評估演唱者的嗓音性能的方法和使用該方法的設備的製作方法

2023-06-21 09:02:31

專利名稱：評估演唱者的嗓音性能的方法和使用該方法的設備的製作方法
技術領域：
本總發明構思涉及用於評估演唱者的嗓音性能的方法和執行該方法的卡拉OK設備，並更具體地，涉及用於通過比較演唱者的總聲音能量和對應於參考音高的能量來評估演唱者的嗓音性能的方法、以及執行該方法的卡拉OK設備。
背景技術：
已開發了用於評估演唱者的嗓音性能的各種卡拉OK設備。傳統卡拉OK設備中使用的方法是根據演唱者是否在特定時間處釋放適當級別的聲音能量來鑑定(rate)演唱者的技能。該方法的有利之處在於，其可簡單實現，但是具有不考慮音高(Pitch)的精度的問題。 為了解決以上問題，已使用了使用伴奏旋律的方法。使用伴奏旋律的方法根據演唱者的音高是否與伴奏旋律協調來鑑定演唱者的技能。然而，該方法需要大量計算，並具有不能精確提取八度音階(octave)錯誤的問題。而且，該伴奏旋律可能不總是被看作與演唱者的旋律協調。 因此，存在對於更精確地評估演唱者的嗓音性能並也需要更少計算的方法的需求。

發明內容
本總發明構思的示例實施例提供了更精確地評估演唱者的嗓音性能的方法和執行該方法的卡拉OK設備。 本總發明構思的附加特徵和用途將部分在接下來的描述中闡明，並部分將根據該描述而清楚，或可通過本總發明構思的實踐而得知。 本總發明構思的前述和/或其他特徵和用途可通過提供一種用於使用卡拉OK設備評估演唱者的嗓音性能的方法來實現，該方法包括提取演唱者的聲音能量，使用樂器數字接口 (MIDI)數據來提取參考音高，並比較該聲音能量和該參考音高的能量以及評估演唱者的嗓音性能。 所述提取參考音高的步驟可包括使用該MIDI數據中包括的音符(note)的頻率來提取參考音高。 所述提取參考音高的步驟可包括使用Goertzel算法來提取參考音高的能量。
可使用以下等式來提取參考音高的能量
PB = 2cos (2 3i f) s卜丄s卜2+Si—a—i+s卜2Si—2 其中Si = Xi+2C0S (2 f) Si—rSi—2， PB表示參考音高的能量，f表示音符的頻率，而Xi表示輸入樣本。 所述提取聲音能量的步驟可包括將演唱者的聲音變換為數位訊號，將該數位訊號劃分為多個幀，並提取每一幀的聲音能量。
可使用以下等式來提取聲音能量 A=JX2 其中PA表示聲音能量，&表示輸入樣本，而N表示幀的尺寸。 本總發明構思的前述和/或其他特徵和用途還可通過提供一種卡拉OK設備來實現，該卡拉OK設備包括聲音能量提取單元，用於提取演唱者的聲音能量；參考音高提取單元，用於使用MIDI數據來提取參考音高；和控制單元，用於使用該聲音能量和該參考音高的能量，來評估演唱者的嗓音性能。 該參考音高能量提取單元可使用該MIDI數據中包括的音符的頻率來提取參考音高。 該參考音高能量提取單元可通過應用取決於參考音高構成的Goertzel算法來使用以下等式 PB = 2cos (2 Ji f) s卜a—2+Si—a—'Si—2Si—2 其中Si = Xi+2C0S (2 f) Si—「Si—2， PB表示參考音高的能量，f表示音符的頻率，而Xi表示輸入樣本。 該卡拉OK設備還可包括變換單元，用於將演唱者的聲音變換為數位訊號，並且該
聲音能量提取單元可將該數位訊號劃分為多個幀並提取每一幀的聲音能量。 該聲音能量提取單元可使用以下等式來提取聲音能量 屍,S《2 其中PA表示聲音能量，&表示輸入樣本，而N表示幀的尺寸。 本總發明構思的前述和/或其他特徵和用途還可通過提供一種記錄介質來實現，
該記錄介質上記錄有程序，用於促使計算機執行用於使用卡拉OK設備評估演唱者的嗓音
性能的方法，該方法包括提取演唱者的聲音能量，使用樂器數字接口 (MIDI)數據來提取
參考音高，並比較該聲音能量和該參考音高的能量以及評估演唱者的嗓音性能。 本總發明構思的前述和/或其他特徵和用途還可通過提供一種用於評估嗓音性
能的方法來實現，該方法包括確定輸入到評估裝置的聲音的聲音能量，從記錄的信號確定
參考音高能量，並比較該聲音能量和參考音高能量以評估該嗓音性能。 可根據記錄的信號中的一個或多個音符的頻率，來估計該參考音高能量。 可在嗓音性能期間顯示該嗓音性能的評估結果。 本總發明構思的前述和/或其他特徵和用途還可通過提供一種用於評估嗓音性能的方法來實現，該方法包括比較聲音的聲音能量和記錄的信號的參考音高能量，並根據該聲音能量和該參考音高能量之間的差別來確定該嗓音性能的精度。
可在嗓音性能期間比較該聲音能量和該參考音高能量。
可在嗓音性能期間顯示所確定的精度的結果。 本總發明構思的前述和/或其他特徵和用途還可通過提供一種用於評估嗓音性能的方法來實現，該方法包括確定記錄的音符以及該記錄的音符之上和/或之下一個或多個八度音階的參考音高能量，並比較聲音和該參考音高能量，以確定該嗓音性能的精度。


通過結合附圖對於實施例的以下描述，本總發明構思的這些和/或其他特徵和優點將變得清楚並更易於理解，其中 圖1是圖示了根據本總發明構思的示範實施例的卡拉OK設備的框圖； 圖2是圖示了根據Goertzel算法的Goertzel濾波器的譜的圖； 圖3是圖示了根據本總發明構思的示範實施例的評估演唱者的嗓音性能的方法
的流程圖； 圖4是圖示了根據本總發明構思的另一示範實施例的卡拉OK設備的框圖；禾口
圖5是圖示了根據本總發明構思的另一示範實施例的評估演唱者的嗓音性能的方法的流程圖。
具體實施例方式
現在將詳細參考在附圖中圖示了其示例的本總發明構思的各種示範實施例，其中相同的附圖標記始終表示相同的元件。下面描述這些實施例，以便通過參考圖來解釋本總發明構思。 圖1是圖示了根據本總發明構思的示範實施例的卡拉OK設備的框圖。根據本總發明構思的示範實施例的卡拉OK設備通過比較聲音能量和對應於參考音高的能量，來評估演唱者的嗓音性能。 如圖1中所示，根據本總發明構思的示範實施例的卡拉OK設備IOO可包括聲音輸入單元110、變換單元120、能量提取單元130、比較單元140、控制單元150、文件裝載器單元160、和樂器數字接口 (MIDI)數據提取單元170。 聲音輸入單元110可例如通過麥克風從外部源接收來自演唱者的聲音信號。該聲音輸入單元110可向變換單元120傳送輸入的聲音信號。 變換單元120可將聲音信號變換為數位訊號。變換單元120可向能量提取單元130傳送該數位訊號。 能量提取單元130可包括聲音能量提取器131和參考音高能量提取器135。聲音能量提取器131可提取演唱者的聲音的能量，而該參考音高能量提取器135可提取與參考音高對應的能量，來評估演唱者的嗓音性能。 聲音能量提取器131可使用以下等式以幀為單位來提取演唱者的聲音能量
[等式1] ^-2]X,2 其中PA表示聲音能量，&表示輸入樣本，而N表示幀的尺寸。 其間，該參考音高能量提取器135可從MIDI文件生成用於評估演唱者的嗓音性能的參考音高，並可使用Goertzel算法來提取參考音高的能量。
Goertzel算法如下
PB = 2cos (2 3i f) s卜丄s卜2+s卜丄s卜i+s卜2Si—2 其中Si = Xi+2C0S (2 Ji f) Si—rSi—2， PB表示參考音高能量，f表示音符的頻率，而Xi 表示輸入樣本。 使用以上Goertzel算法，該參考音高能量提取器135可評估具有與頻率(f)對應
的音高的能量。可使用除了 Goertzel算法之外的不同方法，來評估具有特定音高的能量。
然而，Goertzel算法的優點在於，其需要較少的計算來評估特定音高的能量。 可將參考頻率設置為等於當前音符的頻率(f)，並且小箱(bin)的頻率寬度取決
於輸入樣本(Xi)的數目。由於小箱的頻率寬度隨著音高增加而成幾何級數增加，所以當輸
入樣本的數目增加時，頻率寬度變窄。 將參考圖2來描述Goertze 1算法中的小箱之間的相關性。圖2圖示了根據 Goertzle算法的Goertzel濾波器的譜，其中N表示當前音符的數目。 如圖2中所示，存在3個小箱，其中N-12和N+12表示每一個八度音階存在12個 音符和12個半音符。WN、WN—『W,w表示小箱的寬度。 參考圖2，在前一八度音階和下一八度音階之間存在2倍的差別。這是因為音符越 高，則頻率範圍越寬，並且頻率範圍呈幾何級數增加。因此，下一八度音階的寬度是前一八 度音階的寬度的兩倍。 給予這些小箱的權重值可以不是圖2中圖示的A,、A,—12、和AN+12的值。本總發明構 思中的一個重要考慮因素是第一諧波的值。因此，第一諧波的小箱可理想地具有最大權重 值。另一小箱的權重值將因此隨著諧波數目的增加而減小。與應用相同權重值的方法相比， 該方法可導致演唱者的嗓音性能的更精確的評估。 在圖2中，為了便於解釋，僅圖示了 3個描述的八度音階，但是八度音階的數目不 限於此。本總發明構思也可應用到其中呈現不同數量八度音階的情況。
Goertzel濾波器可覆蓋與當前音符的八度音階相鄰的各八度音階，因為至少以下 原因 首先，演唱者可演唱比當前音符高或低幾個八度音階的音符。這樣的演唱方法是 典型的，並涉及演唱者偏好的類型。所以，向按照這種方式演唱的演唱者給予處罰也許是不 合理的。 第二，當演唱歌曲時，演唱者可改變復頻率以及音符頻率的諧波分量。Goertzel濾 波器對於估計諧波分量是有用的。 返回參考圖1，比較單元140可比較聲音能量提取器131所提取的聲音能量和參考 音高能量提取器135所提取的參考音高能量，以計算其間的差別。實際上，該音符的部分可 大於一幀。因此，比較單元140比較從該音符中包括的所有幀中提取的聲音能量和參考音 高能量。 比較結果可存儲到內部緩衝器(其可以是公知類型緩衝器，並因此沒有示出)中。 可這樣存儲比較結果，以提供關於演唱者的嗓音性能的臨時結果。S卩，演唱者可在演唱歌曲 時知道評估他/她的嗓音性能的臨時結果。 而且，在內部緩衝器(未示出)中存儲的比較結果可用於計算最後得分。 文件裝載器單元160可從例如緻密盤或半導體存儲器的各種源中的任何一個讀
出歌曲文件。文件裝載器單元160可將歌曲文件劃分為MIDI數據和伴奏數據，並可將MIDI數據傳送到MIDI數據提取單元170。 文件裝載器單元160可將伴奏數據傳送到再現部件(其可以是公知類型再現部 件，並因此沒有示出)，以再現有關該歌曲的伴奏。 MIDI數據提取單元170可在演唱者開始演唱歌曲的同時提取MIDI數據。MIDI數
據提取單元170可提取例如音符編號、音符開始時間、音符持續時間等的歌曲信息。 MIDI數據提取單元170可獲得當前音符處的有關歌曲的歌詞的信息。有關歌曲的
歌詞的信息可包括有關歌詞中包括的一個或多個單詞中的元音的位置的信息。因為音高一
般出現在元音處而不發生在輔音處，所以分析其中演唱元音的時間來評估演唱者的嗓音性
能是有益的。 控制單元150控制卡拉OK設備100的操作。更具體地，控制單元150可控制歌曲 的開始點，同步MIDI、歌詞和音頻流，並控制卡拉OK設備100的其他操作，諸如顯示歌曲的 歌詞、演唱者的得分等。 因此，可比傳統方法和裝置更精確地評估演唱者的嗓音性能。 圖3是圖示了根據本總發明構思的示範實施例的評估演唱者的嗓音性能的方法 的流程圖。 變換單元120可在操作S310中將通過聲音輸入單元110輸入的聲音信號變換為 數位訊號。 聲音能量提取器131可在操作S320中將數位訊號劃分為多個幀，並在操作S330 中提取這些幀中的每一幀的聲音能量。 參考音高能量提取器135可在操作S340中從MIDI數據中提取當前音符的頻率， 並可在操作S350中使用Goertzel算法來提取參考音高能量。 比較單元140可在操作S360中比較聲音能量和參考音高能量，並且控制單元150 可在操作S370中根據比較結果計算得分。 因此，可比傳統方法和裝置更精確地評估演唱者的嗓音性能。 圖4是圖示了根據本總發明構思的另一示範實施例的卡拉OK設備的框圖。根據
該實施例的卡拉OK設備可包括聲音能量提取器410、參考音高能量提取器430、和控制單元
450。 聲音能量提取器410可提取演唱者的聲音能量，而參考音高能量提取器430可使 用MIDI數據提取參考音高，並從整個聲音信號中提取與該音高對應的能量。
控制單元450可使用聲音能量和參考音高能量來評估演唱者的嗓音性能。
圖5是圖示了根據本總發明構思的另一示範實施例的評估演唱者的嗓音性能的 方法的流程圖。為了評估演唱者的嗓音性能，在操作S510中提取演唱者的聲音能量。
在操作S520中，可使用MIDI數據提取參考音高。 在操作S530中，可通過比較聲音能量和參考音高，來評估演唱者的嗓音性能。
因此，可比傳統方法和設備更精確地、並使用比傳統方法和設備中需要的計算量 更少的計算量，來評估演唱者的嗓音性能。 本總發明構思也可實施為計算機可讀介質上的計算機可讀代碼。計算機可讀介質 可包括計算機可讀記錄介質和計算機可讀傳輸介質。計算機可讀記錄介質是可存儲作為計 算機系統可在其後讀取的程序的數據的任何數據儲存裝置。計算機可讀記錄介質的示例包括只讀存儲器(R0M)、隨機存取存儲器(RAM) 、 CD-ROM、 DVD、磁帶、軟盤、和光學數據儲存裝 置。計算機可讀記錄介質也可在與網絡耦接的計算機系統上分發，使得可按照分布方式存 儲和運行計算機可讀代碼。計算機可讀傳輸介質可通過載波或信號傳送(例如，通過因特 網的有線或無線數據傳輸)。而且，用於實現本總發明構思的功能程序、代碼和代碼段可由 本總發明構思所屬技術領域的程式設計師容易地進行解釋。 儘管已圖示和描述了本總發明構思的各種示例實施例，但是本領域技術人員將理 解的是，可對這些示例實施例進行改變，而不脫離在所附權利要求及其等效中限定其範圍 的本總發明構思的原理和精神。
權利要求
一種用於評估卡拉OK設備的演唱者的嗓音性能的方法，該方法包括以下步驟提取演唱者的聲音能量；使用樂器數字接口(MIDI)數據來提取參考音高；和比較該聲音能量和該參考音高的能量，並評估演唱者的嗓音性能。
2. 根據權利要求l的方法，其中所述提取參考音高的步驟包括使用該MIDI數據中包括 的音符的頻率來提取參考音高。
3. 根據權利要求2的方法，其中所述提取參考音高的步驟包括使用Goertzel算法來提 取參考音高的能量。
4. 根據權利要求3的方法，其中使用以下等式來提取參考音高的能量formula see original document page 2其中formula see original document page 2 PB表示參考音高的能量，f表示音符的頻率，而Xi表 示輸入樣本。
5. 根據權利要求1到4中的任一個的方法，其中所述提取聲音能量的步驟包括 將演唱者的聲音變換為數位訊號；將該數位訊號劃分為多個幀；禾口 提取每一幀的聲音能量。
6. 根據權利要求1到5中的任一個的方法，其中使用以下等式來提取聲音能量formula see original document page 2其中PA表示聲音能量，Xi表示輸入樣本，而n表示幀的尺寸。
7. —種卡拉OK設備，包括聲音能量提取單元，用於提取演唱者的聲音能量； 參考音高能量提取單元，用於使用MIDI數據提取參考音高；禾口 控制單元，用於使用該聲音能量和該參考音高的能量來評估演唱者的嗓音性能。
8. 根據權利要求7的卡拉OK設備，其中該參考音高能量提取單元使用該MIDI數據中 包括的音符的頻率來提取參考音高。
9. 根據權利要求8的卡拉OK設備，其中該參考音高能量提取單元使用Goertzel算法 來提取參考音高的能量。
10. 根據權利要求9的卡拉OK設備，其中使用以下等式來提取參考音高的能量 formula see original document page 2其中formula see original document page 2 PB表示參考音高的能量，f表示音符的頻率，而Xi表 示輸入樣本。
11. 根據權利要求7到10中的任一個的卡拉OK設備，還包括變換單元，用於將演唱者 的聲音變換為數位訊號，其中該聲音能量提取單元將該數位訊號劃分為多個幀，並提取每一幀的聲音能量。
12. 根據權利要求7到11中的任一個的卡拉OK設備，其中該聲音能量提取單元使用以 下等式來提取聲音能量formula see original document page 2其中PA表示聲音能量，&表示輸入樣本，而N表示幀的尺寸。
全文摘要
一種用於評估卡拉OK設備的演唱者的嗓音性能的方法，包括提取聲音能量，提取參考音高，以及比較該聲音能量和與該參考音高對應的能量，並評估演唱者的嗓音性能。
文檔編號G10L25/93GK101740025SQ20091016736
公開日2010年6月16日 申請日期2009年8月21日 優先權日2008年11月21日
發明者崔哲珉, 德米特裡·戈洛夫金 申請人:三星電子株式會社