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Python实现WAV音频分析与线性回归建模

作者:东方佑

这篇文章主要为大家详细介绍了如何通过Python实现WAV音频信号处理与线性回归建模,揭示双声道音频的数学关联性,为声音特征分析提供新视角

1. 音频数据处理流程

1.1 WAV文件读取与预处理

使用scipy.io.wavfile读取音频文件,获取采样率与时域信号数据:

from scipy.io import wavfile
sample_rate, audio_data = wavfile.read("sound/cat/1-47819-C-5.wav")

1.2 声道分离与标准化

# 立体声分离
left_channel = audio_data[:, 0]
right_channel = audio_data[:, 1]

# 标准化(均值归零、方差归一)
left_norm = (left_channel - np.mean(left_channel)) / np.std(left_channel)
right_norm = (right_channel - np.mean(right_channel)) / np.std(right_channel)

标准化消除量纲差异,提升模型收敛效率。

2. 线性回归建模核心

2.1 回归参数计算

基于最小二乘法直接求解斜率与截距:

def linear_regression(x, y):
    n = len(x)
    sum_x, sum_y = np.sum(x), np.sum(y)
    sum_xy = np.sum(x * y)
    sum_x2 = np.sum(x ** 2)
    slope = (n * sum_xy - sum_x * sum_y) / (n * sum_x2 - sum_x ** 2)
    intercept = (sum_y - slope * sum_x) / n
    return slope, intercept

该方法避免迭代计算,效率显著高于梯度下降法。

2.2 滑动窗口分块分析

sim_list = []
for i in range(0, len(left_norm)-800, 800):
    x = left_norm[i:i+800:2]  # 左声道隔点采样
    y = right_norm[i:i+800:1] # 右声道连续采样
    slope, intercept = linear_regression(x, y)
    y_pred = slope * x + intercept
    sim = cosine_similarity(y_pred, y)  # 余弦相似度评估拟合效果
    sim_list.append(sim)

3. 模型评估与可视化

3.1 误差指标计算

def calculate_fit_error(y_true, y_pred):
    mse = np.mean((y_true - y_pred) ** 2)       # 均方误差
    rmse = np.sqrt(mse)                         # 均方根误差
    mae = np.mean(np.abs(y_true - y_pred))      # 平均绝对误差
    return mse, rmse, mae

多维度评估模型精度。

3.2 动态效果可视化

plt.figure(figsize=(12, 4))
plt.plot(sim_list, marker='o', linestyle='-', color='#FF7043')
plt.title("双声道线性拟合相似度变化趋势", fontsize=14)
plt.xlabel("时间窗口索引", fontsize=12)
plt.ylabel("余弦相似度", fontsize=12)
plt.grid(alpha=0.3)
plt.show()

4. 完整代码实现

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.io import wavfile

# 中文显示支持
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['Microsoft YaHei']
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False

def cosine_similarity(a, b):
    """计算余弦相似度"""
    return np.dot(a, b) / (np.linalg.norm(a) * np.linalg.norm(b))

def linear_regression(x, y):
    """最小二乘法线性回归"""
    n = len(x)
    sum_x, sum_y = np.sum(x), np.sum(y)
    sum_xy = np.sum(x * y)
    sum_x2 = np.sum(x ** 2)
    slope = (n * sum_xy - sum_x * sum_y) / (n * sum_x2 - sum_x ** 2)
    intercept = (sum_y - slope * sum_x) / n
    return slope, intercept

def main():
    # 数据读取
    _, audio = wavfile.read("sound/cat/1-47819-C-5.wav")
    left = (audio[:,0]-np.mean(audio[:,0]))/np.std(audio[:,0])
    right = (audio[:,1]-np.mean(audio[:,1]))/np.std(audio[:,1])
    
    # 滑动窗口分析
    sim_list = []
    for i in range(0, len(left)-800, 800):
        x, y = left[i:i+800:2], right[i:i+800:1]
        if len(x) > len(y): x = x[:len(y)]
        slope, intercept = linear_regression(x, y)
        sim_list.append(cosine_similarity(slope*x+intercept, y))
    
    # 可视化
    plt.plot(sim_list)
    plt.show()

if __name__ == "__main__":
    main()

5. 应用场景与扩展

声音特征分析:通过回归斜率变化识别音频中的突发事件(如爆破音、重音节)

音频质量评估:双声道拟合相似度越高,说明声道一致性越好(适用于设备测试)

扩展方向

到此这篇关于Python实现WAV音频分析与线性回归建模的文章就介绍到这了,更多相关Python音频分析内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家!

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