寧兆卿

(商洛學(xué)院 藝術(shù)學(xué)院， 商洛 726000)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，生活環(huán)境，藝術(shù)熏陶，精神建設(shè)也不斷完善，尤其是居住環(huán)境和對旅游景點(diǎn)的更高期望。目前，水景已經(jīng)成為生活中不可或缺的視覺享受，音樂噴泉也成為很多生活小區(qū)和旅游地區(qū)吸引人的熱點(diǎn)。音樂噴泉是一個(gè)逼真的人造景觀，將水，燈光和音樂的變化與周圍環(huán)境(建筑，花園)相結(jié)合。創(chuàng)造各種風(fēng)格，風(fēng)格各異的藝術(shù)風(fēng)格，給人們帶來無盡的視聽享受，如杭州西湖音樂噴泉，西安音樂噴泉廣場，古北水鄉(xiāng)音樂噴泉等。此外，音樂噴泉還具有空間分離，美化生活環(huán)境和凈化空氣的功能。結(jié)合水，音樂和燈光，呈現(xiàn)美麗，有趣和美麗的藝術(shù)體驗(yàn)[1,2]。

目前在音樂噴泉方面，世界上最先進(jìn)的分布式WINSOWSNT為主，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由于具有先進(jìn)，開放，實(shí)用，安全等五大特點(diǎn)，被一些公司廣泛采用。一些音樂噴泉的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)和音樂噴泉控制器也已出現(xiàn),如圖1所示。

從以上描述可以看出，音樂噴泉系統(tǒng)發(fā)展的速度很快、形勢很好、前景非常樂觀，因此對于音樂噴泉的開發(fā)與研究具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

所謂的音樂噴泉是指利用音樂的各種特性(旋律，節(jié)拍，和聲等)來控制噴泉泵的運(yùn)行組合和速度變化。以及燈光的組合變化的噴泉。一個(gè)好的音樂噴泉可以立即將水柱變化的視覺感知與音樂的聆聽體驗(yàn)融為一體，創(chuàng)造出完美的環(huán)境藝術(shù)效果。當(dāng)前計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，新型的音樂噴泉與計(jì)算機(jī)的交互式應(yīng)用也更加廣泛，音樂噴泉也越來越復(fù)雜，越來越完備，使得更多的控制電路需要計(jì)算機(jī)來完成。

圖1 噴泉實(shí)際效果圖

因此，使用計(jì)算機(jī)來控制音樂彩燈噴泉成為必然的趨勢。但至今一些小型噴泉工程還存在不少技術(shù)上的困難，大概表現(xiàn)為明顯的聲音與噴泉彩燈不能同步、控制部分滯后、成本昂貴等問題[3,4,5]。

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，我國的大型的音樂噴泉技術(shù)已逐漸成熟，并且向智能、分散、綜合、多樣的方向發(fā)展，于是對噴泉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。王彩霞和儲(chǔ)健[6]通過研究提出了一種基于藍(lán)牙技術(shù)的音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，他們通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)音樂噴泉和手機(jī)App的通信，采用ADC0832將手機(jī)傳輸?shù)囊魳窂哪M量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，用單片機(jī)串口將音樂數(shù)據(jù)傳遞給獨(dú)特的藍(lán)牙模塊，從而完成數(shù)據(jù)的無線轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對音樂和水柱大小等的控制和實(shí)時(shí)顯示。李飛和張冬梅[7]等以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心的一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成音樂小型噴泉，整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成為：由聲音控制傳感器和繼電器模塊組成的輸入電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路，及交流電源等硬件電路組成。單片機(jī)利用聲控傳感器接收音頻信號(hào)，轉(zhuǎn)化后的信號(hào)輸出給單片機(jī)處理后再輸出給各執(zhí)行電路。段春霞[8]利用花樣噴泉作為研究對象，以S7-200 系列PLC CPU226CN 為控制器，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的控制程序，達(dá)到了花樣噴泉的控制系統(tǒng)要求。通過使用組態(tài)軟件對程序進(jìn)行噴泉畫面仿真模擬與監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控。王選誠和蘇鳳[9]等設(shè)計(jì)了一種音樂噴泉控制系統(tǒng)。通過采集電路采集音頻信號(hào)，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，利用AT89C51 單片機(jī)的輸出來控制可控硅交流調(diào)壓電路的控制信號(hào)，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速。水的噴射形狀和燈光變化由電磁閥控制，而電磁閥則通過系統(tǒng)程序來控制。黨麗峰和左文艷[10]等采用 STC12C5A60S2 單片機(jī)作為處理器，設(shè)計(jì)出一種可以手動(dòng)和自動(dòng)模式運(yùn)行的噴泉控制系統(tǒng)。自動(dòng)模式下，系統(tǒng)可以通過統(tǒng)計(jì)游客數(shù)量，智能選擇不同花樣進(jìn)行噴射的控制系統(tǒng)，增加了噴泉的花樣噴射，避免了傳統(tǒng)噴泉的呆板以及水資源浪費(fèi)。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

Horn Fonteles, J.[11]提出了一個(gè)三維粒子系統(tǒng)和一個(gè)映射算法，以此生成實(shí)時(shí)動(dòng)畫的虛擬發(fā)射器噴泉音樂。同時(shí)使用演示系統(tǒng)的主要方面詮釋其功能和可行性。特別是,他們的研究顯示,可以識(shí)別不同的視覺模式相匹配的主題音樂作品為例,說明該系統(tǒng)不僅可以用于視覺欣賞和娛樂,但也作為音樂感知的支持工具和組成。 此外,他們與用戶評價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示強(qiáng)勁的音樂術(shù)語的感知和視覺之間的關(guān)系屬性,除了提供積極的和有用的反饋生成的動(dòng)畫的有效性。Seung-Min Park[12]使用打跟蹤算法,優(yōu)化音樂表現(xiàn)提出了智能噴泉系統(tǒng)。 同時(shí),我們提出了新的分類的音樂流派音樂噴泉的減少維護(hù)成本。我們只是標(biāo)簽的情感的形容詞,如中分離出來,成為一種體裁的音樂是評審鑒定。 摘要新定義標(biāo)準(zhǔn)分類類型,svm(支持向量機(jī))算法,應(yīng)用高斯分布的權(quán)重來確定最優(yōu)超平面,vcm (Variance-Considered機(jī)器)算法。 提出了使用這個(gè)系統(tǒng)來生成一個(gè)音樂噴泉場景可以顯著減少所需的時(shí)間,可以顯著減少成本。Qi Wang[13]提出一個(gè)方法來自動(dòng)運(yùn)動(dòng)生成的三維彈簧模型與音樂。 因素可以從MIDI音樂(樂器數(shù)字接口)文件。而不是直接設(shè)計(jì)和計(jì)算對象的動(dòng)畫,一系列動(dòng)作控制器,可以完成一組運(yùn)動(dòng)受音樂影響因素,通過合成算法是自動(dòng)生成的。 開發(fā)了一個(gè)原型系統(tǒng)進(jìn)行評估和確認(rèn),用戶相對滿意的音樂相關(guān)運(yùn)動(dòng)視圖生成完整的抽象。

2 音樂識(shí)別技術(shù)

2.1 音樂的基本性質(zhì)

聲音具有4個(gè)特征：音高，長度，強(qiáng)度和音調(diào)，它們分別與聲體振動(dòng)的頻率和持續(xù)時(shí)間有關(guān)。物理量如振幅和光譜分布對應(yīng)于一段音樂的3個(gè)基本元素：旋律，節(jié)奏和和聲。同時(shí)，基本音樂理論包括音符，長度，音高，音量(力)，音調(diào)，名稱，基頻(主頻)，節(jié)拍，節(jié)奏和速度。探測儀器大致可分為兩類：管和弦。管狀樂器的聲音原理是利用管道中空氣的振動(dòng)，弦樂器是弦本身的振動(dòng)。如圖2所示。

圖2 音樂特征的組成

2.2 音樂的識(shí)別

音樂識(shí)別的方法主要是基于短期頻域分析的識(shí)別方法。信號(hào)的時(shí)域分析是分析和提取音樂信號(hào)的時(shí)域參數(shù)。短時(shí)自相關(guān)函數(shù)主要用于估計(jì)音樂信號(hào)音符的基頻，短時(shí)能量和短時(shí)過零率用于音樂片段的檢測。而短時(shí)平均幅度用于音符力度的識(shí)別。如圖3所示。

圖3 樂曲時(shí)域波形

音樂噴泉的模擬輸出主要是指變頻器控制。交流異步電動(dòng)機(jī)有3種速度控制方法：可變極速調(diào)節(jié)，差速調(diào)節(jié)和頻率控制。變頻調(diào)速的使用不僅可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級調(diào)速，還可以根據(jù)負(fù)載的特性調(diào)整電壓與頻率的關(guān)系。電機(jī)始終可以在高效區(qū)域運(yùn)行，并保證良好的動(dòng)態(tài)特性。音樂信號(hào)識(shí)別包括：①音樂信號(hào)的數(shù)字化和預(yù)處理。②音樂信號(hào)的時(shí)、頻域分析。具體步驟包括：音樂信號(hào)預(yù)處理，鼓點(diǎn)識(shí)別，旋律音調(diào)識(shí)別和速度識(shí)別。在提取音樂信號(hào)的特征元素之后，將它們應(yīng)用于噴泉控制系統(tǒng)[14,15]。

3 控制原理及方式

3.1 音樂噴泉的內(nèi)涵

噴泉是水或其他液體的組合，其具有在壓力下噴射特定形狀。總體來說，噴泉景觀可以分為兩大類：一類是根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r或根據(jù)現(xiàn)場的地形結(jié)構(gòu)，天然景觀形成的水景，如壁泉，泉水，霧泉，管道流，溪流，瀑布，水幕，水滴，水波，漩渦等；另一種完全依賴于人造景觀的噴泉設(shè)備形成的水景。如程控噴泉，搖擺噴泉，流水噴泉，明亮的噴泉，游樂噴泉，超高噴泉，舞臺(tái)幕布，激光水幕電影等。本文主要闡述的音樂噴泉屬于上述噴泉分類中的第二類水景，它通過將不同音樂的旋律音高、力度、鼓點(diǎn)節(jié)拍、樂曲旋律和音頻的強(qiáng)弱程度等等音樂特征轉(zhuǎn)化為不同的信息送進(jìn)計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過編制好的程序?qū)崿F(xiàn)對音樂信號(hào)的特征識(shí)別，分析找出音樂的旋律、節(jié)拍等特征風(fēng)格，再根據(jù)事先編制好的水型基本表演程序庫，結(jié)合分析出來的音樂特征，輸出各種開關(guān)量、模擬量控制信號(hào)至執(zhí)行機(jī)構(gòu)(變頻器、電磁閥、彩燈、接觸器)以實(shí)現(xiàn)噴泉造型隨音樂變化而變化。音樂噴泉是一個(gè)逼真的人造景觀，用周圍的設(shè)施改變水，光和音樂。環(huán)境(建筑和花園)的結(jié)合營造出各種變化和風(fēng)格的氛圍，給人無盡的視聽享受。此外，音樂噴泉還具有空間分離，美化生活環(huán)境和凈化空氣的作用[16,17]。

3.2 音樂噴泉的種類

音樂噴泉分為普通音樂噴泉、泄水型音樂噴泉和給水型音樂噴泉。

普通的音樂噴泉系統(tǒng)主要由音頻控制系統(tǒng)、水路控制系統(tǒng)、燈光控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)四大系統(tǒng)構(gòu)成。水路控制系統(tǒng)主要由噴泉控制器，變頻器，水泵，多功能調(diào)節(jié)閥，噴嘴和供水管網(wǎng)組成;照明控制系統(tǒng)包括各種燈，照明控制軟件系統(tǒng)，照明控制回路系統(tǒng)等。電氣控制系統(tǒng)包括弱電控制回路，高功率系統(tǒng)，泵，噴嘴和其他硬件[18]。

3.3 音樂噴泉的控制系統(tǒng)及方式

控制系統(tǒng)的原理是通過集成控制芯片中的匯編器對A / D轉(zhuǎn)換的音頻信號(hào)進(jìn)行采樣和處理。分級控制單相電動(dòng)機(jī)，最后實(shí)現(xiàn)控制噴嘴流量的方法。模式由程序控制或手動(dòng)按鈕控制以控制模式。音頻信號(hào)還用于控制燈光的顏色以及亮度和暗度的變化，以便照明效果和噴泉的水隨著音樂的節(jié)奏而變化。音樂噴泉是一個(gè)綜合的水景，由不同的形狀，不同的顏色和音樂節(jié)奏組成，通過計(jì)算機(jī)控制的聲，光和噴嘴組合[19,20]。如圖4所示。

圖4 音樂噴泉控制系統(tǒng)原理圖

4 總結(jié)

伴隨計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的飛躍發(fā)展，以現(xiàn)代高科技為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的新型音樂噴泉層出不窮。與此同時(shí)，音樂噴泉的種類和樣式也百花齊放。當(dāng)今時(shí)代，電腦自動(dòng)識(shí)別信號(hào)，音樂噴泉的智能控制已成為未來噴泉的主攻方向。本文首先深入地對音樂的基本知識(shí)進(jìn)行了解析，同時(shí)根據(jù)樂曲的音樂特征和物理特征，對音樂的基本特征進(jìn)行了研究。通過對音樂、音樂的識(shí)別和音樂噴泉控制系統(tǒng)的基本原理的詳細(xì)分析和闡述，進(jìn)而對音樂噴泉進(jìn)行了更加科學(xué)且緊密的研究。現(xiàn)代噴泉工程和計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合為高端音樂噴泉的誕生奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在高新技術(shù)的發(fā)展成果中，智能控制和變頻調(diào)速等高端科技在噴泉控制領(lǐng)域中，具有不可取代的地位?，F(xiàn)代音樂噴泉通過眾多的高新技術(shù)，使得噴泉的景觀效果獨(dú)一無二，給人帶來無與倫比的快感，也為人們的生活帶了樂趣，同時(shí)也為音樂噴泉以后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。