【C言語】第10章第13回：音声信号処理プログラムの実装

2025年1月17日 a-mun

本記事では、C言語を用いて基本的な音声信号処理プログラムを構築します。オーディオデータの読み込み、処理、保存方法を学びます。

Table of Contents

0. 記事の概要

この記事を読むメリット

信号処理の基礎理解：音声データの操作や編集方法を学べます。
実践的なプログラム作成：フィルタリングや増幅など、オーディオデータの加工スキルを身につけられます。
応用力の向上：音声処理の技術を活かして、音響効果や音声認識システムの構築に挑戦できます。

この記事で学べること

WAVファイルの基本構造
オーディオデータの操作方法
音量増幅の実装

1. 音声信号処理プログラムの基本設計

1.1 WAVファイルの基本構造

WAVファイルは以下の部分で構成されています。

RIFFヘッダー（ファイルの識別情報）
フォーマットチャンク（音声のサンプルレートやチャネル数を記録）
データチャンク（音声データの実際の波形情報）

1.2 プログラムの機能

このプログラムでは以下の基本機能を実装します。

WAVファイルの読み込み
音量増幅の実装
加工済みデータの保存

2. コード例と詳細解説

2.1 基本コード例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct {
    char chunkID[4];
    unsigned int chunkSize;
    char format[4];
} RIFFHeader;

typedef struct {
    char subchunk1ID[4];
    unsigned int subchunk1Size;
    unsigned short audioFormat;
    unsigned short numChannels;
    unsigned int sampleRate;
    unsigned int byteRate;
    unsigned short blockAlign;
    unsigned short bitsPerSample;
} FormatChunk;

typedef struct {
    char subchunk2ID[4];
    unsigned int subchunk2Size;
} DataChunk;

void amplifyAudio(short *data, unsigned int dataSize, float factor) {
    for (unsigned int i = 0; i < dataSize; i++) {
        int amplified = data[i] * factor;
        if (amplified > 32767) amplified = 32767;
        if (amplified < -32768) amplified = -32768;
        data[i] = amplified;
    }
}

int main() {
    FILE *input = fopen("input.wav", "rb");
    if (!input) {
        perror("ファイルを開けませんでした");
        return 1;
    }

    RIFFHeader riffHeader;
    FormatChunk formatChunk;
    DataChunk dataChunk;

    fread(&riffHeader, sizeof(RIFFHeader), 1, input);
    fread(&formatChunk, sizeof(FormatChunk), 1, input);
    fread(&dataChunk, sizeof(DataChunk), 1, input);

    short *audioData = malloc(dataChunk.subchunk2Size);
    fread(audioData, dataChunk.subchunk2Size, 1, input);
    fclose(input);

    amplifyAudio(audioData, dataChunk.subchunk2Size / sizeof(short), 1.5f);

    FILE *output = fopen("output.wav", "wb");
    if (!output) {
        perror("出力ファイルを作成できませんでした");
        free(audioData);
        return 1;
    }

    fwrite(&riffHeader, sizeof(RIFFHeader), 1, output);
    fwrite(&formatChunk, sizeof(FormatChunk), 1, output);
    fwrite(&dataChunk, sizeof(DataChunk), 1, output);
    fwrite(audioData, dataChunk.subchunk2Size, 1, output);

    fclose(output);
    free(audioData);

    printf("音声信号の増幅が完了しました！\\n");
    return 0;
}

動作解説

データ読み込み:WAVファイルのヘッダー情報と音声データを読み取ります。
音量増幅:`amplifyAudio`関数で各サンプル値を指定した倍率で増幅します。
結果の保存:加工済みデータを新しいWAVファイルに保存します。

3. 練習問題

以下の課題に挑戦して、音声信号処理プログラムを拡張してみましょう。

音声データの逆再生機能を追加してください。
高音域を強調するフィルタリング機能を実装してください。
データをリアルタイムで可視化する機能を追加してください。

4. 練習問題の解答と解説

問1の解答例

// 音声データの逆再生
void reverseAudio(short *data, unsigned int dataSize) {
    for (unsigned int i = 0; i < dataSize / 2; i++) {
        short temp = data[i];
        data[i] = data[dataSize - 1 - i];
        data[dataSize - 1 - i] = temp;
    }
}

この関数を使用して、音声データを逆順に並べ替えます。

5. まとめ

本記事では、C言語を用いてWAVファイルの読み込み、編集、保存を行う音声信号処理プログラムを作成しました。さらに高度な機能を追加して、実用的な音声処理ツールを開発してみましょう。