基于音樂特征識(shí)別的音樂噴泉計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)

時(shí)間：2024-10-07 20:58:13 理工畢業(yè)論文我要投稿

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摘要：介紹一種基于音樂特征識(shí)別的音樂噴泉計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。由于能夠自動(dòng)識(shí)別音樂的曲式、情感等特征，該系統(tǒng)能夠根據(jù)不同曲目的特點(diǎn)設(shè)計(jì)體現(xiàn)音樂內(nèi)涵的音樂噴泉表演程序；同時(shí)，通過綜合運(yùn)用電腦動(dòng)畫、自動(dòng)控制等技術(shù)，大大提高了音樂噴泉表演程序的開發(fā)效率。為了對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢驗(yàn)，開發(fā)了一個(gè)小型室內(nèi)音樂噴泉的實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果。十分令人滿意。

音樂噴泉作為將聽覺藝術(shù)與視覺藝術(shù)相結(jié)合的藝術(shù)形式，已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注。目前，國內(nèi)外雖然已建有很多音樂噴泉，但大多數(shù)音樂噴泉都存在著兩方面不足：首先、音樂噴泉表演程序的設(shè)計(jì)需要音樂、舞美、電腦、自控、噴泉等專業(yè)專家的合作；其次，為了了解音樂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(yàn)。因此，對(duì)于一般的音樂噴泉系統(tǒng)，其表演程序的設(shè)計(jì)非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也正是由于這個(gè)原因，既便是美國Lasvegas這樣著名的噴泉也只能表演幾首曲目。

基于上述問題，筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)音樂噴泉的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，簡稱CAD-MF。在該系統(tǒng)中，首先提取音樂的基本特征，然后在此基礎(chǔ)上分析音爾的曲式特征并將整首樂曲分成若干樂段，并分析出每一段音樂所表達(dá)的基本感情色彩；第二步，根據(jù)音樂的曲式和情感特片，為每個(gè)樂段匹配相應(yīng)的音樂噴泉基本表演程序，從而生成最初的音樂噴泉表演程序。該表演程序可以用三維動(dòng)畫進(jìn)行仿真，并可以通過友好的人機(jī)界面進(jìn)行修改，直至滿意。最終的表演程序經(jīng)過自動(dòng)編譯，可以控制音樂噴泉按照設(shè)計(jì)的動(dòng)作進(jìn)行噴射，實(shí)現(xiàn)音樂與噴泉的同步。

1 音樂噴泉實(shí)驗(yàn)裝置

該音樂噴泉實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)動(dòng)。此外，這13個(gè)噴頭的噴射高度還可以有3個(gè)級(jí)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，因此可以營造出多彩的光照效果。

2 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)由七個(gè)部分組成，如圖2。

（1）音樂特征的識(shí)別

在本系統(tǒng)中，選擇MIDI（Musical Instrument Digital Interface）文件作為輸入的音源。MIDI是音樂信號(hào)在電子樂器之間傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，包括硬件接口標(biāo)準(zhǔn)以及電子音樂信號(hào)在不同硬件之間的異步串行傳輸協(xié)議[1]。MIDI格式的音樂文件記錄了音樂的全部樂譜和演奏的全過程，很多基本的音樂特征都可以從中直接獲得。在此基礎(chǔ)上，又可以進(jìn)一步提取旋律、和聲、節(jié)奏等復(fù)雜特片。根據(jù)音樂基本特征和復(fù)雜特征在內(nèi)的音樂信息，最終能夠按照樂曲的結(jié)構(gòu)將其分為若干樂段，并且利用模糊分類器識(shí)別出每一個(gè)樂段所帶有的感情色彩。

（2）音樂特征與噴射動(dòng)作的匹配

這一部分主要是通過模糊專家系統(tǒng)將音樂特征與噴射動(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(jù)感情色彩為各個(gè)樂段找到合適的基本表演程序，即用于表現(xiàn)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)層次的匹配過程也就是音樂噴泉表演程序的最終設(shè)計(jì)過程，它記錄了音樂噴泉隨著音樂舞動(dòng)的全部狀態(tài)。

（3）動(dòng)畫仿真

當(dāng)表演程序被設(shè)計(jì)出來后，如果直接在噴泉裝置上進(jìn)行仿真，將是一個(gè)非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力的過程。因此，設(shè)計(jì)了動(dòng)畫仿真了系統(tǒng)。動(dòng)畫的參數(shù)全部按照實(shí)際的噴泉實(shí)驗(yàn)裝置來設(shè)計(jì)，通過動(dòng)畫可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(tǒng)[2]。

（4）手動(dòng)修改

在觀看動(dòng)畫仿真結(jié)果后，用戶可能需要對(duì)原表演程序進(jìn)行修改。為了使用戶能夠在不需要了解內(nèi)部代碼的情況下對(duì)表演程序進(jìn)行任意的修改，筆者開發(fā)了一個(gè)很有好的人機(jī)界面。該界面不僅可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)修改、多點(diǎn)修改，還可以為整段音樂選擇另一套表演動(dòng)作。

（5）打印噴泉表演流程總譜

該總譜既包括了所有音符，又包括了與音樂對(duì)應(yīng)的所有噴射動(dòng)作，可以對(duì)整個(gè)表演程序一目了然。

（6）編譯成控制程序