钢琴音色识别与电子合成系统的设计与实现-软件工程专业论文.docxVIP

DESIGN AND REALIZATION OF PIANO TIMBRE RECOGNITION AND ELECTRONIC SYNTHESIS SYSTEM A Master Thesis Submitted to University of Electronic Science and Technology of China Major: Master of Engineering Author: Cheng Meifang Advisor: Cheng Hongrong School : School of Information and Software Engineering 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 年 月 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （必威体育官网网址的学位论文在解密后应遵守此规定） 作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 I I 摘要 摘要 乐器仿真是跨软件工程和音乐理论双领域的交叉学科研究方向，长期以来， 受到专业知识的限制，音乐专业人士不能采用软件工程及数学方法对乐器声学原 理进行深入的剖析，而软件工程人员对音乐知识了解相对较少，因此涉及音乐的 软件工程研究一直相对薄弱。实际上，在现代信号处理、模式识别的技术支撑下， 可以揭示音乐背后的数学秘密，提高人类对音乐的理解。软件工程技术在音乐领 域的应用，将给人类带来全新的听觉感受，符合国家近期提出的文化强国理念， 在人文、科技领域都具有研究意义。 本论文正是把软件工程和音乐理论相结合，以电子合成钢琴音色为目的，在 剖析“十二平均律”、“钢琴弦振动方程”的数学基础上，对钢琴音色识别与电子 合成方法进行了详尽的讨论和研究。主要内容为： 1. 对比了软件工程中的生命周期法、快速原型法、面向对象法，认为只有快 速原型法才能够降低技术风险，缩短工期。选择 MATLAB 语言来构建快速原型， 用 C#.net 来开发成品软件。 2. 应用短时傅里叶变换的频谱分析方法，提取到钢琴音色特征矩阵，研究发 现弦类乐器音色特征矩阵不同于管类、打击类乐器；接着对音强衰减变化和时间 的关系进行分析，获得了音强包络曲线，发现钢琴作为一种击弦类乐器，音强衰 减曲线不同于弹拨弦、拉弦类乐器。利用音色特征矩阵和音强包络曲线可以区分 钢琴和其它乐器的差异，从而实现钢琴乐音的识别。 3. 本软件对钢琴音色特征矩阵进行矩阵计算，实现了钢琴音色中的 25 次倍频 谐波的电子合成，音色仿真效果优于市面上采用“柯西函数五次倍频”原理的电 子琴。同时引入了音强包络曲线，使仿真效果更加接近于击弦类乐器。 4. 设计了三层架构的中间件发音技术，成品软件在发音时无需重新进行矩阵 运算，降低了 CPU 负荷，提高了发音效率，具有音色纯静、音强稳定、声音文件 体积小的优点。成品软件中不含数学模型和发音参数，即使成品软件被逆向工程， 也不会泄漏研究成果。 关键词：机器听觉，傅里叶变换，频谱分析，钢琴音色合成 II II ABSTRACT ABSTRACT Simulation of musical instruments is a cross disciplinary in both the fields of cross software engineering and music theory. In the past, due to the lack of professional knowledge, music professionals are unable to apply software engineering and mathematical methods to analyze musical acoustics principles at an in-depth level. On the other hand, software engineering researchers generally have very limited knowledge about music, and