项目1 PROJECT 1　基于马尔可夫模型的自动即兴音乐推荐

本项目通过用户选择主音调式即兴参数，输入歌曲信息BPM（Beat Per Minute，节拍）、弦级数及重复次数后生成音乐，实现上下文相关的即兴演奏。

1.1　总体设计

本部分包括系统整体结构和系统流程。

1.1.1　系统整体结构

系统整体结构如图1-1所示。

1.1.2　系统流程

伴奏制作、即兴旋律生成的流程如图1-2所示，贝斯模块及GUI （Graphical User Interface，图形用户接口）制作流程如图1-3所示。

1.2　运行环境

本部分包括Python环境和PC环境配置。

1.2.1　Python环境

需要Python 3.7及以上配置，安装库包括hmmlearn、numpy、pypianoroll、pygame、mido、musthe、PyQt 5、PyQt-tools（仅支持Windows），在Windows cmd中使用以下命令：

pip install hmmlearn、numpy、pypianoroll、pygame、mido、musthe

安装PyQt 5和PyQt-tools：

pip install sip
pip install PyQt5
pip install PyQt-tools

将当前目录下的4.ui转换输出成4.py文件：

python - m PyQt5.uic.pyuic 4.ui - o 4.py

1.2.2　PC环境配置

本程序最终将打包成.exe，在Windows环境下运行。安装能读取并播放MIDI文件程序的用户可自行查看生成文件；反之，在选项卡中选择“自动播放”选项播放生成的MIDI文件。

1.3　模块实现

本项目包括5个模块：钢琴伴奏制作、乐句生成、贝斯伴奏制作、汇总歌曲制作和GUI设计，下面分别给出各模块的功能介绍及相关代码。

1.3.1　钢琴伴奏制作

用户选择调式、输入和弦级数后，首先，将和弦级数转换为和弦名称；其次，用musthe将和弦名称转换为对应音；最后，根据用户选择的预置节奏型向MIDI中的钢琴轨写入钢琴伴奏。

1．和弦的实现

本部分代码完成添加和弦功能。

2．和弦级数转为当前调式音阶

将用户输入的和弦级数（数字1~7）转换为绝对的和弦名称，再用musthe（）方法将和弦名称转为当前调式下的音阶。

3．根据预置节奏生成伴奏

本项目为4/4拍和3/4拍的歌曲各提供了6种预置节奏型，共12种节奏型的钢琴伴奏，其中预置节奏型由日常演奏经验而得，是常用的节奏型，能适应大多数曲目。

1.3.2　乐句生成

使用hmmlearn，利用马尔可夫模型生成旋律和节奏。其中旋律表示为数字1~7，加上0和-1，1~7对应音阶中第1~7音（五声音阶对应五个音），0对应休止符，-1对应延音音符；节奏表示为数字1、2、4、8、16、32、6、12、24，分别表示全音符、二分音符、四分音符、八分音符等。

1．添加音符

音轨内添加一个普通音符/休止符/延音音符的相关代码如下：

2．旋律生成

相关代码如下：

3．节奏生成

相关代码如下：

1.3.3　贝斯伴奏制作

为丰富曲目内容，预置14组贝斯供用户选择。

1．添加贝斯轨

向歌曲内添加贝斯轨的相关代码如下：

2．预置贝斯轨

根据日常演奏经验，对4/4拍和3/4拍的歌曲分别给出7种常用贝斯轨，共14种，其中函数的输入chord_progression可以是和弦名称，也可以是和弦级数。例如：

1.3.4　汇总歌曲制作

完成钢琴伴奏制作、乐句生成模块后，使用类Impromptu调用并完成MIDI文件的写入与播放，并使用装饰器完成日志记录，函数piano_roll_test（）实现音乐的可视化。

1．日志模块

制作歌曲时记录日志，在当前目录下生成日志文件。

2．音乐可视化

相关代码如下：

3．Impromptu类

后台所有功能汇总类，在此实现即兴曲目的信息输入，可以保存并播放文件，实现音乐可视化。

1.3.5　GUI设计

为方便用户交互，使用PyQt 5 Designer拖动控件，设计图形界面，使用PyQt-tools将制作好的.ui文件转为.py代码，完成用户界面初始化，再将控件绑定对应功能。

1．用户界面空间初始化

此代码由制作好的.ui文件经PyQt-tools转换而成，在Windows下运行。

2．将控件绑定功能（信号与槽的绑定）

通过MainCode实现的继承关系如图1-4所示，其中Impromptu类为可运行的脚本，Ui_MainWindow为PyQt 5。

1.4　系统测试

GUI界面选择的和弦级数都是调内和弦。在Impromptu中使用self.chord_progression = ['Cmaj7 '， 'Am7 '， 'F'， 'E7 ']，可以使用调外和弦，给歌曲引入更丰富的和声。

运行主程序后显示GUI界面如图1-5所示。用户可选择的歌曲信息有主音、调式、bpm、拍号、钢琴伴奏类型、贝斯伴奏类型、和弦进行、重复次数和即兴的强度，另外还有右下角音色的切换（普通/安静）。

由于即兴的特点，每次运行产生的音频都不同，此处展示C大调下和弦进行为4321，重复次数为1，贝斯和钢琴伴奏类型均为类型1的歌曲可视化结果，如图1-6所示。钢琴伴奏位于中音区（C3~C4）。即兴旋律可视化结果如图1-7所示，即兴旋律位于高音区（C4~C5）。贝斯伴奏可视化结果如图1-8所示，即兴旋律位于低音区（C1~C2）。