基于音型數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的多特征作曲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毛康 林勇

摘? 要： 為解決目前作曲系統(tǒng)存在作曲耗時(shí)長(zhǎng)、匹配度低等問題，提出基于音型數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的多特征作曲系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先，通過訓(xùn)練模塊、作曲模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊和用戶界面模塊完成對(duì)系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)，然后，通過處理器、存儲(chǔ)卡、顯示器、計(jì)算機(jī)和音響完成對(duì)作曲系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，最后，通過提取數(shù)據(jù)，對(duì)音型結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別，再利用Matlab平臺(tái)的函數(shù)和Java語言程序?qū)崿F(xiàn)樂曲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)作曲系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，至此完成基于音型數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的多特征作曲系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的作曲系統(tǒng)相比，提出的多特征作曲系統(tǒng)的作曲耗時(shí)明顯減少，匹配度可達(dá)到90%以上，表明提出的作曲系統(tǒng)具有更高的有效性。

關(guān)鍵詞： 音型數(shù)據(jù)庫(kù); 多特征作曲系統(tǒng); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 作曲耗時(shí); 數(shù)據(jù)處理; 對(duì)比驗(yàn)證

中圖分類號(hào)： TN919?34; TP311? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）08?0060?03

Design of multi?feature composition system based on figure database structure

MAO Kang1， LIN Yong2

（1. HuaiYin Normal University， Huaian 223300， China; 2. Chonbuk National University， Chonju 54896， Korea）

Abstract： A design of multi?feature composition system based on figure database structure is proposed to reduce the composition time?consumption and improve matching degree of the current composition system. The overall framework design of the system is completed by means of training module， composition module， database module and user interface module. The hardware design of the composition system is completed with the processor， memory card， display， computer and stereo. The figure structure is recognized by extracting data. The conversion and output of the music data are completed by means of the functions of the Matlab platform and the Java language program， so as to realize the software design of the composition system. The multi?feature composition system based on the figure database structure is completed. The experimental results show that， in comparison with the traditional composition system， the time?consumption of the proposed multi?feature composition system is significantly reduced， and its matching degree can reach more than 90%， which indicates that the proposed composing system has higher effectiveness.

Keywords： multi?feature composition system; system design; figure database; composition time?consumption; data processing; comparison validation

0? 引? 言

近年來，隨著人們的物質(zhì)生活水平提高，對(duì)精神文化的重視程度不斷增加，人們對(duì)音樂也投入了更多的關(guān)注，越來越多的人開始進(jìn)行音樂創(chuàng)作。作曲作為音樂創(chuàng)作活動(dòng)的基礎(chǔ)，對(duì)于音樂創(chuàng)作具有十分重要的指導(dǎo)作用，將科技與作曲相結(jié)合，為作曲帶來了新的活力[1]。

目前，常見的作曲技術(shù)有修正型粒子群算法[1]、遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[2]、音樂文法[3]和遺傳算法[4]等。由于在傳統(tǒng)的作曲系統(tǒng)中，仍然存在一些不足，如作曲耗時(shí)較長(zhǎng)、匹配度較低等。因此，對(duì)作曲系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新具有十分重要的意義。

為解決以上存在的問題提出基于音型數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的多特征作曲系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的多特征作曲系統(tǒng)能更有效地完成樂曲的創(chuàng)作。

1? 多特征作曲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1? 多特征作曲系統(tǒng)的總體框架

基于音型數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的多特征作曲系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

基于音型數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的多特征作曲系統(tǒng)包含訓(xùn)練模塊、作曲模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊和用戶界面模塊。訓(xùn)練模塊又包括三個(gè)子模塊，分別為訓(xùn)練數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、訓(xùn)練數(shù)據(jù)聚類模塊和網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模塊[5]。

1.2? 多特征作曲系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于音型數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的多特征作曲系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1） 訓(xùn)練模塊

將樣本譜例進(jìn)行收集，通過處理器，將不對(duì)稱的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、轉(zhuǎn)換等操作，對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練的過程中，將音型收集于音型數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2） 作曲模塊

通過數(shù)據(jù)串口將作曲模塊與數(shù)據(jù)庫(kù)模塊進(jìn)行連接，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的樣本的音型數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，通過串口傳輸?shù)阶髑K的處理器，處理器先對(duì)音型結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別、分割等操作，再通過Matlab平臺(tái)上的函數(shù)以及作曲程序，將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而使數(shù)據(jù)以樂曲的形式進(jìn)行輸出。

3） 用戶界面模塊

用戶可以通過顯示器查看到作曲系統(tǒng)所作樂曲的具體信息。在該界面中，包括訓(xùn)練模式和作曲模式。在數(shù)據(jù)訓(xùn)練模塊中，將樣本譜例通過讀入、識(shí)別等步驟，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，將訓(xùn)練通過的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。在作曲模式中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行激活，使之產(chǎn)生不同的音樂序列，在界面中輸入樂曲時(shí)長(zhǎng)，可以對(duì)樂曲的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行控制，完成樂曲的創(chuàng)作。通過該界面，可以對(duì)作曲系統(tǒng)是否開始工作或是否退出程序進(jìn)行設(shè)置。

由于系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，需要同時(shí)啟動(dòng)多個(gè)應(yīng)用程序，基于音型數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的多特征作曲系統(tǒng)硬件的配置要求如表1所示。

1.3? 多特征作曲系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

首先，針對(duì)要進(jìn)行創(chuàng)作的樂曲，在數(shù)據(jù)庫(kù)中提取相關(guān)的樣本譜例的音型信息。對(duì)于存儲(chǔ)的樣本數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中分布情況，可以將樣本數(shù)據(jù)看作一個(gè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)編碼空間，將數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取時(shí)，即任意取出編碼空間中的點(diǎn)，將點(diǎn)進(jìn)行組合，由于點(diǎn)的數(shù)量眾多，可以任意組合，使其具有多特征的特點(diǎn)。當(dāng)收集到樣本的音型后，先對(duì)其采取完全匹配的模式，假如未匹配成功，則采用模糊匹配的方式再重新對(duì)其音型進(jìn)行確定[6]。

表1? 系統(tǒng)硬件的配置要求

[配置名稱 配置要求 音響設(shè)備 /套 1 顯示器 /個(gè) 1～2 顯卡 集成 硬盤 /GB >200 內(nèi)存 /GB >8 ]

然后，對(duì)樂曲的音型結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別。設(shè)模仿時(shí)值為兩拍，包含音符組的格式為三個(gè)，在確定模仿結(jié)構(gòu)后，再對(duì)樂曲的狀態(tài)按一定的長(zhǎng)度進(jìn)行分割[7]。假設(shè)樂曲的單元長(zhǎng)度為R，則對(duì)其進(jìn)行分割的段的數(shù)量N計(jì)算公式為：

式中：M代表樂曲的時(shí)值;T代表音符組的個(gè)數(shù);n代表樂曲的段數(shù)。通過式（1）可以將樂曲分割成多個(gè)段，對(duì)每個(gè)段的具體情況，確定其音型結(jié)構(gòu)。在完成分割后，將要?jiǎng)?chuàng)作的樂曲與數(shù)據(jù)庫(kù)中的音型元結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，根據(jù)實(shí)際情況的不同，對(duì)其進(jìn)行靈活設(shè)置。

最后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。在數(shù)據(jù)輸出的過程中，對(duì)聲音進(jìn)行合成?；贛atlab平臺(tái)，使用相關(guān)的聲音合成技術(shù)對(duì)聲音進(jìn)行合成[8]。假設(shè)一個(gè)音可以用一個(gè)正弦波進(jìn)行表示，在不考慮音色的情況下，則系統(tǒng)發(fā)出的聲音可表示為：

式中：A代表作曲系統(tǒng)發(fā)出的聲音的響度;ω代表作曲系統(tǒng)發(fā)出的聲音的頻率;t代表作曲系統(tǒng)發(fā)出的聲音的持續(xù)時(shí)間。

在提出的作曲系統(tǒng)中，將聲音的響度A和持續(xù)時(shí)間t設(shè)置成一個(gè)固定值，通過調(diào)節(jié)聲音的頻率ω來發(fā)出各種聲音。在數(shù)據(jù)庫(kù)選取一個(gè)頻率ω為440 Hz的音作為標(biāo)準(zhǔn)音，則作曲系統(tǒng)發(fā)出其他音的頻率的計(jì)算公式如下：

式中，p代表作曲系統(tǒng)發(fā)出聲音的音高值。將標(biāo)準(zhǔn)音的音高值設(shè)置為69，則作曲系統(tǒng)發(fā)出聲音的頻率可以通過式（3）得到。通過式（3）可以對(duì)樂曲不同部分的頻率進(jìn)行計(jì)算，Matlab平臺(tái)通過上述函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而對(duì)基于音型數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的多特征作曲系統(tǒng)的聲音進(jìn)行合成。然后，通過程序代碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中的樂曲的輸出。利用Java語言程序?qū)ψ髑绦虻拈_放源代碼進(jìn)行輸出[9?10]，部分代碼如下：

INT []PITCHES ={C5，A4，F(xiàn)4，D4，E4，F(xiàn)4，D4，F(xiàn)4，C4};

FOR（INT i=0;i

//A NOTE IS MADE UP OF A PITCH AND DURATION

NOTE[I]=NEW NOTE（PITCHES[I]，RHYTHMVALUES[I]）;

}

//A PHRASE IS MADE UP OF NOTES

PHRASE PHRASE=NEW PHRASE（notes）;

PART PIANOPART=NEW PART（"PIANO，"piano）;

//A PART IS MADE UP OF PHRASES

PIANOPART.ADD（PHRASE）;

//IN KEY OF 1 FLAT

DAISY.SETKEYSIGNATURE（?1）;

//IN 3/4 TIME

DAISY.SETNUMERATOR

DAISY.STENUMERATOR（3）;

DAISY.SETNNUMERATOER（4）;

//DISPLYA SCORE IS STANDARDMUSICAL NOTATION

VIEW.NOTATE（DAISY）;

//WRITE OUT SCRE TO MINI FILE

WRITE MIDI（DAISY，"C：/DAISY.MID"）

通過上述程序設(shè)計(jì)，對(duì)音型數(shù)據(jù)庫(kù)中的音型等樂曲信息進(jìn)行輸出，將樂曲的基本信息顯示在用戶界面，用戶再通過界面對(duì)樂曲進(jìn)行控制。

2? 實(shí)? 驗(yàn)

為驗(yàn)證提出的基于音型數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的多特征作曲系統(tǒng)的有效性，與傳統(tǒng)的作曲系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2.1? 實(shí)驗(yàn)過程

首先，采用兩個(gè)作曲系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行10段樂曲的創(chuàng)作，對(duì)兩個(gè)作曲系統(tǒng)的作曲耗時(shí)進(jìn)行比較。然后，針對(duì)同樣的8個(gè)樣本，分別采用兩個(gè)作曲系統(tǒng)對(duì)樣本進(jìn)行模仿作曲，驗(yàn)證其與樣本的匹配度。

2.2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)兩個(gè)作曲系統(tǒng)的作曲耗時(shí)的對(duì)比結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出，在幾段樂曲中，樂曲2比較有難度，兩個(gè)作曲系統(tǒng)需要的時(shí)間都相對(duì)較長(zhǎng)，采用傳統(tǒng)的作曲系統(tǒng)，其作曲耗時(shí)為51 min，采用提出的作曲系統(tǒng)，其作曲耗時(shí)為10 min。綜合10段樂曲的作曲時(shí)間來看，采用傳統(tǒng)的作曲系統(tǒng)，其作曲耗時(shí)時(shí)間較長(zhǎng)，而采用提出的作曲系統(tǒng)，由于以音型數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，其作曲耗時(shí)明顯縮短。對(duì)兩個(gè)作曲系統(tǒng)的匹配度的對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，采用傳統(tǒng)的作曲系統(tǒng)，匹配度均在40%以下，而采用提出的多特征作曲系統(tǒng)，其匹配度均在90%以上。由此可以看出，提出的多特征作曲系統(tǒng)的匹配度更高，具有更高的有效性。

3? 結(jié)? 語

針對(duì)傳統(tǒng)的作曲系統(tǒng)存在的作曲耗時(shí)長(zhǎng)、匹配度低等缺點(diǎn)，提出基于音型數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的多特征作曲系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過對(duì)其進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，完成基于音型數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的多特征作曲系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的作曲系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用提出的基于音型數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的多特征作曲系統(tǒng)，其作曲耗時(shí)較少，匹配度更高，說明提出的基于音型數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的多特征作曲系統(tǒng)具有更高的有效性，能夠更好地完成作曲，希望其能夠得到廣泛的應(yīng)用。

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