MFCC Python：librosa vs python_speech_features vs tensorflow.signal 的结果完全不同

Question

我正在尝试从音频（.wav 文件）中提取 MFCC 功能，我已经尝试了 python_speech_features 和 librosa，但它们给出了完全不同的结果：

audio, sr = librosa.load(file, sr=None)

# librosa
hop_length = int(sr/100)
n_fft = int(sr/40)
features_librosa = librosa.feature.mfcc(audio, sr, n_mfcc=13, hop_length=hop_length, n_fft=n_fft)

# psf
features_psf = mfcc(audio, sr, numcep=13, winlen=0.025, winstep=0.01)

以下是情节：

librosa:

python_speech_features:

我是否为这两种方法传递了错误的参数？为什么会有这么大的差异？

更新： 我也尝试了 tensorflow.signal 实现，结果如下：

情节本身与 librosa 中的情节更接近，但规模更接近 python_speech_features。（请注意，这里我计算了 80 个 mel bins 并取了前 13 个；如果我只用 13 个 bins 进行计算，结果看起来也很不一样）。代码如下：

stfts = tf.signal.stft(audio, frame_length=n_fft, frame_step=hop_length, fft_length=512)
spectrograms = tf.abs(stfts)

num_spectrogram_bins = stfts.shape[-1]
lower_edge_hertz, upper_edge_hertz, num_mel_bins = 80.0, 7600.0, 80
linear_to_mel_weight_matrix = tf.signal.linear_to_mel_weight_matrix(
    num_mel_bins, num_spectrogram_bins, sr, lower_edge_hertz, upper_edge_hertz)
mel_spectrograms = tf.tensordot(spectrograms, linear_to_mel_weight_matrix, 1)
mel_spectrograms.set_shape(spectrograms.shape[:-1].concatenate(linear_to_mel_weight_matrix.shape[-1:]))

log_mel_spectrograms = tf.math.log(mel_spectrograms + 1e-6)
features_tf = tf.signal.mfccs_from_log_mel_spectrograms(log_mel_spectrograms)[..., :13]
features_tf = np.array(features_tf).T

我想我的问题是：哪个输出更接近 MFCC 的实际外观？

Answer 1

这里至少有两个因素在起作用，可以解释为什么您会得到不同的结果：

梅尔尺度没有单一的定义。 Librosa 实现两种方式：Slaney and HTK。其他软件包可能将使用不同的定义，从而导致不同的结果。话虽这么说，整体情况应该是相似的。这就引出了第二个问题...
python_speech_features 默认将能量作为第一个（索引零）系数（appendEnergy 默认为 True），这意味着当您要求例如13 MFCC，你有效地得到 12 + 1。

换句话说，您不是在比较 13 librosa 与 13 python_speech_features 系数，而是 13 与 12。能量的大小可能不同，因此会产生完全不同的图像，因为不同的色阶。

我现在将演示这两个模块如何产生相似的结果：

import librosa
import python_speech_features
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.signal.windows import hann
import seaborn as sns

n_mfcc = 13
n_mels = 40
n_fft = 512 
hop_length = 160
fmin = 0
fmax = None
sr = 16000
y, sr = librosa.load(librosa.util.example_audio_file(), sr=sr, duration=5,offset=30)

mfcc_librosa = librosa.feature.mfcc(y=y, sr=sr, n_fft=n_fft,
                                    n_mfcc=n_mfcc, n_mels=n_mels,
                                    hop_length=hop_length,
                                    fmin=fmin, fmax=fmax, htk=False)

mfcc_speech = python_speech_features.mfcc(signal=y, samplerate=sr, winlen=n_fft / sr, winstep=hop_length / sr,
                                          numcep=n_mfcc, nfilt=n_mels, nfft=n_fft, lowfreq=fmin, highfreq=fmax,
                                          preemph=0.0, ceplifter=0, appendEnergy=False, winfunc=hann)

大家可以看到比例尺不一样，但是整体图还是很像的。请注意，我必须确保传递给模块的许多参数是相同的。

Answer 2

这就是让我彻夜难眠的事情。是正确的（而且非常有用！）但不完整，因为它没有解释两种方法之间的巨大差异。我的回答增加了一个重要的额外细节，但仍然没有达到完全匹配。

发生的事情很复杂，最好用下面的长代码块来解释，该代码块将 librosa 和 python_speech_features 与另一个包 torchaudio 进行了比较。

首先，请注意 torchaudio 的实现有一个参数，log_mels 其默认值 (False) 模仿 librosa 实现，但如果设置为 True 将模仿 python_speech_features。在这两种情况下，结果仍然不准确，但相似之处是显而易见的。
其次，如果你深入研究 torchaudio 的实现代码，你会看到默认值不是 "textbook implementation"（torchaudio 的话，但我相信他们）但是提供的注释用于 Librosa 兼容性； torchaudio中从一个切换到另一个的关键操作是：

    mel_specgram = self.MelSpectrogram(waveform)
    if self.log_mels:
        log_offset = 1e-6
        mel_specgram = torch.log(mel_specgram + log_offset)
    else:
        mel_specgram = self.amplitude_to_DB(mel_specgram)

第三，您会很合理地想知道是否可以强制 librosa 正确运行。答案是肯定的（或者至少 "It looks like it"），方法是直接获取梅尔频谱图，获取它的自然对数，并使用它而不是原始样本作为 librosa mfcc 函数的输入。有关详细信息，请参见下面的代码。
最后，请多加注意，如果您使用此代码，请检查当您查看不同的功能时会发生什么。第 0 个特征仍然存在严重的无法解释的偏移量，而较高的特征往往会相互偏离。这可能就像引擎盖下的不同实现或稍微不同的数值稳定性常数一样简单，或者它可能是可以通过微调修复的东西，比如填充的选择或者可能是某处分贝转换中的参考。我真的不知道。

下面是一些示例代码：

import librosa
import python_speech_features
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.signal.windows import hann
import torchaudio.transforms
import torch

n_mfcc = 13
n_mels = 40
n_fft = 512 
hop_length = 160
fmin = 0
fmax = None
sr = 16000

melkwargs={"n_fft" : n_fft, "n_mels" : n_mels, "hop_length":hop_length, "f_min" : fmin, "f_max" : fmax}

y, sr = librosa.load(librosa.util.example_audio_file(), sr=sr, duration=5,offset=30)

# Default librosa with db mel scale 
mfcc_lib_db = librosa.feature.mfcc(y=y, sr=sr, n_fft=n_fft,
                                    n_mfcc=n_mfcc, n_mels=n_mels,
                                    hop_length=hop_length,
                                    fmin=fmin, fmax=fmax, htk=False)

# Nearly identical to above
# mfcc_lib_db = librosa.feature.mfcc(S=librosa.power_to_db(S), n_mfcc=n_mfcc, htk=False)

# Modified librosa with log mel scale (helper)
S = librosa.feature.melspectrogram(y=y, sr=sr, n_mels=n_mels, fmin=fmin, 
                                    fmax=fmax, hop_length=hop_length)

# Modified librosa with log mel scale
mfcc_lib_log = librosa.feature.mfcc(S=np.log(S+1e-6), n_mfcc=n_mfcc, htk=False)

# Python_speech_features 
mfcc_speech = python_speech_features.mfcc(signal=y, samplerate=sr, winlen=n_fft / sr, winstep=hop_length / sr,
                                          numcep=n_mfcc, nfilt=n_mels, nfft=n_fft, lowfreq=fmin, highfreq=fmax,
                                          preemph=0.0, ceplifter=0, appendEnergy=False, winfunc=hann)

# Torchaudio 'textbook' log mel scale 
mfcc_torch_log = torchaudio.transforms.MFCC(sample_rate=sr, n_mfcc=n_mfcc, 
                                            dct_type=2, norm='ortho', log_mels=True, 
                                            melkwargs=melkwargs)(torch.from_numpy(y))

# Torchaudio 'librosa compatible' default dB mel scale 
mfcc_torch_db = torchaudio.transforms.MFCC(sample_rate=sr, n_mfcc=n_mfcc, 
                                           dct_type=2, norm='ortho', log_mels=False, 
                                           melkwargs=melkwargs)(torch.from_numpy(y))

feature = 1 # <-------- Play with this!!
plt.subplot(2, 1, 1)

plt.plot(mfcc_lib_log.T[:,feature], 'k')
plt.plot(mfcc_lib_db.T[:,feature], 'b')
plt.plot(mfcc_speech[:,feature], 'r')
plt.plot(mfcc_torch_log.T[:,feature], 'c')
plt.plot(mfcc_torch_db.T[:,feature], 'g')
plt.grid()

plt.subplot(2, 2, 3)
plt.plot(mfcc_lib_log.T[:,feature], 'k')
plt.plot(mfcc_torch_log.T[:,feature], 'c')
plt.plot(mfcc_speech[:,feature], 'r')
plt.grid()

plt.subplot(2, 2, 4)
plt.plot(mfcc_lib_db.T[:,feature], 'b')
plt.plot(mfcc_torch_db.T[:,feature], 'g')
plt.grid()

老实说，none 这些实现令人满意：

Python_speech_features 采用了一种莫名其妙的怪异方法，即用能量替换第 0 个特征而不是用它增加，并且没有常用的增量实现
Librosa 默认情况下是非标准的，没有警告，并且缺乏明显的增强能量的方法，但在库的其他地方有一个非常有效的 delta 函数。
Torchaudio 可以模拟，也有通用的 delta 函数，但仍然没有干净、明显的获取能量的方法。

MFCC Python：librosa vs python_speech_features vs tensorflow.signal 的结果完全不同

MFCC Python: completely different result from librosa vs python_speech_features vs tensorflow.signal

python

tensorflow

audio

librosa

mfcc