基于音乐特征识别的音乐喷泉计算机辅助设计系统

（5）打印喷泉表演流程总谱

该总谱既包括了所有音符，又包括了与音乐对应的所有喷射动作，可以对整个表演程序一目了然。

（6）编译成控制程序

用一台Pentium III 866MHz的PC机作为控制器，它能够自动地把表演程序编译成功放输出的控制程序，从而控制音乐喷泉硬件装置的喷射，实现音乐与喷泉的同步。

（7）同步播放

为了保证喷射与音乐的同步，笔者开发了同步播放程序，主要用于防止喷射相对于控制的延时。

音乐特征识别和匹配是该系统的核心。下面，将对这两个子系统进行重点介绍。

3 音乐特征的识别

由于不同风格的音乐有着各自不同的特点，这里，选择节奏相对稳定、曲式相对固定的约翰·施特劳斯（Johann Strauss）的圆舞曲。

3.1 音乐基本特征的提取

在该系统中，选择MIDI文件作为输入的音源。一个MIDI文件含有一个header chunk和若干个track chunks。速度、节拍等全局基本特片以从header chunk中得到；而音高、音长等音符信息则可以从track chunks中获取[3]。由于MIDI文件中含有大量音乐信息，因此许多音乐的基本特征都可以从中直接获取。这里，提取了九种基本特片：音色、调性、节拍、音高、音长、音量、力度、速度和发声时间。

3.2 音乐曲式特征的提取[4]

施特劳斯的圆舞曲多由三部分组成：主体是3～5个小圆舞曲，前面有序奏，最后有尾声。每首圆舞曲有两个主要旋律，用单二部曲式（AB）或单三部曲式（ABA）构成。考虑到这些旋律常常由两个非常相似的乐句组成，采用一种搜索相似旋律的方法分析音乐的曲式结构；同时，为了提高搜索效率和正确率，还兼顾了曲式结构中的和声与节奏特点。

    （1）根据节奏和调性进行初步识别

一首圆舞曲常常由几百个小节组成，因此如果在全曲范围内对旋律进行搜索将会非常费时费力。乐曲节奏和调性的改变常常意味着新段落的出现，这里首先根据这两方面的特征对全曲进行初步划分，为旋律搜索缩小范围，从而提高搜索效率。

（2）利用旋律搜索进行重点识别

为了进一步提高相似旋律的搜索效率，根据古典音乐的特点，作三点假设。第一假设一个完整的乐句由16小节构成，这一假设在很多音乐结构的研究中被采用，并在多数情况下被证明是正确的。第二段设一个乐句的前4小节是全句的重点，这一假设能够用很少的音符表征整个乐句，同时经过检验是完全正确的。第三段设在众多的乐器中，小提琴、长笛、单簧管演奏主旋律的可能性最大，这一假设被证明非常效，它帮助从十几种乐器中迅速地找到主旋律音色，作为旋律搜索的前提。在这三个假设的基础上，还引入一种树状结构“旋律树”，用以记录一段旋律的总体轮廓，从而实现对相似旋律的搜索，如图3。该结构由四层组成：

·第一层代表一段16小节的旋律；

·第二层代表该旋律的前4小节；

·第三层代表每个小节的三个正拍；