音频变时不变调处理(SoundTouch WSOLA)

现在已有一些博客写这相关的内容，但是真的写的看完和没看一样，我最近也研究了一下相关内容，为自己记个笔记，同时也分享出来，和大家一起讨论

变时不变调时音频处理里的一个小方向，但又没那么简单，算法有很多，我就以soundtouch库为例来展开聊一下。

• soundtouch是一个音频处理开源库，其官网（http://soundtouch.surina.net），该库支持在windows、GNU、android平台的安装，有编译好的库也有源码。
• soundtouch能处理wav格式的音频。
• soundtouch支持音频的变时不变调处理(tempo)，变调不变时处理(pitch)，和变时变调处理(playback rate)，在soundtouch的可执行命令里对应tempo、pitch、rate，其实这三个参数是通过两大类算法来控制的，tempo是通过类WSOLA算法来控制音频的时长且不改变音频的音调，rate是通过采样的算法加滤波算法(这两者一般是在一起的，不管是上采样还是下采样，因为抽取可能产生混叠，内插可能产生镜像，所以分别要使用抗混叠或抗镜像滤波器来处理，这两种滤波器一般都是低通滤波去)来控制音频的时长同时也改变音频的音调，pitch就是tempo+rate的结果。
• soundtouch库对音频进行变时不变调处理时会有100ms的延时。

下面主要就讲一下WSOLA算法，这里不会讲到太深的理论，不使用复杂公式，通过一篇综述来讲一下：
综述名叫《A Review of Time-Scale Modification of Music Signals》，可以自己google一下，我传到我的资源上了

1.音频的时长变换TSM
时长变换基本分为三个步骤：

• 将音频按帧分解
• 将分解好的帧重新定位
• 合成最终音频

如下图所示：

2.OLA算法(Overlap-Add)
看名字可以理解，这就是一个简单的叠加算法，先将输入的音频进行分帧处理，然后进行音频合成(叠加)，叠加间隔计算如下面公式

OLA算法如下图所示：

这样做会使得产生的音频有两个问题：

• 会造成音频的不连续，如下图所示
  

• 直接叠加会造成音频叠加部分信号幅值改变，如下图所示
  
  3.WSOLA算法(Waveform Similarity Overlap-Add)
  WSOLA类似于SOLA，不同的是在对输入音频分解成音频帧后不直接叠加，而是在一定的范围内查找待叠加的音频帧，该音频帧要符合与原位置处音频帧“波形最相似”的条件，符合该条件的音频帧作为输出帧进行输出视频的合成。“波形最相似”可以通过互相关系数来确定。
  上面这句话可能较难理解，但是是核心，可以结合下图来理解(图片的注释很有帮助)
  

原理基本就这样了，回到sountouch的源码来看一下，源码下载地址(http://soundtouch.surina.net/download.html)，我目前下的是SoundStretch 2.0 for Mac OSX 版本，下载后解压，按照Readme安装该库，在文件夹soundstretch_mac_osx_v2.0.0/soundtouch/source中保存着soundtouch的源码，其中source/SoundStretch保存着一个使用样例用于音频的变时不变调处理，source/SoundTouch保存着soundtouch的源码。

自己用xcode新建了一个工程，源码使用source/SoundStretch，如下图所示

在上图中，soundtouch_test文件夹中，main里面是主函数，RunParameters是用来处理输入参数的类，WavFile是用来处理wav文件的类，TDStretch就是用来处理变时不变调的类(改变tempo)，RateTransposer是用来处理音频采样的类(改变tempo和pitch)，pitch的实现则是使用了TDStretch和RateTranspose两个类。
在处理变时不变调时，可以调整三个参数，DEFAULT_SEQUENCE_MS、DEFAULT_SEEKWINDOW_MS、DEFAULT_OVERLAP_MS，这部分的设置方法可以在readme和TDStretch.h看到一些信息，默认的设置是有利于处理音乐音频，如果要处理演讲类的音频TDStretch.h给出了另一组设置。DEFAULT_SEQUENCE_MS指的是处理的音频片段长度，DEFAULT_SEEKWINDOW_MS指的是WSOLA算法中查找“波形最相似”音频的区域大小，DEFAULT_OVERLAP_MS指的是最后的叠加区域大小。

还有一点要注意的是在SoundTouch类中定义了virtualTempo、virtualPitch、virtualRate，这些是外部设置的参数与命令工具的tempo、pitch、rate不对应，而内部运算用的也不是virtualTempo、virtualPitch、virtualRate，而是SoundTouch类中的tempo、rate（如果命令工具设置tempo=-70则virtualTempo=0.3、virtualPitch=1、virtualRate=1，tempo=0.3、rate=1）