計算機音樂制作與數字音頻

摘 要： 近年來，隨著計算機的快速發(fā)展，利用計算機的音樂制作以及數字音頻的制作得到了很廣泛的應用。分析了現代音樂的創(chuàng)作過程，通過計算機的智能算法作曲功能，詳細解釋了不同計算機語言在識別音樂時的相關理論基礎。同時，在計算機的輔助功能下，讓音樂的旋律實現了音樂的二維可視化。最后，根據音樂旋律中的響度特征實現了音樂的自動識別，分析了音樂旋律與計算機的關系，為后續(xù)的學者分析提供了相應的參考。

關鍵詞： 計算機; 數字音頻; 智能算法; 二維可視化

中圖分類號： TG4 ? ? ?文獻標志碼： A

Computer Musc Producton and Dgtal Audo

L Fan

（College of Musc， Baoj Unversty of Arts And Scences， Baoj 721013）

Abstract： n recent years， wth the rapd development of computers， the use of computer musc producton and dgtal audo producton has been wdely developed. Ths paper analyzes the creatve process of modern musc， and explans the relevant theoretcal bass of dfferent computer languages n recognzng musc through the computer ntellgent functon of composng musc. At the same tme， under the auxlary functon of the computer， the melody of musc realzes the two-dmensonal vsualzaton of musc. Fnally， accordng to the loudness feature n the musc melody， the automatc recognton of musc s realzed， and the relatonshp between musc melody and computer s analyzed， whch provdes a correspondng reference for subsequent scholars' analyss.

Key words： Computer; Dgtal audo; ntellgent algorthms; Two-dmensonal vsualzaton

0 引言

隨著科學的快速發(fā)展，計算機的應用也變得越來越普遍?；谟嬎銠C的數字媒體和音樂創(chuàng)作對人們的生活方式產生了很大的影響，并且這一部分的成果也得到了很多人的認可和應用[1]?，F代音樂的創(chuàng)作都是基于傳統的音樂基礎上加以改造和創(chuàng)新的，音樂在創(chuàng)新的過程中方式是比較單一的。其主要通過旋律、作曲、編曲等方式進行[2]。旋律在音樂的創(chuàng)作過程中是指利用音樂的十二平均律和純律等進行創(chuàng)作，而作曲和編曲是在旋律的基礎上進行的樂曲豐富的過程，其主要是結合了器樂來表現其技法[3]?，F代音樂在創(chuàng)作的過程中會呈現多樣化的形式，其基本的創(chuàng)作過程如下圖1所示。

在計算機快速發(fā)展的今天，其對數字音頻技術也起到了很大的推進作用。數字音頻技術是將模擬得到的聲音信號通過特定的方式進行記錄、轉化和加工處理最終獲得連續(xù)的模擬信號，以實現不同的聲音應用需求。其主要的應用包括：電子音樂設備、廣播節(jié)目、多媒體的應用等。

國內外針對計算機的音樂創(chuàng)作和數字音頻技術都有過相關的研究[4，5]。余心樂等[6]從不同的角度對數字音頻廣播系統進行了對比研究，結果表明不同的編碼率和調制度對最終的聲音的配置有一定的影響。胡慶等[7]設計了一款簡單的數字音樂盒，通過相應的計算軟件和電路元器件，可以實現音樂的基本播放、暫停等功能。姚夢茹等[8]基于快速傅里葉變換算法研究了音頻頻譜的特性，并設計了一款高效的實時音頻頻譜分析系統，在使用的過程中提高了調音器的使用作用。

1 計算機智能算法作曲

在計算機智能算法作曲的發(fā)展過程中有兩種相應的算法：一是隨機性的算法作曲;二是確定性的算法作曲[9]。兩者相比較：隨機性的算法作曲能更加增加樂曲在實際編曲過程中的樂趣。同時，這兩種算法的基礎都是基于概率分布。

1.1 1/f噪聲和音樂

當1/f信號滿足下列信號表達式如式（1）。sf=co nstfr

（1） ?上式中r=1，f表示的是聲音的頻率，s（f）函數表示的是功率譜密度[10]。先對收集的信號進行放大處理，，然后對放大的信號進行傅里葉變化可以得到相應的功率譜密度函數。此時的功率譜密度主要在100 Hz～10 kHz，隨后對信號進行濾波處理，最終可以得到相應的功率譜密度，進行相應的對數處理就可以得到復合上式的信號函數圖像。

1.2 一種典型1/f分型算法

當運用1/f音樂特征進行相應的作曲模仿時，利用隨機數字發(fā)生器模擬1/f波動[11]。假設B為第個隨機的發(fā)生器，ak為的二進制表達式，若與-1的相關二進制存在不同的表達方式，則會隨機生成（0，1/N）個隨機數。B為各個隨機數相加的和，則B的表達式為式（2）。B=∑k=Nk=1b·Ak

（2）其中。Ak=若b·ak≠b-1·ak，則random0，1N

0

（3）2 基于計算機的數字音頻頻譜分析

本文結合NosⅡ系統設計了計算機的數字音頻頻譜分析系統，其主要的系統構成如下圖2所示。

包含相應的ADC模塊、LCD模塊等，這些模塊和NosⅡ系統進行連接，實現完整的控制系統。本系統的設計主要考慮的是利用信號的輸入，經過內部的不同轉化最終形成所需的音頻頻譜信號。

本文設計的系統整個結構硬件示意圖如下圖3所示。

在系統的設計過程中WM8731模塊主要的作用是實現系統的信號采集和信號的處理。同時，此模塊還能將外部的信號進行A/D的轉換，最后將信號傳輸到系統的主芯片中。在本系統中時鐘模塊能為系統提供足夠穩(wěn)定、時長的時間信號;電源模塊可以提供穩(wěn)定的電源;JTAG配置模塊在系統中的作用主要是起到輔助的功能;LCD顯示從字面上可以理解為系統提供直觀的顯示功能，可以讓測試人員更加清晰、直觀的感受信號燈額數字頻譜。

在本文系統的設計中FPGA編程是整個系統的核心部件，其主要由音頻采集模塊、音頻編碼模塊、FFO緩沖模塊、FFT數據處理模塊組成。每個功能的實現都是通過HDL語言進行預先設計實現的。

在本系統中音頻采集和編碼模塊通過特定的時序方式寫成WM8731的寄存器。在2S指定模式下，ADC的輸出數據會產生特定的時序變化如下圖4所示。

當系統中相關有效的數據發(fā)生電平變化后會產生位置上的改變。Adclrc是一種可以校準時鐘的工具，在此工具下可以判斷系統使用的是左聲道或者右聲道的數據。其判斷系統的聲道主要是通過輸出的電平來反應的，當其輸出的是低電平時，則表明系統輸出左聲道數據。

3 計算機音樂旋律的二維可視化

本文從文本處理的角度考慮了音樂的相關特征，通過記載音樂表現出來的特征音長、響度等，能夠提供給用戶更加直觀的輸入方式。為了重點的闡述旋律的可視化，本文從矩陣的方式輸入相應的向量，從而給出歌曲旋律的特征和相應的時值矩陣。

3.1 根據音樂的旋律實現音樂的二維可視化

根據特定的兩個矩陣來達到音樂二維可視化的效果，如下圖5所示。

由于音樂的普遍特性：存在部分的高音和低音[12-13]，本文將所在的坐標進行相應的擴展。

根據傳統的音階普遍表現可以將音階分為以下不同的兩個基調：[1，2，3，4，5，6，7]、[8，9，10，11，12，13，14]，兩者分別代表的是基準音階和高八度的音階。同理可得[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0]表示的則為低八度的音階?？v坐標從c到B代表的是從低音到高音的變化順序。橫坐標是根據音樂所播放的時間長度進行劃分的，隨機的表明了每首歌曲的特征。為了能夠增加圖表的可視效果，在繪圖的過程中增加了縱橫的網格。最終繪制而成的多級音高個小節(jié)線的旋律可視化圖如圖6所示。

3.2 旋律中響度特征的自動識別

在分析音樂的響度特征時，可以利用傅里葉分析，其可以對信號的頻率特征、頻率帶寬等相應的參數進行細致的分析[14]。這是因為傅里葉分析方法與傳統的時域分析方法不同，可以對時域分析方法進行轉換，最終為頻率的分析。利用的原理主要是因為任何連續(xù)的時域或者信號都能夠經過一定的轉換變?yōu)楦鞣N不一樣的正弦波的疊加。由于現代的計算機發(fā)展的制約性，只能處理有限個離散序列數據，故在計算中使用傅里葉變化的過程中，需要考慮輸入數據的量，同時這些量也決定了計算的規(guī)模。而快速傅里葉變換能夠更快的處理計算的數據，其為傅里葉變換的快速計算方法。

根據傅里葉變換的特性，其可以解析的最高頻率為實際采樣頻率的一半，并且函數傅里葉變換的相應的返回值是以一個特定的頻率為軸對稱的。在處理信號的過程中，傅里葉變換處理后的頻譜圖可以對不同的信號采樣，正常情況下其取樣的點為N/2+1個。繪制的頻譜圖如圖7所示。

從圖7中可以看出：x軸的最大頻率為FS/2，同時x軸也表示了信號的不同頻率成分;y軸為頻率的幅值。在本文中，為了能夠分析出不同的信號，采樣的數據選卻了足夠大的范圍。

由于圖7的頻譜圖表示的太寬泛，對圖7進行相應的放大，選取部分的頻率區(qū)域如圖8所示。

通過此方法還能確定音樂響度的音高所在區(qū)域。對本文使用的樣品音樂進行分析可知：第8456序列號的頻率值為312.84 Hz。

4 總結

計算機作為現代科技的發(fā)展潮流，其對各行各業(yè)的發(fā)展都起到了一定的促進作用。本文結合計算機的智能算法作曲功能，從理論上分析了不同計算機語言在識別音樂時的可行性。同時，本文通過對音樂旋律相關特征的提取，可以根據音樂的旋律實現了音樂的二維可視化，提高大眾對于音樂的認知水平，也豐富了人們的欣賞方向。

參考文獻

[1] 劉雙.基于神經網絡的音樂體裁分類算法研究[J].計算機產品與流通，2019（5）：97.

[2] 陳愛青，拉毛吉.數字音頻廣播CDR自動化監(jiān)控系統設計與應用[J].廣播與電視技術，2019，46（3）：114-118.

[3] 許燦.基于數字媒體技術的視頻技術研究[J].無線互聯科技，2019，16（5）：130-131.

[4] De Geus W J D， Cottura M， Appolaore B， et al. Fracture ntaton n mult-phase materals： a systematc three-dmensonal approach usng a FFT-based solver[J].Mechancs of Materals，2016，97（2）：199-211.

[5] Yang Pengfe， Wang Quan， Zhang Jyang. Parallel desgn and mplementaton of error dffuson algorthm and P core for FPGA [J]. Multmeda Tools and A pplcatons，2016，75（8）：4723-4733.

[6] 余心樂，張禹，陸耀賓.數字音頻廣播系統對比分析研究[J].中國傳媒大學學報（自然科學版），2019，26（1）：15-19.

[7] 胡慶，余晨.基于STM32單片機的數字音樂盒設計[J].成都大學學報（自然科學版），2018，37（4）：395-398.

[8] 姚夢茹，胡永兵，李慧.基于Avalon總線的音頻頻譜分析系統設計與實現[J].計算機技術與發(fā)展，2019，29（3）：169-172.

[9] 許衛(wèi)行，展再銘.64路AES數字音頻分層切換器的設計及實施[J].現代電視技術，2018（11）：86-89.

[10] 王輝，黃川，史東東.基于嵌入式Lnux的專業(yè)數字音頻播放器的設計與實現[J].今日電子，2018（9）：49-52.

[11] 張巖，呂夢儒.基于MATLAB的音樂旋律二維可視化方法[J].沈陽師范大學學報（自然科學版），2018，36（4）：342-346.

[12] 潘海嘯.數字媒體時代的“記譜法”對音樂創(chuàng)作與傳播的影響[J].黃鐘（武漢音樂學院學報），2019（2）：126-132.

[13] 胡慶，余晨.基于STM32單片機的數字音樂盒設計[J].成都大學學報（自然科學版），2018，37（4）：395-398.

[14] 劉珺，劉君.音樂情感的計算機分析與自動識別技術研究[J].北方音樂，2018，38（9）：220.

（收稿日期： 2019.06.03）

基金項目：寶雞文理學院校級重點項目（項目編號：ZK2017097）

作者簡介：李帆（1989-），女，商洛人，碩士，講師，研究方向：聲樂教學與演唱。 ?在現代音樂的創(chuàng)作過程中主要分為初步的思想感情的投入，形成一定的律制，然后經過前期的表示、作曲、制作、混音、母帶過程，再到音樂實體，最終可以形成不同的音樂表現形式。