32、音乐旋律搜索与模式替换技术解析

音乐旋律搜索与模式替换技术解析

1. 逆行旋律变换的思考

逆行旋律变换是一种有趣的音乐处理方式。在将逆行旋律转录到原和声时，会进行旋律调整以保留轮廓线。不过，非节拍音符的和弦指定可能会导致音阶线不均匀。

逆行旋律变换虽能带来新的创作素材，通过聆听和研究反转旋律可发掘新的旋律材料，但它也存在诸多问题，不太适合在现有作品中进行音乐内容替换或增强。其中，最突出的问题在于和弦音符的归属，无论和声是否反转，都会使旋律与和声的匹配显得生硬。

2. 音乐中的搜索与替换概念

在文档编辑中，“查找”和“替换”功能很常见。在音乐领域，类似的“查找”和“替换”操作更为复杂。例如，搜索一个旋律片段时，它可能在乐谱的不同调性、模态和模式中多次出现，且找到的片段可能只是在结构上与搜索旋律“接近”而非完全相同。替换操作同样复杂，被替换的音乐部分有不同的和声背景，替换内容需适应不同的调性和和声。

2.1 旋律搜索的特点

旋律搜索并非像简单的文字搜索，它更像是允许拼写、语言和语义变化的文字搜索。判断两个旋律是否“相同”（同源）有一定标准：
- 音符数量和每个音符的持续时间应相同。
- 旋律的起伏方式应相似，即具有相同的轮廓。

例如，一个大调的欢快旋律和其小调的悲伤版本可被认为是相似的。在旋律搜索中，同源旋律的和声不一定匹配，包括根音、模态、模式、和弦等方面。为简化讨论，我们做了一些假设：
- 同源旋律的音符数量、偏移和持续时间匹配。
- 两个同源旋律的和声上下文集合，除了第一个和最后一个用于处理前奏和结尾的部分，其余持续时间应匹配。

2.2 旋律搜索的选项

旋律搜索的规范非常细致，有多种选项可供用户选择，以确定搜索结果的类型。

2.2.1 音符匹配选项

选项	说明
note_match_scalar_precision	标量音必须在音阶度数上匹配
note_match_chordal	和弦音必须保持为和弦音
note_match_chordal_precision	匹配的和弦音必须具有相同的和弦音程
note_match_non_scalar_precision	非标量音必须与调性根音的音程匹配
note_match_non_scalar_to_scalar	允许模式中的非标量音与目标中的标量音匹配
structural_match	模式和目标音符的连音结构（包括三连音等）必须匹配

2.2.2 和声上下文匹配选项

选项	说明
hct_match_tonality_key_tone	模式和目标的和声上下文必须在指定的主音上匹配，但不一定在模态上匹配
hct_match_tonality_modality	模式和目标的和声上下文必须在模态上匹配，但不一定在主音上匹配
hct_match_relative_chord	模式和目标的和声上下文必须在相对于调性的和弦度数上匹配

这些选项被整合到一个名为 GlobalSearchOptions 的 Python 对象中，方便用户设置和跟踪搜索选项。以下是其构造函数：

class GlobalSearchOptions(object):
    def __init__(self, structural_match=True,
                 hct_match_tonality_key_tone=False,
                 hct_match_tonality_modality=False,
                 hct_match_relative_chord=False,
                 note_match_scalar_precision=False,
                 note_match_chordal=False,
                 note_match_chordal_precision=False,
                 note_match_non_scalar_precision=False,
                 note_match_non_scalar_to_scalar=False):

2.3 旋律搜索的技术细节

2.3.1 搜索设置

旋律搜索使用 MelodicSearch 对象，其构造函数接收 pattern_line （定义搜索旋律的音符）和 pattern_hct （指定搜索模式的和声）作为参数。构造函数会对模式数据进行分析，得到以下信息：
- 音符信息：包括音阶度数、与和弦的音程（如果是和弦音）、与主音的音程和持续时间。
- 音符对信息：包括音符对的全音符时间位置差、音程和相对音高关系。
- 和声上下文信息：包括每个模式和声上下文的持续时间和相对于调性的和弦度数。

这些信息存储在 MelodicSearchAnalysis 对象中，方便后续搜索使用。

2.3.2 搜索算法概述

旋律搜索有多种方法，这里采用的是先在 target_hct 中搜索与 pattern_hct 匹配的部分，然后检查匹配部分的音符是否与模式音符按搜索选项匹配。搜索算法如下：

def search(self, target_line, target_hct, search_options=GlobalSearchOptions()):
    target_hc_count = 0
    position_answers = list()
    while True:
        hc_start = self.search_hct_incrementally(target_hct, target_hc_count, search_options)
        if hc_start is None:
            break
        search_answers = self.search_notes(target_line, target_hct, hc_start[1], search_options)
        target_hc_count = target_hc_count + 1 if search_answers is None or len(search_answers) == 0 else hc_start[1] + 1
        if search_answers is not None and len(search_answers) != 0:
            position_answers.extend(search_answers)
    return position_answers

该算法会在 target_hct 中逐步搜索与 pattern_hct 完全匹配的部分，对于每个匹配，检查模式音符与目标音符是否匹配。如果匹配，将匹配的起始位置添加到结果列表中。

2.3.3 搜索的细节

• HCT 匹配 ：搜索算法由 search_hct_incrementally() 方法驱动，该方法会在 target_hct 中搜索与 pattern_hct 匹配的部分。根据 pattern_hct 是单一和声上下文还是多个和声上下文，有不同的匹配规则。
  • 单一和声上下文：从 target_hc_start_index 开始遍历 target_hct ，找到第一个持续时间大于或等于模式且满足全局和声上下文搜索选项的目标和声上下文。
  • 多个和声上下文：第一个匹配的和声上下文持续时间应大于或等于模式的第一个和声上下文，最后一个匹配的和声上下文持续时间应大于或等于模式的最后一个和声上下文，其他模式和声上下文的持续时间应与目标匹配，且所有目标和声上下文都需满足全局搜索选项。
• 结构匹配 ：如果全局选项中设置了 structural_match ，模式和目标音符的连音结构（包括梁和三连音）必须匹配。通过比较音符的父结构来检查是否匹配，使用 Python 字典 ref_map 处理结构元素的映射。
• 模式轮廓检查 ：在逐音符检查模式与目标时，会检查目标音符对的相对音高关系是否与模式音符对相同。

2.4 旋律搜索的 API

旋律搜索的 API 相对简单，主要关注 MelodicSearch 类的构造函数和 search() 方法。

2.4.1 构造函数参数

参数	说明
pattern_line	包含旋律模式的输入 Line 对象
pattern_hct	与 pattern_line 对应的和声上下文轨道

2.4.2 搜索方法参数

参数	说明
target_line	要搜索的目标 Line 对象
target_hct	要搜索的目标和声上下文轨道
search_options	包含搜索选项设置的 GlobalSearchOptions 对象

search() 方法返回一个列表，列表中的每个元素是匹配模式的起始位置（以全音符时间表示）。

2.5 旋律搜索示例

考虑一个简单的旋律搜索模式，它跨越 C 大调和 G 大调。使用默认搜索参数在目标乐谱上进行搜索，可通过以下代码设置搜索：

# 假设这里有创建 pattern_line、pattern_hct、target_line、target_hct 和 search_options 的代码
melodic_search = MelodicSearch(pattern_line, pattern_hct)
results = melodic_search.search(target_line, target_hct, search_options)

通过以上步骤，我们可以在音乐乐谱中进行复杂的旋律搜索操作，利用各种选项和算法找到符合要求的旋律片段。

3. 旋律搜索的实际应用与拓展思路

3.1 实际应用场景

旋律搜索在音乐创作、音乐分析和音乐编辑等领域有着广泛的应用。以下是一些具体的应用场景：
| 应用场景 | 说明 |
| — | — |
| 音乐创作 | 作曲家可以使用旋律搜索功能，在已有的音乐素材中查找相似的旋律片段，为新作品提供灵感。例如，从大量的民间音乐中搜索特定风格的旋律，融入到现代音乐创作中。 |
| 音乐分析 | 音乐学者可以通过旋律搜索，对比不同作品中的相似旋律，分析音乐风格的演变和传承。比如，研究巴洛克时期和古典时期音乐中相似旋律的变化。 |
| 音乐编辑 | 在音乐编辑过程中，旋律搜索可以帮助编辑人员快速定位需要修改或替换的旋律片段，提高编辑效率。例如，在电影配乐中，替换不符合剧情氛围的旋律。 |

3.2 拓展思路

虽然目前的旋律搜索已经有了较为完善的算法和选项，但仍然有一些可以拓展的方向。以下是一些拓展思路：
- 引入机器学习算法 ：利用机器学习算法对旋律进行更深入的分析和理解，提高搜索的准确性和效率。例如，使用深度学习模型对旋律的情感、风格等特征进行分类，让搜索结果更加符合用户的需求。
- 支持多声部搜索 ：目前的旋律搜索主要针对单声部旋律，未来可以拓展到多声部旋律的搜索。这样可以在更复杂的音乐作品中进行搜索，如交响乐、合唱作品等。
- 与音乐推荐系统结合 ：将旋律搜索与音乐推荐系统相结合，根据用户搜索的旋律，推荐相似风格或主题的音乐作品。例如，用户搜索了一首欢快的旋律，系统可以推荐其他欢快风格的音乐。

3.3 流程图展示

下面是一个简单的旋律搜索流程的 mermaid 流程图：

graph TD;
    A[开始] --> B[输入模式和目标信息];
    B --> C[进行模式分析];
    C --> D[在目标中搜索匹配的和声上下文];
    D --> E{是否找到匹配};
    E -- 是 --> F[检查匹配部分的音符是否符合选项];
    F --> G{音符是否匹配};
    G -- 是 --> H[记录匹配位置];
    G -- 否 --> D;
    E -- 否 --> I[结束搜索];
    H --> D;

这个流程图展示了旋律搜索的基本流程，从输入模式和目标信息开始，经过模式分析、和声上下文搜索、音符匹配等步骤，最终记录匹配位置或结束搜索。

4. 总结与展望

4.1 总结

本文详细介绍了逆行旋律变换和旋律搜索与模式替换的相关知识。逆行旋律变换虽然有趣，但存在一些问题，不太适合在现有作品中进行内容替换或增强。而旋律搜索则是一个复杂但功能强大的工具，通过多种选项和算法，可以在音乐乐谱中找到相似的旋律片段。

旋律搜索的关键在于定义同源旋律的标准，以及设置合适的搜索选项。同时，搜索算法的设计也非常重要，包括和声上下文匹配、结构匹配和模式轮廓检查等步骤。通过合理使用旋律搜索的 API，可以方便地在音乐作品中进行搜索操作。

4.2 展望

随着音乐技术的不断发展，旋律搜索和模式替换的功能将会越来越强大。未来，我们可以期待以下方面的发展：
- 更智能的搜索 ：引入人工智能和机器学习技术，让旋律搜索更加智能和准确。例如，能够自动识别旋律的情感、风格等特征，根据用户的需求提供更精准的搜索结果。
- 跨平台应用 ：将旋律搜索功能集成到更多的音乐软件和平台中，方便音乐创作者、学者和爱好者使用。例如，在音乐制作软件、在线音乐平台等中都可以使用旋律搜索功能。
- 与其他音乐技术结合 ：将旋律搜索与音乐生成、音乐合成等技术结合，创造出更多新颖的音乐作品。例如，根据搜索到的旋律片段，自动生成相似风格的音乐。

总之，旋律搜索和模式替换是音乐领域中非常有潜力的技术，未来将会为音乐创作、分析和编辑带来更多的可能性。