使用 fopen_s读取一个wav文件并对其求WVD并输出WVD结果不使用库函数C语言并解释代码

实现这个功能需要用到以下步骤：

1. 读取 WAV 文件的头部信息，获取采样率和声道数等参数。
2. 读取 WAV 文件的数据部分，存储到数组中。
3. 对数据进行预处理，比如将数据从整型转换为浮点型并进行归一化。
4. 实现 WVD 算法，在时间域和频率域上进行计算。
5. 将 WVD 结果输出到文件中。

以下是一个可能的实现过程：

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

// 定义常量
#define PI 3.14159265358979323846

// 定义 WAV 文件头部结构体
typedef struct wav_header_t {
    char chunk_id[4];       // "RIFF"
    int chunk_size;         // 文件总大小
    char format[4];         // "WAVE"
    char subchunk1_id[4];   // "fmt "
    int subchunk1_size;     // 子块1大小
    short audio_format;     // 音频格式，1为PCM
    short num_channels;     // 声道数
    int sample_rate;        // 采样率
    int byte_rate;          // 每秒数据量
    short block_align;      // 数据块大小
    short bits_per_sample;  // 每个采样点的位数
    char subchunk2_id[4];   // "data"
    int subchunk2_size;     // 子块2大小
} wav_header;

// 定义函数：读取 WAV 文件头部信息
void read_wav_header(FILE *fp, wav_header *header) {
    fread(header->chunk_id, sizeof(header->chunk_id), 1, fp);
    fread(&header->chunk_size, sizeof(header->chunk_size), 1, fp);
    fread(header->format, sizeof(header->format), 1, fp);
    fread(header->subchunk1_id, sizeof(header->subchunk1_id), 1, fp);
    fread(&header->subchunk1_size, sizeof(header->subchunk1_size), 1, fp);
    fread(&header->audio_format, sizeof(header->audio_format), 1, fp);
    fread(&header->num_channels, sizeof(header->num_channels), 1, fp);
    fread(&header->sample_rate, sizeof(header->sample_rate), 1, fp);
    fread(&header->byte_rate, sizeof(header->byte_rate), 1, fp);
    fread(&header->block_align, sizeof(header->block_align), 1, fp);
    fread(&header->bits_per_sample, sizeof(header->bits_per_sample), 1, fp);
    fread(header->subchunk2_id, sizeof(header->subchunk2_id), 1, fp);
    fread(&header->subchunk2_size, sizeof(header->subchunk2_size), 1, fp);
}

// 定义函数：读取 WAV 文件数据
void read_wav_data(FILE *fp, short *data, int size) {
    fread(data, sizeof(short), size, fp);
}

// 定义函数：预处理 WAV 数据（将 short 转为 float 并归一化）
void preprocess_wav_data(short *data, float *data_float, int size) {
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        data_float[i] = (float)data[i] / 32768.0;  // 归一化到 [-1, 1] 之间
    }
}

// 定义函数：计算 WVD
void compute_wvd(float *data_float, int size, float **wvd, int wvd_size) {
    float *g = (float *)malloc(sizeof(float) * wvd_size);
    float *gc = (float *)malloc(sizeof(float) * wvd_size);
    float *gd = (float *)malloc(sizeof(float) * wvd_size);
    float *wv = (float *)malloc(sizeof(float) * wvd_size * wvd_size);

    for (int n = 0; n < wvd_size; n++) {
        g[n] = 0.5 - 0.5 * cos(2 * PI * n / wvd_size);
    }

    for (int i = 0; i < wvd_size; i++) {
        for (int j = 0; j < wvd_size; j++) {
            wv[i * wvd_size + j] = 0;
        }
    }

    for (int i = 0; i < size; i++) {
        for (int j = 0; j < wvd_size; j++) {
            gc[j] = data_float[(i + j) % size] * g[j];
            gd[j] = data_float[(i - j + size) % size] * g[j];
        }

        for (int k = 0; k < wvd_size; k++) {
            for (int l = 0; l < wvd_size; l++) {
                wv[k * wvd_size + l] += gc[k] * gd[l];
            }
        }
    }

    *wvd = wv;

    free(g);
    free(gc);
    free(gd);
}

// 定义函数：输出 WVD 结果到文件
void write_wvd_data(FILE *fp, float *wvd, int size) {
    fwrite(wvd, sizeof(float), size * size, fp);
}

int main() {
    // 打开 WAV 文件
    FILE *fp = NULL;
    fopen_s(&fp, "test.wav", "rb");

    if (fp == NULL) {
        printf("Failed to open WAV file.\n");
        return -1;
    }

    // 读取 WAV 文件头部信息
    wav_header header;
    read_wav_header(fp, &header);

    // 计算数据大小
    int data_size = header.subchunk2_size / sizeof(short);

    // 读取 WAV 文件数据
    short *data = (short *)malloc(sizeof(short) * data_size);
    read_wav_data(fp, data, data_size);

    // 关闭 WAV 文件
    fclose(fp);

    // 预处理 WAV 数据
    float *data_float = (float *)malloc(sizeof(float) * data_size);
    preprocess_wav_data(data, data_float, data_size);

    // 计算 WVD
    int wvd_size = header.sample_rate / 10;  // WVD 窗口大小为采样率的 1/10
    float *wvd = NULL;
    compute_wvd(data_float, data_size, &wvd, wvd_size);

    // 输出 WVD 结果到文件
    fopen_s(&fp, "wvd.dat", "wb");

    if (fp == NULL) {
        printf("Failed to open output file.\n");
        return -1;
    }

    write_wvd_data(fp, wvd, wvd_size);

    // 关闭输出文件
    fclose(fp);

    // 释放内存
    free(data);
    free(data_float);
    free(wvd);

    return 0;
}

上面的代码实现了读取 WAV 文件并计算 WVD 的功能，但是 WVD 的计算量比较大，对于较长的音频文件可能需要一段时间才能计算出结果。因此，在实际应用中可能需要对 WVD 算法进行优化，比如使用 FFT 等快速傅里叶变换算法来加速计算。