基于OpenHarmony音符检测实现原理

一、音符检测的基本原理

本文基于 OpenHarmony 开源系统提供了一种音符检测的原理方法，结合多首音乐，运用了 python 和 C++ 两种编程环境实现了预期的检出效果。旨在为振动马达(vibrator)提供音乐节奏感的触觉效果，代码所在目录 .basesensorssensorvibration_convert。
先从 python 实现说起，Librosa 关于音符检测主要用到了两个函数，一个是 onset_strength(),负责生成包含音符产生的频率突变的包络线，如蓝色线条所示。另一个是 onset_detect()，主要运用峰点检测找到每个音符的位置，如黄色线条所示。

图 1 音符检测包络图
包含有用的频率突变的包络线是音符检测的核心所在。傅里叶变换能够得到全部信号采样的频谱图，即每个频率的能量贡献，如图 2 所示。但是每个时刻频谱图却得不到，于是将全部采样分割成若干固定长度的窗口，每个窗口应用傅里叶变化，从而得到这一窗口的频率分布，水平轴为时间，纵轴为频率，颜色代表能量大小如图 3 所示。

图 2 整体频率分布图

图 3 时频图

每种乐器在音符产生时，前后时间片段的频率将会发生明显变化，如图 4 所示。于是将时频图相邻列做差分，将明显看到变化的频率。为了便于分析，只取正值，具有相同的效果，所以负值填零。一个时刻变化的频率有多个，如何取舍，有三种方法，平均数、中位数和联合，目前常用到的是中位数和平均数。至此，将得到任意时刻发生明显频率变化的单一能量，如图 1 蓝色线条所示。

图 4 时频图相邻列差分前后变化

二、音符检测的准确性

目前采用频谱光通量（相邻列差分）方法检测是业界公认且较为准确的方法，音符检出率仅为 70% 多。不准确的原因可能有乐器多且差异较大，信号衰减对性能的影响，颤音影响，峰点检测时不同参数的影响，这些主要是针对音乐的研究。

三、音符检测的程序流程

3.1 程序实现

音符检测功能核心就是频谱图和梅尔滤波器，频谱图的核心就是短时傅里叶变换，C++ 代码片段如下,参考链接 https://github.com/kooBH/STFT/blob/main/cpp/STFT.h

void STFT::stft(short*in,int length,double**out){ int i,j; /*** Shfit & Copy***/ for (j = 0; j < channels; j++) { for (i = 0; i < ol; i++) { buf[j][i] = buf[j][i + shift_size]; } } // EOF if(length!=shift_size*channels){ length = length/channels; for (i = 0; i < length; i++) { for (j = 0; j < channels; j++) buf[j][i + ol] = (double)(in[i * channels+ j]); } for (i = length; i < shift_size; i++) { for (j = 0; j < channels; j++) buf[j][i + ol] = 0; } //continue }else{ for (i = 0; i < shift_size; i++) { for (j = 0; j < channels; j++){ buf[j][i + ol] = (double)(in[i * channels+ j]); } } } /*** Copy input - > hann_input buffer ***/ for (i = 0; i < channels; i++) memcpy(out[i], buf[i], sizeof(double) * frame_size); // scaling for precision if(opt_scale) for (i = 0; i < channels; i++) for (j = 0; j < frame_size; j++) out[i][j] /= MATLAB_scale; /*** Window ***/ hw- >Process(out, channels); /*** FFT ***/ fft->FFT(out); } void STFT::stft(short*in,int length,double**out){ int i,j; /*** Shfit & Copy***/ for (j = 0; j < channels; j++) { for (i = 0; i < ol; i++) { buf[j][i] = buf[j][i + shift_size]; } } // EOF if(length!=shift_size*channels){ length = length/channels; for (i = 0; i < length; i++) { for (j = 0; j < channels; j++) buf[j][i + ol] = (double)(in[i * channels+ j]); } for (i = length; i < shift_size; i++) { for (j = 0; j < channels; j++) buf[j][i + ol] = 0; } //continue }else{ for (i = 0; i < shift_size; i++) { for (j = 0; j < channels; j++){ buf[j][i + ol] = (double)(in[i * channels+ j]); } } } /*** Copy input - > hann_input buffer ***/ for (i = 0; i < channels; i++) memcpy(out[i], buf[i], sizeof(double) * frame_size); // scaling for precision if(opt_scale) for (i = 0; i < channels; i++) for (j = 0; j < frame_size; j++) out[i][j] /= MATLAB_scale; /*** Window ***/ hw- >Process(out, channels); /*** FFT ***/ fft->FFT(out); }

Mel 滤波器构造代码如下：

if fmax is None: fmax = float(sr) / 2 # Initialize the weights n_mels = int(n_mels) weights = np.zeros((n_mels, int(1 + n_fft // 2)), dtype=dtype) # Center freqs of each FFT bin fftfreqs = fft_frequencies(sr=sr, n_fft=n_fft) # 'Center freqs' of mel bands - uniformly spaced between limits mel_f = mel_frequencies(n_mels + 2, fmin=fmin, fmax=fmax, htk=htk) fdiff = np.diff(mel_f) ramps = np.subtract.outer(mel_f, fftfreqs) for i in range(n_mels): # lower and upper slopes for all bins lower = -ramps[i] / fdiff[i] upper = ramps[i + 2] / fdiff[i + 1] # .. then intersect them with each other and zero weights[i] = np.maximum(0, np.minimum(lower, upper)) if norm == "slaney": # Slaney-style mel is scaled to be approx constant energy per channel enorm = 2.0 / (mel_f[2 : n_mels + 2] - mel_f[:n_mels]) weights *= enorm[:, np.newaxis] else: weights = util.normalize(weights, norm=norm, axis=-1) # Only check weights if f_mel[0] is positive if not np.all((mel_f[:-2] == 0) | (weights.max(axis=1) > 0)): # This means we have an empty channel somewhere warnings.warn( "Empty filters detected in mel frequency basis. " "Some channels will produce empty responses. " "Try increasing your sampling rate (and fmax) or " "reducing n_mels.", stacklevel=2, ) return weights

3.2 功能流程图

为了能让大家更好的学习鸿蒙 (OpenHarmony) 开发技术，这边特意整理了《鸿蒙 (OpenHarmony)开发学习手册》，希望对大家有所帮助：

《鸿蒙（Harmony OS）开发学习手册》

入门必看：https://docs.qq.com/doc/DUk51cHZJaUpmSlhH
1.应用开发导读（ArKTS）
2.……

HarmonyOS概念：https://docs.qq.com/doc/DUk51cHZJaUpmSlhH
1.系统定义
2.技术框架
3.技术特性
4.系统安全

快速入门：https://docs.qq.com/doc/DUk51cHZJaUpmSlhH
1.基本概念
2.构建第一个ArkTS应用
3.……

开发基础知识：https://docs.qq.com/doc/DUk51cHZJaUpmSlhH
1.应用基础知识
2.配置文件
3.应用数据管理
4.应用安全管理
5.应用隐私保护
6.三方应用调用管控机制
7.资源分类与访问
8.学习ArkTS
9…

基于ArkTS 开发：https://docs.qq.com/doc/DUk51cHZJaUpmSlhH
1.Ability开发
2.UI开发
3.公共事件与通知
4.窗口管理
5.媒体
6.安全
7.网络与链接
8.电话服务
9.数据管理
10.后台任务(Background Task)管理
11.设备管理
12.设备使用信息统计
13.DFX
14.国际化开发
15.折叠屏系列
16………

审核编辑 黄宇