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基于音樂特征識別的音樂噴泉計算機輔助設計系統
摘要：介紹一種基于音樂特征識別的音樂噴泉計算機輔助設計系統。由于能夠自動識別音樂的曲式、情感等特征，該系統能夠根據不同曲目的特點設計體現音樂內涵的音樂噴泉表演程序；同時，通過綜合運用電腦動畫、自動控制等技術，大大提高了音樂噴泉表演程序的開發效率。為了對該系統的設計方案進行檢驗，開發了一個小型室內音樂噴泉的實驗裝置。實驗證明，該系統的運行結果。十分令人滿意。音樂噴泉作為將聽覺藝術與視覺藝術相結合的藝術形式，
已經得到了廣泛的關注。目前，國內外雖然已建有很多音樂噴泉，但大多數音樂噴泉都存在著兩方面不足：首先、音樂噴泉表演程序的設計需要音樂、舞美、電腦、自控、噴泉等專業專家的合作；其次，為了了解音樂噴泉表演程序的噴射效果，只有在硬件上進行仿真實驗。因此，對于一般的音樂噴泉系統，其表演程序的設計非常費時費力，也正是由于這個原因，既便是美國Lasvegas這樣著名的噴泉也只能表演幾首曲目。
基于上述問題，筆者設計開發了一個音樂噴泉的計算機輔助設計系統，簡稱CAD-MF。在該系統中，首先提取音樂的基本特征，然后在此基礎上分析音爾的曲式特征并將整首樂曲分成若干樂段，并分析出每一段音樂所表達的基本感情色彩；第二步，根據音樂的曲式和情感特片，為每個樂段匹配相應的音樂噴泉基本表演程序，從而生成最初的音樂噴泉表演程序。該表演程序可以用三維動畫進行仿真，并可以通過友好的人機界面進行修改，直至滿意。最終的表演程序經過自動編譯，可以控制音樂噴泉按照設計的動作進行噴射，實現音樂與噴泉的同步。
1 音樂噴泉實驗裝置
該音樂噴泉實驗裝置的草圖如圖1所示。該噴泉由13個噴頭、4組彩燈組成。其中，噴頭1～6為第一組，可以沿圓圈的切向徑向進行自由擺動；7～9為第二組，10～12為第三組，可以左右隨意搖擺；13為第三組，不能轉動。此外，這13個噴頭的噴射高度還可以有3個級別的變化。同時，該裝置中還配有4組（1～4）彩燈，由于每一組由3個不同顏色的燈泡組成，因此可以營造出多彩的光照效果。
2 系統概述
該系統由七個部分組成，如圖2。
（1）音樂特征的識別
在本系統中，選擇MIDI（Musical Instrument Digital Interface）文件作為輸入的音源。MIDI是音樂信號在電子樂器之間傳輸的標準，包括硬件接口標準以及電子音樂信號在不同硬件之間的異步串行傳輸協議[1]。MIDI格式的音樂文件記錄了音樂的全部樂譜和演奏的全過程，很多基本的音樂特征都可以從中直接獲得。在此基礎上，又可以進一步提取旋律、和聲、節奏等復雜特片。根據音樂基本特征和復雜特征在內的音樂信息，最終能夠按照樂曲的結構將其分為若干樂段，并且利用模糊分類器識別出每一個樂段所帶有的感情色彩。
（2）音樂特征與噴射動作的匹配
這一部分主要是通過模糊專家系統將音樂特征與噴射動作進行兩個層次的匹配——段匹配和音符匹配。段匹配是指根據感情色彩為各個樂段找到合適的基本表演程序，即用于表現某一特定情感的典型動作序列。音符匹配則是為特定的音符安排特定的噴射動作。這兩個層次的匹配過程也就是音樂噴泉表演程序的最終設計過程，它記錄了音樂噴泉隨著音樂舞動的全部狀態。
（3）動畫仿真
當表演程序被設計出來后，如果直接在噴泉裝置上進行仿真，將是一個非常費時費力的過程。因此，設計了動畫仿真了系統。動畫的參數全部按照實際的噴泉實驗裝置來設計，通過動畫可以實現對實際噴射效果的仿真。為了做出與實際噴射相似的噴射效果，采用粒子系統[2]。
（4）手動修改
在觀看動畫仿真結果后，用戶可能需要對原表演程序進行修改。為了使用戶能夠在不需要了解內部代碼的情況下對表演程序進行任意的修改，筆者開發了一個很有好的人機界面。該界面不僅可以實現單點修改、多點修改，還可以為整段音樂選擇另一套表演動作。
（5）打印噴泉表演流程總譜
該總譜既包括了所有音符，又包括了與音樂對應的所有噴射動作，可以對整個表演程序一目了然。
（6）編譯成控制程序
用一臺Pentium III 866MHz的PC機作為控制器，它能夠自動地把表演程序編譯成功放輸出的控制程序，從而控制音樂噴泉硬件裝置的噴射，實現音樂與噴泉的同步。
（7）同步播放
為了保證噴射與音樂的同步，筆者開發了同步播放程序，主要用于防止噴射相對于控制的延時。
音樂特征識別和匹配是該系統的核心。下面，將對這兩個子系統進行重點介紹。
3 音樂特征的識別
由于不同風格的音樂有著各自不同的特點，這里，選擇節奏相對穩定、曲式相對固定的約翰·施特勞斯（Johann Strauss）的圓舞曲。
3.1 音樂基本特征的提取
在該系統中，選擇MIDI
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