Давайте обрабатывать звук на Go

Дисклеймер: Я не рассматриваю какие-либо алгоритмы и API для работы со звуком и распознаванием речи. Эта статья о проблемах при работе с аудио и об их решении с помощью Go.

phono — прикладной фреймворк для работы со звуком. Его основная функция — создать конвейер из разных технологий, который обработает звук за вас нужным вам образом.

При чём тут конвейер, к тому же из разных технологий и зачем ещё один фреймворк? Сейчас разберёмся.

Откуда звук?

К 2018 году звук стал стандартным способом взаимодействия человека с технологиями. Большинство IT-гигантов создали ^[1] своего голосового помощника или делают это прямо сейчас. Голосовое управление уже есть в большинстве операционных систем, а голосовые сообщения — типичная функция любого мессенджера. В мире около тысячи ^[2] стартапов работают над обработкой естественного языка и около двух сотен ^[3] над распознаванием речи.

С музыкой похожая история. Она играет из любого устройства, а звукозапись доступна каждому, у кого есть компьютер. Музыкальный софт разрабатывают сотни компаний ^[4] и тысячи энтузиастов ^[5] по всему миру.

Общие задачи

Если вам приходилось работать со звуком, то следующие условия должны звучать знакомо:

• Аудио надо получить из файла, устройства, сети и т.д.
• Аудио надо обработать: добавить эффекты, перекодировать, проанализировать и т.п.
• Аудио надо передать в файл, устройство, сеть и т.д.
• Данные передаются небольшими буферами

Получается обычный конвейер — есть поток данных, который проходит несколько стадий обработки.

Решения

Для наглядности, возьмём задачу из реальной жизни. Например, нужно преобразовать голос в текст:

• Записываем аудио с устройства
• Удаляем шумы
• Эквализируем
• Передаём сигнал в API для распознавания речи

Как и любая другая задача, эта имеет несколько решений.

В лоб

Только для хардкорных велосипедистов программистов. Записываем звук непосредственно через драйвер звуковой карты, пишем умный шумодав и многополосный эквалайзер. Это очень интересно, но можно на несколько месяцев забыть о своей изначальной задаче.

Долго и очень сложно.

По-нормальному

Альтернатива — использовать существующие API. Записать аудио можно с помощью ASIO, CoreAudio, PortAudio, ALSA и прочих. Для обработки тоже есть несколько видов плагинов: AAX, VST2, VST3, AU.

Богатый выбор не означает, что можно использовать всё сразу. Обычно действуют следующие ограничения:

1. Операционная система. Не все API доступны на всех операционных системах. Например, AU — нативная технология OS X и доступна только там.
2. Язык программирования. Большинство аудио библиотек написаны на С или С++. В 1996 году компания Steinberg выпустила первую версию VST SDK, до сих пор самый популярный стандарт плагинов. Спустя 20 лет уже не обязательно писать на С/С++: для VST есть обёртки на Java, Python, C#, Rust и кто знает на чём еще. Хоть язык и остаётся ограничением, но теперь звук обрабатывают даже на JavaScript.
3. Функционал. Если задача простая и понятная, не обязательно писать новое приложение. Тот же FFmpeg умеет очень многое.

В этой ситуации сложность зависит от вашего выбора. В худшем случае придётся иметь дело с несколькими библиотеками. И если совсем не повезёт, со сложными абстракциями и абсолютно разными интерфейсами.

Что в итоге?

Нужно выбирать между очень сложным и сложным:

• либо иметь дело с несколькими низкоуровневыми API, чтобы писать свои велосипеды
• либо иметь дело с несколькими API и пытаться их подружить

Неважно какой способ выбран, задача всегда сводится к конвейеру. Используемые технологии могут отличаться, но суть неизменна. Проблема в том, что опять вместо решения реальной задачи, приходиться писать велосипед конвейер.

Но есть выход.

phono

phono создан, чтобы решить общие задачи — "получить, обработать и передать" звук. Для этого он использует конвейер, как самую естественную абстракцию. В официальном блоге ^[6] Go есть статья ^[7], которая описывает паттерн pipeline (англ. конвейер). Главная идея pipeline в том, что есть несколько стадий обработки данных, которые работают независимо друг от друга и обмениваются данными через каналы. То, что надо.

А почему Go?

Во-первых, большинство аудио программ и библиотек написаны на C, а Go часто упоминается в качестве его преемника. К тому же, есть cgo ^[8] и довольно много биндингов ^[9] для существующих аудио библиотек. Можно брать и пользоваться.

Во-вторых, по моему личному мнению, Go — хороший язык. Не буду углубляться, но отмечу его многопоточность ^[10]. Каналы и горутины сильно упрощают реализацию конвейера.

Абстракции

Сердцем phono является тип pipe.Pipe (англ. труба). Именно он реализует pipeline. Как и в образце из блога ^[7], предусмотрено три вида стадий:

1. pipe.Pump (англ. насос) — получение звука, только выходные каналы
2. pipe.Processor (англ. обработчик) — обработка звука, входные и выходные каналы
3. pipe.Sink (англ. раковина) — передача звука, только входные каналы

Внутри pipe.Pipe данные передаются буферами. Правила, по которым можно строить pipeline:

1. Один pipe.Pump
2. Несколько pipe.Processor, размещённых последовательно друг за другом
3. Один или несколько pipe.Sink, размещённых параллельно
4. Все компоненты pipe.Pipe должны иметь одинаковые:
   • Размер буфера (сообщения)
   • Частоту дискретизации
   • Число каналов

Минимальная конфигурация — Pump и один Sink, остальное опционально.

Разберём несколько примеров.

Простой

Задача: воспроизвести wav файл.

Приведём её к виду "получить, обработать, передать":

1. Получаем аудио из wav файла
2. Передаём аудио в portaudio устройство

Аудио считывается и сразу воспроизводится.

package example

import (
    "github.com/dudk/phono"
    "github.com/dudk/phono/pipe"
    "github.com/dudk/phono/portaudio"
    "github.com/dudk/phono/wav"
)

// Example:
//      Read .wav file
//      Play it with portaudio
func easy() {
    wavPath := "_testdata/sample1.wav"
    bufferSize := phono.BufferSize(512)
    // wav pump
    wavPump, err := wav.NewPump(
        wavPath,
        bufferSize,
    )
    check(err)

    // portaudio sink
    paSink := portaudio.NewSink(
        bufferSize,
        wavPump.WavSampleRate(),
        wavPump.WavNumChannels(),
    )

    // build pipe
    p := pipe.New(
        pipe.WithPump(wavPump),
        pipe.WithSinks(paSink),
    )
    defer p.Close()

    // run pipe
    err = p.Do(pipe.Run)
    check(err)
}

Сначала мы создаём элементы будущего конвейера: wav.Pump и portaudio.Sink и передаём их в конструктор pipe.New. Функция p.Do(pipe.actionFn) error запускает конвейер и ждёт окончания работы.

Сложнее

Задача: разбить wav файл на семплы, составить из них трек, результат сохранить и одновременно воспроизвести.

Трек — это последовательность семплов, а семпл — небольшой отрезок аудио. Чтобы аудио можно было резать, нужно сначала загрузить его в память. Для этого используем тип asset.Asset из пакета phono/asset. Разбиваем задачу на стандартные шаги:

1. Получаем аудио из wav файла
2. Передаём аудио в память

Теперь руками делаем семплы, добавляем их в трек и добиваем задачу:

1. Получаем аудио из трека
2. Передаём аудио в
   • wav файл
   • portaudio устройство

Снова, без стадии обработки, зато целых два pipeline!

package example

import (
    "github.com/dudk/phono"
    "github.com/dudk/phono/asset"
    "github.com/dudk/phono/pipe"
    "github.com/dudk/phono/portaudio"
    "github.com/dudk/phono/track"
    "github.com/dudk/phono/wav"
)

// Example:
//      Read .wav file
//      Split it to samples
//      Put samples to track
//      Save track into .wav and play it with portaudio
func normal() {
    bufferSize := phono.BufferSize(512)
    inPath := "_testdata/sample1.wav"
    outPath := "_testdata/example4_out.wav"

    // wav pump
    wavPump, err := wav.NewPump(inPath, bufferSize)
    check(err)

    // asset sink
    asset := &asset.Asset{
        SampleRate: wavPump.WavSampleRate(),
    }

    // import pipe
    importAsset := pipe.New(
        pipe.WithPump(wavPump),
        pipe.WithSinks(asset),
    )
    defer importAsset.Close()
    err = importAsset.Do(pipe.Run)
    check(err)

    // track pump
    track := track.New(bufferSize, asset.NumChannels())

    // add samples to track
    track.AddFrame(198450, asset.Frame(0, 44100))
    track.AddFrame(66150, asset.Frame(44100, 44100))
    track.AddFrame(132300, asset.Frame(0, 44100))

    // wav sink
    wavSink, err := wav.NewSink(
        outPath,
        wavPump.WavSampleRate(),
        wavPump.WavNumChannels(),
        wavPump.WavBitDepth(),
        wavPump.WavAudioFormat(),
    )
    // portaudio sink
    paSink := portaudio.NewSink(
        bufferSize,
        wavPump.WavSampleRate(),
        wavPump.WavNumChannels(),
    )

    // final pipe
    p := pipe.New(
        pipe.WithPump(track),
        pipe.WithSinks(wavSink, paSink),
    )

    err = p.Do(pipe.Run)
}

По сравнению с прошлым примером, есть два pipe.Pipe. Первый передаёт данные в память, чтобы можно было нарезать семплы. Второй имеет сразу два получателя в конце: wav.Sink и portaudio.Sink. При такой схеме звук одновременно записывается в wav файл и воспроизводится.

Еще сложнее

Задача: прочитать два wav файла, смешать, обработать vst2 плагином и сохранить в новый wav файл.

В пакете phono/mixer есть простой миксер mixer.Mixer. В него можно передать сигналы из нескольких источников и получить один смиксованный. Для этого он одновременно реализует pipe.Pump и pipe.Sink.

Опять задача состоит из двух подзадач. Первая выглядит так:

1. Получаем аудио wav файла
2. Передаём аудио в миксер

Вторая:

1. Получаем аудио из миксера
2. Обрабатываем аудио плагином
3. Передаём аудио в wav файл

package example

import (
    "github.com/dudk/phono"
    "github.com/dudk/phono/mixer"
    "github.com/dudk/phono/pipe"
    "github.com/dudk/phono/vst2"
    "github.com/dudk/phono/wav"
    vst2sdk "github.com/dudk/vst2"
)

// Example:
//      Read two .wav files
//      Mix them
//      Process with vst2
//      Save result into new .wav file
//
// NOTE: For example both wav files have same characteristics i.e: sample rate, bit depth and number of channels.
// In real life implicit conversion will be needed.
func hard() {
    bs := phono.BufferSize(512)
    inPath1 := "../_testdata/sample1.wav"
    inPath2 := "../_testdata/sample2.wav"
    outPath := "../_testdata/out/example5.wav"

    // wav pump 1
    wavPump1, err := wav.NewPump(inPath1, bs)
    check(err)

    // wav pump 2
    wavPump2, err := wav.NewPump(inPath2, bs)
    check(err)

    // mixer
    mixer := mixer.New(bs, wavPump1.WavNumChannels())

    // track 1
    track1 := pipe.New(
        pipe.WithPump(wavPump1),
        pipe.WithSinks(mixer),
    )
    defer track1.Close()
    // track 2
    track2 := pipe.New(
        pipe.WithPump(wavPump2),
        pipe.WithSinks(mixer),
    )
    defer track2.Close()

    // vst2 processor
    vst2path := "../_testdata/Krush.vst"
    vst2lib, err := vst2sdk.Open(vst2path)
    check(err)
    defer vst2lib.Close()

    vst2plugin, err := vst2lib.Open()
    check(err)
    defer vst2plugin.Close()

    vst2processor := vst2.NewProcessor(
        vst2plugin,
        bs,
        wavPump1.WavSampleRate(),
        wavPump1.WavNumChannels(),
    )

    // wav sink
    wavSink, err := wav.NewSink(
        outPath,
        wavPump1.WavSampleRate(),
        wavPump1.WavNumChannels(),
        wavPump1.WavBitDepth(),
        wavPump1.WavAudioFormat(),
    )
    check(err)

    // out pipe
    out := pipe.New(
        pipe.WithPump(mixer),
        pipe.WithProcessors(vst2processor),
        pipe.WithSinks(wavSink),
    )
    defer out.Close()

    // run all
    track1Done, err := track1.Begin(pipe.Run)
    check(err)
    track2Done, err := track2.Begin(pipe.Run)
    check(err)
    outDone, err := out.Begin(pipe.Run)
    check(err)

    // wait results
    err = track1.Wait(track1Done)
    check(err)
    err = track2.Wait(track2Done)
    check(err)
    err = out.Wait(outDone)
    check(err)
}

Здесь уже три pipe.Pipe, все связанные между собой через миксер. Для запуска используется функция p.Begin(pipe.actionFn) (pipe.State, error). В отличии от p.Do(pipe.actionFn) error, она не блокирует вызов, а просто возвращает состояние, которое потом можно дождаться с помощью p.Wait(pipe.State) error.

Что дальше?

Я хочу, чтобы phono стал максимально удобным прикладным фреймворком. Если есть задача со звуком, не нужно разбираться в сложных API и тратить время на изучение стандартов. Всё, что надо — построить конвейер из подходящих элементов и запустить его.

За пол года запилены следующие пакеты:

• phono/wav — читать/писать wav файлы
• phono/vst2 — неполные биндинги VST2 SDK, пока можно только открывать плагин и вызывать его методы, но нет всех структур
• phono/mixer — миксер, складывает N сигналов, без баланса и громкости
• phono/asset — семплирование буферов
• phono/track — последовательное считывание семплов (разрулены наслоения)
• phono/portaudio — воспроизведение сигнала, пока эксперименты

Кроме этого списка, есть постоянно толстеющий бэклог из новых идей и задумок, среди которых:

• Отсчёт времени
• Изменяемый на лету pipeline
• HTTP pump/sink
• Автоматизация параметров
• Ресемплинг-процессор
• Баланс и громкость в миксере
• Real-time pump
• Синхронизированный pump для нескольких треков
• Полноценный vst2

В следующих статьях я разберу:

• жизненный цикл pipe.Pipe — из-за сложной структуры его состояние управляется конечным атоматом
• как писать свои стадии конвейера

Это мой первый open-source проект, так что я буду благодарен любой помощи и рекомендациям. Добро пожаловать.

Ссылки

• phono ^[11]
• Go concurrency patterns: Pipelines and Cancellation ^[7]

Автор: dudk

Источник ^[12]