音樂燈光表演方案自動(dòng)生成專家系統(tǒng)的研究

引言

近年來,許多戶外大型音樂燈光秀紛紛上演,其絢麗奪目的表演讓大家大飽眼福。好的音樂燈光表演方案,是指各種音樂的特征要素與燈具場景造型、空間動(dòng)作及色彩等完美匹配,能帶給人們視覺與聽覺的雙重震撼。但是,目前音樂燈光表演方案的自動(dòng)化設(shè)計(jì)仍處于發(fā)展探索階段。

傳統(tǒng)的音樂燈光表演方案設(shè)計(jì)需要音樂、燈光、自控等專家的共同合作,設(shè)計(jì)調(diào)試周期漫長,效率低下。目前,已出現(xiàn)一些計(jì)算機(jī)音樂燈光表演方案設(shè)計(jì)平臺(tái),采用專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)音樂燈光的自動(dòng)化匹配設(shè)計(jì),周期相對(duì)縮短,但是方案的生成仍就不能將音樂與燈光完美結(jié)合。因此,完善音樂燈光匹配知識(shí)庫,提升自動(dòng)化推理規(guī)則及策略是迫切需要解決的問題。本文在總結(jié)多次燈光表演方案設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,歸納燈具動(dòng)作場景、方法及參數(shù),建立多種動(dòng)作模型庫,最后通過音樂的關(guān)鍵特征要素提取量化分類,并采用模糊的產(chǎn)生式推理規(guī)則及相應(yīng)沖突消解策略,解決自動(dòng)生成方案的難題。

1總體設(shè)計(jì)原理

完成一個(gè)高效完美的音樂燈光表演設(shè)計(jì)方案,需要設(shè)計(jì)專家具有大量的經(jīng)驗(yàn)知識(shí),這也是一個(gè)設(shè)計(jì)難題。專家系統(tǒng)是人工智能的一個(gè)主要研究方向,非常適合處理上述問題。采用框架表示法和產(chǎn)生式規(guī)則,完成音樂燈光方案設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng),其系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2樂句的劃分

影響一首音樂的基礎(chǔ)特征包括節(jié)奏、音區(qū)、力度、旋律、調(diào)式等,音樂中的各種要素都不可能孤立使用,它們?cè)诤推渌亟Y(jié)合時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種各樣的效果。

節(jié)奏包括節(jié)拍和速度。而復(fù)雜的多元化的音響效果可能由多重器樂律動(dòng)的流層合奏出來。節(jié)奏的快慢也將影響燈光變化的速度。力度是音響強(qiáng)弱的程度,力度強(qiáng)則需燈光表現(xiàn)力豐富。音區(qū)指音的高低范圍,通常對(duì)音區(qū)來講,高音區(qū)一般具有明亮、清脆的特性:而低音區(qū)則渾厚、深沉,運(yùn)用燈光的規(guī)模、色彩來體現(xiàn)。情感可以由多重的特征要素總結(jié)得出。

根據(jù)多次方案設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出,對(duì)于音樂特征的描述主要有7個(gè)關(guān)鍵要素,一些特征要素模糊量化為三級(jí)狀態(tài),一些特征要素分類描述,如旋律分為漸升、漸降、平鋪、波動(dòng)4種形式,情感分為輕快、優(yōu)雅、悲傷、輕盈、浪漫、神圣、深沉7種形式。將音樂根據(jù)不同的速度、力度、音區(qū)等劃分,樂句片段及節(jié)拍重音記錄格式如表1、表2所示。

3動(dòng)作模型庫

現(xiàn)在戶外燈光表演的燈具動(dòng)作通道各有不同,包括xY軸和非xY軸,本文研究燈具非xY軸可用于動(dòng)作表演的通道有切光(開關(guān)光源）、電子頻閃和變色。本文動(dòng)作模型庫首先是分析燈具的單個(gè)動(dòng)作通道,包括xY軸和非xY軸,從而生成一個(gè)燈具的相應(yīng)連貫的動(dòng)作,如畫圓、波浪、擺動(dòng)、彩虹變化等,然后對(duì)于選中的一組燈具進(jìn)行不同方式的組合,即整體、依次或者交叉生成一組燈具的連續(xù)動(dòng)作。

為實(shí)現(xiàn)多層次豐富的燈光變換,需進(jìn)行燈光區(qū)域、燈光場景、單燈動(dòng)作方法(作用通道、動(dòng)作軌跡、操作參數(shù)）、多燈組合變化(組合個(gè)數(shù)、分組動(dòng)作進(jìn)行方向、分組動(dòng)作間隔時(shí)間）等方面的設(shè)計(jì)匹配。根據(jù)單燈基本動(dòng)作特征及演示效果,建立如表3所示的方法庫索引表,動(dòng)作方法概括為連續(xù)和離散兩種變化方式。

4音樂燈光匹配專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為兩大部分:一是知識(shí)庫的建造,主要完成知識(shí)的獲取和表示:二是推理機(jī)的實(shí)現(xiàn),主要完成推理方法和控制策略的設(shè)計(jì)。

4.1知識(shí)庫設(shè)計(jì)

知識(shí)庫分為兩大部分:事實(shí)庫和匹配規(guī)則庫。其中,事實(shí)庫分為前提事實(shí)庫和結(jié)論事實(shí)庫。匹配規(guī)則庫分為3個(gè)子系統(tǒng)規(guī)則庫,具體知識(shí)庫結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中,匹配規(guī)則庫包含3個(gè)子系統(tǒng),如圖2所示,每個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)的推理規(guī)則均可采用帶有可信度因子(CertaintyFactor,簡稱CF）的不精確產(chǎn)生式規(guī)則:

其中,E表示前提條件,H表示結(jié)論。E和H均可是一個(gè)或者多個(gè)。CF(H,E）稱為規(guī)則的可信度,范圍為[-1,1]。其值越大,表明可靠性就越高。反之,可靠性就越低。

4.2推理機(jī)設(shè)計(jì)

本文音樂燈光表演方案設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)推理機(jī)包含3類知識(shí)推理設(shè)計(jì),即燈具場景、單燈動(dòng)作方法、多燈組合方式匹配推理。由于匹配規(guī)則庫前提條件和匹配結(jié)論具有不精確性,以及多層次推理中會(huì)產(chǎn)生一些沖突,分為兩種情況,一種是單個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)的,另一種是子系統(tǒng)間的。因此,此推理過程采用分層次多級(jí)模糊推理,同時(shí)采用對(duì)應(yīng)的沖突消解策略。

模糊推理是對(duì)子系統(tǒng)規(guī)則設(shè)置優(yōu)先級(jí),子系統(tǒng)內(nèi)每條規(guī)則設(shè)計(jì)可信度。本文根據(jù)3個(gè)匹配子系統(tǒng)部分有依存的關(guān)系以及從整體把握到局部點(diǎn)睛的設(shè)計(jì)理念,對(duì)3個(gè)子系統(tǒng)匹配規(guī)則進(jìn)行優(yōu)先級(jí)(PRI）范圍劃分,包含單燈動(dòng)作方法匹配(PRI=70～100）、燈具場景匹配(PRI=40～70）、多燈組合方式匹配(PRI=0～40）,并且每個(gè)子系統(tǒng)的單個(gè)匹配規(guī)則知識(shí)均帶有可信度因子。在推理過程中的模糊推理模型如圖3所示。

沖突消解策略主要從以下幾方面考慮:(1）優(yōu)先選擇優(yōu)先級(jí)及可信度高的規(guī)則,提高設(shè)計(jì)方案的滿意度:(2）具有相同優(yōu)先級(jí)和可信度的規(guī)則,可利用其使用頻度來解決沖突,保證設(shè)計(jì)的表演方案豐富多樣,更具觀賞性。

沖突消解策略具體措施如下:

(1）根據(jù)每個(gè)子系統(tǒng)預(yù)設(shè)的優(yōu)先級(jí)數(shù)進(jìn)行排序。選擇優(yōu)先級(jí)最大者:否則,轉(zhuǎn)下一個(gè)沖突消解。

(2）根據(jù)單個(gè)匹配規(guī)則的可信度進(jìn)行排序。分別計(jì)算出各條規(guī)則匹配的可信度,優(yōu)先選用最大者:否則,轉(zhuǎn)下一個(gè)沖突消解。

(3）根據(jù)計(jì)算出當(dāng)前此規(guī)則使用的頻度,頻度較小優(yōu)先選擇,保證方案豐富多樣:否則,轉(zhuǎn)下一個(gè)沖突消解。

(4）為防止系統(tǒng)死循環(huán),按規(guī)則進(jìn)入順序排列,優(yōu)先選用最先進(jìn)入者。

通過以上幾種沖突消除策略,能有效防止推理沖突、死機(jī),同時(shí)有較高效率,適合本系統(tǒng)使用。

5結(jié)語

本文在總結(jié)多次的音樂燈光表演方案設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)上,給出總體表演方案的專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路,包括知識(shí)庫的建立和推理機(jī)的設(shè)計(jì),根據(jù)系統(tǒng)特性,采用模糊產(chǎn)生式推理規(guī)則及相應(yīng)沖突消解策略,系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng),對(duì)今后的研究具有一定參考價(jià)值。