基于客觀特征的民族樂器音色分析

江益靚，孫校珩，梁曉晶，李子晉，李 偉，3

(1. 復旦大學 計算機科學技術(shù)學院，上海 201023; 2. 中國音樂學院 音樂學系，北京 100101;3. 復旦大學 上海市智能信息處理重點實驗室，上海 200433)

1 研究背景

不同旋律的音色可能具有不同的性格，從而表達不同的感情以及藝術(shù)風格.音色被定義為音高、響度相同條件下，能夠區(qū)分不同聲音的感知特征[1].而在動態(tài)的樂器演奏中，影響人們對于音色感知的因素是多方面的.基于音頻特征，對音色的主觀感知進行分析、建模，這對音色的感知研究和樂器的感知研究都有重要意義，是樂器識別、音樂情感分析、音樂流派分類等音樂信息檢索任務的基礎.

音色的感知描述較為主觀，其研究需要大量的主觀實驗與對應樂器演奏的音頻.研究大多采用多維尺度(Multidimensional Scaling, MDS)分析的方式，將樂器映射到低維空間中，進而分析樂器的音色[2].文獻[3-5]研究了聲學參數(shù)(起奏時間、譜質(zhì)心、譜通量等)與MDS分析得到的樂器分布的關(guān)系.有關(guān)樂器感知實驗的研究多針對合成或修改(變調(diào))的聲音為主[2-4，6]，使用真實樂器的客觀數(shù)據(jù)的研究較少，而實際上合成音色與真實音色有較大區(qū)別.相對于主觀音色感知分析，基于客觀特征的音色分析更加客觀，可以更好地分析和理解音色本質(zhì)，對于音色客觀評價體系的建立有重要意義.文獻[7]建立聽覺感知模型，探究了同一樂器響度、音高與音色明亮度的關(guān)系.文獻[8]分析了時域、頻域、倒頻域方面的音色特征.

民族樂器的音色感知方面的研究存在描述詞選擇較主觀、音頻數(shù)據(jù)樂器種類較單一、數(shù)據(jù)量較少的問題.文獻[9]從音樂信息可視化的角度，研究了多種民族樂器的音色性格.文獻[10]關(guān)注音色感知的單一方面，對中國民族樂器做了一系列主觀評價實驗.文獻[11]建立了比較全面的民族樂器音色的主觀評價數(shù)據(jù)集，并使用客觀音色特征，對篩選出的16個音色描述詞中的4個描述詞進行回歸建模.本文在文獻[11]的民族樂器音色描述詞的主觀打分的基礎上，進一步篩選出合適的描述詞，然后基于客觀特征，對4個音色進行分類分析.根據(jù)實驗現(xiàn)象，本文基于客觀特征進一步分析了音色的影響因素.

2 方 法

2.1 音色特征的選擇

本文參考以往文獻，從時域、頻域以及倒譜域，選擇與音色相關(guān)的特征[8，12].時域特征反映聲音的動態(tài)變化.Helmholtz在1954年指出音色感知與頻譜包絡有關(guān)[12].在各類音色分析實驗中，譜特征也是學者們研究的重點.本文采用譜質(zhì)心、頻譜峰態(tài)、頻譜帶寬、高階譜擬合系數(shù)、頻譜滾降系數(shù)、譜通量、協(xié)噪比作為頻域特征.不同的譜特征表達聲音不同的物理特征，其中: 譜質(zhì)心主要體現(xiàn)了音色的明亮度；頻譜滾降點表明了頻譜包絡開始快速下降的頻率；譜通量為連續(xù)幀之間頻譜的變化等.樂器發(fā)聲的原理與人的發(fā)聲類似，是激勵和“濾波器”卷積的結(jié)果，而音色常被認為與濾波過程有較強的相關(guān)性，因此提取與人耳聽覺特性相關(guān)的13維Mel頻率倒譜系數(shù)(Mel Frequency Cepstrum Coefficient, MFCC)作為特征.實驗中對每幀(50ms)提取上述特征值，取1段音頻內(nèi)的平均值作為該段音頻的特征參數(shù).

2.2 機器學習模型選擇

在機器學習模型選擇中，本文選擇了下面幾種算法.

1) 邏輯回歸算法 建立代價函數(shù)，然后通過優(yōu)化方法迭代求解出最優(yōu)的模型參數(shù).方法簡單直觀，適用于解決非線性問題.

2) 支持向量機(Support Vector Machine, SVM) 通過構(gòu)造核函數(shù)，將原始數(shù)據(jù)映射到高維空間中，使得樂器演奏樣本在該空間中線性可分.

3) K近鄰算法 待分類樣本是其臨近樣本的平均或投票結(jié)果，具有很強的容錯性.

4) 隨機森林 隨機森林集成了多棵決策樹，通過數(shù)據(jù)隨機選取與特征集隨機選取，進行分類，其最終分類結(jié)果為所有決策樹投票的結(jié)果.

5) 梯度提升決策樹(Gradient Boosting Decision Tree, GBDT) 在每輪迭代后，通過前項分布算法更新分類器權(quán)值.

6) Adaboost 在每輪訓練結(jié)束后，Adaboost降低前1輪被正確分類的樣本的權(quán)值，增加前1輪被錯誤分類的樣本權(quán)值，對每個弱分類器的結(jié)果進行加權(quán)表決，提高誤差小的弱分類器的權(quán)值.

本文使用網(wǎng)格搜索與五折交叉驗證的方式選擇機器學習模型的最佳參數(shù).

3 實 驗

3.1 數(shù)據(jù)集

3.1.1 數(shù)據(jù)集Ⅰ: 民族樂器音色主觀評價數(shù)據(jù)集

本實驗使用文獻[11]中構(gòu)建的民族樂器音色主觀評價數(shù)據(jù)集.數(shù)據(jù)集包含37種民族樂器的樣本數(shù)據(jù)，每種樂器包含1段3～4s的演奏片段以及1段音階.采樣率為44100Hz，采樣位深為16bit.樂器按照類別可以分為拉弦樂器、簧管類吹奏樂器、邊棱類吹奏樂器、彈撥樂器、打擊樂器.文獻[11]從調(diào)查問卷和文獻中查找到329個音色描述詞，通過一系列詞語選擇、相關(guān)性分析、聚類分析等步驟，得到16個樂器音色描述詞，并讓34位具有音樂專業(yè)背景的調(diào)查者聽每種樂器的演奏片段，對聽到的樂器音色在16個描述詞上進行打分(1～9分).

3.1.2 數(shù)據(jù)集Ⅱ: 民族樂器擴充數(shù)據(jù)集

由于數(shù)據(jù)集Ⅰ中樣本數(shù)據(jù)量較少，每種樂器僅有1段演奏片段，為研究民族樂器的音色特征，本文對其進行了擴充.首先，本文從視頻網(wǎng)站上收集了37種民族樂器的獨奏音頻，進行去空白、歸一化、剪裁等處理，獲得了3933條長度為5s的樣本數(shù)據(jù).然后，本文在同種樂器的音頻具有相似音色的假設前提下，認為搜集的音頻與數(shù)據(jù)集Ⅰ中相應樂器演奏的音頻具有同樣的主觀打分，并依據(jù)樂器種類對擴充的樣本數(shù)據(jù)進行了標注，得到了帶標簽的擴充樣本數(shù)據(jù)集.

3.2 實驗一: 樂器描述詞的選擇

文獻[11]挑選出可以完整描述出整個音色空間的16個描述詞，分別為纖細、明亮、暗淡、尖銳、渾厚、單薄、厚實、清脆、干癟、豐滿、粗糙、純凈、嘶啞、協(xié)和、柔和、混濁.在此基礎上，本實驗依據(jù)37種樂器音頻的主觀音色打分，分析不同描述詞之間的相似性，進一步簡化音樂描述詞.

3.2.1 多維尺度分析

首先，本實驗對有效數(shù)據(jù)進行平均，計算出描述詞之間的歐式距離矩陣.然后通過MDS分析將該距離矩陣轉(zhuǎn)換成目標距離并進行降維，將16個描述詞映射到低維空間中，使得低維空間中的距離最大程度地擬合目標距離.空間中描述詞彼此之間的相對距離可反應描述詞的差異程度.本實驗采用應力系數(shù)作為擬合程度的衡量指標，即原始空間與構(gòu)建空間距離差的平方和[13].應力系數(shù)越小，表明擬合的越好，見圖1(a).

由實驗可看出，維度為2時對應的應力系數(shù)為0.068，維度為3時對應的應力系數(shù)為0.046，達到“good”與“excellent”之間[13].維度更高時，應力系數(shù)的改變不大.此外，對應空間復雜度越高，計算量越大，綜合空間的直觀性，故選擇3維空間對音色描述詞進行MDS分析.MDS分析結(jié)果的可視化見圖1(b).

圖1 應力系數(shù)的變化與MDS的分析結(jié)果Fig.1 The change of stress coefficient and the analysis results of MDS

從圖1中可以看出，明亮、清脆以及纖細距離近，渾厚與厚實距離近，表示在感知上有較高的相似度.協(xié)和、純凈與粗糙、嘶啞距離遠，清脆、明亮、纖細與渾厚、暗淡、厚實距離遠，表示在感知上有較大的差異性.

3.2.2 聚類分析

由上節(jié)實驗結(jié)果可知，部分詞語距離非常接近，如明亮與纖細，渾厚與厚實，可以進一步簡化.根據(jù)描述詞在感知距離空間中的分布，可以將感知相近的詞語聚類.本實驗使用K-Means聚類算法，獲得描述詞在MDS3維空間中的聚類.K-Means是1種迭代求解的聚類分析算法，簡化后描述詞的個數(shù)就是聚類個數(shù)，與聚類中心最近的詞語就是該類的中心描述詞.本實驗使用反映類間協(xié)方差與類內(nèi)協(xié)方差的Calinski-Harabasz(CH)指標來選擇聚類中心個數(shù)，該值越大表示類自身越緊密、類之間越分散，即聚類結(jié)果越好.圖2(a)表示CH指標隨聚類個數(shù)的變化情況.

圖2 CH值的變化情況與聚類分析結(jié)果Fig.2 The change of CH value and the results of cluster analysis

表1 音色描述詞的選擇Tab.1 The choice of timbre descriptors

當聚類中心個數(shù)由3到4時，CH指標有1個躍升，之后略下降.當聚類個數(shù)超過8時，CH值逐漸增加，但聚類中心過多，沒有起到簡化的目的.因此，本實驗最終選擇4個聚類中心——即4組描述詞來描述音頻的音色.聚類的可視化效果見圖2(b).本實驗從聚類分析得到的每組音色描述詞中，選擇嘶啞、纖細、純凈、厚實這4個具有代表性且具有區(qū)分度的詞語作為中心描述詞，將16個音色描述詞簡化為4個，如表1所示.

經(jīng)統(tǒng)計學方法驗證，厚實與纖細負相關(guān)達到顯著性水平(p<0.05).純凈與嘶啞在空間中距離較遠，一定程度上也呈負相關(guān).接下來，根據(jù)文獻[11]中音色描述詞的打分，將聚類描述詞的分數(shù)取平均，得到中心描述詞分數(shù)，并規(guī)定得分最高的描述詞為該樂器的主導音色，結(jié)果見表2.

表2 民族樂器的主導音色Tab.2 Dominant timbre of Chinese musical instruments

3.3 實驗二: 基于客觀特征構(gòu)建民族樂器的音色分類模型

本實驗通過提取音頻客觀特征，使用機器學習方法建立民族樂器的音色分類模型.實驗使用數(shù)據(jù)集Ⅱ(民族樂器擴充數(shù)據(jù)集)作為訓練數(shù)據(jù)，樂器音色標簽為表2所示的主導音色.首先使用網(wǎng)格搜索法選擇各個分類器的最佳參數(shù)，再以音頻片段為單位，使用五折交叉驗證的方法計算出在驗證集上的平均準確率.用具有準確主觀打分的數(shù)據(jù)集Ⅰ(民族樂器音色主觀評價數(shù)據(jù)集)作為測試集.每段音頻以幀為單位提取21維音頻客觀特征，平均、標準化后送入分類器進行訓練.實驗結(jié)果如表3所示.

表3 民族樂器的音色分類模型的結(jié)果Tab.3 The results of timbre classification model of Chinese musical instruments

從表3中看出，經(jīng)過參數(shù)調(diào)優(yōu)后的幾個模型中，帶有徑向基核函數(shù)的支持向量機分類模型表現(xiàn)最好，達到了78.38%的準確率與78.59%的F1值，計算出了較理想的分類超平面；邏輯回歸結(jié)果準確率僅達到64.86%，表明音色與特征之間是非線性關(guān)系；同一樂器具有相同音色的假設會引入部分噪聲，對噪聲魯棒性不強的隨機森林表現(xiàn)稍差；而K近鄰算法中，預測樣本的音色為特征空間相近的樣本標簽投票的結(jié)果，具有較好的容錯性.

表4 SVM的分類結(jié)果Tab.4 Classification results of SVM

具體到音色，最優(yōu)分類器(即SVM)的分類結(jié)果如表4所示.在訓練數(shù)據(jù)中，標簽為纖細的數(shù)據(jù)量較多，其中不同類型的樂器都出現(xiàn)了標簽為纖細的樣本，如數(shù)據(jù)集I中拉弦類樂器高胡、簧管類吹奏樂器高音笙、彈撥類樂器琵琶、打擊類樂器編鐘.然而事實上，由于樂器類別不同，這些樂器在整體音色感知上是有一定區(qū)別的，這導致纖細類別召回率最高，但精確度較低.其他3類精確度較高，但召回率較低.其中，嘶啞的精確度達到1.00，而召回率僅為0.67.音色類別為嘶啞的樂器多集中在簧管類吹奏樂器上，類型比較集中.另外，標簽為嘶啞的數(shù)據(jù)量較少，且嘶啞聚類中的描述詞間隔也較遠，使用聚類中心詞描述會引入一些偏差，使得召回率變低.具體到樂器類別，最優(yōu)分類器(即SVM)的分類結(jié)果中，拉弦樂器的預測準確率達到85%，邊棱類吹奏樂器準確率達到83.33%.

實驗二表明: 基于客觀特征構(gòu)建民族樂器的音色分類模型有一定的分類效果，最好情況下達到了78.38%的準確率.由于實驗基于同一樂器擁有相同音色的假設前提，使得標簽中有一些噪聲.訓練出的模型會受到噪聲的影響.針對以上分析的現(xiàn)象，本文從特征出發(fā)，對民族樂器音色進行進一步分析.

3.4 實驗三: 基于客觀特征的民族樂器的音色分析

在前面的分類實驗中，分類器對不同的音色描述詞進行建模時，表現(xiàn)差異較大.t-SNE(t-distributed Stochastic Neighbor Embedding)是1種用于挖掘高維數(shù)據(jù)的非線性降維算法，它非常適用于高維數(shù)據(jù)的可視化操作.為找到客觀特征與音頻音色之間的相關(guān)性，本實驗將實驗二中提取的音頻片段的客觀特征作為21維向量，通過t-SNE算法將其降維到2維空間，并對數(shù)據(jù)集Ⅱ中的3000多個音頻片段在該特征空間中的位置進行可視化，觀察標簽為不同音色的樣本數(shù)據(jù)在2維平面上的分布，對特征與音色之間的關(guān)系進行進一步分析.樣本特征的可視化結(jié)果如圖3所示.

圖3 樣本特征的可視化分析Fig.3 Visual analysis of sample features

首先可以看出，圖3中相同標簽(顏色)的音頻有集聚現(xiàn)象.圖中標簽為纖細(黃色)的音頻，有一部分明顯遠離其他標簽的音頻，另一部分零散地分布在中下部分，和純凈、嘶啞的分布較接近，加之數(shù)據(jù)量較多，出現(xiàn)了召回率高、精確率低的現(xiàn)象.標簽為厚實(綠色)的音頻，在圖中分布較為集中，在K近鄰算法中表現(xiàn)較好.圖中標簽為純凈(藍色)的音頻，整體居于平面中間靠右下的位置，但熵較大.圖中標簽為粗糙(紅色)的音頻分布最為分散，且與其他音頻沒有明顯的分割邊界.針對以上實驗中觀察到的現(xiàn)象，本文進一步分析了音色的影響因素.

3.4.1 音色與樂器類別相關(guān)性

同為彈撥類樂器，古琴、古箏與箜篌的主導音色標簽分別為厚實、纖細與純凈.但在圖4中，它們位置接近.這表明同一樂器類別的音頻可能音色相近，例如拉弦類樂器多為纖細，簧管類吹奏樂器多為嘶啞、厚實，彈撥類樂器多為纖細、純凈.這與樂器的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、演奏方式有關(guān).其中也有一些例外，如彈撥類樂器中，革胡與低音革胡聲音厚實，這通常與樂器的演奏音域有關(guān).

圖4 同一樂器類別不同標簽的音頻分布Fig.4 The distribution of audio of the same instrument categorie with different labels

另外，由上述實驗觀察到，同一音色標簽的樂器音頻可能分布在特征空間上距離較遠的位置.例如，在圖5中，音色標簽為嘶啞的樂器音頻集中分布在空間的幾個不同區(qū)域，而同一區(qū)域內(nèi)大多是同一種樂器.如高音管在空間的右上方，塤在空間右部，三弦在空間左下部，其中高音管與標簽為纖細的音頻分布較近，塤與標簽為厚重的音頻分布較近，三弦與標簽為純凈的音頻分布較近.這表明即使同樣是嘶啞，在主觀感受上也并不完全相同，而是會受到樂器類別的影響.簡單來講，嘶啞可細分為簧管類吹奏樂器的嘶啞(高音管)、邊棱類吹奏樂器的嘶啞(塤)、彈撥類樂器的嘶啞(三弦)等不同種類.

圖5 不同樂器類別同一標簽的音頻分布Fig.5 The distribution of audio of the different instruments categories with same label

其他音色描述詞也有類似結(jié)論.如拉弦類樂器的厚實(革胡)、彈撥類樂器的厚實(古琴)、吹奏類樂器的厚實(低音管)在特征分布空間上也有類間距離較遠、類內(nèi)距離較近的現(xiàn)象.綜上所述，樂器音色與樂器類別有關(guān).同一類別樂器的音色感知相近，不同類別樂器的音色感知差異較大.

3.4.2 音色的其他影響因素

通過實驗可以發(fā)現(xiàn)，相同樂器的不同音頻片段被模型預測為不同音色的情況普遍存在，這是因為音頻的音色不止取決于演奏的樂器種類，還受到音頻其他性質(zhì)的影響，如音高等.

表5 不同音高的音頻的預測結(jié)果Tab.5 The prediction results for audio samples with different pitches

新笛樂器在各個描述詞上的主觀打分較均勻，本實驗選取新笛的音頻進行實驗.首先將按音階演奏的新笛音頻片段按照音高進行分割，使得每段音頻音高基本穩(wěn)定，得到反映18個不同音高的39個樣本數(shù)據(jù).然后使用實驗二中得到的分類器對樣本數(shù)據(jù)的主導音色進行預測，預測結(jié)果如表5所示.

由表5可知，新笛音色在“純凈”上得分最高，但是從上述實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著音高升高，音頻逐漸趨向于被預測為“纖細”.同樣地，本實驗使用了t-SNE算法對包含這39個音頻的樣本數(shù)據(jù)集的特征進行了可視化，并將39個音頻的音高標記在空間中，見圖6.

圖6 同一樂器不同音高的音頻分布Fig.6 The distribution of audio of the same instrument with different pitches

可以發(fā)現(xiàn)，新笛的音頻片段在空間中的分布并不集中，而是以一定的規(guī)律分散在空間的不同位置.具體而言，音高高于B5的音頻主要分布在標簽為纖細的點(黃色點)附近，而音高低于B5的點則主要分布在標簽為純凈的點(藍色點)附近，與分類器的預測結(jié)果相一致.由此可知，對于1段音頻僅憑其演奏樂器難以斷定其音色，換言之，同一樂器所具有的音色屬性并不單一.因此，通過演奏樂器映射到單一音色的樣本數(shù)據(jù)集具有一定局限性，使用其所訓練的分類器同樣較為局限.此外，通過本實驗也可以發(fā)現(xiàn)，實驗二中訓練的分類模型預測結(jié)果與主觀認知基本一致，證明了模型的有效性.

4 總結(jié)與展望

本文基于客觀特征對民族樂器音色進行了研究與分析.首先，本文通過音色描述詞的主觀打分，進行了描述詞的分析與聚類選擇，將16個音色描述詞進一步分為具有區(qū)分度的4個音色類別——厚實、纖細、純凈、嘶啞.基于同種類樂器具有相似音色的前提，本文構(gòu)建了民族樂器的音色分類模型，其中支持向量機模型表現(xiàn)最好(精確度為83.48%，召回率為75.95%，F(xiàn)1值為78.59%，準確率為78.38%).根據(jù)實驗中觀察到的現(xiàn)象，本文進一步分析了音色的影響因素，發(fā)現(xiàn)除與樂器種類有關(guān)以外，音色還與樂器類別相關(guān)，同一類別樂器的音色大體相近，不同類別樂器即使用同一音色描述詞描述，音色仍可能有較大差異；除此之外，音色還受多重因素影響(如音高)，同種類樂器仍可能具有多種音色屬性.

前文的研究證明，單一的主導音色也許不能完全代表樂器的音色感知特征，對研究過程中發(fā)現(xiàn)的諸多局限性，未來的研究可關(guān)注下面幾個方面: 1) 嘗試多標簽分類或建立連續(xù)的音色空間模型來更精準地對音色建模；2) 影響音色的其他因素，如演奏技法、演奏力度等；3) 由于從互聯(lián)網(wǎng)收集的獨奏片段錄音環(huán)境、錄音設備及后期處理并不統(tǒng)一，可嘗試建立條件統(tǒng)一、質(zhì)量更高的民族樂器的音色數(shù)據(jù)集.