有人可以解释这段代码如何使用 Accelerate Framework 将音量转换为分贝吗？

Posted 2023-02-25

【中文标题】有人可以解释这段代码如何使用 Accelerate Framework 将音量转换为分贝吗？

【英文标题】：Can someone explain how this code converts volume to decibels using the Accelerate Framework?

【发布时间】：2015-02-20 10:37:40

【问题描述】：

我正在使用 EZAudio 构建一个 ios 应用。它的委托返回一个float** 缓冲区，其中包含指示检测到的音量的浮点值。这个委托被不断调用，它的工作在不同的线程中完成。

我要做的是从 EZAudio 获取浮点值并将其转换为分贝。

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EZAudioDelegate

这是我的简化版EZAudio Delegate for getting Microphone Data：

- (void)microphone:(EZMicrophone *)microphone hasAudioReceived:(float **)buffer withBufferSize:(UInt32)bufferSize withNumberOfChannels:(UInt32)numberOfChannels 
    /*
     *  Returns a float array called buffer that contains the stereo signal data
     *  buffer[0] is the left audio channel
     *  buffer[1] is the right audio channel
     */

    // Using a separate audio thread to not block the main UI thread
    dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^

        float decibels = [self getDecibelsFromVolume:buffer withBufferSize:bufferSize];

        NSLog(@"Decibels: %f", decibels);

    );

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问题

问题是，在通过以下链接实施解决方案后，我不明白它是如何工作的。如果有人能解释它如何将音量转换为分贝，我将不胜感激

How to convert audio input to DB? #85

How to change the buffer size to increase FFT window? #50

Changing Buffer Size #84

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代码

解决方案使用Accelerate Framework中的以下方法将音量转换为分贝：

vDSP_vsq vDSP_meanv vDSP_vdbcon

下面是从 EZAudio Delegate 调用的方法getDecibelsFromVolume。它从委托传递float** buffer 和bufferSize。

- (float)getDecibelsFromVolume:(float**)buffer withBufferSize:(UInt32)bufferSize 

    // Decibel Calculation.

    float one = 1.0;
    float meanVal = 0.0;
    float tiny = 0.1;
    float lastdbValue = 0.0;

    vDSP_vsq(buffer[0], 1, buffer[0], 1, bufferSize);

    vDSP_meanv(buffer[0], 1, &meanVal, bufferSize);

    vDSP_vdbcon(&meanVal, 1, &one, &meanVal, 1, 1, 0);


    // Exponential moving average to dB level to only get continous sounds.

    float currentdb = 1.0 - (fabs(meanVal) / 100);

    if (lastdbValue == INFINITY || lastdbValue == -INFINITY || isnan(lastdbValue)) 
        lastdbValue = 0.0;
    

    float dbValue = ((1.0 - tiny) * lastdbValue) + tiny * currentdb;

    lastdbValue = dbValue;

    return dbValue;

【问题讨论】：

您是否查看了 Accelerate/vDSP.h 以了解 vDSP 功能的作用？

【参考方案1】：

我将解释如何使用代码计算信号的 dB 值，然后说明它与 vDSP 示例的关系。

首先，计算一块数据的 RMS 和

double sumSquared = 0;
for (int i = 0 ; i < numSamples ; i++)

   sumSquared += samples[i]*samples[i];

double rms = sumSquared/numSamples;

有关RMS的更多信息

接下来将 RMS 值转换为 dB

double dBvalue = 20*log10(rms);

这与示例代码有何关系

vDSP_vsq(buffer[0], 1, buffer[0], 1, bufferSize);

这一行循环遍历缓冲区并计算缓冲区中所有元素的平方。如果缓冲区在调用之前包含值[1,2,3,4]，那么在调用之后它将包含值[1,4,9,16]

vDSP_meanv(buffer[0], 1, &meanVal, bufferSize);

这一行循环遍历缓冲区，对缓冲区中的值求和，然后返回总和除以元素的数量。所以对于输入缓冲区[1,4,9,16] in 计算总和30，除以4 并返回结果7.5。

vDSP_vdbcon(&meanVal, 1, &one, &meanVal, 1, 1, 0);

这一行将meanVal 转换为分贝。在这里调用向量化函数确实没有意义，因为它只对单个元素进行操作。然而，它所做的是将参数插入以下公式：

meanVal = n*log10(meanVal/one)

其中n 是10 或20，具体取决于最后一个参数。在这种情况下，它是10。 10 用于功率测量，20 用于幅度。我认为20 更适合您使用。

最后一点代码看起来正在对结果进行一些简单的平滑处理，以使仪表不那么有弹性。

【讨论】：

非常感谢@jacket！您能否解释一下您的意思："There is really no point in calling a vectorized function here since it is only operating on a single element." 当您说vectorized function 时，您指的是vDSP_vdbcon 吗？会有什么变化？

我的意思是 vDSP_vdbcon 已优化为将值数组转换为 dB，但您的代码仅使用单个浮点数 meanVal 调用它。这并不是真的毫无意义，只是不会像meanVal = 20*log10(meanVal);

那样编写编码来获得任何性能优势

天啊.. 苹果真的很喜欢把事情复杂化。非常感谢您的解释。