CN1113331C - 音程和音程差抽出方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种音程及音程差抽出方法及其装置，两种声音信号被抽出音调，由低通滤波器去除颤音成分，后用基本频率进行规格化，供给到线性浮动变换部中，用二进制表示的声音信号的规格化的频率数据变换成浮点小数表现形式，将其尾数部供给到对数变换部内，进行运算，计算出八度音内音程，供给到减法器内，计算出八度音内音程的差，用2的补数表示的二进制数据向左偏程1位后，进行绝对值化，抽出音程差。

Description

音程和音程差抽出方法及其装置

技术领域

本发明涉及从声音频率中抽出音程的音程抽出方法、和从两种声音频率中抽出音程差的音程差抽出方法，以及利用这些方法的音程差抽出装置，尤其涉及适用于卡拉OK评分装置等的音程和音程差抽出方法以及音程差抽出装置。

背景技术

从声音信号的频率中抽出音程、或者抽出与标准声音信号的音程差，这种技术已被应用于根据声音信号来识别音程、或者对被识别的音声进行评分的各种领域。下面说明现有的音程抽出方法。

图5是用C调的等分平均音阶来表示从43.654Hz到5587.7Hz的频率的图。

根据该图，若求出频率和半音单位(100cent单位)的音程的关系，则可利用下列式(1)。

f＝C*2^(p+q/12)                 (1)

式中，f是声音的频率，C是基本频率。基本频率C例如设定为16.351Hz。另外，p是八度音(オクタ-ブ)数，q是八度音内音程。八度音内音程q，例如用半音单位规定，分别对应于音程符号C、C#、D、D#、E、F、F#、G、G#、A、A#、B，用0、1、2、3、……、11的数值表示，所以，p是0以上的整数，q是满足0≤q＜12的数值。

根据式(1)，可以按下列式(2)求出音程。

p+q/12＝log₂(f/c)              (2)

式中，与式(2)的右边相对应的左边的p和q的组合有许多种，但是，能满足p为0以上的整数而且q为0≤q＜12的条件的p、q的组合是一种，所以，把该p、q的组合抽出作为音程即可。

例如，若规定f＝440Hz，则式(2)的右边变成式(3)的形式。

log₂(440/16.351)＝4.75         (3)

所以，在此情况下，可以求出音程为：P＝4，q＝0.75×12＝9。

在求两种声音的音程差的情况下，可以根据按上述式(2)求出的两个音程p1、p2和q1和q2，用下列式(4)求出音程差d。

d＝|(12*p1+q1)-(12*p2+q2)|    (4)

然而，按照上述现有的音程抽出方法，在根据式(2)来计算音程时，必须进行这样的处理，即先求出式(2)的右边，然后，求出能满足上述条件的p、q的组合。而且，式(2)的右边的f/c变化范围很宽，即使仅仅按图5的频率范围就达到2.6698～341.734。所以存在的问题是：对数表的设定和位数的设定等很麻烦，为了进行运算处理，必须具有复杂的设备结构和运行程序等。

再者，按照上述的现有音程差抽出方法，例如，用于卡拉OK中的歌唱能力评分等时，存在下列问题。

卡拉OK中的歌唱能力评分是根据实际演唱声音和标准(样板)演唱声音的频率差或者包含八度音在内的音程差来进行的。抽出实唱的和标准的声音的频率(音调：pitch)的方法有零交叉(Zero Cross)检测法或自相关法等。存在的问题是：这些方法本身的原理方面和声音信号的性质方面往往会引起八度音误检测。也就是说，零交叉检测法基本上是以声音波形进行2次零电平交叉的时间间隔作为音调周期的方法，在声音信号中混有基本波成分和许多谐音成分，因此，受2谐音等的影响，往往会把正确的音调周期的整数分之一误检测为音调周期。尤其是2谐音的能量大，本来的音调周期的1/2往往被误检测成为音调周期。另外，自相关法是：对某波形取样，假定与该取样相关性最强的(电平接近)取样于一个周期后出现，相关性最强的取样出现的时间间隔被作为音调周期，周期性强的声音信号，2个周期也当然会出现相关性强的取样，受谐音成分的影响。1/2周期后也会出现相关性强的取样。因此，取样周期长，或者加上颤音、振动时的调制效应来歌唱时，能检测出2个周期后或1/2周期后相关性最强，造成误检测。总之，频率(音调)抽出从原理上看有可能出现八度音误抽出。

另一方面，作为一种歌唱技术，有人在演唱时有意地相对于实际音键提高或降低八度音。并且，演唱者能够发声的音域和标准音域之间有差距时，许多人有意识地用相差一个八度音的音域来演唱。能够这样演唱的人属于高级人员，将这种情况作为一个八度音误差而被减少分数是苛刻的评分。这也是现存的问题。在卡拉OK歌唱能力的评分中，与八度音本身相比，除去八度音外的八度音内音程是更加重要的评分要素。

发明内容

本发明是针对上述问题而提出的，其目的在于提供一种能够很容易地从声音频率中抽出音程的音程抽出方法。

本发明的另一个目的在于提供这样一种音程差抽出方法和装置，即能够很容易地而且高精度地从两种声音的频率中抽出除八度音关系外的两种声音的音程差。

为达到上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种音程抽出方法，用于从声音频率中抽出音程，其特征在于：

取得这样一种频率数据，即根据上述声音频率用基本频率来对该频率进行规格化，而且用浮点小数表示，

从该频率数据的尾数部x中求出log₂(2x)作为八度音内音程，

从上述频率数据的指数部y中求出(y-1)作为八度音数。

一种音程差抽出方法，用于从两种声音的频率中抽出两者的音程差，其特征在于：

分别取得这样的频率数据，其为分别利用基本频率对上述两种声音的频率进行规格化，而且用浮点小数表示。

分别从这些频率数据的尾数部x中求出log₂(2x)作为八度音内音程，

求出上述已求出的两个八度音内音程的差作为音程差。

所述的音程差抽出方法，其特征在于：

表示上述八度音内音程的差的2的补数所表示的二进制数据向左偏移一位，然后求出绝对值，以此计算出上述两种声音的音程差。

一种音程差抽出装置，其特征在于具有：

规格化装置，用于根据两种声音的频率分别用基本频率对这些频率进行规格化；

浮点小数变换装置，用于把这些已规格化的频率分别变换成浮点小数表示的频率数据；

对数运算装置，用于根据分别在该浮点小数变换装置中变换后的频率数据中的尾数部x，分别计算出log₂(2x)作为八度音内音程；以及

音程差计算装置，用于根据在该对数运算装置中分别求出的八度音内音程的差计算出两种声音的音程差。

一种卡拉OK评分装置，用于根据标准演唱声音来评价用卡拉OK实际演唱的声音，其特征在于具有：

规格化装置，用于根据这两种演唱声音的频率，分别用基本频率来对这些频率进行规格化；

浮点小数变换装置，用于把这些规格化的频率分别变换成用浮点小数表示的频率数据；

对数运算装置，用于根据分别在该浮点小数变换装置中变换后的频率数据中尾数部x，分别计算出log₂(2x)作为八度音内音程；

音程差计算装置，用于根据分别在该对数运算装置中求得的八度音内音程的差，计算出两种演唱声音的音程差；以及

评分装置，用于根据该音程差来对实际演唱的歌声进行评价。

涉及本发明的音程抽出方法，其特征在于：在从声音的频率中抽出音程的、音程抽出方法中，能取得从上述声音的频率中获得用基本频率对该频率进行规格化而且用浮点小数表示的频率数据，从该频率数据的尾数部(假数部)x中求出log₂(2x)作为八度音内音程；从上述频率数据的指数部y中求出y-1作为八度音数。

涉及本发明的音程差抽出方法，其特征在于：在从两种声音的频率中抽出两者的音程差的、音程差抽出方法中，分别获得用基本频率分别使上述两种声音的频率规格化而且用浮点小数表示的、频率数据，从这些频率数据的尾数部(假数部)中分别求出log₂(2x)调作为八度音内音程，再求出以上已求出的两个八度音内音程的差作为音程差。

涉及本发明的音程差抽出装置，其特征在于具有：

规格化装置，用于根据两种声音的频率分别用基本频率使这些频率规格(标准)化；

浮点小数变换装置，用于把这些规格化的频率分别变换成用浮点小数表示的频率数据；

对数运算装置，用于在分别由该浮点小数变换装置变换后的频率数据中，分别从尾数部中计算出log₂(2x)作为八度音内音程；以及

音程差计算装置，用于根据分别由该对数运算装置求出的八度音内音程的差来计算出两种声音的音程差。

下面说明该发明的音程抽出方法的原理。

若用浮点小数来表示已按基本频率C进行规格化后的声音频率数据f/c，则可得出下列式(5)。

f/c＝x*2^y                     (5)

x：尾数部(0.5≤x＜1)2的补数形式

y：指数部

另一方面，上述的式(1)可以改变成下列的式(6)。

f/c＝2^p*2^q/12                 (6)

这时，因为q/12的范围是0≤q/12＜1，所以，2^q/12的范围变成为1≤2^q/12＜2。另一方面，式(5)可以变成

f/c＝2x*2^y-1            (7)这时，因为x的范围是0.5≤x＜1，所以，2x的范围变成为：1≤2x＜2，与上述式(6)的2^q/12的范围相同。因此，下式成立。

根据以上情况，本发明若把八度音数定义为P；把八度音内音程定义为Q。则现有的所谓音程P、Q变成式(9)的对应关系。

所以，可以利用上述浮点小数所表示的频率数据f/c的尾数部x和指数部y，按照下列式(10)来表示八度音数P和八度音内音程Q。

按照涉及本发明的音程差抽出方法，根据上述式(10)通过一次运算可分别单独求出八度音数和八度音内音程。而且在计算八度音内音程时，因为2x被限定在1≤2x＜2的范围内，所以，对数运算和位数设定等也都非常容易。

进一步按照本发明，可以分别求出八度音数和八度音内音程，因此，对八度音数完全忽略不计，根据八度音内音程来计算音程差。这样也便于比较相差一个八度音的声音之间的音程。也就是说，按照涉及本发明的音程差抽出方法，当从实际演唱的话筒声音(microphonelive vocal)和卡拉OK声源所供给的标准声音(model vocal)等两种声音的频率中抽出两者的音程差时，分别用基本频率使其规格化，变换成浮点小数表现形式，进一步把获得的频率数据的尾数部变换成log₂(2x)，仅求出八度音内音程。所以，对上述频率数据的指数部忽略不计，可以很容易地抽出音程差。因此，当其被应用于对话筒声音和标准声音进行比较，对卡拉OK演唱能力评分的卡拉OK评分系统内时，可以对八度音数忽略不计，很容易进行评分。

当抽出音程差时，若使表示八度音内音程之差的2的补数表示的二进制数据向左偏移一位(bit)应，取绝对值，则如后面所详述的那样，音程差的抽出处理非常简单。

附图的简单说明

图1是表示采用了涉及本发明一实施例的音程抽出方法的卡拉OK评分系统的结构方框图。

图2是表示音程差抽出部结构的方框图。

图3是说明音程差抽出方法的图。

图4是表示音程抽出部结构的方框图。

图5是表示平均率音阶的图。

具体的实施方式

以下参照附图，详细说明本发明的实施例：

图1是表示采用了涉及本发明一实施例的音程抽出方法的卡拉OK评分系统的结构方框图。

从卡拉OK用激光视盘(Laser Disk)1中重放出来的音束中所包含的标准唱音、和从话筒2输入的实际演唱声音，分别通过前处理部3供给到音程差抽出部4和音量抽出部5内，在此进行音程差抽出处理和音量抽出处理，供给到评分部(评分装置)6内。供给到评分部6内的实际演唱声音，根据在前处理部3中所抽出的标准声音进行评分处理，按照参数设定部7所设定的参数在显示部8上输出得分。

图2是表示数字方式的音程差抽出部4的结构方框图。

被供给到音程差抽出部4内的标准声音信号S1和话筒声音信号S2，分别在音调抽出部11₁、11₂内进行音调抽出。音调抽出后的声音信号S1、S2分别在可以通/断设定的低通滤波器12₁、12₂中适当去除颤音成分，然后被分别供给到规格化部13₁、13₂内，在此用基本频率C来进行规格化，再被分别供给到线性浮动变换部(浮点小数变换装置)14₁、14₂内。线性浮动变换部(linear float converter)14₁、14₂，分别把用2进制表示的声音信号S1、S2的规格化的频率数据f1/c，f2/c，变换成用浮点小数表示的x1*2^y-1、x2*2^y2)分别把该尾数部x1、x2供给到对数变换部15₁、15₂内。对数变换部(对数运算装置)15₁、15₂分别根据供给的尾数部x1、x2进行Q1＝log₂(2*x1)，Q2＝log₂(2*x2)的运算，计算出八度音内音程Q1、Q2，供给到音程差计算部16内。音程差计算部16由减法器17、左移位电路18和绝对值化电路19构成。减法器17计算出已供给的八度音内音程Q1、Q2的差Q1-Q2。得到的Q1-Q2是2的补数表示的二进制数据，在左偏移电路18中向左偏移一位后，供给到绝对值化电路19内，在此进行绝对值化，抽出音程差。

在这样构成的音程差抽出部4中，假定作为标准声音信号S1而抽出的频率f1为440.00Hz(A4)、作为话筒声音信号S2而抽出的频率f2为246.94Hz(B3)，则规格化部13₁、13₂的输出分别为：

这些数据若在线性浮动变换部14₁、14₂中变换成浮点小数，则可分表示为：

并且，其中若把尾数部x1、x2分别供给到对数变换部15₁、15₂内，则可从这些对数变换部15₁、15₂中分别求出八度音内音程Q1、Q2如下：

这些音程Q1、Q2之差＝0.1666，是所要求出的音程差，若使其增大12倍；则约为2，所以，评价结果是音程偏差仅为1个音。

但是，音程差对所有的情况，并不能都像上述那样形成单纯的差分值。也就是说，因为八度音内音程Q1、Q2如上所述是0≤Q1，Q2＜1，所以，若用2的补数来表示，则存在于图3(a)的第1区(0～0.999…)内。因此，差分值存在于第1和第2区(-1.0～0.999…)内。把第1和第2区分别分成2个区，使其成为第1-1区(0.5～0.999…)、第1-2区(0～0.4999…)、第2-1区(-0.000…～-0.5)、第2-2区(-0.500…～-1.0)，在这些区内已求出了差分值Δx1、Δx2、Δx3、Δx4。第1-2区和第2-1区的差分值Δx2、Δx3，其绝对值直接成为音程差D2、D3。在第1-1区和第2-2区内存在的差分值Δx1、Δx4，不是从0起的距离，而是分别从0.999…和-1.0起的距离D1、D4变成音程差。也就是说，因为音程以八度音为单位进行重复，所以，音程差不会超过0.5。

根据本实施例，若利用减法器17来求差分值Q1-Q2，则对差分值要用左偏移电路18使其向左偏移1位。这样一来，就如图3(b)所示，变成第1-1区(-1.0～-0.000…)、第1-2区(0～0.999…)、第2-1区(-0.000…～-1.0)、第2-2区(0.999…～0)，第1-1区直接偏移成第2-1区；第2-2区直接偏移成第1-2区。进而，若取差分值Δx1、Δx2、Δx3、Δx4的绝对值，则变成2倍。虽然如此，音程差D(0≤D＜1)，用绝对值化电路19很容易求出。

以上说明了音程差抽出部4。在抽出包含八度音数在内的音程本身时，如图4所示，从在线性浮动变换部14中求出的指数部y的数据中用减法器20仅减去1，即可求出八度音数P。

再者，对两种声音分别求出八度音数P1、P2和八度音内音程Q1、Q2，也可以从这些数据中根据下列式(14)来计算出音程差D。

这样一来，求出的音程差D的范围为0≤D＜6。

发明的积极效果

如上所述，根据本发明，利用以浮点小数表示的频率数据f/c的指数部y和尾数部x即根据P＝y-1，Q＝log₂(2x)，通过一次运算即可分别单独求出八度音数和八度音内音程。而且，在计算八度音内音程时，因为2x被限定在1≤2x＜2的范围内，所以，对数运算和位数设定等也很容易。再者，当应用于对话筒声音和标准声音进行比较，用卡拉OK对演唱能力进行评分的卡拉OK评分系统中时，可以对八度音数忽略不计，很容易评分。

Claims (5)

1、一种音程抽出方法，用于从声音频率中抽出音程，其特征在于：

取得这样一种频率数据，即根据上述声音频率用基本频率来对该频率进行规格化，而且用浮点小数表示，

从该频率数据的尾数部x中求出log₂(2x)作为八度音内音程，

从上述频率数据的指数部y中求出(y-1)作为八度音数。

2、一种音程差抽出方法，用于从两种声音的频率中抽出两者的音程差，其特征在于：

分别取得这样的频率数据，其为分别利用基本频率对上述两种声音的频率进行规格化，而且用浮点小数表示，

分别从这些频率数据的尾数部中求出log₂(2x)作为八度音内音程，

求出上述已求出的两个八度音内音程的差作为音程差。

3、如权利要求2所述的音程差抽出方法，其特征在于：

表示上述八度音内音程的差的2的补数所表示的二进制数据向左偏移一位，然后求出绝对值，以此计算出上述两种声音的音程差。

4、一种音程差抽出装置，其特征在于具有：

规格化装置，用于根据两种声音的频率分别用基本频率对这些频率进行规格化；

浮点小数变换装置，用于把这些已规格化的频率分别变换成浮点小数表示的频率数据；

对数运算装置，用于根据分别在该浮点小数变换装置中变换后的频率数据中的尾数部x，分别计算出log₂(2x)作为八度音内音程；以及

音程差计算装置，用于根据在该对数运算装置中分别求出的八度音内音程的差计算出两种声音的音程差。

5、一种卡拉OK评分装置，用于根据标准演唱声音来评价用卡拉OK实际演唱的声音，其特征在于具有：

规格化装置，用于根据这两种演唱声音的频率，分别用基本频率来对这些频率进行规格化；

浮点小数变换装置，用于把这些规格化的频率分别变换成用浮点小数表示的频率数据；

对数运算装置，用于根据分别在该浮点小数变换装置中变换后的频率数据中尾数部x，分别计算出log₂(2x)作为八度音内音程；

音程差计算装置，用于根据分别在该对数运算装置中求得的八度音内音程的差，计算出两种演唱声音的音程差；以及

评分装置，用于根据该音程差来对实际演唱的歌声进行评价。

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