基于音型数据库结构的多特征作曲系统设计

毛康 林勇

摘  要： 为解决目前作曲系统存在作曲耗时长、匹配度低等问题，提出基于音型数据库结构的多特征作曲系统设计。首先，通过训练模块、作曲模块、数据库模块和用户界面模块完成对系统的总体框架设计，然后，通过处理器、存储卡、显示器、计算机和音响完成对作曲系统的硬件设计，最后，通过提取数据，对音型结构进行识别，再利用Matlab平台的函数和Java语言程序实现乐曲数据转换和输出，从而实现对作曲系统的软件设计，至此完成基于音型数据库结构的多特征作曲系统设计。实验结果表明，与传统的作曲系统相比，提出的多特征作曲系统的作曲耗时明显减少，匹配度可达到90%以上，表明提出的作曲系统具有更高的有效性。

关键词： 音型数据库; 多特征作曲系统; 系统设计; 作曲耗时; 数据处理; 对比验证

中图分类号： TN919?34; TP311                 文献标识码： A                        文章编号： 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

近年来，随着人们的物质生活水平提高，对精神文化的重视程度不断增加，人们对音乐也投入了更多的关注，越来越多的人开始进行音乐创作。作曲作为音乐创作活动的基础，对于音乐创作具有十分重要的指导作用，将科技与作曲相结合，为作曲带来了新的活力[1]。

目前，常见的作曲技术有修正型粒子群算法[1]、递归神经网络算法[2]、音乐文法[3]和遗传算法[4]等。由于在传统的作曲系统中，仍然存在一些不足，如作曲耗时较长、匹配度较低等。因此，对作曲系统进行创新具有十分重要的意义。

为解决以上存在的问题提出基于音型数据库结构的多特征作曲系统设计。实验结果表明，提出的多特征作曲系统能更有效地完成乐曲的创作。

1  多特征作曲系统设计

1.1  多特征作曲系统的总体框架

基于音型数据库结构的多特征作曲系统的总体框架如图1所示。

基于音型数据库结构的多特征作曲系统包含训练模块、作曲模块、数据库模块和用户界面模块。训练模块又包括三个子模块，分别为训练数据预处理模块、训练数据聚类模块和网络训练模块[5]。

1.2  多特征作曲系统硬件设计

基于音型数据库结构的多特征作曲系统硬件结构图如图2所示。

1） 训练模块

将样本谱例进行收集，通过处理器，将不对稱的数据进行预处理、转换等操作，对收集到的数据进行训练。在对数据进行训练的过程中，将音型收集于音型数据库中。

2） 作曲模块

通过数据串口将作曲模块与数据库模块进行连接，对数据库中的样本的音型数据进行提取，通过串口传输到作曲模块的处理器，处理器先对音型结构进行识别、分割等操作，再通过Matlab平台上的函数以及作曲程序，将存储的数据进行转换，从而使数据以乐曲的形式进行输出。

3） 用户界面模块

用户可以通过显示器查看到作曲系统所作乐曲的具体信息。在该界面中，包括训练模式和作曲模式。在数据训练模块中，将样本谱例通过读入、识别等步骤，对数据进行训练，将训练通过的数据进行存储。在作曲模式中，对网络进行激活，使之产生不同的音乐序列，在界面中输入乐曲时长，可以对乐曲的持续时间进行控制，完成乐曲的创作。通过该界面，可以对作曲系统是否开始工作或是否退出程序进行设置。

由于系统在运行过程中，需要同时启动多个应用程序，基于音型数据库结构的多特征作曲系统硬件的配置要求如表1所示。

1.3  多特征作曲系统软件设计

首先，针对要进行创作的乐曲，在数据库中提取相关的样本谱例的音型信息。对于存储的样本数据在数据库中分布情况，可以将样本数据看作一个点，数据库是一个编码空间，将数据库中存储的数据进行提取时，即任意取出编码空间中的点，将点进行组合，由于点的数量众多，可以任意组合，使其具有多特征的特点。当收集到样本的音型后，先对其采取完全匹配的模式，假如未匹配成功，则采用模糊匹配的方式再重新对其音型进行确定[6]。

表1  系统硬件的配置要求

[配置名称 配置要求 音响设备 /套 1 显示器 /个 1～2 显卡 集成 硬盘 /GB >200 内存 /GB >8 ]

然后，对乐曲的音型结构进行识别。设模仿时值为两拍，包含音符组的格式为三个，在确定模仿结构后，再对乐曲的状态按一定的长度进行分割[7]。假设乐曲的单元长度为R，则对其进行分割的段的数量N计算公式为：

式中：M代表乐曲的时值;T代表音符组的个数;n代表乐曲的段数。通过式（1）可以将乐曲分割成多个段，对每个段的具体情况，确定其音型结构。在完成分割后，将要创作的乐曲与数据库中的音型元结构进行转换，根据实际情况的不同，对其进行灵活设置。

最后，将数据进行输出。在数据输出的过程中，对声音进行合成。基于Matlab平台，使用相关的声音合成技术对声音进行合成[8]。假设一个音可以用一个正弦波进行表示，在不考虑音色的情况下，则系统发出的声音可表示为：

式中：A代表作曲系统发出的声音的响度;ω代表作曲系统发出的声音的频率;t代表作曲系统发出的声音的持续时间。

在提出的作曲系统中，将声音的响度A和持续时间t设置成一个固定值，通过调节声音的频率ω来发出各种声音。在数据库选取一个频率ω为440 Hz的音作为标准音，则作曲系统发出其他音的频率的计算公式如下：

式中，p代表作曲系统发出声音的音高值。将标准音的音高值设置为69，则作曲系统发出声音的频率可以通过式（3）得到。通过式（3）可以对乐曲不同部分的频率进行计算，Matlab平台通过上述函数对数据进行转换，从而对基于音型数据库结构的多特征作曲系统的声音进行合成。然后，通过程序代码，实现对系统中的乐曲的输出。利用Java语言程序对作曲程序的开放源代码进行输出[9?10]，部分代码如下：

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"）

通过上述程序设计，对音型数据库中的音型等乐曲信息进行输出，将乐曲的基本信息显示在用户界面，用户再通过界面对乐曲进行控制。

2  实  验

为验证提出的基于音型数据库结构的多特征作曲系统的有效性，与传统的作曲系统进行对比实驗。

2.1  实验过程

首先，采用两个作曲系统同时进行10段乐曲的创作，对两个作曲系统的作曲耗时进行比较。然后，针对同样的8个样本，分别采用两个作曲系统对样本进行模仿作曲，验证其与样本的匹配度。

2.2  实验结果分析

对两个作曲系统的作曲耗时的对比结果如表2所示。

从表2中可以看出，在几段乐曲中，乐曲2比较有难度，两个作曲系统需要的时间都相对较长，采用传统的作曲系统，其作曲耗时为51 min，采用提出的作曲系统，其作曲耗时为10 min。综合10段乐曲的作曲时间来看，采用传统的作曲系统，其作曲耗时时间较长，而采用提出的作曲系统，由于以音型数据库结构作为基础，其作曲耗时明显缩短。对两个作曲系统的匹配度的对比结果如图3所示。

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

3  结  语

针对传统的作曲系统存在的作曲耗时长、匹配度低等缺点，提出基于音型数据库结构的多特征作曲系统设计。通过对其进行硬件设计和软件设计，完成基于音型数据库结构的多特征作曲系统设计，并通过实验与传统的作曲系统进行对比。实验结果表明，采用提出的基于音型数据库结构的多特征作曲系统，其作曲耗时较少，匹配度更高，说明提出的基于音型数据库结构的多特征作曲系统具有更高的有效性，能够更好地完成作曲，希望其能够得到广泛的应用。

参考文献

[1] 崔峰.基于修正型粒子群算法的智能音乐作曲研究[J].山东农业大学学报（自然科学版），2017，48（6）：922?925.

[2] 骆天天.传统作曲与电子音乐作曲观念及技法比较研究[J].北方音乐，2016，36（2）：160.

[3] 郭衡泽，汪镭.交互式遗传算法智能作曲系统设计[J].微型电脑应用，2017，33（2）：10?13.

[4] 唐军.计算机作曲中存在的问题及对策分析[J].北方音乐，2017，37（3）：196.

[5] 森彦莹.计算机作曲中存在的问题及对策分析[J].黄河之声，2017（19）：65.

[6] 杨一伦，韩晴.试论作曲技术理论在民族音乐中的相关应用[J].黄河之声，2019（10）：40?41.

[7] 毛康，林勇.传统作曲与电子音乐作曲比较[J].戏剧之家，2019，45（18）：42?43.

[8] 杨天成.浅析传统音乐中的作曲技术[J].中国民族博览，2019（4）：137?138.

[9] 王鹏凯.十二音作曲技法与民族特色的融合：以《涉江采芙蓉》为例[J].黄河之声，2019（6）：53.

[10] 任红军，石璞赫.电子音乐技术手段的探索与应用[J].艺术教育，2019，12（5）：78?79.