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捕捉音頻 - Raspberry Pi

在本課程的這部分，你將撰寫程式碼以在 Raspberry Pi 上捕捉音頻。音頻捕捉將由按鈕控制。

硬體

Raspberry Pi 需要一個按鈕來控制音頻捕捉。

你將使用的是 Grove 按鈕。這是一種數位感測器，可以開啟或關閉信號。這些按鈕可以配置為在按下時發送高信號，未按下時發送低信號，或者按下時發送低信號，未按下時發送高信號。

如果你使用的是 ReSpeaker 2-Mics Pi HAT 作為麥克風，那麼不需要額外連接按鈕，因為這個 HAT 已經內建了一個按鈕。直接跳到下一部分。

連接按鈕

按鈕可以連接到 Grove 基座 HAT。

任務 - 連接按鈕

將 Grove 電纜的一端插入按鈕模組上的插座。它只能以一種方式插入。
在 Raspberry Pi 關閉電源的情況下，將 Grove 電纜的另一端連接到 Pi 上 Grove 基座 HAT 的數位插座 D5。這個插座位於 GPIO 引腳旁邊的一排插座中，從左數第二個。

捕捉音頻

你可以使用 Python 程式碼從麥克風捕捉音頻。

任務 - 捕捉音頻

啟動 Raspberry Pi，並等待其完成啟動。
啟動 VS Code，可以直接在 Pi 上操作，或者通過 Remote SSH 擴展連接。
PyAudio Pip 套件提供了錄製和播放音頻的功能。此套件依賴於一些音頻庫，需先安裝這些庫。在終端中執行以下命令進行安裝：
```
sudo apt update
sudo apt install libportaudio0 libportaudio2 libportaudiocpp0 portaudio19-dev libasound2-plugins --yes 
```
安裝 PyAudio Pip 套件。
```
pip3 install pyaudio
```
建立一個名為 smart-timer 的新資料夾，並在此資料夾中新增一個名為 app.py 的檔案。
在檔案的頂部新增以下導入：
```
import io
import pyaudio
import time
import wave

from grove.factory import Factory
```
這將導入 pyaudio 模組、一些處理 WAV 檔案的標準 Python 模組，以及 grove.factory 模組以導入用於建立按鈕類的 Factory。
在此之下，新增程式碼以建立 Grove 按鈕。

如果你使用的是 ReSpeaker 2-Mics Pi HAT，請使用以下程式碼：
```
# The button on the ReSpeaker 2-Mics Pi HAT
button = Factory.getButton("GPIO-LOW", 17)
```
這會在 D17 埠上建立一個按鈕，該埠是 ReSpeaker 2-Mics Pi HAT 上按鈕所連接的埠。此按鈕設定為在按下時發送低信號。

如果你未使用 ReSpeaker 2-Mics Pi HAT，而是使用連接到基座 HAT 的 Grove 按鈕，請使用以下程式碼：
```
button = Factory.getButton("GPIO-HIGH", 5)
```
這會在 D5 埠上建立一個按鈕，該按鈕設定為在按下時發送高信號。
在此之下，建立一個 PyAudio 類的實例以處理音頻：
```
audio = pyaudio.PyAudio()
```
宣告麥克風和揚聲器的硬體卡號。這將是你在本課程早些時候執行 arecord -l 和 aplay -l 時找到的卡號。
```
microphone_card_number = <microphone card number>
speaker_card_number = <speaker card number>
```
將 <microphone card number> 替換為你的麥克風卡號。

將 <speaker card number> 替換為你的揚聲器卡號，與你在 alsa.conf 檔案中設定的卡號相同。
在此之下，宣告用於音頻捕捉和播放的採樣率。根據你使用的硬體，可能需要更改此值。
```
rate = 48000 #48KHz
```
如果在稍後執行此程式碼時出現採樣率錯誤，請將此值更改為 44100 或 16000。值越高，音質越好。
在此之下，建立一個名為 capture_audio 的新函數。此函數將用於從麥克風捕捉音頻：
```
def capture_audio():
```

在此函數內，新增以下程式碼以捕捉音頻：

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()

此程式碼使用 PyAudio 物件開啟音頻輸入流。該流將以 16KHz 的速率從麥克風捕捉音頻，並以 4096 字節的緩衝區大小進行捕捉。

程式碼會在 Grove 按鈕被按下時進行迴圈，每次將這些 4096 字節的緩衝區讀入一個陣列。

💁 你可以在 PyAudio 文件中了解更多關於傳遞給 open 方法的選項。

一旦按鈕被釋放，流將停止並關閉。

在此函數的結尾新增以下程式碼：

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

此程式碼建立一個二進制緩衝區，並將所有捕捉到的音頻以 WAV 檔案的形式寫入。這是一種標準的未壓縮音頻檔案格式。該緩衝區隨後被返回。

新增以下 play_audio 函數以播放音頻緩衝區：

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()

此函數開啟另一個音頻流，這次是用於輸出 - 播放音頻。它使用與輸入流相同的設定。緩衝區被作為 WAV 檔案開啟，並以 4096 字節的塊寫入輸出流，播放音頻。流隨後被關閉。

在 capture_audio 函數下方新增以下程式碼，以迴圈直到按鈕被按下。一旦按鈕被按下，音頻將被捕捉並播放。

while True:
    while not button.is_pressed():
        time.sleep(.1)

    buffer = capture_audio()
    play_audio(buffer)

執行程式碼。按下按鈕並對著麥克風說話。完成後釋放按鈕，你將聽到錄音。

在建立 PyAudio 實例時，你可能會遇到一些 ALSA 錯誤。這是由於 Pi 上的音頻設備配置問題，這些設備你可能並未擁有。可以忽略這些錯誤。

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

如果你遇到以下錯誤：

OSError: [Errno -9997] Invalid sample rate

請將 rate 更改為 44100 或 16000。

💁 你可以在 code-record/pi 資料夾中找到此程式碼。

😀 恭喜！你的音頻錄製程式成功了！

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