基于音型數據庫結構的多特征作曲系統設計

毛康 林勇

摘? 要： 為解決目前作曲系統存在作曲耗時長、匹配度低等問題，提出基于音型數據庫結構的多特征作曲系統設計。首先，通過訓練模塊、作曲模塊、數據庫模塊和用戶界面模塊完成對系統的總體框架設計，然后，通過處理器、存儲卡、顯示器、計算機和音響完成對作曲系統的硬件設計，最后，通過提取數據，對音型結構進行識別，再利用Matlab平臺的函數和Java語言程序實現樂曲數據轉換和輸出，從而實現對作曲系統的軟件設計，至此完成基于音型數據庫結構的多特征作曲系統設計。實驗結果表明，與傳統的作曲系統相比，提出的多特征作曲系統的作曲耗時明顯減少，匹配度可達到90%以上，表明提出的作曲系統具有更高的有效性。

關鍵詞： 音型數據庫; 多特征作曲系統; 系統設計; 作曲耗時; 數據處理; 對比驗證

中圖分類號： TN919?34; TP311? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）08?0060?03

Design of multi?feature composition system based on figure database structure

MAO Kang1， LIN Yong2

（1. HuaiYin Normal University， Huaian 223300， China; 2. Chonbuk National University， Chonju 54896， Korea）

Abstract： A design of multi?feature composition system based on figure database structure is proposed to reduce the composition time?consumption and improve matching degree of the current composition system. The overall framework design of the system is completed by means of training module， composition module， database module and user interface module. The hardware design of the composition system is completed with the processor， memory card， display， computer and stereo. The figure structure is recognized by extracting data. The conversion and output of the music data are completed by means of the functions of the Matlab platform and the Java language program， so as to realize the software design of the composition system. The multi?feature composition system based on the figure database structure is completed. The experimental results show that， in comparison with the traditional composition system， the time?consumption of the proposed multi?feature composition system is significantly reduced， and its matching degree can reach more than 90%， which indicates that the proposed composing system has higher effectiveness.

Keywords： multi?feature composition system; system design; figure database; composition time?consumption; data processing; comparison validation

0? 引? 言

近年來，隨著人們的物質生活水平提高，對精神文化的重視程度不斷增加，人們對音樂也投入了更多的關注，越來越多的人開始進行音樂創作。作曲作為音樂創作活動的基礎，對于音樂創作具有十分重要的指導作用，將科技與作曲相結合，為作曲帶來了新的活力[1]。

目前，常見的作曲技術有修正型粒子群算法[1]、遞歸神經網絡算法[2]、音樂文法[3]和遺傳算法[4]等。由于在傳統的作曲系統中，仍然存在一些不足，如作曲耗時較長、匹配度較低等。因此，對作曲系統進行創新具有十分重要的意義。

為解決以上存在的問題提出基于音型數據庫結構的多特征作曲系統設計。實驗結果表明，提出的多特征作曲系統能更有效地完成樂曲的創作。

1? 多特征作曲系統設計

1.1? 多特征作曲系統的總體框架

基于音型數據庫結構的多特征作曲系統的總體框架如圖1所示。

基于音型數據庫結構的多特征作曲系統包含訓練模塊、作曲模塊、數據庫模塊和用戶界面模塊。訓練模塊又包括三個子模塊，分別為訓練數據預處理模塊、訓練數據聚類模塊和網絡訓練模塊[5]。

1.2? 多特征作曲系統硬件設計

基于音型數據庫結構的多特征作曲系統硬件結構圖如圖2所示。

1） 訓練模塊

將樣本譜例進行收集，通過處理器，將不對稱的數據進行預處理、轉換等操作，對收集到的數據進行訓練。在對數據進行訓練的過程中，將音型收集于音型數據庫中。

2） 作曲模塊

通過數據串口將作曲模塊與數據庫模塊進行連接，對數據庫中的樣本的音型數據進行提取，通過串口傳輸到作曲模塊的處理器，處理器先對音型結構進行識別、分割等操作，再通過Matlab平臺上的函數以及作曲程序，將存儲的數據進行轉換，從而使數據以樂曲的形式進行輸出。

3） 用戶界面模塊

用戶可以通過顯示器查看到作曲系統所作樂曲的具體信息。在該界面中，包括訓練模式和作曲模式。在數據訓練模塊中，將樣本譜例通過讀入、識別等步驟，對數據進行訓練，將訓練通過的數據進行存儲。在作曲模式中，對網絡進行激活，使之產生不同的音樂序列，在界面中輸入樂曲時長，可以對樂曲的持續時間進行控制，完成樂曲的創作。通過該界面，可以對作曲系統是否開始工作或是否退出程序進行設置。

由于系統在運行過程中，需要同時啟動多個應用程序，基于音型數據庫結構的多特征作曲系統硬件的配置要求如表1所示。

1.3? 多特征作曲系統軟件設計

首先，針對要進行創作的樂曲，在數據庫中提取相關的樣本譜例的音型信息。對于存儲的樣本數據在數據庫中分布情況，可以將樣本數據看作一個點，數據庫是一個編碼空間，將數據庫中存儲的數據進行提取時，即任意取出編碼空間中的點，將點進行組合，由于點的數量眾多，可以任意組合，使其具有多特征的特點。當收集到樣本的音型后，先對其采取完全匹配的模式，假如未匹配成功，則采用模糊匹配的方式再重新對其音型進行確定[6]。

表1? 系統硬件的配置要求

[配置名稱 配置要求 音響設備 /套 1 顯示器 /個 1～2 顯卡 集成 硬盤 /GB >200 內存 /GB >8 ]

然后，對樂曲的音型結構進行識別。設模仿時值為兩拍，包含音符組的格式為三個，在確定模仿結構后，再對樂曲的狀態按一定的長度進行分割[7]。假設樂曲的單元長度為R，則對其進行分割的段的數量N計算公式為：

式中：M代表樂曲的時值;T代表音符組的個數;n代表樂曲的段數。通過式（1）可以將樂曲分割成多個段，對每個段的具體情況，確定其音型結構。在完成分割后，將要創作的樂曲與數據庫中的音型元結構進行轉換，根據實際情況的不同，對其進行靈活設置。

最后，將數據進行輸出。在數據輸出的過程中，對聲音進行合成。基于Matlab平臺，使用相關的聲音合成技術對聲音進行合成[8]。假設一個音可以用一個正弦波進行表示，在不考慮音色的情況下，則系統發出的聲音可表示為：

式中：A代表作曲系統發出的聲音的響度;ω代表作曲系統發出的聲音的頻率;t代表作曲系統發出的聲音的持續時間。

在提出的作曲系統中，將聲音的響度A和持續時間t設置成一個固定值，通過調節聲音的頻率ω來發出各種聲音。在數據庫選取一個頻率ω為440 Hz的音作為標準音，則作曲系統發出其他音的頻率的計算公式如下：

式中，p代表作曲系統發出聲音的音高值。將標準音的音高值設置為69，則作曲系統發出聲音的頻率可以通過式（3）得到。通過式（3）可以對樂曲不同部分的頻率進行計算，Matlab平臺通過上述函數對數據進行轉換，從而對基于音型數據庫結構的多特征作曲系統的聲音進行合成。然后，通過程序代碼，實現對系統中的樂曲的輸出。利用Java語言程序對作曲程序的開放源代碼進行輸出[9?10]，部分代碼如下：

INT []PITCHES ={C5，A4，F4，D4，E4，F4，D4，F4，C4};

FOR（INT i=0;i

//A NOTE IS MADE UP OF A PITCH AND DURATION

NOTE[I]=NEW NOTE（PITCHES[I]，RHYTHMVALUES[I]）;

}

//A PHRASE IS MADE UP OF NOTES

PHRASE PHRASE=NEW PHRASE（notes）;

PART PIANOPART=NEW PART（"PIANO，"piano）;

//A PART IS MADE UP OF PHRASES

PIANOPART.ADD（PHRASE）;

//IN KEY OF 1 FLAT

DAISY.SETKEYSIGNATURE（?1）;

//IN 3/4 TIME

DAISY.SETNUMERATOR

DAISY.STENUMERATOR（3）;

DAISY.SETNNUMERATOER（4）;

//DISPLYA SCORE IS STANDARDMUSICAL NOTATION

VIEW.NOTATE（DAISY）;

//WRITE OUT SCRE TO MINI FILE

WRITE MIDI（DAISY，"C：/DAISY.MID"）

通過上述程序設計，對音型數據庫中的音型等樂曲信息進行輸出，將樂曲的基本信息顯示在用戶界面，用戶再通過界面對樂曲進行控制。

2? 實? 驗

為驗證提出的基于音型數據庫結構的多特征作曲系統的有效性，與傳統的作曲系統進行對比實驗。

2.1? 實驗過程

首先，采用兩個作曲系統同時進行10段樂曲的創作，對兩個作曲系統的作曲耗時進行比較。然后，針對同樣的8個樣本，分別采用兩個作曲系統對樣本進行模仿作曲，驗證其與樣本的匹配度。

2.2? 實驗結果分析

對兩個作曲系統的作曲耗時的對比結果如表2所示。

從表2中可以看出，在幾段樂曲中，樂曲2比較有難度，兩個作曲系統需要的時間都相對較長，采用傳統的作曲系統，其作曲耗時為51 min，采用提出的作曲系統，其作曲耗時為10 min。綜合10段樂曲的作曲時間來看，采用傳統的作曲系統，其作曲耗時時間較長，而采用提出的作曲系統，由于以音型數據庫結構作為基礎，其作曲耗時明顯縮短。對兩個作曲系統的匹配度的對比結果如圖3所示。

從圖3中可以看出，采用傳統的作曲系統，匹配度均在40%以下，而采用提出的多特征作曲系統，其匹配度均在90%以上。由此可以看出，提出的多特征作曲系統的匹配度更高，具有更高的有效性。

3? 結? 語

針對傳統的作曲系統存在的作曲耗時長、匹配度低等缺點，提出基于音型數據庫結構的多特征作曲系統設計。通過對其進行硬件設計和軟件設計，完成基于音型數據庫結構的多特征作曲系統設計，并通過實驗與傳統的作曲系統進行對比。實驗結果表明，采用提出的基于音型數據庫結構的多特征作曲系統，其作曲耗時較少，匹配度更高，說明提出的基于音型數據庫結構的多特征作曲系統具有更高的有效性，能夠更好地完成作曲，希望其能夠得到廣泛的應用。

參考文獻

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