音频处理四:(音频的分帧)

程序设计四：音频的分帧

一：需求分析

为了分析读人数据,通常进行分帧处理。在分帧中,往往设置在相邻两帧之间有一部分重叠。其原因是:语音信号是时变的，在短时范围内特征变化较小，所以作为稳态来处理;但超出这短时范围语音信号就有变化了。在相邻两帧之间基音发生了变化,如正好是两个音节之间, 或正好是声母向韵母过渡,等等,这时,其特征参数有可能变化较大,但为了使特征参数平滑地变化,在两个不重叠的帧之间插一些帧来提取特征参数,这就形成了相邻帧之间有重叠部分。

将本地的采样数据.txt读出,分帧以后保存到另一个.txt文件，需要考虑单声道和双声道

wavtxtframe -i yyy.txt -o zzz.txt -framelength 4 -overlap 2

二：参考知识

1.文件知识

本地.txt信息

lanTian2.txt 声道数1 采样率8000 量化位数2的lanTian2.mav的采样值
BAC009S0003W0121.txt 声道数1 采样率16000 量化位数2的BAC009S0003W0121.wav的采样值

2.分帧介绍

wlen为帧长，inc为帧移，重叠部分为overlap，overlap=wlen - inc

信号帧数为：
nf=(N−overlap) /inc =(N−wlen)/inc+1n f=(N-\text { overlap) } / \text { inc }=(N-w l e n) / i n c+1 nf=(N− overlap) / inc =(N−wlen)/inc+1

nf = int(np.ceil((1.0 * signal_length - wlen + inc) / inc))

np.ceil向上取整，所以会导致实际分帧后的长度大于信号本身的长度，所以要对原来的信号进行补零，类似与FFT变换中的数据点不够补零达到采样点的数量。

pad_length = int((nf - 1) * inc + wlen)  # 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#np.concatenate（）连接两个维度相同的矩阵
pad_signal = np.concatenate((signal, zeros))  # 填补后的信号记为pad_signal

三：python代码

holiday04.py

import wave
import numpy as np
import sys
import getoptdef enframe(signal, wlen, inc):'''参数含义：signal:原始音频型号nw:每一帧的长度inc:相邻帧的间隔'''signal_length = len(signal)  # 信号总长度if signal_length <= wlen:  # 若信号长度小于一个帧的长度，则帧数定义为1nf = 1else:  # 否则，计算帧数nf = int(np.ceil((1.0 * signal_length - wlen + inc) / inc))#np.ceil计算大于等于改值的最小整数，将小数点后部分删除pad_length = int((nf - 1) * inc + wlen)  # 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#np.concatenate（）连接两个维度相同的矩阵pad_signal = np.concatenate((signal, zeros))  # 填补后的信号记为pad_signalindices = np.tile(np.arange(0, wlen), (nf, 1)) + np.tile(np.arange(0, nf * inc, inc), (wlen, 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#tile() 函数，就是将原矩阵横向、纵向地复制展开indices = np.array(indices, dtype=np.int32)  # 将indices转化为矩阵frames = pad_signal[indices]  # 得到帧信号return frames#返回帧信号矩阵def main(argv):try:#opts, args = getopt.getopt(argv, "-h-i:-f:-o:", ["help", "input=", "framelength", "overlap"])opts, args = getopt.getopt(argv, "-h-i:-o:-f:-l:", ["help", "input=", "output=","framelength=","overlap="])except getopt.GetoptError:print('Error: python holiday04.py -i BAC009S0003W0121.txt -o frame02.txt --framelength 200 --overlap 100')print('   or: python holiday04.py -i BAC009S0003W0121.txt -o frame01.txt -f 200 -l 100')sys.exit(2)# 处理 返回值options是以元组为元素的列表。for opt, arg in opts:if opt in ("-h", "--help"):print("为真实还原，输入的参数尽量和原语音一致")print('python holiday04.py -i BAC009S0003W0121.txt -o frame02.txt --framelength 200 --overlap 100')print('or: python holiday04.py -i BAC009S0003W0121.txt -o frame01.txt -f 200 -l 100')sys.exit()elif opt in ("-i", "--input"):input = argelif opt in ("-o", "--output"):output = argelif opt in ("-f", "--framelength"):framelength = int(arg)print(framelength)elif opt in ("-l", "--overlap"):overlap = int(arg)f = open(input)# f = open("wavData(left).txt")# f = open("lanTian2.txt")# wavData(left)line = f.readline()data_list = []while line:# 把切分出的列表的每个值, 把它们转成np.short型, 并返回迭代器num = list(map(np.short, line.split()))  # np.short# 用list函数把map函数返回的迭代器遍历展开成一个列表data_list.append(num)line = f.readline()f.close()wave_data = np.array(data_list)signal = wave_data.TFrame = enframe(signal[0], framelength, overlap)  # signal[0]是为了保证维度一致file = open(output, 'w+')np.savetxt(file,Frame, fmt='%d', delimiter=' ')file.close()if __name__ == "__main__":# sys.argv[1:]为要处理的参数列表，sys.argv[0]为脚本名，所以用sys.argv[1:]过滤掉脚本名。main(sys.argv[1:])#python holiday04.py -i BAC009S0003W0121.txt -o frame02.txt --framelength 200 --overlap 100
#python holiday04.py -i BAC009S0003W0121.txt -o frame01.txt -f 200 -l 100
#python holiday04.py -i lanTian2.txt -o frame01.txt -f 200 -l 100

四：实现结果

1.请求帮助

python holiday04.py -h

2.单参数分帧

-i 输入采样值点的文件
-o 保存的文件
-f 帧长
-l 帧移

python holiday04.py -i BAC009S0003W0121.txt -o frame01.txt -f 200 -l 100

3.多参数分帧

-i 输入采样值点的文件
-o 保存的文件
–framelength 帧长
–overlap 帧移

python holiday04.py -i BAC009S0003W0121.txt -o frame02.txt --framelength 200 --overlap 100

五：结果分析

以BAC009S0003W0121.txt的内容用本程序将结果保存，再用matlab直接读取原语音BAC009S0003W0121.wav进行对比，结果为一致

1.matlab对比程序

程序4对比.m

%实验要求一：语音分帧显示
clc
clear all
close all[x,Fs]=audioread('G:\python\holiday\BAC009S0003W0121.wav','native');       % 读入数据文件
wlen=200; inc=100;          % 给出帧长和帧移
N=length(x);                    % 信号长度
time=(0:N-1)/Fs;                % 计算出信号的时间刻度
signal=enframe(x,wlen,inc)';     % 分帧
signal=signal';

2.显示结果

2.1 matlab结果

2.2 python生成的frame01.txt