王 菁

（銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244000）

音樂(lè)的計(jì)算機(jī)模擬生成研究

王 菁

（銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244000）

音樂(lè)的計(jì)算機(jī)認(rèn)知以及智能創(chuàng)作屬于電腦音樂(lè)的根本目標(biāo)，但我國(guó)對(duì)此方面的認(rèn)識(shí)和研究仍然處于初級(jí)階段.隨著多媒體技術(shù)的產(chǎn)生，使聲音和音樂(lè)領(lǐng)域的發(fā)展得到了新的機(jī)遇.音樂(lè)是人們生活中不可缺少的一部分，當(dāng)代社會(huì)對(duì)音樂(lè)的需求也逐漸增加，但以往傳統(tǒng)人工作曲的音樂(lè)生成方法已經(jīng)難以符合當(dāng)前的社會(huì)需求，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行新型音樂(lè)創(chuàng)作成為大勢(shì)所趨.

音樂(lè)；計(jì)算機(jī)模擬；生成技術(shù)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平得到顯著提升，越來(lái)越多的人們注重精神追求.音樂(lè)從本質(zhì)上來(lái)看屬于自然界的聲音，能夠通過(guò)情感融入的方式與人產(chǎn)生關(guān)聯(lián).其中，主要是依靠音色、頻率、幅度以及長(zhǎng)度等幾個(gè)因素來(lái)決定，通過(guò)要素的不同變化構(gòu)成不一樣的音樂(lè)旋律.目前，計(jì)算機(jī)模擬音樂(lè)的形成具有較強(qiáng)的獨(dú)特性，能夠具備較為成熟的軟硬件系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行的模擬預(yù)測(cè)生成各種類(lèi)型的音樂(lè)，滿足不同人群對(duì)音樂(lè)的需求.

1 音樂(lè)序列的模擬生成實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 模擬生成方法

在研究音樂(lè)序列的模擬生成之前，首先應(yīng)對(duì)音樂(lè)序列特征進(jìn)行分析，了解其音色、頻率、幅度以及長(zhǎng)度等幾個(gè)因素，在對(duì)這些因素進(jìn)行分析之后，則可以進(jìn)行音樂(lè)的模擬生成，主要的生成方式有以下幾個(gè)方面.

第一，首先對(duì)原始音樂(lè)進(jìn)行細(xì)致的分析，了解其節(jié)奏周期內(nèi)的長(zhǎng)度、衰減率、最大振幅以及大波動(dòng)的頻率等等，并且掌握每個(gè)節(jié)奏周期內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)的小波動(dòng)序列.第二，當(dāng)上述特征以及小波動(dòng)序列都處于平穩(wěn)狀態(tài)下時(shí)，可以通過(guò)自回歸模型對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè).第三，再得出具體的預(yù)測(cè)結(jié)果之后，利用弦振動(dòng)函數(shù)模型將其中每個(gè)節(jié)奏中的模擬音樂(lè)序號(hào)進(jìn)行逐一生成.第四，將生成后的每個(gè)周期內(nèi)的信號(hào)序列進(jìn)行首尾相連，從而得到一段較為完整的信號(hào)序列.為了能夠使模擬后的音樂(lè)與原始音樂(lè)相比更加具有真實(shí)性，在模擬時(shí)可以采用將多個(gè)周期中的大波動(dòng)頻率進(jìn)行疊加，使其變成節(jié)奏周期內(nèi)的小波動(dòng)序列，以此來(lái)提升真實(shí)性的同時(shí)，還能夠使其獲得音色更加飽滿的模擬音樂(lè).

1.2 模擬音樂(lè)編程軟件

在本文的研究中應(yīng)用的編程軟件為MATLAB6.5，這款軟件能夠在音頻的處理上，通過(guò)一系列函數(shù)將聲音信號(hào)的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字序列，從相關(guān)工作提供較大的便利.在該軟件中通常會(huì)用到的一些函數(shù)名稱代表含義如表1所示.

表1 MATLAB聲音模擬量轉(zhuǎn)換相關(guān)函數(shù)

1.3 考察與討論

根據(jù)上述所介紹的模擬音樂(lè)生成法，對(duì)原始音樂(lè)進(jìn)行生成實(shí)驗(yàn)，原始音樂(lè)序列與模擬音樂(lè)序列的比較，并對(duì)生成效果進(jìn)行比較.

1.3.1 音響效果

將模擬音樂(lè)通過(guò)MATLAB的放音功能進(jìn)行播放之后，能夠發(fā)現(xiàn)其在音樂(lè)旋律方面與原始音樂(lè)相比是十分接近的，為了能夠進(jìn)一步對(duì)原始的音樂(lè)序列進(jìn)行模擬，應(yīng)對(duì)生成的音樂(lè)序列進(jìn)行特征方面的分析，并與原始音樂(lè)序列進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其中的區(qū)別之處并改正[1].

1.3.2 自相關(guān)系數(shù)

利用自相關(guān)系數(shù)公式對(duì)模擬和原始音樂(lè)序列進(jìn)行計(jì)算和比較，通過(guò)比較結(jié)果能夠清楚的看出0～500差位之間的自相關(guān)系數(shù)曲線，通過(guò)進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析得出，模擬和原始音樂(lè)的周期平均值處于40左右，其基因周期為100左右.但是二者顯著的區(qū)別在于模擬音樂(lè)在基因周期方面與原始音樂(lè)相比，不是十分明顯，這一點(diǎn)將會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)音樂(lè)在旋律方面產(chǎn)生一定的差別[2].

1.3.3 頻譜特征

將模擬音樂(lè)進(jìn)行傅里葉變換之后，能夠清楚的了解到其音樂(lè)序列的特性，并且將其與原始音樂(lè)進(jìn)行比較分析之后得出以下結(jié)論.第一，總體頻率特征.將整段音樂(lè)進(jìn)行傅里葉變換之后將能夠看出模擬與原始兩種音樂(lè)在總體頻率方面幾乎保持一致，但原始音樂(lè)與模擬音樂(lè)相比，頻率的分布范圍較寬，在頻率的成分上也較為豐富.第二，分段頻率特征[3].從總體頻率特征的分析中能夠得出，雖然二者之間的差距不是太大，但是不同的節(jié)奏周期內(nèi)，其頻率特征不盡相同.因此，對(duì)分段頻率特征的考察就顯得十分必要.基于此，在模擬音樂(lè)序列中隨機(jī)抽取一段節(jié)奏周期進(jìn)行傅里葉變換，并將其與原始音樂(lè)的對(duì)應(yīng)階段進(jìn)行比較之后發(fā)現(xiàn)，在這一階段內(nèi)原始音樂(lè)序列的頻率分布仍然大于模擬音樂(lè).這樣的考察結(jié)果能夠說(shuō)明一些問(wèn)題所在，即模擬音樂(lè)序列的頻率范圍較為狹小，使得音樂(lè)的豐滿度不達(dá)標(biāo)，進(jìn)而與原始音樂(lè)之間仍然存在一定的差距[4].

2 基于短時(shí)傅里葉變換的音樂(lè)序列分析

2.1 模擬音樂(lè)短時(shí)幅度譜的預(yù)測(cè)方法

在利用該方法進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，首先，應(yīng)明確模擬音樂(lè)中所包含的周期個(gè)數(shù)，在這里用m表示，個(gè)數(shù)的設(shè)定較為靈活，可以根據(jù)自身研究的需要設(shè)置，也可以與原始音樂(lè)中的個(gè)數(shù)相同，在本文中選擇與原始音樂(lè)個(gè)數(shù)相同進(jìn)行研究.其次，依照音樂(lè)序列節(jié)奏周期的波動(dòng)狀況進(jìn)行分幀，在此之前應(yīng)明確針長(zhǎng)，再確定出每個(gè)節(jié)奏區(qū)域內(nèi)所包含的幀數(shù)bm[5].利用原始音樂(lè)中的幀序列{bm}和自回歸模型，則可以生成相應(yīng)的bm.最后，在每個(gè)節(jié)奏中頻率1～4000Hz之間，對(duì)相應(yīng)頻率中的自回歸模型進(jìn)行預(yù)測(cè)生成，具體的波動(dòng)情況如表2所示.

表2 短時(shí)幅度譜變化情況

2.2 模擬生成實(shí)驗(yàn)及討論

2.2.1 模擬生成實(shí)驗(yàn)

首先，在對(duì)一段音樂(lè)序列進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換之前，應(yīng)明確其幀長(zhǎng)、幀移、分幀加窗等內(nèi)容，并且以每個(gè)節(jié)奏周期為單元將各個(gè)幀融入到三維函數(shù)當(dāng)中.其次，根據(jù)上述步驟進(jìn)行操作之后，將能夠在二維空間上得到一段較為波動(dòng)的序列，利用自回歸模型將其進(jìn)行模擬生成之后，形成一個(gè)模擬幅度譜.最后，將原始音樂(lè)信號(hào)中的1～50采樣點(diǎn)與模擬音樂(lè)中的50個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，再利用傅里葉變換的方式計(jì)算出其幅度譜，根據(jù)第一幀幅度譜對(duì)以下信號(hào)進(jìn)行推算和重構(gòu)，進(jìn)而推算出每一幀中的數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得一個(gè)嶄新的模擬音樂(lè)序列[6]，具體的模擬幅度變化情況如表3所示.

表3 模擬幅度變化情況

2.2.2 實(shí)驗(yàn)討論

為了能夠證明該模擬音樂(lè)序列的效果，證實(shí)短時(shí)變換音樂(lè)處理的有效性，本文將再次對(duì)新模擬音樂(lè)序列進(jìn)行分析和討論[7].

在音響效果方面，分別對(duì)模擬音樂(lè)以及原始音樂(lè)進(jìn)行收聽(tīng)之后發(fā)現(xiàn)二者在旋律和節(jié)奏等方面具有較大的相似之處，但是在模擬音樂(lè)中仍然能夠聽(tīng)出有噪音的存在，在對(duì)此現(xiàn)象產(chǎn)生原因進(jìn)行深入分析之后得出，主要是由于在對(duì)模擬幅度譜進(jìn)行信號(hào)的重構(gòu)時(shí)，采樣點(diǎn)屬于其中較為重要的內(nèi)容，但對(duì)于部分采樣點(diǎn)來(lái)說(shuō)，由于無(wú)法在事先獲得，因此只能利用原始音樂(lè)中的樣點(diǎn)進(jìn)行替代[8]，由此產(chǎn)生了誤差.在短時(shí)自相關(guān)系數(shù)方面，該系數(shù)是對(duì)短時(shí)技術(shù)處理信號(hào)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，需要設(shè)置的基本參數(shù)，從對(duì)原始和模擬音樂(lè)二者的自相關(guān)系數(shù)比較來(lái)看，呈現(xiàn)出十分相近的趨勢(shì)，但是卻依然不是高度一致[9].在短時(shí)頻譜方面，主要利用短時(shí)傅里葉變換對(duì)模擬音樂(lè)進(jìn)行考察，雖然事先已經(jīng)對(duì)此部分進(jìn)行了考察，但是由于信號(hào)的重構(gòu)將會(huì)給后續(xù)工作帶來(lái)較大的影響，使音樂(lè)序列產(chǎn)生誤差，因此應(yīng)對(duì)模擬音樂(lè)序列的短時(shí)幅度譜進(jìn)行再次考察，考察后的結(jié)果如表4所示[10].

表4 模擬音樂(lè)與原始音樂(lè)相比的幅度區(qū)別

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，音樂(lè)能夠帶給人們極大的精神享受，已經(jīng)成為人們生活中不可缺少的一部分.隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)被逐漸應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域之中，對(duì)音樂(lè)的特征識(shí)別以及模擬等都可以通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且能夠利用其實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)發(fā)音的識(shí)別和分類(lèi)等功能.但是，本系統(tǒng)在對(duì)原始音樂(lè)進(jìn)行模擬的過(guò)程中，由于受到外界諸多因素的影響，通常會(huì)混雜著一些噪音，對(duì)模擬音樂(lè)的質(zhì)量產(chǎn)生較大的不利影響，因此，在日后的發(fā)展中，應(yīng)積極采用先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠更加高效的運(yùn)用.

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2017-06-07