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樂(lè)器音色特征
樂(lè)器音色特征
摘 要 樂(lè)器音色的分類研宄是探索樂(lè)器音色本質(zhì)的基礎(chǔ)。
由于樂(lè)器發(fā)聲機(jī)理的差別、音色衡量的不確定性以及人類對(duì)人耳聽(tīng)覺(jué)感知過(guò)程認(rèn)識(shí)的有限性，使得樂(lè)器音色的研究處于一個(gè)瓶頸階段。
本文主要從時(shí)域、頻域和倒頻域三個(gè)方面對(duì)樂(lè)器單音的音色特征進(jìn)行研究。
關(guān)鍵詞 樂(lè)器分類 音色特征
音頻蘊(yùn)含著大量的信息。
音頻信息的處理、分析、檢索和識(shí)別是當(dāng)前信號(hào)處理領(lǐng)域的重要研究課題，在搜索引擎的音頻搜索中，扮演著重要角色。
樂(lè)器音色的分析提取是其中必不可缺的一部分。
音樂(lè)是全人類的共同語(yǔ)言，是人類幾千年文化發(fā)展的成果，所以對(duì)音樂(lè)的研究具有至關(guān)重要的價(jià)值。
目前，基于多媒體內(nèi)容的管理和檢索(如音樂(lè)自動(dòng)摘要、音樂(lè)情感分析和音樂(lè)流派分類等)、音樂(lè)可視化(如多媒體音樂(lè)噴泉)、電子器件模擬傳統(tǒng)樂(lè)器、計(jì)算機(jī)輔助音樂(lè)教學(xué)(音樂(lè)標(biāo)注)、音樂(lè)轉(zhuǎn)錄、高保真度的音樂(lè)壓縮編碼、自動(dòng)件奏系統(tǒng)(包括變音)、輔助音樂(lè)創(chuàng)作等應(yīng)用中，對(duì)樂(lè)器音色特征的體現(xiàn)尚存在很大的欠缺。
這一欠缺直接影響了計(jì)算機(jī)智能分析音樂(lè)的準(zhǔn)確度及音樂(lè)實(shí)現(xiàn)的真實(shí)感。
因此，尋找一組能夠準(zhǔn)確反映樂(lè)器音色的特征成為樂(lè)音信號(hào)處理領(lǐng)域迫切需要解決的問(wèn)題。
1樂(lè)器音色的時(shí)域特征
時(shí)域特征反映了聲音的動(dòng)態(tài)變化。
因此，聲音的時(shí)域包絡(luò)也反映音色。
樂(lè)器單音的時(shí)域包絡(luò)一般分為四段，包括起奏(Attack)、衰減(Decay)、持續(xù)(Sustain)、消逝(Release)，每段都對(duì)音色有影響。
例如，打擊樂(lè)起奏很短，敲擊木魚只有起奏和持續(xù)兩段，管風(fēng)琴?zèng)]有衰減段，有些合成器只有起奏、衰減段。
用于描述音色的時(shí)域特征有很多，例如過(guò)零率、短時(shí)能量、均方根包絡(luò)、波峰因子、對(duì)數(shù)上升時(shí)間(Log Attacak Time)和時(shí)域質(zhì)心(Temporal Centroid)等。
以上參數(shù)分別從不同的方面反映了音色的差別。
過(guò)零率是給定音樂(lè)信號(hào)時(shí)域符號(hào)的變化，一定程度上可以反映出頻率的信息，可根據(jù)過(guò)零率識(shí)別打擊樂(lè)器。
均方根是對(duì)信號(hào)功率的度量，均方根包絡(luò)描述了信號(hào)幅度隨時(shí)間的變化。
Langmead認(rèn)為單音起奏包絡(luò)傾斜度(Spectral Onset Asynchronous)不同，對(duì)樂(lè)音音色有較大的影響。
2樂(lè)器音色的頻域特征
音色主要由頻譜特征決定。
對(duì)音色的描述有諧波譜質(zhì)心(Harmonic SpectralCentroid)、諧波譜偏差(Harmonic Spectral Deviation)、諧波譜伸展(HarmonicSpectral Spread)、諧波譜波動(dòng)(Harmonic Spectral Variation)、譜職心(SpectralCentroid)、譜滾降、諧波能量比、諧度、偶次諧波含量、奇次借波含量和謂波的三色激勵(lì)參數(shù)等。
頻域分析尺度不同會(huì)得到不同的頻譜。
最常用的STFT濾波器組中心頻率成線性上升，每個(gè)濾波器的帶寬不變，而品質(zhì)因子是變化的。
另外，CQT在樂(lè)音信號(hào)分析中有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，特別是在音準(zhǔn)很好的樂(lè)器音分析中。
CQT通過(guò)中心頻率成指數(shù)分布的濾波器組，將樂(lè)音信號(hào)表示為確定音樂(lè)單音的譜能量，濾波器組的品質(zhì)因子保持常數(shù)，在低頻處具有較高的頻率分辨率、較低的時(shí)間分辨率，在高頻處具有較高的時(shí)間分辨率、較低的頻率分辨率。
頻域的音色特征從不同的方面反映了聲音的物理特性。
譜質(zhì)心是對(duì)聲音明亮度的衡量。
譜滾降通常指示一幀中頻率的不對(duì)稱性。
譜滾降、譜質(zhì)心都反映了信號(hào)能量在頻率上的分布情況。
譜通量是對(duì)連續(xù)樂(lè)音頓之間譜能量變化的度量，體現(xiàn)了樂(lè)音信號(hào)的動(dòng)態(tài)特征。
樂(lè)音有明顯的諧波結(jié)構(gòu)，能量主要集中在低次諧波，不同樂(lè)器所含的諧波次數(shù)不同。
高次諧波豐富、幅度大的樂(lè)音，聽(tīng)起來(lái)較明亮。
聲音的諧波次數(shù)反映了音色，一般第1～7個(gè)諧波最重要，而更高階次的諧波對(duì)音色的貢獻(xiàn)并不明顯。
3樂(lè)器音色的倒頻域特征
語(yǔ)音的發(fā)聲是激勵(lì)和系統(tǒng)分量卷積的結(jié)果，樂(lè)器的發(fā)聲與其類似。
一般把激勵(lì)假設(shè)為理想的周期性脈沖，則激勵(lì)決定音高。
系統(tǒng)分量決定音色。
所以，很多樂(lè)器音色特征的提取是通過(guò)倒譜分析來(lái)實(shí)現(xiàn)的取低的倒頻系數(shù)(對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)分量)作為音色特征。
考慮到人耳的聽(tīng)覺(jué)特性，加類似于耳喊(對(duì)低頻信號(hào)比對(duì)高頻信號(hào)更敏感)的濾波器組得到MFCC。
通常把MFCC作為靜態(tài)特征，或進(jìn)一步做一階或二階差分，得到相應(yīng)的動(dòng)態(tài)特征。
結(jié)合人耳聽(tīng)覺(jué)特性得到的MFCC，能較好地反映音色特征。
2008年，關(guān)欣提出了全信息的MFCC算法和音樂(lè)仿生小波算法，但這種基于聽(tīng)覺(jué)感知模型的特征改進(jìn)較為復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。
更進(jìn)一步的研究，需要把已有的音色特征結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行音色建模，在新的音色空間中描述信號(hào)。
例如，構(gòu)建音色特征的多元正態(tài)函數(shù)，利用貝葉斯判決函數(shù)對(duì)單個(gè)樂(lè)器水平的分類取得較好的結(jié)果。
對(duì)音色動(dòng)態(tài)譜包絡(luò)的建模在多音高樂(lè)器音的分類研究上具有優(yōu)勢(shì)，但并沒(méi)有充分考慮起奏、衰減、持續(xù)、消逝四個(gè)部分的不同對(duì)音色影響。
這類方法的研究尚處于初級(jí)階段，沒(méi)有一個(gè)快速有效的方法滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。
參考文獻(xiàn)
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