CN105750145B - 能综合展现音乐频域时域特性的音乐喷泉的实现方法 - Google Patents

能综合展现音乐频域时域特性的音乐喷泉的实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种能综合展现音乐频域时域特性的音乐喷泉的实现方法，包括以下步骤：步骤一，预处理，将音乐信号进行采样、量化，转换为数字信号；步骤二，节奏提取，通过选取信号的绝对值，并实施短期平均，提取信号的包络，并通过阈值判断，实现时间侦测；步骤三，对频域的处理和对时域的同步处理；步骤四，信号合并，将时域频域信号按照一定比例合并。本发明可以让音乐喷泉展现音乐频域特点时，与人类的心理感受一致，还具有机器自适应与人为调节相配合的功能。

Description

能综合展现音乐频域时域特性的音乐喷泉的实现方法
技术领域
本发明涉及一种音乐喷泉的实现方法，特别是涉及一种能综合展现音乐频域时域特性的音乐喷泉的实现方法。
背景技术
在众多音乐喷泉的实现方法中，多数是依据音乐信号的时域特征如音量、节奏等来控制喷泉水柱的变化，也有少数音乐喷泉是依据音乐的情感特征如曲式、调式、旋律等来控制水柱的变化。采用频谱信号控制不同喷泉的方法一般采用简单的傅里叶变换区分高低音。由于音乐中体现的情绪不但与频谱有关，还与音乐的节奏快慢相关，也与时域中的相关性有关，因此用单纯的频谱提取方法不能完美地体现人类对音乐的心理感受。为此本发明提出一种复合的控制方法，通过频域、时域多种方法综合提取音乐的频域特征来控制音乐喷泉的水柱变化。还可以根据人为喜好，动态进行曲调调整和情绪调整，让音乐喷泉的表演更加符合人类对音乐的感受，给观众以震动心弦的享受。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能综合展现音乐频域时域特性的音乐喷泉的实现方法，其以让音乐喷泉展现音乐频域特点时，与人类的心理感受一致，还具有机器自适应与人为调节相配合的功能。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种能综合展现音乐频域时域特性的音乐喷泉的实现方法，包括以下步骤：
步骤一，预处理，将音乐信号进行采样、量化，转换为数字信号；
步骤二，节奏提取；
步骤三，对频域的处理和对时域的同步处理；
步骤四，信号合并，将时域频域信号按照比例合并。
优选地，所述步骤二包括以下步骤：
步骤二十一：通过选取信号的绝对值，并实施短期平均，提取信号的包络，并通过阈值判断，实现时间侦测；
步骤二十二：通过对时间侦测的去噪分析，提取有关节奏的主要事件；
步骤二十三：通过对主要事件的周期化分析，提取离散的节奏信号，并通过节奏保持，产生连续的节奏信号；
步骤二十四：节奏信号一般为小节拍信号，时间长度远远大于对信号进行频域时域处理所需的时钟信号，通过对节拍信号的分频，并根据频域时域处理的需求，产生各自的所需的时钟。
优选地，所述步骤三包括以下步骤：
步骤三十：通过对频域傅里叶变换，在时钟信号控制下，产生具有滚降特性的采样窗信号，该信号也可以收人工调整；
步骤三十一：将经过量化的信号在频域进行傅里叶变换，变换的时间长度由具有滚降特性的采样窗决定；
步骤三十二：在频谱图上估计该音乐信号的总频带宽度，即估计上截止频率，将总频带宽度平分为N个频段，每个频段宽度相同，各频段间的频率分割点对应的频率设为中心频率；
步骤三十三：选每个频段的中心频率所对应的频率分量的幅度根据人耳听觉特性，进行对数化处理，得到N个频域输出；
步骤三十四：将量化后的数字信号进行时域滤波，滤掉音乐带外噪声，开始进行时域信号的相关运算；
步骤三十五：将时域滤波后的信号进行第一次延时，延时时间由时钟发生步骤产生；
步骤三十六：将时域滤波后的信号进行第二次延时，延时时间由时钟发生步骤产生；
步骤三十七：重复按照步骤三十至步骤三十六，将时域滤波后的信号进行第N次延时，延时时间由时钟发生步骤产生；
步骤三十八：将时域滤波后的信号与第一次延时后的信号实施相关运算，先由两信号相乘，然后在一个时间段上实施积分，该步骤将输出最高中心频率对应的时域信号；
步骤三十九：将时域滤波后的信号与第二次延时后的信号实施相关运算，先由两信号相乘，然后在一个时间段上实施积分，该步骤将输出次高中心频率对应的时域信号；
步骤四十：重复按照相同的步骤，将时域滤波后的信号与第N次延时后的信号实施相关运算，先由两信号相乘，然后在一个时间段上实施积分，该步骤将输出最低中心频率对应的时域信号。
优选地，所述频域傅里叶变换使其中时间窗的长短将根据音乐的节奏快慢加以自适应地调节，使得提取频谱的速度与音乐的节奏一致。
优选地，所述步骤四包括以下步骤：
步骤是四十一：将对数处理后的第一路频域信号与乘法积分后的第一路时域信号按照一定的比例合并，一开始该合并的系数是由初值决定，随着音乐的播放，收听者可以根据喜好，通过人为情绪调整步骤调节合并系数，合并后的信号输出控制第一路音乐喷泉，信号的有无控制喷泉的开启、关闭，信号的大小控制喷泉流量，该喷泉将反映最高音域的起伏；
步骤四十二：将对数处理后的第二路频域信号与乘法积分后的第二路时域信号按照一定的比例合并，一开始该合并的系数是由初值决定，随着音乐的播放，收听者可以根据喜好，通过人为情绪调整步骤调节合并系数，合并后的信号输出控制第一路音乐喷泉；信号的有无控制喷泉的开启、关闭，信号的大小控制喷泉流量，该喷泉将反映次高音域的起伏；
步骤四十三：重复按照相同的步骤，将对数处理后的第N路频域信号与乘法积分后的第N路时域信号按照一定的比例合并，一开始该合并的系数是由初值决定，随着音乐的播放，收听者可以根据喜好，通过人为情绪调整步骤调节合并系数，合并后的信号输出控制第一路音乐喷泉，信号的有无控制喷泉的开启、关闭；信号的大小控制喷泉流量，该喷泉将反映最低音域的起伏；
步骤四十四：一开始窗口长度由初值决定，收听者可以根据喜好，通过人为曲调调整窗口长度，当窗口长度较大时，喷泉的起伏较缓慢，当窗口长度较小时，喷泉的起伏较快速；
步骤四十五：一开始频域时域合并系数由初值决定，收听者可以根据喜好，通过人为情绪调整合并系数，当频域系数较大时，喷泉的起伏幅度较小，当频域系数较小时，喷泉的起伏幅度较大。
优选地，所述信号合并使其中时间延时的长短根据音乐的节奏快慢加以自适应调节，使得提取互相关变化与音乐的节奏一致。
本发明的积极进步效果在于：本发明可以让音乐喷泉展现音乐频域特点时，与人类的心理感受一致，还具有机器自适应与人为调节相配合的功能。
附图说明
图1为本发明能综合展现音乐频域时域特性的音乐喷泉的实现方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明能综合展现音乐频域时域特性的音乐喷泉的实现方法包括以下步骤：
步骤一，预处理，将音乐信号进行采样、量化，转换为数字信号；
步骤二，节奏提取；
步骤三，对频域的处理和对时域的同步处理；
步骤四，信号合并，将时域频域信号按照一定比例合并。
所述步骤二包括以下步骤：
步骤二十一：通过选取信号的绝对值，并实施短期平均，提取信号的包络，并通过阈值判断，实现时间侦测；
步骤二十二：通过对时间侦测的去噪分析，提取有关节奏的主要事件；
步骤二十三：通过对主要事件的周期化分析，提取离散的节奏信号，并通过节奏保持，产生连续的节奏信号；
步骤二十四：节奏信号一般为小节拍信号，时间长度远远大于对信号进行频域时域处理所需的时钟信号，通过对节拍信号的分频，并根据频域时域处理的需求，产生各自的所需的时钟。
所述步骤三包括以下步骤：
步骤三十：通过对频域傅里叶变换，在时钟信号控制下，产生具有滚降特性的采样窗信号，该信号也可以收人工调整；
步骤三十一：将经过量化的信号在频域进行傅里叶变换，变换的时间长度由具有滚降特性的采样窗决定；
步骤三十二：在频谱图上估计该音乐信号的总频带宽度，即估计上截止频率，将总频带宽度平分为N个频段，每个频段宽度相同，各频段间的频率分割点对应的频率设为中心频率；N为自然数。
步骤三十三：选每个频段的中心频率所对应的频率分量的幅度根据人耳听觉特性，进行对数化处理，得到N个频域输出；
步骤三十四：将量化后的数字信号进行时域滤波，滤掉音乐带外噪声，开始进行时域信号的相关运算；
步骤三十五：将时域滤波后的信号进行第一次延时，延时时间由时钟发生步骤产生；
步骤三十六：将时域滤波后的信号进行第二次延时，延时时间由时钟发生步骤产生；
步骤三十七：重复按照步骤三十至步骤三十六，将时域滤波后的信号进行第N次延时，延时时间由时钟发生步骤产生；
步骤三十八：将时域滤波后的信号与第一次延时后的信号实施相关运算，先由两信号相乘，然后在一个时间段上实施积分，该步骤将输出最高中心频率对应的时域信号；
步骤三十九：将时域滤波后的信号与第二次延时后的信号实施相关运算，先由两信号相乘，然后在一个时间段上实施积分，该步骤将输出次高中心频率对应的时域信号；
步骤四十：重复按照相同的步骤，将时域滤波后的信号与第N次延时后的信号实施相关运算，先由两信号相乘，然后在一个时间段上实施积分，该步骤将输出最低中心频率对应的时域信号。
所述步骤四包括以下步骤：
步骤是四十一：将对数处理后的第一路频域信号与乘法积分后的第一路时域信号按照一定的比例合并，一开始该合并的系数是由初值决定，随着音乐的播放，收听者可以根据喜好，通过人为情绪调整步骤调节合并系数，合并后的信号输出控制第一路音乐喷泉，信号的有无控制喷泉的开启、关闭，信号的大小控制喷泉流量，该喷泉将反映最高音域的起伏；
步骤四十二：将对数处理后的第二路频域信号与乘法积分后的第二路时域信号按照一定的比例合并，一开始该合并的系数是由初值决定，随着音乐的播放，收听者可以根据喜好，通过人为情绪调整步骤调节合并系数，合并后的信号输出控制第一路音乐喷泉。信号的有无控制喷泉的开启、关闭，信号的大小控制喷泉流量，该喷泉将反映次高音域的起伏；
步骤四十三：重复按照相同的步骤，将对数处理后的第N路频域信号与乘法积分后的第N路时域信号按照一定的比例合并，一开始该合并的系数是由初值决定，随着音乐的播放，收听者可以根据喜好，通过人为情绪调整步骤调节合并系数，合并后的信号输出控制第一路音乐喷泉，信号的有无控制喷泉的开启、关闭。信号的大小控制喷泉流量，该喷泉将反映最低音域的起伏；
步骤四十四：一开始窗口长度由初值决定，收听者可以根据喜好，通过人为曲调调整窗口长度，当窗口长度较大时，喷泉的起伏较缓慢，当窗口长度较小时，喷泉的起伏较快速；
步骤四十五：一开始频域时域合并系数由初值决定，收听者可以根据喜好，通过人为情绪调整合并系数，当频域系数较大时，喷泉的起伏幅度较小，当频域系数较小时，喷泉的起伏幅度较大。
对频域的处理和对时域的同步处理在处理过程中同时进行。
频域傅里叶变换，使其中时间窗的长短将根据音乐的节奏快慢加以自适应地调节，使得提取频谱的速度与音乐的节奏一致。
信号合并使其中时间延时的长短根据音乐的节奏快慢加以自适应调节，使得提取互相关变化与音乐的节奏一致。
本发明所涉及的喷泉与大多数音乐喷泉明显不同。常规喷泉展现的是音乐的时域特点，如：音量、节奏等，而该喷泉可以展现音乐的频域特点，喷泉水柱从左至右展现音乐的从低到高的频率成分的强弱。例如：小提琴与大提琴协奏的梁山伯与祝英台，当小提琴响起时，右边水柱喷发较高，当大提琴响起时，左边水柱喷发较高，让观众感受仿佛梁山伯与祝英台就在左右相对起舞。
本发明所涉及的喷泉不但根据音乐频谱体现情绪，还能自动跟踪音乐的节奏快慢。由于时域与频域的处理的时钟不是恒定的，而是根据节奏快慢自适应调节的，所以解决了常规音乐喷泉难以同时适应舒缓音乐与快速音乐的问题。
本发明具有机器自适应与人为调节相配合的功能：本发明不但具有节奏情绪机器自适应功能，还可以人为调节。收听者可以根据喜好，通过人为曲调调整傅里叶采样窗口长度。当窗口长度较大时，喷泉的起伏较缓慢。当窗口长度较小时，喷泉的起伏较快速。收听者可以根据喜好，通过人为情绪调整时域频域合并系数。当频域系数较大时，喷泉的起伏幅度较小。当频域系数较小时，喷泉的起伏幅度较大，实现灵活配置。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种能综合展现音乐频域时域特性的音乐喷泉的实现方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤一，预处理，将音乐信号进行采样、量化，转换为数字信号；
步骤二，节奏提取；
步骤三，对频域的处理和对时域的同步处理；本步骤包括以下步骤：
步骤三十：通过对频域傅里叶变换，在时钟信号控制下，产生具有滚降特性的采样窗信号；
步骤三十一：将经过量化的信号在频域进行傅里叶变换，变换的时间长度由具有滚降特性的采样窗决定；
步骤三十二：在频谱图上估计该音乐信号的总频带宽度，即估计上截止频率，将总频带宽度平分为N个频段，每个频段宽度相同，各频段间的频率分割点对应的频率设为中心频率；
步骤三十三：选每个频段的中心频率所对应的频率分量的幅度根据人耳听觉特性，进行对数化处理，得到N个频域输出；
步骤三十四：将量化后的数字信号进行时域滤波，滤掉音乐带外噪声，开始进行时域信号的相关运算；
步骤三十五：将时域滤波后的信号进行第一次延时，延时时间由时钟发生步骤产生；
步骤三十六：将时域滤波后的信号进行第二次延时，延时时间由时钟发生步骤产生；
步骤三十七：重复按照步骤三十至步骤三十六，将时域滤波后的信号进行第N次延时，延时时间由时钟发生步骤产生；
步骤三十八：将时域滤波后的信号与第一次延时后的信号实施相关运算，先由两信号相乘，然后在一个时间段上实施积分，该步骤将输出最高中心频率对应的时域信号；
步骤三十九：将时域滤波后的信号与第二次延时后的信号实施相关运算，先由两信号相乘，然后在一个时间段上实施积分，该步骤将输出次高中心频率对应的时域信号；
步骤四十：重复按照相同的步骤，将时域滤波后的信号与第N次延时后的信号实施相关运算，先由两信号相乘，然后在一个时间段上实施积分，该步骤将输出最低中心频率对应的时域信号；
步骤四，信号合并，将时域频域信号按照比例合并；
所述信号合并使其中时间延时的长短根据音乐的节奏快慢加以自适应调节，使得提取的音乐的频域特征的相关变化与音乐的节奏一致，来控制音乐喷泉的水柱变化。
2.如权利要求1所述的能综合展现音乐频域时域特性的音乐喷泉的实现方法，其特征在于，所述步骤二包括以下步骤：
步骤二十一：通过选取信号的绝对值，并实施短期平均，提取信号的包络，并通过阈值判断，实现时间侦测；
步骤二十二：通过对时间侦测的去噪分析，提取有关节奏的主要事件；
步骤二十三：通过对主要事件的周期化分析，提取离散的节奏信号，并通过节奏保持，产生连续的节奏信号；
步骤二十四：节奏信号为小节拍信号，时间长度远远大于对信号进行频域时域处理所需的时钟信号，通过对节拍信号的分频，并根据频域时域处理的需求，产生各自的所需的时钟。
3.如权利要求1所述的能综合展现音乐频域时域特性的音乐喷泉的实现方法，其特征在于，所述频域傅里叶变换使其中时间窗的长短将根据音乐的节奏快慢加以自适应地调节，使得提取频谱的速度与音乐的节奏一致。
4.如权利要求1所述的能综合展现音乐频域时域特性的音乐喷泉的实现方法，其特征在于，所述步骤四包括以下步骤：
步骤四十一：将对数处理后的第一路频域信号与乘法积分后的第一路时域信号按照一定的比例合并，一开始该合并的系数是由初值决定，随着音乐的播放，收听者根据喜好，通过人为情绪调整步骤调节合并系数，合并后的信号输出控制第一路音乐喷泉，信号的有无控制喷泉的开启、关闭，信号的大小控制喷泉流量，该喷泉将反映最高音域的起伏；
步骤四十二：将对数处理后的第二路频域信号与乘法积分后的第二路时域信号按照一定的比例合并，一开始该合并的系数是由初值决定，随着音乐的播放，收听者根据喜好，通过人为情绪调整步骤调节合并系数，合并后的信号输出控制第一路音乐喷泉；信号的有无控制喷泉的开启、关闭，信号的大小控制喷泉流量，该喷泉将反映次高音域的起伏；
步骤四十三：重复按照相同的步骤，将对数处理后的第N路频域信号与乘法积分后的第N路时域信号按照一定的比例合并，一开始该合并的系数是由初值决定，随着音乐的播放，收听者根据喜好，通过人为情绪调整步骤调节合并系数，合并后的信号输出控制第一路音乐喷泉，信号的有无控制喷泉的开启、关闭；信号的大小控制喷泉流量，该喷泉将反映最低音域的起伏；
步骤四十四：一开始窗口长度由初值决定，收听者根据喜好，通过人为曲调调整窗口长度，当窗口长度较大时，喷泉的起伏较缓慢，当窗口长度较小时，喷泉的起伏较快速；
步骤四十五：一开始频域时域合并系数由初值决定，收听者根据喜好，通过人为情绪调整合并系数，当频域系数较大时，喷泉的起伏幅度较小，当频域系数较小时，喷泉的起伏幅度较大。
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