Wizard Notes

Pythonを使った音楽信号分析の技術録、作曲活動に関する雑記

Python

高次のバターワースフィルタ(ハイパス)の不安定性について scipy.signal.butterworth

マルチバンド処理用のフィルタバンク実装でバターワースフィルタによるハイパスフィルタを使おうとすると,7次くらいから周波数応答が不安定になりました. ハイパスフィルタ 周波数応答をプロット してみると,scipy.signal.butterworthのハイパスフィルタ…

Python:変数がNumPy配列かどうか判別する方法

Pythonで数値計算や信号処理をしていると,NumPy配列かどうか判別したいことがあります. import numpy as np np_array = np.array([0, 1, 2]) type(np_array) #=> <class 'numpy.ndarray'> type(python_list) #=> <class 'list'> 以上の例から NumPy配列とPythonのリストオブジェクトは異なるため</class></class>…

Python:マルチバンド処理用フィルタバンクのクラス設計・実装・動作検証

以前の記事では,木構造のような信号処理フローのマルチバンド処理を紹介しました. この記事では、実装・利用しやすさに着目して信号処理フローを再設計・実装します。 設計 以前の記事では木構造の処理フローでしたが,今回は低域のカットオフ周波数から徐…

オーディオクロスオーバー向け補完フィルタ(バターワース)でのオールパスフィルタのフィルタ係数算出と検証

以前の記事で,低域・高域を別々に処理するようなマルチバンド処理(オーディオクロスオーバー)の実装方法を紹介しました. www.wizard-notes.com www.wizard-notes.com 上記の記事では,補完フィルタのローパス・ハイパスフィルタの並列接続したことで生成…

複数の2帯域分割(補完)フィルタを使ったマルチバンド処理のPython実装(3バンド以上)

以前の記事では,低域・高域を別々に処理するようなマルチバンド処理(オーディオクロスオーバー)を実現するフィルタバンクの例として、2バンドの場合の実装方法を紹介しました. www.wizard-notes.com ただ,より実用的なプラグイン/ソフトウェアを作るこ…

Python:FIR/IIRフィルタの直列/並列接続の周波数応答(伝達関数)プロット (scipy.signal.freqz)

複雑な信号処理プラグインを開発する場合、複数のFIR/IIRフィルタを組み合わせることがよくあります。 そこで,FIR/IIRフィルタの直列/並列接続時の周波数応答をプロットするサンプルコードを作成しました。 回路全体の伝達関数を確認するだけでなく、フィル…

Pythonでゲーム音楽(チップチューン)の基本波形を生成(サイン波,矩形波,のこぎり波,三角波,白色雑音)

シンセサイザ(オシレータ)の基本波形として一般的なサイン波,矩形波,のこぎり波,三角波,白色雑音は,ファミコンのBGMのようなゲーム音楽(チップチューン)の作成や音信号処理のテストでよく利用されます. サイン波は基本周波数(音高)をとすると, …

マルチバンド(オーディオクロスオーバー)処理を実現するフィルタ(Butterworth, Linkwitz-Riley)のPython実装(2バンド)

低域・高域のような周波数帯域別に信号処理する場合、いい感じに帯域を分割するフィルタが必要になります。 ソフトウェア/プラグインの具体例としてはマルチバンドコンプレッサが挙げられます。 このような回路の特性としては、音質に影響を与えるような振…

Pythonでゼロ位相フィルタリング (scipy.filter.filtfilt)

はじめに ゼロ位相フィルタリングの実装方法 scipy.signal.filtfiltを使ったゼロ位相フィルタ lfilter x 2 でのゼロ位相フィルタリング 参考Webサイト はじめに 双2次フィルタ (SOS) やバターワース/チェビシェフフィルタなどといったIIRフィルタは,FIRフ…

Python:半音ごとに音高を抽出するIIRフィルタバンクの作成と使い方 (librosa.filters.semitone_filterbank)

はじめに 音の高さの分析は,メロディや和音の推定に使われる重要な前処理です. 本ブログではこれまで,音の高さの分析手法として一般的である,定Q変換やフーリエ変換を使う手法を紹介してきました. www.wizard-notes.com これらの手法は周波数領域で信号…

Python: 高品質フェーズボコーダ pyrubberband でタイムストレッチ・ピッチシフト

オーディオ信号の再生速度・音高の変更はよく利用される処理です。 そのアルゴリズムはいくつかありますが、リアルタイム処理向けの手法としてはフェーズボコーダという手法があります。 Pythonでは、音楽信号分析ライブラリLibROSAにおいてフェーズボコーダ…

Python-sounddevice で音声や歌声をリアルタイム収音・再生・録音

Pythonで音声や歌声、楽器音などの収音・再生・録音を行うためのライブラリとしてはPyAudioが知られていますが、 低遅延であるASIO規格が利用できない Python 3.7 以上には非対応 というデメリットがあります*1。 Python 3.7 以上でASIO対応デバイスを利用可…

Python:数値で色をグラデーションさせて16進数カラーコードとして取得&HTML 表の自動生成 (matplotlib)

1次元の数値→16進数カラーコード HTML 表の自動生成 まとめ 1次元の数値→16進数カラーコード データ分析をするアプリ/プログラムでは、数値に基づいて色をグラデーションさせたいということが多々あります。 例えばPythonでは、matplotlib を使ったプロット…

Python:あるディレクトリの複数の特定拡張子ファイルをまとめて削除

Pythonでファイル処理をしていると、例えば、 「あるディレクトリ(フォルダ)の中にある、 ".png"と".wav"と".txt"という拡張子のファイルを全て削除したい」 というような状況がよくあります。 このような、あるディレクトリの複数の特定拡張子ファイルを…

Python:Spotify Web API であるアーティストの全てのアルバムの全楽曲情報を取得する

市販楽曲の情報を入手する手軽な手段として、Spotify Web APIがあります。 以前の記事では、キーワードを入力して楽曲を検索していました。 www.wizard-notes.com しかし、この方法だとあるアーティストの名前をキーワードとして与えても、そのアーティスト…

Python:audioread で mp3, aac, m4a 形式のオーディオファイルをNumPy配列として読み込む

以下の記事にありますように、Python ではオーディオファイルの読み込むライブラリが複数あります。 しかし,.mp3, .aac, .m4a といった圧縮コーデックを読み込むものは多くありません。 www.wizard-notes.com 今回紹介する audioread では ffmpeg のような…

LibROSA:音楽のBPM・テンポ分析に便利なテンポグラムを数行で実装

音楽の分析方法としてBPM・テンポの分析は非常に重要です。 BPM・テンポの分析を行うことで、楽曲の雰囲気、ノリ、音楽ジャンルといった全体的な特徴を捉えることができます。 BPM・テンポの分析方法としては、テンポグラムという便利な手法があります。 テ…

Python:様々な拡張子&複数の楽曲ファイルを読み込んでNumPy配列として格納(wav, flac, mp3, aac, m4a, alac, etc.)

表題のとおり,様々な拡張子に対応し,複数の楽曲ファイルを一括でNumpy配列に変換する関数です。 大量の音楽ファイルを分析する場合にオススメです。 ファイルの読み込みは librosa.load() を使っています。 librosa.load()は引数にサンプリング周波数を与…

定Q変換のPython 実装:バッチ処理向けの実装方法の紹介と計算速度の比較

前回の記事では,音楽信号の音高分析に便利な定Q変換 (CQT)のアルゴリズムや実装方法による計算速度の比較を行いました。 www.wizard-notes.com 結果として,再帰的ダウンサンプリング法による定Q変換がリアルタイム処理で実用的な計算速度であることが分か…

定Q変換のPython 実装のアルゴリズム/実装方法による計算速度の比較

音楽信号の音高分析に便利な定Q変換 (CQT)。 これまでにいくつか計算アルゴリズムや実装方法の種類を紹介してきました。 おそらく再帰的ダウンサンプリング法が速いと思っていたのですが、条件によっては疎行列計算と変わらないことがあったりと、実環境での…

再帰的ダウンサンプリング法による定Q変換 (CQT) のPython 実装とアルゴリズム解説

定Q変換 (CQT)は歌声・音楽の音高/メロディ/和音を分析するのに便利な周波数分析方法です。 例えば,CQTスペクトログラムを算出すれば各音高(ドレミファ…)がどのくらいの強さで鳴っているかを時系列で観察することができます。 以下の記事では、定Q変換…

定Q変換のリアルタイム向けPython実装の解説(音高・コード・メロディの分析向け)

定Q変換は音楽信号の音高・コード・メロディ分析に相性の良い周波数分析手法です. この記事では,前回の定Q変換 (CQT: Constant-Q Transform) の 解説 の内容をPythonで実装する方法を解説します. Pythonの実装ですが,C++やJavascriptなど,様々な言語で…

定Q変換 (CQT: Constant-Q Transform) の 解説(音高・コード・メロディの分析向け)

はじめに 音信号の時間周波数分析にはFFT (高速フーリエ変換) /STFT(短時間フーリエ変換)がよく使われます. しかし,FFTの性質上,音高に関わる分析をしようとすると実装や分析精度の向上に手間がかかります。 そこで,この記事では音楽信号の分析によく…

Python:信号長に近い2の累乗(2**n)のFFTフレームサイズを求める

FFTを使う時,なるべく高速に計算するためにフレームサイズを2の累乗に設定するのが一般的ですが、入力する信号の長さが2の累乗でない時があります。 そういう時は,フレームサイズが2の累乗になるように、ゼロパディング or カットします。 その際には、信…

音声・オーディオ版MNIST "FSDD (Free Spoken Digit Dataset)" の紹介と,メルスペクトログラム算出

7万枚の手書き数字の画像+ラベルのデータセットである MNIST は,今では機械学習・深層学習のHello Worldとして非常に多くの人に利用されていて有名です. MNISTの1つのデータは 白黒画像・28x28ピクセル,全体でも7万件なので大規模データですがデータセッ…

球面 (Spherical) K-means のクラスタリングのデモと実装例(Python,PyQtGraph)

データをクラスタリングするアルゴリズムの代表的な手法の一つとして,K-means (k平均法)が知られています. シンプルな動作原理でクラスタリングできるので取っつきやすく,また,新たな仮定や制約を追加することで様々な派生アルゴリズムが提案されてきまし…

Pythonで12音平均律の各音高をカラフルにライブプロット

PyQtGraphの複数の線グラフプロットを利用して,12音平均律で音高ごとに色を変えてライブプロットしたら綺麗&役立つかなと思い作ってみました. もう少しブラッシュアップしようと思ったのですが,後述の理由でお蔵入りになったので,供養としてソースコー…

Python:PyQtGraphでメルスペクトログラムをリアルタイム描画

音楽再生ソフトやプラグインでよく見かける,スペクトログラムのリアルタイムプロット. どの周波数帯域で音が鳴っているのかをリアルタイムで可視化できるので非常に便利です. Pythonでスペクトログラムのリアルタイムプロットをやろうとすると,やはりリ…

PyQtGraph エラー対処(ImportError: cannot import name 'sip', Exception: pyqtgraph requires Qt version >= 5.12)

PyQtGraph example Python をver. 3.8にアップデートして PyQtGraphをインストール後,PyQtGraphを使ったスクリプトを実行した際に以下の2つのエラーが発生しました. ImportError: cannot import name 'sip' from 'PyQt5' Exception: pyqtgraph requires Qt…

Windows+Python 3.7, 3.8, 3.9, 3.10 でのPyAudioのインストール方法・エラー対処

PyAudio Pythonのバージョンを3.5からアップデートしたところ,PyAudioのインストールに失敗しました. 調べてみると,PyPIのPyAudio wheel は Python 2.7, 3.4, 3.5, 3.6 以外には非対応となっています. pip will fetch and install PyAudio wheels (prepa…