專利名稱：多媒體計(jì)算機(jī)音樂噴泉智能控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種音樂噴泉的控制方法，特別是音樂信號的軟件識(shí)別、理解和按音樂的實(shí)際物理波形對其分段，以及通過計(jì)算機(jī)軟件延時(shí)來實(shí)現(xiàn)音樂與噴泉的同步。
現(xiàn)有的音樂噴泉的控制有各種各樣，大多數(shù)采用硬件采集卡，這有很大缺陷，如提取有效成分少，對于不同曲目適應(yīng)能力差，需要人工不斷調(diào)整，而且音樂文件通過CD ROM或CD機(jī)等外圍設(shè)備播放，不能形成樂曲庫，并且樂曲的分段不精確。目前音樂噴泉系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)智能控制方面仍然是欠缺的，多數(shù)的噴泉系統(tǒng)是程序控制類型的，該類系統(tǒng)需要通過人工離線的預(yù)編輯程序處理。這不僅工作量很大，而且程序員對音樂中許多內(nèi)容的表現(xiàn)只能進(jìn)行簡化處理，并缺乏準(zhǔn)確性。一些具有實(shí)時(shí)控制功能的音樂噴泉系統(tǒng)也是處于初級階段。這當(dāng)中主要是以音量這一音素進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并存在許多問題。例如，音樂與噴泉和諧或同步的控制問題；對于某些曲子和某些樂器的旋律，該系統(tǒng)表現(xiàn)力平淡，給人以不暢快的感覺等。目前還未有看到綜合音樂中音量、音色、節(jié)拍、及旋律而實(shí)現(xiàn)音樂表現(xiàn)力的智能控制系統(tǒng)。另有一款計(jì)算機(jī)多媒體音樂噴泉控制系統(tǒng)，通過音頻信號處理，其輸出模擬信號控制變頻器輸出頻率，從而改變潛水泵的轉(zhuǎn)數(shù)，控制水柱變化，輸出模擬信號經(jīng)PLC控制燈光變幻，變頻器輸出頻率經(jīng)PLC采集通過與計(jì)算機(jī)通訊，顯示噴泉的動(dòng)態(tài)畫面。該系統(tǒng)缺點(diǎn)為用變頻器控制時(shí)，噴泉響應(yīng)速度慢，水型變化單一、緩慢，音樂表現(xiàn)力差，控制不夠靈活。
本發(fā)明的目的在于解決上述缺點(diǎn)的同時(shí)，提供一種新的音樂噴泉控制系統(tǒng)，即加入模式識(shí)別、數(shù)字信號處理、人工智能和計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)的方法，通過計(jì)算機(jī)軟件來對音樂要素進(jìn)行識(shí)別、分析，提取。
本發(fā)明的技術(shù)要點(diǎn)如

圖1所示，計(jì)算機(jī)的音樂信號分為兩個(gè)信道A和B，音樂信號A經(jīng)過計(jì)算機(jī)的數(shù)字音頻信號處理軟件包，進(jìn)行音樂要素的特征識(shí)別和提取，形成各種控制信號，即低音、中音、高音、節(jié)拍；再基于“專家配曲知識(shí)庫”，選擇“聲、光、水流”的表現(xiàn)形式，然后由計(jì)算機(jī)并口，經(jīng)過控制器后，離散的控制信號經(jīng)數(shù)字隔離輸出卡輸出模擬信號，信號經(jīng)保護(hù)裝置及驅(qū)動(dòng)裝置傳遞給噴泉的執(zhí)行機(jī)構(gòu)潛水泵、變頻器、電磁閥、水下彩燈，用以控制各種水簾、水幕、水柱的噴射強(qiáng)度、流態(tài)、運(yùn)行方式及燈光的變化；同時(shí)音樂信號B由于潛水泵、電磁閥的機(jī)械慣性，響應(yīng)時(shí)間要延遲于音樂信號A，因此信號B需要經(jīng)過一段延遲后輸送給控制器和音響系統(tǒng)，保證水體、燈光的變化與音樂同步，和諧。
本發(fā)明的噴泉配曲方法如圖2所示a、選擇樂曲文件，通過“播放、暫停、確定、復(fù)位”菜單對樂曲進(jìn)行操作；b、打開樂曲文件時(shí)界面將顯示該文件的實(shí)際物理波形，操作人員一邊播放音樂，一邊通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊波形，進(jìn)行樂曲分段標(biāo)記，分段時(shí)間等信息自動(dòng)填充到波形文件上面的表格中；c、一首樂曲分段結(jié)束后，操作人員根據(jù)樂曲的段落內(nèi)容對已分好的段落進(jìn)行修改和調(diào)整，可以增加一段、刪除一段，或者調(diào)整段落的時(shí)間；d、操作人員根據(jù)分好的音樂段落和音樂表現(xiàn)的內(nèi)容與意境，對表格進(jìn)行填充控制信號，即低音、中音、高音、鼓點(diǎn)、節(jié)奏、旋律、程控、空白；表格的行表示分割的音樂段落，在“02-09′110-00′25′160”中，02表示該樂曲分段段落為第二段，09′110表示該段的段時(shí)間為9秒110毫秒，00′25′160表示該音樂當(dāng)前播放的位置為25秒160毫秒；表格的列表示該音樂噴泉執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體控制路數(shù)和編號，在“28-閥-鳳尾”中，表示第28路控制的水型名稱是“鳳尾”，控制類別為“電磁閥”；行列的交叉處為具體的噴泉控制信號，在行為“02-09′110-00′25′160”，列為“28-閥-鳳尾”的交叉處表格內(nèi)容為“低音”時(shí)，表示在第二段音樂的控制路為第28路的鳳尾為低音控制，即當(dāng)音樂播放到該段后，當(dāng)有低音時(shí)第28路的鳳尾開始工作；e、操作人員按上一步填完表格后，保存該配曲文件，以備使用。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本系統(tǒng)是基于WINDOWS98操作系統(tǒng)，最大控制輸出為256路控制，系統(tǒng)操作方便、簡單。由于系統(tǒng)所需的音樂文件事先存放在計(jì)算機(jī)的硬盤上，整個(gè)系統(tǒng)的音樂文件形成一個(gè)樂曲庫，可存放幾百首曲子，并可對其進(jìn)行刪減和增加，這也是該多媒體計(jì)算機(jī)音樂噴泉智能控制系統(tǒng)的一大特色。
本系統(tǒng)除了音樂控制的功能外，還有程控狀態(tài)和手動(dòng)狀態(tài)，可根據(jù)不同的需要選取不同的控制狀態(tài)。所謂的程控狀態(tài)就是通常一般性噴泉所采用的控制方式，即噴泉沒有音樂，噴泉的水型每隔一固定時(shí)間變化一次；手動(dòng)控制方式是直接控制256路中的一路或幾路，當(dāng)進(jìn)入手動(dòng)狀態(tài)時(shí)只需用鼠標(biāo)點(diǎn)擊所要打開的控制路號即可，這種控制方式直接、方便，一般用于噴泉的調(diào)試階段，對于水型的調(diào)整極其方便、靈活。
另外，為豐富操作界面，加入了多媒體動(dòng)畫效果，界面上有各種實(shí)際噴泉水型的仿真圖片，當(dāng)進(jìn)入音控狀態(tài)時(shí)，水型隨著實(shí)時(shí)采樣的控制信號動(dòng)作，使系統(tǒng)更加新穎別致，同時(shí)也有助于操作人員的配曲，豐富了其想象的空間。
本系統(tǒng)的另一特點(diǎn)是專家知識(shí)配曲庫輔助操作人員對樂曲進(jìn)行配曲，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和一些表現(xiàn)方法，如當(dāng)樂曲比較柔和時(shí)適宜選用各種搖擺水型，當(dāng)節(jié)奏比較歡快時(shí)適合采用玉柱、集束等水型，計(jì)算機(jī)根據(jù)知識(shí)庫規(guī)則事先完成配曲功能，然后操作人員根據(jù)具體情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，減少了配曲難度。
說明書附圖圖1為多媒體計(jì)算機(jī)音樂噴泉智能控制系統(tǒng)及方法的流程框圖；圖2為多媒體計(jì)算機(jī)音樂噴泉智能控制系統(tǒng)及方法的配曲編輯界面；圖3為噴泉表演的程序流程圖。
實(shí)施例本發(fā)明可采用如下的技術(shù)方案由多媒體計(jì)算機(jī)、數(shù)字隔離輸出卡、潛水泵、變頻器、電磁閥、水下彩燈、音響系統(tǒng)組成。其特點(diǎn)是1、友好的人機(jī)交互界面；2、音樂信號的計(jì)算機(jī)軟件采集；3、樂曲的實(shí)時(shí)分析和處理；
4、系統(tǒng)軟件延時(shí)和同步處理；5、多媒體動(dòng)畫仿真與水型組態(tài)；6、安全可靠的系統(tǒng)輸出；7、龐大的樂曲存儲(chǔ)庫。
本控制系統(tǒng)在具體工作時(shí)分兩個(gè)步驟1、噴泉的配曲文件編輯階段；2、噴泉表演階段。
在噴泉的配曲文件編輯階段，操作人員通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊程序界面的音樂文件物理波形對樂曲進(jìn)行標(biāo)記、粗分段，然后通過移動(dòng)段與段之間的標(biāo)記對樂曲精細(xì)分段，根據(jù)對音樂內(nèi)容的理解，填寫每段的音樂信號控制字，然后存盤保存該樂曲的配曲文件，以備噴泉表演時(shí)使用；在噴泉的表演階段，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)對樂曲的音樂要素進(jìn)行采樣、識(shí)別、提取，音樂控制信號經(jīng)由數(shù)字隔離輸出卡輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)音樂信號加以軟件延時(shí)，保證音樂與噴泉表演的同步。
圖2為多媒體計(jì)算機(jī)音樂噴泉智能控制系統(tǒng)及方法的編輯配曲文件的界面。操作人員按如下步驟進(jìn)行噴泉配曲文件的編輯a、選擇樂曲文件，通過“播放、暫停、確定、復(fù)位”菜單對樂曲進(jìn)行操作；b、打開樂曲文件時(shí)界面將顯示該文件的實(shí)際物理波形，操作人員一邊播放音樂，一邊通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊波形，進(jìn)行樂曲分段標(biāo)記，分段時(shí)間等信息自動(dòng)填充到波形文件上面的表格中；c、一首樂曲分段結(jié)束后，操作人員根據(jù)樂曲的段落內(nèi)容對已分好的段落進(jìn)行修改和調(diào)整，可以增加一段、刪除一段，或者調(diào)整段落的時(shí)間；d、操作人員根據(jù)分好的音樂段落和音樂表現(xiàn)的內(nèi)容與意境，對表格進(jìn)行填充控制信號，即低音、中音、高音、鼓點(diǎn)、節(jié)奏、旋律、程控、空白；表格的行表示分割的音樂段落，在“02-09′110-00′25′160”中，02表示該樂曲分段段落為第二段，09′110表示該段的段時(shí)間為9秒110毫秒，00′25′160表示該音樂當(dāng)前播放的位置為25秒160毫秒；表格的列表示該音樂噴泉執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體控制路數(shù)和編號，在“28-閥-鳳尾”中，表示第28路控制的水型名稱是“鳳尾”，控制類別為“電磁閥”；行列的交叉處為具體的噴泉控制信號，在行為“02-09′110-00′25′160”，列為“28-閥-鳳尾”的交叉處表格內(nèi)容為“低音”時(shí)，表示在第二段音樂的控制路為第28路的鳳尾為低音控制，即當(dāng)音樂播放到該段后，當(dāng)有低音時(shí)第28路的鳳尾開始工作；e、操作人員按上一步填完表格后，保存該配曲文件，以備使用。
圖3表示噴泉表演時(shí)的程序具體流程，系統(tǒng)是根據(jù)音樂表演的配曲文件按照音樂段一段一段的控制輸出，直到樂曲結(jié)束。首先控制系統(tǒng)要進(jìn)行一些初始化處理，然后當(dāng)樂曲播放時(shí)，從第一段開始，先通過數(shù)字音頻信號處理，提取音樂的有效成分，形成控制信號，根據(jù)配曲階段保存的配曲文件所規(guī)定的配曲方案，輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，判斷樂曲是否結(jié)束，若否則進(jìn)行下一段，通過數(shù)字音頻信號處理，到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，循環(huán)進(jìn)行，直到樂曲結(jié)束為止。
權(quán)利要求
1.一種由計(jì)算機(jī)、數(shù)字隔離輸出卡、潛水泵、變頻器、電磁閥、水下彩燈、音響系統(tǒng)組成的多媒體計(jì)算機(jī)音樂噴泉智能控制系統(tǒng)及方法，其特征在于計(jì)算機(jī)的音樂信號分為兩個(gè)信道A和B，音樂信號A經(jīng)過計(jì)算機(jī)的數(shù)字音頻信號處理軟件包，進(jìn)行音樂要素的特征識(shí)別和提取，形成各種控制信號，即低音、中音、高音、節(jié)拍；再基于“專家配曲知識(shí)庫”，選擇“聲、光、水流”的表現(xiàn)形式，然后由計(jì)算機(jī)并口，經(jīng)過控制器，離散的控制信號經(jīng)數(shù)字隔離輸出卡輸出模擬信號，信號經(jīng)過保護(hù)裝置及驅(qū)動(dòng)裝置傳遞給噴泉的執(zhí)行機(jī)構(gòu)潛水泵、變頻器、電磁閥、水下彩燈，用以控制各種水簾、水幕、水柱的噴射強(qiáng)度、流態(tài)、運(yùn)行方式及燈光的變化；音樂信號B經(jīng)過延遲后輸送給控制器和音響系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多媒體計(jì)算機(jī)音樂噴泉智能控制系統(tǒng)及方法，其特征在于，所述的噴泉配曲方法如下a、選擇樂曲文件，通過“播放、暫停、確定、復(fù)位”菜單對樂曲進(jìn)行操作；b、打開樂曲文件時(shí)界面將顯示該文件的實(shí)際物理波形，操作人員一邊播放音樂，一邊通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊波形，進(jìn)行樂曲分段標(biāo)記，分段時(shí)間等信息自動(dòng)填充到波形文件上面的表格中；c、一首樂曲分段結(jié)束后，操作人員根據(jù)樂曲的段落內(nèi)容對已分好的段落進(jìn)行修改和調(diào)整，可以增加一段、刪除一段，或者調(diào)整段落的時(shí)間；d、操作人員根據(jù)分好的音樂段落和音樂表現(xiàn)的內(nèi)容與意境，對表格進(jìn)行填充控制信號，即低音、中音、高音、鼓點(diǎn)、節(jié)奏、旋律、程控、空白；表格的行表示分割的音樂段落，在“02-09′110-00′25′160”中，02表示該樂曲分段段落為第二段，09′110表示該段的段時(shí)間為9秒110毫秒，00′25′160表示該音樂當(dāng)前播放的位置為25秒160毫秒；表格的列表示該音樂噴泉執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體控制路數(shù)和編號，在“28-閥-鳳尾”中，表示第28路控制的水型名稱是“鳳尾”，控制類別為“電磁閥”；行列的交叉處為具體的噴泉控制信號，在行為“02-09′110-00′25′160”，列為“28-閥-鳳尾”的交叉處表格內(nèi)容為“低音”時(shí)，表示在第二段音樂的控制路為第28路的鳳尾為低音控制，即當(dāng)音樂播放到該段后，當(dāng)有低音時(shí)第28路的鳳尾開始工作；e、操作人員按上一步填完表格后，保存該配曲文件，以備使用。
全文摘要
多媒體計(jì)算機(jī)音樂噴泉智能控制系統(tǒng)及方法涉及一種由多媒體計(jì)算機(jī)控制的音樂噴泉智能控制系統(tǒng),其特點(diǎn)是由軟件來實(shí)現(xiàn)音樂的有效信號的自動(dòng)實(shí)時(shí)采樣、識(shí)別以及軟件延時(shí)的同步處理,由控制軟件對已有樂曲進(jìn)行實(shí)時(shí)分析,提取樂曲的節(jié)拍、低音、高音、旋律等音樂要素,基于“專家配曲知識(shí)庫”,選擇“聲、光、水流”的表現(xiàn)方案,經(jīng)輸出卡輸出離散控制信號來驅(qū)動(dòng)噴泉的執(zhí)行機(jī)構(gòu),使水體與彩燈的變化與音樂具有同步、和諧的效果。
文檔編號G06F17/00GK1384446SQ0111563
公開日2002年12月11日 申請日期2001年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月28日
發(fā)明者鐘振民, 王玉崗, 胡包鋼, 莊順萬 申請人:中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所, 北京建通興業(yè)環(huán)境科技有限公司