比较两个频谱图以找到它们匹配算法的偏移量

Posted 2023-02-25

【中文标题】比较两个频谱图以找到它们匹配算法的偏移量

【英文标题】：Compare two spectogram to find the offset where they match algorithm

【发布时间】：2011-04-13 15:26:18

【问题描述】：

我每天录制来自互联网的 2 分钟广播。总是有相同的开始和结束的叮当声。由于广播的确切时间可能在 6 分钟左右不等，因此我必须录制大约 15 分钟的广播。

我希望确定这些叮当声在 15 分钟记录中的确切时间，以便我可以提取我想要的音频部分。

我已经启动了一个 C# 应用程序，我将 MP3 解码为 PCM 数据，并将 PCM 数据转换为基于 http://www.codeproject.com/KB/audio-video/SoundCatcher.aspx 的频谱图

我尝试对 PCM 数据使用互相关算法，但该算法非常慢，大约 6 分钟，步长为 10 毫秒，有时它无法找到叮当声的开始时间。

有什么算法可以比较两个频谱图进行匹配吗？还是找到叮当声开始时间的更好方法？

谢谢，

更新，抱歉耽搁了

首先，感谢所有回答者，他们中的大多数都是相关或有趣的想法。

我尝试实现 fonzo 提出的 Shazam 算法。但未能检测到频谱图中的峰值。这是来自三个不同记录的起始铃声的三个频谱图。我尝试了 AForge.NET 与 blob 过滤器（但它无法识别峰值），模糊图像并检查高度差异，拉普拉斯卷积，斜率分析，检测一系列垂直条（但有太多错误正）...

同时，我尝试了 Dave Aaron Smith 提出的 Hough 算法。我在哪里计算每列的 RMS。是的，是每一列，它是 O(N*M) 但 M

我可以采用那个解决方案，但如果可能的话，我更喜欢 Shazam，因为它是 O(N) 并且可能更快（也更酷）。多亏了添加评论

新更新

最后，我采用了上面解释的算法，我尝试实现 Shazam 算法，但未能在频谱图中找到适当的峰值，即从一个声音文件到另一个声音文件的识别点不是恒定的。理论上，Shazam 算法是这类问题的解决方案。 Dave Aaron Smith 提出的 Hough 算法更加稳定有效。我拆分了大约 400 个文件，其中只有 20 个无法正确拆分。磁盘空间从 8GB 到 1GB。

谢谢你的帮助。

【参考方案1】：

这里有一个关于 shazam 服务使用的算法的描述（它可以识别给定一个简短的可能嘈杂的样本的音乐）：http://www.ee.columbia.edu/~dpwe/papers/Wang03-shazam.pdf 据我了解，首先要做的是隔离频谱图中的峰值（进行一些调整以确保均匀覆盖），这将从初始频谱图中给出一对值（时间；频率）的“星座”。完成后，通过将样本长度的窗口从头到尾平移并计算相关点的数量，将样本星座与完整轨道的星座进行比较。 然后，该论文描述了他们发现的技术解决方案，即使在大量曲目的情况下也能够快速进行比较。

【参考方案2】：

我想知道您是否可以使用Hough transform。您将从对开场序列的每个步骤进行编目开始。假设您使用 10 毫秒的步长，而打开序列的长度为 50 毫秒。你计算每一步的一些指标并得到

1 10 1 17 5

现在检查您的音频并分析每 10 毫秒的步长以获取相同的指标。调用这个数组have_audio

8 10 8 7 5 1 10 1 17 6 2 10...

现在创建一个与have_audio 长度相同的新空数组。叫它start_votes。它将包含开场序列开始的“投票”。如果您看到 1，则您可能处于开局序列的第 1 步或第 3 步，因此您对 1 步前开始的开局序列有 1 票，对 3 步前开始的开局序列有 1 票。如果您看到 10，则您对 2 步前开始的开场序列有 1 票，4 步前有 17 票，依此类推。

所以对于那个例子have_audio，你的votes看起来像

2 0 0 1 0 4 0 0 0 0 0 1 ...

你在第 6 位有很多选票，所以开场顺序很有可能从第 6 位开始。

您可以通过不费心分析整个开场序列来提高性能。如果开场序列是 10 秒长，您可以只搜索前 5 秒。

【讨论】：

您好，感谢您的回复，我今天学到了一些东西。但我真的不知道可以使用什么指标来表示信号的一部分。频谱图是一个数组，我可以针对不同的频率（例如 100）运行该算法，并对每个部分的投票求和。但是我想知道性能。

是的，霍夫变换用于计算机视觉，我对音频信号处理了解不多。这是一个聪明的主意，虽然可以测量特定的频率。

【参考方案3】：

这是一个很好的 python 包，它可以做到这一点：

https://code.google.com/p/py-astm/

如果您正在寻找特定的算法，可以使用“声学指纹”或“感知散列”这样的搜索词。

这是另一个也可以使用的 python 包：

http://rudd-o.com/new-projects/python-audioprocessing/documentation/manuals/algorithms/butterscotch-signatures

【参考方案4】：

如果您已经知道叮当声序列，则可以分析与序列的相关性，而不是整个 15 分钟曲目之间的互相关性。

为了快速计算与（短）序列的相关性，我建议使用Wiener filter。

编辑：维纳滤波器是一种在有噪声的序列中定位信号的方法。在这个应用程序中，我们将任何“不叮当”的东西都视为噪声（读者的问题：我们仍然可以假设噪声是白色的并且不相关吗？）。

(我找到了我要找的参考资料！我记得的公式有点不对劲，我现在就删除它们)

相关页面为Wiener deconvolution。我们的想法是，我们可以定义一个系统，其脉冲响应h(t) 具有与叮当声相同的波形，并且我们必须在噪声序列中定位系统接收到脉冲（即：发出叮当声）的点。

既然知道叮当声，我们可以计算它的功率谱H(f)，并且由于我们可以假设在记录的序列中出现了单个叮当声，我们可以说未知输入x(t)具有脉冲形状，其功率密度S(f)在每个频率下都是恒定的。

根据上面的知识，您可以使用公式获得一个“Jingle-pass”过滤器（即只有形状像铃铛的信号才能通过），它在播放铃铛时输出最高。

【讨论】：

您好，感谢您的回复。我不确定我是否理解我目前在完整的 15 分钟曲目和 10 秒叮当声之间关联的第一部分。对不起，我不清楚。此外，维纳滤波器似乎是一种去除噪声的滤波器，您是否认为有时相关失败的原因是因为噪声？谢谢

一旦你有了叮当声序列，你可以将整个剪辑分割成 10 秒较短的剪辑，并检查叮当声和每个剪辑的互相关性。最相关的剪辑是带有叮当声的剪辑（问题：如果叮当声被分成两个剪辑会发生什么？）。

注意：答案中的解释与我在评论中建议的方法不同

谢谢。实际上我目前正在这样做，但步骤是 10 毫秒而不是 10 秒，剪辑长度为 10 秒，因此它们重叠。然而，有时算法无法返回好的答案。我仍然会尝试你的建议，也许我可以得到 n 个最好的较短剪辑，并以更小的步骤重新执行算法。谢谢。

如果您有时间，也可以尝试构建 jingle-pass 滤波器：作为线性滤波器，它不应该造成效率问题。