音频处理库性能对比：计算mel频谱的速度哪个更快？

介绍

音频信号处理在各种应用中都发挥着重要的作用，如语音识别、音乐信息检索、语音合成等。其中，Mel频谱是一种常用的频域特征表示方法，用于描述人类听觉系统对频率的敏感程度。

在深度学习音频领域，mel频谱是最常用的音频特征。在本文中，我们将对四个常用的音频处理库——audioflux、torchaudio、librosa和essentia——进行性能测试，以评估它们在计算Mel频谱时的效率。

audioFlux：基于C开发和python包装，底层针对不同平台有不同的桥接处理，支持OpenBLAS，MKL等
TorchAudio: 基于pytorch开发，pytorch基于C++开发和python包装，底层使用MKL，pytorch针对CPU是高度优化的（本篇评测不涉及到GPU版pytorch）；
librosa: 纯python开发，主要基于numpy和scipy，numpy底层使用OpenBLAS；
Essentia: 基于C++开发和python包装，底层使用Eigen，FFTW；

针对音频领域最常见的mel特征，涉及到性能主要卡点有FFT计算，矩阵计算，多线程并行处理这三部分，其它次要卡点有算法业务实现，python包装等。

针对FFT计算，librosa使用scipy的fftpack实现FFT计算加速，比FFTW3，MKL，Accelerate要慢一些；
针对矩阵计算，MKL比OpenBLAS要快些，OpenBLAS比其Eigen快一些；
针对多线程并行处理，具体各个项目内部是否有支持。

测试脚本

1. 测试多个库，使用以下方式：

$ python run_benchmark.py -p audioflux,torchaudio,librosa -r 1000 -er 10  -t 1,5,10,100,500,1000,2000,3000

• -p: The library name, list
• -r: The number of sample data, number
• -er: The number of run_xxx.py calls, number
• -t: The time of each sample data, list

2. 测试单个库，使用以下方式：

$ python run_audioflux.py -r 1000 -t 1,5,10,100,500,1000,2000,3000

3. 需要更多的命令功能，可以python run_xxx.py --help

注意

在音频领域，与音频特征提取相关的库具有自己的功能特点，并提供不同类型的特征。本次评估并不旨在详细测试所有特征提取的性能比较，但是由于梅尔频谱是最重要和基础的特征之一，因此所有这些库都支持它。

许多因素会影响性能评估结果，如 CPU 架构、操作系统、编译系统、基本线性代数库的选择以及项目 API 的使用，这些因素都会对评估结果产生一定的影响。为了尽可能公平地反映实际业务需求，本次评估基于以下条件：

1. macOS/Linux 操作系统，三种 CPU：Intel/AMD/M1。
2. 库使用最新的官方发布版本或使用具有高性能支持的最新官方源代码编译，并选择最快的版本。
3. 在 API 使用方面，遵循官方标准，并对每个库的相应方法进行“预热”（不计算第一次执行时间），并不计算初始化的执行时间。
4. 在数据长度方面，选择测试数据时考虑各种实际业务需求。

当数据较短时，大多数库的第一次执行时间可能相对较慢。为了反映实际业务需求并保持公平，不计算第一次执行时间。如果库的 API 设计提供了初始化函数，则在实际业务场景中会创建并重复调用它们，初始化的执行时间也不计入评估结果。

警告

⚠️ 当使用 Conda、PyTorch、TensorFlow、XGBoost、LightGBM 等 Python 科学计算相关的库时，几乎所有这些库都使用 Intel Math Kernel Library (MKL)。MKL 使用 OpenMP 进行并行加速，但是在同一进程中只能存在一个 OpenMP 实例。当这些库一起使用时，最好将所有库链接到 libomp 的相同位置，否则会出现错误。根据提示修改环境变量可能会导致程序执行变慢并产生不可靠的结果。相关工具可以用于重写相关库的 libomp 链接路径。

性能

使用 audioFlux/torchaudio/librosa 库, 针对 AMD/Intel/M1 CPUs and Linux/macOS 系统。

计算1000个样本数据的mel频谱，针对 1/5/10/100/500/1000/2000/3000每个样本尺寸大小。 参数为 fft_len=2048, slide_len=512, sampling_rate=32000。

Linux - AMD

- OS: Ubuntu 20.04.4 LTS
- CPU: AMD Ryzen Threadripper 3970X 32-Core Processor

Linux - Intel

- OS: Ubuntu 20.04.4 LTS
- CPU: Intel(R) Core(TM) i7-6850K CPU @ 3.60GHz

macOS - Intel

- OS: 12.6.1 (21G217)
- CPU: 3.8GHz 8‑core 10th-generation Intel Core i7, Turbo Boost up to 5.0GHz

macOS - M1

- OS: 12.4 (21F79)
- CPU: Apple M1

详细Benchmark和脚本: https://github.com/libAudioFlux/audioFlux/tree/master/benchmark

总结

总的来说，从三个库的性能比较结果来看，librosa 执行时间最长，这也符合常识。
在 linux/amd 处理器上，audioflux 比 torchaudio 稍快，但在 linux/intel 上稍慢。
在 macOS 系统上，对于大尺寸样本数据，audioflux 比 torchaudio 快，intel 比 m1 明显；对于小尺寸样本数据，torchaudio 比 audioflux 更快。

⚠️尽管本次基准测试的开发旨在尽可能客观和公正，但每个基准测试都有其缺点，并且限于特定的测试程序、数据集和平台。此外，本次基准测试未比较库可能支持的其他功能或其他 API、跨平台等。我们鼓励用户使用自己的数据集和平台进行基准测试。