Определение bpm (beats per minute) в браузере

Мотивация

Когда-то я занимался спортивными парными танцами. Часто на тренировках была необходимость узнать темп (или скорость, если немного подушнить насчёт терминов) играющего трека, который измеряется в "ударах в минуту" (beats per minute, bpm)

Спортсмены используют для этого разные сайты/приложения, где нужно пальцем "протапать" ритм. Я и сам таким пользовался, но однажды я задался вопросом — смогу ли я сделать браузерный сервис, который сможет определять bpm из записанного через микрофон аудио

Эта статья как раз о том, как я его сделал

Я не буду вдаваться в тонкости реализации непосредственно UI: у меня уже был на момент начала разработки пет-проект на React, и сервис я решил делать на базе него.

Принцип работы

Дадим возможность пользователю один раз тапнуть на кнопку Анализировать и будет показывать ему вычисляемый bpm, назовём его B, который со временем (с каждой итерацией анализа) будем уточнять:

• Запускаем i-ый анализ

• Записываем звук с микрофона длиной t_i

• Вычисляем темп b_i

• Уточняем значение B на основе b_i

После всех итераций значение B и будет тем bpm, что мы ищем.

Пока каждый пункт звучит мутно (кроме первого, пожалуй). Распишем их подробнее

Итерации анализа bpm

Определимся с количеством итераций, пусть это будет n. Так как мы будем записывать звук "кусками", то определим массив t_i их длин. Я экспериментировал с разными значениям t_i:

• t_i = F_i, где F_i — i-ое число Фибоначчи

• t_i = 2 * i

• t_i = 2^i

В итоге остановился на варианте ∀i, t_i = t_0, где t_0 — константа.

В итоговой реализации взял значения n = 10 и t_0=6

Запись звука

Будем аписывать звук с микрофона через AudioWorklet, собирать сэмплы в Float32Array, а потом складывать их в AudioBuffer, который можно использовать для анализа.

Если расписывать этот этап подробнее по шагам, то получится следующее:

• Получение доступа к микрофону

• Создание AudioContext

• Создание AudioWorklet для захвата аудиоданных

• Подключение AudioWorklet к AudioContext

• Подключение микрофона к ворклету

• Сбор аудиоданных

• Финальная сборка в AudioBuffer

• Возврат результата

Код можно посмотреть здесь

Вычисление темпа bi

Сделаем метод getBPMFromAudioBuffer, который вычисляет примерный темп b_i трека из аудиобуфера, анализируя пики энергии сигнала (предполагаемые удары) и измеряя интервалы между ними.

Распишем пошагово, что будет делать метод

Преобразование звука в моно

На каждой позиции берётся среднее значение левого и правого канала. Это упрощает дальнейшую обработку.

Разделение сигнала на окна и расчёт энергии

Сигнал разбивается на кусочки (или "окна", в моём случае такой hopSize = 512 сэмплов). Для каждого куска считается энергия ("громкость" в каждом фрагменте времени): сумма квадратов амплитуд в окне.

Поиск пиков энергии (ударов)

Вычисляется средняя энергия по всему сигналу. Удар (onset) считается найденным, если

• энергия окна выше средней

• энергия локально максимальна (больше соседей слева и справа)

• время удара рассчитывается из номера окна и длины сэмплов

Расчёт bpm по интервалам между ударами

Находятся интервалы между ударами (в секундах). Оставляются только интервалы, которые соответствуют 30–240 BPM, чтобы убрать шум. Из каждого интервала считается bpm = 60 / interval. Собирается гистограмма (сколько раз встречался каждый bpm). Выбирается самый частый bpm — он считается результатом bi для i-ого анализа.

Код можно посмотреть здесь

Уточнение итогово значения темпа B

После каждого анализа мы хотим обновлять итоговое значение, применяя некий метод для уже посчитанных b_i.

Имперически получилось выяснить, что среднее и медиана не дают близкий к реальности результат, в отличие от экспоненциальгого скользящего среднего (ema) с коэффициентом α = 0.2, точность которого составила 95% на тестовых данных.

B = ema(b_i)

Код можно посмотреть здесь

Итог

После выполнения всех итераций итоговым темпом играющего трека будет значение B.

Посмотреть реализацию можно на Radio Hustle

Оригинальная статья на GitHub