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使用FFT的Teensy 4音乐灯光秀
莫联雪
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描述
灵感
我一直对能够实时响应声音的彩色显示器着迷。能够看到声波令人着迷，当声波被分解成其组成部分时会更好。查看声音数据的一种方法是使用频率分析仪，其中从左到右的条形图根据给定频带的幅度扩展和收缩。我想重新创造这种效果，但要有所改变——让它变得线性且更加丰富多彩。
所需硬件
这个项目的主处理器是一个 Teensy 4，它负责接收传入的声音数据并进行处理。在音频被分解成频率箱后，它会沿着一串 LED 输出，从而创建一个灯光秀。至于灯本身，我选择了一条 240 个 WS2812 LED。
发送音频
在 Teensy 4 中，内置的音频库提供了几种获取音频输入的方法。其中一些包括 ADC、I2S 甚至 TDM。但是，我选择了 SD 卡 WAV 音频，因为它在传输音乐时简单易用。然后，Teensy 4 获取 WAV 文件并通过 I2S 将其发送到用于辅助输出的音频屏蔽，以及通过 USB。这使得 Teensy 显示为音频输入，类似于 USB 麦克风。
混合与分析
USB 音频输入类允许将其两个通道（左声道和右声道）“修补”到其他块中。可以使用 Teensy 音频系统设计工具查看此布局。对于这个项目，WAV 文件输入进入混频器，在此流被均匀放大，然后输出到 1024 bin FFT 分析仪、峰值模块，最后是 I2S 输出模块。1024 bin FFT 分析仪使用快速傅里叶变换从单个波形中分离出某些频率，然后将幅度放入 1024 bin。然后通过赋予较低频率的权重比较高的频率更多的权重，将这些组合成 16 个 bin。此外，读取电流波形的峰值，这决定了 LED 的亮度（声音越大 = 越亮）。
控制 LED
WS2812 的工作原理是读取一系列脉冲，将它们解析为颜色信息，然后传递其余的信息。由于我想快速更新字符串而不阻塞其他所有内容，因此我使用了 WS2812Serial 库。它通过使用直接内存访问 (DMA) 与 Teensy 4 配合使用，该直接内存访问 (DMA) 使用专用硬件将数据从缓冲区发送到串行端口，同时绕过 CPU。这释放了一些急需的循环，这些循环可用于处理更多的音频信息和分析。
视觉效果
音频库将听觉数据直接从 wav 流阅读器发送到 FFT1024 对象和 Peak 对象。峰值分析仪测量声波的当前整体幅度，并用 设置 LED 灯条的亮度WS2812Serial.setBrightness()。给定 bin 的值（缩放后）的范围为 0 到 8。由于一个 bin 中有 15 个 LED，因此 0 表示不亮，1 表示中间的一个亮，2 表示中间的和紧邻左右亮灯等
当 Teensy 通电并启动时，颜色是随机确定的，因此两个灯光秀几乎不可能相同。
未来的可能性
这是一个非常有趣的项目，而且观看起来更有趣。还有很多其他方法可以将此项目修改为更好的东西，例如添加效果开关库、其他输入音频的方法以及更多灯光。
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