音樂的計(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）

音樂的計(jì)算機(jī)認(rèn)知以及智能創(chuàng)作屬于電腦音樂的根本目標(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，使聲音和音樂領(lǐng)域的發(fā)展得到了新的機(jī)遇.音樂是人們生活中不可缺少的一部分，當(dāng)代社會(huì)對(duì)音樂的需求也逐漸增加，但以往傳統(tǒng)人工作曲的音樂生成方法已經(jīng)難以符合當(dāng)前的社會(huì)需求，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行新型音樂創(chuàng)作成為大勢(shì)所趨.

音樂；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，越來越多的人們注重精神追求.音樂從本質(zhì)上來看屬于自然界的聲音，能夠通過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)因素來決定，通過要素的不同變化構(gòu)成不一樣的音樂旋律.目前，計(jì)算機(jī)模擬音樂的形成具有較強(qiáng)的獨(dú)特性，能夠具備較為成熟的軟硬件系統(tǒng)，通過對(duì)其進(jìn)行的模擬預(yù)測(cè)生成各種類型的音樂，滿足不同人群對(duì)音樂的需求.

1 音樂序列的模擬生成實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 模擬生成方法

在研究音樂序列的模擬生成之前，首先應(yīng)對(duì)音樂序列特征進(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與原始音樂相比更加具有真實(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.

1.2 模擬音樂編程軟件

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生成法，對(duì)原始音樂進(jìn)行生成實(shí)驗(yàn)，原始音樂序列與模擬音樂序列的比較，并對(duì)生成效果進(jìn)行比較.

1.3.1 音響效果

將模擬音樂通過MATLAB的放音功能進(jìn)行播放之后，能夠發(fā)現(xiàn)其在音樂旋律方面與原始音樂相比是十分接近的，為了能夠進(jìn)一步對(duì)原始的音樂序列進(jìn)行模擬，應(yīng)對(duì)生成的音樂序列進(jìn)行特征方面的分析，并與原始音樂序列進(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)模擬和原始音樂序列進(jìn)行計(jì)算和比較，通過比較結(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，通過進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析得出，模擬和原始音樂的周期平均值處于40左右，其基因周期為100左右.但是二者顯著的區(qū)別在于模擬音樂在基因周期方面與原始音樂相比，不是十分明顯，這一點(diǎn)將會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)音樂在旋律方面產(chǎn)生一定的差別[2].

1.3.3 頻譜特征

將模擬音樂進(jìn)行傅里葉變換之后，能夠清楚的了解到其音樂序列的特性，并且將其與原始音樂進(jìn)行比較分析之后得出以下結(jié)論.第一，總體頻率特征.將整段音樂進(jìn)行傅里葉變換之后將能夠看出模擬與原始兩種音樂在總體頻率方面幾乎保持一致，但原始音樂與模擬音樂相比，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)原始音樂序列的頻率分布仍然大于模擬音樂.這樣的考察結(jié)果能夠說明一些問題所在，即模擬音樂序列的頻率范圍較為狹小，使得音樂的豐滿度不達(dá)標(biāo)，進(jìn)而與原始音樂之間仍然存在一定的差距[4].

2 基于短時(shí)傅里葉變換的音樂序列分析

2.1 模擬音樂短時(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，也可以與原始音樂中的個(gè)數(shù)相同，在本文中選擇與原始音樂個(gè)數(shù)相同進(jìn)行研究.其次，依照音樂序列節(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，將原始音樂信號(hào)中的1～50采樣點(diǎn)與模擬音樂中的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序列的效果，證實(shí)短時(shí)變換音樂處理的有效性，本文將再次對(duì)新模擬音樂序列進(jìn)行分析和討論[7].

在音響效果方面，分別對(duì)模擬音樂以及原始音樂進(jìn)行收聽之后發(fā)現(xiàn)二者在旋律和節(jié)奏等方面具有較大的相似之處，但是在模擬音樂中仍然能夠聽出有噪音的存在，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)來說，由于無法在事先獲得，因此只能利用原始音樂中的樣點(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)原始和模擬音樂二者的自相關(guān)系數(shù)比較來看，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)工作帶來較大的影響，使音樂序列產(chǎn)生誤差，因此應(yīng)對(duì)模擬音樂序列的短時(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 模擬音樂與原始音樂相比的幅度區(qū)別

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，音樂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)音樂的特征識(shí)別以及模擬等都可以通過計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，并且能夠利用其實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)發(fā)音的識(shí)別和分類等功能.但是，本系統(tǒng)在對(duì)原始音樂進(jìn)行模擬的過程中，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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〔2〕李巖.舞臺(tái)音樂罩對(duì)多功能專業(yè)化劇場(chǎng)音質(zhì)改善的分析研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

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