[c++] 오디오 스펙트럼 분석

15 Dec 2023

오디오 스펙트럼 분석은 주파수 영역에서 오디오 신호의 속성을 분석하는 중요한 기술입니다. C++은 그 성능과 높은 처리 속도로 인해 오디오 처리 및 분석 애플리케이션에 이상적인 언어입니다.

오디오 데이터 준비

오디오 데이터를 스펙트럼 분석하기 위해서는 먼저 오디오 파일을 로드하고, 효율적으로 오디오 데이터를 처리할 수 있는 형태로 변환해야 합니다. C++에서는 PortAudio나 libsndfile과 같은 라이브러리를 사용하여 오디오 파일을 로드하고 처리할 수 있습니다.

다음은 오디오 파일을 로드하고 waveform 데이터를 얻는 C++ 코드의 예시입니다.

#include <iostream>
#include <vector>
#include <sndfile.h>

int main() {
    SNDFILE* file = sf_open("audio.wav", SFM_READ, &sfinfo);

    if (file == NULL) {
        // error handling
    }

    int num_channels = sfinfo.channels;
    int num_frames = sfinfo.frames;
    std::vector<float> samples(num_channels * num_frames);
    sf_readf_float(file, &samples[0], num_frames);

    sf_close(file);

    // 스펙트럼 분석을 수행하기 위해 준비된 오디오 데이터(samples)를 사용한다.
    // ...
    
    return 0;
}

FFT를 사용한 스펙트럼 분석

스펙트럼 분석을 수행하기 위해 주로 사용되는 방법 중 하나는 고속 푸리에 변환(FFT)입니다. FFT는 주파수 도메인으로 변환하여 오디오 신호를 분석할 수 있게 해줍니다.

C++에서는 FFT 계산을 위한 여러 라이브러리가 있습니다. FFTW와 KISS FFT가 널리 사용되는 라이브러리입니다. 다음은 KISS FFT를 사용하여 오디오 데이터의 FFT를 계산하는 간단한 예시입니다.

#include <iostream>
#include <vector>
#include "kiss_fft.h"

int main() {
    // ...

    kiss_fft_cfg cfg = kiss_fft_alloc(num_frames, 0, 0, 0);
    std::vector<kiss_fft_cpx> spectrum(num_frames);
    
    for (int i = 0; i < num_channels; ++i) {
        std::vector<kiss_fft_cpx> in(samples.data() + i * num_frames, samples.data() + (i + 1) * num_frames);
        kiss_fft(cfg, in.data(), spectrum.data());
        
        // spectrum 벡터를 사용하여 스펙트럼 분석을 수행한다.
        // ...
    }
    
    free(cfg);

    return 0;
}

결과 분석 및 시각화

스펙트럼 분석 결과를 분석하고 시각화하는 것은 아주 중요합니다. FFT를 통해 얻은 주파수 영역의 데이터를 조작하고, 주파수 영역에서의 특성을 분석하여 음악 분류, 음정 분석, 소음 제거 등 다양한 응용에 사용할 수 있습니다. C++에서는 OpenGL과 같은 라이브러리를 사용하여 스펙트럼 데이터의 시각화를 구현할 수 있습니다.

결론

C++은 오디오 스펙트럼 분석을 위한 강력한 도구를 제공합니다. 오디오 파일을 로드하고 FFT를 사용하여 스펙트럼 분석을 수행하며, 결과를 분석하고 시각화하는 과정을 통해 오디오 신호에 대한 풍부한 정보를 얻을 수 있습니다.

참고문헌:

향후 스펙트럼 분석을 통해 얻은 정보를 기반으로 음악 및 음성 처리 애플리케이션을 개발할 수 있을 것입니다.