[Из песочницы] Работа с WAV-файлами с использованием PHP
Всё началось с того, что я задумался о том, как отобразить на сайте информацию о загруженном аудио-файле. Для начала решил разобраться с самым простым форматом — wav. Как оказалось, ничего сложного в этом нет и писать именно об этом, в общем-то, не было бы никакого смысла, благо, информации о том, как устроен wav-файл «изнутри» в Интернете полно.
И тут Остапа понесло И тут в голову пришла светлая мысль о том, что было бы прикольно не просто отображать информацию о файле, но и иметь возможность генерировать такой файл «на лету». Думаю, все видели в сети всевозможные «онлайн-пианино» и прочее, верно?
Итак, что мне удалось сделать за 2 вечера — под катом.
Итак, для начала всё-таки вернемся к структуре WAV-файла, как такового. Для простоты берем самый просто одноканальный wav-файл без сжатия.
Любой wav-файл состоит из нескольких секций (чанков, chunks). Подробно обо всех секциях можно почитать, например, по ссылке, я же остановлюсь на трёх основных:
- секция типа —
"RIFF"
- секция формата —
"fmt "
- секция данных —
"data"
У каждой секции есть её ID, размер секции и, собственно, какие-то данные, специфичные для данной секции.
Секция RIFF проста до безобразия: «RIFF<размер файла-8>WAVE»
<размер файла-8> потому что это значение характеризует «сколько байт содержится далее». Соответственно, 4 байта на само значение «сколько» и еще 4 на «RIFF» который был в начале.
В секции формата хранится основная интересующая обычного человека информация о файле: Sample Rate (частота дискретизации, например 44100 Гц), количество каналов (1 = моно, 2 = стерео и так далее).
В секции данных, собственно, и лежат нужные нам для проигрывания аудио-данные. По сути, они из себя представляют амплитуду волны в момент времени.
Исходя из всего вышесказанного и исходя из спецификации самого формата, ничего нам не мешает написать простейшие классы, описывающие каждую нужную нам секцию и простейший парсер, который будет считывать wav-файл и создавать необходимые нам объекты.
class Header
{
...
/**
* @var string
*/
protected $id;
/**
* @var int
*/
protected $size;
/**
* @var string
*/
protected $format;
...
class FormatSection
{
...
/**
* @var string
*/
protected $id;
/**
* @var int
*/
protected $size;
/**
* @var int
*/
protected $audioFormat;
/**
* @var int
*/
protected $numberOfChannels;
/**
* @var int
*/
protected $sampleRate;
/**
* @var int
*/
protected $byteRate;
/**
* @var int
*/
protected $blockAlign;
/**
* @var int
*/
protected $bitsPerSample;
...
class DataSection
{
...
/**
* @var string
*/
protected $id;
/**
* @var int
*/
protected $size;
/**
* @var int[]
*/
protected $raw;
...
В коде выше убрана вся логика, нам сейчас интересна только структура самих данных.
Собственно, для их чтения сделаем небольшую обёртку-helper для fread для более удобного чтения именно бинарных данных.
class Helper
{
...
public static function readString($handle, $length)
{
return self::readUnpacked($handle, 'a*', $length);
}
public static function readLong($handle)
{
return self::readUnpacked($handle, 'V', 4);
}
public static function readWord($handle)
{
return self::readUnpacked($handle, 'v', 2);
}
protected function readUnpacked($handle, $type, $length)
{
$data = unpack($type, fread($handle, $length));
return array_pop($data);
}
...
}
Осталось дело за малым, взять и прочитать содержимое wav-файла:
class Parser
{
...
public static function fromFile($filename)
{
...
$handle = fopen($filename, 'rb');
try {
$header = Header::createFromArray(self::parseHeader($handle));
$formatSection = FormatSection::createFromArray(self::parseFormatSection($handle));
$dataSection = DataSection::createFromArray(self::parseDataSection($handle));
} finally {
fclose($handle);
}
return new AudioFile($header, $formatSection, $dataSection);
}
protected static function parseHeader($handle)
{
return [
'id' => Helper::readString($handle, 4),
'size' => Helper::readLong($handle),
'format' => Helper::readString($handle, 4),
];
}
protected static function parseFormatSection($handle)
{
return [
'id' => Helper::readString($handle, 4),
'size' => Helper::readLong($handle),
'audioFormat' => Helper::readWord($handle),
'numberOfChannels' => Helper::readWord($handle),
'sampleRate' => Helper::readLong($handle),
'byteRate' => Helper::readLong($handle),
'blockAlign' => Helper::readWord($handle),
'bitsPerSample' => Helper::readWord($handle),
];
}
protected static function parseDataSection($handle)
{
$data = [
'id' => Helper::readString($handle, 4),
'size' => Helper::readLong($handle),
];
if ($data['size'] > 0) {
$data['raw'] = fread($handle, $data['size']);
}
return $data;
}
Итак, данные получены, мы их можем вывести в нужном на месте простым исполнением чего-то в духе:
echo $audio->getSampleRate();
Создание wav-файлов
Итак, меня, как человека, окончившего музыкальную школу когда-то, интересовало именно генерация мелодии на основе нот. Осталось только переложить знание музыкальной грамоты и физики на код.
Самым простым этапом в этом деле стало превратить ноту в код. По сути, любая нота характеризуется в первую очередь частотой звучания. Например, нота «ля» — это частота 440 Гц (стандартная частота камертона для настройки музыкальных инструментов).
По сути, нам остается только сопоставить каждой ноте её частоту. Всего нот (тонов) в октаве 7, а полутонов — 12. И у некоторых полутонов имеется несколько вариантов написания. Например, «фа-бемоль» это тоже самое, что и «ми». Или «соль-диез» это тоже самое, что и «ля-бемоль».
Итак, превратим эти знания в код:
class Note
{
const C = 261.63;
const C_SHARP = 277.18;
const D = 293.66;
const D_FLAT = self::C_SHARP;
const D_SHARP = 311.13;
const E = 329.63;
const E_FLAT = self::D_SHARP;
const E_SHARP = self::F;
const F = 346.23;
const F_FLAT = self::E;
const F_SHARP = 369.99;
const G = 392.00;
const G_FLAT = self::F_SHARP;
const G_SHARP = 415.30;
const A = 440.00;
const A_FLAT = self::G_SHARP;
const A_SHARP = 466.16;
const H = 493.88;
const H_FLAT = self::A_SHARP;
public static function get($note)
{
switch ($note) {
case 'C':
return self::C;
case 'C#':
return self::C_SHARP;
case 'D':
return self::D;
case 'D#':
return self::D_SHARP;
case 'E':
return self::E;
case 'E#':
return self::E_SHARP;
case 'F':
return self::F;
case 'F#':
return self::F_SHARP;
case 'G':
return self::G;
case 'G#':
return self::G_SHARP;
case 'A':
return self::A;
case 'A#':
return self::A_SHARP;
case 'B':
return self::H_FLAT;
case 'H':
return self::H;
}
}
}
Вообще, музыка достаточно точная наука. В нашем случае, это, в первую очередь, означает, что все возможные звучания различных инструментов уже давно описаны физиками и математиками, что, собственно, и позволяет производить, к примеру, синтезаторы. Подробно о синтезировании звуковых волн написано, например, здесь.
Ну, а поскольку я еще и ленивый, подробно разбираться во всём этом деле у меня не было желания, поэтому я принялся яростно гуглить. Информацию об эмуляции звуков различных музыкальных инструментов на русском языке не нашлось ровным счетом ничего (может, конечно, я плохо искал, но не суть). Но в итоге мне удалось найти аудио-синтезатор, правда, на JavaScript (GitHub). В целом, оставалось только транслировать JS-код в PHP, чем я и занялся.
По итогу, получаем SampleBuilder, при помощи которого можем создавать сэмплы (куски wav-данных) задавая ноту, октаву и длительность звучания.
Код более подробно — по спойлером.
class Piano extends Generator
{
...
public function getDampen($sampleRate = null, $frequency = null, $volume = null)
{
return pow(0.5 * log(($frequency * $volume) / $sampleRate), 2);
}
...
public function getWave($sampleRate, $frequency, $volume, $i)
{
$base = $this->getModulations()[0];
return call_user_func_array($base, [
$i,
$sampleRate,
$frequency,
pow(call_user_func_array($base, [$i, $sampleRate, $frequency, 0]), 2) +
0.75 * call_user_func_array($base, [$i, $sampleRate, $frequency, 0.25]) +
0.1 * call_user_func_array($base, [$i, $sampleRate, $frequency, 0.5])
]);
}
...
protected function getModulations()
{
return [
function($i, $sampleRate, $frequency, $x) {
return 1 * sin(2 * M_PI * (($i / $sampleRate) * $frequency) + $x);
},
...
];
}
}
class SampleBuilder
{
/**
* @var Generator
*/
protected $generator;
...
public function note($note, $octave, $duration)
{
$result = new \SplFixedArray((int) ceil($this->getSampleRate() * $duration * 2));
$octave = min(8, max(1, $octave));
$frequency = Note::get($note) * pow(2, $octave - 4);
$attack = $this->generator->getAttack($this->getSampleRate(), $frequency, $this->getVolume());
$dampen = $this->generator->getDampen($this->getSampleRate(), $frequency, $this->getVolume());
$attackLength = (int) ($this->getSampleRate() * $attack);
$decayLength = (int) ($this->getSampleRate() * $duration);
for ($i = 0; $i < $attackLength; $i++) {
$value = $this->getVolume()
* ($i / ($this->getSampleRate() * $attack))
* $this->getGenerator()->getWave(
$this->getSampleRate(),
$frequency,
$this->getVolume(),
$i
);
$result[$i << 1] = Helper::packChar($value);
$result[($i << 1) + 1] = Helper::packChar($value >> 8);
}
for (; $i < $decayLength; $i++) {
$value = $this->getVolume()
* pow((1 - (($i - ($this->getSampleRate() * $attack)) / ($this->getSampleRate() * ($duration - $attack)))), $dampen)
* $this->getGenerator()->getWave(
$this->getSampleRate(),
$frequency,
$this->getVolume(),
$i
);
$result[$i << 1] = Helper::packChar($value);
$result[($i << 1) + 1] = Helper::packChar($value >> 8);
}
return new Sample($result->getSize(), implode('', $result->toArray()));
}
}
Ну и небольшой пример кода, который проигрывает начало всем известного «К Элизе» Л. Бетховена.
$sampleBuilder = new \Wav\SampleBuilder(\Wav\Generator\Piano::NAME);
$samples = [
$sampleBuilder->note('E', 5, 0.3),
$sampleBuilder->note('D#', 5, 0.3),
$sampleBuilder->note('E', 5, 0.3),
$sampleBuilder->note('D#', 5, 0.3),
$sampleBuilder->note('E', 5, 0.3),
$sampleBuilder->note('H', 4, 0.3),
$sampleBuilder->note('D', 5, 0.3),
$sampleBuilder->note('C', 5, 0.3),
$sampleBuilder->note('A', 4, 1),
];
$builder = (new Wav\Builder())
->setAudioFormat(\Wav\WaveFormat::PCM)
->setNumberOfChannels(1)
->setSampleRate(\Wav\Builder::DEFAULT_SAMPLE_RATE)
->setByteRate(\Wav\Builder::DEFAULT_SAMPLE_RATE * 1 * 16 / 8)
->setBlockAlign(1 * 16 / 8)
->setBitsPerSample(16)
->setSamples($samples);
$audio = $builder->build();
$audio->returnContent();
Ссылки
Код полностью размещен на github: https://github.com/nkolosov/wav
Если кого-то заинтересовало, подключить к своему проекту можно при помощи composer:
composer require nkolosov/wav
Дальнейшие планы
Ну, во-первых, хотелось бы реализовать полную поддержку wav-файлов (обработку всех секций), реализовать поддержку многоканальных файлов, возможно — поддержку различных форматов wav (со сжатием и т.п), реализовать графическое отображение волны (на Хабре была статья о том, как это сделать на Python, мне же интересно сделать это на PHP).
В плане генерации, добавить еще некоторые инструменты, попытаться сделать звучание более плавным, чтобы получилась реальная возможность копировать целые музыкальные произведения в код, реализовать возможность проигрывать аккорды и т. д.
Если есть желающие присоединиться — welcome на GitHub.
