基于深度学习进行呼吸音检测的详细示例

news2025/2/22 2:27:25

以下是一个基于深度学习进行呼吸音检测的详细示例，我们将使用Python语言以及一些常见的深度学习库（如TensorFlow、Keras）和数据处理库（如numpy、pandas），同时会用到音频处理库librosa。整个流程包括数据加载、预处理、模型构建、训练和评估。

步骤 1：安装必要的库

在开始之前，确保你已经安装了以下库：

pip install tensorflow librosa numpy pandas sklearn

步骤 2：编写Python代码

import os
import numpy as np
import pandas as pd
import librosa
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import layers, models
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import LabelEncoder

# 步骤 1: 数据加载和预处理
def load_data(data_dir):
    audio_files = []
    labels = []
    for root, dirs, files in os.walk(data_dir):
        for file in files:
            if file.endswith('.wav'):
                file_path = os.path.join(root, file)
                audio_files.append(file_path)
                # 假设标签是文件夹名
                label = os.path.basename(root)
                labels.append(label)
    return audio_files, labels

def preprocess_audio(file_path):
    # 加载音频文件
    audio, sr = librosa.load(file_path, sr=22050)
    # 提取MFCC特征
    mfccs = librosa.feature.mfcc(y=audio, sr=sr, n_mfcc=13)
    # 调整特征形状
    mfccs = np.pad(mfccs, ((0, 0), (0, 100 - mfccs.shape[1])), mode='constant')[:, :100]
    return mfccs

def prepare_dataset(audio_files, labels):
    X = []
    for file in audio_files:
        mfccs = preprocess_audio(file)
        X.append(mfccs)
    X = np.array(X)
    X = np.expand_dims(X, axis=-1)  # 添加通道维度

    # 标签编码
    le = LabelEncoder()
    y = le.fit_transform(labels)
    return X, y

# 步骤 2: 构建深度学习模型
def build_model(input_shape, num_classes):
    model = models.Sequential([
        layers.Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', input_shape=input_shape),
        layers.MaxPooling2D((2, 2)),
        layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'),
        layers.MaxPooling2D((2, 2)),
        layers.Flatten(),
        layers.Dense(64, activation='relu'),
        layers.Dense(num_classes, activation='softmax')
    ])
    model.compile(optimizer='adam',
                  loss='sparse_categorical_crossentropy',
                  metrics=['accuracy'])
    return model

# 步骤 3: 训练和评估模型
def train_and_evaluate_model(X, y):
    # 划分训练集和测试集
    X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)

    # 构建模型
    input_shape = X_train[0].shape
    num_classes = len(np.unique(y))
    model = build_model(input_shape, num_classes)

    # 训练模型
    model.fit(X_train, y_train, epochs=10, batch_size=32, validation_data=(X_test, y_test))

    # 评估模型
    test_loss, test_acc = model.evaluate(X_test, y_test)
    print(f"Test accuracy: {test_acc}")

    return model

# 主函数
if __name__ == "__main__":
    data_dir = 'your_data_directory'  # 替换为你的数据文件夹路径
    audio_files, labels = load_data(data_dir)
    X, y = prepare_dataset(audio_files, labels)
    model = train_and_evaluate_model(X, y)

代码说明

数据加载和预处理：
- load_data 函数用于遍历指定目录下的所有 .wav 音频文件，并提取对应的标签。
- preprocess_audio 函数使用 librosa 库加载音频文件，并提取MFCC（Mel频率倒谱系数）特征。
- prepare_dataset 函数将所有音频文件的MFCC特征存储在 X 中，并对标签进行编码。
构建深度学习模型：
- build_model 函数构建一个简单的卷积神经网络（CNN）模型，用于呼吸音分类。
- 模型使用 Conv2D 层进行特征提取，MaxPooling2D 层进行下采样，Flatten 层将特征展平，最后使用 Dense 层进行分类。
训练和评估模型：
- train_and_evaluate_model 函数将数据集划分为训练集和测试集，构建模型，训练模型，并评估模型的性能。