基于音樂特征識別的噴泉控制系統研究

寧兆卿

(商洛學院 藝術學院， 商洛 726000)

0 引言

近年來，隨著經濟的快速發展，人民生活水平不斷提高，生活環境，藝術熏陶，精神建設也不斷完善，尤其是居住環境和對旅游景點的更高期望。目前，水景已經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和旅游地區吸引人的熱點。音樂噴泉是一個逼真的人造景觀，將水，燈光和音樂的變化與周圍環境(建筑，花園)相結合。創造各種風格，風格各異的藝術風格，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，古北水鄉音樂噴泉等。此外，音樂噴泉還具有空間分離，美化生活環境和凈化空氣的功能。結合水，音樂和燈光，呈現美麗，有趣和美麗的藝術體驗[1,2]。

目前在音樂噴泉方面，世界上最先進的分布式WINSOWSNT為主，計算機控制系統由于具有先進，開放，實用，安全等五大特點，被一些公司廣泛采用。一些音樂噴泉的計算機輔助設計系統和音樂噴泉控制器也已出現,如圖1所示。

從以上描述可以看出，音樂噴泉系統發展的速度很快、形勢很好、前景非常樂觀，因此對于音樂噴泉的開發與研究具有很大的經濟效益和社會效益。

1 國內外研究現狀

所謂的音樂噴泉是指利用音樂的各種特性(旋律，節拍，和聲等)來控制噴泉泵的運行組合和速度變化。以及燈光的組合變化的噴泉。一個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融為一體，創造出完美的環境藝術效果。當前計算機軟硬件技術的快速發展，新型的音樂噴泉與計算機的交互式應用也更加廣泛，音樂噴泉也越來越復雜，越來越完備，使得更多的控制電路需要計算機來完成。

圖1 噴泉實際效果圖

因此，使用計算機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上的困難，大概表現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 國內研究現狀

目前，我國的大型的音樂噴泉技術已逐漸成熟，并且向智能、分散、綜合、多樣的方向發展，于是對噴泉系統的設計也提出了更高的要求。王彩霞和儲健[6]通過研究提出了一種基于藍牙技術的音樂噴泉控制系統的設計方案，他們通過藍牙模塊實現音樂噴泉和手機App的通信，采用ADC0832將手機傳輸的音樂從模擬量轉換為數字量，用單片機串口將音樂數據傳遞給獨特的藍牙模塊，從而完成數據的無線轉發，實現對音樂和水柱大小等的控制和實時顯示。李飛和張冬梅[7]等以STC12C5A60S2單片機為核心的一個單片機控制系統設計完成音樂小型噴泉，整個系統的構成為：由聲音控制傳感器和繼電器模塊組成的輸入電路、時鐘電路、復位電路，及交流電源等硬件電路組成。單片機利用聲控傳感器接收音頻信號，轉化后的信號輸出給單片機處理后再輸出給各執行電路。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，設計了控制系統的控制程序，達到了花樣噴泉的控制系統要求。通過使用組態軟件對程序進行噴泉畫面仿真模擬與監控，實現了控制系統的狀態監控。王選誠和蘇鳳[9]等設計了一種音樂噴泉控制系統。通過采集電路采集音頻信號，經過A/D 轉換器將采集到的模擬信號轉換成數字信號，利用AT89C51 單片機的輸出來控制可控硅交流調壓電路的控制信號，從而控制水泵的轉速。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程序來控制。黨麗峰和左文艷[10]等采用 STC12C5A60S2 單片機作為處理器，設計出一種可以手動和自動模式運行的噴泉控制系統。自動模式下，系統可以通過統計游客數量，智能選擇不同花樣進行噴射的控制系統，增加了噴泉的花樣噴射，避免了傳統噴泉的呆板以及水資源浪費。

1.2 國外研究現狀

Horn Fonteles, J.[11]提出了一個三維粒子系統和一個映射算法，以此生成實時動畫的虛擬發射器噴泉音樂。同時使用演示系統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,他們與用戶評價系統進行了研究。結果顯示強勁的音樂術語的感知和視覺之間的關系屬性,除了提供積極的和有用的反饋生成的動畫的有效性。Seung-Min Park[12]使用打跟蹤算法,優化音樂表現提出了智能噴泉系統。 同時,我們提出了新的分類的音樂流派音樂噴泉的減少維護成本。我們只是標簽的情感的形容詞,如中分離出來,成為一種體裁的音樂是評審鑒定。 摘要新定義標準分類類型,svm(支持向量機)算法,應用高斯分布的權重來確定最優超平面,vcm (Variance-Considered機器)算法。 提出了使用這個系統來生成一個音樂噴泉場景可以顯著減少所需的時間,可以顯著減少成本。Qi Wang[13]提出一個方法來自動運動生成的三維彈簧模型與音樂。 因素可以從MIDI音樂(樂器數字接口)文件。而不是直接設計和計算對象的動畫,一系列動作控制器,可以完成一組運動受音樂影響因素,通過合成算法是自動生成的。 開發了一個原型系統進行評估和確認,用戶相對滿意的音樂相關運動視圖生成完整的抽象。

2 音樂識別技術

2.1 音樂的基本性質

聲音具有4個特征：音高，長度，強度和音調，它們分別與聲體振動的頻率和持續時間有關。物理量如振幅和光譜分布對應于一段音樂的3個基本元素：旋律，節奏和和聲。同時，基本音樂理論包括音符，長度，音高，音量(力)，音調，名稱，基頻(主頻)，節拍，節奏和速度。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，弦樂器是弦本身的振動。如圖2所示。

圖2 音樂特征的組成

2.2 音樂的識別

音樂識別的方法主要是基于短期頻域分析的識別方法。信號的時域分析是分析和提取音樂信號的時域參數。短時自相關函數主要用于估計音樂信號音符的基頻，短時能量和短時過零率用于音樂片段的檢測。而短時平均幅度用于音符力度的識別。如圖3所示。

圖3 樂曲時域波形

音樂噴泉的模擬輸出主要是指變頻器控制。交流異步電動機有3種速度控制方法：可變極速調節，差速調節和頻率控制。變頻調速的使用不僅可以實現電機的無級調速，還可以根據負載的特性調整電壓與頻率的關系。電機始終可以在高效區域運行，并保證良好的動態特性。音樂信號識別包括：①音樂信號的數字化和預處理。②音樂信號的時、頻域分析。具體步驟包括：音樂信號預處理，鼓點識別，旋律音調識別和速度識別。在提取音樂信號的特征元素之后，將它們應用于噴泉控制系統[14,15]。

3 控制原理及方式

3.1 音樂噴泉的內涵

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：一類是根據當地情況或根據現場的地形結構，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、鼓點節拍、樂曲旋律和音頻的強弱程度等等音樂特征轉化為不同的信息送進計算機，計算機通過編制好的程序實現對音樂信號的特征識別，分析找出音樂的旋律、節拍等特征風格，再根據事先編制好的水型基本表演程序庫，結合分析出來的音樂特征，輸出各種開關量、模擬量控制信號至執行機構(變頻器、電磁閥、彩燈、接觸器)以實現噴泉造型隨音樂變化而變化。音樂噴泉是一個逼真的人造景觀，用周圍的設施改變水，光和音樂。環境(建筑和花園)的結合營造出各種變化和風格的氛圍，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主要由音頻控制系統、水路控制系統、燈光控制系統、電氣控制系統四大系統構成。水路控制系統主要由噴泉控制器，變頻器，水泵，多功能調節閥，噴嘴和供水管網組成;照明控制系統包括各種燈，照明控制軟件系統，照明控制回路系統等。電氣控制系統包括弱電控制回路，高功率系統，泵，噴嘴和其他硬件[18]。

3.3 音樂噴泉的控制系統及方式

控制系統的原理是通過集成控制芯片中的匯編器對A / D轉換的音頻信號進行采樣和處理。分級控制單相電動機，最后實現控制噴嘴流量的方法。模式由程序控制或手動按鈕控制以控制模式。音頻信號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奏而變化。音樂噴泉是一個綜合的水景，由不同的形狀，不同的顏色和音樂節奏組成，通過計算機控制的聲，光和噴嘴組合[19,20]。如圖4所示。

圖4 音樂噴泉控制系統原理圖

4 總結

伴隨計算機軟硬件技術和現代控制技術的飛躍發展，以現代高科技為基礎設計的新型音樂噴泉層出不窮。與此同時，音樂噴泉的種類和樣式也百花齊放。當今時代，電腦自動識別信號，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進行了解析，同時根據樂曲的音樂特征和物理特征，對音樂的基本特征進行了研究。通過對音樂、音樂的識別和音樂噴泉控制系統的基本原理的詳細分析和闡述，進而對音樂噴泉進行了更加科學且緊密的研究。現代噴泉工程和計算機技術的融合為高端音樂噴泉的誕生奠定了堅實的基礎。在高新技術的發展成果中，智能控制和變頻調速等高端科技在噴泉控制領域中，具有不可取代的地位。現代音樂噴泉通過眾多的高新技術，使得噴泉的景觀效果獨一無二，給人帶來無與倫比的快感，也為人們的生活帶了樂趣，同時也為音樂噴泉以后的發展奠定了基礎。