使用FFT的Teensy 4音樂(lè)燈光秀

描述

靈感

我一直對(duì)能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)聲音的彩色顯示器著迷。能夠看到聲波令人著迷，當(dāng)聲波被分解成其組成部分時(shí)會(huì)更好。查看聲音數(shù)據(jù)的一種方法是使用頻率分析儀，其中從左到右的條形圖根據(jù)給定頻帶的幅度擴(kuò)展和收縮。我想重新創(chuàng)造這種效果，但要有所改變——讓它變得線性且更加豐富多彩。

所需硬件

這個(gè)項(xiàng)目的主處理器是一個(gè) Teensy 4，它負(fù)責(zé)接收傳入的聲音數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。在音頻被分解成頻率箱后，它會(huì)沿著一串 LED 輸出，從而創(chuàng)建一個(gè)燈光秀。至于燈本身，我選擇了一條 240 個(gè) WS2812 LED。

發(fā)送音頻

在 Teensy 4 中，內(nèi)置的音頻庫(kù)提供了幾種獲取音頻輸入的方法。其中一些包括 ADC、I2S 甚至 TDM。但是，我選擇了 SD 卡 WAV 音頻，因?yàn)樗趥鬏斠魳?lè)時(shí)簡(jiǎn)單易用。然后，Teensy 4 獲取 WAV 文件并通過(guò) I2S 將其發(fā)送到用于輔助輸出的音頻屏蔽，以及通過(guò) USB。這使得 Teensy 顯示為音頻輸入，類似于 USB 麥克風(fēng)。

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混合與分析

USB 音頻輸入類允許將其兩個(gè)通道（左聲道和右聲道）“修補(bǔ)”到其他塊中。可以使用 Teensy 音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具查看此布局。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，WAV 文件輸入進(jìn)入混頻器，在此流被均勻放大，然后輸出到 1024 bin FFT 分析儀、峰值模塊，最后是 I2S 輸出模塊。1024 bin FFT 分析儀使用快速傅里葉變換從單個(gè)波形中分離出某些頻率，然后將幅度放入 1024 bin。然后通過(guò)賦予較低頻率的權(quán)重比較高的頻率更多的權(quán)重，將這些組合成 16 個(gè) bin。此外，讀取電流波形的峰值，這決定了 LED 的亮度（聲音越大 = 越亮）。

塊布局

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控制 LED

WS2812 的工作原理是讀取一系列脈沖，將它們解析為顏色信息，然后傳遞其余的信息。由于我想快速更新字符串而不阻塞其他所有內(nèi)容，因此我使用了 WS2812Serial 庫(kù)。它通過(guò)使用直接內(nèi)存訪問(wèn) (DMA) 與 Teensy 4 配合使用，該直接內(nèi)存訪問(wèn) (DMA) 使用專用硬件將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)發(fā)送到串行端口，同時(shí)繞過(guò) CPU。這釋放了一些急需的循環(huán)，這些循環(huán)可用于處理更多的音頻信息和分析。

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視覺效果

音頻庫(kù)將聽覺數(shù)據(jù)直接從 wav 流閱讀器發(fā)送到 FFT1024 對(duì)象和 Peak 對(duì)象。峰值分析儀測(cè)量聲波的當(dāng)前整體幅度，并用 設(shè)置 LED 燈條的亮度WS2812Serial.setBrightness()。給定 bin 的值（縮放后）的范圍為 0 到 8。由于一個(gè) bin 中有 15 個(gè) LED，因此 0 表示不亮，1 表示中間的一個(gè)亮，2 表示中間的和緊鄰左右亮燈等

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當(dāng) Teensy 通電并啟動(dòng)時(shí)，顏色是隨機(jī)確定的，因此兩個(gè)燈光秀幾乎不可能相同。

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未來(lái)的可能性

這是一個(gè)非常有趣的項(xiàng)目，而且觀看起來(lái)更有趣。還有很多其他方法可以將此項(xiàng)目修改為更好的東西，例如添加效果開關(guān)庫(kù)、其他輸入音頻的方法以及更多燈光。