- 相關(guān)推薦
基于音樂(lè )特征識別的音樂(lè )噴泉計算機輔助設計系統
摘要：介紹一種基于音樂(lè )特征識別的音樂(lè )噴泉計算機輔助設計系統。由于能夠自動(dòng)識別音樂(lè )的曲式、情感等特征，該系統能夠根據不同曲目的特點(diǎn)設計體現音樂(lè )內涵的音樂(lè )噴泉表演程序；同時(shí)，通過(guò)綜合運用電腦動(dòng)畫(huà)、自動(dòng)控制等技術(shù)，大大提高了音樂(lè )噴泉表演程序的開(kāi)發(fā)效率。為了對該系統的設計方案進(jìn)行檢驗，開(kāi)發(fā)了一個(gè)小型室內音樂(lè )噴泉的實(shí)驗裝置。實(shí)驗證明，該系統的運行結果。十分令人滿(mǎn)意。音樂(lè )噴泉作為將聽(tīng)覺(jué)藝術(shù)與視覺(jué)藝術(shù)相結合的藝術(shù)形式，
已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注。目前，國內外雖然已建有很多音樂(lè )噴泉，但大多數音樂(lè )噴泉都存在著(zhù)兩方面不足：首先、音樂(lè )噴泉表演程序的設計需要音樂(lè )、舞美、電腦、自控、噴泉等專(zhuān)業(yè)專(zhuān)家的合作；其次，為了了解音樂(lè )噴泉表演程序的噴射效果，只有在硬件上進(jìn)行仿真實(shí)驗。因此，對于一般的音樂(lè )噴泉系統，其表演程序的設計非常費時(shí)費力，也正是由于這個(gè)原因，既便是美國Lasvegas這樣著(zhù)名的噴泉也只能表演幾首曲目。
基于上述問(wèn)題，筆者設計開(kāi)發(fā)了一個(gè)音樂(lè )噴泉的計算機輔助設計系統，簡(jiǎn)稱(chēng)CAD-MF。在該系統中，首先提取音樂(lè )的基本特征，然后在此基礎上分析音爾的曲式特征并將整首樂(lè )曲分成若干樂(lè )段，并分析出每一段音樂(lè )所表達的基本感情色彩；第二步，根據音樂(lè )的曲式和情感特片，為每個(gè)樂(lè )段匹配相應的音樂(lè )噴泉基本表演程序，從而生成最初的音樂(lè )噴泉表演程序。該表演程序可以用三維動(dòng)畫(huà)進(jìn)行仿真，并可以通過(guò)友好的人機界面進(jìn)行修改，直至滿(mǎn)意。最終的表演程序經(jīng)過(guò)自動(dòng)編譯，可以控制音樂(lè )噴泉按照設計的動(dòng)作進(jìn)行噴射，實(shí)現音樂(lè )與噴泉的同步。
1 音樂(lè )噴泉實(shí)驗裝置
該音樂(lè )噴泉實(shí)驗裝置的草圖如圖1所示。該噴泉由13個(gè)噴頭、4組彩燈組成。其中，噴頭1～6為第一組，可以沿圓圈的切向徑向進(jìn)行自由擺動(dòng)；7～9為第二組，10～12為第三組，可以左右隨意搖擺；13為第三組，不能轉動(dòng)。此外，這13個(gè)噴頭的噴射高度還可以有3個(gè)級別的變化。同時(shí)，該裝置中還配有4組（1～4）彩燈，由于每一組由3個(gè)不同顏色的燈泡組成，因此可以營(yíng)造出多彩的光照效果。
2 系統概述
該系統由七個(gè)部分組成，如圖2。
（1）音樂(lè )特征的識別
在本系統中，選擇MIDI（Musical Instrument Digital Interface）文件作為輸入的音源。MIDI是音樂(lè )信號在電子樂(lè )器之間傳輸的標準，包括硬件接口標準以及電子音樂(lè )信號在不同硬件之間的異步串行傳輸協(xié)議[1]。MIDI格式的音樂(lè )文件記錄了音樂(lè )的全部樂(lè )譜和演奏的全過(guò)程，很多基本的音樂(lè )特征都可以從中直接獲得。在此基礎上，又可以進(jìn)一步提取旋律、和聲、節奏等復雜特片。根據音樂(lè )基本特征和復雜特征在內的音樂(lè )信息，最終能夠按照樂(lè )曲的結構將其分為若干樂(lè )段，并且利用模糊分類(lèi)器識別出每一個(gè)樂(lè )段所帶有的感情色彩。
（2）音樂(lè )特征與噴射動(dòng)作的匹配
這一部分主要是通過(guò)模糊專(zhuān)家系統將音樂(lè )特征與噴射動(dòng)作進(jìn)行兩個(gè)層次的匹配——段匹配和音符匹配。段匹配是指根據感情色彩為各個(gè)樂(lè )段找到合適的基本表演程序，即用于表現某一特定情感的典型動(dòng)作序列。音符匹配則是為特定的音符安排特定的噴射動(dòng)作。這兩個(gè)層次的匹配過(guò)程也就是音樂(lè )噴泉表演程序的最終設計過(guò)程，它記錄了音樂(lè )噴泉隨著(zhù)音樂(lè )舞動(dòng)的全部狀態(tài)。
（3）動(dòng)畫(huà)仿真
當表演程序被設計出來(lái)后，如果直接在噴泉裝置上進(jìn)行仿真，將是一個(gè)非常費時(shí)費力的過(guò)程。因此，設計了動(dòng)畫(huà)仿真了系統。動(dòng)畫(huà)的參數全部按照實(shí)際的噴泉實(shí)驗裝置來(lái)設計，通過(guò)動(dòng)畫(huà)可以實(shí)現對實(shí)際噴射效果的仿真。為了做出與實(shí)際噴射相似的噴射效果，采用粒子系統[2]。
（4）手動(dòng)修改
在觀(guān)看動(dòng)畫(huà)仿真結果后，用戶(hù)可能需要對原表演程序進(jìn)行修改。為了使用戶(hù)能夠在不需要了解內部代碼的情況下對表演程序進(jìn)行任意的修改，筆者開(kāi)發(fā)了一個(gè)很有好的人機界面。該界面不僅可以實(shí)現單點(diǎn)修改、多點(diǎn)修改，還可以為整段音樂(lè )選擇另一套表演動(dòng)作。
（5）打印噴泉表演流程總譜
該總譜既包括了所有音符，又包括了與音樂(lè )對應的所有噴射動(dòng)作，可以對整個(gè)表演程序一目了然。
（6）編譯成控制程序
用一臺Pentium III 866MHz的PC機作為控制器，它能夠自動(dòng)地把表演程序編譯成功放輸出的控制程序，從而控制音樂(lè )噴泉硬件裝置的噴射，實(shí)現音樂(lè )與噴泉的同步。
（7）同步播放
為了保證噴射與音樂(lè )的同步，筆者開(kāi)發(fā)了同步播放程序，主要用于防止噴射相對于控制的延時(shí)。
音樂(lè )特征識別和匹配是該系統的核心。下面，將對這兩個(gè)子系統進(jìn)行重點(diǎn)介紹。
3 音樂(lè )特征的識別
由于不同風(fēng)格的音樂(lè )有著(zhù)各自不同的特點(diǎn)，這里，選擇節奏相對穩定、曲式相對固定的約翰·施特勞斯（Johann Strauss）的圓舞曲。
3.1 音樂(lè )基本特征的提取
在該系統中，選擇MIDI
【基于音樂(lè )特征識別的音樂(lè )噴泉計算機輔助設計系統】相關(guān)文章：
基于PLD技術(shù)的MIDI音樂(lè )播放控制系統設計03-15
基于內容的音頻與音樂(lè )分析綜述03-01
談?dòng)∠髽?lè )派音樂(lè )藝術(shù)特征03-18
PLC控制的花樣噴泉系統03-29
音樂(lè )噴泉計算機集成控制的應用與開(kāi)發(fā)03-18