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Pytorch实现声音分类

夜雨飘零1 人气:0

前言

本章我们来介绍如何使用Pytorch训练一个区分不同音频的分类模型,例如你有这样一个需求,需要根据不同的鸟叫声识别是什么种类的鸟,这时你就可以使用这个方法来实现你的需求了。

源码地址:https://github.com/yeyupiaoling/AudioClassification-Pytorch

环境准备

主要介绍libsora,PyAudio,pydub的安装,其他的依赖包根据需要自行安装。

安装libsora

最简单的方式就是使用pip命令安装,如下:

pip install pytest-runner
pip install librosa==0.9.1

注意: 如果pip命令安装不成功,那就使用源码安装,下载源码:https://github.com/librosa/librosa/releases/, windows的可以下载zip压缩包,方便解压。

pip install pytest-runner
tar xzf librosa-<版本号>.tar.gz 或者 unzip librosa-<版本号>.tar.gz
cd librosa-<版本号>/
python setup.py install

如果出现 libsndfile64bit.dll': error 0x7e错误,请指定安装版本0.6.3,如 pip install librosa==0.6.3

安装ffmpeg, 下载地址:http://blog.gregzaal.com/how-to-install-ffmpeg-on-windows/,笔者下载的是64位,static版。
然后到C盘,笔者解压,修改文件名为 ffmpeg,存放在 C:\Program Files\目录下,并添加环境变量 C:\Program Files\ffmpeg\bin

最后修改源码,路径为 C:\Python3.7\Lib\site-packages\audioread\ffdec.py,修改32行代码,如下:

COMMANDS = ('C:\\Program Files\\ffmpeg\\bin\\ffmpeg.exe', 'avconv')

安装PyAudio

使用pip安装命令,如下:

pip install pyaudio

在安装的时候需要使用到C++库进行编译,如果读者的系统是windows,Python是3.7,可以在这里下载whl安装包,下载地址:https://github.com/intxcc/pyaudio_portaudio/releases

安装pydub

使用pip命令安装,如下:

pip install pydub

训练分类模型

把音频转换成训练数据最重要的是使用了librosa,使用librosa可以很方便得到音频的梅尔频谱(Mel Spectrogram),使用的API为 librosa.feature.melspectrogram(),输出的是numpy值。关于梅尔频谱具体信息读者可以自行了解,跟梅尔频谱同样很重要的梅尔倒谱(MFCCs)更多用于语音识别中,对应的API为 librosa.feature.mfcc()。同样以下的代码,就可以获取到音频的梅尔频谱。

wav, sr = librosa.load(data_path, sr=16000)
features = librosa.feature.melspectrogram(y=wav, sr=sr, n_fft=400, n_mels=80, hop_length=160, win_length=400)
features = librosa.power_to_db(features, ref=1.0, amin=1e-10, top_db=None)

生成数据列表

生成数据列表,用于下一步的读取需要,audio_path为音频文件路径,用户需要提前把音频数据集存放在dataset/audio目录下,每个文件夹存放一个类别的音频数据,每条音频数据长度在3秒以上,如 dataset/audio/鸟叫声/······audio是数据列表存放的位置,生成的数据类别的格式为 音频路径\t音频对应的类别标签,音频路径和标签用制表符 \t分开。读者也可以根据自己存放数据的方式修改以下函数。

Urbansound8K 是目前应用较为广泛的用于自动城市环境声分类研究的公共数据集,包含10个分类:空调声、汽车鸣笛声、儿童玩耍声、狗叫声、钻孔声、引擎空转声、枪声、手提钻、警笛声和街道音乐声。数据集下载地址:https://zenodo.org/record/1203745/files/UrbanSound8K.tar.gz。以下是针对Urbansound8K生成数据列表的函数。如果读者想使用该数据集,请下载并解压到 dataset目录下,把生成数据列表代码改为以下代码。

# 生成数据列表
def get_data_list(audio_path, list_path):
    sound_sum = 0
    audios = os.listdir(audio_path)

    f_train = open(os.path.join(list_path, 'train_list.txt'), 'w')
    f_test = open(os.path.join(list_path, 'test_list.txt'), 'w')

    for i in range(len(audios)):
        sounds = os.listdir(os.path.join(audio_path, audios[i]))
        for sound in sounds:
            if '.wav' not in sound:continue
            sound_path = os.path.join(audio_path, audios[i], sound)
            t = librosa.get_duration(filename=sound_path)
            # 过滤小于2.1秒的音频
            if t >= 2.1:
                if sound_sum % 100 == 0:
                    f_test.write('%s\t%d\n' % (sound_path, i))
                else:
                    f_train.write('%s\t%d\n' % (sound_path, i))
                sound_sum += 1
        print("Audio:%d/%d" % (i + 1, len(audios)))

    f_test.close()
    f_train.close()


if __name__ == '__main__':
    get_data_list('dataset/UrbanSound8K/audio', 'dataset')

创建 reader.py用于在训练时读取数据。编写一个 CustomDataset类,用读取上一步生成的数据列表。

class CustomDataset(Dataset):
    def __init__(self, data_list_path, model='train', sr=16000, chunk_duration=3):
        super(CustomDataset, self).__init__()
        with open(data_list_path, 'r') as f:
            self.lines = f.readlines()
        self.model = model
        self.sr = sr
        self.chunk_duration = chunk_duration

    def __getitem__(self, idx):
        try:
            audio_path, label = self.lines[idx].replace('\n', '').split('\t')
            spec_mag = load_audio(audio_path, mode=self.model, sr=self.sr, chunk_duration=self.chunk_duration)
            return spec_mag, np.array(int(label), dtype=np.int64)
        except Exception as ex:
            print(f"[{datetime.now()}] 数据: {self.lines[idx]} 出错,错误信息: {ex}", file=sys.stderr)
            rnd_idx = np.random.randint(self.__len__())
            return self.__getitem__(rnd_idx)

    def __len__(self):
        return len(self.lines)

下面是在训练时或者测试时读取音频数据,训练时对转换的梅尔频谱数据随机裁剪,如果是测试,就取前面的,最好要执行归一化。

def load_audio(audio_path, mode='train', sr=16000, chunk_duration=3):
    # 读取音频数据
    wav, sr_ret = librosa.load(audio_path, sr=sr)
    if mode == 'train':
        # 随机裁剪
        num_wav_samples = wav.shape[0]
        # 数据太短不利于训练
        if num_wav_samples < sr:
            raise Exception(f'音频长度不能小于1s,实际长度为:{(num_wav_samples / sr):.2f}s')
        num_chunk_samples = int(chunk_duration * sr)
        if num_wav_samples > num_chunk_samples + 1:
            start = random.randint(0, num_wav_samples - num_chunk_samples - 1)
            stop = start + num_chunk_samples
            wav = wav[start:stop]
            # 对每次都满长度的再次裁剪
            if random.random() > 0.5:
                wav[:random.randint(1, sr // 2)] = 0
                wav = wav[:-random.randint(1, sr // 2)]
    elif mode == 'eval':
        # 为避免显存溢出,只裁剪指定长度
        num_wav_samples = wav.shape[0]
        num_chunk_samples = int(chunk_duration * sr)
        if num_wav_samples > num_chunk_samples + 1:
            wav = wav[:num_chunk_samples]
    features = librosa.feature.melspectrogram(y=wav, sr=sr, n_fft=400, n_mels=80, hop_length=160, win_length=400)
    features = librosa.power_to_db(features, ref=1.0, amin=1e-10, top_db=None)
    # 归一化
    mean = np.mean(features, 0, keepdims=True)
    std = np.std(features, 0, keepdims=True)
    features = (features - mean) / (std + 1e-5)
    features = features.astype('float32')
    return features

训练

接着就可以开始训练模型了,创建 train.py。我们搭建简单的卷积神经网络,如果音频种类非常多,可以适当使用更大的卷积神经网络模型。通过把音频数据转换成梅尔频谱。然后定义优化方法和获取训练和测试数据。要注意 args.num_classes参数的值,这个是类别的数量,要根据你数据集中的分类数量来修改。

def train(args):
    # 获取数据
    train_dataset = CustomDataset(args.train_list_path, model='train')
    train_loader = DataLoader(dataset=train_dataset, batch_size=args.batch_size, shuffle=True, collate_fn=collate_fn, num_workers=args.num_workers)

    test_dataset = CustomDataset(args.test_list_path, model='eval')
    test_loader = DataLoader(dataset=test_dataset, batch_size=args.batch_size, collate_fn=collate_fn, num_workers=args.num_workers)
    # 获取分类标签
    with open(args.label_list_path, 'r', encoding='utf-8') as f:
        lines = f.readlines()
        class_labels = [l.replace('\n', '') for l in lines]
    # 获取模型
    device = torch.device("cuda")
    model = EcapaTdnn(num_classes=args.num_classes)
    model.to(device)

    # 获取优化方法
    optimizer = torch.optim.Adam(params=model.parameters(),
                                 lr=args.learning_rate,
                                 weight_decay=5e-4)
    # 获取学习率衰减函数
    scheduler = CosineAnnealingLR(optimizer, T_max=args.num_epoch)

    # 恢复训练
    if args.resume is not None:
        model.load_state_dict(torch.load(os.path.join(args.resume, 'model.pth')))
        state = torch.load(os.path.join(args.resume, 'model.state'))
        last_epoch = state['last_epoch']
        optimizer_state = torch.load(os.path.join(args.resume, 'optimizer.pth'))
        optimizer.load_state_dict(optimizer_state)
        print(f'成功加载第 {last_epoch} 轮的模型参数和优化方法参数')

    # 获取损失函数
    loss = torch.nn.CrossEntropyLoss()

最后执行训练,每100个batch打印一次训练日志,训练一轮之后执行测试和保存模型,在测试时,把每个batch的输出都统计,最后求平均值。

    for epoch in range(args.num_epoch):
        loss_sum = []
        accuracies = []
        for batch_id, (spec_mag, label) in enumerate(train_loader):
            spec_mag = spec_mag.to(device)
            label = label.to(device).long()
            output = model(spec_mag)
            # 计算损失值
            los = loss(output, label)
            optimizer.zero_grad()
            los.backward()
            optimizer.step()

            # 计算准确率
            output = torch.nn.functional.softmax(output, dim=-1)
            output = output.data.cpu().numpy()
            output = np.argmax(output, axis=1)
            label = label.data.cpu().numpy()
            acc = np.mean((output == label).astype(int))
            accuracies.append(acc)
            loss_sum.append(los)
            if batch_id % 100 == 0:
                print(f'[{datetime.now()}] Train epoch [{epoch}/{args.num_epoch}], batch: {batch_id}/{len(train_loader)}, '
                      f'lr: {scheduler.get_last_lr()[0]:.8f}, loss: {sum(loss_sum) / len(loss_sum):.8f}, '
                      f'accuracy: {sum(accuracies) / len(accuracies):.8f}')
        scheduler.step()

每轮训练结束之后都会执行一次评估,和保存模型。评估会出来输出准确率,还保存了混合矩阵图片,如下。

预测

在训练结束之后,我们得到了一个模型参数文件,我们使用这个模型预测音频,在执行预测之前,需要把音频转换为梅尔频谱数据,最后输出的结果即为预测概率最大的标签。

parser = argparse.ArgumentParser(description=__doc__)
add_arg = functools.partial(add_arguments, argparser=parser)
add_arg('audio_path',       str,    'dataset/UrbanSound8K/audio/fold5/156634-5-2-5.wav', '图片路径')
add_arg('num_classes',      int,    10,                        '分类的类别数量')
add_arg('label_list_path',  str,    'dataset/label_list.txt',  '标签列表路径')
add_arg('model_path',       str,    'models/model.pth',        '模型保存的路径')
args = parser.parse_args()


# 获取分类标签
with open(args.label_list_path, 'r', encoding='utf-8') as f:
    lines = f.readlines()
class_labels = [l.replace('\n', '') for l in lines]
# 获取模型
device = torch.device("cuda")
model = EcapaTdnn(num_classes=args.num_classes)
model.to(device)
model.load_state_dict(torch.load(args.model_path))
model.eval()


def infer():
    data = load_audio(args.audio_path, mode='infer')
    data = data[np.newaxis, :]
    data = torch.tensor(data, dtype=torch.float32, device=device)
    # 执行预测
    output = model(data)
    result = torch.nn.functional.softmax(output, dim=-1)
    result = result.data.cpu().numpy()
    # 显示图片并输出结果最大的label
    lab = np.argsort(result)[0][-1]
    print(f'音频:{args.audio_path} 的预测结果标签为:{class_labels[lab]}')


if __name__ == '__main__':
    infer()

其他

为了方便读取录制数据和制作数据集,这里提供了两个程序,首先是 record_audio.py,这个用于录制音频,录制的音频帧率为44100,通道为1,16bit。

import pyaudio
import wave
import uuid
from tqdm import tqdm
import os

s = input('请输入你计划录音多少秒:')

CHUNK = 1024
FORMAT = pyaudio.paInt16
CHANNELS = 1
RATE = 44100
RECORD_SECONDS = int(s)
WAVE_OUTPUT_FILENAME = "save_audio/%s.wav" % str(uuid.uuid1()).replace('-', '')

p = pyaudio.PyAudio()

stream = p.open(format=FORMAT,
                channels=CHANNELS,
                rate=RATE,
                input=True,
                frames_per_buffer=CHUNK)

print("开始录音, 请说话......")

frames = []

for i in tqdm(range(0, int(RATE / CHUNK * RECORD_SECONDS))):
    data = stream.read(CHUNK)
    frames.append(data)

print("录音已结束!")

stream.stop_stream()
stream.close()
p.terminate()

if not os.path.exists('save_audio'):
    os.makedirs('save_audio')

wf = wave.open(WAVE_OUTPUT_FILENAME, 'wb')
wf.setnchannels(CHANNELS)
wf.setsampwidth(p.get_sample_size(FORMAT))
wf.setframerate(RATE)
wf.writeframes(b''.join(frames))
wf.close()

print('文件保存在:%s' % WAVE_OUTPUT_FILENAME)
os.system('pause')

创建 crop_audio.py,在训练是只是裁剪前面的3秒的音频,所以我们要把录制的硬盘安装每3秒裁剪一段,把裁剪后音频存放在音频名称命名的文件夹中。最后把这些文件按照训练数据的要求创建数据列表和训练数据。

import os
import uuid
import wave
from pydub import AudioSegment


# 按秒截取音频
def get_part_wav(sound, start_time, end_time, part_wav_path):
    save_path = os.path.dirname(part_wav_path)
    if not os.path.exists(save_path):
        os.makedirs(save_path)
    start_time = int(start_time) * 1000
    end_time = int(end_time) * 1000
    word = sound[start_time:end_time]
    word.export(part_wav_path, format="wav")


def crop_wav(path, crop_len):
    for src_wav_path in os.listdir(path):
        wave_path = os.path.join(path, src_wav_path)
        print(wave_path[-4:])
        if wave_path[-4:] != '.wav':
            continue
        file = wave.open(wave_path)
        # 帧总数
        a = file.getparams().nframes
        # 采样频率
        f = file.getparams().framerate
        # 获取音频时间长度
        t = int(a / f)
        print('总时长为 %d s' % t)
        # 读取语音
        sound = AudioSegment.from_wav(wave_path)
        for start_time in range(0, t, crop_len):
            save_path = os.path.join(path, os.path.basename(wave_path)[:-4], str(uuid.uuid1()) + '.wav')
            get_part_wav(sound, start_time, start_time + crop_len, save_path)


if __name__ == '__main__':
    crop_len = 3
    crop_wav('save_audio', crop_len)

创建 infer_record.py,这个程序是用来不断进行录音识别,录音时间之所以设置为6秒,所以我们可以大致理解为这个程序在实时录音识别。通过这个应该我们可以做一些比较有趣的事情,比如把麦克风放在小鸟经常来的地方,通过实时录音识别,一旦识别到有鸟叫的声音,如果你的数据集足够强大,有每种鸟叫的声音数据集,这样你还能准确识别是那种鸟叫。如果识别到目标鸟类,就启动程序,例如拍照等等。

# 录音参数
CHUNK = 1024
FORMAT = pyaudio.paInt16
CHANNELS = 1
RATE = 44100
RECORD_SECONDS = 6
WAVE_OUTPUT_FILENAME = "infer_audio.wav"

# 打开录音
p = pyaudio.PyAudio()
stream = p.open(format=FORMAT,
                channels=CHANNELS,
                rate=RATE,
                input=True,
                frames_per_buffer=CHUNK)

# 获取录音数据
def record_audio():
    print("开始录音......")

    frames = []
    for i in range(0, int(RATE / CHUNK * RECORD_SECONDS)):
        data = stream.read(CHUNK)
        frames.append(data)

    print("录音已结束!")

    wf = wave.open(WAVE_OUTPUT_FILENAME, 'wb')
    wf.setnchannels(CHANNELS)
    wf.setsampwidth(p.get_sample_size(FORMAT))
    wf.setframerate(RATE)
    wf.writeframes(b''.join(frames))
    wf.close()
    return WAVE_OUTPUT_FILENAME


# 预测
def infer(audio_path):
    data = load_audio(audio_path, mode='infer')
    data = data[np.newaxis, :]
    data = torch.tensor(data, dtype=torch.float32, device=device)
    # 执行预测
    output = model(data)
    result = torch.nn.functional.softmax(output, dim=-1)
    result = result.data.cpu().numpy()
    # 显示图片并输出结果最大的label
    lab = np.argsort(result)[0][-1]
    return class_labels[lab]


if __name__ == '__main__':
    try:
        while True:
            # 加载数据
            audio_path = record_audio()
            # 获取预测结果
            label = infer(audio_path)
            print(f'预测的标签为:{label}')
    except Exception as e:
        print(e)
        stream.stop_stream()
        stream.close()
        p.terminate()

总结

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