CN106304539B - 一种基于节奏跟随的音乐彩灯控制器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于节奏跟随的音乐彩灯控制器设计方法。本发明采用了基于波形能量变化特性检测的音乐节奏提取算法并设计了声学特征与彩灯颜色空间映射关系模型对音频信号进行处理，通过短时能量极值判断达到音乐节奏检测效果，获取音乐节奏的时间点信息。在音乐节奏出现的时间点处，对该时间点处的短时信号进行频谱分析和处理，获取实时的声波能量和频域特征参数，分别建立音高与颜色域、音色与饱和度，音强与亮度的映射关系模型，改变彩灯颜色为音频波形在该点处的频域信息转换得到的色彩，实现彩灯颜色变化与音乐节奏变化同步。本发明在彩灯驱动中采用颜色渐变机制，实现灯光效果的柔和变换。

Description

一种基于节奏跟随的音乐彩灯控制器设计方法

技术领域

本发明属于智能情景照明领域，涉及一种基于音乐节奏跟随和声学特征分析的用于智能情景照明中无线控制端的音乐彩灯控制器设计方法。

背景技术

智能情景照明是指在智能照明***环境下，通过无线控制设备(遥控器，手机应用等)对灯光的开关、亮度和颜色等进行调节，实现不同场景下的不同的灯光效果。

智能情景灯饰通常采用LED光源。常用的情景照明有音乐灯光效果，灯光随着音乐而变化。实现音乐彩灯灯光效果，需要使用音乐彩灯控制器。音乐彩灯控制器是一种播放音乐时实时调节彩灯的设备。目前常见的音乐彩灯控制器的实现方式包括两种：一种是根据特定的音乐，人工编排彩灯颜色变化序列，然后在播放音乐时按照设定的颜色序列改变彩灯颜色，这种方法可以实现较好的彩灯颜色变化效果，但是需要对不同歌曲分别编排不同的颜色变化序列，这需要消耗大量的时间和人力成本。另一种方法是播放音乐时定时改变彩灯颜色，这种方法操作比较简单，实现也比较容易，但是彩灯灯光变化效果与音乐旋律变化和节奏感之间的协调性较差。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供涉及一种基于音乐节奏跟随和声学特征分析的用于智能情景照明中无线控制端的音乐彩灯控制器设计方法。

本发明中的信号数据为音频波形数据，其调制方式为PCM（Pulse CodeModulation），其中音频的PCM数据可由各种编码格式的音频文件解码得到。

1、对于得到的音频波形信号数据进行短时分析，即分成一段一段来处理，每一段信号称为一帧，获取每一帧的短时能量和音高音色等声学信息。

2、根据相邻几帧之间的信号能量的变化，判断一帧信号所在的时间点是否为节奏点。

3、对每一帧信号经过BPF（Band Pass Filter）进行滤波，滤除人耳能听到的频率范围之外的频率分量，然后进行基频和共振峰提取分析，得到声音的音强、音高和音色信息。建立声音基本声学特征到HSV颜色空间的映射关系模型。将转换得到的HSV颜色信息转换为RGB颜色信息，通过无线网络发送到彩灯，改变彩灯颜色。

本发明的有益效果：本发明采用音乐节奏提取，声学特征与HSV颜色空间映射关系模型，颜色空间转换，RGB彩灯渐变响应。实现彩灯颜色变化跟随音乐节奏，伴随音乐节奏速率的变化，彩灯颜色变化速率随之改变。彩灯颜色与声音的听觉特性相协调，音乐不同的音调使用彩灯不同的颜色表现。音乐的响度使用彩灯亮度来表现，音色特征使用彩灯颜色的饱和度来区分。采用基于能量峰谷值检测的节奏提取算法，根据节奏变化来调节彩灯颜色改变的速率。自适应不同音乐节拍类型和音调构成，无需针对特定音乐人工预编排彩灯颜色，同时也解决了传统音乐彩灯节奏感和视听协调程度较差的难题。

附图说明

图1为本发明的方法基本流程框图；

图2为本发明的声学特性与颜色映射关系示意框图；

图3为本发明的实施例中设计的声音基频与色调值H的函数关系曲线；

图4为本发明的实施例的信息流示意框图；

图5为本发明的实施例中的彩灯响应延时分析示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1所示为音乐彩灯控制器设计的基本流程框图。从音频文件中获得音乐的波形后，对波形信号进行短时分析，将信号分段处理，每一段信号称为一帧。每一帧的时长相等，长度为20~100ms。计算每一帧的能量和，通过一帧与其相邻几帧之间能量变化的比较，判断这一帧信号所在的时间点是否为音乐的节拍点或者节奏周期端点。设第n帧信号的能量为En，一个较好的节拍点判别公式如下：

若E _n 满足上式中的条件，则第n帧信号所在的时间点判定为一个节拍点。节奏周期不仅包含节拍点，还有节奏端点，端点是一个节奏周期结束或另一个节奏周期开始的时间点。一个较好的节奏周期端点判别公式如下：

若E _n 满足上式中的条件，则将第n帧信号所在的时间点判定为一个节奏周期端点，此时一个节奏周期已经结束，下一个节奏周期即将开始。

提取节拍点处的声音波形信号的短时能量、基频和各阶次的泛音频率分布，分别得到音强，音高和音色等声音的基本声学信息。对于得到的声学特征参数，通过图2所示的映射关系模型，转换为颜色参数。将颜色数据通过无线网络发送到彩灯节点，触发彩灯颜色变化。

如图2所示为声音基本特性与彩灯色彩的映射关系示意图。首先将音强、音色和音高特征与HSV颜色空间建立映射关系，其中音强对应色调H，音色对应饱和度S，音高对应亮度V。音强用声波的振幅表征，音高用声音信号的基频表示，音色用声音信号不同阶次的泛音强度的差异来区分。声学特征参数转换为HSV颜色参数后，进行颜色空间转换，将HSV颜色参数转换为RGB数值。色调值H不能随便设置，要与声音音高参数联合考虑，一个较好的参考关系公式如下：

式中f _m 为这一帧信号的基音频率，f _M 为本实施例中设定基频最大值。利用人耳对低频段频率变化敏感、对高频段频率变化区分能力较弱的特性，将色调与频率之间变化关系设计为基频越低时色调变化随基频变化越明显，而基频越高色调随频率变化越平缓。如图3所示为声音基频与色调H的映射函数关系曲线。饱和度S与泛音频率分布情况需要联合考虑，一个比较好的参考关系如下：

式中A₀为基音频率对应幅度。A_n为第n阶泛音频率对应幅度,不同阶次的泛音强度分布的差异，A₀和A_n可通过信号的幅频特性分析得到。亮度值V需要与音乐的音强联合考虑，一个比较好的参考关系如下：

式中Amp为该段信号的振幅，振幅可以表征音强的大小。采用正弦关系可以使得声音音强变化时彩灯亮度在一定区间内变化较为明显，获得良好的变化效果。

如图4所示为音乐彩灯控制器程序的信息流示意图。首先从MP3音频文件中，解码得到该音乐的PCM波形数据，保存到数据缓冲区，等待处理。缓冲区的PCM波形数据，需要做双重处理，一方面需要短时分析，对PCM波形信号分帧后获取每一帧信号的能量和频率信息并提取声学特征参数，通过图2所示的映射关系模型转换为颜色数据，并按时序保存。另一方面需要发送到播放器，通过音频设备播放。在音乐播放过程中，以短时信号的帧长为时间间隔，定时获取音乐播放进度，并通过节奏判断程序判断该时间点处是否为节奏周期中的节拍点或者端点，在节拍点所在的时间点，将彩灯颜色改变为该时间点处的帧信号映射得到的颜色。在节奏端点所在的时间点，只改变彩灯HSV颜色值中的V值，即只改变彩灯亮度。

图5所示为本实施例中彩灯响应延时分析示意图。响应延时是指彩灯颜色变化进度与音乐播放进度之间存在的时间差，可能导致响应延时的因素包括信号采样统计与处理耗时，网络传输响应耗时，节点响应耗时和彩灯颜色渐变响应耗时。本实施例中可以将解码操作提前进行，以保证音乐播放过程中能及时得到当前播放进度对应的彩灯颜色数据。在音乐播放到某一帧所在时间点时，还需要将该时间点之后的几帧数据解码并处理得到所需的特征数据，用于节奏判断。在得到节奏点所在的时间信息后，根据总的延时情况提前一定时间发送相应的彩灯颜色数据，从而保证彩灯颜色变化与音乐节奏同步。

Claims (4)

1.一种基于节奏跟随的音乐彩灯控制器设计方法，该方法中的音乐信号为音乐的PCM波形数据，采用短时信号分析的方式，获取音乐信号短时的能量和频率特性，通过设定的映射关系转换为彩灯的颜色，并通过无线网络发送到彩灯，改变彩灯颜色，其特征在于：

(1)对于音乐的PCM波形数据，进行短时处理，分成每段长度相等的小段信号，称为一帧，长度范围为20~100ms；获取每一小段的短时能量和频率特性数据并按时序保存；

(2)采用短时能量相对变化情况分析的方式提取音乐的节奏特征，得到音乐信号中各个节奏周期中节拍点和节奏端点所在的时间点，并在节拍点出现的时间点改变彩灯颜色，在节奏端点出现的时间点只改变彩灯亮度；

（3）音乐不同时刻的音强、音高和音色特性与彩灯在不同时刻的彩灯颜色HSV建立映射关系；其中音高与HSV颜色空间中的色调值H关联，音色与饱和度值S关联，音强与亮度值V关联；

（4）在音乐开始播放之前，首先检测彩灯响应延时，根据延时情况适时调整颜色改变指令的发送时间，实现彩灯颜色与音乐特性的实时同步。

2.根据权利要求1所述的一种基于节奏跟随的音乐彩灯控制器设计方法，其特征在于：色调值H的映射关系：

式中f _m 为帧信号的基音频率，f _M 为设定的基频最大值。

3.根据权利要求1所述的一种基于节奏跟随的音乐彩灯控制器设计方法，其特征在于：饱和度值S的映射关系：

式中A₀为基音频率对应幅度，A_n为第n阶泛音频率对应幅度。

4.根据权利要求1所述的一种基于节奏跟随的音乐彩灯控制器设计方法，其特征在于：亮度值V的映射关系：

式中Amp为帧信号的振幅。