CN108541098A - 基于音频差异值提取色调方法的音乐灯光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于音频差异值提取色调方法的音乐灯光系统，包括：处理音乐文件的上位机软件、智能网关、彩色LED驱动装置及配套彩色LED灯。本发明采用分析音乐文件中的音频信息的方式，利用上位机软件将播放中的音乐特征音频信息实时转化为相应的色彩信息，通过判断音乐中两个相邻节奏点之间的音频差异判断节奏点所对应LED灯的色差，保证了音乐灯光整体色彩的丰富性和娱乐性，避免了其整体灯光跳变单调乏味的现象，利用无线通信的方式发送给LED，为用户提供了实时性强、声光匹配的音乐灯光体验。同时本发明提供了单播、组播、广播三种方式控制LED灯，采用本发明，用户可自由选择控制LED灯。

Description

基于音频差异值提取色调方法的音乐灯光系统
技术领域
本发明涉及一种可自适应音乐文件的音乐灯光系统，具体为涉及一种基于音频差异值提取色调方法的音乐灯光系统。
背景技术
随着物联网和智能照明技术的发展，简单的照明功能已经满足不了人们的需求。娱乐性、个性化的音乐灯光受到了广大用户的欢迎。根据音频信号处理方式的不同，当前音乐灯光的解决方案一般为两种，一种是根据要播放的曲目，按照时序或者相关算法预先对照明设备进行设置，但这种方式需要对每一首播放的歌曲进行编排无法自适应所有歌曲，人工成本过大，只适合应用于大型的商业活动，普通家庭用户难以承受。另外一种方式是使用上位机如PC机、智能手机等智能设备，在播放音乐的同时实时对音乐波形进行采样分析频谱，获取音频特征信息，然后通过相关的算法将音频特征信息转换为响应的颜色数据，通过无线网络或串口的方式发送给相应的彩灯设备，这种方案成本低，能够自适应大部分歌曲，适合普通家庭或小型聚会使用，但是无法达到人工编排的绚丽效果，容易造成灯光与音乐节奏不协调的问题。
目前的音乐灯光系统存在以下几个缺陷：
1、操作灯具数量受限。部分产品只支持单个LED灯具。
2、音乐自适应效果差。部分产品灯光效果无法与大多数音乐匹配，只适用于固定的少数歌曲。
3、音乐律动与灯光颜色跳变匹配不协调。部分产品灯光效果不明显，对于平缓的音乐灯光颜色变化单一。
4、对音乐文件要求较高。部分产品容易受到音频文件中噪声的影响，整体效果大打折扣。
发明内容
本发明所解决的技术问题是，针对现有产品的技术缺陷，提供了一种基于音频差异值提取色调的音乐灯光控制系统，解决了目前产品中存在的音乐灯光效果过于单调的问题，抑制了音乐灯光系统中噪声对整体效果的影响，提高了音乐与灯光的匹配程度及色彩的丰富性。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
利用上位机对音乐文件，如mp3文件、wav文件解码获取PCM数据波形；通过小波阈值去噪对原始音频信息进行去噪处理，抑制噪声对后续音乐灯光效果的影响；利用上位机实时分析音频信息，得到音乐实时的音强、音色、音调等音频特征信息；将得到的音频特征信息转化为对应的HSV颜色空间参数；分析音乐中两个相邻节奏点的信号差异，根据两个节奏点之间信号的差异值来判断后者节奏点所对应的色调；利用智能网关作为集中器(AP)建立无线星形网络，LED作为节点(ED)可自动加入网络；上位机将分析音频得到的相关颜色参数以无线传输的方式发送给智能网关，网关分析无线数据的控制码信息，根据控制码将相应指令以单播帧或组播帧或广播帧的方式下发给相应节点控制LED颜色跳变。
本发明中两个音乐节奏点之间信号的差异值通过两点的频谱中幅度最大的n个值来定义，分别提取两个节奏点中n个幅度最大的值作为样本，信号差异值为两点样本中频率值相同的点的个数。称之为音频差异度。
本发明的有益效果是：本发明利用上位机实时分析音频信息的方式解决了传统舞台音乐灯光人工编排成本过大的问题。本发明可自适应不同类型的歌曲，扩大了音乐灯光的使用范围。相对于同样采用实时分析音频信息方式的其他音乐灯光系统，本发明由于采用了基于音频差异值提取色调的方法，无论在平缓或激烈的音乐中都能够提取到丰富的色彩，解决了在平缓的音乐中系统效果整体表现取色单一的问题，提升了系统整体效果。本发明在上位机分析音频信息之前加入了小波阈值去噪，优化了对含有噪声的音乐的灯光效果。本发明智能网关作为集中器(AP)建立无线星形网络，上位机软件通过智能网关可实现无线私有协议与TCP/IP协议之间的转换，达到同时控制多个LED的目的，提升了音乐灯光的效果。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1示出了有助于使用本发明的系统整体框架图。
图2示出了有助于使用本发明的小波阈值去噪中的阈值函数图。
图3示出了有助于使用本发明的两个相邻节奏点根据音频差异值在色相环上所取的色调关系示意图。
图4示出了有助于使用本发明的上位机软件流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
本发明由上位机软件、智能网关、LED节点三部分组成。
如图1所示为系统整体架构框图。通过上位机实时分析音频数据，并将其转化为LED灯所需要的颜色数据，通过无线网络发送给智能网关(AP)，网关自动构建私有无线网络，将接收到的数据以单播帧或组播帧或广播帧的形式发送给相应的LED。
如图2所示为小波阈值去噪方法中的阈值函数图。有关阈值函数的选取，一个比较好的参考关系公式如下：
式中表示降噪后的小波系数，wf(j，k)表示原始信号小波系数，λ表示阈值。同时在不同的分解尺度上选取不同的阈值，其阈值与分解层数的关系，一个比较好的参考关系公式如下：
λj＝λln(j+1)
式中，j表示分解层数，N代表信号长度，σ表示噪声标准差。利用该式子在不同分解程度上使用不一样的阈值，有助于获得较好的降噪效果。
如图3所示为两个相邻节奏点根据音频差异值在色相环上所取的色调关系示意图。其中D表示一首歌曲中所能取到的相邻节奏点的最小色差，Ha表示节奏点A所对应的色调，Hb表示节奏点B所对应的色调。关于节奏点音频差异与色差的对应关系，一个比较好的参考关系公式如下：
式中，fdif表示两个节奏点的音频差异度，MAXfdif表示整段音乐中最大的音差异度。节奏点之间对应的色差随着音频差异度的增大而增大，当两个节奏点的音频差异度为最大时，其色差为180°，反应到色相环上正好是色调差别最大的两个点。考虑到人眼分辨能力有限，且为了能够取到足够多的色彩，建议D值取为30°。
如图4所示为上位机软件音频处理流程图。上位机软件加载音乐文件，利用解码器获取其PCM数据，通过小波阈值去噪方法对音乐文件进行降噪处理。随后进行音频分析，获取音频特征数据，包括音强、音色、音调。按照时序存入音频特征数据缓存队列。上位机搭载的播放器同步播放音乐，在播放过程中判断时序，并从音频特征数据缓存队列中按照时序取得音频特征数据，判断其是否为节奏点，若是，将音频特征数据转化为相应的颜色信息并发送给智能网关，网关转发给相应的LED灯泡，达到音乐灯光的效果。
所述上位机可以是搭载播放器和解码器的PC机或移动客户端等终端，目前常见的PC机和移动客户端均支持音频播放和解码，且具有无线传输能力和足够音乐灯光特效所需要的计算能力，因此本发明使用成本低，适用范围广。
所述LED灯可通过上位机软件简单配置加入到智能网关组建的无线网络中，智能网关根据上位机发送的数据帧中含有的控制码判断其数据帧类别，本实例中可分为三种数据帧，包括单播帧、组播帧、广播帧。网关根据控制码不同将数据分发给无线网络中的相应LED灯泡，达到控制LED灯跳变的目的。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.基于音频差异值提取色调的方法的音乐灯光系统，其中，所述系统包括上位机软件、智能网关、LED灯泡，其特征在于，通过上位机分析音频文件，将音乐信号中的音频信息转换为对应的颜色信息，将得到的无线数据转发给智能网关，网关通过无线网络转发给相应LED灯达到控制颜色跳变的目的；
在将音乐信号中的音频信息转换为对应的颜色信息过程中：音乐信号中两个相邻节奏点的音频差异度根据两点的频谱中幅度最大的n个值来定义，分别提取两个节奏点中n个幅度最大的值作为样本，信号差异值为两点样本中频率值相同的点的个数；
两个相邻节奏点对应的色调通过其音频差异度来确定，具体公式为：
式中，Ha表示节奏点A所对应的色调，Hb表示节奏点B所对应的色调，fdif表示两个节奏点的音频差异度，MAXfdif表示整段音乐中最大的音差异度，D表示一首歌曲中所能取到的相邻节奏点的最小色差。
2.根据权利要求1所述的基于音频差异值提取色调的方法的音乐灯光系统，其特征在于：采用小波阈值去噪法对原始音频进行降噪处理，采用的小波阈值函数为：
式中表示降噪后的小波系数，wf(j，k)表示原始信号小波系数，λ表示阈值。
3.根据权利要求2所述的基于音频差异值提取色调的方法的音乐灯光系统，其特征在于：利用小波阈值去噪时在不同的分解尺度上选取不同的阈值，其阈值与分解层数的关系为：
λj＝λln(j+1)
式中，j表示分解层数，N代表信号长度，σ表示噪声标准差。
4.根据权利要求1所述的基于音频差异值提取色调的方法的音乐灯光系统，其特征在于：通过上位机简单配置，即可将LED节点加入到智能网关建立的无线网络中。
5.根据权利要求1所述的基于音频差异值提取色调的方法的音乐灯光系统，其特征在于：网关可识别由上位机发送的数据帧中的控制码，根据控制码可通过单播帧或广播帧或组播帧的形式发送无线数据，控制单个或多个LED同时跳变。
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