TWM531033U - 即時自動作曲播放裝置 - Google Patents

Description

即時自動作曲播放裝置

本創作係關於一種即時自動作曲播放裝置，尤指一種使用者任意輸入音符，經由演算後即可產生符合作曲規則，並輸出一完整樂曲之系統。

按，作曲對於沒有經過系統音樂教育的人是件相當困難的事，因為在過去幾百年經由許多的作曲家發展了相當複雜的作曲規則，對於業餘者想創作符合作曲規則的樂曲幾乎是不太可能；為了改善上述缺失，因此有申請人發明I511123號「樂器鍵盤」及I471853號「樂曲產生裝置」等專利案，其中，I511123號係一種新式琴鍵排列的鍵盤，並無作曲功能；I471853號的樂曲產生方式係由記憶裝置(24)內儲存的資料取得，並非由使用者輪入任意琴鍵而產生，因此產生的樂曲無法隨使用者的喜好而變化，顯然有待改良。

針對以上缺失，本創作人乃深入構思研發創作，經長時間努力，遂有本創作產生。         爰是，本創作之目的係在提供一種使用者任意輸入音符，經由演算後即可產生符合作曲規則，並輸出一完整音樂之即時自動作曲播放裝置。         為達成上述目的，本創作之自動作曲播放裝置，主要係由一琴鍵、一微處理器、一輸出裝置及一顯示器所組成，其中，該微處理器分別與該琴鍵、該輸出裝置及該顯示器電性連接；該琴鍵可供使用者任意輸入兩個音符；該微處理器用於分辨前述兩個音符，並即時自動演算加入複數個適當的音符，以形成一段完整的樂曲；該輸出裝置用於播放該樂曲的音樂；該顯示器用於顯示該樂曲的音符；藉由任意輸入兩個音符，該微處理器即進行自動演算，並形成一段完整的樂曲，令使用者不需經過任何音樂訓練，亦可自行完成作曲。         上述之即時自動作曲播放裝置，其中，該輸出裝置主要係由一低通濾波器及一喇叭所組成，該低通濾波器分別與該微處理器及該喇叭連接，該低通濾波器用於消除該微處理器輸出之高頻諧波，該喇叭用於輸出該音樂。

本創作為達成上述目的，所採用之技術手段及可達致之功效，茲舉以下較佳可行實施例配合附圖進行詳細解說說明，俾能完全瞭解。 請參閱第一圖所示，本創作的自動作曲播放裝置1主要係由一琴鍵10、一微處理器11、一輸出裝置12及一顯示器13所組成，其中，該微處理器11分別與該琴鍵10、該輸出裝置12及該顯示器13電性連接；該琴鍵10可供使用者任意輸入兩個音符；該微處理器11用於分辨前述兩個音符，並即時自動演算加入複數個適當的音符，以形成一段完整的音樂；該輸出裝置12主要係由一低通濾波器14及一喇叭15所組成，該低通濾波器14分別與該微處理器11及該喇叭15連接，該低通濾波器14用於消除該微處理器11輸出之高頻諧波，該喇叭15用於輸出該音樂，且該喇叭15可為單聲道或雙聲道；該顯示器13用於顯示該音樂的音符，並以繪圖型或文字型顯示該音符； 請參閱第二圖所示，該微處理器11的演算過程係基於調性輸入、兩音符輸入及馬可夫機率陣列輸入，並經由三個階段來完成，即使用者首先必須選擇希望營造意境的音樂調性，例如快樂、溫柔，其他兩個輸入參數是使用者自選的兩個音符； 在作曲的第一階段中，音樂調性由三個輸入值來確定，愉快的音樂情緒係由兩個輸入的音符所確定的大調，而溫柔情緒係由兩個輸入音符所確定的小調，音樂的節奏也是在音樂調性輸入的第一階段時確定的； 第二階段是創建音樂的旋律，首先是設置對應於不同情緒的節奏，之後旋律的下一個音符將大致根據馬可夫機率陣列(Markov probability matrix)來選擇，如此，直到旋律中所有的音符填滿為止。在旋律構成過程中，針對那些不能由馬可夫機率陣列表示的作曲規則，可選擇設置某些音符，或選擇音符時對一些特殊的節奏改變馬可夫機率陣列的規則；設置旋律後，為使得旋律聽起來更加和諧，由該自動作曲播放裝置1選擇合適伴隨它的和弦，但也具有一些隨機性的變化，以避免產生單調的感覺； 於馬可夫機率陣列輸入中尚包含了一個特殊的學習模式，可供使用者以自己的馬可夫機率陣列來代替預先設定的，如果使用者選擇使用這學習模式時，系統允許使用者在琴鍵上彈奏一段音樂，然後自動作曲播放裝置1將依據使用者所彈奏的音樂來計算出馬可夫機率陣列，令使用者剛才彈奏的音樂產生變動； 該自動作曲播放裝置1的音符序列器將產生一段15小節長的音樂，每一小節為四拍，即每小節為四個四分音符，而由自動作曲播放裝置1可計算出的最短節拍是八分音符，如此該音樂序列器對每一小節需要計算出八個不同的音符，所以對於15小節長的音樂總共需要120個音符；該自動作曲播放裝置1定序部分是產生兩個1 x 120的陣列，分別存放按順序播放音符的旋律及和弦。陣列內的"-1"值代表一個空的音符，所有其他非"-1"的數值代表一個C2〜C5範圍內的音符，此數值表示音符和C2之間的距離，半音也計算為一個距離，這兩個陣列經由FM合成處理，產生微處理器對應音符的PWM輸出。 由演算法生成的音樂應當與使用者輸入的兩個音符相關，以反映使用者選擇的情緒，此外，它應該服從多數的作曲規則，使得喇叭能播放出來愉快的聲音。 為使審查委員詳細瞭解，以下詳細說明本創作的實現步驟： 1. 音調和節奏設置：確定音調和節奏係藉由一音符產生器；音樂的節奏由四分音符的長度來決定，這是播放兩個音符之間的時間間隔，並藉由一計時器的中斷來計算時間，當計時器計數到t1時播放下一個音符，經由改變t1值可控制音樂的節奏；該自動作曲播放裝置1對愉快的調性將t1設置為200ms，溫柔的調性則設置為350ms，因此，在愉快的調性中，節奏是每分鐘150拍，於溫柔的調性中，節奏大致在每分鐘85拍；對於音調的設置，每個不同的調性使用一個12音符陣列(1 x 12)。 正常範圍包含8個音符，但為了使旋律能夠產生更多的音符，系統創建了12個音符的範圍，其中，8個音符是與正常範圍的完全一樣，後面的4個音符是高八度的第2至第5音符；馬可夫機率陣列內的數值表示目前的音符與C2的距離，例如，C3的12個大調音符可表示為：[12 14 16 17 19 21 23 24]；為了表達不同的情緒，該自動作曲播放裝置1對表達愉快的心情創建了12個音的大調音符陣列，而對溫柔的情緒創建了12個音的小調音符陣列；使用者選擇開始彈奏的2個不同音符的輸入組合是相當關鍵的，因為它與調性（大調/小調）相關連，從而決定產生旋律的12個音符範圍，不僅需要包括2個輸入音符，還應該涵蓋在一個可以播放(C2 ~ C5)音符的合理範圍內，若這範圍太小或太大將會使旋律聽起來非常不愉快；音調設置的方法如下：首先，將兩個使用者輸入的音符向上或向下調整到C3至C4的音階範圍，然後計算它們之間的距離差，接著使用第三圖的查找表 (Look Up Table, LUT) 來確定12音符的起始音，並生成基於調性的音符陣列。  2. 旋律設置：產生一個1 x 120的旋律陣列，該陣列內的數值代表旋律音符與C2的距離，"-1"則表示空的音符。  3. 節奏設置：整首樂曲由15小節產生，每小節含有8個對應於旋律陣列的八分音符，要設置整個音樂的節奏，系統對每個調性從一些經典作品中選擇出8個典型的節奏模式，每個節奏模式只有一小節長，即是4個四分音符。在這些節奏模式裡最短的節拍必須要與該自動作曲播放裝置1是一致的八分音符節奏。在節奏模式的"1"代表一個節拍，"0"代表是空的節拍。在15小節旋律的各小節中，以產生的隨機亂數來選擇調性的八個節奏模式之一。此外，為了使整個旋律像真正的音樂聽起來更加一體化，節奏的第5小節、第10小節、第15小節設定為一個樂句的結束，如此，完成整個旋律節奏的設置。 有一點要注意的是，在維持FM合成聲音的品質之下，要改變某一音符的延遲時間是非常困難的，所以長度超過八分音符的節拍，如四分音、半拍等將用一個八分音節拍跟隨一些空的節拍來處理。這裡對更長的音不使用重複的音符，因為聽起來會有很明顯重複音，而不是一個持續更長時間的聲音。 4.節奏設置：樂曲旋律的設置是基於馬可夫機率陣列中與產生的12音符陣列；對應於每個調性有兩個馬可夫機率陣列，各為12 x 12陣列，並且行和列索引對應於12個音符陣列，行索引指向目前的音符，該行中的每個數值代表下一個對應於列索引的音符機率。由於在大多數的操作中使用8位元整數，所以每一行正規化後的機率總和設定為127； 選擇下一個旋律的音符過程如下：首先生成一個介於0和127的隨機數，接著該自動作曲播放裝置1由機率陣列中找到對應於當前音符的機率陣列，然後將此隨機數與該行中每一列的累加機率比較，直到超過該隨機數，此時對應於該列的音符即為為下一個音符。此過程的一個例子如下： 如果目前的音符是C3，而對應於C3的機率陣列是[0 0 0 50 50 0 27 0 0 0 0 0]，且產生的隨機數為56，則下一個音符應是G3； 音符的產生在某些情況下可不遵循上述過程，第一種是旋律的前兩個音符，為使音樂播放聽起來像是一件由使用者的兩個音符啟動，系統程式在設置旋律的前兩個音符時要包含使用者的兩個輸入音符。第二種情況是，對比半分音長的音符，由陣列中播放第一、第五和第八音符的機率比打其它音符高許多，而這些音符會產生了結束一段音樂的感覺。 基於上述規則，當節奏陣列裡對應的節拍非零時，將音符填入1 x 120旋律陣列，而對於節奏陣列裡對應的零，在旋律陣列的音符設置為"-1"，表示空音符。 和弦設置：為確保在任何情況下可創建和諧的和弦與旋律，對一個旋律音符有三種和弦可選擇，它可以是低於旋律音符的第5、7或12個半音。低五個半音可創造一個完美的第四音符；低7個半音可創造一個完美的第五音符；低12個半音則創建的一個低八度相同的音符，這三種選擇都與原來的音符完美和諧，並在任何情況下都將產生悅耳的音質。 該自動作曲播放裝置1係以下列的方式在旋律中產生和弦： 1. 它只對旋律中不是空的音符產生和弦，這是為了確保清楚的旋律節奏，且不受到和弦的干擾。 2. 對特定非空旋律的音符有87.5%的和弦，這是為了使和弦有一些變化。 3. 產生一個隨機亂數，使旋律音符由上述三種和弦中選擇一個和弦。 以這種方式，所產生的和弦不單調，並始終與旋律和諧的。和弦也是1 x 120陣列，其中每個數值是在一小節的八分音符，並代表此音符對C2的距離，在和弦陣列中"-1"代表一個空的音符； 學習系統：若使用者選擇自己來訓練此系統，則馬可夫機率陣列是基於使用者輸入的琴鍵上來計算，但由於機率陣列大小的限制，琴鍵上所有比C3低的按鍵被計算成高八度音程。所有黑鍵都算作白鍵下的一個半音，以確保使用者所有的輸入可以記錄在機率陣列中。 　　該自動作曲播放裝置1學習的第一步是收集每一個音符的時間，來構建一個學習陣列。此學習陣列也是12 x 12大小，和兩個行和列索引代表從C3開始的12個音符。以下是構建學習陣列的一個例子： 1. 如果C3在G3後演奏，則在第五行(G3)和第一列(C3)的數值應該加1遞增。 2. 當使用者在矩陣鍵盤上按壓"Enter"鍵來結束所有的輸入，學習陣列的每一行應正規化到"127"。 3. 若除了G4外有一個空行，則將"127"分配到隨後的音符，但如果G4行也是空的，則將"127"分配至C4。 　　以這種方式，根據使用者的輸入可建立一個原始的機率陣列。然而有相當大的機會，使用者可能會輸入一些不容易產生愉快的音符序列，因此，在正規化階段之前學習陣列需通過該低通過濾器。通常音符之間存在較大的跳躍時會導致一個令人不愉快的序列，所以創建了一個簡單的低通濾波器，以消除音符之間的巨大跳躍。以下顯示低通濾波器的工作原理： 　　如第四圖所示，對學習系統的每一行中的陰影區域的保留數值，並將所有其它條目設置為"0"，如此，學習系統可順利工作，並且能夠產生關聯於使用者輸入的動聽音樂。 　　為了合成一個電子琴的聲音，係藉由頻率調變合成技術(Frequency Modulation, FM)，因為以直接數位合成(Direct Digital Synthesis, DDS)來產生正弦波及用FM合成來調變信號的組合所產生的聲音最相似於鋼琴聲。如上所述，該微處理器11在16 KHz採樣頻率時將同時產生了三個琴音。 　　直接數位合成：如第五圖所示，是一種經由一個時變信號來產生一個純正弦波的方法，使用一個16位元的暫存器作為相位累加器，高的8位元用作相位暫存器的索引陣列，低的8位元用作正弦查表；正弦表是在初始化函數中初始化，並在計時器1的中斷服務程序裡更新，以產生基頻；輸出的頻率可以通過DDS中的增量值來調節；因為輸出頻率的時間倒數將使16位元暫存器產生溢位，因此為16 KHz的取樣率將增量= 4.096 * F _{OUT ；}頻率調變：頻率調變合成是一種音訊合成技術，在同一音頻範圍內將一個簡單的波形經由頻率的調變而產生更複雜的輸出波形和不同的音色。 頻率調變合成計算公式如下： 公式中，amp(t)是調變後形成的包絡，波形呈現指數式的上升與衰減： 它是常微分方程式的數值解，式中的f0為基頻，如第六圖顯示為一個頻率調變合成產生的波形。 　　本創作具有以下優點及特色： 　　1. 根據使用者輸入，能產生一段符合個人喜好、輕鬆愉快的音樂。         2. 可依據使用者輸入的信息，自動學習創作樂曲。         3. 可隨使用者的數位處理器的功能，於音調、旋律、和弦及樂曲長度上進一步改善。         4. 可將產生的樂曲以樂譜方式顯示於該顯示器上，方便使用者觀看。         綜上所述，本創作確可達到預期之功能及目的，並且詳細說明能使熟於此技藝者得據以實施，然以上所舉之實施例僅用以說明本創作，舉凡所有等效結構之改變仍不脫離本創作之權利範疇。

1‧‧‧自動作曲播放裝置
10‧‧‧琴鍵
11‧‧‧微處理器
12‧‧‧輸出裝置
13‧‧‧顯示器
14‧‧‧低通濾波器
15‧‧‧喇叭

第一圖所示係本創作實施例之結構方塊圖。 第二圖所示係本創作實施例之自動作曲演算流程圖。 第三圖所示係本創作實施例之音調設置查找表。 第四圖所示係本創作實施例之學習系統陰影區域保留數值圖。 第五圖所示係本創作實施例之DDS相位增量示意圖。 第六圖所示係本創作實施例之頻率調變合成波形圖。

1‧‧‧自動作曲播放裝置

10‧‧‧琴鍵

11‧‧‧微處理器

12‧‧‧輸出裝置

13‧‧‧顯示器

14‧‧‧低通濾波器

15‧‧‧喇叭

Claims (3)

1. 一種即時自動作曲播放裝置，主要係由一琴鍵、一微處理器、一輸出裝置及一顯示器所組成，其中，該微處理器分別與該琴鍵、該輸出裝置及該顯示器電性連接；該琴鍵可供使用者任意輸入兩個音符；該微處理器用於分辨前述兩個音符，並即時自動演算加入複數個適當的音符，以形成一段完整的樂曲；該輸出裝置用於輸出該音樂；該顯示器用於顯示該音樂的音符。
2. 如申請專利範圍第1項所述之即時自動作曲播放裝置，其中該輸出裝置係為一喇叭，且喇叭可為單聲道或雙聲道者。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之即時自動作曲播放裝置，其中該顯示器係以繪圖型或文字型顯示該音符者。