钢琴识别软件的原理

1 引言

钢琴是最理想的多声乐器，它的音域宽广、巨大的音量变化幅度，使它可以独自成为一个完整的音乐世界。钢琴是属于键盘乐器，原理是用锤敲击弦发声，它的键盘频率比较固定，而像小提琴这种也是比较常见的高音乐器，原理是使用手指按压来定音准的，小提琴的音准特征是准许一定的自由的，每个演奏者都有其个人的发音方法、自己的标准，而这取决于演奏者对音乐的个人理解，但是钢琴是没有什么音准问题的，它是单一种音律，就是十二平均律。因此本文考虑到钢琴的特性，以及如何从中识别音符的问题进行研究。

2 钢琴乐理

2.1 十二平均律

所谓十二平均律就是指假设我们把一个八度的音程按倍频平均成十二等分，那么每两个批次相邻的音之间的频率比就是21/12。按照此定律,钢琴的音符对应的基频范围为: 27.50Hz到4186.00Hz的，其基音频率数值决定了音符的音高。用半音比例公式推导出全部音符的基频频率,从基频中可以看出，在低音部分的两个琴键之间的频率差值只有2、3Hz。在中间的频率差值在40Hz附近，到高音部分的频率差值在150Hz附近。

2.2 音高和音符

音高和音符是乐理的基本概念，主要是研究其中的物理特性。

音高是指各种不同高低的声音，就是声音的高度，是一种发音的基本特征。声音的高低取决于振动的频率，频率振动的次数多声音就高，频率振动的次数少声音就低。而音符是一种记录符号的工具，记录不同长、短的声音。是乐音的一种基本的要素，其中存在基本音符，是指一个四分音符的长度。

3 有关端点检测方法

3.1 乐音端点检测

一段音乐的前后音符高低有变化，前后的频率变化很大，乐音端点检测就是从一段音乐中找出按键的起点和结束点，排除无效的噪音段，然后对有效的信号段进行检测。钢琴信号同语言信号是一个原理，短时间内相对平稳，所以对信号的处理上是建立在短时内。过零率特征门限值和短时能量的端点检测方法流程如下:第一,短时能量,短时过零率参数设置;第二步,确定乐音状态;第三步,从第一帧到最后一帧循环检测,初始状态为0,乐音长度为0。

短时平均过零率在语音信号在分析中一般多应用于是清/浊音判断。发清音时，声带不振动，声道的某部分阻塞气流产生类白噪声，其能量集中于较高的频率范围。相反，发浊音时，声带振动，这个振动频率的声压波在声道中共振，尽管有若干个共振峰，但其能量集中于低于3kHz的频率范围内；因此用过零率可以定量的分析清/浊音。

3.2 基于高频分量进行的端点检测

上面的方法在信号能量较大的时候比较精准，但是在信号能量极小的静音段或者声音小的时候，还需要结合频域分析来进行端点检测。通过对钢琴的频谱图进行分析得出结论是：利用这些高频分量来进行端点检测，由于它的幅度分量较小，消失的较快。这些特征，非常适合于钢琴演奏的端点检测。

4 钢琴识别软件的设计系统

本次实验使用的是C#开发整个系统，采用WAV声音文件作为系统的输入，可以使用MIDI直接播放分析结果。并可查看每个音符片段的音高分析步骤的结果，便于对文中端点检测和基音识别的方法进行分析。

5 结束语

本文的目的是希望能通过一个软件，方便音乐爱好者们对钢琴曲进行打谱。因此围绕如何从一段钢琴音乐中分析其演奏的音符这一问题开展了研究工作。受作者知识的局限性,研究能力等因素的原因,研究工作存在不足,还需要解决的有以下几个方面:

1、本文所测试的只针对部分音符进行研究，并没有对全部音符进行检测，所以结论有些偏差。

2、计算机辅助的部分较少，下一步工作中会加入计算机软件的功能去实现全硬件检测。

1、L.R.拉宾纳,R.W.谢弗编著.朱雪龙翻译.语音信号数字处理[M].科学出版社，1987.78-90

2、潘阳.钢琴校音计算机软件的设计.2011.4

3、马英,石小荣,李海新等.基于CEP和LPC谱提取语音信号基音周期的方法[J].现代电子技术,2009,32(20): 150-15l,154.

4、张晓东、吴捷.文本文件的语音识别中汉语音节的特征分析.《巢湖学院学报》，2004-05-25

5、单伟.《无线互联科技》，2012-11-15