本發(fā)明涉及信息處理與可視化領(lǐng)域，具體地涉及到一種音樂(lè)頻譜的圓形可視化的系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
理論上任何一段音樂(lè)都可被可視化，從而使音樂(lè)不僅能聽，而且能“看”。一段音樂(lè)往往具有各種特征，有時(shí)域的、有頻域的。時(shí)域特征可分為音量、節(jié)奏等，頻域特征則可分為頻譜、音色等。音樂(lè)可視化就是將以上這些特征中的一種或幾種用視頻表現(xiàn)出來(lái)，隨著音樂(lè)的播放，特征在變化，視頻畫面也在相應(yīng)地變化，從而實(shí)現(xiàn)“看”音樂(lè)的目的。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及音、視頻制作技術(shù)的發(fā)展，目前音樂(lè)可視化作品已經(jīng)到處可見，既有將音樂(lè)時(shí)域特征可視化的，也有將音樂(lè)頻域特征可視化的。其中將音樂(lè)頻域特征之一——頻譜可視化的作品往往是這樣實(shí)現(xiàn)的：首先將一段音樂(lè)信號(hào)經(jīng)過(guò)N個(gè)分段濾波器濾波得到N個(gè)不同頻段的信號(hào)，再以柱狀圖形式來(lái)表示這些頻段信號(hào)的幅度大小，二維柱狀圖的橫坐標(biāo)代表頻率，縱坐標(biāo)（柱面的高度）代表與頻率對(duì)應(yīng)的頻段信號(hào)幅度。也就是說(shuō)，目前音樂(lè)頻譜可視化的形式多為柱狀圖，如Windows 操作系統(tǒng)的“media player”，成本高。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種音樂(lè)頻譜的圓形圖的可視化系統(tǒng)及方法，其通過(guò)一種完全不同的形式將音樂(lè)頻譜可視化，是將音樂(lè)的頻譜以多層同心圓環(huán)的形式進(jìn)行可視化，給人一種不同的視覺(jué)效果，降低成本。
本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)解決上述技術(shù)問(wèn)題的：一種音樂(lè)頻譜的圓形可視化系統(tǒng)，其特征在于，其包括：
音樂(lè)信號(hào)獲取模塊，主要由聲音傳感器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器兩部分構(gòu)成，功能分別是將聲音物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量、將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字電量，以便導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)一步處理；
傅里葉變換模塊，主要通過(guò)在Matlab平臺(tái)編程實(shí)現(xiàn)，包括快速傅里葉變換程序、頻譜能量閾值設(shè)定程序、頻率范圍及頻段寬度計(jì)算程序、N個(gè)頻段上、下限計(jì)算程序等，功能分別是對(duì)音樂(lè)信號(hào)獲取模塊獲取的數(shù)字音樂(lè)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，畫出頻譜圖；確定整個(gè)頻譜中能量較集中的頻率范圍f上~f下；計(jì)算W=（f上-f下）/N，W為每個(gè)頻段的寬度；計(jì)算每個(gè)頻段的上、下限，如：第一頻段的上、下限為f上~f上+W, 第二頻段的上、下限為f上+W~f上+2*W；這些數(shù)據(jù)將作為后級(jí)各頻段濾波器的上、下截止頻率；
頻段分割模塊，由N個(gè)帶寬為W的數(shù)字帶通濾波器構(gòu)成，N為自然數(shù)，功能是將整個(gè)音樂(lè)信號(hào)劃分為頻帶互相銜接但不重疊的N個(gè)頻段信號(hào)，每一個(gè)帶通濾波器的上、下截止頻率就是前級(jí)得到的對(duì)應(yīng)頻段的上、下限頻率；傅里葉變換模塊將音樂(lè)信號(hào)由時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，在其頻譜圖上確定出能量較集中的頻率區(qū)域，該區(qū)域上、下限對(duì)應(yīng)的頻率分別稱為f上和f下；再通過(guò)（f上-f下）/N =W將該區(qū)域均分為N個(gè)頻段，每個(gè)頻段的寬度為W，進(jìn)而可推出每個(gè)頻段的上、下限，做為后級(jí)各帶通濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)；N個(gè)帶寬為W的帶通濾波器的截止頻率分別是前述得到的N個(gè)頻段的上、下限頻率；音樂(lè)信號(hào)通過(guò)這樣的N個(gè)并行濾波器后被劃分為頻帶互相銜接但不重疊的N個(gè)頻段信號(hào)；綁定模塊將N個(gè)頻段信號(hào)與N個(gè)不同半徑的同心圓環(huán)一一對(duì)應(yīng)綁定，內(nèi)環(huán)對(duì)應(yīng)低頻段，外環(huán)對(duì)應(yīng)高頻段，且每層圓環(huán)還都有一定寬度，每個(gè)圓環(huán)從正上方開始、延順時(shí)針?lè)较蛟O(shè)置三百六十個(gè)刻度，將對(duì)應(yīng)頻段中的所有頻率分量由低到高均勻分布在該圓環(huán)的三百六十個(gè)刻度上，將頻率分量幅度與所在刻度處環(huán)的寬度綁定，即每個(gè)刻度處的環(huán)厚度代表該處對(duì)應(yīng)的頻率分量的振幅，當(dāng)播放時(shí)，每個(gè)頻段中的頻率分量幅度都會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，這個(gè)變化將直接反應(yīng)到對(duì)應(yīng)圓環(huán)的對(duì)應(yīng)刻度處的厚度變化上；同時(shí)各環(huán)的顏色根據(jù)“顏色與音調(diào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系”設(shè)定，即暖色對(duì)應(yīng)高音調(diào)，冷色對(duì)應(yīng)低音調(diào)，最外環(huán)頻率最高，用紅色表示，最內(nèi)環(huán)頻率最低，用藍(lán)色表示，從而間接將音調(diào)與人的情緒聯(lián)系起來(lái)；
綁定模塊，綁定模塊共有N組，均由三部分組成：頻段與圓環(huán)綁定部分、顏色與圓環(huán)綁定部分、刻度與頻率分量幅度綁定部分；這三部分是通過(guò)后期特效制作軟件中的不同“表達(dá)式”實(shí)現(xiàn)的；具體地，首先在后期特效制作軟件中制作N個(gè)同心圓環(huán),每環(huán)都有一定寬度，各環(huán)的顏色根據(jù)顏色與音調(diào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系設(shè)定，即暖色對(duì)應(yīng)高音調(diào)，冷色對(duì)應(yīng)低音調(diào)，最外環(huán)頻率最高，用紅色表示，最內(nèi)環(huán)頻率最低，用藍(lán)色表示，然后一一綁定；接著利用后期特效制作軟件中的表達(dá)式功能將前述頻段信號(hào)與對(duì)應(yīng)的同心圓環(huán)一一綁定，低頻段對(duì)應(yīng)內(nèi)環(huán)，高頻段對(duì)應(yīng)外環(huán)；最后還要將每個(gè)圓環(huán)從正上方開始、延順時(shí)針?lè)较蛟O(shè)置三百六十個(gè)刻度，將某頻段中的所有頻率分量由低到高均勻分布在該頻段對(duì)應(yīng)的圓環(huán)的三百六十個(gè)刻度上，并利用表達(dá)式綁定，每個(gè)刻度處的環(huán)寬度代表該處對(duì)應(yīng)的頻率分量的振幅，當(dāng)播放時(shí)，頻段內(nèi)各頻率分量的幅度都會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，這個(gè)變化將直接反應(yīng)到對(duì)應(yīng)圓環(huán)的寬度變化上；
視頻渲染模塊，主要完成可視化所需每幀視頻數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)算及存儲(chǔ)功能，合成播放模塊則將渲染后的視頻信號(hào)與原音樂(lè)信號(hào)進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)并播放，這樣可以避免由于視頻信號(hào)每幀數(shù)據(jù)量巨大，實(shí)時(shí)處理時(shí)會(huì)造成視頻播放不流暢的問(wèn)題；具體是通過(guò)后期特效制作軟件中的渲染功能完成的，根據(jù)上述綁定模塊的各項(xiàng)綁定內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，將計(jì)算所得數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)于內(nèi)存，以備播放時(shí)調(diào)用；
合成播放模塊，主要由視、音頻合成及視、音頻播放兩部分組成，合成的功能是將音樂(lè)信號(hào)與渲染后的視頻信號(hào)進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)，是利用后期特效制作軟件中的視音頻合成功能實(shí)現(xiàn)的；播放的功能則是將視頻、音頻數(shù)據(jù)分別送至顯示設(shè)備及揚(yáng)聲器設(shè)備。
優(yōu)選地，所述音樂(lè)信號(hào)獲取模塊、傅里葉變換模塊、頻段分割模塊、綁定模塊、渲染模塊、合成播放模塊依次連接。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明還提供一種音樂(lè)頻譜圓形可視化的方法，其主要包括如下步驟：
步驟一，獲取一段音樂(lè)，將模擬音樂(lè)信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)；
步驟二，將數(shù)字音樂(lè)信號(hào)導(dǎo)入電腦，利用編程軟件Matlab對(duì)該信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，并畫出頻譜圖，根據(jù)頻譜圖確定能量較集中的頻率范圍f上～f下，再通過(guò)（f上-f下）/N =W將該區(qū)域平分為N個(gè)頻段，每個(gè)頻段的寬度均為W，進(jìn)而得出每個(gè)頻段的上、下限，做為后級(jí)各帶通濾波器的上、下截止頻率，其中N取自然數(shù)；
步驟三，N個(gè)帶寬為W的帶通濾波器根據(jù)前級(jí)得到的N個(gè)頻段的上、下限頻率作為本身的上、下截止頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)，之后當(dāng)音樂(lè)信號(hào)通過(guò)N個(gè)并行的帶通濾波器后就被分為頻帶互相銜接但不重疊的N個(gè)頻段信號(hào)；
步驟四，利用后期特效制作軟件將N個(gè)頻段信號(hào)與N個(gè)不同半徑的同心圓環(huán)一一對(duì)應(yīng)綁定，低頻段對(duì)應(yīng)內(nèi)環(huán)，高頻段對(duì)應(yīng)外環(huán)，再將頻段中的各頻率分量幅度與環(huán)上三百六十度刻度處的寬度綁定，最后再根據(jù)顏色與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系確定每個(gè)圓環(huán)的顏色；
步驟五，綁定完成后，進(jìn)行視頻渲染，即根據(jù)上述綁定關(guān)系進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的預(yù)先計(jì)算與存儲(chǔ)；
步驟六，將渲染后的視頻信號(hào)與原數(shù)字音樂(lè)信號(hào)進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)并播放。
本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于：本發(fā)明通過(guò)一種完全不同的形式將音樂(lè)頻譜可視化，是將音樂(lè)頻譜以多層彩色圓環(huán)的形式進(jìn)行可視化，其中每層圓環(huán)的寬度、顏色均不同，代表音樂(lè)信號(hào)中不同頻段信號(hào)的頻率特征，給人一種不同的視覺(jué)效果，且系統(tǒng)成本低廉。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明音樂(lè)頻譜的圓形可視化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實(shí)施例，以詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。
如圖1所示，本發(fā)明音樂(lè)頻譜的圓形可視化系統(tǒng)包括：
音樂(lè)信號(hào)獲取模塊，主要由聲音傳感器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器兩部分構(gòu)成，功能分別是將聲音物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量、將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字電量，以便導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)一步處理。
傅里葉變換模塊，主要通過(guò)在Matlab平臺(tái)編程實(shí)現(xiàn)，包括快速傅里葉變換（FFT）程序、頻譜能量閾值設(shè)定程序、頻率范圍及頻段寬度計(jì)算程序、N個(gè)頻段上、下限計(jì)算程序等，功能分別是對(duì)音樂(lè)信號(hào)獲取模塊獲取的數(shù)字音樂(lè)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，畫出頻譜圖；確定整個(gè)頻譜中能量較集中的頻率范圍f上~f下；計(jì)算W=（f上-f下）/N，W為每個(gè)頻段的寬度；計(jì)算每個(gè)頻段的上、下限，如：第一頻段的上、下限為f上~f上+W, 第二頻段的上、下限為f上+W~f上+2*W，……以此類推；這些數(shù)據(jù)將作為后級(jí)各頻段濾波器的上、下截止頻率。
頻段分割模塊，由N個(gè)帶寬為W的數(shù)字帶通濾波器構(gòu)成，N為自然數(shù)，功能是將整個(gè)音樂(lè)信號(hào)劃分為頻帶互相銜接但不重疊的N個(gè)頻段信號(hào)，每一個(gè)帶通濾波器的上、下截止頻率就是前級(jí)得到的對(duì)應(yīng)頻段的上、下限頻率。傅里葉變換模塊將音樂(lè)信號(hào)由時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，在其頻譜圖上確定出能量較集中的頻率區(qū)域，該區(qū)域上、下限對(duì)應(yīng)的頻率分別稱為f上和f下。再通過(guò)（f上-f下）/N =W將該區(qū)域均分為N個(gè)頻段，每個(gè)頻段的寬度為W，進(jìn)而可推出每個(gè)頻段的上、下限，做為后級(jí)各帶通濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)。N個(gè)帶寬為W的帶通濾波器的截止頻率分別是前述得到的N個(gè)頻段的上、下限頻率。音樂(lè)信號(hào)通過(guò)這樣的N個(gè)并行濾波器后被劃分為頻帶互相銜接但不重疊的N個(gè)頻段信號(hào)。綁定模塊將N個(gè)頻段信號(hào)與N個(gè)不同半徑的同心圓環(huán)一一對(duì)應(yīng)綁定，內(nèi)環(huán)對(duì)應(yīng)低頻段，外環(huán)對(duì)應(yīng)高頻段，且每層圓環(huán)還都有一定寬度，每個(gè)圓環(huán)從正上方開始、延順時(shí)針?lè)较蛟O(shè)置三百六十個(gè)刻度，將對(duì)應(yīng)頻段中的所有頻率分量由低到高均勻分布在該圓環(huán)的三百六十個(gè)刻度上，將頻率分量幅度與所在刻度處環(huán)的寬度綁定，即每個(gè)刻度處的環(huán)厚度代表該處對(duì)應(yīng)的頻率分量的振幅，當(dāng)播放時(shí)，每個(gè)頻段中的頻率分量幅度都會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，這個(gè)變化將直接反應(yīng)到對(duì)應(yīng)圓環(huán)的對(duì)應(yīng)刻度處的厚度變化上。同時(shí)各環(huán)的顏色根據(jù)“顏色與音調(diào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系”設(shè)定，即暖色對(duì)應(yīng)高音調(diào)（高頻），冷色對(duì)應(yīng)低音調(diào)（低頻），最外環(huán)頻率最高，用紅色表示，最內(nèi)環(huán)頻率最低，用藍(lán)色表示，從而間接將音調(diào)與人的情緒聯(lián)系起來(lái)。
綁定模塊，綁定模塊共有N組，均由三部分組成：頻段與圓環(huán)綁定部分、顏色與圓環(huán)綁定部分、刻度與頻率分量幅度綁定部分。這三部分是通過(guò)后期特效制作軟件After Effects（AE）中的不同“表達(dá)式”實(shí)現(xiàn)的。具體地，首先在AE中制作N個(gè)同心圓環(huán),每環(huán)都有一定寬度，各環(huán)的顏色根據(jù)顏色與音調(diào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系設(shè)定，即暖色對(duì)應(yīng)高音調(diào)（高頻），冷色對(duì)應(yīng)低音調(diào)（低頻），最外環(huán)頻率最高，用紅色表示，最內(nèi)環(huán)頻率最低，用藍(lán)色表示，然后一一綁定。接著利用AE中的表達(dá)式功能將前述頻段信號(hào)與對(duì)應(yīng)的同心圓環(huán)一一綁定，低頻段對(duì)應(yīng)內(nèi)環(huán)，高頻段對(duì)應(yīng)外環(huán)；最后還要將每個(gè)圓環(huán)從正上方開始、延順時(shí)針?lè)较蛟O(shè)置三百六十個(gè)刻度，將某頻段中的所有頻率分量由低到高均勻分布在該頻段對(duì)應(yīng)的圓環(huán)的三百六十個(gè)刻度上，并利用表達(dá)式綁定，每個(gè)刻度處的環(huán)寬度代表該處對(duì)應(yīng)的頻率分量的振幅，當(dāng)播放時(shí)，頻段內(nèi)各頻率分量的幅度都會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，這個(gè)變化將直接反應(yīng)到對(duì)應(yīng)圓環(huán)的寬度變化上。
視頻渲染模塊，主要完成可視化所需每幀視頻數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)算及存儲(chǔ)功能，合成播放模塊則將渲染后的視頻信號(hào)與原音樂(lè)信號(hào)進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)并播放，這樣可以避免由于視頻信號(hào)每幀數(shù)據(jù)量巨大，實(shí)時(shí)處理時(shí)會(huì)造成視頻播放不流暢的問(wèn)題。具體是通過(guò)AE中的渲染功能完成的，根據(jù)上述綁定模塊的各項(xiàng)綁定內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，將計(jì)算所得數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)于內(nèi)存，以備播放時(shí)調(diào)用。
合成播放模塊，主要由視、音頻合成及視、音頻播放兩部分組成，合成的功能是將音樂(lè)信號(hào)與渲染后的視頻信號(hào)進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)，是利用AE中的視音頻合成功能實(shí)現(xiàn)的；播放的功能則是將視頻、音頻數(shù)據(jù)分別送至顯示設(shè)備及揚(yáng)聲器設(shè)備。
音樂(lè)信號(hào)獲取模塊、傅里葉變換模塊、頻段分割模塊、綁定模塊、渲染模塊、合成播放模塊依次連接，這樣使用方便。
本發(fā)明音樂(lè)頻譜圓形可視化方法主要包括如下步驟：
步驟一，獲取一段音樂(lè)，將模擬音樂(lè)信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)；
步驟二，將數(shù)字音樂(lè)信號(hào)導(dǎo)入電腦，利用編程軟件Matlab對(duì)該信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，并畫出頻譜圖，根據(jù)頻譜圖確定能量較集中的頻率范圍f上～f下，再通過(guò)（f上-f下）/N =W將該區(qū)域平分為N個(gè)頻段，每個(gè)頻段的寬度均為W，進(jìn)而得出每個(gè)頻段的上、下限，做為后級(jí)各帶通濾波器的上、下截止頻率，其中N取自然數(shù)；
步驟三，N個(gè)帶寬為W的帶通濾波器根據(jù)前級(jí)得到的N個(gè)頻段的上、下限頻率作為本身的上、下截止頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)，之后當(dāng)音樂(lè)信號(hào)通過(guò)N個(gè)并行的帶通濾波器后就被分為頻帶互相銜接但不重疊的N個(gè)頻段信號(hào)；
步驟四，利用后期特效制作軟件After Effects（AE）將N個(gè)頻段信號(hào)與N個(gè)不同半徑的同心圓環(huán)一一對(duì)應(yīng)綁定，低頻段對(duì)應(yīng)內(nèi)環(huán)，高頻段對(duì)應(yīng)外環(huán)，再將頻段中的各頻率分量幅度與環(huán)上三百六十度刻度處的寬度綁定，最后再根據(jù)顏色與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系確定每個(gè)圓環(huán)的顏色；
步驟五，綁定完成后，進(jìn)行視頻渲染，即根據(jù)上述綁定關(guān)系進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的預(yù)先計(jì)算與存儲(chǔ)；
步驟六，將渲染后的視頻信號(hào)與原數(shù)字音樂(lè)信號(hào)進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)并播放。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。