Fizyka instrumentów - komputerowe badanie dźwięków muzycznych

Do opisu dźwięków muzycznych oprócz wspomnianych już cech subiektywnych używa się również pojęć melodii, rytmu i tempa, konsonansu i dysonansu oraz nazw emocji wywoływanych przez dany fragment utworu.

Celem komputerowych badań dźwięku (w szczególności też dźwięku muzycznego) jest poznanie i symulacja postrzegania muzyki przez człowieka. Mierzalne cechy akustyczne dźwięków (takie jak: częstotliwość podstawowa, kształt widma, natężenie) przenoszą informacje o ich cechach muzycznych (takich jak wysokość, barwa, dynamika itp.).

Wyszukiwanie informacji w zasobach muzycznych (Music Information Retrieval, w skrócie MIR) jest międzydyscyplinarną dziedziną nauki. Jej rozwojem zainteresowani są nie tylko muzycy i twórcy bibliotek multimedialnych lecz również informatycy, prawnicy, przedsiębiorcy, nauczyciele,  psychologowie, a także każdy użytkownik internetowych baz muzyki. Z każdym dniem wzrasta bowiem ilość danych muzycznych dostępnych w internecie pod różną postacią. Ich wartość dla użytkownika jest ograniczona tym na ile łatwo można do nich dotrzeć, wydobyć z nich interesujące treści, filtrować i zarządzać pozyskanymi danymi. Obszarem problemów MIR jest szybkie i efektywne wyszukiwanie danych audio różnych typów, które mogłyby zainteresować użytkownika, a także filtrowanie uzyskanych danych tak, by pozostały tylko obiekty spełniające preferencje użytkownika.

W ramach MIR wyróżniamy następujące poddziedziny:

1.      analiza i rozpoznawanie sceny akustycznej – zajmuje się rozpoznawaniem miejsca powstawania dźwięku po odgłosach dla niego charakterystycznych. Obejmuje ona lokalizację źródła, separację dźwięków pochodzących z różnych źródeł, analizę harmoniczności i opis barwy dźwięku

2.      kategoryzacja gatunku muzycznego i rozpoznawanie rytmu i tempa  - umożliwia automatyczne etykietowanie nagrań w bazach muzycznych nazwami gatunków oraz szeregowanie ich według rytmu i tempa

3.      automatyczna klasyfikacja dźwięków instrumentów muzycznych – jej celem jest automatyczne indeksowanie nagrań muzycznych przez skład instrumentalny, co umożliwi wyszukiwanie utworów przez podanie nazwy instrumentu

4.      transkrypcja muzyki – systemy rozpoznawania instrumentów oraz rytmu i tempa mogą razem tworzyć system transkrypcji muzyki służący do zapisu nagrania muzycznego w formie nut lub przekształcania utworu tak, by był wykonywany przez inny skład instrumentalny

5.      query-by-humming, query-by-example – zagadnienie to dotyczy wyszukiwania utworów muzycznych lub informacji o nich na podstawie fragmentu utworu zarejestrowanego (query-by-example) lub zanuconego przez użytkownika systemu (query-by-humming). Przykładem takiego systemu działającego w sieci internet jest MIDOMI (http://www.midomi.com/). W projektowaniu systemów tego typu istotne jest, że użytkownik nie musi umieć dobrze śpiewać

6.      rozpoznawanie wykonawcy - ekspresja w wykonywaniu muzyki może być cechą rozróżniającą wykonawców, ich „odciskiem palca”. Systemy przeprowadzające rozpoznawanie tego typu byłyby również pomocą przy etykietowaniu utworów umieszczanych w bazach danych

7.      wydobywanie informacji o emocjach – celem tych badań jest stworzenie systemu, który będzie wyszukiwał utwory odpowiadające emocjom opisanym przez użytkownika. Systemy tego typu muszą uczyć się preferencji użytkownika, gdyż rodzaj emocji, które budzi dany fragment muzyki może być różny dla poszczególnych osób.

Innym obszarem zastosowań MIR są wizualizacje, czyli graficzna prezentacja dźwięku. Mogą być one oparte na wykrywaniu rytmu i tempa utworu. W pracy opisano system wyszukujący obrazy w bazie obrazów „podobnych” do fragmentu muzyki. System jest próbą naśladowania zdolności człowieka do łączenia zmysłów, czyli synestezji.

Badania nad stymulacją zachowań poprzez muzykę wskazują, że tempo muzyki ma wpływ na powiększanie się zasobów uwagi, a w związku z tym na poprawność i szybkość podejmowanych decyzji. Szybsze tempo muzyki wpływa na powiększenie tych zasobów bardziej niż wolne. Muzyka może też „maskować” hałasy w biurze, zmniejszać napięcie i znudzenie, wspomaga zaangażowanie w wykonywane czynności, ułatwia produktywność, pomaga skupić uwagę. Dobór odpowiedniej muzyki nie jest jednak łatwy. Pewne rodzaje muzyki mogą powodować rozkojarzenie lub w inny sposób zakłócać prawidłowe funkcjonowanie. Oddziaływanie może też różnić się u różnych osób. Pewne właściwości muzyki umożliwiają wykorzystanie jej do celów marketingowych - szybka muzyka poprawia przepływ klientów w sklepach, zwiększa dzienne dochody, skraca czas spożywania posiłków w restauracjach, czy zwiększa szybkość wypijania napojów.