JP3719697B2 - 音情報処理装置及び記憶媒体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、楽器のチューニング（調律）に使用するチューナー等の音情報処理装置に関し、特に汎用コンピュータとソフトウエアとにより構成される音情報処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チューナーは、楽器の音階を正しくチューニングするときに使用されるものであり、基準音程（Ｃ（ド）・Ｄ（レ）・Ｅ（ミ）…）を示すランプとマイク及びメーター等が設けられている。そして、ユーザが楽器を弾くと、楽器音の音程に最も近い基準音程のランプが点灯し、その基準音程と楽器音の音程とのずれ量をメーターの針の振れにより示す。つまり、楽器音の音程が基準音程と一致しているときはメーターの針は中央に振れ、基準の音程よりも低いときはメーターの針は中央よりも左側に振れ、高いときは右側に振れる。ユーザは、所定の基準音程のランプが点灯し且つメーターの針が中央に位置するように楽器の音程を調整する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のチューナーには、以下に示す問題点がある。すなわち、チューナーは、通常、平均律に基づいて音階のチューニングを行うようになっている。このため、単純な周波数比で構成される純正律で音階を調整しようとするときは、例えばチューナーを使用して楽器の「Ａ（ラ）」の音程を調整し、その後、「Ａ（ラ）」の音程に合わせて他の音程を調整している。
【０００４】
なお、平均律は、１オクターブの間を１２個の半音に等分して構成した音律であり、純正律は音階中の各音の音程を簡単な整数比に保ち、和音が完全に融合するようにした音律である。
純正律のチューナーの製造も可能ではあるが、そのためにはハードウェアを設計し直す必要がある。また、ユーザは、平均律のチューナーと純正律のチューナーとの両方が必要になり、経済的負担が大きくなる。
【０００５】
ところで、近年、マルチメディア対応の汎用コンピュータが一般家庭に広く普及している。これらの汎用コンピュータではサウンド機能が内蔵されており、マイクを接続すると音をデジタル信号として入力することができる。この種の汎用コンピュータを使用してチューナーが実現できれば、多くの人が安価にチューナーを使用することができる。
【０００６】
チューナーは、マイクから入力された楽器音の音程と基準音程との比較がリアルタイムで表示される必要があるので、処理速度が速いことが要求される。しかし、楽器の種類により波形が大きく異なるため、従来、汎用コンピュータで楽器音の周波数を高速で検出することは容易ではないとされていた。
以上から本発明の目的は、汎用コンピュータとソフトウエア（プログラム）とにより構成され、平均律に基づく音階及び純正律に基づく音階に容易に対応することができる音情報処理装置及びそのソフトウエアを記録した記録媒体を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、１又は複数の楽器音の波形の特徴部分が波形のどの位置にあるのかを示す情報を記憶した特徴部分記憶手段と、マイクから入力した音をデジタルデータに変換するデジタルデータ変換手段と、前記特徴部分記憶手段に記憶された情報に応じて前記デジタルデータから波形の特徴部分を抽出し、前記各特徴部分に含まれる複数の点を二次関数で近似して該二次関数の頂点を求め、該二次関数の頂点の間隔から周波数を検出する周波数検出手段と、前記周波数検出手段で検出した周波数を音程に変換してディスプレイに表示する表示手段とを有することを特徴とする音情報処理装置により解決する。
【０００８】
また、上記した課題は、コンピュータを、１又は複数の楽器音の波形の特徴部分が波形のどの位置にあるのかを示す情報を記憶した特徴部分記憶手段、マイクから入力した音をデジタルデータに変換するデジタルデータ変換手段、前記特徴部分記憶手段に記憶された情報に応じて前記デジタルデータから波形の各特徴部分を抽出し、前記各特徴部分に含まれる複数の点を二次関数で近似して該二次関数の頂点を求め、該二次関数の頂点の間隔から周波数を検出する周波数検出手段、及び前記周波数検出手段で検出した周波数を音程に変換してディスプレイに表示する表示手段として機能させるためのプログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体により解決する。
【０００９】
以下、本発明の作用について説明する。
本発明においては、楽器の種類が予め決められており、これらの楽器について楽器音の波形の特徴部分の情報が特徴部分記憶手段に記憶されている。周波数検出手段は、特徴部分記憶手段に記憶されている情報を利用してマイクから入力した楽器音の波形の特徴部分を抽出し、抽出した特徴部分の周期から楽器音の周波数を求める。このように、本発明においては、楽器毎に周期の検出に使用する特徴部分を決めておくので、周波数の検出を高速で行うことができる。従って、マイクから入力された音が基準の音程と合っているか否かをリアルタイムで表示することができて、汎用コンピュータでチューナーを実現できる。また、周波数を検出できれば、平均律及び純正律の各音階の周波数は既知であるので、表示画面を変えるなどの処理により平均律及び純正律のいずれの音律にも対応できる。
【００１０】
この場合、マイクから入力したアナログ音をデジタルデータに変換すると、波形の頂点の位置が真の位置よりも若干ずれて、周波数の検出誤差が大きくなることが考えられる。これを防止するために、前記周波数検出手段は、抽出した特徴部分を二次関数で近似し、その頂点の周期から周波数を検出することが好ましい。
【００１１】
また、楽器音の波形を比較的単純な波形として特徴部分を抽出しやすくするために、デジタルデータから高周波成分を除去して波形をなだらかに成形することが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施の形態の音情報処理装置（チューナー）を実現する汎用コンピュータの構成を示す図である。
汎用コンピュータ１は、コンピュータ本体１０と、ハードディスク１１と、サウンドボード１２と、マウス１３及びキーボード１４等の入力装置と、ディスプレイ１５とにより構成されている。また、コンピュータ本体１０は、ＣＰＵ２１と、ＲＡＭ２２と、ビデオ出力変換部２３とにより構成されている。
【００１３】
この汎用コンピュータ１をチューナーとするためには、チューナーを実現するためのソフトウエア５と、サウンドボード１２に接続されるマイク６とが必要である。なお、ソフトウエア５は、フロッピーディスク又はＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体に記憶されており、予めハードディスク１１にインストールしておく。ＣＰＵ２１がハードディスク１１からソフトウエア５を読み込む（実行する）ことにより、汎用コンピュータ１はチューナーとして機能するようになる。
【００１４】
図２はソフトウエア５を読み込んだ汎用コンピュータ１からなるチューナーの構成を示す模式図である。アンプ３１及びＡ／Ｄ変換器３２はサウンドボード１２に組み込まれており、マイク６から入力された音をアンプ３１で増幅し、Ａ／Ｄ変換器３２でデジタル信号に変換する。
Ｗａｖｅ変換部３３は、Ａ／Ｄ変換器３２から出力されたデジタル信号から約１／２５秒分の信号を取出し、Ｗａｖｅデータ（デジタルデータ）に変換してＲＡＭ２２に記憶する。ノイズ除去部（波形整形手段）３４は、ＲＡＭ２２からＷａｖｅデータを読み込み、後述する方法により凹凸をなだらかにしてノイズ成分（高周波成分）を除去する。
【００１５】
特徴部分記憶部３６には、楽器毎の波形の特徴部分の情報が記憶されている。特徴点抽出部３５は楽器の波形の特徴部分の情報を特徴部分記憶部３６から読み出し、ノイズ除去部３４によりノイズ除去されたＷａｖｅデータから波形の特徴部分を抽出する。そして、特徴部分を２次関数（放物線）で近似し、その頂点（特徴点）を検出する。
【００１６】
周波数検出部３７は、特徴点抽出部３５で検出した特徴点の周期を検出し、周波数に変換する。そして、基準音程の周波数と比較し、その結果をビデオ出力変換部２３を介してディスプレイ１５に表示する。
図３は本実施の形態のチューナーの動作を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１１において、ハードディスク１１からソフトウエアを読み込んだコンピュータ本体１０は、例えば、図４に示す画面をディスプレイ１５に表示する。ユーザは、この画面で楽器の種類、音律及び調律する音程を指定する。ここでは、楽器の種類としてリコーダーを指定し、音律は平均律を指定し、調律する音程として「Ａ（ラ）」を指定したとする。
【００１７】
その後、ステップＳ１２に移行し、アンプ３１はマイク６から入力された音を増幅し、Ａ／Ｄ変換器３２はアンプ３１から出力された信号をデジタル信号に変換する。そして、ステップＳ１３に移行し、Ｗａｖｅ変換部３３はＡ／Ｄ変換器３２から出力されたデジタル信号を例えば４４．１ｋＨｚの周波数でサンプリングし、約１／２５秒分のＷａｖｅデータに変換する。このＷａｖｅデータはＲＡＭ２２に一時的に保存される。図５（ａ）に、Ｗａｖｅ変換部３３から出力されるＷａｖｅデータの一例を示す。
【００１８】
次に、ステップＳ１４に移行し、ノイズ除去部３４はＲＡＭ２２からＷａｖｅデータを読み出して、平均化によりノイズの除去を行う。すなわち、ノイズ除去部３４はＷａｖｅデータのうち平均化しようとする区間から例えば５つの点（サンプル点）を任意に抽出し、各点を直線又は放物線で近似する。そして、これを区間をずらしながら繰り返す。これにより、図５（ｂ）に示すように、細かい凹凸（ノイズ）が除去された比較的なだらかな波形が得られる。この波形には、楽器に固有の波形の特徴が保持されている。ノイズが除去されたＷａｖｅデータはＲＡＭ２２に保存される。なお、ノイズの除去方法としては上述の平均化に限定されるものではなく、種々の方法が考えられる。
【００１９】
次に、ステップＳ１５に移行し、特徴点抽出部３５は指定された楽器の特徴部分の情報を特徴部分記憶部３６から読み出し、その情報に基づいてノイズ除去後のＷａｖｅデータの波形の特徴部分を抽出する。波形の特徴部分は楽器の種類により異なるが、リコーダーの場合は波形の谷部に特徴部分がある。すなわち、リコーダーの波形の場合、山側（上半部）にはメインピーク以外にも複数のサブピークがある（図５参照）。仮に、メインピーク間の周期により周波数を検出しようとすると、サブピークにより誤差が発生しやすくなる。一方、谷側（下半部）により周波数を検出する場合は、サブピークの影響がないので、周波数を高精度で検出できる。従って、リコーダーの場合、波形の特徴部分は谷側にあるということができる。特徴部分記憶部３６には、リコーダーの波形の特徴部分が谷部にあることが情報として記憶されており、この情報に基づき、特徴点抽出部３５はＷａｖｅデータから波形の特徴部分、すなわち波形の谷部を抽出する。
【００２０】
なお、楽器によっては特徴部分が山部に存在したり、谷部と山部との間にあるものもある。
次に、図５（ｃ）に示すように、特徴点抽出部３５は、抽出した波形の特徴部分の３点を抽出し、これらの点を放物線（二次関数）で近似して、その放物線の頂部を特徴点とする。これは、デジタルデータの場合に谷部の頂部の位置が若干ずれる可能性があるので、より正確に頂部の位置を求めるためである。
【００２１】
次いで、ステップＳ１６に移行し、周波数検出部３７は、特徴点の間の間隔、すなわちＷａｖｅデータの周期（波長）を算出し、周波数を求める。そして、ステップＳ１７に移行し、調律すべき音階の周期（例えば、「Ａ」の場合は４４０Ｈｚ）と比較し、ずれ量を求める。そして、ステップＳ１８に移行し、ディスプレイ装置１５の画面上に、例えば図６に示すように、指定された楽器の種類、音律及び調律する音程を表示するとともに、基準音程とのずれをメーターで表示する。その後、ステップＳ１１に戻り、処理を継続する。
【００２２】
本実施の形態では、予め複数の楽器の波形の特徴部分の情報が特徴部分記憶部３６に記憶されており、デジタルデータから特徴部分を抽出して、その周期により音程を検出するので、周波数の検出を高速で行うことができる。これにより、汎用コンピュータとソフトウエアとでチューナーを実現できる。本実施の形態においては、ステップＳ１１からステップＳ１８までの処理を、人間の楽器演奏可能最小時間（約１／１２秒間）よりも短い時間で処理することが可能であり、マイクから入力した楽器音の音程をリアルタイムで表示することができる。
【００２３】
また、本実施の形態では、汎用コンピュータによりチューナーを構成するので、平均律に基づく音程の表示と純正律に基づく音階の表示とをソフトウエアにより容易に切替えることができる。
なお、上記の実施の形態においては、従来のチューナーの表示に倣って画面上にメーターを表示し、このメーターの針の振れにより基準音程からのずれを表示する場合について説明したが、他の方法により音程を示すようにしてもよい。例えば、図７に示すように、円周を１２等分し、各位置に音階を対応させて、円の中心点を中心として回転する線により音程を示すようにしてもよい。
【００２４】
また、上述の実施の形態では調律する音程をユーザーが指定する場合について説明したが、マイクから入力された音の周波数を検出した後、その周波数に最も近い基準音程を検出し、その基準音程とのずれ量を表示するようにしてもよい。これにより、ユーザが音程を設定する必要がなくなり、操作性が向上する。
更に、予め複数の楽器の波形の特徴部分のパターンを特徴部分記憶部３６に記憶しておき、マイクから入力された音の波形とパターンマッチングして楽器の種類を特定するようにしてもよい。これにより、ユーザが楽器の種類を設定する必要がなくなり、より一層操作性を向上する。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、１又は複数の楽器音の波形の特徴部分の情報を特徴部分記憶部に記憶しておき、前記波形の特徴部分の情報に応じてデジタルデータの特徴部分を抽出して該特徴部分の周期から周波数を検出するので、周波数の検出を高速で行うことができて、汎用コンピュータとソフトウエアとにより構成された音情報処理装置を実現することができる。
【００２６】
また、デジタルデータの特徴部分を二次関数で近似して該二次関数の頂点の周期から周波数を検出することにより、周波数をより正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の音情報処理装置（チューナー）を実現する汎用コンピュータの構成を示す図である。
【図２】ソフトウエアを読み込んだ汎用コンピュータからなるチューナーの構成を示す模式図である。
【図３】本発明実施の形態のチューナーの動作を示すフローチャートである。
【図４】画面表示例を示す図である。
【図５】（ａ）はＷａｖｅデータ変換部から出力されるＷａｖｅデータの一例を示す図、（ｂ）はノイズ除去後のＷａｖｅデータを示す図、（ｃ）は波形の特徴部分の二次関数による近似方法を示す図である。
【図６】音程表示の例を示す図である。
【図７】音程表示の他の例を示す図である。
【符号の説明】
１ 汎用コンピュータ
５ ソフトウエア
６ マイク
１０ コンピュータ本体
１１ ハードディスク
１２ サウンドボード
１３ マウス
１４ キーボード
１５ ディスプレイ
２１ ＣＰＵ
２２ ＲＡＭ
２３ ビデオ出力変化部
３１ アンプ
３２ Ａ／Ｄ変換部
３３ Ｗａｖｅ変換部
３４ ノイズ除去部
３５ 特徴点抽出部
３６ 特徴部分記憶部
３７ 周波数検出部

Claims (3)

1. １又は複数の楽器音の波形の特徴部分が波形のどの位置にあるのかを示す情報を記憶した特徴部分記憶手段と、
   マイクから入力した音をデジタルデータに変換するデジタルデータ変換手段と、
   前記特徴部分記憶手段に記憶された情報に応じて前記デジタルデータから波形の特徴部分を抽出し、前記各特徴部分に含まれる複数の点を二次関数で近似して該二次関数の頂点を求め、該二次関数の頂点の間隔から周波数を検出する周波数検出手段と、
   前記周波数検出手段で検出した周波数を音程に変換してディスプレイに表示する表示手段と
   を有することを特徴とする音情報処理装置。
2. 前記デジタルデータの波形から高周波成分を除去して波形をなだらかにする波形整形手段を有し、前記周波数検出手段は、前記波形整形手段により波形整形された波形の特徴部分を抽出することを特徴とする請求項１に記載の音情報処理装置。
3. コンピュータを、１又は複数の楽器音の波形の特徴部分が波形のどの位置にあるのかを示す情報を記憶した特徴部分記憶手段、
   マイクから入力した音をデジタルデータに変換するデジタルデータ変換手段、
   前記特徴部分記憶手段に記憶された情報に応じて前記デジタルデータから波形の各特徴部分を抽出し、前記各特徴部分に含まれる複数の点を二次関数で近似して該二次関数の頂点を求め、該二次関数の頂点の間隔から周波数を検出する周波数検出手段、及び
   前記周波数検出手段で検出した周波数を音程に変換してディスプレイに表示する表示手段として機能させるためのプログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。

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