JP3684274B2 - 和音抽出装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、楽音に含まれる和音を構成する各音階を抽出して表示する和音抽出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、音響機器の開発が進められる中で、楽音の周波数を抽出しこの楽音の音名を推定して表示する装置(チューナー)が各種製品化されている。このような装置を用いると、例えば、ギターの弦を「ソ」の音にチューニングする際には、実際の演奏音とチューナーの表示音とが一致するように調整すればよく、簡便にチューニングを行うことができる。
ところで、昨今においては、演奏される楽音の和音(コード)を構成する各音名を抽出したいという要望が高まっている。和音の抽出ができれば、音響機器から出力される和音(例えば、Cメジャー等)を即時に表示することができるので、使用者はこの和音を認識してギター等で即時に演奏することができるからである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来におけるチューナーでは、単音についての抽出は可能であるが、和音の構成要素を抽出するものについては考案されていない。そこで、簡単に考えられる方法として、音響機器から発せられる楽音をFFT(ファーストフーリエ変換)を用いて周波数の解析を行い、これにより楽音を構成する音名を抽出する方法が考えられる。ところが、この方法では通常3オクターブにも及ぶ広い範囲にて周波数解析を行わなければならないので計算量が膨大となり、装置が余儀なく大形化されてしまい、実用的ではない。
この発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、簡単な構成で楽音の和音を構成する各要素を抽出することのできる和音抽出装置を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、楽音入力信号に含まれる和音の構成要素を抽出する和音抽出装置において、アナログの楽音入力信号をディジタル化するA/D変換手段と、1オクターブを構成する12音階(C,C#,D,D#,E,F,F#,G,G#,A,A#,B)の各周波数に対応した基準波形を記憶する基準波形記憶手段と、前記ディジタル化された楽音入力信号と前記各基準波形とを所定のサンプリング点毎に乗じる乗算手段と、前記各サンプリング点での乗算結果の総和を求める加算手段と、前記加算結果の二乗を演算する二乗演算手段と、前記各二乗演算結果のうち、上位のいくつかの音階を当該入力信号の和音構成要素であると判定する和音要素判定手段と、この和音要素を表示する表示手段と、を有することが特徴である。
【0005】
また、前記基準波形記憶手段に記憶された12種の基準波形の各サンプリング点を1点おきに削除し、残されたサンプリング点の間隔を元のサンプリング点の間隔に縮めることにより、各基準波形の音階よりも1オクターブ高い音階の基準波形を生成する手段、及び、前記基準波形記憶手段に記憶された12種の基準波形の各サンプリング点間に、補間により求めた新たなサンプリング点を追加し、このサンプリング点を含めた各サンプリング点の間隔を元のサンプリング点の間隔に広げることにより、各基準波形の音階よりも1オクターブ低い音階の基準波形を生成する手段を具備することにより、3オクターブにわたる基準波形を生成することを特徴とする。また、前記入力信号の低周波成分を除去する低周波除去フィルタを設け、前記入力信号の強拍を検出する強拍検出手段を配設し、基準波形をメキシカンハット型とすることを特徴とする。更に、前記和音要素判定手段にて得られた和音構成要素を楽音信号に変換して後段の音響機器に接続するためのMIDIを配置したことを特徴とする。
【0006】
上述の如く構成された本発明によれば、音響機器等から発せられたアナログの楽音のA/D変換器によりディジタル化される。そして、この楽音信号の波形と1オクターブを構成する12種の基準波形との間で、サンプリング点毎に乗算が行われ、各乗算結果の総和が求められる。従って、楽音信号の波形と基準波形の周期が一致すれば、乗算結果は大きくなるので、加算手段にて求められる総和は大きい値となる。そして、このような演算を12種の基準波形との間で行い、加算結果の大きい基準波形に対応する音階を求めれば、楽音入力信号の和音を抽出することができるようになる。
【0007】
また、各基準波形のサンプリング点を1点おきに削除し、残されたサンプリング点を元のサンプリング間隔に縮めれば、周期が半分に圧縮された基準波形が得られ、これは元の基準波形の2倍の周波数となる。従って、1オクターブ高い音階についての基準波形とすることができる。更に、これとは反対に、各基準波形のサンプリング点の間に、補完処理により新たなサンプリング点を追加し、この新たなサンプリング点を含む全体のサンプリング点の間隔を元のサンプリング点間隔に広げれば、周波数が半分となるので1オクターブ低い音階についての基準波形とすることができるようになる。従って、全体で3オクターブの範囲に亘って和音を抽出することができるようになる。
また、楽音入力信号から低周波成分を取り除く低周波除去フィルタを配置すれば、音階の存在しない低周波成分を除去することができるようになるので、相関を演算する際の精度が向上するようになる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明が適用された和音抽出装置に係る一実施形態の構成を示すブロック図であり、図示のようにこの和音抽出装置は、入力されるアナログの楽音信号をディジタル化するA/D変換器1と、このA/D変換器1の出力側に接続され、入力信号の低周波成分を除去する低周波除去フィルタ2と、1オクターブを構成する12音階(C,C#,D,D#,E,F,F#,G,G#,A,A#,B)の各周波数に対応した基準波形が記憶される基準波形記憶部4と、12種の基準波形の各サンプリング点間に任意の補間方法により新たなサンプリング点を生成することにより1オクターブ低い音階の基準波形を生成する追加部5と、12種の基準波形の各サンプリング点を1つおきに削除することにより1オクターブ高い音階の基準波形を生成する削除部6と、低周波成分が除去された入力信号と基準波形記憶部4にて記憶されている12種の基準波形及び追加部5、削除部6にて生成された1オクターブ低い基準波形と1オクターブ高い基準波形との間で、所定のサンプリング点毎に乗算を行う乗算演算部3と、を有している。
【0009】
更に、各サンプリング点毎に求められた乗算結果の総和を求める加算演算部7と、この加算結果の二乗を求める二乗演算部8と、12種3オクターブの各音階毎に得られた二乗演算の結果のうち大きい方から上位3〜4つを選択する和音要素判定部9と、この和音要素から入力信号の和音(コード)を求める和音判定部10と、求められた和音を表示する和音表示部11と、入力される楽音信号の強拍を検出してこの強拍信号を和音要素判定部9に出力する強拍検出部12と、和音判定部10にて求められた和音を楽音信号として外部の音響機器に出力するMIDI13と、を有している。そして、乗算演算部3と加算演算部7とにより相互相関演算手段が構成される。
【0010】
図2は、乗算演算部3、加算演算部7及び二乗演算部8の詳細な構成を示す説明図であり、図示のように入力信号は、複数の遅延器21(21ー1〜21ーn)により所定時間づつ遅延される。そして、元の入力波形及び各遅延器21(21ー1〜21ーn)にて遅延された信号はそれぞれ12系列設けられた乗算器22(22ー1〜22ーn+1)に供給される。また、各乗算器22(22ー1〜22ーn+1)には、基準波形記憶部4に記憶されている12種の基準波形の各サンプリング点毎のデータが供給され、これらの間で、乗算が行われるようになっている。
各乗算器22(22ー1〜22ーn+1)の出力側には、それぞれ加算器23(23ー1〜23ーn)が配設されており、該加算器23(23ー1〜23ーn)により、各乗算器22(22ー1〜22ーn+1)にて乗算された結果が逐次加算され、最終段にて総和が求められるようになっている。最終段の加算器23ーnの出力側には、この出力値を二乗するための乗算器24が配置されている。
【0011】
そして、本実施形態では、入力信号と、各種基準波形との畳み込み演算を行うことにより相互相関係数を求め、この大きさを比較することによって、どの音階の信号が含まれているかを認識するものである。つまり、入力波形と基準波形との畳み込み演算を行うと、当該基準波形と周期が一致したときに高い相関が得られるので、高い相関が得られた上位3〜4つの音階を選択すれば、入力信号の和音構成要素を抽出することができるのである。
次に、上述の如く構成された本実施形態の作用について説明する。まず、被測定対象となる楽音信号が当該和音抽出装置に入力されると、図1に示すA/D変換器1によりディジタル化され、低周波除去フィルタ2により低周波成分が除去される。
【0012】
図3〜図5は、基準波形記憶部4に記憶されている12種の基準波形の形状を示す特性図であり、図3に示す曲線S1は「C」,S2は「C#」,S3は「D」,S4は「D#」,S5は「E」,S6は「F」,図4に示すS7は「F#」,S8は「G」,S9は「G#」,S10は「A」,S11は「A#」,そして図5に示すS12は「B」の基準波形をそれぞれ示しており、各基準波形はガウス曲線を2回微分した波形、所謂メキシカンハット型を成している。ここで、半音の違いは周波数が1.059倍(周知)であるから、このメキシカンハット型の波形は半音変わる毎(例えば、CとC#)に周期が1/1.059に縮む、または1.059倍に広がるように変化し、1オクターブ高くなると周期は半分となり、反対に1オクターブ低くなると周期は2倍となる。
【0013】
そして、図2に示す各遅延回路21ー1〜21ーnにより1サンプリング時間づつ遅延された入力信号は、それぞれ乗算器22(22ー1〜22ーn+1)に供給され、また、各乗算器22(22ー1〜22ーn+1)には12種の基準波形の各サンプリング点における値が入力されるので、これらの間での乗算が行われる。次いで、各遅延毎に行われる乗算の結果は、各加算器23(23ー1〜23ーn)により逐次加算され、最終段の加算器23ーnの加算結果は各乗算器22(22ー1〜22ーn+1)における乗算結果の総和となる。その後、求められた総和は乗算器24により二乗され、例えば、総和の値がマイナスの場合であっても全て符号がプラスに統一されて和音要素判定部9に供給される。
また、図1に示した追加部5では、基準波形の各サンプリング点の間に、例えば直線補間等の手法により新たなサンプリング点となる補間点を生成し、その後、この補間点を含む全サンプリング点の間隔を元の間隔になるように広げることにより、全体の幅が2倍(周波数は1/2)となる1オクターブ低い音階の基準波形を生成する。これとは反対に、削除部6では、基準波形の各サンプリング点を1つおきに削除し、その後、残されたサンプリング点の間隔を元のサンプリング点の間隔に縮めることにより、全体の幅が1/2(周波数は2倍)となる1オクターブ高い音階の基準波形を生成する。
【0014】
これを図6に示す説明図を参照しながら説明すると、いま、同図(a)に示す如くの基準波形が与えられ、同図黒点にて示すサンプリング点にてデータが与えられている場合に、各サンプリング点の中間部位に直線補間等の手法により図中「×」にて示す新たなサンプリング点を生成し、同図(b)に示すようにサンプリング点の間隔を2倍に広げれば、全体の周期が2倍となった波形を得ることができる。この波形は周波数が1/2となっているので、1オクターブ低い音階の基準波形となる。また、図7(a)に示す如くの基準信号の各サンプリング点を1つおきに削除し、残りのサンプリング点の間隔を半分に縮めれば、同図(b)に示すように、周期が半分となる基準波形が得られ、この波形は周波数が2倍となるので、1オクターブ高い音階の基準波形として使用することができるのである。
【0015】
そして、追加部5及び削除部6にて得られた各基準波形よりも1オクターブ低い音階の基準波形、及び1オクターブ高い音階の基準波形についても上記と同様に乗算、加算、二乗の演算をそれぞれ行い、和音要素判定部9に供給する。そして、和音要素判定部9では、3オクターブにわたる各音階の二乗演算結果から上位3〜4つを抽出し、抽出された各音階を入力された和音の構成要素であると認識する。このとき、和音要素判定部9では、強拍検出部12から出力される強拍のタイミングに同期させて和音を抽出する。つまり、入力される楽音信号すべてが単音の集まりというわけでは無く、複数音階にわたって変化する所謂「スラー」と称する楽音が含まれており、このような場合には、強拍の出力タイミングに同期させて和音を抽出しないと音名を正しく認識できなくなってしまうので、強拍信号との同期を行うのである。こうして、抽出された和音構成要素から、和音判定部10ではコード(例えば、Cメジャ等)を求め、これを表示部11にて表示する。また、和音の構成要素は他の音響機器へ出力するためのMIDI13に出力される。
【0016】
図8は、表示部11の表示例を示す説明図であり、この例ではピアノの鍵盤及び5線符が示されたパネル32上の対応部位にLED31を配置し、和音構成要素に対応するLED11及びオクターブを表示するLED33が点灯するようになっている。つまり、和音が「ド,ミ,ソ」である場合には、パネル32上の「ド,ミ,ソ」に対応する部位のLED31及びオクターブに対応するLED33が点灯する。
このようにして、本実施形態においては、入力される楽音信号と予め設定されている12種3オクターブの音階の基準波形との間で畳み込みの演算を行い、相互相関係数を求め、相互相関係数の大きい上位3〜4つの音階を当該入力信号の和音構成要素であると認識し表示する。従って、複数の単音が混ざって与えられる和音信号のコードを即時に認識することができるようになる。また、FFT(ファーストフーリエ変換法)が低音域の最小分解能の単位で全帯域の周波数を解析するのに対して、本実施形態では選択的に相互相関を用いているので、計算量が膨大とならず装置の小型化を図ることができるようになる。
【0017】
なお、上記実施形態では、12音階の基準波形としてメキシカンハット型の波形を使用したが、本発明はこれに限定されることは無く、各音階の周期と一致した波形であれば良い。例えば、平均律における半音階を検出するのに必要な分解能(50セント)を得るために、複数周期の周期波形(例えばコサイン波形)の基準周波数波形に対して窓関数(例えばハニング窓)をかけた参照波形を以下の(1)式にて作成する。
(0.54-0.46(COS(6.28t))COS(6.28kt) …(1)
ここで、kは周波数、tは時間を示す。この(1)式にて得られる波形は図9の如く上下に頻繁に変化する波形となる。そして、発明者は入力波形として4音の和音に対して1〜2音分のレベルのホワイトノイズを加えた波形を作成し、この入力波形に対して図9に示す参照波形を適用して相互相関係数を求める演算を行った結果、安定且つ精度良く各音の音程を検出することができることを確認した。
【0018】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数の単音からなる和音が入力信号として与えられたときには、この和音を構成する要素を即時に認識し、表示することができるので、例えば、音楽を聴きながら採譜する場合や、カラオケ用のデータを作成するとき等に、コードを即時に認識することができるので作業の能率化を図る上で極めて有用である。また、MIDIを有しており、これを他の音響機器に接続すれば自動で和音を演奏することができるようになり、MIDI機能を有しない和音楽器や、合唱、合奏に対する自動伴奏器として使用することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態に係る和音抽出装置の構成を示すブロック図。
【図2】 本実施形態の乗算演算部、加算演算部の詳細な構成を示す説明図。
【図3】 基準波形記憶部に記憶される各基準波形(C,C#,D,D#,E,F)を示す説明図。
【図4】 基準波形記憶部に記憶される各基準波形(C,F#,G,G#,A,A#)を示す説明図。
【図5】 基準波形記憶部に記憶される各基準波形(C,B)を示す説明図。
【図6】 追加部にて1オクターブ低い基準波形を生成する様子を示す説明図。
【図7】 削除部にて1オクターブ高い基準波形を生成する様子を示す説明図。
【図8】 表示器の例を示す構成図。
【図9】 基準波形記憶部に記憶される基準波形の他の形状を示す説明図。
【符号の説明】
1 A/D変換器
2 低周波除去フィルタ
3 乗算演算部
4 基準波形記憶部
5 追加部
6 削除部
7 加算演算部
8 二乗演算部
9 和音要素判定部
10 和音判定部
11 表示部
12 強拍検出部
13 MIDI
21 (21−1〜21−n) 遅延器
22 (22−1〜22−n+1) 乗算器
23 (23−1〜23−n) 加算器
24 乗算器
31 LED
32 パネル
Claims (8)
- 楽音入力信号に含まれる和音の構成要素を抽出する和音抽出装置において、
アナログの入力信号をディジタル化するA/D変換手段と、
1オクターブを構成する12音階(C,C#,D,D#,E,F,F#,G,G#,A,A#,B)の各周波数に対応した基準波形を記憶する基準波形記憶手段と、
前記ディジタル化された入力信号と前記12種の基準波形との相互相関をそれぞれ演算する相互相関演算手段と、
前記相互相関演算手段にて求められた各相関値のうち、相関の高い上位いくつかの音階を当該入力信号の和音であると判定する和音要素判定手段と、
この和音要素を表示する表示手段と、
を有することを特徴とする和音抽出装置。 - 楽音入力信号に含まれる和音の構成要素を抽出する和音抽出装置において、
アナログの楽音入力信号をディジタル化するA/D変換手段と、
1オクターブを構成する12音階(C,C#,D,D#,E,F,F#,G,G#,A,A#,B)の各周波数に対応した基準波形を記憶する基準波形記憶手段と、
前記ディジタル化された楽音入力信号と前記各基準波形とを所定のサンプリング点毎に乗じる乗算手段と、
前記各サンプリング点での乗算結果の総和を求める加算手段と、
前記加算結果の二乗を演算する二乗演算手段と、
前記各二乗演算結果のうち、上位のいくつかの音階を当該入力信号の和音構成要素であると判定する和音要素判定手段と、
この和音要素を表示する表示手段と、
を有することを特徴とする和音抽出装置。 - 前記基準波形記憶手段に記憶された12種の基準波形の各サンプリング点を1点おきに削除し、残されたサンプリング点の間隔を元のサンプリング点の間隔に縮めることにより、各基準波形の音階よりも1オクターブ高い音階の基準波形を生成する手段を有することを特徴とする請求項1または請求項2のいづれかに記載の和音抽出装置。
- 前記基準波形記憶手段に記憶された12種の基準波形の各サンプリング点間に、補間により求めた新たなサンプリング点を追加し、このサンプリング点を含めた各サンプリング点の間隔を元のサンプリング点の間隔に広げることにより、各基準波形の音階よりも1オクターブ低い音階の基準波形を生成する手段を有することを特徴とする請求項1または請求項2のいづれかに記載の和音抽出装置。
- 前記入力信号の低周波成分を除去する低周波除去フィルタを設けたことを特徴とする請求項1または請求項2にいづれかに記載の和音抽出装置。
- 前記入力信号の強拍を検出する強拍検出手段を配設し、強拍が検出されたタイミングで和音の抽出を行うことを特徴とする請求項1または請求項2のいづれかに記載の和音抽出装置。
- 前記基準波形は、メキシカンハット型であることを特徴とする請求項1または請求項2のいづれかに記載の和音抽出装置。
- 前記和音要素判定手段にて得られた和音構成要素を楽音信号に変換して後段の音響機器に接続するためのMIDIを配置したことを特徴とする請求項1または請求項2のいづれかに記載の和音抽出装置。
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