基于音乐特征识别的喷泉控制系统研究

宁兆卿

(商洛学院 艺术学院， 商洛 726000)

0 引言

近年来，随着经济的快速发展，人民生活水平不断提高，生活环境，艺术熏陶，精神建设也不断完善，尤其是居住环境和对旅游景点的更高期望。目前，水景已经成为生活中不可或缺的视觉享受，音乐喷泉也成为很多生活小区和旅游地区吸引人的热点。音乐喷泉是一个逼真的人造景观，将水，灯光和音乐的变化与周围环境(建筑，花园)相结合。创造各种风格，风格各异的艺术风格，给人们带来无尽的视听享受，如杭州西湖音乐喷泉，西安音乐喷泉广场，古北水乡音乐喷泉等。此外，音乐喷泉还具有空间分离，美化生活环境和净化空气的功能。结合水，音乐和灯光，呈现美丽，有趣和美丽的艺术体验[1,2]。

目前在音乐喷泉方面，世界上最先进的分布式WINSOWSNT为主，计算机控制系统由于具有先进，开放，实用，安全等五大特点，被一些公司广泛采用。一些音乐喷泉的计算机辅助设计系统和音乐喷泉控制器也已出现,如图1所示。

从以上描述可以看出，音乐喷泉系统发展的速度很快、形势很好、前景非常乐观，因此对于音乐喷泉的开发与研究具有很大的经济效益和社会效益。

1 国内外研究现状

所谓的音乐喷泉是指利用音乐的各种特性(旋律，节拍，和声等)来控制喷泉泵的运行组合和速度变化。以及灯光的组合变化的喷泉。一个好的音乐喷泉可以立即将水柱变化的视觉感知与音乐的聆听体验融为一体，创造出完美的环境艺术效果。当前计算机软硬件技术的快速发展，新型的音乐喷泉与计算机的交互式应用也更加广泛，音乐喷泉也越来越复杂，越来越完备，使得更多的控制电路需要计算机来完成。

图1 喷泉实际效果图

因此，使用计算机来控制音乐彩灯喷泉成为必然的趋势。但至今一些小型喷泉工程还存在不少技术上的困难，大概表现为明显的声音与喷泉彩灯不能同步、控制部分滞后、成本昂贵等问题[3,4,5]。

1.1 国内研究现状

目前，我国的大型的音乐喷泉技术已逐渐成熟，并且向智能、分散、综合、多样的方向发展，于是对喷泉系统的设计也提出了更高的要求。王彩霞和储健[6]通过研究提出了一种基于蓝牙技术的音乐喷泉控制系统的设计方案，他们通过蓝牙模块实现音乐喷泉和手机App的通信，采用ADC0832将手机传输的音乐从模拟量转换为数字量，用单片机串口将音乐数据传递给独特的蓝牙模块，从而完成数据的无线转发，实现对音乐和水柱大小等的控制和实时显示。李飞和张冬梅[7]等以STC12C5A60S2单片机为核心的一个单片机控制系统设计完成音乐小型喷泉，整个系统的构成为：由声音控制传感器和继电器模块组成的输入电路、时钟电路、复位电路，及交流电源等硬件电路组成。单片机利用声控传感器接收音频信号，转化后的信号输出给单片机处理后再输出给各执行电路。段春霞[8]利用花样喷泉作为研究对象，以S7-200 系列PLC CPU226CN 为控制器，设计了控制系统的控制程序，达到了花样喷泉的控制系统要求。通过使用组态软件对程序进行喷泉画面仿真模拟与监控，实现了控制系统的状态监控。王选诚和苏凤[9]等设计了一种音乐喷泉控制系统。通过采集电路采集音频信号，经过A/D 转换器将采集到的模拟信号转换成数字信号，利用AT89C51 单片机的输出来控制可控硅交流调压电路的控制信号，从而控制水泵的转速。水的喷射形状和灯光变化由电磁阀控制，而电磁阀则通过系统程序来控制。党丽峰和左文艳[10]等采用 STC12C5A60S2 单片机作为处理器，设计出一种可以手动和自动模式运行的喷泉控制系统。自动模式下，系统可以通过统计游客数量，智能选择不同花样进行喷射的控制系统，增加了喷泉的花样喷射，避免了传统喷泉的呆板以及水资源浪费。

1.2 国外研究现状

Horn Fonteles, J.[11]提出了一个三维粒子系统和一个映射算法，以此生成实时动画的虚拟发射器喷泉音乐。同时使用演示系统的主要方面诠释其功能和可行性。特别是,他们的研究显示,可以识别不同的视觉模式相匹配的主题音乐作品为例,说明该系统不仅可以用于视觉欣赏和娱乐,但也作为音乐感知的支持工具和组成。 此外,他们与用户评价系统进行了研究。结果显示强劲的音乐术语的感知和视觉之间的关系属性,除了提供积极的和有用的反馈生成的动画的有效性。Seung-Min Park[12]使用打跟踪算法,优化音乐表现提出了智能喷泉系统。 同时,我们提出了新的分类的音乐流派音乐喷泉的减少维护成本。我们只是标签的情感的形容词,如中分离出来,成为一种体裁的音乐是评审鉴定。 摘要新定义标准分类类型,svm(支持向量机)算法,应用高斯分布的权重来确定最优超平面,vcm (Variance-Considered机器)算法。 提出了使用这个系统来生成一个音乐喷泉场景可以显著减少所需的时间,可以显著减少成本。Qi Wang[13]提出一个方法来自动运动生成的三维弹簧模型与音乐。 因素可以从MIDI音乐(乐器数字接口)文件。而不是直接设计和计算对象的动画,一系列动作控制器,可以完成一组运动受音乐影响因素,通过合成算法是自动生成的。 开发了一个原型系统进行评估和确认,用户相对满意的音乐相关运动视图生成完整的抽象。

2 音乐识别技术

2.1 音乐的基本性质

声音具有4个特征：音高，长度，强度和音调，它们分别与声体振动的频率和持续时间有关。物理量如振幅和光谱分布对应于一段音乐的3个基本元素：旋律，节奏和和声。同时，基本音乐理论包括音符，长度，音高，音量(力)，音调，名称，基频(主频)，节拍，节奏和速度。探测仪器大致可分为两类：管和弦。管状乐器的声音原理是利用管道中空气的振动，弦乐器是弦本身的振动。如图2所示。

图2 音乐特征的组成

2.2 音乐的识别

音乐识别的方法主要是基于短期频域分析的识别方法。信号的时域分析是分析和提取音乐信号的时域参数。短时自相关函数主要用于估计音乐信号音符的基频，短时能量和短时过零率用于音乐片段的检测。而短时平均幅度用于音符力度的识别。如图3所示。

图3 乐曲时域波形

音乐喷泉的模拟输出主要是指变频器控制。交流异步电动机有3种速度控制方法：可变极速调节，差速调节和频率控制。变频调速的使用不仅可以实现电机的无级调速，还可以根据负载的特性调整电压与频率的关系。电机始终可以在高效区域运行，并保证良好的动态特性。音乐信号识别包括：①音乐信号的数字化和预处理。②音乐信号的时、频域分析。具体步骤包括：音乐信号预处理，鼓点识别，旋律音调识别和速度识别。在提取音乐信号的特征元素之后，将它们应用于喷泉控制系统[14,15]。

3 控制原理及方式

3.1 音乐喷泉的内涵

喷泉是水或其他液体的组合，其具有在压力下喷射特定形状。总体来说，喷泉景观可以分为两大类：一类是根据当地情况或根据现场的地形结构，天然景观形成的水景，如壁泉，泉水，雾泉，管道流，溪流，瀑布，水幕，水滴，水波，漩涡等；另一种完全依赖于人造景观的喷泉设备形成的水景。如程控喷泉，摇摆喷泉，流水喷泉，明亮的喷泉，游乐喷泉，超高喷泉，舞台幕布，激光水幕电影等。本文主要阐述的音乐喷泉属于上述喷泉分类中的第二类水景，它通过将不同音乐的旋律音高、力度、鼓点节拍、乐曲旋律和音频的强弱程度等等音乐特征转化为不同的信息送进计算机，计算机通过编制好的程序实现对音乐信号的特征识别，分析找出音乐的旋律、节拍等特征风格，再根据事先编制好的水型基本表演程序库，结合分析出来的音乐特征，输出各种开关量、模拟量控制信号至执行机构(变频器、电磁阀、彩灯、接触器)以实现喷泉造型随音乐变化而变化。音乐喷泉是一个逼真的人造景观，用周围的设施改变水，光和音乐。环境(建筑和花园)的结合营造出各种变化和风格的氛围，给人无尽的视听享受。此外，音乐喷泉还具有空间分离，美化生活环境和净化空气的作用[16,17]。

3.2 音乐喷泉的种类

音乐喷泉分为普通音乐喷泉、泄水型音乐喷泉和给水型音乐喷泉。

普通的音乐喷泉系统主要由音频控制系统、水路控制系统、灯光控制系统、电气控制系统四大系统构成。水路控制系统主要由喷泉控制器，变频器，水泵，多功能调节阀，喷嘴和供水管网组成;照明控制系统包括各种灯，照明控制软件系统，照明控制回路系统等。电气控制系统包括弱电控制回路，高功率系统，泵，喷嘴和其他硬件[18]。

3.3 音乐喷泉的控制系统及方式

控制系统的原理是通过集成控制芯片中的汇编器对A / D转换的音频信号进行采样和处理。分级控制单相电动机，最后实现控制喷嘴流量的方法。模式由程序控制或手动按钮控制以控制模式。音频信号还用于控制灯光的颜色以及亮度和暗度的变化，以便照明效果和喷泉的水随着音乐的节奏而变化。音乐喷泉是一个综合的水景，由不同的形状，不同的颜色和音乐节奏组成，通过计算机控制的声，光和喷嘴组合[19,20]。如图4所示。

图4 音乐喷泉控制系统原理图

4 总结

伴随计算机软硬件技术和现代控制技术的飞跃发展，以现代高科技为基础设计的新型音乐喷泉层出不穷。与此同时，音乐喷泉的种类和样式也百花齐放。当今时代，电脑自动识别信号，音乐喷泉的智能控制已成为未来喷泉的主攻方向。本文首先深入地对音乐的基本知识进行了解析，同时根据乐曲的音乐特征和物理特征，对音乐的基本特征进行了研究。通过对音乐、音乐的识别和音乐喷泉控制系统的基本原理的详细分析和阐述，进而对音乐喷泉进行了更加科学且紧密的研究。现代喷泉工程和计算机技术的融合为高端音乐喷泉的诞生奠定了坚实的基础。在高新技术的发展成果中，智能控制和变频调速等高端科技在喷泉控制领域中，具有不可取代的地位。现代音乐喷泉通过众多的高新技术，使得喷泉的景观效果独一无二，给人带来无与伦比的快感，也为人们的生活带了乐趣，同时也为音乐喷泉以后的发展奠定了基础。