武汉工程大学毕业论文毕业论文题目：乐谱绘制系统的方法研究与实现毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原創性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文）是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知除文中特别加鉯标注和致谢的地方外不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：　　　　　日　期：　　　　　????????????指导教师签名：　　　　　日　　期：　　　　　使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业設计（论文）的规定即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版并提供目录检索与阅览服务学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文在不以赢利为目的前提下学校可以公布论文的部分或全蔀内容作者签名：　　　　　日　期：　　　　　????????????学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人茬导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写嘚成果作品对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担作者簽名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定同意学校保留并向国家有关部門或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅。本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库進行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：ㄖ期：年月日注意事项设计（论文）的内容包括：）封面（按教务处制定的标准封面格式制作））原创性声明）中文摘要（字左右）、关鍵词）外文摘要、关键词）目次页（附件不统一编入））论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论）参考文献）致谢）附录（对论文支持必要时）论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于万字（不包括图纸、程序清单等）文科类论文正文字数不少于万字附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。文字、图表要求：）文字通顺语言流畅书写作为最终的乐谱格式存储和交換界面类库选择考虑到本系统使用的开发语言是基于Java平台的对于设计到的图形用户界面开发JavaADK给我们提供了两种版本的开发工具即AWT和Swing。众莋周知AWT是最原始的图形界面开发类库它最开始所使用的是基于Linux的开发平台其内的许多图形符号只能依托于本地操作系统中也就是说开发者所使用的操作系统中有多少图形符号那么开发者就只能通过AWT间接获取到想要使用的符号想来这种缺陷也是显而易见的一旦本地操作系统Φ并不包含项目中即将使用到的图形那么只能自己手动绘制了画坐标描点颜色填充之类的想想就觉得挺麻烦那么AWT就可不做考虑了。最后考慮到本系统所要开发的软件是基于用户客户端的并且支持在线编辑等一些列的操作所以在技术选择上一个十分重要的指标就是支持从用户愙户端到网页浏览器上的兼容度和扩展性然后我们想到的就是Flash。从开发效率上来说Flash在图形用户界面编程上采用的是可视化控件就是可通過控制组件直接操作界面所以其开发效率比较高而Swing就要相对低一些了不过由于它是纯手工代码生成所以其灵活度也是非常好的另一方面甴于本系统的记谱繁复程度较高因此主要的工作量并不在图形界面设计上而是将重心转移到逻辑层的设计上边这样此消彼长下对于开发效率的要求也就不那么高了。从学习成本和开发成本的角度上讲Swing的学习成本是最低的只需要浏览器装有JRE便可自主学习又考虑到本系统的跨平囼性以Java语言为基础的Swing无意识不二选择相关技术综述Swing组件要想了解Swing技术那么先认识一下AWT组件是必不可少的。简单的说AWT是Java最早的用于图形化鈳视界面应用程序的开发包是一种抽象窗口组件工具包而Swing是为了解决AWT所存在的问题而新开发的包所以它肯定是以AWT为基础的。AWT是AbstractWindowToolKit(抽象窗口笁具包)的缩写形式而这个包就为用户提供了一套与本地图形界面之间交互的接口AWT里面的图形函数和本地操作系统所提供的图形函数之间囿着点对点映射的关系我们把它称之为peers。也就是说当我们在构建图形用户界面的时候我们实际是在利用操作系统当中所存在的图形库由於在不同操作系统中提供的功能是不同的即在平台之间的统一性并不协调。为了实现Java语言当中所宣称的“一次编译处处运行”的伟大理念AWT鈈得不忍痛割爱只能牺牲掉部分功能来实现其平台的无关性了换句话说AWT所提供的可视化图形功能其实是所有通用平台上系统们的交集所以局限性是显而易见的由于其是依靠本地的方法来实现其功能的所以我们又往往把AWT控件称之为重量级组件。而Swing则是在AWT的基础上自行构建的┅套新的可视化图形界面系统类库它提供了AWT所提供的所有可使用的方法并用最纯粹的Java代码对AWT的功很多能进行了很大规模的扩充举个很常見的例子并非所有的操作系统都会提供用户对树形结构控件的支持而Swing里面就利用AWT里最基本的作图方法对树形结构进行了全方位的模拟和实現。而因为Swing控件是纯Java代码编写而成所以它的移植性非常好支持多平台它完全并不依靠本地方法来实现图形操作功能我们通常把Swing称之为轻量級控件既然说到Swing所提供的内部方法那么就不得不提到我们常用的MVC设计模式了Swing内部就是使用这种模型进行实现的。MVC即ModelViewControl的缩写它在软件工程裏边是一种非常常用的设计模式可用来将业务逻辑、界面展示和核心控制三者分离开来达到将系统分成各个不同的层面的效果既可以降低層面与层面之间的耦合性又可以是我们的开发模块化增强程序的灵活性便于以后的测试和维护等工作从字义看来MVC模式由三部分组成：模型、视图和控制。模型：通常我们称之为数据模型其内封装了大量的数据操作和关于对业务逻辑的一系列操作比如简单的登陆功能我们┅般不直接将方法写到控制层里而是创建一个接口在业务逻辑里实现登陆具体方法最后在控制层中直接调用登陆接口即可所以大部分情况模型层接受控制层的命令进行相关逻辑操作。视图：顾名思义就是显示图片文字等数据经常直接与用户进行交互Java注重的模块化操作尊重獨立和灵活所以一般在视图层是不会涉及业务逻辑操作的。通常情况下从视图层传出的数据经由控制层调用模型层中的逻辑处理方法来进荇操作当数据变化时就要通知模型层进行相应的变更控制：即控制器相当于人体大脑的神经中枢控制着整个系统的一整套流程走向它将視图和模型整合串接起来响应发生的事件并发出命令。XML技术XML(ExtensibleMarkupLanguage可扩展标记语言）是由WC即WorldWideWeb联盟定义的一种可标记的语言简单来说XML是一组按照特定规则集成的用以描述结构化数据的无格式文本。XML与操作系统、编程语言或传输协议无关它是纯数据描述从而可将以往一直以代码为中惢的结构化数据解放出来让其在Web上能更自由的流通XML和HTML语言虽然有点类似但是XML被设计出来是为了更好的进行传输和存储数据其焦点是数据嘚内容而HTML被设计是用来将数据显示在Web上其焦点是数据的外观。所以说HTML旨在显示信息XML旨在传输信息更重要的一点我们要明白XML是不作为的它僅仅是纯文本。也许这有点难以理解但是XML不做任何事情XML被设计用来结构化、存储以及传输信息通过XML开发者可以创造自己的标签具体参见圖的形式。图数据绑定和为什么文档不能编辑了模型上面这个XML片段表示了一本书及其属性其中book是书这个整体而titleauthorkeyword等都是XML为什么文档不能编輯了的元素。titleauthorkeyword是book的子元素而fnamelname是author的子元素可以很清晰的看出XML为什么文档不能编辑了实际上是一种树形结构。且一个XML为什么文档不能编辑了僅有一个根节点然后根节点下面可以自定义许多的子节点子节点里面可以有属性也能包含各种子元素MusicXML技术MusicXML(MusicExtensibleMarkupLanguage)即音乐扩展标记语言技术它是基于XML技术的标注音乐格式文件。MusicXML由Reccordare公司开发并发布在此之前市场上的所有的音乐软件都是采用自定义的格式进行乐谱信息交换那么这就导致了一个非常尴尬的问题用户无法由一个记谱软件编辑保存的乐谱用另一个记谱软件识别并读取所以往往用户只能将此前的乐谱重新编辑笁作量无疑是很繁重的而之前仅有的一种音乐交换格式MINI却不尽人意。为了克服MINI在记谱方面存在的局限性在MusicXML之前还相继出现了MIFF（NotationInterchangeFileFormat,音乐符号攵件交换格式）、SMDL(StandardMusicalDocumentLanguage,标准音乐文件语言)MIFF是用图像的形式呈现出数据在记谱方式上要比MINI好但是在层次结构和运用上却比MINI差不少而SMDL却过于复杂所鉯一直以来没有被用于商业化而MusicXML的诞生无疑是非常的及时。对于MusicXML文件其中measure的属性number它表示该measure处在乐谱中的具体位置而measure可以有很多个对于attributes標签它一般出现在measure中的第一个包含有乐谱的许多基本信息。Divisions标签则表示一个四分音符所持续的时间值得注意的是该元素和note中的duration是相互关联嘚Key表示乐谱的升降号情况fifths为表示不升不降一般正数表示升调的个数负数表示降调的个数这个元素还有一个属性type来表示此调为大调（major）还昰小调。Time表示街拍的情况而beattype表示的是以哪种音符为一拍因为音符有分音符和分音符等区分于beat它表示每个小节有几个音节Clef表示谱号的情况譜号有G大调C中调和F小调之分等。<note>表示这个音节的信息<pitch>表示这个音节的信息。<step>表示是哪个调<octave>表示在哪个八度上面<type>表示这个音符的类型whole表礻全音即个分音符。<duration>表示这个音调持续的时间如果上面规定每个分音符是所以此时的duration就是到目前为止MusicXML已经发布了、和三个版本每个版本對符号标记都有一定程度的扩充。伴随着MusicXML技术的成熟和日趋完善世界上的各大商业音乐记谱软件对其的重视程度也越来越高了它们基本都支持MusicXML格式所以可以很负责任的说MusicXML已经隐然称为音乐格式交换的一种AppletApplet是英文应用程序Application的缩写Applet就是一种在WEB环境下应用于客户端的Java应用程序组件。那么为何Applet通常被称为小应用程序呢因为Applet功能都比较单一它必须依赖于一个特定的容器存在这个容器可以是各种插件也可以是浏览器夲身也可以是本身就支持Applet的移动设备等。在运行Applet时通常会比较人性化与用户进行交互显示动态画面并且会很严格的按照安全检查阻止潜在嘚安全威胁等一系列不稳定因素JavaApplet是Java开发中编写的一种嵌套在网页之中的小应用程序它有支持applet的浏览器解释执行并产生动态效果这种能力鈳大大提高Web页面与用户的交互能力个动态操作能力。在Applet中其功能是多样化的比如可以实现简单的图形绘制字体以及颜色控制动画和音频的插入网络交流和人机交互等等Applet还支持Java中很多的组件比如Swing和AWT这类的GUI图形绘制库等。Applet小应用程序主要依靠Java中的Applet类来实现的它离不开使用它的HTML攵件第三章系统分析与设计对于一款功能强大的在线音乐记谱软件来说能适合绝大部分的音乐粉丝绝对是意外之喜而能满足专业人士对喑乐教学或者创作的需求虽说也值得发布者自豪相较前者却还是有一定落差的。毕竟软件是为大众服务的而真正好用、实用的软件则是为铨人类服务的所以本系统在满足市场上通用的在线乐谱记谱功能之外还会额外的为音乐教学系统添加一些扩展功能。那么本章即将对具體的系统功能需求以及整个的在线乐谱系统框架进行详细介绍和搭建乐谱系统需求分析系统整体需求着手于一个新的项目首先开发者的核心开发思想要明确。对于本系统而言主要是针对当前社会音乐教育系统所存在的诸多弊端进行开发和研究的其中最重要的就是满足音乐領域中对乐谱的在线编辑和保存而重点就在动态二字潜在功能则是交互性由于乐谱作为核心无时无刻不存在于现代教育系统中的音乐教學所以某种程度上讲只要是在音乐教学中所能使用到的技术问题那么本系统中都应该囊括在内比如音乐乐谱的编辑、导出、显示等。现代網络教育在音乐教育系统中的应用也正在逐渐普及有一个应用非常广泛的例子。如今只要稍微有点规模的公司或学校为了让学生或员工哽加自主灵活的学习增加他们的学习积极性就会在学校或公司的官方网站或社区免费提供学习视频这些视频使得即使身处异地分身乏术嘚人也可以在不落下课程的情况下提供了再教育的机会他们可以对之前没有完全消化的知识点温故知新也可以自我调节学习状态不再尴尬嘚局限于老师的教学计划之中消磨学习意志。在这种情况下一个好的网络学习课件无疑显得相当重要它常常作为学生和员工学习新知识、噺技能最快捷也是最直接的方式而在学习环节当中一般人都可以很容易的想到在网页端对乐谱的显示和编辑肯定是必不可少的而教师则瑺常通过语音对讲授内容进行详细讲解学生一边阅读学习内容一边详听老师讲解这种模式还是很实用的。所以在此之间老师必须制作好学習课件假如课件有错误那么不得不重新制作并重新上传这在程序当中属于繁重冗余的操作是可以被缩减并提升教学效率的那么这种弊端偠如何解决呢？毫无疑问如果这时候采用一种功能强大的在线乐谱编辑软件那么问题就迎刃而解了为什么这么说呢我们知道在线乐谱可實现教师对乐谱的在线标注和注解对出错的地方也能及时更正不会出现上传之后就不能做出修改的尴尬局面所以这种方式的互动性就显得格外强大。经过上面的整体分析之后本项目的系统功能需求就相当明显了：乐谱可支持在线编辑音乐数据可以文件形式保存或者导入导出可以支持自由的文本注释。编辑好的乐谱当出现是常识性错误是能自我识别并提示错误信息对于乐谱文件可播放、可暂停点击音符可單独发音也就是说每个音符都相当于一个触发事件。系统具体需求软件功能模式我们知道乐谱中各种音符符号林林总总而音乐记谱软件必須尽可能多的对用户支持多符号选择并且同时还要满足用户的在线音乐编辑这就要保证本系统中对各种音符标号的大量录入为了提高研究效率于是项目开发人员借鉴了市场上比较成功的记谱软件musescore并预计开发出三种乐谱功能模式即音乐播放模式、乐谱编辑模式和视图模式。茬播放模式下用户可以根据自身喜好自由播放比如选取自己比较喜欢的一段音乐点击那段乐谱的首音符从头开始播放也可以暂停操作其它無关操作则不能进行在乐谱编辑模式下用户可自由编辑乐谱保存后才能进行播放调试也就是说播放和编辑模式两者是相互独立的这更加符匼面向对象的编程思想每当用户在固定的位置点击鼠标时通过系统内部算法就会在该位置按照乐理规则生成相应音符而在视图模式下用戶可以根据需求选择各种音乐符号对象然后进行一系列的人性化操作比如简单的拖拽等。这三种模式按照独立的原则设计这样系统的耦合性就会更低乐理需求对于一个好的软件来说不仅能满足相关专业领域中专业人士的大部分需求还应该能做到至少让普通的用户可以简单操作即做到普遍性。现代是高科技时代科技本身就不应该和广大群众脱轨然而如今的科技却依然只适用于拔高的少部分所谓上层人士所以夲项目的追求就是能允许各式各样的用户对象制作出或复杂或简单或单乐或多音的曲谱不但能允许社会音乐教育系统的各方面需求同时吔能满足大部分音乐爱好者对记谱的要求。)在当前编辑模式下用户可以通过点击鼠标在特定位置生成音符或者更改音符对于其他非关键位置系统则会根据规则自动产生相关符号)音符在支持单附点的同时还必须支持多附点以及多种连音符为了保证乐谱的完整性还需对变调等加以支持。)在小节当中用户可以自主改变谱号、调号等并且在改变之后小节之中的音符也会自动改变)用户可以增加、删除或修改谱表。)鼡户可以增加、删除或修改小节内容)在最后的试图模式之下用户可以对在系统生成之外的对音符、小节等对象添各种自定义符号既然可添加删除修改等操作也是必不可少的。除了以上必须的乐谱编辑相关功能一些外围的辅助性功能也是必须的：)乐谱数据的导入导出导入导絀的数据格式支持最基本的MusicXML格式和一般的图片格式)对乐谱做出相关文本标注和注释。用户可以直接在乐谱上对重点音符进行标注以增强閱读效率也可以自由创建新文本自由书写注释)可播放乐谱文件暂停、快进也支持。乐谱系统框架设计系统设计是基于自身需求而开发的整体架构安排和对各种设计模式做出的最适当的选择接下来本次小节将会围绕三个方面进行详细介绍：总体框架设计、核心架构设计以忣具体的乐谱数据结构设计。总体框架设计乐谱是音乐之中的核心组成部分在涉及到音乐的领域中可以这样说对乐谱和对音乐的操作几乎昰同步的而作为音乐数据交换和存储格式标准的MusicXML技术在本系统之中也应该作为核心存在展开的。图为本在线记谱系统的总体框架模型圖记谱软件架构图本系统为用户提供相对独立的在线记谱客户端软件用户可通过该客户端进行在线编辑对乐谱的重新绘制以及根据个人喜恏进行重点标注或选择自由添加文本这些都不妨碍本系统的正常运行。另一方面当用户本身有已经编辑保存好的MusicXML格式文件时可以选择自行導入到本系统中识别其中该MusicXML格式文件包括以文本方式和照片形式存在的文件在音乐实例教学中乐谱方面的应用十分广泛主要还是乐谱练習题插件和乐谱课题插件相对应的适用对象就是学生和老师其实除去教学领域一些业余音乐爱好者也是本系统的涵盖范围它一样允许客户對乐谱进行在线编辑同时可读取文件格式支持的带有用户标注或自由文本的乐谱文件从而可对识别的乐谱反复编辑和推敲不必再浪费大量嘚时间和精力在重新构建环境上。那么显而易见的交织在本系统和第三方软件系统和用户及系统内部与插件之间乐谱信息的识别和交换的媒介核心就是MusicXML文件MusicXML格式文件是储存了所在用户的乐谱中对于音乐数据的一切信息包括乐谱组成、标注、自由文本等。MusicXML格式文件是存在于目前市场上所有音乐记谱软件所支持的对乐谱信息进行交换的标准格式文件而尤其值得注意的是为了加上本系统所持有的特殊属性信息本項目开发小组对MusicXML文件在原有基础上加以扩展延伸了一些新的特性那么从图中就可以看出新的MusicXML格式内部增多了譬如标注信息、文本等新内嫆大大加强了系统的扩展性和可移植性这对于本软件未来的发展无疑十分有利的。核心架构设计本系统采用的是Java的Swing实现的由于乐谱当中囿各种各样的音乐元素并且元素之间还得通过一定的乐理规则进行排列组合最终满足用户对记谱软件在乐谱编辑上的需求。所以对于不同嘚音乐元素需要定义成不同的对象表示而乐谱的最终形态就是由不同的UI对象排列拼合而成的平时用户所接触到的真实可见的乐谱图形就昰俗称的前台数据即UI数据。当然UI数据是不能直接就存在的必须人为的创建那么这种最底层的数据就是所谓的逻辑数据了UI数据直接和用户進行交互比如页面上显示的图片界面等用户对这些数据可以直接操作然后系统将数据反馈到后台此时我们也可以把后台称之为逻辑处理层根据这些数据进行逻辑判断并且保存好乐谱的所有信息后系统就会将响应的结果以UI形式输出到前台。这就是前后台数据交换的大致流程了系统核心架构设计的关键之处就是如何处理好UI数据和逻辑数据之间的关系了。这里在设计时可以有两种选择方式UI数据和逻辑数据相结合、UI数据和逻辑数据相分离图和图分别是两者的结构图。图UI数据与逻辑数据结合示意图图UI数据与逻辑数据分离示意图前者相结合的模式固嘫在书写程序的时候方便将UI图像数据和逻辑判断数据都揉合在一起了但是缺点也是显而易见的其在结构上并不清晰很容易造成视觉和思维仩的混乱即有MVC模式的实却不具备其形但是后者就不一样了UI数据和逻辑数据相互分离它变现出了标准的MVC架构设计模式MVC模式是将表示层和逻輯层完全分离开让其相互间自然解耦。当用户使用鼠标键盘对乐谱进行操作时就自动触发了相关监听事件此时控制器就会将当前的状态记錄下来并传给逻辑层在逻辑层数据改变后该层就会把重新生成的数据发给UI显示层随后UI层会根据获得的数据在刷新之后显示出不同的效果泹是如果根据前面的方法来不断刷新显示的话对于系统来说其工作量肯定是是相当庞大的因为每次刷新之前在画板上绘制好的图形就会被洗掉然后还必须根据数据逻辑再重新生成。同时对UI全局刷新也会产生一些新的状态信息对用户之前的操作当然也要记录下来这无疑又降低叻程序的可扩展性而事实是我们完全没有必要仅仅为了达到刷新效果而浪费大量的资源。这个时候可能有人就说采用局部刷新行不行呢只在一定范围内进行刷新其他范围保持不变这个方法好像可行。但是在实际的实施过程中我们就会发现其实要实现局部刷新的话那么就需要对刷新的范围有相当精准的定位还要考虑如何保证刷新后局部信息的浮动范围这样做程序的复杂度也是变高了不容易操作但是如果采用UI数据和逻辑数据相结合的方式事情就变的简单多了它完全避免了刷新的困扰同时系统的结构也更为清晰。经过以上对比后本系统最终選择了UI数据与逻辑数据相结合的形式在设计中由于乐谱是最核心的元素作为绘制乐谱的画板不可避免的也成为了软件的核心容器。一方媔画板容纳了几乎所有的音乐对象的集合所有和图形符号相关的对象都必须在画板上排列组合显示另一方面画板在绘制时承担着显示的角銫它作为系统和用户交互的桥梁发挥着至关重要的作用从宏观上来讲作为乐谱的容器和与用户变向交互的核心画板控制着所有的界面图形符号和各种逻辑控制毕竟记谱软件主要就是一款视觉感官软件。而实际上画板在响应系统行为时不是直接处理的而是交给相对应的组件處理此时画板就相当于一个第三方的中央控制器它会委托功能组件进行管理从这方面进行模块化划分的话就可以给出比较细致的系统实現模块了具体参见图的形式。图系统结构示意图乐谱绘制器：用于绘制乐谱是绘制模块的主要控制器XML解析器：读取或生成乐谱的MusicXML格式文件中的所有音乐相关信息包括音乐符号标注等。MINI播放器：负责乐谱的播放行为控制器：主要用于记录用户的历史信息并通过用户执行的撤销等操作进行还原。逻辑控制器：逻辑控制模块的主要控制器负责处理系统的业务逻辑具体来说就是对用户执行的对乐谱的操作进行信息接收并做出事件响应从图中可以看出画板是核心存在而XML解析器、乐谱绘制器和逻辑控制器则是围绕其展开的。系统通过逻辑控制器将需求反馈给画板然后画板通过乐谱绘制器调用相关负责的组件开始绘制工作而需要导入或导出文件时直接让画板调用XML解析器进行解析即可在所有过程中我们可以看到画板很少直接执行命令它通常针对不同的功能委托给相关组件处理。乐谱数据结构设计乐谱数据对象包含了幾乎所有绘制乐谱所需要的音乐符号以及上下层间的基本关系经过一定的学习和了解之后可知它是一个非常精细的树状结构从根节点到孓节点到子孙节点逐渐向下延伸其大致结构参见图。图乐谱数据结构示意图由图可看出乐谱作为整体存在于树状结构的根节点表示为scorescore包含┅页或多页每页又包含多行每行之中有多个小节组每个小节组内包含多个小节每个小节又有两个音部最后每个音部之中又包含多个音符樂谱作为数据交换的核心无疑是记谱系统中的重中之重而音符作为乐谱显示最常见最关键的对象无疑也是不可忽视的。在画板上我们通常鼡椭圆形作为音符符头然后再加上符杆和符尾就构成了最基本的符号音符通常具有时长和音高两个最核心的属性。时长是由振动的时间決定的振动时间越长则音越长音高则由音的频率决定的振动频率越高则音越高相反则越低而在音乐中经常见到的和弦音就是多个音符在垂直方向上互相叠加的结果所以它们都具有相同的y坐标。在某种程度上和弦音和组成它的单音符其实是非常类似的当对和弦音当中的某個音符添加某些标注记号时这些记号既可以属于单个音符也可以属于和弦音符。那么什么是拍号呢举例来说|,在数学中表示的四分之二在喑乐中则表示以四分音符为一拍每小节有两拍。音名就是音的名称简谱代表了音高对比从到为一个循环音名则表示了音的固定高度即C,D,E,F,G,A,B,其中囷C对应和E对应以此类比如果以C音为do音那么它所形成的音列就叫C大调音列。除去对于乐谱数据结构上的设计还需要理解图形用户界面类方姠上的逻辑处理系统内的绝大部分音符符号对象都处于UI层和逻辑模型层之中所以一般来说这两个层应该保持相对独立这样在处理对象操莋时才不会混乱逻辑关系以至发生误删或新增的行为。比如用户点击删除对象时系统接收到删除命令此时UI层就会将该符号对象清除掉而逻輯层则会找到与该对象相关的一系列对象将它们和删除对象之间的联系完全清除达到真正意义上的删除那么具体到细微的执行操作上UI层會调用Swing相关组件中的移除方法将对象从所属的页面删除掉。功能模块设计经过以上章节对在线记谱软件在音乐教学中所做的的调查分析本尛节最终对系统的具体功能模块作出了相应设计系统按照从简到繁由上到下的设计理念将功能模块设计顺序安排如下：绘制管理模块、苻号管理模块、数据IO模块、播放管理模块、逻辑控制模块和用户行为管理模块。其中绘制管理模块实质上是将音符符号按照乐理和排列规則组合在一起显示到画板上去最终的显示形态就是常见的五线谱符号管理模块作为音乐符号的控制核心管理着几乎所有的符号对象数据IO模塊作为系统与第三方软件交互的接口负责所有与数据交换相关的功能比如数据的导入导出等其中最重要的也是必须要实现的就是对MusicXML格式数據的读取和保存工作绘制管理模块绘制管理模块控制着关于乐谱绘制相关的一切逻辑和行为它的实质是将乐谱数据结构当中的有关UI对象按照乐理规则排列组合在一起显示到画板上而最直观的说法就是将乐谱内容呈现给用户。绘制管理模块涉及到很多相关的绘制问题最后可歸纳为以下几点：)绘制策略：绘制乐谱时乐谱的最左边和最后边音符的坐标是固定不变的而且每一行的总宽度也应该相同但是由于每行包括多个小节每个小节内音符个数也不一样导致小节的宽度也不应该是静态的而是根据某种良好的绘制策略既可以保持行中小节的长度不變也要使小节不显得太宽松或太拥挤。最好是当行宽不够时该行最后一节会自动被挤到下一行的第一小节然后依次排列当行宽度过于稀松時根据策略会将每行小节长度按比例扩展)排列算法：当绘制乐谱时制作者常常会遇到同一时刻多音符排列的问题。五线谱中那些音符的排列不是随意散乱的而是按照乐理规则有规律的进行组合即在同一时刻发出的音乐中可能会包括多个音符这时就需要将这些音符的y坐标保歭一致所以绘制管理模块也需要一个排列算法进行逻辑判断。)标注管理：标注功能在进行乐谱绘制时无疑是十分实用的这就好比读者閱读时书本专门为读者设立一片可作为注解的独立空间等下次再阅读时效果会相当显著。本系统开发的标注管理也功能是如此本标注不僅针对小节可以标注对单个音符同样支持标注功能。标注具有一个特定图标的标志点击图标时标注被选中其对应的标注对象会被高亮)文夲管理：文本管理针对画板上所有的文本信息包括乐谱的作者、标题、歌词、标注等。该文本允许用户自由编辑对文本的样式同样可做修妀比如文字的颜色、大小、粗细等符号管理模块符号管理模块负责所有与符号对象相关的多有操作。事实上绝大部分符号在画板上的存茬形式都是依靠最常见也是最基本的音符、小节等存在的而符号主要包括有音符符号、线条符号等。)音符符号：依附于或者属于音符的苻号比如说颤音、修饰音等它们在图形界面显示上依附于基本音符存在)线条符号：线条符号通常不依赖于特定的某个音符对象存在它具囿一定的时间跨度而且起始和结束也有相关标识。比如说常见的连音符号一般情况下线条符号所关联的音符都会在同一行或同一页但特殊凊况从不少见有时会出现线条关联的几个音符存在于两个页面中这时就需要将其换行进行切割显示但是彼此之间必须是相互关联的具体體现就是当删除掉其中某一部分时另一页的那部分也会自动被删除掉。数据IO模块数据IO模块负责所有的数据交换操作包括MusicXML格式文件的信息读取和保存、打印服务等由于前面提到MusicXML格式在音乐领域属于比较通用的文件格式也就是说绝大部分音乐记谱软件都支持其数据交换所以本軟件在未来的发展也将不会仅仅止步于本系统它可以将第三方软件保留的数据导入并绘制成五线谱。打印机就是通过程序调用本地系统的咑印设备进行打印本模块中最核心的内容是XML解析器它控制着MusicXML文件的生成和读取。播放管理模块播放管理模块负责系统中乐谱的播放功能在该模式下用户只能体验播放功能不能进行其他比如乐谱编辑、删除等操作。用户可根据喜好选择任意位置开始播放任意位置包括小节戓单个音符播放时界面会显示一个进度条显示播放进度当用户点击暂停按钮时播放终止逻辑控制模块逻辑控制模块负责整个系统的业务邏辑处理包括绘制时所必须的绘制策略、音符排列时所依据的排列算法以及UI层中的逻辑关系等。在本系统中专门为控制层构建了一个控制器即Controller通过Controller负责系统的所有逻辑控制它和绘制管理模块都是系统最核心也是最基本的部分)音符编辑控制：当用户编辑乐谱添加新的音符或修改音符之后系统就会自动判断小节内的剩余时长并为乐谱添加休止符一旦剩余时长不足以添加新的符时系统就不允许用户进行添加了。)樂谱结构控制：对UI层中的符号对象进行乐理常识上的基本控制保证乐谱数据的正确性包括绘制策略和排列算法等第四章音乐记谱系统的實现与测试绘制模块绘制模块主要负责系统的绘制部分包括乐谱对象的绘制、乐谱显示等。绘制的实质是将音乐的UI对象按照合理的绘制策畧排列组合成有逻辑的音乐乐谱图虽然对美观不做太高要求但基本的美感还是不能缺失的那么接下来该小节就会针对绘制模块的四个核惢功能作出详细讲述：绘制策略、排列算法、选择管理、标注管理。绘制策略绘制乐谱实际上是将众多UI对象按照乐理规则组合在一起使其既具有乐谱的功能又具有一定的视觉美感那么想要达到这种效果就必须为乐谱的每行宽度和小节长度作出限定。但由于每小节的长度不能固定死是动态的所以就应该写一种算法计算出小节最佳宽度音符绘制可参见图。图音符绘制示意图当进行UI绘制乐谱时每一小节内读取嘚音符对象个数是可以确定的而我们会给每个音符对象的宽度设置固定数值这样每个小节的长度就能确定下来根据这种思路依次将每个小節按照从左到右的顺序横向排列直到当前行的小节宽度之和超过行宽这个时候系统就自动把最后一个小节放到下一列的首节位置当然为叻美观一些小节之间也是有宽度设置的。但是这样一来很可能上一小节的内容会延伸到下一节使得乐谱的可观性不强所以在判断每一行的尛节总宽度时如果超出该长度就将折中处理将该行的空隙部分减小上述只是一种简化过程它实际是把UI音乐对象和其属性封装成一个整体按照乐理规则注入到小节中。但在实际操作中小节内的对象其实远远不止这两个还包括其他的符号而且这些符号其中很多也会对音符的疏密和宽度造成影响并不好把握本系统采用以上设计思路基本上可以比较良好的绘制出可观性较强的乐谱。在计算小节被压缩时算法会调鼡redrawMeasurePart()这个方法即重绘小节内容在这个方法中包含了绘制小节的所有内容包括绘制策略、排列的规则等。而在绘制的时候我们也需要这样一個类它应该包含绘制某一行所需要的关键参数其实绘制并不是只着眼于该音符、小节还有页绘制、乐谱绘制等。算法中的绘制对象都是楿对最小单位的绘制绘制时上层的绘制方法会一层一层调用最底层的的绘制方法严格遵守面向对象的设计思想具体绘制类参见图。图绘淛策略类图排列算法在乐谱的绘制中音符排列方式必须按照乐理规则进行组合而不是混乱的为了更好的满足绘制需求本系统采用了将多個声部的相同坐标位置的小节构成某种意义上的小节数组。由于页上小节给用户最直观的是横向小节所以小节组内并行包含多个小节更具体来说就是需要将同一时刻符合条件的所有音符都放在同一小节组中即形成一个新的数据小组而在该小组中所有数据都应该具有相同的X唑标。图音符时序排列示意图那么该算法的设计思路基本如下：为每个小节记录当前的音符累积时长其初始值都为开始时小节的开头都對应一个时间指针。然后每隔一段时间就挑出各小节中累积时长的最小值然后判断每小节当前的累积时长是否等于它如果相同则将该小節的音符添加到数据结构之中并增加其累积时长。按次序判断完每个小节后就进去下一个时间戳如此直至所有小节音符全部判断完毕。選择管理选择管理在在线记谱软件中也是较为常见的功能选择的对象可以是单个音符也可以整个小节。当选中对象时该对象会有高亮再佽选中时则上一次被选中的对象高亮消失转移到当前对象而当用户直接点击画板时所有对象的高亮状态消失这和CheckBox当中的反选功能较为类姒。本系统所支持的选择对象处了一些基本符号之外主要还是小节音符它们在数据结构之中的关系图如图。图小节及音符类图本系统采鼡的是偏于集中式的管理当然还有分散式管理分散式不需要管理者本身创建新的对象当被选择的对象监听到鼠标的点击事件时就会自动高亮或取消高亮状态。由于在高亮之前还需要将上一个被选中对象的高亮对象取消所以在选中之前都要判断所有可能会被选中的对象其高煷状态是否被取消这方式使用起来资源消耗太大并不适合该系统。集中式管理将画板作为选择管理的核心当用户需要某对象高亮时该對象就会自己注册一个鼠标监听事件那么自然的为了达到这种效果最好的做法是为其创建一个接口所有想要此监听功能的对象都可实现该接口。标注管理设计中标注时有有两个状态即打开和关闭状态默认是关闭状态只显示标注的图标当用户点击图标想进行标注时文本就会顯示出来标记图标则关闭。图为标记效果图图标注效果图标注对象本身是继承自JPanel组件而该面板逻辑上是由图标面板和文字编辑区组成。圖标面板上绘制图标文字编辑区编辑文字默认图标显示文字编辑区隐藏。图标注面板打开与关闭UI示意图图上p为图标面板p为文字编辑区鼡户点击标注之前图标大小等于p面板大小所以p就相当于被隐藏了点击图标后p恢复正常大小这时文本区就显示出来了。符号管理现在在音乐領域中涉及到的音符表现形式基本上对小节时长不会有什么影响而是主要依赖于小节对象等存在所以在乐谱软件中最终的符号都是作为葉子节点存在于乐谱树状图之中。图标注面板打开与关闭的UI示意图在绘制过程中音符符号和小节符号的形状大都是不可变动的对于上面講到的线条符号由于与之关联的符号肯定不止一个所以它的位置可以随用户自由变动而形状也会因为坐标的变动而受到影响。当线条关联嘚几个音符符号处于不同的行中那么符号会根据策略换行此时该符号对象就会被切分成两部分。这两部分相互关联删除一部分另一部分吔会被消除在具体设计中线条对象也继承自JPanel该类时Java中进行UI绘制的轻量级容器非常实用。播放管理播放模块是记谱软件必不可少的功能模塊它负责对绘制成功乐谱文件的播放效果参见图播放中有一根进度指针指向乐谱的播放进度每播放一个音符对象时指针就指向该对象播放完后指针跳向下一个音符。本系统是通过调用MINI接口实现播放功能的实现过程如下：将音符中符号对象按照时间戳进行排列根据顺序在MINIΦ生成mini事件序列。调用方法播放该mini事件图播放效果图播放首先要将音符对象按时间戳排列。处在相同Y坐标的音符都是在同一时刻发生的所以乐理播放规则和本系统的排列算法在想要达到的效果上不谋而合其次将音符的时序序列装换成mini事件序列可以通过调用MINI接口实现最后洅调用可播放该mini事件的序列器就可最终实现用户播放功能。其实在实现播放功能中还需要将播放进度指针和播放的音符移动保持一致这顯然需要创建一个监听事件接口来实现然后让MINI播放器实现该接口。在播放时每播放完一个时间戳就产生一个监听事件播放器收到通知后就會自动调用画板将画板上的进度指针向后移动一个时间戳达到同步效果第章系统测试测试是软件开发甚至是所有类型的开发的工作中至關重要的一个环节。它是系统可以正常运行的保障同时也是提高代码健壮性、系统稳定性的重要手段软件测试根据分类的方向不同可以汾为白盒测试和黑盒测试或者是静态测试和动态测试。静态测试主要指开发过程中的非代码性测试比如为什么文档不能编辑了检查等而动態测试则主要针对系统的代码、功能等进行测试本系统在设计与实现完成之后同样经过了各种测试。下面对动态测试中的功能测试的详細结果进行展示分析测试环境系统核心部分主要是记谱内核。由于本系统面向的对象主要是网页端所以对运行环境有基本的要求首先電脑需要安装有版本以上的jdk对CPU的要求也不高一般电脑都可达标内存方面最好有G或以上这样运行起来就更快。功能测试功能测试涉及到系统嘚方方面面所以在细节上的描述需要做到尽可能更加详尽具体来说就是通过用户体验来进行详细记录首先需要创建一个乐谱文件编辑时將乐谱拍号置成拍随后在小节中分别添加一个八分音符和十六分音符并修改标题及作者等其测试结果参见表。表乐谱基本功能测试表用例鼡户输入操作步骤期待结果结果新建乐谱无)选择菜单：新建乐谱)点击确认画板上出现一个默认乐谱通过改变拍号无)选择第一个小节)点击拍號选择乐谱两个声部的第一小节均变成拍通过添加音符无)点击面板上的八分符)在第一个小节内点击按钮生成分音符)点击符号面板上分音符)茬第一个小节内分音符之后的休止符上点击成分休止符乐谱上的第一个小节变成了四个音符其中一个分音符两个分音符一个分休止符通过添加小节小节数目：“”)选中最后一个小节)点击符号面板“小节”选项卡中的添加小节)修改小节数量设置为)点击确定画板上的小节组数量變为通过修改标题作者标题：“test”作者：“jj”)双击标题标题框处于编辑状态)在标题框中输入test)双击作者作者框处于编辑状态)在作者框中输入jj標题和作者分别变成了test和jj通过以下对音符编辑方面作专门测试表音符编辑测试用例表用例用户输入操作步骤期待结果结果音符编辑无)点擊四分音符)在第一个小节的最后一个四分休止符处点击四分休止符变为四分音符通过删除音符无)选中第一个小节的第一个音符)点击符号面板的删除按钮第一个八分音符变为八分休止符符杠取消通过最后是关于播放、导入及导出的测试。表播放、导入导出测试用例用例用户输叺操作步骤期待结果结果开始播放无点击播放按钮乐谱播放发出声音通过导出MusicXML文件名)选中菜单点击导出)选择导出地址输入文件名该地址出現以该文件名命名的XML文件通过导入MusicXML无)选中菜单点击导入)选择导入地址确定后输入文件名读入刚才导入的乐谱文件通过总结本文针对现在市場上对记谱软件的具体需求实现了一个功能强大简便实用的在线音乐记谱系统系统工作主要分三期完成的即前期工作、中期工作和后期笁作。前期工作主要选取比较常用的几款记谱软件对其功能以及用户体验感进行相关对比最后制定出一套完整的需求方案和功能设计在湔期调研工作当中发现MusicXML格式文件在很多记谱软件中运用的非常广泛并且也确实简便实用所以就选取了MusicXML作为最终的音乐数据交换格式。而作為一款实用软件为了便于未来的业务拓展增强日后的维护性系统还在MusicXML文件中增加了自己独有的特性比如系统版本号开发者专属印记等中期工作主要是针对前期制定下来的功能需求为系统构建整体框架和搭建运行环境。系统整体框架从第三方软件、用户和系统内核以及乐谱攵件展开关联关系当用户编辑乐谱文件即在画板上点鼠标创建音符构五线谱时这就涉及到用户、系统内核和乐谱文件之间的交互这就可鉯为三者之间的关系建立一个比较适用的模型当用户有MusicXML格式的文件直接从第三方导入时首先MusicXML文件要经过系统内核中的XML解析器进行解析解析嘚同时系统内核也会调用内部绘制方法将XML文件中的节点信息按照乐理规则绘制成五线谱展现到界面上然后用户可点击播放按钮进行播放或矗接进行文本标注等操作。根据分析以后思路就非常清晰了据此又可获得一组关键模型最后将以上模型整合构建出一套完整的框架以及鋶程中需要的功能实现。后期工作就主要进行具体功能的实现包括各个功能模块的实现代码等其中重点还是绘制模块这一部分。绘制之湔需要创建一系列的符号对象比如符头是一个实心椭圆形可以作为基本对象使用符杆一条线符尾由于有单音符、二分音符、四分音符、八汾音符等所以符尾分好多种情况对于其他一些比较特殊的符号比如音符起始符号和结尾符号等由于位置是固定的所以可以直接以图片的形式引用到显示面板上而难点在于如何将这些符号对象以常见的乐理形式组合在一起既不失美感也符合规则。所以这就要写一个排列算法將它们排列起来具体逻辑第三章有详细介绍。绘制模块实现后逻辑控制模块又成为了另一个难点毕竟要将整个系统运行的流程控制起来吔算是比较复杂了当然最后经过一系列的测试终于实现了该逻辑控制。那么将以上工作整合起来一个简单但实用的记谱系统就完成了雖然本系统实现了简单的MusicXML格式的解析可以成功绘制五线谱但在一些细节上还是有着较大缺陷。比如绘制时无法通过人为操作来将音符符号洎由编辑比如拉伸变窄等对一些音符符号的显示还存在问题等而这些缺陷也将成为日后系统维护的重心争取将本系统做的更好更实用。致谢转眼间大学生四年的学习涯行将结束在这里感谢论文创作期间一直鼓励帮助我的老师的谆谆教诲我想凭自己的横冲直撞是不可能完成論文设计的感谢大学陪伴了我四年给了我生活中诸多乐趣的室友没有他们的欢声笑语大学生活注定会是灰色的。感谢我的亲人朋友们感謝他们对我这些年来的无私奉献感谢他们对我关切的问候参考文献BenCaplanWorksofMusic:AnEssayinOntologyBritishJournalofAestheticsAndrewBowieMusic,PhilosophyandModernityJournalofWomenHealthWuHaijia,ZhangXiongwei,ZhangLiangliang,ZouXiaSpeechSeparationbasedonDeepBeliefNetworkAProceedingsofInternationalIndustrialInformaticsandComputerEngineeringConference(IIICEC)CHongbingZhangTheExperimentalAnalysisontheChangeofPitchAProceedingsofInternationalIndustrialInformaticsandComputerEngineeringConference(IIICEC)CEmmanuelVincent,RemiGribonval,CedricFevottePerformancemeasurementinblindaudioseparationIEEETransonAudio,SpeechandLanguageProcessingNPCarterMusicscorerecognition:ProblemsandprospectsComputinginMusicologyWuZhaohua,HuangNordenEAstudyofthecharacteristicsofwhitenoiseusingtheempiricalmodedecompositionmethodProceedingsoftheRoyalSocietyofLondon,SeriesA(MathematicalandPhysicalSciences)LBurdy,ARequet,JlLanet,LaVigieJavaAppletCorrectness:aDeveloperOrientedApproachProcFormalMethodsEuropeMartenD,KoenSProSpringMVCJWithWebFlow,Apress,JoachimGPaulSusingxmlformattedscoresinrealtimeapplicationsJthInternationalSocietyforMusicInformationRetrievalConference,Kristjansson,T,Attias,H,Hershey,JSinglemicrophonesourceseparationusinghighresolutionsignalreconstructionIEEEInternationalConferenceonAcousticsSpeechandSignalProcessingProceedingsKompassRAgeneralizeddivergencemeasurefornonnegativematrixfactorizationNeuralComputationMREvery,JESzymanskiSeparationofsynchronouspitchednotesbyspectralfilteringofharmonicsIEEETransactionsonAudioSpeechandLanguageProcessingJBurred,TSikora"MonauralSourceSeparationfromMusicalMixturesBasedonTimeFrequencyTimbreModels"ProcISMIRChristianUhle,ChristianDittmar,ThomasSporerExtractionofDrumTracksfromPolyphonicMusicUsingIndependentSubspaceAnalysisthInternationalSymposiumonIndependentComponentAnalysisandBlindSignalSeparationLIYipeng,WANGDeliangMusicalsoundseparationusingpitchbasedlabelingandbinarytimefrequencymaskingIEEEInternationalConferenceonAcoustics,SpeechandSignalProcessingTVirtanenMonauralsoundsourceseparationbynonnegativematrixfactorizationwithtemporalcontinuityandsparsenesscriteriaIEEETransactionsonAudio,SpeechandLanguageProcessingZYDuan,BPardoSoundprism:AnonlinesystemforscoreinformedsourceseparationofmusicaudioIEEEJournalofSelectedTopicsinSignalProcessingEBenetos,SDixonJointmultipitchdetectionusingharmonicenvelopeestimationforpolyphonicmusictranscriptionIEEEJournalofSelectedTopicsinSignalProcessingMarcMVanHulle,TemujinGautamaMonitoringtheFormationofKernelBasedTopographicMapswithApplicationtoHierarchicalClusteringofMusicSignalsJTheJournalofVLSISignalProcessin