計(jì)算機(jī)音樂制作與數(shù)字音頻

摘 要： 近年來，隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)的音樂制作以及數(shù)字音頻的制作得到了很廣泛的應(yīng)用。分析了現(xiàn)代音樂的創(chuàng)作過程，通過計(jì)算機(jī)的智能算法作曲功能，詳細(xì)解釋了不同計(jì)算機(jī)語言在識(shí)別音樂時(shí)的相關(guān)理論基礎(chǔ)。同時(shí)，在計(jì)算機(jī)的輔助功能下，讓音樂的旋律實(shí)現(xiàn)了音樂的二維可視化。最后，根據(jù)音樂旋律中的響度特征實(shí)現(xiàn)了音樂的自動(dòng)識(shí)別，分析了音樂旋律與計(jì)算機(jī)的關(guān)系，為后續(xù)的學(xué)者分析提供了相應(yīng)的參考。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算機(jī); 數(shù)字音頻; 智能算法; 二維可視化

中圖分類號(hào)： TG4 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用也變得越來越普遍。基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字媒體和音樂創(chuàng)作對(duì)人們的生活方式產(chǎn)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(rèn)可和應(yīng)用[1]。現(xiàn)代音樂的創(chuàng)作都是基于傳統(tǒng)的音樂基礎(chǔ)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(jìn)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(jìn)行創(chuàng)作，而作曲和編曲是在旋律的基礎(chǔ)上進(jìn)行的樂曲豐富的過程，其主要是結(jié)合了器樂來表現(xiàn)其技法[3]。現(xiàn)代音樂在創(chuàng)作的過程中會(huì)呈現(xiàn)多樣化的形式，其基本的創(chuàng)作過程如下圖1所示。

在計(jì)算機(jī)快速發(fā)展的今天，其對(duì)數(shù)字音頻技術(shù)也起到了很大的推進(jìn)作用。數(shù)字音頻技術(shù)是將模擬得到的聲音信號(hào)通過特定的方式進(jìn)行記錄、轉(zhuǎn)化和加工處理最終獲得連續(xù)的模擬信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)不同的聲音應(yīng)用需求。其主要的應(yīng)用包括：電子音樂設(shè)備、廣播節(jié)目、多媒體的應(yīng)用等。

國內(nèi)外針對(duì)計(jì)算機(jī)的音樂創(chuàng)作和數(shù)字音頻技術(shù)都有過相關(guān)的研究[4，5]。余心樂等[6]從不同的角度對(duì)數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明不同的編碼率和調(diào)制度對(duì)最終的聲音的配置有一定的影響。胡慶等[7]設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)單的數(shù)字音樂盒，通過相應(yīng)的計(jì)算軟件和電路元器件，可以實(shí)現(xiàn)音樂的基本播放、暫停等功能。姚夢(mèng)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(shè)計(jì)了一款高效的實(shí)時(shí)音頻頻譜分析系統(tǒng)，在使用的過程中提高了調(diào)音器的使用作用。

1 計(jì)算機(jī)智能算法作曲

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

1.1 1/f噪聲和音樂

當(dāng)1/f信號(hào)滿足下列信號(hào)表達(dá)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(shù)表示的是功率譜密度[10]。先對(duì)收集的信號(hào)進(jìn)行放大處理，，然后對(duì)放大的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變化可以得到相應(yīng)的功率譜密度函數(shù)。此時(shí)的功率譜密度主要在100 Hz～10 kHz，隨后對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，最終可以得到相應(yīng)的功率譜密度，進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)數(shù)處理就可以得到復(fù)合上式的信號(hào)函數(shù)圖像。

1.2 一種典型1/f分型算法

當(dāng)運(yùn)用1/f音樂特征進(jìn)行相應(yīng)的作曲模仿時(shí)，利用隨機(jī)數(shù)字發(fā)生器模擬1/f波動(dòng)[11]。假設(shè)B為第個(gè)隨機(jī)的發(fā)生器，ak為的二進(jìn)制表達(dá)式，若與-1的相關(guān)二進(jìn)制存在不同的表達(dá)方式，則會(huì)隨機(jī)生成（0，1/N）個(gè)隨機(jī)數(shù)。B為各個(gè)隨機(jī)數(shù)相加的和，則B的表達(dá)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(jì)算機(jī)的數(shù)字音頻頻譜分析

本文結(jié)合NosⅡ系統(tǒng)設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)的數(shù)字音頻頻譜分析系統(tǒng)，其主要的系統(tǒng)構(gòu)成如下圖2所示。

包含相應(yīng)的ADC模塊、LCD模塊等，這些模塊和NosⅡ系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)完整的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要考慮的是利用信號(hào)的輸入，經(jīng)過內(nèi)部的不同轉(zhuǎn)化最終形成所需的音頻頻譜信號(hào)。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)整個(gè)結(jié)構(gòu)硬件示意圖如下圖3所示。

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中WM8731模塊主要的作用是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的信號(hào)采集和信號(hào)的處理。同時(shí)，此模塊還能將外部的信號(hào)進(jìn)行A/D的轉(zhuǎn)換，最后將信號(hào)傳輸?shù)较到y(tǒng)的主芯片中。在本系統(tǒng)中時(shí)鐘模塊能為系統(tǒng)提供足夠穩(wěn)定、時(shí)長(zhǎng)的時(shí)間信號(hào);電源模塊可以提供穩(wěn)定的電源;JTAG配置模塊在系統(tǒng)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(tǒng)提供直觀的顯示功能，可以讓測(cè)試人員更加清晰、直觀的感受信號(hào)燈額數(shù)字頻譜。

在本文系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中FPGA編程是整個(gè)系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理模塊組成。每個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)都是通過HDL語言進(jìn)行預(yù)先設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。

在本系統(tǒng)中音頻采集和編碼模塊通過特定的時(shí)序方式寫成WM8731的寄存器。在2S指定模式下，ADC的輸出數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生特定的時(shí)序變化如下圖4所示。

當(dāng)系統(tǒng)中相關(guān)有效的數(shù)據(jù)發(fā)生電平變化后會(huì)產(chǎn)生位置上的改變。Adclrc是一種可以校準(zhǔn)時(shí)鐘的工具，在此工具下可以判斷系統(tǒng)使用的是左聲道或者右聲道的數(shù)據(jù)。其判斷系統(tǒng)的聲道主要是通過輸出的電平來反應(yīng)的，當(dāng)其輸出的是低電平時(shí)，則表明系統(tǒng)輸出左聲道數(shù)據(jù)。

3 計(jì)算機(jī)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(guān)特征，通過記載音樂表現(xiàn)出來的特征音長(zhǎng)、響度等，能夠提供給用戶更加直觀的輸入方式。為了重點(diǎn)的闡述旋律的可視化，本文從矩陣的方式輸入相應(yīng)的向量，從而給出歌曲旋律的特征和相應(yīng)的時(shí)值矩陣。

3.1 根據(jù)音樂的旋律實(shí)現(xiàn)音樂的二維可視化

根據(jù)特定的兩個(gè)矩陣來達(dá)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(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展。

根據(jù)傳統(tǒng)的音階普遍表現(xiàn)可以將音階分為以下不同的兩個(gè)基調(diào)：[1，2，3，4，5，6，7]、[8，9，10，11，12，13，14]，兩者分別代表的是基準(zhǔn)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。縱坐標(biāo)從c到B代表的是從低音到高音的變化順序。橫坐標(biāo)是根據(jù)音樂所播放的時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行劃分的，隨機(jī)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(wǎng)格。最終繪制而成的多級(jí)音高個(gè)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(dòng)識(shí)別

在分析音樂的響度特征時(shí)，可以利用傅里葉分析，其可以對(duì)信號(hào)的頻率特征、頻率帶寬等相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行細(xì)致的分析[14]。這是因?yàn)楦道锶~分析方法與傳統(tǒng)的時(shí)域分析方法不同，可以對(duì)時(shí)域分析方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終為頻率的分析。利用的原理主要是因?yàn)槿魏芜B續(xù)的時(shí)域或者信號(hào)都能夠經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)換變?yōu)楦鞣N不一樣的正弦波的疊加。由于現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)發(fā)展的制約性，只能處理有限個(gè)離散序列數(shù)據(jù)，故在計(jì)算中使用傅里葉變化的過程中，需要考慮輸入數(shù)據(jù)的量，同時(shí)這些量也決定了計(jì)算的規(guī)模。而快速傅里葉變換能夠更快的處理計(jì)算的數(shù)據(jù)，其為傅里葉變換的快速計(jì)算方法。

根據(jù)傅里葉變換的特性，其可以解析的最高頻率為實(shí)際采樣頻率的一半，并且函數(shù)傅里葉變換的相應(yīng)的返回值是以一個(gè)特定的頻率為軸對(duì)稱的。在處理信號(hào)的過程中，傅里葉變換處理后的頻譜圖可以對(duì)不同的信號(hào)采樣，正常情況下其取樣的點(diǎn)為N/2+1個(gè)。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(shí)x軸也表示了信號(hào)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(hào)，采樣的數(shù)據(jù)選卻了足夠大的范圍。

由于圖7的頻譜圖表示的太寬泛，對(duì)圖7進(jìn)行相應(yīng)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(duì)本文使用的樣品音樂進(jìn)行分析可知：第8456序列號(hào)的頻率值為312.84 Hz。

4 總結(jié)

計(jì)算機(jī)作為現(xiàn)代科技的發(fā)展潮流，其對(duì)各行各業(yè)的發(fā)展都起到了一定的促進(jìn)作用。本文結(jié)合計(jì)算機(jī)的智能算法作曲功能，從理論上分析了不同計(jì)算機(jī)語言在識(shí)別音樂時(shí)的可行性。同時(shí)，本文通過對(duì)音樂旋律相關(guān)特征的提取，可以根據(jù)音樂的旋律實(shí)現(xiàn)了音樂的二維可視化，提高大眾對(duì)于音樂的認(rèn)知水平，也豐富了人們的欣賞方向。

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（收稿日期： 2019.06.03）

基金項(xiàng)目：寶雞文理學(xué)院校級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：ZK2017097）

作者簡(jiǎn)介：李帆（1989-），女，商洛人，碩士，講師，研究方向：聲樂教學(xué)與演唱。 ?在現(xiàn)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(jīng)過前期的表示、作曲、制作、混音、母帶過程，再到音樂實(shí)體，最終可以形成不同的音樂表現(xiàn)形式。