[发明专利]一种基于恒Q变换的复调电子琴音乐音符识方法

说明书

一种基于恒Q变换的电子琴复调音乐的音符识别方法，包括以下步骤：获取电子琴的单音音频，对单音音频做恒Q变换得到单音频谱模板；对弹奏音乐信号进行音符的切分，采用超通量和计算相邻两帧的频谱向量差的方法寻找分析时间段内能量曲线的局部最大值以确定起始点的位置；以切分的音符为单位分析包含的基频，得到音符的频谱图，将得到的音符的频谱图和所述单音频谱模板相比较得到音符内包含的基频；按比例从音符的频谱中减去已识别的基频，余下的频谱继续与所述单音频谱模板比较，找出候选单音；重复上述过程直到减余的频谱低于预定的能量阈值为止。该方法有益效果为：降低了多音高检测的难度；提高起始点检测的精确度；提升音高判断的准确率。

技术领域

本发明属于数字音频处理技术，涉及音乐信号识别算法，具体为一种基于恒Q变换的能实时识别复调钢琴音乐的音符的方法。

背景技术

随着经济的发展和社会的进步，人们的物质生活的基本需求已得到满足，在精神生活方面的需求日益增加，器乐学习就是人们陶冶情操、放松身心的途径之一。然而器乐教学的最大特点就是需要长期的练习时间，同时需要教师点对点的指导学生的音准及节奏情况，这对于大多数音乐爱好者来说是难以实现的。针对这个问题，研究人员一直寻找合适的算法使计算机可以分析接收到的演奏音频数据，能够有效的识别演奏的准确性和完成度，从而评价并辅助学员更好的完成器乐练习。通常对演奏最基本的评价是对音符是否弹错，因此在辅助器乐教学中音符基频的估计是核心解决问题。

基频是音频信号处理方面定义的一个概念，是音乐信号重要的一种表达方式。音乐信号中同一时间内有多个基频出现的被称为复合音乐。近年来，音乐信号的识别分析技术有了一定的发展，但多基频提取技术还没有出现成熟完备的算法。这是因为单个基频对应有很多的谐频，不同基频的频谱中可能会出现谐频峰值出现在同一位置的现象，即频谱重叠问题。另一方面，对于一般的谐和乐器，会遵循基频的每个谐频会出现在基频频率的倍数处的规律，但是准和谐乐器的谐频位置可能会在基频倍频的附近，并因此引出了频谱偏移问题。

对音频的频率特征分析，常用的变换方法为短时傅里叶变换，该方法的时频窗口在变换的过程中保持不变，得到的频谱图在频率分辨率也是固定的。然而在音乐中，所有的音阶都是由若干八度的12平均律共同组成的，这十二平均律对应着钢琴中一个八度上的十二个半音。半音作为表示音高差距的音程的基本单位，临近的半音之间频率比是固定的，即在器乐中音高是呈指数分布的，与傅里叶变换得到的线性分布的频谱在频率点上无法一一对应，可能会导致某些音阶频率的估计值产生误差。而恒Q变换(Constant Q Transform)的频率分辨率呈指数分布，符合音乐的音高划分规律，通过对低频选取较多的釆样点，高频选取较少的采样点，达到高低频分辨率不一样的目的。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何准确识别电子琴复调音乐的音符的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种基于恒Q变换的电子琴复调音乐的音符识别方法，包括以下步骤：

步骤1、获取电子琴单音音符的单音音频，对单音音频做恒Q变换得到时频图，将不同时间得到的频谱数据平均后得到单音频谱模板；

步骤2、对电子琴弹奏音乐进行采集并进行中值滤波的预处理去噪；

步骤3、对弹奏音乐信号进行分帧加窗处理；

步骤4、对弹奏音乐信号进行音符的切分，具体的方法为：采用超通量和计算相邻两帧的频谱向量差的方法寻找分析时间段内能量曲线的局部最大值以确定起始点的位置；

步骤5、以切分的音符为单位分析包含的基频，得到音符的频谱图，将得到的音符的频谱图和单音频谱模板相比较，相似度比较高的单音频谱模板即为音符内包含的基频；

步骤6、按比例从音符的频谱中减去步骤5中已识别的基频，余下的频谱经过平滑后继续与单音频谱模板比较，找出可能存在的候选单音；重复上述过程直到减余的频谱低于某能量阈值为止。