一种音乐合成方法及装置的制作方法

专利名称：：一种音乐合成方法及装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及计算机信息处理
技术领域：
，尤其涉及一种音乐合成方法及装置。
背景技术：
：目前，电子乐器已经逐渐兴起，最早是电子琴，后来逐渐出现了其它更多的电子乐器。由于电子乐器比传统乐器更容易掌握，并且可以演奏出各种不同的音色，因此受到广大用户的青睐。吹奏类乐器是乐器的一种，一般的吹奏乐器由带孔的管子组成。吹奏类乐器一般需要演奏者一边用气息控制音乐的节奏和强度，一边要运用一定的指法来控制音高。吹奏类乐器一4殳包括下列表一所示的几种乐器:中国民族乐器西方乐器*笙*横笛*声笙*单簧管*笛*双簧管*管子*低音笛*巴乌*萨克斯管*唢响*小号*箫*圆号*埙*口风琴表l计算机目前已经得到广泛应用，现有技术已经能够实现在计算机上演奏电子琴，不仅能够带来极大的乐趣，而且可以使用户熟悉该乐器的音色以及演奏方法。然而，由于吹奏类乐器的演奏与人的气息相关，因此目前还不能够在计算机上实现吹奏类乐器的演奏。
发明内容本发明实施例提供了一种音乐合成方法及装置，用以通过计算机实现吹奏类乐器的音乐合成，从而通过计算机可以实现吹奏类乐器的演奏。本发明实施例提供的一种音乐合成方法包括通过将用户气息信号的能量包络与预先设定的阈值进行比较，确定该用户气息信号的状态；并且，根据预先设置的音符按^:的值与音符的对应关系，确定用户选择的音符按键的值所对应的音符；利用用户选择的音符按^:的值所对应的音符，并通过用户气息信号的状态控制合成音乐。本发明实施例提供的一种音乐合成装置包括气息状态确定单元，用于通过将用户气息信号的能量包络与预先设定的阈值进行比较，确定该用户气息信号的状态；音符确定单元，用于根据预先设置的音符按^:的值与音符的对应关系，确定用户选择的音符按4建的值所对应的音符；合成单元，用于利用用户选择的音符按—建的值所对应的音符，并通过用户气息信号的状态控制合成音乐。本发明实施例，通过将用户气息信号的能量包络与预先设定的阚值进行比较，确定该用户气息信号的状态；并且，根据预先设置的音符按键的值与音符的对应关系，确定用户选择的音符^l建的值所对应的音符；利用用户选择的音符按键的值所对应的音符，并通过用户气息信号的状态控制合成音乐，从而通过计算机实现了吹奏类乐器的音乐合成，使得通过计算机可以实现吹奏类乐器的演奏，给用户带来了更多乐趣，满足了用户更多需求，使用户熟悉更多乐器的音色以及演奏方法。图1为本发明实施例提供的用于演奏吹奏类乐器的计算机系统的结构示意图2为本发明实施例提供的一种音乐合成装置的结构示意图3为本发明实施例提供的用户气息信号的能量示意图4为本发明实施例提供的能量包络判决结果示意图5为本发明实施例提供的改进了高音保持的能量包络判决结果示意图6为本发明实施例提供的采用过零率检测后的能量包络判决结果示意图7为本发明实施例提供的用户设置界面示意图8为本发明实施例提供的一种音乐合成方法的流程示意图。具体实施例方式本发明实施例提供了一种音乐合成方法及装置，用以通过计算机实现吹奏类乐器的音乐合成，从而通过计算机可以实现吹奏类乐器的演奏。本发明实施例提供的用于实现吹奏类乐器演奏的计算机系统如图1所示，将麦克风作为气息采集设备，通过键盘实现音符和声音效果的选择，通过计算机内部的音乐合成装置控制音色，并结合音色、气息、音符和声音效果等信息合成电子音乐，并通过扬声器播放该电子音乐。参见图2，本发明实施例提供的音乐合成装置包括气息状态确定单元11,用于通过将用户气息信号的能量包络与预先设定的阈值进行比较，确定该用户气息信号的状态。音符确定单元12,用于根据预先设置的音符按键的值与音符的对应关系，确定用户选择的音符按键的值所对应的音符。合成单元13,用于通过用户气息信号的状态、用户选择的音符##的值所对应的音符，以及用户预先选择的音色，合成音乐。较佳地，该装置还包括演奏模式确定单元14,用于确定用户选择的演奏模式。音符控制单元15,用于确定用户选择的演奏才莫式所对应的音符控制4建的值。本发明实施例中，预先设置两种不同的演奏模式供用户选择，分别为业余模式和专业模式。并且还预先设置了音符控制键，如键盘上的"Shift"键等，不同的演奏模式对应了该音符控制键的不同功能，在用户选择的演奏模式为业余模式时，音符控制键为八度键，即音符控制键的值为用于控制音符为高八度或低八度的值；在用户选择的演奏模式为专业模式时，音符控制键为颤音键，即音符控制键的值为用于控制音符是否颤音的值。例如，可以预先设置在演奏模式为业余模式时，用户没有按下音符控制键时，通过键盘选择的音符为低八度的音符，如果按下音符控制键，则通过键盘选择的音符为高八度的音符。同理，可以预先设置在演奏模式为专业模式时，用户没有按下音符控制键时，通过键盘选择的音符为正常的音符，如果4妄下音符控制键，则通过键盘选择的音符会发生颤音。因此，较佳地，所述合成单元13,利用用户选择的音符按键的值所对应的音符，并通过用户气息信号的状态和音符控制键的值，控制合成音乐。本发明实施例中提供的音乐合成装置，可以合成不同音色的音乐，即预先设置有多种音色供用户选择。因此，较佳地，该装置还包括音色确定单元16,用于确定用户预先选择的音色。所述合成单元13,利用用户选择的音符按键的值所对应的音符，并通过用户气息信号的状态和音符控制键的值，控制合成具有用户预先选择的音色的音乐。下面对气息状态确定单元11的工作原理进行详细说明。本发明实施例的气息状态确定单元11,在演奏模式为业余模式时，确定用户气息信号的状态为无气息状态或有气息状态；在演奏才莫式为专业模式时，确定用户气息信号的状态为无气息状态、高八度状态或低八度状态。也就是说，当用户选择了业余模式时，说明该用户还不能很好地通过气息的强弱来控制高、低八度的切换，因此，气息状态确定单元11仅需要检测出气息的有无即可，至于高、低八度的切换则通过键盘上的音符控制键来完成。而对于专业的用户，则可以选择专业模式，该类用户可以通过气息的强弱来控制高、低八度的切换，因此，气息状态确定单元ll,不仅需要检测出气息的有无，还要在有气息的情况下，进一步判断出气息处于高八度状态还是低八度状态。用户气息是通过麦克风采集的，例如通过API函数中的气息采集函数，就可以抽取出用户气息的数字信号。然后，对用户气息信号的强弱进行分析。首先，用户气息信号需要经过去直流滤波器(DCRemove)进行去直流处理，即消除用户气息信号中的直流信号。因为，较大的直流偏置会对后续的能量包络检测和过零率检测造成较大影响，因此需要设计较好的去直流滤波器。本发明实施例中的去直流滤波器可以采用2阶无限冲击响应(IIR，InfiniteImpulseResponse)高通滤波器，截止频率可以为80Hz。例如，釆集到的用户气息信号的波形如图3所示，前一半波形表示用户气息较弱，可以判定为低八度状态(可以用1标识)，后一半波形表示用户气息较强，可以判定为高八度状态(可以用2标识)，中间波形表示用户气息信号为无气息状态(可以用0标识)。然后，对用户气息信号分别进行能量包络检测计算用户气息信号的能量，采用的公式如下Eng(i)=sig(i)*sig(i),i=0—L-l其中，Eng表示能量，sig表示信号，L表示一帧信号的长度，i表示采样点。得到了示i采样点用户气息信号的能量Eng(i)之后，利用Eng(i)分别通过下列公式提取能量包络9Tmp=r附p*or+￡>g(/)*(1—ar)Eng_p(i)=Tmp其中，Engj(i)表示i采样点用户气息信号的能量包络，"表示能量包络平滑因子，0《"1。本发明实施例考虑到用户气息的特点，对用户气息信号的能量包络的^是取进行改进，预先为用户气息信号的上升(增强)过程和下降(减弱)过程分別设置不同的能量包络平滑因子。即如果Eng(i)〉Tmp,贝'J:r附/=r附;？*or+五wg(/)*(1_or)如果Eng(i)^Tmp,贝'J:Tmp=*-+*(1-〃)本发明实施例为了加强用户气息的保持效果，可以采用快升慢降的原则，即设置"<"。最后，本发明实施例将得到的每一帧中各个采样点的用户气息信号的能量包络取平均值，作为该帧用户气息信号的能量包络的值Eng一avg,即Eng_avg=(Eng』(0)+..,+Eng』(L-l))/L较佳地，对于每一帧用户气息信号，气息状态确定单元11确定其状态的操作具体包括将该帧用户气息信号的能量包络与预先设定的第一阈值和第二阈值进行比较，其中第一阈值小于第二阈值；若该帧用户气息信号的能量包络小于第一阈值，则确定该帧用户气息信号的状态为无气息状态；若该帧用户气息信号的能量包络大于第二阈值，则确定该帧用户气息信号处于高八度状态；若该帧用户气息信号的能量包络大于或等于第一阈值，并且小于或等于第二阈值，则确定该帧用户气息信号处于低八度状态。具体地，可以根据试验数据设定第一阈值和第二阈值，假设第一阈值用ThresholdL表示，第二阈值用ThresholdH表示，Eng一avg表示当前帧确定的用户气息信号的能量包络，贝'J:如果Eng一avg〈ThresholdL，则判定当前帧处于无气息状态，即用户没有对气息采集设备吹气，可以用0表示。如果Eng—avg>ThresholdH，则判定当前帧的用户气息信号处于高八度状态，可以用2表示。如杲ThresholdI^Eng_avgsThresholdH,则判定当前帧的用户气息信号处于低八度状态，可以用l表示。例如，通过能量包络对图3所示的用户气息信号进行判断的结果如图4所示，从图4的判决结果可以看到，虽然可以准确区分用户气息的低八度状态和无气息状态，但是高八度状态中有很多采样点的用户气息被判定为了低八度状态，造成这种错误的原因是用户气息信号的波形都是一个由低到高，再到低的渐变的过程，相当于正弦波的波形变化趋势，因此对于高八度状态的用户气息，虽然信号很强，但是在气息开始和结束的时候，能量都比较低，因此很容易误判为低八度状态的气息。为了解决这个问题，本发明实施例提出了一种增加高音保持的算法，即如果当前已经将用户气息判定为高八度状态的气息，则后续气息的能量包络只要能超过4交低的第一阈值，则继续将该气息判定为高八度状态的气息。因此，较佳地，若当前帧的前一帧用户气息信号处于高八度状态，并且当前帧用户气息信号的能量包络大于或等于第一阈值，则确定当前帧用户气息信号处于高八度状态。也就是说，若当前帧的用户气息信号的能量包络大于或等于第一阈值，并且当前帧的前一帧用户气息信号处于高八度气息信号，则即使当前帧的用户气息信号的能量包络小于或等于第二阔值，也判定当前帧用户气息信号处于高八度状态。采用了高音保持算法后的判决结果如图5所示，通过比较图4和图5可以看出，采用了高音保持算法后的判决结果更加准确了。然而，从图5可以看出，对于高八度气息的判决，在波形的中部和尾部都完全正确，但是在开始的一段时间内仍然将气息错判为低八度气息。因此，本发明实施例进一步采用另一个参数，即过零率来进行辅助判决。所谓过零率，是指信号穿越0点的次数。如果气息越快，则信号越强，即能量包络越大，对应的过零率越高；反之越低。也就是说，高八度气息信号的过零率要高于低八度气息信号的过零率。4交佳地，采用过零率对用户气息信号的状态判决，只应用在4全测到存在用户气息的前几帧进行判决，后续的判决可以通过上述能量包络的判决方法执行。因此，本发明实施例中，对于初始的前若干帧(具体的帧数，可以根据实际需要进行设置)用户气息信号，检测能量包络大于或等于第一阈值的每一帧用户气息信号的过零率；如果该帧用户气息信号的过零率大于预先设置的过零率阈值时，则确定该帧用户气息信号处于高八度状态；否则，确定该帧用户气息信号处于低八度状态。例如，假设令过零率表示为ZTR,ZTR的值可以通过下列公式计算得到如果sig(i)*sig(i+l)<0,则ZTR=ZTR+1。即如杲连续两个采样点的用户气息信号相乘小于零，则表示用户气息信号对应的波形穿越了一次零点，因此需要对ZTR加1。假设预先设置的过零率阈值为ThresholdZ,则如果ZTR>ThresholdZ,则确定当前采样点的用户气息信号处于高八度状态；如果ZTR《ThresholdZ,则确定当前采样点的用户气息信号处于为低八度状态。采用了过零率对用户气息信号的状态进^^判决后的判决结果如图6所示，由图6可见，用户气息信号状态的判决结果非常准确。关于指法输入方面，预先设置键盘上特定几个音符4建与音符的对应关系，例如，可以设置数字键l、2、3、4、5、6、7分别对应do、re、mi、fa、so、la、si。进一步，在业余模式下，左右Shift键为八度键，用来控制每个音符的高低八度，即同一个音符高音和低音的切换。演奏的时候，吹奏人按下某音符12键的同时按下八度^ft,则选择了该音符键所对应的音符的高八度的音阶，如果没有按下八度键则为低八度的音.阶，此设计主要针对初学者或者年龄较小气息不足的演奏者，使他们也能自如地调整音符的高低音变化。在专业模式下，高低八度由演奏人的气息来控制，即模拟真实乐器的演奏方法，左右Shift键此时为颤音键，它可以为每个音符加入颤音效果，使演奏效果更加真实。当然，在业余模式下，除了八度键也可以设置颤音控制键。本发明实施例所述的合成单元13，可以是Midi音乐合成器，根据气息检测以及键盘检测所得到的参数，按照指定音色来合成Midi音乐。其中，音色合成部分主要调用以下几个windowsapi函数首先，在音乐合成准备期间打开一个Midi输出设备(即调用Midi合成器)，即调用midiOutOpen函数midiOutOpen(PHMIDIOUTlphMidiOut,{用于返回设备句柄的指针，之后再调用其他函数应该使用这个句柄}UINTuDeviceID,(Midi输出设备标识(ID)}DWORDdwCallback,{回调函数地址或窗口句柄}DWORDdwlnstance,{给回调函数的实例数据}DWORDdwFlags，.{打开回调选项});如果midiOutOpen函数调用成功，则函数返回0。一旦打开一个Midi输出设备并获得了其设备句柄指针之后，就可以向该Midi输出设备发送Midi信息，此时调用midiOutShortMsg函数midiOutShortMsg(HMIDIOUThmo，{midiOutOpen获得的句柄指针}DWORDdwMsg{Midi格式信息}Midi文件是由若干Midi信息所组成的。Midi信息的种类不同，构成Midi信息的字节数也不同。但是，每一种类的Midi信息的第一个字节都是用于表示该Midi信息种类的字节，称为状态字节。其中，状态字节的大小如果位于0x80至0xEF范围之间，则状态字节所表示的信息与音乐的合成最为密切，因此称其为音乐信息。音乐信息由8位二进制数组成，可以4巴其分成前后两个4位，即高位和低位，高位表示Midi信息的类型，低位表示Midi信息所操作的通道的序号，本发明实施例中所使用的音乐信息可以包括以下儿种8(停止发音)、9(开始发音)、A(按键压力设置)、B(控制器设置)、C(音色调节)、D(通道压力设置)、E(弯音轮设置)。例如状态字节0x80，高四位的十进制数8表示停止发音，低四位O表示对第一个通道进行操作，因此整个0x80就是表示令第一个通道停止发出声音。在Ox卯到0x9f范围之间的音乐信息，表示播放指定的音符，该部分信息由三个字节组成，分别用于表示音乐信息的种类、音符号码以及声音响度。Midi合成器可合成的音符数共128个，编号从0至127,例如，中央C(频率为256赫兹的音高，唱名为"do")可以是第60号。本发明实施例中，可以默认中央C为低八度的"do"，则音符按键与Midi音符编号的对应关系如下面的表2和表3所示<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>上述表2中的Midi音符编号60、62、64、65、67、69、71，分别对应低八度的音符do、re、mi、fa、so、la、si。上述表3中的Midi音符编号72、74、76、77、79、81、83，分别对应高八度的音符do、re、mi、fa、so、la、si。声音的响度范围也是从0至127，其中0表示没有发声，127表示声音最大。大小在0x80到0x8f范围之间的音乐信息，表示关闭指定的音符，结构和播放特定音符的Midi信息相同。大小在OxcO到Oxcf范围之间的音乐信息，表示音色的切换，由两个字节组成，第一个字节表示音乐信息的种类，后面的字节表示乐器的序号，Midi合成器共包括128种乐器，比如l表示钢琴，41表示小提琴，75表示长笛等等。大小在OxbO到Oxbf范围之间的音乐信息，表示音乐合成中的控制器选择设置，如颤音的设置，音乐的渐变等等，该信息由三个字节组成，第一个字节表示音乐信息的种类，第二个字节表示控制器的名称，第三个字节表示控制器参数。当结束音色合成时，要关闭Midi输出设备，即调用函数midiOutClose(画diOut)。本发明实施例向用户提供的设置界面如图7所示，在用户通过计算机演奏吹奏类电子乐器时，用户首先要进行参数设置，按照界面从上到下的排列顺序依次为伴奏的打开与关闭，演奏方式选择和音色选择。本发明实施例还可以提供类似卡拉OK的伴奏效果，即通过选择了伴奏选项，则用户可以在预先设定的伴奏音乐下进行演奏。对于初学者，可以使用业余模式，即使用shift键进行音符的高低八度控制，经过适当的练习之后即可采用专业模式，此时还可以使用shift键控制颤音效果。另外，多种音色的选择，还可以让用户尝试不同的音乐效果。参数设置完成之后，就可以点击启动键进行演奏了，进一步，在演奏的同时还可以通过显示的音量条查看气息的强弱。参见图8，本发明实施例提供的一种音乐合成方法包括步骤5101、通过将用户气息信号的能量包络与预先设定的阈值进行比较，确定该用户气息信号的状态；并且，根据预先设置的音符^lt的值与音符的对应关系，确定用户选择的音符按键的值所对应的音符。5102、利用用户选择的音符按4建的值所对应的音符，并通过用户气息信号的状态控制合成音乐。较佳地，步骤S102包括确定用户预先选择的音色，以及音符控制键的值；利用用户选择的音符按键的值所对应的音符，并通过用户气息信号的状态和音符控制键的值，控制合成具有用户预先选择的音色的音乐。其中，确定音符控制键的值的步骤包括确定用户选择的演奏模式，其中，所述演奏模式为业余模式或专业模式；根据预先设置的演奏模式与音符控制键的值对应关系，确定用户选择的演奏模式所对应的音符控制键的值。用户气息信号的状态，在不同的演奏模式下所起到的作用是不同的。当所述演奏模式为业余模式时，音符控制键的值为用于控制音符为高八度或低八度的值；用户气息信号的状态为无气息状态或有气息状态，在无气息状态时，则不读耳又音符，即不发出声音，而在有气息状态时，则正常读取音符。当所述演奏模式为专业模式时，音符控制键的值为用于控制音符是否颤音的值；用户气息信号的状态为无气息状态、高八度状态或低八度状态，在无气息状态时，不读取音符，而在高八度状态时，则读取高八度的音符，在低八度状态时，则读取低八度的音符。本发明实施例，通过将用户气息信号的能量包络与预先设定的阈值进行比较，确定该用户气息信号的状态；并且，根据预先设置的音符按4定的值与音符的对应关系，确定用户选择的音符按4建的值所对应的音符；利用用户选择的音16符按键的值所对应的音符，并通过用户气息信号的状态控制合成音乐，从而通过计算机实现了吹奏类乐器的音乐合成，使得通过计算机可以实现吹奏类乐器的演奏，给用户带来了更多乐趣，满足了用户更多需求，使用户熟悉更多乐器的音色以及演奏方法。明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。权利要求1、一种音乐合成方法，其特征在于，该方法包括通过将用户气息信号的能量包络与预先设定的阈值进行比较，确定该用户气息信号的状态；并且，根据预先设置的音符按键的值与音符的对应关系，确定用户选择的音符按键的值所对应的音符；利用用户选择的音符按键的值所对应的音符，并通过用户气息信号的状态控制合成音乐。2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用用户选择的音符按键的值所对应的音符，并通过用户气息信号的状态控制合成音乐的步骤包括确定用户预先选择的音色，以及音符控制键的值；利用用户选择的音符按键的值所对应的音符，并通过用户气息信号的状态和音符控制键的值，控制合成具有用户预先选择的音色的音乐。3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定所述音符控制键的值的步骤包括确定用户选择的演奏才莫式，其中，所述演奏模式为业余模式或专业才莫式；根据预先设置的演奏模式与音符控制4建的值对应关系，确定用户选择的演奏模式所对应的音符控制键的值。4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述演奏模式为业余模式时，所述音符控制键的值为用于控制音符为高八度或低八度的值；当所述演奏模式为专业模式时，所述音符控制4定的值为用于控制音符是否颤音的值。5、根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，当所述演奏^t式为业余模式时，所述用户气息信号的状态为无气息状态或有气息状态；当所述演奏模式为专业才莫式时，所述用户气息信号的状态为无气息状态、高八度状态或低八度状态。6、一种音乐合成装置，其特征在于，所述装置包括气息状态确定单元，用于通过将用户气息信号的能量包络与预先设定的阈值进行比较，确定该用户气息信号的状态；音符确定单元，用于根据预先设置的音符按键的值与音符的对应关系，确定用户选择的音符按键的值所对应的音符；合成单元，用于利用用户选择的音符按键的值所对应的音符，并通过用户气息信号的状态控制合成音乐。7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，该装置还包括演奏^:莫式确定单元，用于确定用户选择的演奏才莫式，其中，所述演奏^^式为业余模式或专业模式；音符控制单元，用于确定用户选择的演奏模式所对应的音符控制键的值；所述合成单元，利用用户选择的音符按^t的值所对应的音符，并通过用户气息信号的状态和音符控制键的值，控制合成音乐。8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，该装置还包括音色确定单元，用于确定用户预先选择的音色；所述合成单元，利用用户选择的音符按键的值所对应的音符，并通过用户气息信号的状态和音符控制键的值，控制合成具有用户预先选择的音色的音乐。9、根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述音符控制单元，在所述演奏模式为业余冲莫式时，确定所述音符控制4建的值为用于控制音符为高八度或低八度的值；在所述演奏模式为专业模式时，确定所述音符控制键的值为用于控制音符是否颤音的值。10、根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述气息状态确定单元，在所述演奏模式为业余模式时，确定所述用户气息信号的状态为无气息状态或有气息状态；在所述演奏模式为专业模式时，确定所述用户气息信号的状态为无气息状态、高八度状态或低八度状态。全文摘要本发明公开了一种音乐合成方法及装置，用以通过计算机实现吹奏类乐器的音乐合成，从而通过计算机可以实现吹奏类乐器的演奏。本发明提供的一种音乐合成方法包括通过将用户气息信号的能量包络与预先设定的阈值进行比较，确定该用户气息信号的状态；并且，根据预先设置的音符按键的值与音符的对应关系，确定用户选择的音符按键的值所对应的音符；利用用户选择的音符按键的值所对应的音符，并通过用户气息信号的状态控制合成音乐。文档编号G10H3/00GK101582258SQ20091007931公开日2009年11月18日申请日期2009年3月5日优先权日2009年3月5日发明者晨张,嵩高申请人:北京中星微电子有限公司