CN111526644B - 一种灯光显示的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种灯光显示的控制方法，包括以下步骤：数据获取步骤：获取音乐的PCM波形数据，并从PCM波形数据中抽取相应的数据以生成音乐数据段；频谱生成步骤：对各个音乐数据段进行快速傅里叶变换以生成频谱特征图；第一灯光调整步骤：根据频谱特征图中的频谱特征获取得灯光显示特征以对灯光进行相应的调整。本发明还公开了一种电子设备、计算机可读存储介质和灯光显示的控制装置。本发明的灯光显示的控制方法能够更加完整的通过灯光变化展现出音乐频谱特征，使得人耳可感知的频率响度等变化信息直接通过灯光展现出来，从而实现音乐可视化。

Description

一种灯光显示的控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种灯光控制技术领域，尤其涉及一种灯光显示的控制方法及装置。该案为分案申请，其母案的申请号为201710892476.4，母案的申请日为2017年9月27日，母案的发明名称为一种灯光显示的控制方法及装置。

背景技术

目前，市面上有许多支持调节颜色和亮度的灯泡，人们可以根据场景需要变换灯光效果。许多舞台表演、演唱会、KTV及室内灯光秀，都需要灯光效果和音乐相匹配。

当前大多数舞台灯光仍然是采用人工预先编程的方式，实现音乐和灯光效果的配合，需要消耗大量的人力，且效率低下。而普通的室内灯光秀一般都是循环重复的效果，不能够很好地契合音乐播放时的旋律和节奏。

对于可变色的灯泡，显示参数通常只有色调、饱和度和亮度，音乐中一般只有音强可与灯光的亮度作对应，而音乐的旋律、音色等抽象特征很难建立起合适通用的模型并与灯光的参数作对应。

申请号为：201610627665.4的专利公开了一种基于节奏跟随的音乐彩灯控制器设计，公开了通过短时能量极值判断达到音乐节奏检测效果，获取音乐节奏的时间点信息，并在音乐节奏出现的时间点处，对该时间点处的短时信号进行频谱分析和处理，获取实时的声波能量和频谱特征参数，分别建立音高与颜色域、音色与饱和度，音强与亮度的映射关系模型，改变彩灯颜色为音频波形在该点处的频域信息转换得到的色彩，实现彩灯颜色变化与音乐节奏变化同步。

但是，现有的方案存在以下缺陷：

只是在音乐的节奏点处对彩灯的颜色进行了控制，音乐中的其它特征不能得到反应，而且在非节奏点及节奏不明显处，灯光的变化则更加少。并且其中将音高与颜色域、音色与饱和进行关系映射的方法并不适合所有情况，大多数音乐中都有和弦和和声，并且流行音乐、摇滚音乐中，音轨信息较多，一般并不能分清楚哪一个音轨适合作真正的音高，也不容易分清楚音色，所以其在灯光的颜色控制上也存在不足。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种灯光显示的控制方法，其能解决根据音乐响应相应灯光的技术问题。

本发明的目的之二在于提供一种电子设备，其能解决根据音乐响应相应灯光的技术问题。

本发明的目的之三在于提供一种计算机可读存储介质，其能解决根据音乐响应相应灯光的技术问题。

本发明的目的之四在于提供一种灯光显示的控制装置，其能解决根据音乐响应相应灯光的技术问题。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种灯光显示的控制方法，包括以下步骤：

数据获取步骤：获取音乐的PCM波形数据，并从PCM波形数据中抽取相应的数据以生成音乐数据段；

频谱生成步骤：对各个音乐数据段进行快速傅里叶变换以生成频谱特征图；

第一灯光调整步骤：根据频谱特征图中的频谱特征获取得灯光显示特征以对灯光进行相应的调整。

进一步地，所述频谱特征包括频谱变化率、频谱复杂度和音乐音强；所述灯光显示特征包括色调值、灯光饱和度和灯光亮度。

进一步地，所述灯光显示特征为色调值，第一灯光调整步骤为：：根据色调值与频谱特征值的映射关系：h＝h0+△h，△h＝g*k，得到色调值以对灯光进行相应的调整，其中h0为前一时刻的色调值，△h为色调变化值，g为色调变化系数，k为频谱特征值。

进一步地，所述灯光显示特征为灯光饱和度，第一灯光调整步骤具体为：根据灯光饱和度与频谱特征值的映射关系：S＝S0[(1-b)*k+b]，得到灯光饱和度以对灯光进行相应的调节，其中S0为灯光饱和度的最大取值，b为预设参数，S为灯光饱和度，k为频谱特征值。

进一步地，所述灯光显示特征为灯光亮度值，第一灯光调整步骤具体为：根据亮度取值公式B＝k*m/n以得灯光亮度值，其中B为灯光亮度值，k为频谱特征值，n为频谱比例系数,m为最大亮度值；根据n＝f/m以得频谱比例系数n并更新亮度取值公式中的n，其中f为最大频谱特征值。

进一步地，所述频谱特征为频谱变化率，所述频谱变化率计算步骤具体包括以下子步骤：

频幅差值计算步骤：计算当前时刻和前一时刻频谱特征图中每个频率点幅值差值的绝对值并求和，将该结果记为s1；

比较步骤：比较当前时刻和前一时刻频谱特征图中每个频率点幅值并对其中较大值求和，将该结果记为s2，并得到频谱变化率k＝s1/s2。

进一步地，所述频谱特征为频谱复杂度时，所述频谱复杂度计算公式具体包括以下子步骤：

占比计算步骤：计算频谱特征图中频率点对应的最大幅值在总幅值中的占比p；

复杂度计算步骤：根据公式k＝1-p得到频谱复杂度。

进一步地，所述频谱特征为音乐音强，所述灯光显示特征为灯光亮度值，所述第一灯光调整步骤具体包括以下子步骤：

音强获取步骤：获取当前的音乐音强，并根据亮度取值公式B＝x*m/n以得灯光亮度值，其中B为灯光亮度值，x为当前的音乐音强，n为比例系数，m为最大亮度值；

判断步骤：判断灯光亮度值是否大于最大亮度值，如果是，根据灯光亮度值对灯光进行相应的调节并执行系数计算步骤，如果否，则根据灯光亮度值以对灯光进行相应的调节；

系数计算步骤：将当前的音乐音强作为最大音乐音强，并将灯光亮度值调节为最大亮度值，根据n＝f/m以得比例系数n并更新亮度取值公式中的n，其中f为最大音乐音强。

进一步地，当灯的数量有多个的时候，根据灯的数量对每个时刻的频谱平均分段，再计算每个时刻每一小段的频谱变化，根据该频谱变化得到相应的控制信号以控制相应灯进行灯光调节。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

数据获取步骤：获取音乐的PCM波形数据，并从PCM波形数据中抽取相应的数据以生成音乐数据段；

频谱生成步骤：对各个音乐数据段进行快速傅里叶变换以生成频谱特征图；

第一灯光调整步骤：根据频谱特征图中的频谱特征获取得灯光显示特征以对灯光进行相应的调整。

本发明的目的之三采用如下技术方案实现：

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任意一项所述的方法。

本发明的目的之四采用如下技术方案实现：

一种灯光显示的控制装置，包括以下模块：

数据获取模块：用于获取音乐的PCM波形数据，并从PCM波形数据中抽取相应的数据以生成音乐数据段；

频谱生成模块：用于对各个音乐数据段进行快速傅里叶变换以生成频谱特征图；

第一灯光调整模块：用于根据频谱特征图中的频谱特征获取得灯光显示特征以对灯光进行相应的调整。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明的灯光显示的控制方法能够更加完整的通过灯光变化展现出音乐频谱特征，使得人耳可感知的频率响度等变化信息直接通过灯光展现出来，从而实现音乐可视化。

附图说明

图1为本发明的灯光显示的控制方法的流程图；

图2为本发明的灯光显示的控制装置的结构图；

图3为复杂度较低的频谱图；

图4为复杂度较高的频谱图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供了一种灯光显示的控制方法，包括以下步骤：

S1：获取音乐的PCM波形数据，并从PCM波形数据中抽取相应的数据以生成音乐数据段，进一步地，各个音乐数据段的长度相同；通过对音乐文件解码或者读取音频输入设备的码流数据，获得音乐的PCM波形数据；

S2：对各个音乐数据段进行快速傅里叶变换以生成频谱特征图；接着从PCM波形数据中顺序地抽取数据，将音频数据顺序分成一个个相同大小的数据段。对每个数据段进行快速傅里叶变换，生成频谱信息；

S3：根据频谱特征图中的频谱特征获取得灯光显示特征以对灯光进行相应的调整。该频谱特征主要包括频谱变化率、频谱复杂度和音乐音强这三方面的频谱参数。相应的灯光显示特征主要是色调值、灯光饱和度和灯光亮度这三方面的参数，并且灯光显示特征的三个特征与频谱特征中的三个特征一一对应；或者这种对应关系并不一定，也可以是色调值对应于频谱复杂度或者音乐音强，或者是灯光饱和度对应于频谱变化率和音乐音强等等，然后可以根据实际的情况来对其进行相应的调节与计算；而并不限定于本实施例所列举的情况，本实施例所列举的仅仅是最为优选的方式；

所述频谱特征为频谱变化率时，所述灯光显示特征为色调值，其中频谱变化率指前后相邻时刻频谱图的变化率，前后相邻时刻的频谱图越相似，则频谱变化率越低，反之频谱变化率越高；具体的可以采用下述的方式来进行具体的实施，但是也并不限于这一种方式，步骤S3具体包括以下子步骤：

S31a：计算当前时刻和前一时刻频谱特征图中每个频率点幅值差值的绝对值并求和，将该结果记为s1；

S32a：比较当前时刻和前一时刻频谱特征图中每个频率点幅值并对其中较大值求和，将该结果记为s2，并得到频谱变化率k＝s1/s2；

S33a：根据色调值与频谱变化率的映射关系：h＝h0+△h，△h＝g*k，得到色调值以对灯光进行相应的调整，其中h0为前一时刻的色调值，△h为色调变化值，g为色调变化系数。该映射关系图中的k也可以是音乐音强或者频谱复杂度；

所述频谱特征为频谱复杂度时，所述灯光显示特征为灯光饱和度，其中频谱复杂度指某一时刻频谱图中总幅值构成的丰富度，频谱总幅值中各个频点幅值所占比例越高，则频谱复杂度越低，反之频谱复杂度越高。如图3所示，其为复杂度较低的频谱图，图4为复杂度较高的频谱图；步骤S3具体包括以下子步骤：

S31b：计算频谱特征图中频率点对应的最大幅值在总幅值中的占比p；

S32b：根据公式q＝1-p得到频谱复杂度；

S33b：根据灯光饱和度与频谱复杂度的映射关系：S＝S0[(1-b)*q+b]，得到灯光饱和度以对灯光进行相应的调节，其中S0为灯光饱和度的最大取值，b为预设参数，S为灯光饱和度，q为频谱复杂度。其中映射关系中的q不仅仅可以是频谱复杂度，也可以是频谱变化率和音乐音强；

所述频谱特征为音乐音强时，所述灯光显示特征为灯光亮度值，其中音强既可以指音乐的物理强度，也可以指音乐的响度，也可以指与物理强度或响度相关的对应值。步骤S3具体包括以下子步骤：

S31c：获取当前的音乐音强，并根据亮度取值公式B＝x*b/n以得灯光亮度值，其中B为灯光亮度值，x为当前的音乐音强，n为比例系数；

S32c：判断灯光亮度值是否大于最大亮度值，如果是，则执行步骤S33c，如果否，则根据灯光亮度值以对灯光进行相应的调节；

S33c：将当前的音乐音强作为最大音乐音强，并将灯光亮度值调节为最大亮度值，根据n＝f/b以得比例系数n并更新亮度取值公式中的n，其中f为最大音乐音强，b为最大亮度值。

其中比例系数取值公式为n＝f/b，其中b为灯光亮度最大取值，f为之前的最大音强，n为比例系数，比例系数初始值为1。亮度取值公式为B＝x*m/n，其中m为亮度最大取值，n为比例系数，B为亮度值，x为当前音强。若计算出的亮度大于最大亮度取值，则令当前灯光亮度为最大亮度取值，令最大音强等于当前音强值，并重新计算比例系数。通过比例系数对最大亮度的限制，既可以保证灯光亮度不超过最大亮度值，同时也可以使得灯光一直有较好的亮度变化效果。

在音乐播放过程中，每隔一段时间，便会生成控制信息，立即将该段时间所对应的灯光控制信息发送至设备，保证设备在下一次控制信息生成之前获取到控制信息。若当时控制信息发送失败，则不进行重新发送，而是等待下一次控制信息生成并发送。

在本实施例的方法中一种灯光对应一种灯，除了上述存在一种灯的情况，还存在有多种灯的情况，当灯的数量为多个的时候，先根据灯的数量将每个时刻的频谱平均分段，再计算每个时刻每一小段频谱的变化率、复杂度及其局部音强信息，与每个灯一一对应，最终得出每个灯对应的色调、饱和度及亮度信息。

本实施例的获得音乐的PCM波形数据；根据波形数据生成频谱；对频谱的变化率、复杂度分析，并计算音乐音强，通过关系映射获得灯光的色调、饱和度和亮度等控制信息；在音乐播放时，将实时对应的灯光控制信息发送至设备。本实施例可以更加完整地通过灯光变化展现音乐频谱，表现音乐的特征，使人耳可感知最直接的频率响度变化信息立体地展现出来，将听觉上的刺激转变为视觉刺激，实现音乐可视化。

实施例二

实施例二公开了一种电子设备，该电子设备包括处理器、存储器以及程序，其中处理器和存储器均可采用一个或多个，程序被存储在存储器中，并且被配置成由处理器执行，处理器执行该程序时，实现实施例一的灯光显示的控制方法。该电子设备可以是手机、电脑、平板电脑等等一系列的电子设备。

实施例三

实施例三公开了一种可读的计算机存储介质，该存储介质用于存储程序，并且该程序被处理器执行时，实现实施例一的灯光显示的控制方法。

实施例四：

如图2所示，本实施例提供了一种灯光显示的控制装置，包括以下模块：

数据获取模块：用于获取音乐的PCM波形数据，并从PCM波形数据中抽取相应的数据以生成音乐数据段，各个音乐数据段的长度相同；

频谱生成模块：用于对各个音乐数据段进行快速傅里叶变换以生成频谱特征图；

第一灯光调整模块：用于根据频谱特征图中的频谱特征获取得灯光显示特征以对灯光进行相应的调整。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种灯光显示的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

数据获取步骤：获取音乐的PCM波形数据，并从PCM波形数据中抽取相应的数据以生成音乐数据段；

频谱生成步骤：对各个音乐数据段进行快速傅里叶变换以生成频谱特征图；

第一灯光调整步骤：根据频谱特征图中的频谱特征获取得灯光显示特征以对灯光进行相应的调整；所述频谱特征包括频谱变化率、频谱复杂度和音乐音强；所述灯光显示特征包括色调值、灯光饱和度和灯光亮度；所述灯光显示特征为灯光亮度值，第一灯光调整步骤具体为：根据亮度取值公式B＝k*m/n以得灯光亮度值，其中B为灯光亮度值，k为频谱特征值，n为频谱比例系数,m为最大亮度值；根据n＝f/m以得频谱比例系数n并更新亮度取值公式中的n，其中f为最大频谱特征值。

2.如权利要求1所述的灯光显示的控制方法，其特征在于，所述灯光显示特征为色调值，第一灯光调整步骤为：根据色调值与频谱特征值的映射关系：h＝h0+△h，△h＝g*k，得到色调值以对灯光进行相应的调整，其中h0为前一时刻的色调值，△h为色调变化值，g为色调变化系数，k为频谱特征值。

3.如权利要求1所述的灯光显示的控制方法，其特征在于，所述灯光显示特征为灯光饱和度，第一灯光调整步骤具体为：根据灯光饱和度与频谱特征值的映射关系：S＝S0[(1-b)*k+b]，得到灯光饱和度以对灯光进行相应的调节，其中S0为灯光饱和度的最大取值，b为预设参数，S为灯光饱和度，k为频谱特征值。

4.如权利要求1或2或3所述的灯光显示的控制方法，其特征在于，所述频谱特征为频谱变化率，所述频谱变化率计算步骤具体包括以下子步骤：

频幅差值计算步骤：计算当前时刻和前一时刻频谱特征图中每个频率点幅值差值的绝对值并求和，将求和的结果记为s1；

比较步骤：比较当前时刻和前一时刻频谱特征图中每个频率点幅值并对其中较大值求和，将对其中较大值求和的结果记为s2，并得到频谱变化率k1＝s1/s2。

5.如权利要求1或2或3所述的灯光显示的控制方法，其特征在于，所述频谱特征为频谱复杂度时，所述频谱复杂度计算公式具体包括以下子步骤：

占比计算步骤：计算频谱特征图中频率点对应的最大幅值在总幅值中的占比p；

复杂度计算步骤：根据公式q＝1-p得到频谱复杂度。

6.如权利要求1所述的灯光显示的控制方法，其特征在于，所述频谱特征为音乐音强，所述灯光显示特征为灯光亮度值，所述第一灯光调整步骤具体包括以下子步骤：

音强获取步骤：获取当前的音乐音强，并根据亮度取值公式B＝x*m/n以得灯光亮度值，其中B为灯光亮度值，x为当前的音乐音强，n为比例系数，m为最大亮度值；

判断步骤：判断灯光亮度值是否大于最大亮度值，如果是，根据灯光亮度值对灯光进行相应的调节并执行系数计算步骤，如果否，则根据灯光亮度值以对灯光进行相应的调节；

系数计算步骤：将当前的音乐音强作为最大音乐音强，并将灯光亮度值调节为最大亮度值，根据n＝f/m以得比例系数n并更新亮度取值公式中的n，其中f为最大音乐音强。

7.如权利要求1所述的灯光显示的控制方法，其特征在于，灯的数量为多个时，根据灯的数量对每个时刻的频谱平均分段，再计算每个时刻每一小段的频谱变化，根据该频谱变化得到相应的控制信号以控制相应灯进行灯光调节。

8.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

数据获取步骤：获取音乐的PCM波形数据，并从PCM波形数据中抽取相应的数据以生成音乐数据段；

频谱生成步骤：对各个音乐数据段进行快速傅里叶变换以生成频谱特征图；

第一灯光调整步骤：根据频谱特征图中的频谱特征获取得灯光显示特征以对灯光进行相应的调整；所述频谱特征包括频谱变化率、频谱复杂度和音乐音强；所述灯光显示特征包括色调值、灯光饱和度和灯光亮度；所述灯光显示特征为灯光亮度值，第一灯光调整步骤具体为：根据亮度取值公式B＝k*m/n以得灯光亮度值，其中B为灯光亮度值，k为频谱特征值，n为频谱比例系数,m为最大亮度值；根据n＝f/m以得频谱比例系数n并更新亮度取值公式中的n，其中f为最大频谱特征值。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任意一项所述的方法。

10.一种灯光显示的控制装置，其特征在于，包括以下模块：

数据获取模块：用于获取音乐的PCM波形数据，并从PCM波形数据中抽取相应的数据以生成音乐数据段；

频谱生成模块：用于对各个音乐数据段进行快速傅里叶变换以生成频谱特征图；

第一灯光调整模块：用于根据频谱特征图中的频谱特征获取得灯光显示特征以对灯光进行相应的调整；所述频谱特征包括频谱变化率、频谱复杂度和音乐音强；所述灯光显示特征包括色调值、灯光饱和度和灯光亮度；所述灯光显示特征为灯光亮度值，第一灯光调整模块具体为：根据亮度取值公式B＝k*m/n以得灯光亮度值，其中B为灯光亮度值，k为频谱特征值，n为频谱比例系数,m为最大亮度值；根据n＝f/m以得频谱比例系数n并更新亮度取值公式中的n，其中f为最大频谱特征值。

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