摘要：介紹一種基于音樂特征識別的音樂噴泉計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)。由于能夠自動識別音樂的曲式、情感等特征，該系統(tǒng)能夠根據(jù)不同曲目的特點設(shè)計體現(xiàn)音樂內(nèi)涵的音樂噴泉表演程序；同時，通過綜合運用電腦動畫、自動控制等技術(shù)，大大提高了音樂噴泉表演程序的開發(fā)效率。為了對該系統(tǒng)的設(shè)計方案進行檢驗，開發(fā)了一個小型室內(nèi)音樂噴泉的實驗裝置。實驗證明，該系統(tǒng)的運行結(jié)果。十分令人滿意。

關(guān)鍵詞：音樂噴泉 計算機輔助設(shè)計系統(tǒng) 音樂特征識別 模糊專家系統(tǒng)

音樂噴泉作為將聽覺藝術(shù)與視覺藝術(shù)相結(jié)合的藝術(shù)形式，已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注。目前，國內(nèi)外雖然已建有很多音樂噴泉，但大多數(shù)音樂噴泉都存在著兩方面不足：首先、音樂噴泉表演程序的設(shè)計需要音樂、舞美、電腦、自控、噴泉等專業(yè)專家的合作；其次，為了了解音樂噴泉表演程序的噴射效果，只有在硬件上進行仿真實驗。因此，對于一般的音樂噴泉系統(tǒng)，其表演程序的設(shè)計非常費時費力，也正是由于這個原因，既便是美國Lasvegas這樣著名的噴泉也只能表演幾首曲目。

基于上述問題，筆者設(shè)計開發(fā)了一個音樂噴泉的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)，簡稱CAD-MF。在該系統(tǒng)中，首先提取音樂的基本特征，然后在此基礎(chǔ)上分析音爾的曲式特征并將整首樂曲分成若干樂段，并分析出每一段音樂所表達的基本感情色彩；第二步，根據(jù)音樂的曲式和情感特片，為每個樂段匹配相應(yīng)的音樂噴泉基本表演程序，從而生成最初的音樂噴泉表演程序。該表演程序可以用三維動畫進行仿真，并可以通過友好的人機界面進行修改，直至滿意。最終的表演程序經(jīng)過自動編譯，可以控制音樂噴泉按照設(shè)計的動作進行噴射，實現(xiàn)音樂與噴泉的同步。

1 音樂噴泉實驗裝置

該音樂噴泉實驗裝置的草圖如圖1所示。該噴泉由13個噴頭、4組彩燈組成。其中，噴頭1～6為第一組，可以沿圓圈的切向徑向進行自由擺動；7～9為第二組，10～12為第三組，可以左右隨意搖擺；13為第三組，不能轉(zhuǎn)動。此外，這13個噴頭的噴射高度還可以有3個級別的變化。同時，該裝置中還配有4組（1～4）彩燈，由于每一組由3個不同顏色的燈泡組成，因此可以營造出多彩的光照效果。

2 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)由七個部分組成。

（1）音樂特征的識別

在本系統(tǒng)中，選擇MIDI（Musical Instrument Digital Interface）文件作為輸入的音源。MIDI是音樂信號在電子樂器之間傳輸?shù)臉藴剩ㄓ布涌跇藴室约半娮右魳沸盘栐诓煌布g的異步串行傳輸協(xié)議[1]。MIDI格式的音樂文件記錄了音樂的全部樂譜和演奏的全過程，很多基本的音樂特征都可以從中直接獲得。在此基礎(chǔ)上，又可以進一步提取旋律、和聲、節(jié)奏等復雜特片。根據(jù)音樂基本特征和復雜特征在內(nèi)的音樂信息，最終能夠按照樂曲的結(jié)構(gòu)將其分為若干樂段，并且利用模糊分類器識別出每一個樂段所帶有的感情色彩。

（2）音樂特征與噴射動作的匹配

這一部分主要是通過模糊專家系統(tǒng)將音樂特征與噴射動作進行兩個層次的匹配——段匹配和音符匹配。段匹配是指根據(jù)感情色彩為各個樂段找到合適的基本表演程序，即用于表現(xiàn)某一特定情感的典型動作序列。音符匹配則是為特定的音符安排特定的噴射動作。這兩個層次的匹配過程也就是音樂噴泉表演程序的最終設(shè)計過程，它記錄了音樂噴泉隨著音樂舞動的全部狀態(tài)。

（3）動畫仿真

當表演程序被設(shè)計出來后，如果直接在噴泉裝置上進行仿真，將是一個非常費時費力的過程。因此，設(shè)計了動畫仿真了系統(tǒng)。動畫的參數(shù)全部按照實際的噴泉實驗裝置來設(shè)計，通過動畫可以實現(xiàn)對實際噴射效果的仿真。為了做出與實際噴射相似的噴射效果，采用粒子系統(tǒng)[2]。

（4）手動修改

在觀看動畫仿真結(jié)果后，用戶可能需要對原表演程序進行修改。為了使用戶能夠在不需要了解內(nèi)部代碼的情況下對表演程序進行任意的修改，筆者開發(fā)了一個很有好的人機界面。該界面不僅可以實現(xiàn)單點修改、多點修改，還可以為整段音樂選擇另一套表演動作。

（5）打印噴泉表演流程總譜

該總譜既包括了所有音符，又包括了與音樂對應(yīng)的所有噴射動作，可以對整個表演程序一目了然。

（6）編譯成控制程序

基于音樂特征識別的音樂噴泉計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)