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化設計仍處于發展探索階段。

傳統的音樂燈光表演方案設計需要音樂、燈光、自控等專家的共同合作,設計調試周期漫長,效率低下。目前,已出現一些計算機音樂燈光表演方案設計平臺,采用專家系統實現音樂燈光的自動化匹配設計,周期相對縮短,但是方案的生成仍就不能將音樂與燈光完美結合。因此,完善音樂燈光匹配知識庫,提升自動化推理規則及策略是迫切需要解決的問題。本文在總結多次燈光表演方案設計經驗基礎上,歸納燈具動作場景、方法及參數,建立多種動作模型庫,最后通過音樂的關鍵特征要素提取量化分類,并采用模糊的產生式推理規則及相應沖突消解策略,解決自動生成方案的難題。

1總體設計原理

完成一個高效完美的音樂燈光表演設計方案,需要設計專家具有大量的經驗知識,這也是一個設計難題。專家系統是人工智能的一個主要研究方向,非常適合處理上述問題。采用框架表示法和產生式規則,完成音樂燈光方案設計的專家系統,其系統總體框架如圖1所示。

2樂句的劃分

影響一首音樂的基礎特征包括節奏、音區、力度、旋律、調式等,音樂中的各種要素都不可能孤立使用,它們在和其他要素結合時會產生各種各樣的效果。

節奏包括節拍和速度。而復雜的多元化的音響效果可能由多重器樂律動的流層合奏出來。節奏的快慢也將影響燈光變化的速度。力度是音響強弱的程度,力度強則需燈光表現力豐富。音區指音的高低范圍,通常對音區來講,高音區一般具有明亮、清脆的特性:而低音區則渾厚、深沉,運用燈光的規模、色彩來體現。情感可以由多重的特征要素總結得出。

根據多次方案設計經驗總結得出,對于音樂特征的描述主要有7個關鍵要素,一些特征要素模糊量化為三級狀態,一些特征要素分類描述,如旋律分為漸升、漸降、平鋪、波動4種形式,情感分為輕快、優雅、悲傷、輕盈、浪漫、神圣、深沉7種形式。將音樂根據不同的速度、力度、音區等劃分,樂句片段及節拍重音記錄格式如表1、表2所示。

3動作模型庫

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

為實現多層次豐富的燈光變換,需進行燈光區域、燈光場景、單燈動作方法(作用通道、動作軌跡、操作參數）、多燈組合變化(組合個數、分組動作進行方向、分組動作間隔時間）等方面的設計匹配。根據單燈基本動作特征及演示效果,建立如表3所示的方法庫索引表,動作方法概括為連續和離散兩種變化方式。

4音樂燈光匹配專家系統

專家系統設計分為兩大部分:一是知識庫的建造,主要完成知識的獲取和表示:二是推理機的實現,主要完成推理方法和控制策略的設計。

4.1知識庫設計

知識庫分為兩大部分:事實庫和匹配規則庫。其中,事實庫分為前提事實庫和結論事實庫。匹配規則庫分為3個子系統規則庫,具體知識庫結構如圖2所示。

其中,匹配規則庫包含3個子系統,如圖2所示,每個子系統內的推理規則均可采用帶有可信度因子(CertaintyFactor,簡稱CF）的不精確產生式規則:

其中,E表示前提條件,H表示結論。E和H均可是一個或者多個。CF(H,E）稱為規則的可信度,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推理機設計

本文音樂燈光表演方案設計專家系統推理機包含3類知識推理設計,即燈具場景、單燈動作方法、多燈組合方式匹配推理。由于匹配規則庫前提條件和匹配結論具有不精確性,以及多層次推理中會產生一些沖突,分為兩種情況,一種是單個子系統內的,另一種是子系統間的。因此,此推理過程采用分層次多級模糊推理,同時采用對應的沖突消解策略。

模糊推理是對子系統規則設置優先級,子系統內每條規則設計可信度。本文根據3個匹配子系統部分有依存的關系以及從整體把握到局部點睛的設計理念,對3個子系統匹配規則進行優先級(PRI）范圍劃分,包含單燈動作方法匹配(PRI=70～100）、燈具場景匹配(PRI=40～70）、多燈組合方式匹配(PRI=0～40）,并且每個子系統的單個匹配規則知識均帶有可信度因子。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）優先選擇優先級及可信度高的規則,提高設計方案的滿意度:(2）具有相同優先級和可信度的規則,可利用其使用頻度來解決沖突,保證設計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）根據每個子系統預設的優先級數進行排序。選擇優先級最大者:否則,轉下一個沖突消解。

(2）根據單個匹配規則的可信度進行排序。分別計算出各條規則匹配的可信度,優先選用最大者:否則,轉下一個沖突消解。

(3）根據計算出當前此規則使用的頻度,頻度較小優先選擇,保證方案豐富多樣:否則,轉下一個沖突消解。

(4）為防止系統死循環,按規則進入順序排列,優先選用最先進入者。

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

5結語

本文在總結多次的音樂燈光表演方案設計經驗上,給出總體表演方案的專家系統設計的總體思路,包括知識庫的建立和推理機的設計,根據系統特性,采用模糊產生式推理規則及相應沖突消解策略,系統設計合理,可實現性強,對今后的研究具有一定參考價值。