@TOC
本文已参与「新人创作礼」活动，一起开启掘金创作之路。
一、背景与需求
前一段时间在B站看到一个视频，up主用matlab演奏出了《小星星》这首歌bilibili。当时我就在想，pythonGit能不能做到这一点呢？《小星星》的谱子太简单了，我决定尝试演奏《国际歌》
二、必备知识
2.1 Python生成音乐的原理
想要生成一段音乐，首变量英语先要了解声音产生的原理：
声音是由物体振动产生的声波。是通过介质（空气或固体、液体）传播并能被人或动物听觉器官所感知的波动现象。最初发出振动（震动）的物体叫声源。声音可视化管理以波的形式振动（震动）传播。声音字符是什么是声波通过任何介质传播形成的运动。 声音是变量之间的关系一种波。可以被人耳识别的声（运动品牌频率在20 Hz~gitlab20000 Hz之间），我们称之为声音。
想要用Python生成一段音乐，道理其实非常简单。只要我们想办法生成这段音乐的波形数据，再将其写入文件保存，就可以播放了。
怎样生成一段声波呢？这可以通过Numpy库实现。
下字符面的代码用于生成一段正弦波并可视化：
import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt # 生成一条正弦波 x = np.linspace(0, 2*np.pi, 8192) y = np.sin(x) #可视化 plt.plot(x,y) plt.show()
可视化结果如图所示：
当然，如果我们把这样一段正弦波写入文件并播放，是不会听到任何声音的。这是因为人耳可以听到的声音的频率范围在20到2万赫兹（H运动完多久可以洗澡z可视化工具）之间，而上面这条正弦波的频率为1Hz变量，属于人耳听不到的次声波。
import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt frequency = 440 x = np.linspace(0, 2*np.pi, 8192) y = np.sin(frequency * x) plt.plot(x,y) plt.show()
结果如下：
2.2 十二平均律
十二平均律十二平均律
（英语：Equ可视化管理al temperament），又称十二等程律，音乐律式的一种，也是当今最主流的律式。将一个八度平均分成十二等份，每等分称为半音，音高八度音指的是频率乘上二倍。八度音的频率分为十二等github永久回家地址分，即是分为十二项的等比数列，也就是每个音的频率为前一个音的2的12次方根：
2.3 简单可视化音乐软件乐理知识
想要用Python演奏国运动会加油稿际歌，首先要对琴谱进行编码，将五线谱输入计算机中。这要求我们必字符型变量须可视化对乐理知识具备一定的了解。这里不作详细介绍，可参考 乐理可视化是什么意思知识以及musicXml属性介绍 这篇文章。
三、实现
3.1 对琴谱进行编码
我手里现有的国际歌琴谱是五线谱形式的。
3.2 Music类
Music类用运动完多久可以洗澡来实例化一首歌。其包含以下成员：
主要变量
name: 一个字符串运动员，歌曲名称staff: 一个Staff对象字符间距加宽2磅，歌曲的五线谱。wave: n运动健康p.array()数组，五线谱对应的波形。Fs: 采样率conver可视化图表ter: 一个C字符间距加宽2磅怎么设置onverter对象，用来实现五线谱到波形的转换。
主要函数
load_staff(self,file_name): 读取字符串是什么意思编码后的五线谱。update_music(self): 根据读取的五线谱更新波形。save_music(self,file_name,file_type="wav"): 保存音频文件。draw_wave(sel变量类型有哪些f): 画可视化数据图表出波形图。
class Music():
def __init__(self, name=""):
"""
Init an instance of MyMusic.
Parameters
----------
name : str, [optional]
Name of the music. Must be str.
"""
#Judge the type of input.
assert name is None or isinstance(name, str)
self.__name = name
self.__staff = None
self.__wave = np.array([])
self.__Fs = 8192
self.__converter = Converter(self.__Fs)
def load_staff(self,file_name):
"""
Load the staff from a file.
Parameters
----------
file_name : str
The file to read from.
Returns
-------
state : bool
Whether loaded the data successfully.
"""
#Judge the input.
assert isinstance(file_name, str), "file_name must be a string"
assert len(file_name.split(".")) == 2, "Input error. neg.'start.txt'"
self.__staff = Staff(file_name)
self.update_music()
def save_staff(self,file_name):
"""
Save the staff to a file.
Parameters
----------
file_name : str
The file to save to.
Returns
-------
state: bool
Whether saved the data successfully.
"""
def update_music(self):
"""
Update the music(wave) by self.__staff.
"""
self.__wave = self.__converter.gen_music(self.__staff)
def save_music(self,file_name,file_type="wav"):
"""
Save the music as an audio.
Parameters
----------
file_name : str
The file to save to.
file_type : str
Type of the file to save to. Defaults to 'wav'
and it means save the audio as "{file_name}.wav".
Returns
-------
state : bool
Whether successfully saved the music as an audio.
"""
path = file_name.split(".")[0]+"."+file_type
sf.write(path, self.__wave, self.__Fs, 'PCM_24')
def play(self):
"""
Play the music.
"""
def draw_wave(self):
"""
Draw the waveform according to self.__wave.
"""
n = len(self.__wave) # Number of samples.
t = n/self.__Fs # Range of t is [0,t]
x = np.linspace(0, t, n)
plt.plot(x,self.__wave) # Draw the wave.
plt.show()
3.3 Staff类
Staff类用于表示琴谱
主要变量
rythm: 琴谱的节奏。loop: 储存琴谱循环信息。
主要函数
read(self): 读取编码后的五线谱。
class Staff():
def __init__(self, file_name):
"""
Init an instance of a Staff.
Parameters
----------
f_name : str
The name of the file.
f_type : str
The type of the file.
"""
self.__sections = []
self.__name ,self.__type = file_name.split(".")
self.__text = ""
self.__rythm = 60
self.__loop = None
self.__supported_type = {"txt"} # The type of file supported.
self.read() # Read file.
def read(self):
"""
Init the staff from a file.
"""
assert self.__type in self.__supported_type, "Sorry, this type of file is not supported."
if self.__type == "txt":
self.read_from_txt()
def read_from_txt(self):
"""
Load the staff from a txt file.
Parameters
----------
file_name : str ("xxx.txt")
The full name of the file.
"""
file_name = self.__name + "." + self.__type
with open(file_name, "r") as file:
self.__text = file.read()
re_rythm = re.compile("rythm=([0-9]*)",re.S)
re_loop = re.compile("loop=(.*?))",re.S)
re_section = re.compile("(<section.*?>.*?</section>)",re.S)
re_section_att = re.compile("<section (.*?)>(.*)</section>",re.S)
self.__rythm = int(re_rythm.findall(self.__text)[0]) # Find the rythm.
self.__loop = eval(re_loop.findall(self.__text)[0])
sections = re_section.findall(self.__text) # Find all sections.
for section in sections:
# Create a temp dict to save the information of this section.
dict_att = {}
# Find the attributions and the notes of this section.
match = re_section_att.findall(section)
# Add every attribute to `dict_att`.
attributes = match[0][0].split()
for att in attributes:
key, value = att.split("=")
dict_att[key] = value
# Create a list `notes` and add every note to this list.
notes_temp = match[0][1].split("n")
notes = []
for i in range(len(notes_temp)):
note = notes_temp[i].strip(" ")
note = note.strip("t")
if note:
notes.append(note)
# Create a dict to save the information of this section, and add it to `self.__section`.
self.__sections.append({"attribute":dict_att, "notes":notes})
# print(self.__sections)
@property
def sections(self):
return self.__sections
@property
def rythm(self):
return self.__rythm
@property
def loop(self):
return self.__loop
3.4 Converter类
Converter类用于实现五可视化线谱到波形的转换。
主要变量
Fs: 采样率。
主要函数
regitiad(self):变量名的命名规则 读取编码字符串逆序输出后的五线谱。get_frequency(可视化大屏sel可视化图表f,major,scale)：计算给定音符的频率。get_wave(self,major,scale,rythm=1): 生成给定音符的波形。gen字符常量_music(seGitlf,staff): 拼接各音符的波形，生成整首音乐的波形。
class Converter():
def __init__(self, Fs=8192):
"""
Init an instance of Converter.
Parameters
----------
Fs : int [optional]
The sampling rate.
"""
self.__Fs = Fs
def get_frequency(self,major,scale):
"""
Calculate the Frequency.
Parameters
----------
major : int
The major. For example, when it takes 0, it means C major.
scale : int, range[-1,12]
The scale. -1 means a rest, and 1 means "do", 12 means "si".
Returns
-------
frequency : float
The Frequncy calculated by the major and scale.
"""
frequency = 440*(2**major)
frequency = frequency*2**((scale-1)/12)
return frequency
def get_wave(self,major,scale,rythm=1):
"""
Generate the wave of a note.
Parameter
---------
major : int
The major. For example, when it takes 3, it means C major.
scale : int, range[-1,12]
The scale. -1 means a rest, and 1 means "do", 12 means "si".
rythm : int
The rythm of the note. When it takes 1.5, int means 1.5 unit-time per beat.
Returns
-------
y : np.array
The wave generated.
"""
Pi = np.pi
x = np.linspace(0, 2*Pi*rythm, int(self.__Fs*rythm), endpoint=False) # time variable
# When scale==-1, it means a rest.
if scale == -1:
y = x*0
else:
frequency = self.get_frequency(major, scale)
y = np.sin(frequency*x)*(1-x/(rythm*2*Pi))
return y
def gen_music(self,staff):
"""
Play a piece of music based on section.
Parameters
----------
staff : class Staff.
Returns
-------
wave : np.array
The wave of the staff.
"""
sections = staff.sections
time = 60/staff.rythm
loop_start, loop_end, loop_times, loop_sub = staff.loop
wave = np.array([])
section_wave_ls = []
for section in sections:
notes = section["notes"]
wave_list = []
for line_str in notes:
line = [eval(note) for note in line_str.split()]
line_wave = np.array([])
for note in line:
major, scale, rythm = note
rythm *= time
y = self.get_wave(major, scale, rythm)
line_wave = np.concatenate((line_wave,y),axis=0)
wave_list.append(line_wave)
length = min([len(line_wave) for line_wave in wave_list])
section_wave = wave_list[0][:length]
for i in range(1,len(wave_list)):
section_wave += wave_list[i][:length]
# wave = np.concatenate((wave,section_wave),axis=0)
section_wave_ls.append(section_wave)
temp = [w for w in section_wave_ls[:loop_start-1]]
for i in range(loop_times):
for w in section_wave_ls[loop_start-1:loop_end]:
temp.append(w)
if loop_sub:
section_wave_ls = temp[:-1] + [w for w in section_wave_ls[loop_end:]]
else:
section_wave_ls = temp + [w for w in section_wave_ls[loop_end:]]
for w in section_wave_ls:
wave = np.concatenate((wave,w), axis=0)
return wave
四、项目代码
完整代码已经上传变量英语至github，传送门: Python演奏国际歌运动会作文
五、运动完多久可以洗澡不足与展望
- 对琴谱的编码方式有待优化。我采用的方法太过粗糙，只提取了原谱最关键的少量信息。此外，由于编码规则是我自己指定的，这种编码也缺乏通用性。接下来可以尝试MusicXMLXML编码。
- 琴谱编字符是什么码需要人工进行，费时费力，后期可以采用图像识别技术自动识别并编码字符间距加宽2磅琴谱。
- 后期可以再写一个UI界面，提高用户体验度。
- 【Matlab番外篇】怎样用Matgiteelab生成一段音乐↩
- 维基百科：A(音名)↩
- 维基百科：十二变量泵平均律↩
- Songs and Sch运动会作文emas↩
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