(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
楽音入力信号に含まれる和音の構成要素を抽出する和音抽出装置において、
アナログの入力信号をディジタル化するＡ／Ｄ変換手段と、
１オクターブを構成する１２音階（Ｃ，Ｃ#，Ｄ，Ｄ#，Ｅ，Ｆ，Ｆ#，Ｇ，Ｇ#，Ａ，Ａ#，Ｂ）の各周波数に対応した基準波形を記憶する基準波形記憶手段と、
前記ディジタル化された入力信号と前記１２種の基準波形との相互相関をそれぞれ演算する相互相関演算手段と、
前記相互相関演算手段にて求められた各相関値のうち、相関の高い上位いくつかの音階を当該入力信号の和音であると判定する和音要素判定手段と、
この和音要素を表示する表示手段と、
を有することを特徴とする和音抽出装置。
【請求項２】
楽音入力信号に含まれる和音の構成要素を抽出する和音抽出装置において、
アナログの楽音入力信号をディジタル化するＡ／Ｄ変換手段と、
１オクターブを構成する１２音階（Ｃ，Ｃ#，Ｄ，Ｄ#，Ｅ，Ｆ，Ｆ#，Ｇ，Ｇ#，Ａ，Ａ#，Ｂ）の各周波数に対応した基準波形を記憶する基準波形記憶手段と、
前記ディジタル化された楽音入力信号と前記各基準波形とを所定のサンプリング点毎に乗じる乗算手段と、
前記各サンプリング点での乗算結果の総和を求める加算手段と、
前記加算結果の二乗を演算する二乗演算手段と、
前記各二乗演算結果のうち、上位のいくつかの音階を当該入力信号の和音構成要素であると判定する和音要素判定手段と、
この和音要素を表示する表示手段と、
を有することを特徴とする和音抽出装置。
【請求項３】
前記基準波形記憶手段に記憶された１２種の基準波形の各サンプリング点を１点おきに削除し、残されたサンプリング点の間隔を元のサンプリング点の間隔に縮めることにより、各基準波形の音階よりも１オクターブ高い音階の基準波形を生成する手段を有することを特徴とする請求項１または請求項２のいづれかに記載の和音抽出装置。
【請求項４】
前記基準波形記憶手段に記憶された１２種の基準波形の各サンプリング点間に、補間により求めた新たなサンプリング点を追加し、このサンプリング点を含めた各サンプリング点の間隔を元のサンプリング点の間隔に広げることにより、各基準波形の音階よりも１オクターブ低い音階の基準波形を生成する手段を有することを特徴とする請求項１または請求項２のいづれかに記載の和音抽出装置。
【請求項５】
前記入力信号の低周波成分を除去する低周波除去フィルタを設けたことを特徴とする請求項１または請求項２にいづれかに記載の和音抽出装置。
【請求項６】
前記入力信号の強拍を検出する強拍検出手段を配設し、強拍が検出されたタイミングで和音の抽出を行うことを特徴とする請求項１または請求項２のいづれかに記載の和音抽出装置。
【請求項７】
前記基準波形は、メキシカンハット型であることを特徴とする請求項１または請求項２のいづれかに記載の和音抽出装置。
【請求項８】
前記和音要素判定手段にて得られた和音構成要素を楽音信号に変換して後段の音響機器に接続するためのＭＩＤＩを配置したことを特徴とする請求項１または請求項２のいづれかに記載の和音抽出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、楽音に含まれる和音を構成する各音階を抽出して表示する和音抽出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、音響機器の開発が進められる中で、楽音の周波数を抽出しこの楽音の音名を推定して表示する装置（チューナー）が各種製品化されている。このような装置を用いると、例えば、ギターの弦を「ソ」の音にチューニングする際には、実際の演奏音とチューナーの表示音とが一致するように調整すればよく、簡便にチューニングを行うことができる。
ところで、昨今においては、演奏される楽音の和音（コード）を構成する各音名を抽出したいという要望が高まっている。和音の抽出ができれば、音響機器から出力される和音（例えば、Ｃメジャー等）を即時に表示することができるので、使用者はこの和音を認識してギター等で即時に演奏することができるからである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来におけるチューナーでは、単音についての抽出は可能であるが、和音の構成要素を抽出するものについては考案されていない。そこで、簡単に考えられる方法として、音響機器から発せられる楽音をＦＦＴ（ファーストフーリエ変換）を用いて周波数の解析を行い、これにより楽音を構成する音名を抽出する方法が考えられる。ところが、この方法では通常３オクターブにも及ぶ広い範囲にて周波数解析を行わなければならないので計算量が膨大となり、装置が余儀なく大形化されてしまい、実用的ではない。
この発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、簡単な構成で楽音の和音を構成する各要素を抽出することのできる和音抽出装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、楽音入力信号に含まれる和音の構成要素を抽出する和音抽出装置において、アナログの楽音入力信号をディジタル化するＡ／Ｄ変換手段と、１オクターブを構成する１２音階（Ｃ，Ｃ#，Ｄ，Ｄ#，Ｅ，Ｆ，Ｆ#，Ｇ，Ｇ#，Ａ，Ａ#，Ｂ）の各周波数に対応した基準波形を記憶する基準波形記憶手段と、前記ディジタル化された楽音入力信号と前記各基準波形とを所定のサンプリング点毎に乗じる乗算手段と、前記各サンプリング点での乗算結果の総和を求める加算手段と、前記加算結果の二乗を演算する二乗演算手段と、前記各二乗演算結果のうち、上位のいくつかの音階を当該入力信号の和音構成要素であると判定する和音要素判定手段と、この和音要素を表示する表示手段と、を有することが特徴である。
【０００５】
また、前記基準波形記憶手段に記憶された１２種の基準波形の各サンプリング点を１点おきに削除し、残されたサンプリング点の間隔を元のサンプリング点の間隔に縮めることにより、各基準波形の音階よりも１オクターブ高い音階の基準波形を生成する手段、及び、前記基準波形記憶手段に記憶された１２種の基準波形の各サンプリング点間に、補間により求めた新たなサンプリング点を追加し、このサンプリング点を含めた各サンプリング点の間隔を元のサンプリング点の間隔に広げることにより、各基準波形の音階よりも１オクターブ低い音階の基準波形を生成する手段を具備することにより、３オクターブにわたる基準波形を生成することを特徴とする。また、前記入力信号の低周波成分を除去する低周波除去フィルタを設け、前記入力信号の強拍を検出する強拍検出手段を配設し、基準波形をメキシカンハット型とすることを特徴とする。更に、前記和音要素判定手段にて得られた和音構成要素を楽音信号に変換して後段の音響機器に接続するためのＭＩＤＩを配置したことを特徴とする。
【０００６】
上述の如く構成された本発明によれば、音響機器等から発せられたアナログの楽音のＡ／Ｄ変換器によりディジタル化される。そして、この楽音信号の波形と１オクターブを構成する１２種の基準波形との間で、サンプリング点毎に乗算が行われ、各乗算結果の総和が求められる。従って、楽音信号の波形と基準波形の周期が一致すれば、乗算結果は大きくなるので、加算手段にて求められる総和は大きい値となる。そして、このような演算を１２種の基準波形との間で行い、加算結果の大きい基準波形に対応する音階を求めれば、楽音入力信号の和音を抽出することができるようになる。
【０００７】
また、各基準波形のサンプリング点を１点おきに削除し、残されたサンプリング点を元のサンプリング間隔に縮めれば、周期が半分に圧縮された基準波形が得られ、これは元の基準波形の２倍の周波数となる。従って、１オクターブ高い音階についての基準波形とすることができる。更に、これとは反対に、各基準波形のサンプリング点の間に、補完処理により新たなサンプリング点を追加し、この新たなサンプリング点を含む全体のサンプリング点の間隔を元のサンプリング点間隔に広げれば、周波数が半分となるので１オクターブ低い音階についての基準波形とすることができるようになる。従って、全体で３オクターブの範囲に亘って和音を抽出することができるようになる。
また、楽音入力信号から低周波成分を取り除く低周波除去フィルタを配置すれば、音階の存在しない低周波成分を除去することができるようになるので、相関を演算する際の精度が向上するようになる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明が適用された和音抽出装置に係る一実施形態の構成を示すブロック図であり、図示のようにこの和音抽出装置は、入力されるアナログの楽音信号をディジタル化するＡ／Ｄ変換器１と、このＡ／Ｄ変換器１の出力側に接続され、入力信号の低周波成分を除去する低周波除去フィルタ２と、１オクターブを構成する１２音階（Ｃ，Ｃ#，Ｄ，Ｄ#，Ｅ，Ｆ，Ｆ#，Ｇ，Ｇ#，Ａ，Ａ#，Ｂ）の各周波数に対応した基準波形が記憶される基準波形記憶部４と、１２種の基準波形の各サンプリング点間に任意の補間方法により新たなサンプリング点を生成することにより１オクターブ低い音階の基準波形を生成する追加部５と、１２種の基準波形の各サンプリング点を１つおきに削除することにより１オクターブ高い音階の基準波形を生成する削除部６と、低周波成分が除去された入力信号と基準波形記憶部４にて記憶されている１２種の基準波形及び追加部５、削除部６にて生成された１オクターブ低い基準波形と１オクターブ高い基準波形との間で、所定のサンプリング点毎に乗算を行う乗算演算部３と、を有している。
【０００９】
更に、各サンプリング点毎に求められた乗算結果の総和を求める加算演算部７と、この加算結果の二乗を求める二乗演算部８と、１２種３オクターブの各音階毎に得られた二乗演算の結果のうち大きい方から上位３〜４つを選択する和音要素判定部９と、この和音要素から入力信号の和音（コード）を求める和音判定部１０と、求められた和音を表示する和音表示部１１と、入力される楽音信号の強拍を検出してこの強拍信号を和音要素判定部９に出力する強拍検出部１２と、和音判定部１０にて求められた和音を楽音信号として外部の音響機器に出力するＭＩＤＩ１３と、を有している。そして、乗算演算部３と加算演算部７とにより相互相関演算手段が構成される。
【００１０】
図２は、乗算演算部３、加算演算部７及び二乗演算部８の詳細な構成を示す説明図であり、図示のように入力信号は、複数の遅延器２１（２１ー1〜２１ーn）により所定時間づつ遅延される。そして、元の入力波形及び各遅延器２１（２１ー1〜２１ーn）にて遅延された信号はそれぞれ１２系列設けられた乗算器２２（２２ー1〜２２ーn+1）に供給される。また、各乗算器２２（２２ー1〜２２ーn+1）には、基準波形記憶部４に記憶されている１２種の基準波形の各サンプリング点毎のデータが供給され、これらの間で、乗算が行われるようになっている。
各乗算器２２（２２ー1〜２２ーn+1）の出力側には、それぞれ加算器２３（２３ー1〜２３ーn）が配設されており、該加算器２３（２３ー1〜２３ーn）により、各乗算器２２（２２ー1〜２２ーn+1）にて乗算された結果が逐次加算され、最終段にて総和が求められるようになっている。最終段の加算器２３ーnの出力側には、この出力値を二乗するための乗算器２４が配置されている。
【００１１】
そして、本実施形態では、入力信号と、各種基準波形との畳み込み演算を行うことにより相互相関係数を求め、この大きさを比較することによって、どの音階の信号が含まれているかを認識するものである。つまり、入力波形と基準波形との畳み込み演算を行うと、当該基準波形と周期が一致したときに高い相関が得られるので、高い相関が得られた上位３〜４つの音階を選択すれば、入力信号の和音構成要素を抽出することができるのである。
次に、上述の如く構成された本実施形態の作用について説明する。まず、被測定対象となる楽音信号が当該和音抽出装置に入力されると、図１に示すＡ／Ｄ変換器１によりディジタル化され、低周波除去フィルタ２により低周波成分が除去される。
【００１２】
図３〜図５は、基準波形記憶部４に記憶されている１２種の基準波形の形状を示す特性図であり、図３に示す曲線Ｓ１は「Ｃ」，Ｓ２は「Ｃ#」，Ｓ３は「Ｄ」，Ｓ４は「Ｄ#」，Ｓ５は「Ｅ」，Ｓ６は「Ｆ」，図４に示すＳ７は「Ｆ#」，Ｓ８は「Ｇ」，Ｓ９は「Ｇ#」，Ｓ１０は「Ａ」，Ｓ１１は「Ａ#」，そして図５に示すＳ１２は「Ｂ」の基準波形をそれぞれ示しており、各基準波形はガウス曲線を２回微分した波形、所謂メキシカンハット型を成している。ここで、半音の違いは周波数が1.059倍（周知）であるから、このメキシカンハット型の波形は半音変わる毎（例えば、ＣとＣ#）に周期が1/1.059に縮む、または1.059倍に広がるように変化し、１オクターブ高くなると周期は半分となり、反対に１オクターブ低くなると周期は２倍となる。
【００１３】
そして、図２に示す各遅延回路２１ー1〜２１ーnにより１サンプリング時間づつ遅延された入力信号は、それぞれ乗算器２２（２２ー1〜２２ーn+1）に供給され、また、各乗算器２２（２２ー1〜２２ーn+1）には１２種の基準波形の各サンプリング点における値が入力されるので、これらの間での乗算が行われる。次いで、各遅延毎に行われる乗算の結果は、各加算器２３（２３ー1〜２３ーn）により逐次加算され、最終段の加算器２３ーnの加算結果は各乗算器２２（２２ー1〜２２ーn+1）における乗算結果の総和となる。その後、求められた総和は乗算器２４により二乗され、例えば、総和の値がマイナスの場合であっても全て符号がプラスに統一されて和音要素判定部９に供給される。
また、図１に示した追加部５では、基準波形の各サンプリング点の間に、例えば直線補間等の手法により新たなサンプリング点となる補間点を生成し、その後、この補間点を含む全サンプリング点の間隔を元の間隔になるように広げることにより、全体の幅が２倍（周波数は1/2）となる１オクターブ低い音階の基準波形を生成する。これとは反対に、削除部６では、基準波形の各サンプリング点を１つおきに削除し、その後、残されたサンプリング点の間隔を元のサンプリング点の間隔に縮めることにより、全体の幅が1/2（周波数は２倍）となる１オクターブ高い音階の基準波形を生成する。
【００１４】
これを図６に示す説明図を参照しながら説明すると、いま、同図（ａ）に示す如くの基準波形が与えられ、同図黒点にて示すサンプリング点にてデータが与えられている場合に、各サンプリング点の中間部位に直線補間等の手法により図中「×」にて示す新たなサンプリング点を生成し、同図（ｂ）に示すようにサンプリング点の間隔を２倍に広げれば、全体の周期が２倍となった波形を得ることができる。この波形は周波数が1/2となっているので、１オクターブ低い音階の基準波形となる。また、図７（ａ）に示す如くの基準信号の各サンプリング点を１つおきに削除し、残りのサンプリング点の間隔を半分に縮めれば、同図（ｂ）に示すように、周期が半分となる基準波形が得られ、この波形は周波数が２倍となるので、１オクターブ高い音階の基準波形として使用することができるのである。
【００１５】
そして、追加部５及び削除部６にて得られた各基準波形よりも１オクターブ低い音階の基準波形、及び１オクターブ高い音階の基準波形についても上記と同様に乗算、加算、二乗の演算をそれぞれ行い、和音要素判定部９に供給する。そして、和音要素判定部９では、３オクターブにわたる各音階の二乗演算結果から上位３〜４つを抽出し、抽出された各音階を入力された和音の構成要素であると認識する。このとき、和音要素判定部９では、強拍検出部１２から出力される強拍のタイミングに同期させて和音を抽出する。つまり、入力される楽音信号すべてが単音の集まりというわけでは無く、複数音階にわたって変化する所謂「スラー」と称する楽音が含まれており、このような場合には、強拍の出力タイミングに同期させて和音を抽出しないと音名を正しく認識できなくなってしまうので、強拍信号との同期を行うのである。こうして、抽出された和音構成要素から、和音判定部１０ではコード（例えば、Ｃメジャ等）を求め、これを表示部１１にて表示する。また、和音の構成要素は他の音響機器へ出力するためのＭＩＤＩ１３に出力される。
【００１６】
図８は、表示部１１の表示例を示す説明図であり、この例ではピアノの鍵盤及び５線符が示されたパネル３２上の対応部位にＬＥＤ３１を配置し、和音構成要素に対応するＬＥＤ１１及びオクターブを表示するＬＥＤ３３が点灯するようになっている。つまり、和音が「ド，ミ，ソ」である場合には、パネル３２上の「ド，ミ，ソ」に対応する部位のＬＥＤ３１及びオクターブに対応するＬＥＤ３３が点灯する。
このようにして、本実施形態においては、入力される楽音信号と予め設定されている１２種３オクターブの音階の基準波形との間で畳み込みの演算を行い、相互相関係数を求め、相互相関係数の大きい上位３〜４つの音階を当該入力信号の和音構成要素であると認識し表示する。従って、複数の単音が混ざって与えられる和音信号のコードを即時に認識することができるようになる。また、ＦＦＴ（ファーストフーリエ変換法）が低音域の最小分解能の単位で全帯域の周波数を解析するのに対して、本実施形態では選択的に相互相関を用いているので、計算量が膨大とならず装置の小型化を図ることができるようになる。
【００１７】
なお、上記実施形態では、１２音階の基準波形としてメキシカンハット型の波形を使用したが、本発明はこれに限定されることは無く、各音階の周期と一致した波形であれば良い。例えば、平均律における半音階を検出するのに必要な分解能（５０セント）を得るために、複数周期の周期波形（例えばコサイン波形）の基準周波数波形に対して窓関数（例えばハニング窓）をかけた参照波形を以下の（１）式にて作成する。
(0.54-0.46(COS(6.28t))COS(6.28kt)          …（１）
ここで、ｋは周波数、ｔは時間を示す。この（１）式にて得られる波形は図９の如く上下に頻繁に変化する波形となる。そして、発明者は入力波形として４音の和音に対して１〜２音分のレベルのホワイトノイズを加えた波形を作成し、この入力波形に対して図９に示す参照波形を適用して相互相関係数を求める演算を行った結果、安定且つ精度良く各音の音程を検出することができることを確認した。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数の単音からなる和音が入力信号として与えられたときには、この和音を構成する要素を即時に認識し、表示することができるので、例えば、音楽を聴きながら採譜する場合や、カラオケ用のデータを作成するとき等に、コードを即時に認識することができるので作業の能率化を図る上で極めて有用である。また、ＭＩＤＩを有しており、これを他の音響機器に接続すれば自動で和音を演奏することができるようになり、ＭＩＤＩ機能を有しない和音楽器や、合唱、合奏に対する自動伴奏器として使用することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係る和音抽出装置の構成を示すブロック図。
【図２】  本実施形態の乗算演算部、加算演算部の詳細な構成を示す説明図。
【図３】  基準波形記憶部に記憶される各基準波形（Ｃ，Ｃ#，Ｄ，Ｄ#，Ｅ，Ｆ）を示す説明図。
【図４】  基準波形記憶部に記憶される各基準波形（Ｃ，Ｆ#，Ｇ，Ｇ#，Ａ，Ａ#）を示す説明図。
【図５】  基準波形記憶部に記憶される各基準波形（Ｃ，Ｂ）を示す説明図。
【図６】  追加部にて１オクターブ低い基準波形を生成する様子を示す説明図。
【図７】  削除部にて１オクターブ高い基準波形を生成する様子を示す説明図。
【図８】  表示器の例を示す構成図。
【図９】  基準波形記憶部に記憶される基準波形の他の形状を示す説明図。
【符号の説明】
１  Ａ／Ｄ変換器
２  低周波除去フィルタ
３  乗算演算部
４  基準波形記憶部
５  追加部
６  削除部
７  加算演算部
８  二乗演算部
９  和音要素判定部
１０  和音判定部
１１  表示部
１２  強拍検出部
１３  ＭＩＤＩ
２１  （２１−1〜２１−n）  遅延器
２２  （２２−1〜２２−n+1）  乗算器
２３  （２３−1〜２３−n）  加算器
２４  乗算器
３１  ＬＥＤ
３２  パネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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