音乐频谱的圆形可视化系统及方法

摘要

本发明提供一种音乐频谱的圆形可视化系统及方法，该系统包括音乐信号获取模块、傅里叶变换模块、频段分割模块、绑定模块、视频渲染模块、合成播放模块，傅里叶变换模块用于将音乐信号进行频域变换，确定能量较集中的频率区域，并均分为N个频段，频段分割模块将信号划分为N个频带互相衔接但不重叠的频段信号，绑定模块将频段信号与不同半径的N个同心圆环一一对应绑定，延径向频率依次增加。每环都有一定宽度，且从环的正上方开始延顺时针方向划分刻度，代表本频段内频率增加的方向，圆环各处的宽度与该处对应频率分量的幅值绑定。本发明将音乐频谱可视化，是将音乐的频谱以多层彩色、宽度随音乐变化的圆环形式进行可视化。

主权项

一种音乐频谱的圆形可视化系统，其特征在于，其包括：音乐信号获取模块，主要由声音传感器、模拟数字转换器两部分构成，功能分别是将声音物理量转换为模拟电量、将模拟电量转换为数字电量，以便导入计算机进一步处理；傅里叶变换模块，主要通过在Matlab平台编程实现，包括快速傅里叶变换程序、频谱能量阈值设定程序、频率范围及频段宽度计算程序、N个频段上、下限计算程序，功能分别是对音乐信号获取模块获取的数字音乐信号进行快速傅里叶变换，画出频谱图；确定整个频谱中能量较集中的频率范围f_上~f_下；计算W=（f_上‑f_下）/N，W为每个频段的宽度；计算每个频段的上、下限，如：第一频段的上、下限为f_上~f_上+W, 第二频段的上、下限为f_上+W~f_上+2*W；这些数据将作为后级各频段滤波器的上、下截止频率；频段分割模块，由N个带宽为W的数字带通滤波器构成，N为自然数，功能是将整个音乐信号划分为频带互相衔接但不重叠的N个频段信号，每一个带通滤波器的上、下截止频率就是前级得到的对应频段的上、下限频率；傅里叶变换模块将音乐信号由时域转换到频域，在其频谱图上确定出能量较集中的频率区域，该区域上、下限对应的频率分别称为f_上和f_下；再通过（f_上‑f_下）/N =W将该区域均分为N个频段，每个频段的宽度为W，进而可推出每个频段的上、下限，做为后级各带通滤波器的设计参数；N个带宽为W的带通滤波器的截止频率分别是前述得到的N个频段的上、下限频率；音乐信号通过这样的N个并行滤波器后被划分为频带互相衔接但不重叠的N个频段信号；绑定模块将N个频段信号与N个不同半径的同心圆环一一对应绑定，内环对应低频段，外环对应高频段，且每层圆环还都有一定宽度，每个圆环从正上方开始、延顺时针方向设置三百六十个刻度，将对应频段中的所有频率分量由低到高均匀分布在该圆环的三百六十个刻度上，将频率分量幅度与所在刻度处环的宽度绑定，即每个刻度处的环厚度代表该处对应的频率分量的振幅，当播放时，每个频段中的频率分量幅度都会随时间发生变化，这个变化将直接反应到对应圆环的对应刻度处的厚度变化上；同时各环的颜色根据“颜色与音调的对应关系”设定，即暖色对应高音调，冷色对应低音调，最外环频率最高，用红色表示，最内环频率最低，用蓝色表示，从而间接将音调与人的情绪联系起来；绑定模块，绑定模块共有N组，均由三部分组成：频段与圆环绑定部分、颜色与圆环绑定部分、刻度与频率分量幅度绑定部分；这三部分是通过后期特效制作软件中的不同“表达式”实现的；具体地，首先在后期特效制作软件中制作N个同心圆环,每环都有一定宽度，各环的颜色根据颜色与音调的对应关系设定，即暖色对应高音调，冷色对应低音调，最外环频率最高，用红色表示，最内环频率最低，用蓝色表示，然后一一绑定；接着利用后期特效制作软件中的表达式功能将前述频段信号与对应的同心圆环一一绑定，低频段对应内环，高频段对应外环；最后还要将每个圆环从正上方开始、延顺时针方向设置三百六十个刻度，将某频段中的所有频率分量由低到高均匀分布在该频段对应的圆环的三百六十个刻度上，并利用表达式绑定，每个刻度处的环宽度代表该处对应的频率分量的振幅，当播放时，频段内各频率分量的幅度都会随时间发生变化，这个变化将直接反应到对应圆环的宽度变化上；视频渲染模块，主要完成可视化所需每帧视频数据的预计算及存储功能，合成播放模块则将渲染后的视频信号与原音乐信号进行时间对准并播放，这样可以避免由于视频信号每帧数据量巨大，实时处理时会造成视频播放不流畅的问题；具体是通过后期特效制作软件中的渲染功能完成的，根据上述绑定模块的各项绑定内容进行数据计算，将计算所得数据先存储于内存，以备播放时调用；合成播放模块，主要由视、音频合成及视、音频播放两部分组成，合成的功能是将音乐信号与渲染后的视频信号进行时间对准，是利用后期特效制作软件中的视音频合成功能实现的；播放的功能则是将视频、音频数据分别送至显示设备及扬声器设备。