鋼琴識(shí)別軟件的原理

1 引言

鋼琴是最理想的多聲樂器，它的音域?qū)拸V、巨大的音量變化幅度，使它可以獨(dú)自成為一個(gè)完整的音樂世界。鋼琴是屬于鍵盤樂器，原理是用錘敲擊弦發(fā)聲，它的鍵盤頻率比較固定，而像小提琴這種也是比較常見的高音樂器，原理是使用手指按壓來定音準(zhǔn)的，小提琴的音準(zhǔn)特征是準(zhǔn)許一定的自由的，每個(gè)演奏者都有其個(gè)人的發(fā)音方法、自己的標(biāo)準(zhǔn)，而這取決于演奏者對(duì)音樂的個(gè)人理解，但是鋼琴是沒有什么音準(zhǔn)問題的，它是單一種音律，就是十二平均律。因此本文考慮到鋼琴的特性，以及如何從中識(shí)別音符的問題進(jìn)行研究。

2 鋼琴樂理

2.1 十二平均律

所謂十二平均律就是指假設(shè)我們把一個(gè)八度的音程按倍頻平均成十二等分，那么每?jī)蓚€(gè)批次相鄰的音之間的頻率比就是21/12。按照此定律,鋼琴的音符對(duì)應(yīng)的基頻范圍為: 27.50Hz到4186.00Hz的，其基音頻率數(shù)值決定了音符的音高。用半音比例公式推導(dǎo)出全部音符的基頻頻率,從基頻中可以看出，在低音部分的兩個(gè)琴鍵之間的頻率差值只有2、3Hz。在中間的頻率差值在40Hz附近，到高音部分的頻率差值在150Hz附近。

2.2 音高和音符

音高和音符是樂理的基本概念，主要是研究其中的物理特性。

音高是指各種不同高低的聲音，就是聲音的高度，是一種發(fā)音的基本特征。聲音的高低取決于振動(dòng)的頻率，頻率振動(dòng)的次數(shù)多聲音就高，頻率振動(dòng)的次數(shù)少聲音就低。而音符是一種記錄符號(hào)的工具，記錄不同長(zhǎng)、短的聲音。是樂音的一種基本的要素，其中存在基本音符，是指一個(gè)四分音符的長(zhǎng)度。

3 有關(guān)端點(diǎn)檢測(cè)方法

3.1 樂音端點(diǎn)檢測(cè)

一段音樂的前后音符高低有變化，前后的頻率變化很大，樂音端點(diǎn)檢測(cè)就是從一段音樂中找出按鍵的起點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，排除無效的噪音段，然后對(duì)有效的信號(hào)段進(jìn)行檢測(cè)。鋼琴信號(hào)同語言信號(hào)是一個(gè)原理，短時(shí)間內(nèi)相對(duì)平穩(wěn)，所以對(duì)信號(hào)的處理上是建立在短時(shí)內(nèi)。過零率特征門限值和短時(shí)能量的端點(diǎn)檢測(cè)方法流程如下:第一,短時(shí)能量,短時(shí)過零率參數(shù)設(shè)置;第二步,確定樂音狀態(tài);第三步,從第一幀到最后一幀循環(huán)檢測(cè),初始狀態(tài)為0,樂音長(zhǎng)度為0。

短時(shí)平均過零率在語音信號(hào)在分析中一般多應(yīng)用于是清/濁音判斷。發(fā)清音時(shí)，聲帶不振動(dòng)，聲道的某部分阻塞氣流產(chǎn)生類白噪聲，其能量集中于較高的頻率范圍。相反，發(fā)濁音時(shí)，聲帶振動(dòng)，這個(gè)振動(dòng)頻率的聲壓波在聲道中共振，盡管有若干個(gè)共振峰，但其能量集中于低于3kHz的頻率范圍內(nèi)；因此用過零率可以定量的分析清/濁音。

3.2 基于高頻分量進(jìn)行的端點(diǎn)檢測(cè)

上面的方法在信號(hào)能量較大的時(shí)候比較精準(zhǔn)，但是在信號(hào)能量極小的靜音段或者聲音小的時(shí)候，還需要結(jié)合頻域分析來進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè)。通過對(duì)鋼琴的頻譜圖進(jìn)行分析得出結(jié)論是：利用這些高頻分量來進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè)，由于它的幅度分量較小，消失的較快。這些特征，非常適合于鋼琴演奏的端點(diǎn)檢測(cè)。

4 鋼琴識(shí)別軟件的設(shè)計(jì)系統(tǒng)

本次實(shí)驗(yàn)使用的是C#開發(fā)整個(gè)系統(tǒng)，采用WAV聲音文件作為系統(tǒng)的輸入，可以使用MIDI直接播放分析結(jié)果。并可查看每個(gè)音符片段的音高分析步驟的結(jié)果，便于對(duì)文中端點(diǎn)檢測(cè)和基音識(shí)別的方法進(jìn)行分析。

5 結(jié)束語

本文的目的是希望能通過一個(gè)軟件，方便音樂愛好者們對(duì)鋼琴曲進(jìn)行打譜。因此圍繞如何從一段鋼琴音樂中分析其演奏的音符這一問題開展了研究工作。受作者知識(shí)的局限性,研究能力等因素的原因,研究工作存在不足,還需要解決的有以下幾個(gè)方面:

1、本文所測(cè)試的只針對(duì)部分音符進(jìn)行研究，并沒有對(duì)全部音符進(jìn)行檢測(cè)，所以結(jié)論有些偏差。

2、計(jì)算機(jī)輔助的部分較少，下一步工作中會(huì)加入計(jì)算機(jī)軟件的功能去實(shí)現(xiàn)全硬件檢測(cè)。

1、L.R.拉賓納,R.W.謝弗編著.朱雪龍翻譯.語音信號(hào)數(shù)字處理[M].科學(xué)出版社，1987.78-90

2、潘陽.鋼琴校音計(jì)算機(jī)軟件的設(shè)計(jì).2011.4

3、馬英,石小榮,李海新等.基于CEP和LPC譜提取語音信號(hào)基音周期的方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009,32(20): 150-15l,154.

4、張曉東、吳捷.文本文件的語音識(shí)別中漢語音節(jié)的特征分析.《巢湖學(xué)院學(xué)報(bào)》，2004-05-25

5、單偉.《無線互聯(lián)科技》，2012-11-15