CN112634814A - 一种跟随音乐的led三维立体显示器的节奏控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跟随音乐的LED三维立体显示器的节奏控制方法，属于三维LED立体显示技术领域。节奏控制方法包括以下步骤：步骤一、对声音信号进行音乐采样；步骤二、对采样内容进行FFT离散傅里叶变换，提取出信号的频谱，进而得到音乐的节奏；步骤三、根据音乐的节奏，设置单片机节奏定时器，实现在音乐的重音位置产生定时器中断，并执行指定的LED显示效果，实现LED随音乐节奏显示或变动；步骤四、经过一小节音乐后返回步骤一。本方法可以自行识别音乐中的强弱音，并可以识别出每一拍由几个n分音符组成，按照灵活的n分音符节奏变化进行效果变化，从而呈现出丰富、富有层次、激情澎湃的音乐灯光效果。

Description

一种跟随音乐的LED三维立体显示器的节奏控制方法

技术领域

本发明涉及一种跟随音乐的LED三维立体显示器的节奏控制方法，属于三维LED立体显示技术领域。

背景技术

音乐灯光秀是在程序控制灯光的基础上加入了音乐控制***，计算机通过对音频信号的识别，进行译码和编码，最终将信号输出到控制***，使灯光的布局变化与音乐旋律变化保持同步，从而达到灯光及色彩的变化与音乐情绪的完美结合，反映音乐内涵及主题，实现音乐和灯光的统一，使灯光表演更加生动更加富有艺术性。

音乐灯光秀主要应用于大型广场、商场、主题公园、游乐场等表演场所，为人们增添一份美轮美奂的视觉和听觉的盛宴，是快节奏的城市生活夜间一项颇为浪漫闲适的娱乐项目。

当前的音乐灯光秀的音乐节奏识别算法均只能计算节奏，加上大概率推算音乐欲表达的情绪，例如震撼、思念、抒情、喜悦、激昂、悲哀、欢快、热烈等情感特征。当前没有一种算法能够给用户提供一种容易理解的方式，去设定一个三维显示器灯光秀在一个曲目中，按照灵活的n分音符节奏变化进行效果变化，从而呈现出更加丰富、更加富有层次、更加激情澎湃的音乐灯光效果。

发明内容

本发明的目的是提出一种跟随音乐的LED三维立体显示器的节奏控制方法，以解决现有技术中。

一种跟随音乐的LED三维立体显示器的节奏控制方法，所述节奏控制方法包括以下步骤：

步骤一、对声音信号进行音乐采样；

步骤二、对采样内容进行FFT离散傅里叶变换，提取出信号的频谱，进而得到音乐的节奏；

步骤三、根据音乐的节奏，设置单片机节奏定时器，实现在音乐的重音位置产生定时器中断，并执行指定的LED显示效果，实现LED随音乐节奏显示或变动；

步骤四、经过一小节音乐后返回步骤一。

进一步的，在步骤一中，具体包括以下步骤：

步骤一一、将接收到的声音信号经过ADC变为数字信号；

步骤一二、设置采样总时长为T，采样点数为N，计算得采样时间隔t＝T/N，即每隔t进行一次音乐声强采样，共采样N次。

进一步的，在步骤二中，具体包括以下步骤：

步骤二一、对采样内容进行FFT离散傅里叶变换，将时域信号变换到频域，并提取出信号的频谱；

步骤二二、得到频谱后比较得到峰值频率，根据采样频率f＝T/N，得到相邻两个重音之间的时间间隔，即音乐的节奏。

进一步的，在步骤三中，具体包括以下内容，

设置节奏数组：

节奏数组以a拍为一小节，若音乐有b个小节，则所述节奏数组中的数字元素个数为a×b，则LED三维显示屏的动画变化次数的总和为节奏数组中所有数字元素内容的总和，其中，设节奏数组中某个元素值为n，当n不为0时，则其指定的拍子由n个1/n拍音符组成，LED三维显示屏的画面即随音符变化而变化；当n为0时，则为断拍，LED三维显示屏的画面即保持不变；

实现方法：

在每次控制LED三维显示屏动画的定时器发生中断时，执行Modify_pSpeed_By_BeatArray函数，所述函数的作用是计算下一次动画效果距当前的时间差，然后修改定时器中断时长为该时间差，所述计算过程涉及到若干重要的变量如下：

pArray：动画效果所指定的节奏数组地址；pArray[i]是指该数组的第i个元素的内容；

iArrayNum：该节奏数组中的节拍数量；

iSum：当前动画的步数编号；

iStandSpeed：标准节奏值，即音乐中强音和弱音的间隔时长；

piSpeed：计算出的当前iSum编号下，下一次动画变化距本次变化的时间时隔值，

所述函数的执行方法如下：

步骤三一、对节奏数组元素进行遍历，从头开始，依次对前i个数组元素进行求和，直到该求和值iSumBefore大于或等于当前动画的步数编号iSum，此时的i值即为要进行进一步计算的元素编号；

步骤三二、若此时满足iSumBefore>iSum，则表示目前在节奏数组中某个非0元素的停留计算，此时只需要将速度值设置为标准间隔值除以当前数组元素的商，即piSpeed＝iStandSpeed/pArray[i]；

步骤三三、若此时满足iSumBefore＝iSum，则表示节奏数组前i个元素的和，正好等于步数值，此时需要计算该节奏数组第i个元素后面到下一个非0元素值之间，是否仍有元素0，设元素0的数量为iZeroNum，计算分两种情况考虑：

iZeroNum＝0，即节奏数组的第i+1个元素是非0，则此时速度值的计算同步骤2，即piSpeed＝iStandSpeed/pArray[i]；

iZeroNum>0，即节奏数组从第i+1个元素至i+iZeroNum个元素均是0，则下一次变化需要经历iZeroNum个节拍之后，即piSpeed＝iStandSpeed*iZeroNum。

本发明的主要优点是：本发明的一种跟随音乐的LED三维立体显示器的节奏控制方法，不需要人为根据音乐去编排三维LED灯的灯光及色彩变化，本方法可以自行识别音乐中的强弱音，并可以识别出每一拍由几个n分音符组成，并依据识别结果去自动设定一个三维显示器灯光秀在一个曲目中，按照灵活的n分音符节奏变化进行效果变化，从而呈现出更加丰富、更加富有层次、更加激情澎湃的音乐灯光效果。

附图说明

图1是本发明的一种跟随音乐的LED三维立体显示器的节奏控制方法的方法流程图；

图2是傅里叶信号时域向频域变化的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

傅里叶变换算法能够将声音信号变换到频域。这些信号在时域上是非常难看出特征，如果变换到频域之后，往往能够挖掘到相应的规律信息，频域中模值最大的信号频率即为音乐中的节拍频率。通过单片机将采集到的音频信号进行傅里叶变换，生成其所对应的包络信号，从而确定音乐重音的起点位置与节奏。音乐节奏识别流程如下：

参照图1所示，一种跟随音乐的LED三维立体显示器的节奏控制方法，所述节奏控制方法包括以下步骤：

步骤一、对声音信号进行音乐采样；

步骤二、参照图2所示，对采样内容进行FFT离散傅里叶变换，提取出信号的频谱，进而得到音乐的节奏；

步骤三、根据音乐的节奏，设置单片机节奏定时器，实现在音乐的重音位置产生定时器中断，并执行指定的LED显示效果，实现LED随音乐节奏显示或变动；

步骤四、经过一小节音乐后返回步骤一，以防止音乐出现变奏的情况，实时进行节奏计算。

进一步的，在步骤一中，具体包括以下步骤：

步骤一一、将接收到的声音信号经过ADC变为数字信号；

步骤一二、设置采样总时长为T，采样点数为N，计算得采样时间隔t＝T/N，即每隔t进行一次音乐声强采样，共采样N次。

具体的，音乐中的重音主要就是乐曲中声强较大的音，是构成节奏的主要音符，最常见的是鼓声。一般重音较明显的音乐，强音(咚)与次强音(哒)之间的时间间隔约0.5–1秒，在本实施例中，采样时间选取4个拍子的时间，约2–4秒。因为需要尽快计算出节奏，所以算法设置采样总时长T为2秒，采样点数N为128点，计算得采样时间隔t＝T/N＝2秒/128＝15.625毫秒，即每隔15.625毫秒进行一次音乐声强采样，共采样128次。

进一步的，在步骤二中，具体包括以下步骤：

步骤二一、对采样内容进行FFT离散傅里叶变换，将时域信号变换到频域，并提取出信号的频谱；

步骤二二、得到频谱后比较得到峰值频率，根据采样频率f＝T/N，得到相邻两个重音之间的时间间隔，即音乐的节奏。

进一步的，在步骤三中，具体包括以下内容，

设置节奏数组：

节奏数组以a个元素数字，即以a拍为一小节，若音乐有b个小节，则所述节奏数组中的数字元素个数为为a×b个，则LED三维显示屏的动画变化次数的总和为节奏数组中所有数字元素内容的总和，其中，设节奏数组中某个元素值为n，当n不为0时，则其指定的拍子由n个1/n拍音符组成，LED三维显示屏的画面即随音符变化而变化；当n为0时，则为断拍，LED三维显示屏的画面即保持不变；

在本具体实施例中，

实现方法：本发明创新采用控制数组来控制三维立体显示器的动画节奏变化。计算出该曲音乐的基本节奏间隔，即音乐中强音和弱音之间的时长，把该时长指定为“标准间隔”，即“一个节拍”。

将该节拍值，除以n即得1/n拍，n值越大，变化速度越快。例如常见的节拍值如下：除以2即得1/2拍，除以3即得1/3拍，除以4即得1/4拍，除以8即得1/8拍，除以16即得1/16拍。

本实施例的节奏数组以8个数字(即8拍)为一小节，视音乐节小节量不同可以灵活设置数组的长度。例如音乐由16个小节，即16个8拍组成，则该数组的数字元素为16*8＝128个，数组的元素个数总和即为三维立体显示器的动画变化次数总和。数组中每个数字n表示对该小节拍拆分成n个1/n音符，例如，取一个节奏数组中的一小节，每一个“咚”或者“哒”均是一次三维显示器的动画变化时间点，其取值与对应的内容如下：

{1,1,1,2,1,1,1,2}，其动画变化节奏为“咚，哒，咚，哒哒，咚，哒，咚，哒哒”；

{1,1,2,1,2,2,2,1}，其动画变化节奏为“咚，哒，咚咚，哒，咚咚，咚咚，咚咚，哒”；

{3,1,3,1,2,2,3,1,}，其动画变化节奏为“咚咚咚，哒，咚咚咚，哒，咚咚，咚咚，咚咚咚，哒”。

如果某个数组元素的值为0，则表示该节拍不做动画变化，即做一个断拍处理，实现在节奏中某个点对某个画面的停顿处理，以增强视觉的冲击力。

例如，如果计算得一个节拍的间隔时长为1秒钟，则数组取值与对应的内容如下：

{4,0,4,0,4,0,0,0}，其动画变化节奏为：第一个节拍(第一个1秒钟)切分成4个1/4音符，第二个节拍断拍(画面静止1秒钟)，第三个节拍切分成4个1/4音符，第四个节拍断拍，第五个节拍切分成4个1/4音符，第6、7、8个节拍断拍(画面静止3秒钟)。具体如下：每1/4秒变化一次，变化4次后，静止画面1秒钟；每1/4秒变化一次，变化4次后，静止画面1秒钟；每1/4秒变化一次，变化4次后，静止画面3秒钟。

实现方法：

在每次控制LED三维显示屏动画的定时器发生中断时，执行Modify_pSpeed_By_BeatArray函数，所述函数的作用是计算下一次动画效果距当前的时间差，然后修改定时器中断时长为该时间差，所述计算过程涉及到若干重要的变量如下：

pArray：动画效果所指定的节奏数组地址；pArray[i]是指该数组的第i个元素的内容；

iArrayNum：该节奏数组中的节拍数量；

iSum：当前动画的步数编号；

iStandSpeed：标准节奏值，即音乐中强音和弱音的间隔时长；

piSpeed：计算出的当前iSum编号下，下一次动画变化距本次变化的时间时隔值，

所述函数的执行方法如下：

步骤三一、对节奏数组元素进行遍历，从头开始，依次对前i个数组元素进行求和，直到该求和值iSumBefore大于或等于当前动画的步数编号iSum，此时的i值即为要进行进一步计算的元素编号；

步骤三二、若此时满足iSumBefore>iSum，则表示目前在节奏数组中某个非0元素的停留计算，例如{4,0,0,0}数组中的i＝1、i＝2、i＝3的情况，此时只需要将速度值设置为标准间隔值除以当前数组元素的商，即piSpeed＝iStandSpeed/pArray[i]；

步骤三三、若此时满足iSumBefore＝iSum，则表示节奏数组前i个元素的和，正好等于步数值，此时需要计算该节奏数组第i个元素后面到下一个非0元素值之间，是否仍有元素0，设元素0的数量为iZeroNum，计算分两种情况考虑：

iZeroNum＝0，即节奏数组的第i+1个元素是非0，则此时速度值的计算同步骤2，即piSpeed＝iStandSpeed/pArray[i]；

iZeroNum>0，即节奏数组从第i+1个元素至i+iZeroNum个元素均是0，则下一次变化需要经历iZeroNum个节拍之后，即piSpeed＝iStandSpeed*iZeroNum。

具体的，在该实现算法中有以下几个重要参数需要使用到：

Claims (4)

1.一种跟随音乐的LED三维立体显示器的节奏控制方法，其特征在于，所述节奏控制方法包括以下步骤：

步骤一、对声音信号进行音乐采样；

步骤二、对采样内容进行FFT离散傅里叶变换，提取出信号的频谱，进而得到音乐的节奏；

步骤三、根据音乐的节奏，设置单片机节奏定时器，实现在音乐的重音位置产生定时器中断，并执行指定的LED显示效果，实现LED随音乐节奏显示或变动；

步骤四、经过一小节音乐后返回步骤一。

2.根据权利要求1所述的一种跟随音乐的LED三维立体显示器的节奏控制方法，其特征在于，在步骤一中，具体包括以下步骤：

步骤一一、将接收到的声音信号经过ADC变为数字信号；

步骤一二、设置采样总时长为T，采样点数为N，计算得采样时间隔t＝T/N，即每隔t进行一次音乐声强采样，共采样N次。

3.根据权利要求1所述的一种跟随音乐的LED三维立体显示器的节奏控制方法，其特征在于，在步骤二中，具体包括以下步骤：

步骤二一、对采样内容进行FFT离散傅里叶变换，将时域信号变换到频域，并提取出信号的频谱；

步骤二二、得到频谱后比较得到峰值频率，根据采样频率f＝T/N，得到相邻两个重音之间的时间间隔，即音乐的节奏。

4.根据权利要求1所述的一种跟随音乐的LED三维立体显示器的节奏控制方法，其特征在于，在步骤三中，具体包括以下内容，

设置节奏数组：

节奏数组以a拍为一小节，若音乐有b个小节，则所述节奏数组中的数字元素个数为a×b，则LED三维显示屏的动画变化次数的总和为节奏数组中所有数字元素内容的总和，其中，设节奏数组中某个元素值为n，当n不为0时，则其指定的拍子由n个1/n拍音符组成，LED三维显示屏的画面即随音符变化而变化；当n为0时，则为断拍，LED三维显示屏的画面即保持不变；

实现方法：

在每次控制LED三维显示屏动画的定时器发生中断时，执行Modify_pSpeed_By_BeatArray函数，所述函数的作用是计算下一次动画效果距当前的时间差，然后修改定时器中断时长为该时间差，所述计算过程涉及到若干重要的变量如下：

pArray：动画效果所指定的节奏数组地址；pArray[i]是指该数组的第i个元素的内容；

iArrayNum：该节奏数组中的节拍数量；

iSum：当前动画的步数编号；

iStandSpeed：标准节奏值，即音乐中强音和弱音的间隔时长；

piSpeed：计算出的当前iSum编号下，下一次动画变化距本次变化的时间时隔值，

所述函数的执行方法如下：

步骤三一、对节奏数组元素进行遍历，从头开始，依次对前i个数组元素进行求和，直到该求和值iSumBefore大于或等于当前动画的步数编号iSum，此时的i值即为要进行进一步计算的元素编号；

步骤三二、若此时满足iSumBefore>iSum，则表示目前在节奏数组中某个非0元素的停留计算，此时只需要将速度值设置为标准间隔值除以当前数组元素的商，即piSpeed＝iStandSpeed/pArray[i]；

步骤三三、若此时满足iSumBefore＝iSum，则表示节奏数组前i个元素的和，正好等于步数值，此时需要计算该节奏数组第i个元素后面到下一个非0元素值之间，是否仍有元素0，设元素0的数量为iZeroNum，计算分两种情况考虑：

iZeroNum＝0，即节奏数组的第i+1个元素是非0，则此时速度值的计算同步骤2，即piSpeed＝iStandSpeed/pArray[i]；

iZeroNum>0，即节奏数组从第i+1个元素至i+iZeroNum个元素均是0，则下一次变化需要经历iZeroNum个节拍之后，即piSpeed＝iStandSpeed*iZeroNum。

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