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分析语音数据增强及python实现

作者：凌逆战

数据增强是一种生成合成数据的方法，即通过调整原始样本来创建新样本。这样我们就可获得大量的数据。这不仅增加了数据集的大小，还提供了单个样本的多个变体，这有助于我们的机器学习模型避免过度拟合

一、概述

音频时域波形具有以下特征：音调，响度，质量。我们在进行数据增强时，最好只做一些小改动，使得增强数据和源数据存在较小差异即可，切记不能改变原有数据的结构，不然将产生“脏数据”，通过对音频数据进行数据增强，能有助于我们的模型避免过度拟合并变得更加通用。

我发现对声波的以下改变是有用的：Noise addition（增加噪音）、Add reverb（增加混响）、Time shifting（时移）、Pitch shifting（改变音调）和Time stretching（时间拉伸）。

本章需要使用的python库：

使用先画出原始语音数据的语谱图和波形图

import librosa
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']  # 用来正常显示中文标签
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 用来正常显示符号
fs = 16000

wav_data, _ = librosa.load("./p225_001.wav", sr=fs, mono=True)

# ########### 画图
plt.subplot(2, 2, 1)
plt.title("语谱图", fontsize=15)
plt.specgram(wav_data, Fs=16000, scale_by_freq=True, sides='default', cmap="jet")
plt.xlabel('秒/s', fontsize=15)
plt.ylabel('频率/Hz', fontsize=15)

plt.subplot(2, 2, 2)
plt.title("波形图", fontsize=15)
time = np.arange(0, len(wav_data)) * (1.0 / fs)
plt.plot(time, wav_data)
plt.xlabel('秒/s', fontsize=15)
plt.ylabel('振幅', fontsize=15)

plt.tight_layout()
plt.show()

二、加噪

添加的噪声为均值为0，标准差为1的高斯白噪声，有两种方法对数据进行加噪

2.1、第一种：控制噪声因子

def add_noise1(x, w=0.004):
    # w：噪声因子
    output = x + w * np.random.normal(loc=0, scale=1, size=len(x))
    return output

Augmentation = add_noise1(x=wav_data, w=0.004)

2.2、第二种：控制信噪比

通过信噪比的公式推导出噪声。

def add_noise2(x, snr):
    # snr：生成的语音信噪比
    P_signal = np.sum(abs(x) ** 2) / len(x)  # 信号功率
    P_noise = P_signal / 10 ** (snr / 10.0)  # 噪声功率
    return x + np.random.randn(len(x)) * np.sqrt(P_noise)

Augmentation = add_noise2(x=wav_data, snr=50)

三、加混响

我这里使用的是Image Source Method（镜像源方法）来实现语音加混响，我想用两种方法来给大家实现，第一种是直接调用python库——Pyroomacoustics来实现音频加混响，第二种就是按照公式推导一步一步来实现，两种效果一样，想看细节的可以参考第二种方法，只想开始实现效果的可以只看第一种方法：

3.1、方法一：Pyroomacoustics实现音频加混响

首先需要安装Pyroomacoustics，这个库非常强大，感兴趣也可以多看看其他API接口

pip install  Pyroomacoustics

步骤：

1.创建房间（定义房间大小、所需的混响时间、墙面材料、允许的最大反射次数、）

2.在房间内创建信号源

3.在房间内放置麦克风

4.创建房间冲击响应

5.模拟声音传播

# -*- coding:utf-8 -*-
import pyroomacoustics as pra
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import librosa

# 1、创建房间
# 所需的混响时间和房间的尺寸
rt60_tgt = 0.5  # 所需的混响时间，秒
room_dim = [9, 7.5, 3.5]  # 我们定义了一个9m x 7.5m x 3.5m的房间，米

# 我们可以使用Sabine's公式来计算壁面能量吸收和达到预期混响时间所需的ISM的最大阶数(RT60，即RIR衰减60分贝所需的时间)
e_absorption, max_order = pra.inverse_sabine(rt60_tgt, room_dim)    # 返回 墙壁吸收的能量 和 允许的反射次数
# 我们还可以自定义 墙壁材料 和 最大反射次数
# m = pra.Material(energy_absorption="hard_surface")    # 定义 墙的材料，我们还可以定义不同墙面的的材料
# max_order = 3

room = pra.ShoeBox(room_dim, fs=16000, materials=pra.Material(e_absorption), max_order=max_order)

# 在房间内创建一个位于[2.5,3.73,1.76]的源，从0.3秒开始向仿真中发出wav文件的内容
audio, _ = librosa.load("speech.wav",sr=16000)  # 导入一个单通道语音作为源信号 source signal
room.add_source([2.5, 3.73, 1.76], signal=audio, delay=0.3)

# 3、在房间放置麦克风
# 定义麦克风的位置：(ndim, nmics) 即每个列包含一个麦克风的坐标
# 在这里我们创建一个带有两个麦克风的数组，
# 分别位于[6.3,4.87,1.2]和[6.3,4.93,1.2]。
mic_locs = np.c_[
    [6.3, 4.87, 1.2],  # mic 1
    [6.3, 4.93, 1.2],  # mic 2
]

room.add_microphone_array(mic_locs)     # 最后将麦克风阵列放在房间里

# 4、创建房间冲击响应（Room Impulse Response）
room.compute_rir()

# 5、模拟声音传播，每个源的信号将与相应的房间脉冲响应进行卷积。卷积的输出将在麦克风上求和。
room.simulate()

# 保存所有的信号到wav文件
room.mic_array.to_wav("./guitar_16k_reverb_ISM.wav", norm=True, bitdepth=np.float32,)

# 测量混响时间
rt60 = room.measure_rt60()
print("The desired RT60 was {}".format(rt60_tgt))
print("The measured RT60 is {}".format(rt60[1, 0]))


plt.figure()
# 绘制其中一个RIR. both can also be plotted using room.plot_rir()
rir_1_0 = room.rir[1][0]    # 画出 mic 1和 source 0 之间的 RIR
plt.subplot(2, 1, 1)
plt.plot(np.arange(len(rir_1_0)) / room.fs, rir_1_0)
plt.title("The RIR from source 0 to mic 1")
plt.xlabel("Time [s]")

# 绘制 microphone 1 处接收到的信号
plt.subplot(2, 1, 2)
plt.plot(np.arange(len(room.mic_array.signals[1, :])) / room.fs, room.mic_array.signals[1, :])
plt.title("Microphone 1 signal")
plt.xlabel("Time [s]")

plt.tight_layout()
plt.show()
room = pra.ShoeBox(
    room_dim,
    fs=16000,
    materials=pra.Material(e_absorption),
    max_order=3,
    ray_tracing=True,
    air_absorption=True,
)

# 激活射线追踪
room.set_ray_tracing()

room.simulate(reference_mic=0, snr=10)      # 控制信噪比

3.2、方法二：Image Source Method 算法讲解

从这里要讲算法和原理了，

代码参考：matlab版本：RIR-Generator，python版本：rir-generator

镜像源法简介：

将反射面等效为一个虚像，或者说镜像。比如说，在一个开放空间里有一面平整墙面，那么一个声源可以等效为2两个声源；一个开放空间里有两面垂直的平整墙面，那么一个声源可以等效为4个；同理三面的话是8个。原理上就是这样，但是封闭的三维空间里情况有那么点复杂，

一般来说，家里的空房间可以一定程度上近似为矩形盒子，假设房间尺寸为：

元素大小分别代表长宽高，而声源的三维坐标为

麦克风的三维坐标为

镜像声源$(i,j,k)$到麦克风距离在三个坐标轴上的位置为

那么声源$(i,j,k)$距离麦克风的距离为

相对于直达声的到达延迟时间为

其中$c$为声速，$r$为声源到麦克风的直线距离。那么，混响效果等效为不同延迟的信号的叠加，即混响效果可以表示为一个FIR滤波器与信号源卷积的形式，此滤波器可写为如下形式

滤波器的抽头系数与镜面的反射系数与距离相关，如果每个面的反射系数不同则形式略复杂。详细代码还是要看RIR-Generator，我这里只做抛转引玉，写一个最简单的。

模拟镜像源：

房间尺寸(m)：4 X 4 X 3

声源坐标(m)：2 X 2 X 0

麦克风坐标(m)：2 X 2 X 1.5

混响时间(s)：0.2

RIR长度：512

clc;clear;
c = 340;                    % 声速 (m/s)
fs = 16000;                 % Sample frequency (samples/s)
r = [2 2 1.5];              % 麦克风位置 [x y z] (m)
s = [2 2 0];              % 扬声器位置 [x y z] (m)
L = [4 4 3];                % 房间大小 [x y z] (m)
beta = 0.2;                 % 混响时间 (s)
n = 512;                   % RIR长度

h = rir_generator(c, fs, r, s, L, beta, n);
disp(size(h))   % (1,4096)

[speech, fs] = audioread("./test_wav/p225_001.wav");
disp(size(speech)); % (46797,1)

y = conv(speech', h);
disp(length(y))


% 开始画图
figure('color','w');    % 背景色设置成白色
subplot(3,1,1)
plot(h)
title("房间冲击响应 RIR","FontSize",14)

subplot(3,2,3)
plot(speech)
title("原语音波形","FontSize",14)

subplot(3,2,4)
plot(y)
title("加混响语音波形","FontSize",14)

subplot(3,2,5)
specgram(speech,512,fs,512,256);
title("原语音频谱","FontSize",14)

subplot(3,2,6)
specgram(y,512,fs,512,256);
title("加混响语音频谱","FontSize",14)

audiowrite("./test_wav/matlab_p225_001_reverber.wav",y,fs)

四、生成指定SER的混响

SER的公式为

其中E是统计 期望操作，$s(n)$是近端语音，$d(n)$是远端回声，

由于我们需要根据指定的SER求混响信号，并且近端语音和远端混响都是已知的，我们只需要求得一个系数，来调整回声信号的能量大小，与远端混响相乘即可得我们想要的混响语音，即调整后的回声信号为$kd(n)$

根据以上公式，可以推导出$k$的值

最终$kd(n)$即我们所求的指定SER的混响。

def add_echo_ser(near_speech, far_echo, SER):
    """根据指定的SER求回声
    :param near_speech: 近端语音
    :param far_echo: 远端回声
    :param SER: 指定的SER
    :return: 指定SER的回声
    """
    p_near_speech = np.mean(near_speech ** 2)  # 近端语音功率
    p_far_echo = np.mean(far_echo ** 2)  # 远端回声功率

    k = np.sqrt(p_near_speech / (10 ** (SER / 10)) / p_far_echo)

    return k * far_echo

五、波形位移

语音波形移动使用numpy.roll函数向右移动shift距离

numpy.roll(a,shift,axis=None)

参数：

x = np.arange(10)
# array([0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9])

print(np.roll(x, 2))
# array([8, 9, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7])

波形位移函数：

def time_shift(x, shift):
    # shift：移动的长度
    return np.roll(x, int(shift))

Augmentation = time_shift(wav_data, shift=fs//2)

六、波形拉伸

在不影响音高的情况下改变声音的速度 / 持续时间。这可以使用librosa的time_stretch函数来实现。

def time_stretch(x, rate):
    # rate：拉伸的尺寸，
    # rate > 1 加快速度
    # rate < 1 放慢速度
    return librosa.effects.time_stretch(x, rate)

Augmentation = time_stretch(wav_data, rate=2)

七、音高修正（Pitch Shifting）

音高修正只改变音高而不影响音速，我发现-5到5之间的步数更合适

def pitch_shifting(x, sr, n_steps, bins_per_octave=12):
    # sr: 音频采样率
    # n_steps: 要移动多少步
    # bins_per_octave: 每个八度音阶(半音)多少步
    return librosa.effects.pitch_shift(x, sr, n_steps, bins_per_octave=bins_per_octave)

# 向上移三音（如果bins_per_octave为12，则六步）
Augmentation = pitch_shifting(wav_data, sr=fs, n_steps=6, bins_per_octave=12)
# 向上移三音（如果bins_per_octave为24，则3步）
Augmentation = pitch_shifting(wav_data, sr=fs, n_steps=3, bins_per_octave=24)
# 向下移三音（如果bins_per_octave为12，则六步）
Augmentation = pitch_shifting(wav_data, sr=fs, n_steps=-6, bins_per_octave=12)

还有写没有跑通，但是总感觉有些价值的代码，记录在这里：

py-RIR-Generator（没跑通的原因是我是window系统）gpuRIR（这个我跑通了，但是需要较大的计算资源）去github找代码的时候，不一定要搜索“回声”，“混响”，也可以通过搜索"RIR"同样可以得到想要的结果

本文画图代码：

# Author:凌逆战
# -*- coding:utf-8 -*-
import matplotlib.pyplot as plt
import librosa
import numpy as np

plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei'] #用来正常显示中文标签
plt.rcParams['axes.unicode_minus']=False #用来正常显示符号


y1, _ = librosa.load("./speech.wav", sr=16000)
y2, _ = librosa.load("./guitar_16k_reverb_ISM.wav", sr=16000)


plt.subplot(2, 2, 1)
plt.specgram(y1, Fs=16000, scale_by_freq=True, sides='default', cmap="jet")
plt.title("语谱图", fontsize=13)
plt.xlabel('时间/s', fontsize=13)
plt.ylabel('频率/Hz', fontsize=13)

plt.subplot(2, 2, 2)
plt.plot(np.arange(len(y1)) / 16000, y1)
plt.title("波形图", fontsize=13)
plt.xlabel('时间/s', fontsize=13)
plt.ylabel('振幅', fontsize=13)

plt.subplot(2, 2, 3)
plt.specgram(y2, Fs=16000, scale_by_freq=True, sides='default', cmap="jet")
plt.title("语谱图(加混响)", fontsize=13)
plt.xlabel('时间/s', fontsize=13)
plt.ylabel('频率/Hz', fontsize=13)


plt.subplot(2, 2, 4)
plt.plot(np.arange(len(y2)) / 16000, y2)
plt.title("波形图(加混响)", fontsize=13)
plt.xlabel('时间/s', fontsize=13)
plt.ylabel('振幅', fontsize=13)

plt.tight_layout()
plt.show()

以上就是分析语音数据增强及python实现的详细内容，更多关于语音数据增强 python实现的资料请关注脚本之家其它相关文章！

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