使用高斯混合模型(GMM)进行猫狗音频聚类(Kaggle Audio Cats and Dogs)

Audio Cats and Dogs | Kaggle

目录

一、实验目标

二、数据分析

三、实验结果

四、改进方向


一、实验目标

数据集包括164个标注为猫的.wav文件,总共1323秒和113个标注为狗叫声的.wav文件,总共598秒,要求判别每个音频是狗叫还是猫叫

二、数据分析

随机播放了一些音频,然后使用下面的代码输出了他们的声谱图、频率随时间变化和梅尔倒频率系数的热力图:

python 复制代码
# 读取音频文件
Audio = np.array(librosa.load('./cats_dogs/cat_86.wav')[0])
SampleRate=librosa.load('./cats_dogs/cat_86.wav')[1]
# 绘制声谱图
plt.plot(Audio)
plt.show()
#绘制频率随时间变化的波形图
plt.specgram(Audio, Fs = SampleRate)
plt.show()
#绘制梅尔频率倒谱系数热图
MFCC = librosa.feature.mfcc(y = Audio, sr = SampleRate)
plt.imshow(MFCC, cmap = 'hot')
plt.show()

发现一些音频10秒左右的长度中只有不到3秒的动物叫声,其他都是一些杂音,在6s左右的地方还是能看出来猫的声音特征的:

cat_1.wav:

有一些音频是没有动物叫声的,只有杂音,从频率图可以看出没有猫的特征:

cat_41.wav

还发现了一个音乐片段,也是与猫的特征完全不同:

cat_123.wav:

也有最容易辨别的,只有叫声的音频,猫的特征最为明显:

cat_9.wav

狗叫声听上去大部分都比较正常(不过也发现有像dog_barking_108.wav是杂音)

dog_barking_39.wav:

其他的音频就不过多展示了,可以看出猫叫声的频率在2000及以上最高,狗叫声频率分布在2000以下,猫叫声的MFCC热力图颜色浅,而狗的热力图颜色深

三、实验结果

我们这里选择了差距看上去更大一点的MFCC作为音频特征,更准确的说是MFCC均值,构建高斯混合模型,并使用期望最大化算法进行训练,代码如下:

python 复制代码
#音频特征
Features = []
#音频标签
Labels = []
#遍历277个音频文件
for File in os.listdir("./cats_dogs"):
    #获取音频时间序列和采样率 
     y, sr = librosa.load("./cats_dogs/"+File)
     #计算音频的MFCC
     #MFCC的计算过程通常包括以下几个步骤:对原始信号进行傅里叶变换,以将其从时域转换到频域;接着将线性频率尺度转换为梅尔频率尺度;然后通常取其对数并施加离散余弦变换(DCT),最终得到倒谱系数。
     MFCC = librosa.feature.mfcc(y=y, sr=sr,n_mfcc=100)
     #计算MFCC的平均值作为特征
     Features.append(np.mean(MFCC, axis=1))
     if File[0]=='c':
         Labels.append(0)
     else:
         Labels.append(1)

Features=np.array(Features)
Labels=np.array(Labels)
#构建高斯混合模型
GMM=GaussianMixture(n_components=2,covariance_type='full',tol=1e-3,reg_covar=0.000001,max_iter=100)
#通过期望最大化算法对模型进行聚类并预测
GMM.fit(Features)
Predictions = GMM.predict(Features)
#输出测试的准确率
Accuracy = accuracy_score(Labels, Predictions)
print(confusion_matrix(Labels,Predictions))
print("Accuracy:", Accuracy)

跑出来的最好结果:

通过混淆矩阵可以看出,狗的正确率达到了73%,而猫的正确率只有47%,应该和数据集有关,狗的相关音频质量比猫要高一些

四、改进方向

要提高正确率,首先可以对数据进行清晰,包括对音频中无关部分进行裁剪,去除无关音频,具体清洗方法可以从频率图入手

其次可以对GMM模型进行调参,以及尝试使用频率作为特征等

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