Luận Văn Nhận dạng bản nhạc dựa trên việc phân tích ký âm

Đồ án tốt nghiệp
Đề tài: Nhận dạng bản nhạc dựa trên việc phân tích ký âm


MỤC LỤC
Contents
PHẦN I : GIỚI THIỆU CHUNG . 4
1. Giới thiệu chung .4
2. Đặt vấn đề 4
3. Chủ đề luận án 4
4. Phạm vi luận án Error! Bookmark not defined.
PHẦN II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7
CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ 7
1.1. Tín hiệu số .7
1.2. Xử lý tín hiệu số (DSP- Digital signal processing) .8
Chương 2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ÂM THANH SỐ .18
2.1. Âm thanh và đặc tính của âm thanh 18
2.2. Âm thanh số 19
2.3. Định dạng dữ liệu 21
2.4. Khuôn dạng lưu trữ .23
Chương 3. KHUÔN DẠNG LƯU TRỮ TỆP ÂM THANH .29
3.1. File định dạng Wave (*.wav) 29
3.2. File định dạng MIDI (*.mid) .33
PHẦN III : GIẢI PHÁP XỬ LÝ .39
Chương 4. XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU 39
4.1. Cơ sở lý thuyết 39
4.2. Cấu trúc file *.3t 40
4.3. Xây dựng cơ sở dữ liệu 41
Chương 5. BIẾN ĐỔI FFT VÀ PHÂN TÍCH PHỔ 44
5.1. Biến đổi FFT .44
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NHẬN DẠNG BẢN NHẠC DỰA TRÊN PHÂN TÍCH KÝÂM
3
5.2. Phân tích phổ .46
Chương 6. RÚT TRÍCH KÍ ÂM VÀ NHẬN DẠNG TÊN BÀI HÁT 48
6.1. Rút trích kí âm .48
6.2. Nhận dạng tên bài hát 50
PHẦN IV: THIẾT KẾ VÀ CÀI ĐẶT CHƯƠNG TRÌNH .56
Chương 7 . PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 56
7.1. Khái quát chức năng 56
7.2. Cơ chế thực hiện .56
Chương 8. CÀI ĐẶT CHƯƠNG TRÌNH 59
8.1. Truy cập file wave .59
8.2. Truy cập file midi .61
8.3. Cài đặt thuật toán FFT Cooley-Tookey 63
8.4. Phân tích phổ tần số 66
8.5. Nhận dạng bài hát 69
Chương 9. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG .71
9.1. Giao diện chương trình .71
9.2. Tùy chọn chức năng 74
ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG TRÌNH .75
1. Đánh giá chương trình 75
2. Hướng phát triển 76
3. Kết luận 77
Phụ lục A. GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ .79
Phụ lục B. TÀI LIỆU THAM KHẢO .80
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NHẬN DẠNG BẢN NHẠC DỰA TRÊN PHÂN TÍCH KÝÂM
4
PHẦN I : GIỚI THIỆU CHUNG
1. Giới thiệu chung
Cùng với sự phát triển của cuộc cách mạng khoa họcvà công nghệ đang diễn ra một
cách sôi động, chúng ta đang tiến dần tới thế giới của sự số hoá. Với các ưu điểm của xử lý
số, nhanh gọn, chính xác với chất lượng cao, mọi lĩnh vực hoạt động của xã hội loài người,
nhất là các ngành trong các lĩnh vực giải trí, thông tin liên lạc, phát thanh truyền hình . đều
tiến tới việc áp dụng một cách đồng bộ và có hiệu quả các công cụ cũng như các phép xử lý
số. Trong đó, âm thanh là một lĩnh vực đặc biệt quan trọng, đây là một phương thức dùng để
trao đổi cũng như cảm nhận tin, không chỉ là tiếng nói, bản nhạc mà đó là tất cả các âm mà
ta cảm nhận được trong cuộc sống hàng ngày, do đó, lĩnh vực về âm thanh không thể nằm
ngoài xu hướng phát triển chung mà còn cần sự nghiên cứu sâu hơn nữa.
2. Đặt vấn đề
Với âm thanh số, bằng việc lưu trữ âm thanh dưới dạng các dãy số, chúng ta đạt được
yêu cầu về tốc độ truyền cũng như về khối lượng lưutrữ và độ trung thực khi nó được phát
lại. Do vậy, ngoài các phương tiện sử dụng kỹ thuật số, như camera số, thiết bị ghi số, điện
thoại số . với chất lượng cao, thì những âm thanh tương tự được ghi từ micro với các nhạc
cụ truyền thống đều được chuyển đổi sang dạng số hoá.
Về xử lý tín hiệu số, ngày nay các kỹ thuật xử lý tín hiệu số gần như đã được hoàn
thiện, cả về lý thuyết và ứng dụng thực tiễn, xử lýtín hiệu số ứng dụng của nó là hầu như ở
rất nhiều lĩnh vực, trong âm nhạc, quốc phòng an ninh, địa chất dự đoán động đất,
Trước những nền tảng đã có, thì việc xây dựng các ứng dụng áp dụng kỹ thuật xử lý
tín hiệu số tác động lên file âm thanh số không phải là hiếm, nó đã được nhiều tổ chức, cá
nhân nghiên cứu và cũng đã cho ra trên thị trường nhiều phần mềm hữu ích phục vụ cho
một số công việc, chức năng cụ thể.
3. Chủ đề luận văn
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NHẬN DẠNG BẢN NHẠC DỰA TRÊN PHÂN TÍCH KÝÂM
5
Trên cơ sở lý thuyết đã có, nhận xét rằng nội dung một bản nhạc là bao gồm tập các
nốt nhạc (ký âm) được bố trí theo trật tự trong khuôn nhạc, kèm theo là những ký hiệu mô tả
cho giai điệu, nhịp, phách, của bản nhạc đó.
Hình minh họa: một bản nhạc gồm tập các nốt nhạc.
Dựa trên tập nốt nhạc trong bản nhạc, các nhạc cụ được dùng khi phát một bản nhạc
sẽ tạo thành một sóng âm thanh trong không khí mà tai người cảm nhận được, các thiết bị
điện tử dùng kỹ thuật lấy mẫu và lượng tử hóa lưu sóng âm đó vào trong máy tính.
Hình minh họa: file nhạc mô tả sóng âm của bản nhạc được phát.
Âm thanh đã được số hóa, bằng cách áp dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu số trên file
âm thanh này, phân tích ngược tìm lại các nốt nhạc của bản nhạc gốc ban đầu. Kết quả được
đem so sánh với cơ sở dữ liệu gồm các bản nhạc để tìm ra tên bài hát. Đây chính là nội dung
mà luận văn sẽ trình bày.
Vậy với đề tài: “Nhận dạng bản nhạc dựa trên việc phân tích ký âm” thì nhiệm vụ
chính là đi tìm hiểu lại các kỹ thuật xử lý tín hiệu số, và cấu trúc định dạng của một vài định
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NHẬN DẠNG BẢN NHẠC DỰA TRÊN PHÂN TÍCH KÝÂM
6
dạng âm thanh số được lưu trữ trong máy tính, ưu nhược điểm của chúng. Sau đó sẽ xây
dựng một chương trình sử dụng ngôn ngữ lập trình C#) nhận dạng một bản nhạc cụ thể.
Nội dung chính sẽ đề cập đến những phần sau:
- Xây dựng cơ sở dữ liệu bao gồm các file 3t từ file midi.
- Áp dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DFT), cụ thể dùng thuật toán biến đổi nhanh FFT,
tác động lên dữ liệu đầu vào là file thu âm, phân tích phổ đầu ra tìm tần số cơ bản.
- Nhận dạng tìm tên bài hát dựa trên cơ sở dữ liệu và mảng các tần số cơ bản thu được.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NHẬN DẠNG BẢN NHẠC DỰA TRÊN PHÂN TÍCH KÝÂM
7
PHẦN II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ
1.1. Tín hiệu số
1.1.1. Định nghĩa tín hiệu
Tín hiệu là biểu hiện vật lý của thông tin.Về mặt toán học tín hiệu được coi là hàm
của một hay nhiều biến độc lập.
Ví dụ: Tín hiệu âm thanh là sự biến thiên của áp suất theo thời gian P(t) hoặc cũng
có thể coi tín hiệu âm thanh là sự biến thiên áp suất theo không gian P(x,y,z).
1.1.2. Phân loại tín hiệu
a. Phân loại theo biến độc lập:
- Tín hiệu liên tục theo thời gian: là tín hiệu có biến thời gian liên tục (nhận mọi
giá trị trong một khoảng giá trị nào đó).
- Tín hiệu rời rạc: là tín hiệu có biến độc lập thời gian chỉ nhận một số giá trị(Ví
dụ: Các chỉ số thị trường chứng khoán, các số liệu khí tượng ). Nghĩa là tín hiệu có
thể biểu diễn bằng một dãy số, hàm tín hiệu chỉ có giá trị xác định ở những thời điểm
nhất định. Tín hiệu rời rạc (còn được gọi là tín hiệu lấy mẫu) thu được bằng cách lấy
mẫu tín hiệu liên tục.
b. Phân loại theo biên độ:
- Tín hiệu liên tục theo biên độ: là tín hiệu mà hàm biên độ nhận bất kỳ giá trị
nào. Ví dụ: Hàm x(t) = sin(t) nhận mọi giá trị trong khoảng [-1,1].
- Tín hiệu rời rạc theo biên độ hay còn gọi là tín hiệu được lượng tử hoá: là tín
hiệu mà hàm biên độ chỉ nhận các giá trị nhất định.Ví dụ: x(t) = 0 với t < 0 và x(t)
= 1 với t ≥ 0.
1.1.3. Định nghĩa tín hiệu số
Từ đó ta có định nghĩa tín hiệu số: Tín hiệu số (Digital Signal) là tín hiệu có biên độ
và thời gian rời rạc
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NHẬN DẠNG BẢN NHẠC DỰA TRÊN PHÂN TÍCH KÝÂM
8
t
x
3
2
-1
0
1
-2
-3
Hình 1.1 –Tín hiệu số
1.1.4. Hệxửlý tín hiệu
ư Một hệ thống xử lý tín hiệu sẽ xác lập mối quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra:
y = T[x].
Hình 1.2 –Mô hình một hệ xử lý
ư Phân loại hệ xử lý theo tín hiệu vào và tín hiệu ra:
+ Hệ rời rạc: là hệ xử lý tín hiệu rời rạc.
+ Hệ tương tự: là hệ xử lý tín hiệu tương tự.
1.2. Xử lý tín hiệu số (DSP- Digital signal processing)
Xử lý tín hiệu số là việc xử lý trên những tín hiệuđã được biểu diễn dưới dạng chuỗi
số. Các phép xử lý DSP chuẩn cơ bản là : FFT, lọc, decimation, interpolation (nội suy),
convolution (tích chập),
Việc phân tích và thiết kế của các hệ thống tuyến tính đã được thực sự đơn giản hóa
bởi các phép biểu diễn trong miền tần số của cả tínhiệu và hệ thống. Trong đó biến đổi
Fourier đóng vai trò quan trọng trong việc biểu diễn các tín hiệu và hệ thống rời rạc theo
thời gian.


Phụ lục B. TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Xử lý tín hiệu số,
NXBGD - 1997, QUÁCH TUẤN NGỌC.
2. Xử lý tín hiệu số,
NXBKH & KT - 1993, HỒ ANH TUÝ.
3. Xử lý tín hiệu và lọc số,
NXBKH & KT - 1998, NGUYỄN QUỐC TRUNG.
4. Digital Signal Processing - By Steven W. Smith,Ph.D.
5. MIDI File Format
http://www.sonicspot.com/guide/midifiles.html
6. Cooley–Tukey FFT algorithm
http://en.wikipedia.org/wiki/Cooley-Tukey_FFT_algorithm
7. FFT Guitar Tuner
http://www.codeproject.com/KB/audio-video/FftGuitarTuner.aspx
8. MIDI Note Number, Frequency Table
http://tonalsoft.com/pub/news/pitch-bend.aspx