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不同音乐的语音特征提取(mfcc,ipcc)

为了比对不同的音乐数据的声音特征,这里选择具有代表性的不同乐器的声音进行比对。这里在音乐的大类上选择区分度较高的轻音乐和重金属音乐进行比对,其优势是这两种音乐形式的音乐声音特征具有明显的差异,一方面可以用来检测该系统对音频的高低频分布的差异的显着性与鲁棒性,同时也有利于人工特征提取的合理选择做出定性分析。选择通过该语音特征提取系统提取其mfcc特征、Ipcc特征进行实验结果的大数据比对和分析。然后,对同属于轻音乐的不同乐器进行进一步的mfcc、lpcc分析,这里选择钢琴声、小提琴声、吉他声、人声进行实验的分析和比对。

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3.1 轻音乐和重金属数据的mfcc比对

其mel滤波器组如图所示,该滤波器组在低频区域较为密集,在高频区域较为稀疏,符合人耳的非线性滤波特性,同时其频率范围在0到4000hz之间,也较为符合人耳能接受到的频率范围。


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图3.1 mel滤波器组系统输出图示


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图3.2 轻音乐的mfcc特征


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图3.3 重金属的mfcc特征


通过对比轻音乐和重金属的mfcc特征可以看出:轻音乐的mfcc特征图谱的左侧面积较小,右侧面积较大,具有无周期、不对称分布,其在低频区域特别是1000hz以下的声音的mfcc特征幅值较低,高频mfcc特征幅值较高,并且具有明显的低频高频的高低差异,和人耳所感受到的轻快的听觉感受较为符合。重金属声音的mfcc特征图谱在面积上左右差异不大,但是相对于轻音乐具有明显的低频高幅度特征,其在1000hz以下部分的幅值较大并且丰富,和人耳听到的厚重的低频的感受较为符合。所以如果需要设计特征分类器将二者区分开来,可以选择对1000hz以下部分的差异变化提取特征,可以较好地将其分离开来。

同时观察两图中的红色区域为频率快速变化区域,轻音乐的红色部分的间隔要大于重金属的间隔,频率区域的间隔越大时间域的变化就会相应得越小,所以通过mfcc特征也可以在节奏上分析出轻音乐的节奏要轻快,而重金属音乐节奏较慢所以有一种厚重的拖沓感。

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3.2 不同乐器的mfcc特征比对

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图3.4 钢琴

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图3.5 小提琴

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图3.5 吉他


通过对比吉他、小提琴、钢琴的mfcc特征,发现其虽然都属于弦乐器,但是也具有不同的mfcc的特征,钢琴的mfcc差异要大于小提琴和吉他,可以对比mfcc谱的红色快变化部分,钢琴的红色间隔大而稀疏,而吉他和小提琴的红色部分密而近。这和钢琴曲一般清脆不混杂的音乐形式有关,吉他和小提琴的弦的振动时间要长于钢琴,吉他一般具有混响和扫弦声音延音较长,小提琴因为拉弓的摩擦也较为延长,这些特征都可以通过mfcc特征分析得到。同时可以看出小提琴曲比吉他曲有更丰富的低频信息,而吉他的C调的频率为440hz为基础最为丰富,而低于440hz的声音较少这一特征也可以在mfcc谱上得到证实。

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3.3 不同音乐数据的lpcc比对

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图3.6 轻音乐

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图3.7 重低音


通过比对两种音乐形式的ipcc特征,可以看出其具有明显的差异,轻音乐的ipcc谱线的最大幅值处在比重低音更远的高频率区域,同时含有丰富的中频信息。而重低音的ipcc在频率很小的区域也能有较大的幅值,其相对的中频信息较少,同时有高频信息应该是背景音乐中的烘托的音色或者节奏较快的电子鼓。和mfcc特征相比,ipcc特征在用于分析轻音乐和重低音的差异时特征更加简明。

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3.4 不同乐器的数据ipcc分析

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小提琴

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吉他

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钢琴


如图所示是ipcc的对比分析图谱,可以得到与mfcc分析较为一致的结果,其中钢琴的ipcc谱线最为简单,与其一般安静的solo的演奏形式较为吻合。小提琴曲要比吉他曲和钢琴曲具有更低的低频成分,并且在400hz以下差异较为明显。