Audio Classification toolkit on Pytorch
Project description
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。
欢迎大家扫码入QQ群讨论，或者直接搜索QQ群号758170167，问题答案为博主Github的IDyeyupiaoling。
使用准备
- Anaconda 3
- Python 3.8
- Pytorch 1.13.1
- Windows 10 or Ubuntu 18.04
项目特性
- 支持模型：EcapaTdnn、PANNS、TDNN、Res2Net、ResNetSE
- 支持池化层：AttentiveStatsPool(ASP)、SelfAttentivePooling(SAP)、TemporalStatisticsPooling(TSP)、TemporalAveragePooling( TAP)
- 支持预处理方法：MelSpectrogram、Spectrogram、MFCC、Fbank
模型测试表
| 模型 | 预处理方法 | 数据集 | 类别数量 | 准确率 |
|---|---|---|---|---|
| EcapaTdnn | Flank | UrbanSound8K | 10 | 0.94318 |
| PANNS（CNN14） | Flank | |||
| TDNN | Flank | |||
| Res2Net | Flank | |||
| ResNetSE | Flank |
安装环境
- 首先安装的是Pytorch的GPU版本，如果已经安装过了，请跳过。
conda install pytorch==1.13.1 torchvision==0.14.1 torchaudio==0.13.1 pytorch-cuda=11.6 -c pytorch -c nvidia
- 安装macls库。
使用pip安装，命令如下：
python -m pip install macls -U -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple
建议源码安装，源码安装能保证使用最新代码。
git clone https://github.com/yeyupiaoling/AudioClassification_Pytorch.git
cd AudioClassification_Pytorch/
python setup.py install
数据数据
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：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。
执行create_data.py即可生成数据列表，里面提供了两种生成列表方式，第一种是自定义的数据，第二种是生成Urbansound8K的数据列表，具体看代码。
python create_data.py
生成的列表是长这样的，前面是音频的路径，后面是该音频对应的标签，从0开始，路径和标签之间用\t隔开。
dataset/UrbanSound8K/audio/fold2/104817-4-0-2.wav 4
dataset/UrbanSound8K/audio/fold9/105029-7-2-5.wav 7
dataset/UrbanSound8K/audio/fold3/107228-5-0-0.wav 5
dataset/UrbanSound8K/audio/fold4/109711-3-2-4.wav 3
修改预处理方法
配置文件中默认使用的是MelSpectrogram预处理方法，如果要使用其他预处理方法，可以修改配置文件中的安装下面方式修改，具体的值可以根据自己情况修改。如果不清楚如何设置参数，可以直接删除该部分，直接使用默认值。
preprocess_conf:
# 音频预处理方法，支持：MelSpectrogram、Spectrogram、MFCC、Fbank
feature_method: 'MelSpectrogram'
# 设置API参数，更参数查看对应API，不清楚的可以直接删除该部分，直接使用默认值
method_args:
sample_rate: 16000
n_fft: 1024
hop_length: 320
win_length: 1024
f_min: 50.0
f_max: 14000.0
n_mels: 64
训练
接着就可以开始训练模型了，创建 train.py。配置文件里面的参数一般不需要修改，但是这几个是需要根据自己实际的数据集进行调整的，首先最重要的就是分类大小dataset_conf.num_class，这个每个数据集的分类大小可能不一样，根据自己的实际情况设定。然后是dataset_conf.batch_size，如果是显存不够的话，可以减小这个参数。
# 单卡训练
CUDA_VISIBLE_DEVICES=0 python train.py
# 多卡训练
CUDA_VISIBLE_DEVICES=0,1 torchrun --standalone --nnodes=1 --nproc_per_node=2 train.py
训练输出日志：
[2023-08-07 22:54:22.148973 INFO ] utils:print_arguments:14 - ----------- 额外配置参数 -----------
[2023-08-07 22:54:22.148973 INFO ] utils:print_arguments:16 - configs: configs/ecapa_tdnn.yml
[2023-08-07 22:54:22.148973 INFO ] utils:print_arguments:16 - local_rank: 0
[2023-08-07 22:54:22.148973 INFO ] utils:print_arguments:16 - pretrained_model: None
[2023-08-07 22:54:22.148973 INFO ] utils:print_arguments:16 - resume_model: None
[2023-08-07 22:54:22.148973 INFO ] utils:print_arguments:16 - save_model_path: models/
[2023-08-07 22:54:22.148973 INFO ] utils:print_arguments:16 - use_gpu: True
[2023-08-07 22:54:22.148973 INFO ] utils:print_arguments:17 - ------------------------------------------------
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:19 - ----------- 配置文件参数 -----------
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:22 - dataset_conf:
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:25 - aug_conf:
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:27 - noise_aug_prob: 0.2
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:27 - noise_dir: dataset/noise
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:27 - speed_perturb: True
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:27 - volume_aug_prob: 0.2
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:27 - volume_perturb: False
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:25 - dataLoader:
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:27 - batch_size: 64
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:27 - num_workers: 4
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:29 - do_vad: False
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:25 - eval_conf:
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:27 - batch_size: 1
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:27 - max_duration: 20
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:29 - label_list_path: dataset/label_list.txt
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:29 - max_duration: 3
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:29 - min_duration: 0.5
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:29 - sample_rate: 16000
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:25 - spec_aug_args:
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:27 - freq_mask_width: [0, 8]
[2023-08-07 22:54:22.202166 INFO ] utils:print_arguments:27 - time_mask_width: [0, 10]
[2023-08-07 22:54:22.203167 INFO ] utils:print_arguments:29 - target_dB: -20
[2023-08-07 22:54:22.203167 INFO ] utils:print_arguments:29 - test_list: dataset/test_list.txt
[2023-08-07 22:54:22.203167 INFO ] utils:print_arguments:29 - train_list: dataset/train_list.txt
[2023-08-07 22:54:22.203167 INFO ] utils:print_arguments:29 - use_dB_normalization: True
[2023-08-07 22:54:22.203167 INFO ] utils:print_arguments:29 - use_spec_aug: True
[2023-08-07 22:54:22.203167 INFO ] utils:print_arguments:22 - model_conf:
[2023-08-07 22:54:22.207167 INFO ] utils:print_arguments:29 - num_class: 10
[2023-08-07 22:54:22.207167 INFO ] utils:print_arguments:29 - pooling_type: ASP
[2023-08-07 22:54:22.207167 INFO ] utils:print_arguments:22 - optimizer_conf:
[2023-08-07 22:54:22.207167 INFO ] utils:print_arguments:29 - learning_rate: 0.001
[2023-08-07 22:54:22.207167 INFO ] utils:print_arguments:29 - optimizer: Adam
[2023-08-07 22:54:22.207167 INFO ] utils:print_arguments:29 - scheduler: WarmupCosineSchedulerLR
[2023-08-07 22:54:22.207167 INFO ] utils:print_arguments:25 - scheduler_args:
[2023-08-07 22:54:22.207167 INFO ] utils:print_arguments:27 - max_lr: 0.001
[2023-08-07 22:54:22.207167 INFO ] utils:print_arguments:27 - min_lr: 1e-05
[2023-08-07 22:54:22.207167 INFO ] utils:print_arguments:27 - warmup_epoch: 5
[2023-08-07 22:54:22.207167 INFO ] utils:print_arguments:29 - weight_decay: 1e-06
[2023-08-07 22:54:22.207167 INFO ] utils:print_arguments:22 - preprocess_conf:
[2023-08-07 22:54:22.207167 INFO ] utils:print_arguments:29 - feature_method: Fbank
[2023-08-07 22:54:22.208167 INFO ] utils:print_arguments:25 - method_args:
[2023-08-07 22:54:22.208167 INFO ] utils:print_arguments:27 - num_mel_bins: 80
[2023-08-07 22:54:22.208167 INFO ] utils:print_arguments:27 - sample_frequency: 16000
[2023-08-07 22:54:22.208167 INFO ] utils:print_arguments:22 - train_conf:
[2023-08-07 22:54:22.208167 INFO ] utils:print_arguments:29 - log_interval: 10
[2023-08-07 22:54:22.208167 INFO ] utils:print_arguments:29 - max_epoch: 30
[2023-08-07 22:54:22.208167 INFO ] utils:print_arguments:31 - use_model: EcapaTdnn
[2023-08-07 22:54:22.208167 INFO ] utils:print_arguments:32 - ------------------------------------------------
[2023-08-07 22:54:22.213166 WARNING] trainer:__init__:67 - Windows系统不支持多线程读取数据，已自动关闭！
==========================================================================================
Layer (type:depth-idx) Output Shape Param #
==========================================================================================
EcapaTdnn [1, 10] --
├─Conv1dReluBn: 1-1 [1, 512, 98] --
│ └─Conv1d: 2-1 [1, 512, 98] 204,800
│ └─BatchNorm1d: 2-2 [1, 512, 98] 1,024
├─Sequential: 1-2 [1, 512, 98] --
│ └─Conv1dReluBn: 2-3 [1, 512, 98] --
│ │ └─Conv1d: 3-1 [1, 512, 98] 262,144
│ │ └─BatchNorm1d: 3-2 [1, 512, 98] 1,024
│ └─Res2Conv1dReluBn: 2-4 [1, 512, 98] --
│ │ └─ModuleList: 3-15 -- (recursive)
│ │ └─ModuleList: 3-16 -- (recursive)
│ │ └─ModuleList: 3-15 -- (recursive)
│ │ └─ModuleList: 3-16 -- (recursive)
│ │ └─ModuleList: 3-15 -- (recursive)
│ │ └─ModuleList: 3-16 -- (recursive)
│ │ └─ModuleList: 3-15 -- (recursive)
│ │ └─ModuleList: 3-16 -- (recursive)
│ │ └─ModuleList: 3-15 -- (recursive)
│ │ └─ModuleList: 3-16 -- (recursive)
···································
│ │ └─ModuleList: 3-56 -- (recursive)
│ │ └─ModuleList: 3-55 -- (recursive)
│ │ └─ModuleList: 3-56 -- (recursive)
│ │ └─ModuleList: 3-55 -- (recursive)
│ │ └─ModuleList: 3-56 -- (recursive)
│ └─Conv1dReluBn: 2-13 [1, 512, 98] --
│ │ └─Conv1d: 3-57 [1, 512, 98] 262,144
│ │ └─BatchNorm1d: 3-58 [1, 512, 98] 1,024
│ └─SE_Connect: 2-14 [1, 512, 98] --
│ │ └─Linear: 3-59 [1, 256] 131,328
│ │ └─Linear: 3-60 [1, 512] 131,584
├─Conv1d: 1-5 [1, 1536, 98] 2,360,832
├─AttentiveStatsPool: 1-6 [1, 3072] --
│ └─Conv1d: 2-15 [1, 128, 98] 196,736
│ └─Conv1d: 2-16 [1, 1536, 98] 198,144
├─BatchNorm1d: 1-7 [1, 3072] 6,144
├─Linear: 1-8 [1, 192] 590,016
├─BatchNorm1d: 1-9 [1, 192] 384
├─Linear: 1-10 [1, 10] 1,930
==========================================================================================
Total params: 6,188,490
Trainable params: 6,188,490
Non-trainable params: 0
Total mult-adds (M): 470.96
==========================================================================================
Input size (MB): 0.03
Forward/backward pass size (MB): 10.28
Params size (MB): 24.75
Estimated Total Size (MB): 35.07
==========================================================================================
[2023-08-07 22:54:26.726095 INFO ] trainer:train:344 - 训练数据：8644
[2023-08-07 22:54:30.092504 INFO ] trainer:__train_epoch:296 - Train epoch: [1/30], batch: [0/4], loss: 2.57033, accuracy: 0.06250, learning rate: 0.00001000, speed: 19.02 data/sec, eta: 0:06:43
评估
每轮训练结束可以执行评估，评估会出来输出准确率，还保存了混合矩阵图片，保存路径output/images/，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。
python infer.py --audio_path=dataset/UrbanSound8K/audio/fold5/156634-5-2-5.wav
其他功能
- 为了方便读取录制数据和制作数据集，这里提供了录音程序
record_audio.py，这个用于录制音频，录制的音频采样率为16000，单通道，16bit。
python record_audio.py
infer_record.py这个程序是用来不断进行录音识别，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。
python infer_record.py --record_seconds=3
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