Python Audio Processing

Realtime Fast Audio Library: sounddevice

소리를 녹음하거나 재생하려면 sounddevice라는 라이브러리를 사용하는 것이 가장 빠르다. Sounddevice는 PortAudio라는 library의 python wrapper에 해당하며 Audio stream을 numpy로도 다룰 수 있게 해준다.

단, Windows 10의 WSL 1을 사용하는 경우 사운드에 대한 device접근이 불가능해서 동작이 안된다. 이러한 경우 WSL 2(?)가 해당 기능을 제공하거나, 혹은 anaconda를 사용해야한다.

https://www.reddit.com/r/learnpython/comments/9cpkql/fastest_possible_implementation_for_recording/

https://stackoverflow.com/questions/35344649/reading-input-sound-signal-using-python

설치방법

sudo apt install libportaudio2

pip install sounddevice

Python 기본 내장 library wave

wave를 사용하면 windows 운영체제에서 재생 가능한 형태로 저장할 수 있다.

아래는 wave를 사용해 wave_file을 읽고 쓰는 클래스이다.

https://gist.github.com/imcomking/43dc18024f29a2c63d1931db6801fe87

import numpy as np
import wave
import matplotlib.pyplot as plt
import sounddevice as sd

class SoundFile:
    def __init__(self, file_name=None):
        # https://docs.python.org/3.6/library/wave.html
        pass
    
    def write(self, file_name, signal, nchannels=1, sampwidth=2, framerate=44100, duration_sec = 4, comptype="NONE", compname="noncompressed"):
        file = wave.open(file_name, 'wb')
        file.setparams( ( nchannels, sampwidth, framerate, framerate * duration_sec, comptype, compname) )
        file.writeframes( signal )
        file.close()

    def read(self, file_name):
        file = wave.open(file_name, 'rb')
        nchannels, sampwidth, framerate, nframes, comptype, compname = file.getparams()
        duration_sec = nframes / framerate
        signal = file.readframes( nframes )
        signal = np.frombuffer(signal)
        file.close()
        return signal, nchannels, sampwidth, framerate, duration_sec, nframes, comptype, compname
    

https://stackoverflow.com/questions/51079048/scipy-io-wavfile-write-no-sound 의 답변을 참조하여 변형하였다.

사용 예시 코드

sf = SoundFile()
file_name = "test.wav"
time        = np.arange(0, 5000, 0.02);
amplitude   = np.sin(time)
plt.plot(time, amplitude)
sd.play(amplitude, samplerate)
sf.write(file_name, amplitude)
signal, nchannels, sampwidth, framerate, duration_sec, nframes, comptype, compname = sf.read("test.wav")

sd.play(signal, samplerate)

Sound Level 측정 함수

아래의 코드는 decibel을 측정하는 것은 아니다. 말그대로 상대적 sound level이다.

import sounddevice as sd
from numpy import linalg as LA
import numpy as np

duration = 10  # seconds

def print_sound(indata, outdata, frames, time, status):
    volume_norm = np.linalg.norm(indata)*10
    print (int(volume_norm))

with sd.Stream(callback=print_sound):
    sd.sleep(duration * 1000)

출처: https://github.com/arupiot/Sound-level-meter/blob/master/slm.py

Wav file에서 Decibel 계산하기

일단 decibel의 정확한 정의는 상대적인 값이다. 따라서 reference signal과 calibration이 없으면 정확한 의미의 decibel은 구현할 수가 없다.

그러나 대부분의 wave-file 편집기들은 decibel 값을 제공하고 있으며, 이는 매우 단순한 계산 공식을 따른다.

dB = 20 * log10(amplitude)

따라서 우리도 이와 같은 간단한 방법으로 dB를 측정해볼 수 있다.

Sound Pressure Level

https://en.wikipedia.org/wiki/Sound_pressure#Sound_pressure_level

Decibel

https://en.wikipedia.org/wiki/Decibel

Decibel Level 연산 library

여기에는 wav로부터 decibel을 계산해주는 것은 구현되지 않음. dB Level 간의 energetic 연산만 구현되어 있음.

pip install acoustics

https://github.com/python-acoustics/python-acoustics

http://python-acoustics.github.io/python-acoustics/decibel.html

Sound 처리 관련 라이브러리

soundmeter

pip install soundmeter --allow-all-external --allow-unverified pyaudio

https://github.com/shichao-an/soundmeter

audioop

https://docs.python.org/2/library/audioop.html#module-audioop

PySox

Sox의 python wrapper이다. Sox가 매우 다양한 소리에 대한 전처리 및 기능을 cli로 제공하고 있는데, 이를 python으로 warpping한 것이다.

pip install sox

https://github.com/rabitt/pysox

Library Pydub 

wav file을 mp3로 변환해준다.

설치방법

pip install pydub