音データのローパスフィルタ

Question

https://watlab-blog.com/2019/04/30/scipy-lowpass/のページを参考にさせていただき、
音データにローパスフィルタをかけたいと思っています。
同じように2つファイルを作成しましたが、
main_filterを実行したところ、下記のようなエラーが発生しています。
お手数おかけいたしますが、ご教示いただけると助かります。
また、音データにpythonでローパスフィルタをかける方法で他の方法をご存じの方がいらっしゃいましたら
ご助言いただけると幸いです。
よろしくお願いいたします。

main_filter.ipynb↓

from future import print_function
import filter_function
import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt
import os
print(os.getcwd())

samplerate = 48000 #波形のサンプリングレート

ファイル読込

os.chdir(r'C:\file')
data = ('sample.wav')

fp = 1000 #通過域端周波数[Hz]
fs = 945.6 #阻止域端周波数[Hz]
gpass = 0.1 #通過域端最大損失[dB]
gstop = -300 #阻止域端最小損失[dB]

data_filt = filter_function.lowpass(data, samplerate, fp, fs, gpass, gstop)

---

ModuleNotFoundError Traceback (most recent call last)
<ipython-input-2-a4b4d2e7480a> in <module>()
1 from future import print_function
----> 2 import filter_function
3 import numpy as np
4 from matplotlib import pyplot as plt
5 import os

ModuleNotFoundError: No module named 'filter_function'

filter_function.ipynb↓

import numpy as np
from scipy import signal

#バターワースフィルタ（ローパス）
def lowpass(data, samplerate, fp, fs, gpass, gstop):
fn = samplerate / 2 #ナイキスト周波数
wp = fp / fn #ナイキスト周波数で通過域端周波数を正規化
ws = fs / fn #ナイキスト周波数で阻止域端周波数を正規化
N, Wn = signal.buttord(wp, ws, gpass, gstop) #オーダーとバターワースの正規化周波数を計算
b, a = signal.butter(N, Wn, "low") #フィルタ伝達関数の分子と分母を計算
y = signal.filtfilt(b, a, x) #信号に対してフィルタをかける
return y

Answer 1

質問者さんが参考にされたページでは、
関数lowpassを定義している自作ファイルfilter_functionがあり、それをmainファイルでimportしています。

質問者さんが挙げられているファイルの拡張子(.ipynb)から、Jupiter Notebookを使用されているかと思いますが、
Jupiter Notebookでそのようにファイルを分けて実装し、importするのをどのようにするのかわかりませんが
（同じディレクトリ内にあればいいのか、そうではないのか試したことがないので）、そこでfilter_functionがmainからみて見つからないところにあることが問題になっています。

そのため、解決策としては以下の２つが挙げられます。

1. filter_functionというファイルを介さずに関数を定義する。
2. Jupiter Notebookではなく、spyderなど他の実装環境を使ってみてはいかがでしょうか。spyderの場合は、上で書いたようにfilter_functionファイルがmainファイルと同じフォルダ内に存在すればimportで見つけてくれます。

※もし、上記２つがどちらも前提がダメな場合、つまり、関数とメインのファイルを分けたい＆Jupter Notebookで実装したい。ということであれば、申し訳ございませんが、この解決策は使えません。

具体的には、解決策１では、以下のように変更すれば大丈夫です。
・ data_filt = filter_function.lowpass(data, samplerate, fp, fs, gpass, gstop)のfilter_functionを削除する。
・ローパスフィルタの関数定義の部分（ def lowpass(...)〜return y）をlowpass(data, ...)と呼んでいる部分よりも前に持ってくる。Jupiter Notebookの場合は、ローパスフィルタの関数定義とメイン関数のブロックを分けて、それよりも先に関数定義を実行すれば正常に動作します。

Comments

[cacca]

早々にコメントありがとうございます。まずは解決策1を試してみたいと思います。

[cacca]

解決策1を試したところ、IndexErrorが出てしまいました。度々すみませんが、修正すべきところがお分かりになれば、ご教示いただけると助かります。よろしくお願い致します。

from scipy import signal
from __future__ import print_function
import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt
import os

#バターワースフィルタ（ローパス）
def lowpass(x, samplerate, fp, fs, gpass, gstop):
fn = samplerate / 2 #ナイキスト周波数
wp = fp / fn #ナイキスト周波数で通過域端周波数を正規化
ws = fs / fn #ナイキスト周波数で阻止域端周波数を正規化
N, Wn = signal.buttord(wp, ws, gpass, gstop) #オーダーとバターワースの正規化周波数を計算
b, a = signal.butter(N, Wn, "low") #フィルタ伝達関数の分子と分母を計算
y = signal.filtfilt(b, a, x) #信号に対してフィルタをかける
return y

print(os.getcwd())

samplerate = 48000 #波形のサンプリングレート

# ファイル読込
os.chdir(r'C:\file')
x = np.arange(0, 24000) / samplerate
data = ('sample.wav')

fp = 1000 #通過域端周波数[Hz]
fs = 945.6 #阻止域端周波数[Hz]
gpass = 0.1 #通過域端最大損失[dB]
gstop = -300 #阻止域端最小損失[dB]

data_filt = lowpass(data, samplerate, fp, fs, gpass, gstop)

------------------------------------------------------
IndexError Traceback (most recent call last)
<ipython-input-10-e69bcbf44a78> in <module>()
15
16
---> 17 data_filt = lowpass(data, samplerate, fp, fs, gpass, gstop)

<ipython-input-9-e3ad85a3b227> in lowpass(x, samplerate, fp, fs, gpass, gstop)
12 N, Wn = signal.buttord(wp, ws, gpass, gstop) #オーダーとバターワースの正規化周波数を計算
13 b, a = signal.butter(N, Wn, "low") #フィルタ伝達関数の分子と分母を計算
---> 14 y = signal.filtfilt(b, a, x) #信号に対してフィルタをかける
15 return y #フィルタ後の信号を返す

~\AppData\Local\Continuum\Anaconda3\lib\site-packages\scipy\signal\signaltools.py in filtfilt(b, a, x, axis, padtype, padlen, method, irlen)
3855 # method == "pad"
3856 edge, ext = _validate_pad(padtype, padlen, x, axis,
-> 3857 ntaps=max(len(a), len(b)))
3858
3859 # Get the steady state of the filter's step response.

~\AppData\Local\Continuum\Anaconda3\lib\site-packages\scipy\signal\signaltools.py in _validate_pad(padtype, padlen, x, axis, ntaps)
3903
3904 # x's 'axis' dimension must be bigger than edge.
-> 3905 if x.shape[axis] <= edge:
3906 raise ValueError("The length of the input vector x must be greater than "
3907 "padlen, which is %d." % edge)

IndexError: tuple index out of range

[Matsui_hero]

エラーメッセージに"tuple"って書いているのが気になります。

すみませんが、signal.filtfiltに関しては詳しくわからないので、
以下の情報をいただけますか？
y = signal.filtfilt(b, a, x)の直前のtype(b), type(a), type(x), b.shape, a.shape, x.shape

ちなみに、質問者さんが最初に参考にされたページで同じことをすると、以下のように出ました。
type(a), type(b), type(x) ともに、<class 'numpy.ndarray'>
a.shape, b.shapeは(7,)、 x.shapeは(12800,)
ここに差異があると考えられます。

[cacca]

ご親切にありがとうございます。
確認したところ、ご指摘の通り差異がありました。

type(a), type(b)は<class 'numpy.ndarray'>

type(x) は<class 'str'>

a.shape, b.shapeは(651,)

x.shapeは下記エラーとなりました。

AttributeError: 'str' object has no attribute 'shape'

[Matsui_hero]

よくみたら、data = ('sample.wav')となっています。これだと、長さ1のdataはtuple型、要素が'sample.wav'という文字列になります。

おそらくwavファイルのビットデータを読みたいということだと思いますので、修正が必要です。

wavファイルの読み込みですが、普通のバイナリデータ読み込みでもできるかもしれませんし、以下のページで解説されていますので、ご参照ください。
https://qiita.com/futurebone/items/fd42892c237a817cdbb4

[cacca]

ご返信が遅くなり、失礼いたしました。ご助言いただいた方法で修正中です。また状況ご連絡させていただきます。