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オーディオの録音 - Raspberry Pi

このレッスンでは、Raspberry Piでオーディオを録音するコードを書きます。オーディオ録音はボタンで制御されます。

ハードウェア

Raspberry Piには、オーディオ録音を制御するためのボタンが必要です。

使用するボタンはGroveボタンです。これは信号をオンまたはオフに切り替えるデジタルセンサーです。このボタンは、押されたときに高信号を送信し、押されていないときに低信号を送信するように設定できます。または、押されたときに低信号、押されていないときに高信号を送信するようにも設定できます。

もしReSpeaker 2-Mics Pi HATをマイクとして使用している場合、ボタンを接続する必要はありません。このHATにはすでにボタンが付いているため、次のセクションに進んでください。

ボタンを接続する

ボタンはGroveベースハットに接続できます。

タスク - ボタンを接続する

Groveケーブルの片方の端をボタンモジュールのソケットに差し込みます。このケーブルは一方向にしか差し込めません。
Raspberry Piの電源をオフにした状態で、Groveケーブルのもう一方の端を、Piに接続されたGroveベースハットのデジタルソケットD5に接続します。このソケットは、GPIOピンの隣のソケット列の左から2番目にあります。

オーディオの録音

Pythonコードを使用してマイクからオーディオを録音できます。

タスク - オーディオを録音する

Piの電源を入れ、起動を待ちます。
VS Codeを起動します。Pi上で直接起動するか、Remote SSH拡張機能を使用して接続します。
PyAudio Pipパッケージには、オーディオの録音と再生のための関数が含まれています。このパッケージは、いくつかのオーディオライブラリに依存しているため、まず以下のコマンドをターミナルで実行してこれらをインストールします。
```
sudo apt update
sudo apt install libportaudio0 libportaudio2 libportaudiocpp0 portaudio19-dev libasound2-plugins --yes 
```
PyAudio Pipパッケージをインストールします。
```
pip3 install pyaudio
```
smart-timerという新しいフォルダを作成し、このフォルダにapp.pyというファイルを追加します。
このファイルの先頭に以下のインポートを追加します。
```
import io
import pyaudio
import time
import wave

from grove.factory import Factory
```
これにより、pyaudioモジュール、WAVファイルを処理するための標準Pythonモジュール、およびgrove.factoryモジュールがインポートされ、ボタンクラスを作成するためのFactoryが使用可能になります。
この下に、Groveボタンを作成するコードを追加します。

ReSpeaker 2-Mics Pi HATを使用している場合は、以下のコードを使用します。
```
# The button on the ReSpeaker 2-Mics Pi HAT
button = Factory.getButton("GPIO-LOW", 17)
```
これにより、ReSpeaker 2-Mics Pi HATに接続されたボタン（ポートD17）が作成されます。このボタンは、押されたときに低信号を送信するように設定されています。

ReSpeaker 2-Mics Pi HATを使用していない場合で、Groveベースハットに接続されたGroveボタンを使用している場合は、以下のコードを使用します。
```
button = Factory.getButton("GPIO-HIGH", 5)
```
これにより、ポートD5に接続されたボタンが作成されます。このボタンは、押されたときに高信号を送信するように設定されています。
この下に、オーディオを処理するためのPyAudioクラスのインスタンスを作成します。
```
audio = pyaudio.PyAudio()
```
マイクとスピーカーのハードウェアカード番号を宣言します。これは、このレッスンの前半でarecord -lとaplay -lを実行して確認した番号です。
```
microphone_card_number = <microphone card number>
speaker_card_number = <speaker card number>
```
<microphone card number>をマイクのカード番号に置き換えます。

<speaker card number>をスピーカーのカード番号に置き換えます。この番号はalsa.confファイルで設定した番号と同じです。
この下に、オーディオ録音と再生に使用するサンプルレートを宣言します。使用しているハードウェアによって、この値を変更する必要がある場合があります。
```
rate = 48000 #48KHz
```
後でこのコードを実行した際にサンプルレートエラーが発生した場合、この値を44100または16000に変更してください。値が高いほど、音質が向上します。
この下に、capture_audioという新しい関数を作成します。この関数は、マイクからオーディオを録音するために呼び出されます。
```
def capture_audio():
```
この関数内に、以下のコードを追加してオーディオを録音します。
```
stream = audio.open(format = pyaudio.paInt16,
                    rate = rate,
                    channels = 1, 
                    input_device_index = microphone_card_number,
                    input = True,
                    frames_per_buffer = 4096)

frames = []

while button.is_pressed():
    frames.append(stream.read(4096))

stream.stop_stream()
stream.close()
```
このコードは、PyAudioオブジェクトを使用してオーディオ入力ストリームを開きます。このストリームは、16KHzでマイクからオーディオを録音し、4096バイトのバッファサイズでキャプチャします。

コードは、Groveボタンが押されている間ループし、4096バイトのバッファを毎回配列に読み込みます。

💁 openメソッドに渡されるオプションの詳細については、PyAudioのドキュメントを参照してください。

ボタンが離されたら、ストリームは停止して閉じられます。
この関数の最後に以下を追加します。
```
wav_buffer = io.BytesIO()
with wave.open(wav_buffer, 'wb') as wavefile:
    wavefile.setnchannels(1)
    wavefile.setsampwidth(audio.get_sample_size(pyaudio.paInt16))
    wavefile.setframerate(rate)
    wavefile.writeframes(b''.join(frames))
    wav_buffer.seek(0)

return wav_buffer
```
このコードはバイナリバッファを作成し、キャプチャしたすべてのオーディオをWAVファイルとして書き込みます。これは、非圧縮オーディオをファイルに書き込む標準的な方法です。このバッファはその後返されます。

オーディオバッファを再生するためのplay_audio関数を以下に追加します。

def play_audio(buffer):
    stream = audio.open(format = pyaudio.paInt16,
                        rate = rate,
                        channels = 1,
                        output_device_index = speaker_card_number,
                        output = True)

    with wave.open(buffer, 'rb') as wf:
        data = wf.readframes(4096)

        while len(data) > 0:
            stream.write(data)
            data = wf.readframes(4096)

        stream.close()

この関数は、出力用の別のオーディオストリームを開きます。このストリームは、入力ストリームと同じ設定を使用します。バッファはWAVファイルとして開かれ、4096バイトのチャンクで出力ストリームに書き込まれ、オーディオが再生されます。その後、ストリームは閉じられます。

capture_audio関数の下に以下のコードを追加して、ボタンが押されるまでループします。ボタンが押されると、オーディオが録音され、その後再生されます。
```
while True:
    while not button.is_pressed():
        time.sleep(.1)

    buffer = capture_audio()
    play_audio(buffer)
```
コードを実行します。ボタンを押してマイクに向かって話します。話し終えたらボタンを離すと、録音が再生されます。

PyAudioインスタンスが作成される際に、ALSAエラーが発生する場合があります。これは、Pi上で存在しないオーディオデバイスの設定が原因です。これらのエラーは無視して構いません。
```
pi@raspberrypi:~/smart-timer $ python3 app.py 
ALSA lib pcm.c:2565:(snd_pcm_open_noupdate) Unknown PCM cards.pcm.front
ALSA lib pcm.c:2565:(snd_pcm_open_noupdate) Unknown PCM cards.pcm.rear
ALSA lib pcm.c:2565:(snd_pcm_open_noupdate) Unknown PCM cards.pcm.center_lfe
ALSA lib pcm.c:2565:(snd_pcm_open_noupdate) Unknown PCM cards.pcm.side
```
以下のエラーが発生した場合：
```
OSError: [Errno -9997] Invalid sample rate
```
rateを44100または16000に変更してください。

💁 このコードはcode-record/piフォルダにあります。

😀 オーディオ録音プログラムが成功しました！

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