成： clicks, tone, chirp
  3. 简化分析： to_mono, resample, get_duration, get_samplerate
  4. 时频分析： stft, istft, reassigned_spectrogram, cqt, icqt, hybrid_cqt, pseudo_cqt, vqt, iirt, fmt, magphase
  5. 时域校准： autocorrelate, lpc, zero_crossings, mu_compress, mu_expand
  6. 谐波分析： interp_harmonics, salience, f0_harmonics, phase_vocoder
  7. 相位校准： griffinlim, griffinlim_cqt
  8. 响度单位换算： amplitude_to_db, db_to_amplitude, power_to_db, db_to_power, perceptual_weighting, frequency_weighting, multi_frequency_weighting, A_weighting, B_weighting, C_weighting, D_weighting, pcen
  9. 时轴单位换算： frames_to_samples, frames_to_time, samples_to_frames, samples_to_time, time_to_frames, time_to_samples, blocks_to_frames, blocks_to_samples, blocks_to_time
  10. 频率单位换算： hz_to_note, hz_to_midi, hz_to_svara_h, hz_to_svara_c, hz_to_fjs, midi_to_hz, midi_to_note, midi_to_svara_h, midi_to_svara_c, note_to_midi, note_to_svara_h, note_to_svara_c, hz_to_mel, hz_to_octs, mel_to_hz, octs_to_hz, A4_to_tuning, tuning_to_A4
  11. 基底频率生成： fft_frequencies, cqt_frequencies, mel_frequencies, tempo_frequencies, fourier_tempo_frequencies
  12. 乐理乐谱工具： key_to_notes, key_to_degrees, mela_to_svara, mela_to_degrees, thaat_to_degrees, list_mela, list_thaat, fifths_to_note, interval_to_fjs, interval_frequencies, pythagorean_intervals, plimit_intervals
  13. 乐理音高音调： pyin, yin, estimate_tuning, pitch_tuning, piptrack
  14. 适配杂项： samples_like, times_like, get_fftlib, set_fftlib

图表显示扩展（librosa.display.）的常用函数（简，仅列出名称，依赖于 Matplotlib）：

  1. 数据可视化： specshow, waveshow
  2. 坐标轴设置： TimeFormatter, NoteFormatter, SvaraFormatter, FJSFormatter, LogHzFormatter, ChromaFormatter, ChromaSvaraFormatter, ChromaFJSFormatter, TonnetzFormatter
  3. 适配杂项： cmap, AdaptiveWaveplot

音频特征提取（librosa.feature.）的常用函数（简，仅列出名称）：

  1. 工程频谱特征： chroma_stft, chroma_cqt, chroma_cens, chroma_vqt, melspectrogram, mfcc, rms, spectral_centroid, spectral_bandwidth, spectral_contrast, spectral_flatness, spectral_rolloff, poly_features, tonnetz, zero_crossing_rate
  2. 乐理节奏特征： tempo, tempogram, fourier_tempogram, tempogram_ratio
  3. 特征计算： delta, stack_memory
  4. 反向逆推： inverse.mel_to_stft, inverse.mel_to_audio, inverse.mfcc_to_mel, inverse.mfcc_to_audio

起音检测扩展（librosa.onset.）的常用函数（简，仅列出名称）：

  1. 峰值检测： onset_detect
  2. 小值回溯： onset_backtrack
  3. 强度统计： onset_strength, onset_strength_multi

节拍节奏扩展（librosa.beat.）的常用函数（简，仅列出名称）：

  1. 节拍追踪： beat_track
  2. 主位脉冲： plp

语谱分解扩展（librosa.decompose.）的常用函数（简，仅列出名称）：

  1. 特征矩阵分解： decompose
  2. 源分离滤波： hpss, nn_filter

音频效果器扩展（librosa.effects.）的常用函数（简，仅列出名称）：

  1. 谐波乐源分离： hpss, harmonic, percussive
  2. 时间伸缩： time_stretch
  3. 时序混音： remix
  4. 音高移动： pitch_shift
  5. 信号操控： trim, split, preemphasis, deemphasis

时域分割扩展（librosa.segment.）的常用函数（简，仅列出名称）：

  1. 自相似性： cross_similarity, path_enhance
  2. 重复矩阵： recurrence_matrix, lag_to_recurrence
  3. 延迟矩阵： timelag_filter, recurrence_to_lag
  4. 时域聚类： agglomerative, subsegment

顺序模型扩展（librosa.sequence.）的常用函数（简，仅列出名称）：

  1. 顺序对齐： dtw, rqa
  2. 维特比（Viterbi）解码： viterbi, viterbi_discriminative, viterbi_binary
  3. 状态转移矩阵： transition_uniform, transition_loop, transition_cycle, transition_local

跨库通用扩展（librosa.util.）的常用函数（简，仅列出名称）：

  1. 数组转换： frame, pad_center, expand_to, fix_length, fix_frames, index_to_slice, softmask, stack, sync, axis_sort, normalize, shear, sparsify_rows, buf_to_float, tiny
  2. 条件匹配： match_intervals, match_events
  3. 统计运算： localmax, localmin, peak_pick, nils, cyclic_gradient, dtype_c2r, dtype_r2c, count_unique, is_unique, abs2, phasor
  4. 输入评估： valid_audio, valid_int, valid_intervals, is_positive_int
  5. 本库样例： example, example_info, list_examples, find_files, cite

具体使用细节，可自行前往项目 官方档案馆查阅 。


Librosa 在音频方面，涵盖了大多数基本的科学分析手段，足够一般工程使用。

但在 数据科学方面 和 集成性 的高度倾注，也让 Librosa 的 实时性相对有所降低（本质为复杂度和精度上升，所伴随算力消耗的升高）。可若此时我们对误差有相对较高的容忍度，且更希望音频处理足够实时和高效时，就得采用 Aubio 库来达成这一点了。Aubio 和 Librosa 的特性相反，是满足这种情况有效补充手段。

Aubio

Aubio 是主要用于 音乐信息检索（MIR [Music Information Retrieval]） 的 跨平台轻量级分析库。设计之初就是期望实时进行 MIR 使 Aubio 采用了 C语言 作为库的核心语言。不过，因其已在自身的开源项目中，实现了 Python 的套接调用入口 [7] ，我们仍然可以在 Python 中使用。

功能性方面，Aubio 和 Librosa 在音频浅层信息处理上，如果排除效率因素，则几乎不相上下。但 Aubio 的处理效率，不论从整体架构还是本位支撑上，都着实比 Librosa 更加高效。

因此，在音频分析领域，对于类似 ‘音高检测’ 等以实时性作为主要求的分析点，我们常采用 Aubio 而不是 Librosa 处理。而对于 梅尔频率倒谱系数（MFCC）之类的科学分析，则多数用 Librosa 解决，虽然 Aubio 也有此功能。除此外，科学分析不以 Aubio 合并解决的另一原因，还在于 Aubio 对主流科学计算库的兼容程度，要略逊 Librosa 一筹，并向当局限。即有利有弊。

此外，相比 Librosa，Aubio 仅能提供相对基础的分析。

主要功能：

  1. 实时处理能力，面向低延迟的音频处理能力，专为快速高效设计
  2. 专精通用检测，提供 节拍检测、起音检测、音符分割等通用基础音频分析
  3. 简易实时效果，提供快速重采样、过滤、归一化能力，只能实现部分简易效果
  4. 跨平台支持，可以在主流操作系统（Windows、macOS、Linux）上运行
  5. 有限集成性，提供 Python 入口，虽不完美兼容计算库，但仍可有效利用实时特性
  6. 受局限的调用方式，但官方提供了很多样例，学习门槛较低

基础库（aubio.）对常用过程的类封装（简，仅列出名称）：

  1. 数据读写： <Source>、 <Sink>
  2. 乐理分析： <Pitch>、 <Tempo>、 <Onset>、 <Notes>、
  3. 频谱分析： <DCT>、 <FFT>、 <MFCC>、 <FilterBank>、 <SpecDesc>、 <PVOC>
  4. 简易滤波： <DigitalFilter>

一些常用过程封装的常用操作简示（非所有，仅列出名称）：

  1. 音高 <Pitch> 相关：[entity]([source]), [entity].set_unit, [entity].set_tolerance
  2. 节奏 <Tempo> 相关：[entity]([source]), [entity].get_bpm
  3. 起音 <Onset> 检测：[entity]([source]), [entity].set_threshold
  4. 音频写入 <Sink> 类： [entity].close
  5. 音频读取 <Source> 类： [entity].seek, [entity].close

官方样例，可从 项目官网 获取，而各个封装结构内的 额外参数配置/获取方式，可查阅 官方档案馆查阅 。


由于是 C语言库，其 Python 套接后的使用形式，也 相对更接近 C 的使用习惯。所以，Aubio 的的过程类，在创建实体时就需要传入配置参数，如下例：

# 创建音频源读取实例
source = aubio.source('example.wav', 44100, 512)

# 创建音频写入实例
sink = aubio.sink('output.wav', 44100, 1)

# 创建音高检测实例
pitch_o = aubio.pitch("yin", 1024, 512, 44100)
pitch_o.set_unit("Hz")
pitch_o.set_silence(-40)

# 创建节拍检测实例
tempo_o = aubio.tempo("default", 1024, 512, 44100)

# 创建起音检测实例
onset_o = aubio.onset("default", 1024, 512, 44100)

# 创建音调检测实例
notes_o = aubio.notes("default", 1024, 512, 44100)

# 创建离散余弦变换实例
dct_o = aubio.cqt(16)

# 创建快速傅里叶变换实例
fft_o = aubio.fft(1024)

# 创建梅尔频率倒谱系数实例
mfcc_o = aubio.mfcc(40, 1024, 44100)

# 创建滤波器组实例
filterbank_o = aubio.filterbank(40, 1024)

# 创建频谱描述符实例
specdesc_o = aubio.specdesc(aubio.specdesc_type.centroid, 1024)

# 创建相位声码器实例
pvoc_o = aubio.pvoc(1024, 512)

上述过程中，我们进行了一些配置，基本涵盖了 Aubio 在 Python 上的 大部分经常被使用到的实用功能 。以上例中的配置，对创建的实体意义进行说明，有：

  • 音频读取（<Source>）：读取 example.wav，采样率 44100 Hz，每次读取 512 帧
  • 音频写入（<Sink>）：写入 output.wav，采样率 44100 Hz，单声道
  • 音高检测（<Pitch>）：yin 算法，窗口 1024/跳频 512/采样率 44100 Hz，静音阈 -40 dB
  • 节拍检测（<Tempo>）：使用默认算法，窗口 1024，跳频 512，采样率 44100 Hz
  • 起音检测（<Onset>）：使用默认算法，窗口 1024，跳频 512，采样率 44100 Hz
  • 音调检测（<Notes>）：使用默认音集，窗口 1024，跳频 512，采样率 44100 Hz
  • 离散余弦变换（<DCT>）：离散余弦变换，以 16 个由短至长余弦周期构成解集（见前文）
  • 快速傅里叶变换（<FFT>）：快速傅里叶变换，窗口 1024
  • 梅尔频率倒谱系数（<MFCC>）：提取 MFCC，梅尔带 40，窗口 1024，采样率 44100 Hz
  • 滤波器组（<FilterBank>）：分解为 40 个频率带，窗口 1024
  • 频谱描述符（<SpecDesc>）：提取频谱描述符，计算频谱流，窗口 1024
  • 相位声码器（<PVOC>）：配置相位声码器，窗口 1024/每次取 512 个样本 （即跳频 512）

而其使用时的方式，由于是以 __call__ 的 Python 调用实现的，有：

# 读取音频数据并处理
while True:
    samples, read = source()

    # 音高检测
    pitch = pitch_o(samples)[0]
    print(f"Detected pitch: {pitch} Hz")

    # 节拍检测
    is_beat = tempo_o(samples)
    if is_beat:
        print(f"Beat detected at {source.positions}")

    # 起音检测
    is_onset = onset_o(samples)
    if is_onset:
        print(f"Onset detected at {source.positions}")

   # 音调检测
    notes = notes_o(samples)
    print(f"Detected notes: {notes}")

    # 离散余弦变换
    dct_data = dct_o(samples)
    print(f"DCT Data: {dct_data}")

    # 快速傅里叶变换
    fft_data = fft_o(samples)
    print(f"FFT Data: {fft_data}")

    # 提取梅尔频率倒谱系数
    mfcc_data = mfcc_o(samples)
    print(f"MFCC Data: {mfcc_data}")

    # 滤波处理
    filtered_data = filterbank_o(samples)
    print(f"Filtered Data: {filtered_data}")

    # 提取频谱描述符
    specdesc_data = specdesc_o(samples)
    print(f"Spectral Descriptor: {specdesc_data}")

   # 使用 pvoc 对象处理样本
    spec = pvoc_o(samples)
    spectrogram.append(spec)

    # 写入音频数据
    sink(samples, read)

    if read < 512:
        break

# 将结果转换为 NumPy 数组
spectrogram = np.array([s for s in spectrogram])

即，直接用创建并配置好的对应功能实体，循环取 <Source> 获取的 采样片段 samples 传入，就可以得到检测处理结果了。可见，Aubio 的使用非常的 “面向过程”，创建出的实体，与其说是 “对象”，不如说是对 “过程的封装”。

从 Aubio 的设计体现出了，其作为库的有限调用方式，并没有为使用者提供基于调用侧的功能扩展入口。

所以，除实时处理外，Aubio 的能力有限。只适合作为 补充手段 应用于分析中。


四个关键音频库介绍完毕，那么现在，让我们用它们做些简单的实践。

简单练习：用 常用音频库 完成 带有实时频响图的音频播放器

为了相对可能的便利，我们需要让这个练习用播放器有一个 UI 界面，且能根据需要的自主选择音频文件。而 波形图（Waveform） 就是整个音频所有频段在 波形切面（TLS） 叠加后的投影。

对于界面，我们需要引入 Tkinter 库来协助进行绘制。Tkinter 是 Python 标准模块其中之一，专用于创建图形用户界面（GUI）的工具，提供了一系列简易的按钮、图表、交互组件和标准布局。这里只需了解即可。

练习事例按照标准工程工作流进行。

第一步，确立已知信息：

  1. 数据来源：用户自选的 ".wav .flac *.mp3" 音频格式文件（如需可自行在源码中拓展）
  2. 处理环境：依赖 <常用数学库>、<常用音频库>，Python 脚本执行
  3. 工程目标： 1) 提供一个具有 GUI 的简易音频格式文件播放器，自选择播放音频文件，可控播放/暂停 2) 图形界面显示选定音频文件的波形图，并提供 Seekbar 可进行 Seek 操作

第二步，准备执行环境：

检测是否已经安装了 Python 和 pip（对应 Python 版本 2.x） 或 pip3（对应 Python 版本 3.x） 包管理器。此步骤同我们在 <常用数学库> 的练习 中的操作一致，执行脚本即可：

    python install_pip.py
    python install_math_libs.py

完成对 Python 环境 的准备和 <常用数学库> 的安装。具体脚本实现，可回顾上一节。

同理，对于 <常用音频库> 的准备工作，我们也按照脚本方式进行流程化的封装。创建自动化脚本 install_acoustic_libs.py 如下：

import subprocess
import sys
import platform


def is_package_installed(package_name):
    try:
        subprocess.run([sys.executable, "-m", "pip", "show", package_name], check=True, stdout=subprocess.PIPE,
                       stderr=subprocess.PIPE)
        return True
    except subprocess.CalledProcessError:
        return False


def install_package(package_name):
    print(f"Installing {package_name}...")
    subprocess.run([sys.executable, "-m", "pip", "install", package_name], check=True)
    subprocess.run([sys.executable, "-m", "pip", "show", package_name], check=True)

def is_portaudio_installed():
    try:
        if platform.system() == "Darwin":  # macOS
            result = subprocess.run(["brew", "list", "portaudio"], check=True, stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE)
        elif platform.system() == "Linux":
            result = subprocess.run(["dpkg", "-s", "portaudio19-dev"], check=True, stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE)
        else:
            return True  # Assume portaudio is handled manually on other platforms
        return result.returncode == 0
    except subprocess.CalledProcessError:
        return False

def install_portaudio():
    if platform.system() == "Darwin":  # macOS
        print("Installing portaudio using Homebrew...")
        subprocess.run(["brew", "install", "portaudio"], check=True)
    elif platform.system() == "Linux":
        print("Installing portaudio using APT...")
        subprocess.run(["sudo", "apt-get", "install", "-y", "portaudio19-dev"], check=True)
    else:
        print("Please install portaudio manually for your platform.")
        sys.exit(1)

def main():
    packages = ["soundfile", "pyaudio", "librosa"]

    for package in packages:
        if package == "pyaudio":
            if not is_portaudio_installed():
                install_portaudio()
            if is_package_installed(package):
                print(f"{package} is already installed.")
            else:
                install_package(package)
                print(f"{package} has been installed.")
        else:
            if is_package_installed(package):
                print(f"{package} is already installed.")
            else:
                install_package(package)
                print(f"{package} has been installed.")


if __name__ == "__main__":
    main()

此处有个流程上的关键，即 PyAudio 依赖于 PortAudio 库提供的 音频输入输出设备拨接。我们需要在安装 PyAudio 前，先行安装 PortAudio 以保证 PyAudio 的正常执行，否则会报如下的 IO访问错误：

    OSError: [Errno -9986] Internal PortAudio error

PyAudio 的安装过程由于 未配置对 PortAudio 的强依赖标注，且 PortAudio 并未提供 pip 的可用包。因此，不会在 pip 包管理安装过程中，自行获取前置库。需要我们 手动在脚本中完成 检测 与 安装。

随后，使用 Python 执行脚本：

    python install_acoustic_libs.py

如果包已安装，则会输出 "[基础音频库] is already installed."。如果包未安装，则会安装该包并输出 "[基础音频库] has been installed."，并显示包的详细信息。

到此，完成音频库的环境准备工作。

为什么建议 采用执行脚本的形式，对需要的库进行准备流水封装呢？因为这是一个非常好的习惯。而随着工作的积累，相关的 工具库快速部署脚本会逐步的累积，形成足够支撑大部分情况的 一键部署工具集。在这过程中，工程师 可以养成对环境准备以流水线方式处理的逻辑链，使之后再遇到新的情况时，也能快速的理清思维，便于减轻维护工作压力。

第三步，搭建音频播放器：

由于只是个简易播放器，我们选择在单一文件中实现所有基本功能。

首先，需要思考一下，必要包含于 GUI 的交互组件都有哪些。有：

  1. 停止（Stop）：用于在音频开始播放后，停止播放并重置音频到起始位置；
  2. 播放/暂停（Play/Pause）：用于控制音频的播放，与过程中暂停；
  3. 打开（Open）：用于满足选择要播放的音频格式文件；
  4. 进度条（Seekbar）：用于提供 Seek 功能，并实时显示播放进度

而纯粹的用于显示展示于 GUI 的组件，只有：

  1. 波形图（Waveform）：在 “打开” 选择音频文件后，显示该音频波形图；

至此，我们获得了此播放器的基本交互逻辑。

图 5-4 简易音频播放器的交互逻辑关系示意图

根据上图交互关系，将每一个节点作为函数封装，就能轻松完成相关实现了。编写代码：

import tkinter as tk
from tkinter import filedialog
import numpy as np
import soundfile as sf
import pyaudio
import threading
import queue
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.backends.backend_tkagg import FigureCanvasTkAgg

class AudioPlayer:
    def __init__(self, root):
        self.root = root
        self.root.title("Simple Audio Player")

        # Initialize pyaudio
        self.pyaudio_instance = pyaudio.PyAudio()

        # Create control buttons frame
        self.control_frame = tk.Frame(self.root)
        self.control_frame.pack(side=tk.TOP, fill=tk.X)

        self.stop_button = tk.Button(self.control_frame, text="Stop", command=self.stop_audio)
        self.stop_button.pack(side=tk.LEFT)

        self.play_pause_button = tk.Button(self.control_frame, text="Play", command=self.toggle_play_pause)
        self.play_pause_button.pack(side=tk.LEFT)

        self.open_button = tk.Button(self.control_frame, text="Open", command=self.open_file)
        self.open_button.pack(side=tk.LEFT)

        self.playing = False
        self.audio_data = None
        self.fs = None
        self.current_frame = 0
        self.stream = None

        # Create matplotlib figure and axes for waveform display
        self.fig, self.ax_waveform = plt.subplots(figsize=(6, 3.6))
        self.canvas = FigureCanvasTkAgg(self.fig, master=self.root)
        self.canvas.get_tk_widget().pack(side=tk.TOP, fill=tk.BOTH, expand=1)

        # Create progress bar
        self.progress_frame = tk.Frame(self.root)
        self.progress_frame.pack(side=tk.TOP, fill=tk.X)
        self.progress_bar = tk.Scale(self.progress_frame, from_=0, to=1000, orient=tk.HORIZONTAL, showvalue=0)
        self.progress_bar.pack(fill=tk.X, expand=True)

        # Timer to update waveform line
        self.update_interval = 1  # milliseconds

        # Create thread event to stop update thread
        self.update_thread_event = threading.Event()

        # Queue for inter-thread communication
        self.queue = queue.Queue()

        # Flag variable to detect if the progress bar is being dragged
        self.is_seeking = False
        self.was_playing = False  # Mark the playback state when seeking

        # Bind events
        self.progress_bar.bind("<Button-1>", self.on_seek_start)
        self.progress_bar.bind("<ButtonRelease-1>", self.on_seek_end)
        self.progress_bar.bind("<B1-Motion>", self.on_seek)

        # Start thread to update progress bar
        self.root.after(self.update_interval, self.update_progress_bar)

    def open_file(self):
        file_path = filedialog.askopenfilename(filetypes=[("Audio Files", "*.wav *.flac *.mp3")])
        if file_path:
            self.audio_data, self.fs = sf.read(file_path, dtype='float32')
            self.current_frame = 0
            duration = len(self.audio_data) / self.fs
            self.progress_bar.config(to=duration * 1000)  # Set the maximum value of the progress bar to the audio duration in milliseconds
            self.play_pause_button.config(text="Play")
            self.playing = False
            self.plot_waveform()

    def toggle_play_pause(self):
        if self.playing:
            self.play_pause_button.config(text="Play")
            self.playing = False
            self.pause_audio()
            self.update_thread_event.set()  # Stop update thread
        else:
            self.play_pause_button.config(text="Pause")
            self.playing = True
            self.update_thread_event.clear()  # Clear update thread event
            threading.Thread(target=self.play_audio).start()

    def audio_callback(self, in_data, frame_count, time_info, status):
        end_frame = self.current_frame + frame_count
        data = self.audio_data[self.current_frame:end_frame].tobytes()
        self.current_frame = end_frame
        self.queue.put(end_frame / self.fs * 1000)  # Current time (milliseconds)
        if self.current_frame >= len(self.audio_data):
            return (data, pyaudio.paComplete)
        return (data, pyaudio.paContinue)

    def pause_audio(self):
        if self.stream is not None:
            self.stream.stop_stream()
            self.stream.close()
            self.stream = None

    def play_audio(self):
        self.stream = self.pyaudio_instance.open(
            format=pyaudio.paFloat32,
            channels=self.audio_data.shape[1],
            rate=self.fs,
            output=True,
            stream_callback=self.audio_callback
        )
        self.stream.start_stream()

    def stop_audio(self):
        self.playing = False
        self.current_frame = 0
        if self.stream is not None:
            self.stream.stop_stream()
            self.stream.close()
            self.stream = None
        self.play_pause_button.config(text="Play")
        # Reset the red line to the beginning
        self.update_thread_event.set()  # Stop update thread
        self.plot_waveform()  # Reset waveform plot
        self.progress_bar.set(0)

    def plot_waveform(self):
        self.ax_waveform.clear()
        time_axis = np.linspace(0, len(self.audio_data) / self.fs, num=len(self.audio_data))
        self.ax_waveform.plot(time_axis, self.audio_data)
        self.ax_waveform.set_title("Waveform")
        self.ax_waveform.set_xlabel("Time (s)")  # Set x-axis label to seconds
        self.ax_waveform.set_ylabel("Amplitude")
        self.canvas.draw()

    def update_progress_bar(self):
        try:
            while not self.queue.empty():
                current_time = self.queue.get_nowait()
                if not self.is_seeking:  # Only update when not dragging the progress bar
                    self.progress_bar.set(current_time)
        except queue.Empty:
            pass
        self.root.after(self.update_interval, self.update_progress_bar)

    def on_seek_start(self, event):
        self.was_playing = self.playing  # Record the playback state when seeking
        if self.playing:
            self.toggle_play_pause()  # Pause playback
        self.is_seeking = True  # Mark that the progress bar is being dragged

    def on_seek(self, event):
        # Update current_frame in real-time
        value = self.progress_bar.get()
        self.current_frame = int(float(value) / 1000 * self.fs)

    def on_seek_end(self, event):
        self.is_seeking = False  # Mark that dragging has ended
        self.plot_waveform()  # Update waveform plot
        if self.was_playing:  # If it was playing before, resume playback
            self.toggle_play_pause()

    def seek(self, value):
        if self.audio_data is not None:
            self.current_frame = int(float(value) / 1000 * self.fs)

if __name__ == "__main__":
    root = tk.Tk()
    app = AudioPlayer(root)
    root.mainloop()

有运行效果如下：

图 5-5 简易音频播放器的运行效果图

至此，对音频库的练习完毕。

Copyright © Since 2021 李述博 (Arikan.Li) , All Rights Reserved all right reserved，powered by GitbookLast Updated: 2024-09-12 12:11:11

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