【python】Windows中編譯安裝libsamplerate和scikits.samplerate

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librosa緣由

librosa是一個音頻和音樂處理的Python包，我用它來做音訊特徵提取。但是在使用時，發現librosa.load將音樂檔案轉化為時間序列的過程中，速度實在難以忍受，cpu跑的非常高，程式好像假死的狀態。
查閱官方文檔發現，預設情況下，librosa會使用scipy.signal進行音頻訊號的重採樣，這在實際使用時是很慢的。如果要獲得很高的效能，官方建議安裝libsamplerate和其相應的python模組scikits.samplerate。
這就是說，在Windows下進行安裝的話，要先編譯libsamplerate得到相應的lib和dll檔案，再安裝python的介面模組。
我試著在linux下進行安裝，過程是很流暢的，因為使用apt-get可以方面安裝libsamplerate，pip進行scikits.samplerate安裝的時候，系統可以直接找到libsamplerate編譯好的lib檔案。

雖然這個軟體比較小眾，但如果有讀者遇到相同的問題，希望能對你有所協助。

Windows下編譯libsamplerate

libsamplerate官方說明
編譯步驟：

1. 解壓libsamplerate壓縮包到C:\libsamplerate-0.1.8目錄
2. 下載libsndfile的二進位安裝包進行安裝
3. 複製libsndfile中的libsndfile-1.dll, libsndfile-1.lib 和 libsndfile-1.def檔案到C:\libsamplerate-0.1.8目錄中
4. 複製libsndfile中的include/sndfile.h到C:\libsamplerate-0.1.8目錄中
5. 確保將vc編譯器的bin目錄加入到系統內容變數中
6. 開啟Win32\Makefile.msvc檔案，修改
   
   • MSVCDir=(你的安裝目錄)\Microsoft Visual Studio 11.0\VC
   • CFLAGS變數加入Microsoft SDKs的Include檔案夾，比如我的是CFLAGS=/nologo /MD /W1 /GX /O2 /Zm200 /I “$(MSVCDir)\Include” /I “C:\Program Files\Microsoft SDKs\Windows\v6.0A\Include” /I . /I “Win32” /I “src” /D “WIN32” /D “_USRDLL” /YX /FD /Zm1000
   • PROG_LINK_FLAGS變數加入Microsoft SDKs的Lib檔案夾，我的是PROG_LINK_FLAGS=/nologo /incremental:no /libpath:”$(MSVCDir)\Lib” /libpath:”C:\Program Files\Microsoft SDKs\Windows\v6.0A\Lib” /pdb:”libsamplerate-0.pdb” /machine:I386 /exetype:dynamic
   • DLL_LINK_FLAGS變數加入Microsoft SDKs的Lib檔案夾，我的是DLL_LINK_FLAGS=/nologo /dll /incremental:no /libpath:”$(MSVCDir)\Lib” /libpath:”C:\Program Files\Microsoft SDKs\Windows\v6.0A\Lib” /pdb:”libsamplerate-0.pdb” /implib:”.\libsamplerate-0.lib” /machine:I386 /out:”libsamplerate-0.dll”
7. 命令列模式下進入C:\libsamplerate-0.1.8目錄，輸入Make.bat進行編譯，使用make check進行程式測試
8. 最終得到了libsamplerate-0.dll，libsamplerate-0.lib，結合src目錄下面的samplerate.h

源碼安裝scikits.samplerate

如果要使用pip進行安裝的話，系統可能找不到libsamplerate的lib檔案，導致安裝失敗。
下載了scikits.samplerate的源碼包之後，需要對site.cfg檔案進行配置，制定samplerate庫的lib檔案名稱和所在目錄才可以正常的安裝，不然也會導致失敗。

在scikits.samplerate目錄下，開啟site.cfg檔案，修改內容為：

[samplerate]library_dirs = c:\libsamplerate-0.1.8libraries = libsamplerate-0

這樣就可以進行python setup.py install安裝了。

這裡還要注意，安裝成功之後，在python的第三方庫檔案夾中找到scikits.samplerate，在scikits\samplerate檔案夾中將libsamplerate編譯好的dll檔案放進去，這樣就可以使用了。

補充：音頻重採樣

頻率對應於時間軸線，振幅對應於電平軸線。波是無限光滑的，弦線可以看成由無數點組成，由於儲存空間是相對有限的，數字編碼過程中，必須對弦線的點進行採樣。採樣的過程就是抽取某點的頻率值，很顯然，在一秒中內抽取的點越多，擷取得頻率資訊更豐富，為了複原波形，一次震動中，必須有2個點的採樣，人耳能夠感覺到的最高頻率為20kHz，因此要滿足人耳的聽覺要求，則需要至少每秒進行40k次採樣，用40kHz表達，這個40kHz就是採樣率。

為了減少計算複雜度和儲存複雜度,採樣速率轉換技術是十分必要的,音頻重採樣演算法可以用來實現音頻訊號任意採樣速率之間的轉換。

對於採樣率為Fs，長度為M個採樣點的音頻訊號x[n]，，通過採樣因子P/Q進行重採樣後，這個訊號的樣本數可以增大或者減小。該過程可以分為如下三個步驟[17]：
(1)上採樣：在原訊號相鄰兩點插入入P-1個零點，即建立一個有P (M-1)+1個採樣點的訊號xu[n]，當n=1，2，…，M時，xu[P(n-1)+1] = x[n]；否則，xu[n]=0。
(2)插值：xu[n]和一個低通插值濾波器h[n]作卷積：xi[n]= xu[n]h[n]。
(3)下採樣：每隔Q-1個點抽取一個點，即建立有Q個點的訊號xd[n]，當n=1，2，…，+1時，xd[n]=xi[1+Q (n-1)]，則重採樣訊號y[n]=xd[n]。(符號表示向下取整數)
不同類型的重採樣演算法都可以分為上述三個過程，它們的唯一的區別就在於步驟2中所採用的插值濾波器的不同。

注意事項：
1.上採樣時，會造成鏡像資訊，因此需要使用低通濾波器濾除(線性插值本身就是低通濾波器，因此不需要額外處理)。
2.下採樣時，可能會造成頻譜混淆，因此在下採樣之前用低通去混淆濾波器濾除。
3.重採樣演算法非常消耗時間，使用多相濾波器與一些條件限制，可以大大提高運算速度。

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