CN1484116A - 节拍数检测装置 - Google Patents

Abstract

一种节拍数检测装置，包括：选取装置，用于从输入音频信号中选取特定频率；瞬变值检测装置，用于从选取装置的输出中检测瞬变值；定时器，用于确定积分器窗口长度；周期检测装置，用于检查被测时间间隔和确定BPM平均值；以及显示逻辑装置，用于从上述周期检测装置中确定最可信的被测BPM值。

Description

节拍数检测装置

技术领域

本发明涉及一种检测乐曲中单位时间内的节拍数的装置。

背景技术

每分钟节拍(BPM)检测器有各种各样的应用。BPM检测器是一种可以检测出一支乐曲中每分钟的节拍数的装置。

在DJ(流行音乐播音员)的应用中，需要检测两种不同的音乐源的BPM值以将其进行比较，以便从一个音乐源无缝地过渡到另一个音乐源。在MIDI的应用中，BPM检测器可用于将MIDI音序器的速度与一个已有的音轨同步。在音乐数据库系统中，可根据BPM速度值对舞曲进行分类和检索。

检测一首乐曲的节拍数的常用方法是，首先从音频信号中选取一个节拍位置。在这样的系统中，使用者通过人工的操作在一个节拍的位置上输入数据。这就要求使用者边听音频信号，边完成敲击的动作，并且从音频信号开始至结束不能出现错误，因此要求使用者聚精会神，并能坚持到底。使用者被迫进行长时间的操作，其操作的时间由乐曲的长短决定。该系统总是要受到使用者操作的影响。

最近，在检测乐曲节拍数的装置和处理方法方面进行了大量的研究和开发。

例如，美国第5614687号专利公开了一种检测节拍数的装置，在此作为参考。为了检测乐曲中的节拍数，这种已有的装置使用了可变的阈值。该可变阈值是在假定某一段时间间隔中无瞬变事件发生的情况下得到的。在此时间中，音频信号的最大值被检测出来，然后，将其与一个常数因子相乘，乘积的结果将作为阈值，在后面的时间间隔中，如果信号超过这一阈值就会被检测出来，这就表明产生了一个突发事件。两个相邻的突发事件之间的时间间隔就被测量出来。这一步骤在输入信号的三个不同频带中进行。

这种已有的检测节拍数的装置存在的缺点就是：至少需要5至6拍来检测BPM值。

发明内容

因此本发明的一个目的就是要提供一个只需3拍的检测时间即可高精度地检测乐曲节拍数的装置。

目前的BPM检测器的实时操作通常是以自相关和可变阈值原理为基础的。

根据本发明的节拍检测装置，其特征包括：选取装置，用于从输入音频信号中选取特定频率；瞬变值检测装置，用于从选取装置的输出中检测瞬变值；定时器，用于确定积分器窗口(window)长度；周期检测装置，用于检查被测时间间隔和确定BPM平均值；以及显示逻辑装置，用于从上述周期检测装置中确定最可信的被测BPM值。

按照本发明，BPM检测器的检测精确度可高达±0.1BPM。

附图说明

通过下面的详细说明及其所附各图，本发明的目的和特点将更加清楚。

图1示出根据本发明的节拍检测装置；

图2为瞬变值检测器的结构框图；

图3示出按照本发明的窗口积分器；

图4示出在延迟长度和恒定时间间隔之间的时间关系；

图5示出根据本发明的阈值电路；

图6示出用于检测被测能量值的最大值的过程；

图7示出对几个延迟器中被测能量值进行线性衰减的流程图；

图8示出周期检测器的运行流程图；和

图9示出显示逻辑单元的运行流程图。

具体实施方式

以下将根据附图对本发明的一个具体实施例进行详细的说明。

图1示出根据本发明的节拍检测装置。

在该BPM检测装置中，模拟音频信号首先被输入到A/D转换器1中。这样，通过A/D转换器1，输入的模拟音频信号就被转化为数字音频信号。被转化的数字音频信号作为每个BPM检测器101，102，...，10n的输入。

图1示出BPM检测器101的所有元件。因为所有的BPM检测器101，102，...，10n之间的差别仅在于其各自的带通滤波器的参数不同，因此仅详细示出BPM检测器101。

从图1中可以看出，BPM检测器101包含一个带通滤波器2，一个瞬变值检测器3，一个计时器4和一个周期检测器5。带通滤波器2与A/D转换器1相连，接收输入的数字音频信号。带通滤波器2被设计为一个带宽非常小的滤波器(高Q)。带通滤波器2的中心频率是一个特定的频率，如80Hz。对于不同的BPM检测器101，102，...，10n，每一个BP滤波器仅被设定到一个中心频率。不同的BPM检测器中的每一个BP滤波器被设定到的不同中心频率最好是在可听得见的声音的频谱中的非常高的频率和低的频率的范围之内，典型地用于监测节奏乐器，如踩钹和低音鼓。

带通滤波器2的输出端与瞬变值检测器3相连。从带通滤波器2中得到的经滤波的数字信号被输入到瞬变值检测器3并被瞬变值检测器3分析。

图2为瞬变值检测器的结构框图。

从图2可以看出，瞬变值检测器3包含窗口积分器201，阈值电路202，开关203，计时器205和本地最大值检测器204。窗口积分器201接收从带通滤波器2得到的经滤波的数字信号。下面将参照图3对该数字信号的详细处理过程进行说明。

图3示出按照本发明的窗口积分器。

积分器201包含一个乘法器301，其用于接收从带通滤波器2输出的输入数字信号。从图3中可以看出，从带通滤波器2中输出的数字信号首先在乘法器301中进行自乘。乘法器301的输出端与延迟器302和加法器304相连。乘法器301的输出首先送给延迟器302并被延迟一个tw长度。tw长度就是窗口积分器的长度。延迟器302的输出端与乘法器303相连。

这样，延迟器302输出的被延迟了的数字信号被乘以“-1”，乘法器303的输出端与加法器304相连。从图3可以看出，乘法器303的输出信号与延迟器302的输入信号通过加法器304相加，加法器304中相加的结果随后送到延迟元件305的输入端。

延迟元件305的输出端分别与加法器304的输入端、常数乘法器306和阈值电路202相连。这样，延迟器302的输出在被乘以“-1”后与延迟器302的输入和延迟元件305的输出相加，得到一个宽度为tw的，用于测量一个频段中的平均能量值的矩形积分窗口。

然后，延迟元件305的输出与常数因子“C”相乘，也就是说，被测量的能量值可以由常数因子“C”来调整。常数乘法器306的输出端与开关203相连。这样，常数乘法器306的输出被传送到开关203。在本实施例中，开关203是一个门电路。但本发明并不限于此。

定时器4控制开关203，使之在一个ts的时间间隔中闭合一次。由常数因子“C”来调整的被测能量值在ts的恒定时间段中输出。当门电路闭合时，被测能量值被传送到本地最大值检测器204。

定时器4还与计时器205相连。每隔ts定时器4不断地增加计时器205的值，该值将在本地最大值检测器204中被使用。

图4示出在延迟长度和恒定时间间隔之间的时间关系。

从乘法器301中输出的数字信号由延迟器302延迟了时间长度tw。定时器4产生恒定时间段ts。为了使积分窗之间产生如图4所示的交迭，需要将恒定时间段ts选择得比延迟长度tw短。例如，在本实施例中，恒定时间ts＝0.5*延迟时间长度tw。

图5示出根据本发明的阈值电路。

为了监控频带中的平均能量水平，使用了标准峰值保持电路来产生信号阈值。该阈值电路202包括比较器501，延迟器502，常数乘法器503，延迟器504和常数乘法器505。从图5中可以看出延迟器504的输出与常数因子C_Rel相乘，再被输入到比较器501中。在比较器501中，从延迟器504中输出后再乘以常数因子C_Rel的能量值与从窗口积分器201中得到的被测能量值进行比较。其中较大的值送入上述延迟器504中，同时该值被延迟器502延迟5*ts时间长度。通过常数乘法器503，延迟器502的输出与常数因子C相乘并被传送到本地最大值检测器204。

图5示出比较器501的输出被延迟了5*ts后，其值又乘以小于1.0的常数因子C。但延迟的时间长度并不限于上述时间长度。只要不超出本发明的范围，这个时间长度是可以被修改的。

图6示出用于检测被测能量值的最大值的过程。

参照图6，窗口积分器201的被分成不同时间段的输出送入一个延迟线601中。延迟线601包含10个延迟器611，612，...，620。第5个延迟器615输出的能量值被称作X(n)。前5个和后5个被测能量值被称作X(n-5)，X(n-4)，X(n-3)，X(n-2)，X(n-1)，X(n+1)，X(n+2)，X(n+3)，X(n+4)和X(n+5)。假设X(n)为本地的最大能量值。

参照图6，在步骤S61中，检查被测能量值X(n)在11个能量值X(n-5)，X(n-4)，...，X(n+5)中是否为最大值。如果经检查被测能量值X(n)在这11个能量值中为最大值，则流程进入步骤S62。但是，如果经检查从延迟器615中输出的能量值X(n)并非这11个能量值中的最大值，流程在步骤S61结束。

在步骤S62中，检查能量值X(n)是否超过了阈值电路输出的阈值。为了避免在没有音频信号存在的情况下进行BPM检测，也要检查能量值X(n)是否低于规定的最小能量标准MinLevel。如果能量值X(n)比阈值大且比规定的最小能量值MinLevel大，则流程进入步骤S63。否则，流程在S62结束。

在步骤S63中，能量值X(n)前面的两个和后面的两个被测能量值同样需要满足两个条件：

X(n-2)＜X(n-1)&X(n+1)＞X(n+2)     (1)

其中X(n-2)是延迟器613的输出的能量值，X(n-1)是延迟器614输出的能量值，其中X(n+1)是延迟器616输出的能量值，其中X(n+2)是延迟器617输出的能量值。

在步骤S63中，检查能量值X(n-1)是否超过能量值X(n-2)，并且能量值X(n+1)是否超过能量值X(n+2)。如果在步骤S63中经检查满足公式(1)定义的条件，则流程进入步骤S64。否则，流程在步骤S63结束。

本系统是为可能的最大值为158BPM的BPM值的测量而设计的。但是考虑到音乐信号中的某些打击乐器可能产生相当于实际的BPM值2倍或4倍的瞬变值，被检测的两个瞬变事件之间的最小时间间隔应不少于90ms。

因此，我们假定本发明的最小时间间隔tmin＝90ms。

在步骤S64中，计时器205的值与最小时间值tmin相比较。如果经检查，计时器205的值比最小时间值tmin小，则流程在步骤S64结束。这样，从前面被检测出的瞬变值中得到的于tmin时间段中产生的所有本地最大值被忽略不计。但是，如果经检查计时器205的值比最小时间值tmin大，则流程进入步骤S65。

在步骤S65中，对第3，第4，第6，第7个延迟器613，614，616，617输出的能量值进行线性衰减处理。时间值Δt可以由该线性衰减处理去确定。该线性衰减的详细处理过程参考图7进行说明。然后，流程进入步骤S66。

在步骤S66中，被计算出的时间值Δt与计时器205的值相加。这样，被测时间段tp与计时器的值和被计算出的时间值Δt之和相等。之后，被测的计时器205的时间值被传送到周期检测器5。然后，计时器205被重新初始化为Δt。

因为仅在长度为ts的时间段中检测本地最大值的存在，很明显，本地最大值位置的精度仅能被确定为±0.5*ts(因为计时器在各个步骤中随ts而增加)。为得到本地最大值更为精确的位置，使用延迟器615的前两个和后两个被测能量值来计算一个四点线性衰减。

图7示出对几个延迟器中被测能量值进行线性衰减的流程图。

参照图7，X轴表示时间，Y轴表示能量值。从图7可以看出，两个被测值X(n-2)和X(n-1)与两个被测值X(n+1)和X(n+2)都是通过直线相连的。这样，这两条直线的交点就表示本地最大值的确切位置：

Δt＝[5*X(n+1)-4*X(n+2)+X(n-1)-2*X(n-2)]/[X(n-1)-X(n-2)-X(n+2)+X(n+1)]        (2)

图8示出周期检测器的运行流程图。

参照图8，流程开始于步骤S801。首先，在步骤S801中，利用如下公式被测时间间隔tp先转化为一个BPM值：

BPMnew＝60/tp            (3)

其中BPMnew为一个新确定的BPM值，tp是从本地最大值检测器中输出的被测时间间隔。

假定被测时间间隔可以从一个节拍中得到，该节拍为被检测的乐曲的实际BPM值的1/2，1/4或2倍。鉴于BPM检测器仅被用于在60到158BPM的范围内确定BPM的值，因此假定低于或高于该范围的BPM值很可能是实际的BPM值的倍数。基于这个原因，为了使BPMnew的值落入理想的范围，根据BPMnew值，新确定的BPM值BPMnew乘以因子2，4，或0.5。

之后，流程进入步骤S802。在步骤S802中，检查新确定的BPM值BPMnew是否低于60BPM。如果它低于60BPM，则流程进入步骤S803，否则流程进入步骤S804。

在步骤S803中，利用如下公式，新确定的BPM值被加倍：

BPMnew＝2*BPMnew     (4)

然后，流程进入步骤S804。在步骤S804中，再次检查新确定的BPM值BPMnew是否低于60BPM。如果它低于60BPM，流程进入步骤S805，否则，流程进入步骤S806。

在步骤S805中，利用公式(4)新确定的BPM值BPMnew被加倍。然后，流程进入步骤S806。

在步骤S806中，检查新确定的BPM值BPMnew是否大于158BPM。如果它大于158BPM，则流程进入步骤S807，否则，流程进入步骤S808。

在步骤S807中，利用如下公式，新确定的BPM值BPMnew被减半：

BPMnew＝0.5*BPMnew  (5)

然后，流程进入步骤S808。在步骤S808中，利用如下公式，可以得到前面所测BPM值的平均值BPMavr：

BPMavr＝SUM/NUMBER  (6)

其中BPMavr为前面所测BPM值的平均值；SUM为前面BPM值之和；NUMBER为累加的BPM值的个数。

之后，流程进入步骤S809。在步骤S809中，新检测得到的BPM值BPMnew与前面所测的BPM值的平均值BPMavr进行比较并确定这两个值之差的绝对值是否小于当前值ΔBPMmax。

如果新检测得到的BPM值BPMnew与前面所测的BPM值的平均值BPMavr之差的绝对值大于ΔBPMmax的当前值，则认为新的检测是失败的。失败标记FAI L被置为1。

如果差的绝对值在当前值ΔBPMmax的范围之内，则流程进入步骤S813。否则流程进入步骤S810。

在步骤S813中，新检测得到的BPM值BPMnew与前面的BPM值之和相加。并且，累加的BPM值的个数增加1。然后流程进入步骤S814。

在步骤S810中，检查失败标记FAIL是否小于值“2”。如果失败标记FAIL小于“2”，则流程进入步骤S812.在步骤S812中，失败标记FAIL被增加1并且流程在步骤S812结束。否则，如果在步骤S810中经检查失败标记FAIL不小于2，则流程进入步骤S811。在步骤S811中，前面BPM值之和SUM和累加的BPM值的个数NUMBER都被初始化为“0”。然后流程在步骤S811结束。

再返回步骤S814，检查累加的BPM值的个数NUMBER是否大于或等于“3”。如果它小于3，则流程在步骤S814结束。否则，流程进入步骤S815并且失败标记FAIL被重新置为“0”。然后流程进入步骤S816。

在步骤S816中，利用公式6重新计算前面所测的BPM值的平均值BPMavr。最后，前面所测的BPM值的平均值BPMavr和累加的BPM值的个数NUMBER都被传送到显示逻辑单元6。

图9示出显示逻辑单元的运行流程图。

参照图1和9，显示逻辑单元6首先从每个BPM检测器101，102，...，10n的周期检测器中接收前面所测的BPM值的平均值BPMavr和累加的BPM值的个数NUMBER。

在步骤S901中，变量“i”被用作循环指示变量并被首先初始化为“2”。另外，变量ibest被初始化为“1”。

假定所有BPM检测器101，102，...，10n中的前面所测的BPM值的平均值BPMavr和累加的BPM值的个数NUMBER被存储在数组变量BPMavr(i)和NUMBER(i)中。这就意味着BPM检测器101中的被测BPM值的平均值BPMavr存储在BPMavr(1)中并且累加的BPM值的个数存储在NUMBER(1)中。BPM检测器102中的被测BPM值的平均值BPMavr存储在BPMavr(2)中等等。

为了确定当前哪一个BPM检测器存储着最大值NUMBER，使用一个循环来得到最大值NUMBER的指示。

在步骤S902中，比较变量NUMBER(i)和NUMBER(ibest)中的内容。只有当值NUMBER(i)比值NUMBER(ibest)大时，循环指示变量“i”中的内容才被存储到ibest中。下面，循环变量“i”被增加“1”。然后流程进入步骤S903。在步骤S903中，检查“i”是否等于或大于“n”，其中“n”为BPM检测器的个数加1。如果“i”比“n”小，则流程返回步骤S902。否则，流程进入步骤S904。

在步骤S904中，检查存储最大的NUMBER值的BPM检测器中的NUMBER(ibest)的值是否等于或大于“3”。如果它小于3，则流程在步骤S904结束。但是，如果它等于或大于3，流程进入步骤S905。然后，已确定的BPM值BPMavr(ibest)输出到显示单元7。这样，一支乐曲的节拍数就被准确地检测出来了。

上面说明的实施例是专门适用于检测一支乐曲的节拍数的。鉴于这种装置主要应用于“DJ设备”，BPM检测器被设计为速度范围在60到158BPM之间。但是，本发明并不限于此，对于其它检测方法它也是适用的，例如检测其它音频信号节拍数的方法。

不脱离本发明的范围和构思可以作出许多其它改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施例，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种节拍数检测装置，包括：

选取装置(2)，用于从输入音频信号中选取特定频率；

瞬变值检测装置(3)，用于从选取装置(2)的输出中检测瞬变值；

定时器(4)，用于确定积分器窗口长度；

周期检测装置(5)，用于检查被测时间间隔和确定BPM平均值；以及

显示逻辑装置(6)，用于从上述周期检测装置(5)中确定最可信的被测BPM值。

2.根据权利要求1所述的节拍数检测装置，其中，上述瞬变值检测装置(3)包括：

窗口积分器(201)，用于产生矩形积分窗口，以检测频带内的平均能量值；

阈值装置(202)，用于产生信号阈值，以监测频带内的平均能量值；

本地最大值检测装置(204)，用于从上述窗口积分器(201)的输出中确定最大能量值；以及

开关(203)，用于在上述定时器(4)的控制下将从上述窗口积分器(201)中输出的能量值提供给上述本地最大值检测装置(204)。

3.根据权利要求2所述的节拍数检测装置，其中，上述瞬变值检测装置(3)还包括：

计时器(205)，用于根据上述定时器(4)计算时间以及检测两个被测瞬变值之间的时间间隔。

4.根据权利要求2所述的节拍数检测装置，其中，上述瞬变值检测装置(3)还包括：

常数乘法器(306)，用于将从上述窗口积分器(201)中输出的能量值加倍并将其输出到上述本地最大值检测器(204)。

5.根据权利要求2所述的节拍数检测装置，其中，由上述定时器(4)产生的恒定时间间隔(ts)比由窗口积分器(201)产生的延迟长度(tw)短。

6.根据权利要求2至5中任意一项所述的节拍数检测装置，其中，上述本地最大值检测装置(204)还包括：

多个延迟器(611，...，620)，用于将从上述窗口积分器(201)中输出的能量值延迟；上述本地最大值检测装置(204)在上述延迟器(611，...，620)之上进行线性衰减处理，并将检测的时间间隔输出到上述周期检测装置(5)。

7.根据权利要求1所述的节拍数检测装置，其中，上述周期检测装置(5)根据前面BPM值之和及累加的BPM值的个数确定前面被测BPM值的平均值。

8.根据权利要求1所述的节拍数检测装置，其中，上述周期检测器(5)比较新检测的BPM值和前面检测的BPM值的平均值之间的差值。

9.根据权利要求1所述的节拍数检测装置，其中，上述显示逻辑装置(6)确定从BPM检测器中输出的前面检测的BPM值的平均值为最可信的BPM值，其中该BPM检测器中的累加BPM值个数为BPM检测器(101，...，10n)中最多的。

10.根据权利要求1所述的节拍数检测装置，还包括显示装置(7)，其用于与被测BPM值的产生同步地进行显示。

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