计算机音乐制作与数字音频

摘 要： 近年来，随着计算机的快速发展，利用计算机的音乐制作以及数字音频的制作得到了很广泛的应用。分析了现代音乐的创作过程，通过计算机的智能算法作曲功能，详细解释了不同计算机语言在识别音乐时的相关理论基础。同时，在计算机的辅助功能下，让音乐的旋律实现了音乐的二维可视化。最后，根据音乐旋律中的响度特征实现了音乐的自动识别，分析了音乐旋律与计算机的关系，为后续的学者分析提供了相应的参考。

关键词： 计算机; 数字音频; 智能算法; 二维可视化

中图分类号： TG4      文献标志码： A

Computer Musc Producton and Dgtal Audo

L Fan

（College of Musc， Baoj Unversty of Arts And Scences， Baoj 721013）

Abstract： n recent years， wth the rapd development of computers， the use of computer musc producton and dgtal audo producton has been wdely developed. Ths paper analyzes the creatve process of modern musc， and explans the relevant theoretcal bass of dfferent computer languages n recognzng musc through the computer ntellgent functon of composng musc. At the same tme， under the auxlary functon of the computer， the melody of musc realzes the two-dmensonal vsualzaton of musc. Fnally， accordng to the loudness feature n the musc melody， the automatc recognton of musc s realzed， and the relatonshp between musc melody and computer s analyzed， whch provdes a correspondng reference for subsequent scholars' analyss.

Key words： Computer; Dgtal audo; ntellgent algorthms; Two-dmensonal vsualzaton

0 引言

随着科学的快速发展，计算机的应用也变得越来越普遍。基于计算机的數字媒体和音乐创作对人们的生活方式产生了很大的影响，并且这一部分的成果也得到了很多人的认可和应用[1]。现代音乐的创作都是基于传统的音乐基础上加以改造和创新的，音乐在创新的过程中方式是比较单一的。其主要通过旋律、作曲、编曲等方式进行[2]。旋律在音乐的创作过程中是指利用音乐的十二平均律和纯律等进行创作，而作曲和编曲是在旋律的基础上进行的乐曲丰富的过程，其主要是结合了器乐来表现其技法[3]。现代音乐在创作的过程中会呈现多样化的形式，其基本的创作过程如下图1所示。

在计算机快速发展的今天，其对数字音频技术也起到了很大的推进作用。数字音频技术是将模拟得到的声音信号通过特定的方式进行记录、转化和加工处理最终获得连续的模拟信号，以实现不同的声音应用需求。其主要的应用包括：电子音乐设备、广播节目、多媒体的应用等。

国内外针对计算机的音乐创作和数字音频技术都有过相关的研究[4，5]。余心乐等[6]从不同的角度对数字音频广播系统进行了对比研究，结果表明不同的编码率和调制度对最终的声音的配置有一定的影响。胡庆等[7]设计了一款简单的数字音乐盒，通过相应的计算软件和电路元器件，可以实现音乐的基本播放、暂停等功能。姚梦茹等[8]基于快速傅里叶变换算法研究了音频频谱的特性，并设计了一款高效的实时音频频谱分析系统，在使用的过程中提高了调音器的使用作用。

1 计算机智能算法作曲

在计算机智能算法作曲的发展过程中有两种相应的算法：一是随机性的算法作曲;二是确定性的算法作曲[9]。两者相比较：随机性的算法作曲能更加增加乐曲在实际编曲过程中的乐趣。同时，这两种算法的基础都是基于概率分布。

1.1 1/f噪声和音乐

当1/f信号满足下列信号表达式如式（1）。sf=co nstfr

（1）  上式中r=1，f表示的是声音的频率，s（f）函数表示的是功率谱密度[10]。先对收集的信号进行放大处理，，然后对放大的信号进行傅里叶变化可以得到相应的功率谱密度函数。此时的功率谱密度主要在100 Hz～10 kHz，随后对信号进行滤波处理，最终可以得到相应的功率谱密度，进行相应的对数处理就可以得到复合上式的信号函数图像。

1.2 一种典型1/f分型算法

当运用1/f音乐特征进行相应的作曲模仿时，利用随机数字发生器模拟1/f波动[11]。假设B为第个随机的发生器，ak为的二进制表达式，若与-1的相关二进制存在不同的表达方式，则会随机生成（0，1/N）个随机数。B为各个随机数相加的和，则B的表达式为式（2）。B=∑k=Nk=1b·Ak

（2）其中。Ak=若b·ak≠b-1·ak，则random0，1N

0

（3）2 基于计算机的数字音频频谱分析

本文结合NosⅡ系统设计了计算机的数字音频频谱分析系统，其主要的系统构成如下图2所示。

包含相应的ADC模块、LCD模块等，这些模块和NosⅡ系统进行连接，实现完整的控制系统。本系统的设计主要考虑的是利用信号的输入，经过内部的不同转化最终形成所需的音频频谱信号。

本文设计的系统整个结构硬件示意图如下图3所示。

在系统的设计过程中WM8731模块主要的作用是实现系统的信号采集和信号的处理。同时，此模块还能将外部的信号进行A/D的转换，最后将信号传输到系统的主芯片中。在本系统中时钟模块能为系统提供足够稳定、时长的时间信号;电源模块可以提供稳定的电源;JTAG配置模块在系统中的作用主要是起到辅助的功能;LCD显示从字面上可以理解为系统提供直观的显示功能，可以让测试人员更加清晰、直观的感受信号灯额数字频谱。

在本文系统的设计中FPGA编程是整个系统的核心部件，其主要由音频采集模块、音频编码模块、FFO缓冲模块、FFT数据处理模块组成。每个功能的实现都是通过HDL语言进行预先设计实现的。

在本系统中音频采集和编码模块通过特定的时序方式写成WM8731的寄存器。在2S指定模式下，ADC的输出数据会产生特定的时序变化如下图4所示。

当系统中相关有效的数据发生电平变化后会产生位置上的改变。Adclrc是一种可以校准时钟的工具，在此工具下可以判断系统使用的是左声道或者右声道的数据。其判断系统的声道主要是通过输出的电平来反应的，当其输出的是低电平时，则表明系统输出左声道数据。

3 计算机音乐旋律的二维可视化

本文从文本处理的角度考虑了音乐的相关特征，通过记载音乐表现出来的特征音长、响度等，能够提供给用户更加直观的输入方式。为了重点的阐述旋律的可视化，本文从矩阵的方式输入相应的向量，从而给出歌曲旋律的特征和相应的时值矩阵。

3.1 根据音乐的旋律实现音乐的二维可视化

根据特定的两个矩阵来达到音乐二维可视化的效果，如下图5所示。

由于音乐的普遍特性：存在部分的高音和低音[12-13]，本文将所在的坐标进行相应的扩展。

根据传统的音阶普遍表现可以将音阶分为以下不同的两个基调：[1，2，3，4，5，6，7]、[8，9，10，11，12，13，14]，两者分别代表的是基准音阶和高八度的音阶。同理可得[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0]表示的则为低八度的音阶。纵坐标从c到B代表的是从低音到高音的变化顺序。横坐标是根据音乐所播放的时间长度进行划分的，随机的表明了每首歌曲的特征。为了能够增加图表的可视效果，在绘图的过程中增加了纵横的网格。最终绘制而成的多级音高个小节线的旋律可视化图如图6所示。

3.2 旋律中响度特征的自动识别

在分析音乐的响度特征时，可以利用傅里叶分析，其可以对信号的频率特征、频率带宽等相应的参数进行细致的分析[14]。这是因为傅里叶分析方法与传统的时域分析方法不同，可以对时域分析方法进行转换，最终为频率的分析。利用的原理主要是因为任何连续的时域或者信号都能够经过一定的转换变为各种不一样的正弦波的叠加。由于现代的计算机发展的制约性，只能处理有限个离散序列数据，故在计算中使用傅里叶变化的过程中，需要考虑输入数据的量，同时这些量也决定了计算的规模。而快速傅里叶变换能够更快的处理计算的数据，其为傅里叶变换的快速计算方法。

根据傅里叶变换的特性，其可以解析的最高频率为实际采样频率的一半，并且函数傅里叶变换的相应的返回值是以一个特定的频率为轴对称的。在处理信号的过程中，傅里叶变换处理后的频谱图可以对不同的信号采样，正常情况下其取样的点为N/2+1个。绘制的频谱图如图7所示。

从图7中可以看出：x轴的最大频率为FS/2，同时x轴也表示了信号的不同频率成分;y轴为频率的幅值。在本文中，为了能够分析出不同的信号，采样的数据选却了足够大的范围。

由于图7的频谱图表示的太宽泛，对图7进行相应的放大，选取部分的频率区域如图8所示。

通过此方法还能确定音乐响度的音高所在区域。对本文使用的样品音乐进行分析可知：第8456序列号的频率值为312.84 Hz。

4 总结

计算机作为现代科技的发展潮流，其对各行各业的发展都起到了一定的促进作用。本文结合计算机的智能算法作曲功能，从理论上分析了不同计算机语言在识别音乐时的可行性。同时，本文通过对音乐旋律相关特征的提取，可以根据音乐的旋律实现了音乐的二维可视化，提高大众对于音乐的认知水平，也丰富了人们的欣赏方向。

参考文献

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[13] 胡庆，余晨.基于STM32单片机的数字音乐盒设计[J].成都大学学报（自然科学版），2018，37（4）：395-398.

[14] 刘珺，刘君.音乐情感的计算机分析与自动识别技术研究[J].北方音乐，2018，38（9）：220.

（收稿日期： 2019.06.03）

基金项目：宝鸡文理学院校级重点项目（项目编号：ZK2017097）

作者简介：李帆（1989-），女，商洛人，硕士，讲师，研究方向：声乐教学与演唱。  在现代音乐的创作过程中主要分为初步的思想感情的投入，形成一定的律制，然后经过前期的表示、作曲、制作、混音、母带过程，再到音乐实体，最终可以形成不同的音乐表现形式。