【《音乐景观系统设计开题报告文献综述》6700字】

音乐景观系统设计开题报告文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u21564音乐景观系统设计开题报告文献综述 1308851.1引言 195001.2研究背景 1155061.3国内外研究现状 386561.3.1自然景物的模拟方法 3104071.3.2音乐水景观控制技术 410561.4本文研究内容 599031.5论文章节安排 5引言中国改革开放以后，社会经济状况有了巨大的改善，人民的物质生活水平也有了很大的提高。城市中景观工程不断增多，音乐水景观作为一种园林设计与乐曲艺术相结合的景观工程，得到了广大群众的喜爱，越来越多的城市规划以及旅游胜地将音乐水景观作为当地的标志性景观工程。因此，在视景仿真领域引起了越来越多研究者的重视[1]。研究背景近年来，随着我国社会的不断发展，人民生活水平的不断提高。城市的发展和建设已经从“解决城市的基本要求”转变为“向往城市环境所蕴含的人文精神和文化内涵”。随着社会经济的发展，城市精神环境已成为城市发展程度的重要指标。城市景观工程的数量日益增加，而水景在环境中的重要性也被认为是景观工程中最重要的部分。因此，“水景工程”在城市建设中被各级政府领导提上了议事日程。水景项目形成了潜在的市场。目前，在中国大部分城市，如北京、上海、大连、青岛，水景观的建设已经为城市的发展带来了良好的社会和经济效益，并极大地促进了区域经济的发展。2009年，全国水景观行业企业达到500家。从2009年到2012年，这个数字几乎翻了一番。因此，水景观产业在当前的景观市场中有着广阔的发展前景。越来越多的城市规划或是旅游景点的规划中加入大型音乐水景观的设计。在城市中，音乐水景观可以起到美化周边环境、净化空气、丰富市民生活等作用。在景区中，音乐水景观可以实现音乐、水、光的同步播放，创造出壮丽的场景，从而吸引游客，帮助旅游业的发展。音乐水景观的表现形式越来越多种多样，扮演的角色也越来越重要[2]。景观喷泉是通过水的压力而露出地面的自然景观。通过人工手段，可以建造具有装饰功能的洒水设施，以满足园林绿化的需要。该喷水池降低了空气中的粉尘含量和环境温度，并使周围的空气潮湿[3]。这时喷泉中细小的水滴与空气分子碰撞，负氧离子的含量也很大[4]。因此，它可以有效地改善城市的原貌，不断增强居民的身心健康，让城市居民享受更好的生活。水景观从原本小型化的演示逐步发展为如今各种大型、多样的形式[5]。并且，在国内已经有许多专业从事建造音乐水景观的生产公司[6]。但是无论是水景观设计的技术路线，还是景观后端进行音乐解析的软件层，都还有需要改进的空间。很多的音乐水景观，并不能很好的将景观表演和音乐性相契合。一方面是因为水景观本身水型动作的简单和单一，另一方面是因为没有提取出更有区分度的高级音乐特征，仅仅通过音强和音调无法对不同的乐曲进行很好的区分。对于一个音乐水景观来说，游客在观看特色表演时，除了关注水型的变化之外，音乐的节奏变化，水型与周围环境的呼应同样对整个观看体验起到了决定性的作用[7]。所以在音乐水景观的设计过程中，应从整体观感的角度去进行设计。对于水型的部分，首先应决定的是喷头的个数以及相应的位置，随后要考虑的则是从每个喷头的水柱的喷射角度、喷射速度和相应的角度变化、速度变化，这决定了会形成一个怎样的抛物线，最后结合所有的水柱，就组成了一个完整的水型动作[8,9]。对于音乐节奏的结合，主要体现在景观的表演动作变化时间点与伴奏音乐的节奏变化点需要保持一致，从而给观看者一种景观将随着音乐变化而变化的观看体验[10]。对于周围环境的塑造，则是可以通过布置如花草树木、假山假石、甚至是动物，为游客营造出身临其境的感觉，这使得整个景观更完整，主题更明确，也将很大程度上帮助景观特色表演的展示。音乐水景观的设计是一个比较复杂的过程，并不只是对一些物体进行三维立体建模[11]。三维立体景观建模需要综合依据景观的周边环境、地形、花草树木、水流、天气等各方面情况，同时还要考虑景观的美感、用户的观感以及体验感。不同于普通景观，音乐水景观还要根据乐曲库中的音乐风格设计相应的水型表演动作。音乐水景观的控制技术是整个系统中的重要环节，在后端准确地通过音乐信息检索技术提取出音乐特征后，音乐水景观根据这些音乐特征做出符合节奏的动作变化[12]。目前大多音乐水景观生产商无论是在设计阶段还是产品展示阶段，音乐水景观的动画展现都较为简单，无法全面地合理地展示音乐水景观的全貌。音乐水景观包含的元素较多，如音乐、水型、周边环境设计、花草树木的布置等，随着音乐的律动，通过音乐、水型以及花草树木的互动形式多种多样，带给观看者各式的眼花缭乱的视听盛宴[13,14]。人造景观在城市中一直是稀缺资源的存在，水景观对于城市市民来说可以是一片休闲地，对于来访的游客来说可以是一个旅行景点。世界上许多国家的城市都有著名的人造景观，例如纽约的中央公园，坐落于被摩天大楼所包围的曼哈顿正中心，如今中央公园不仅成为了当地市民陶冶情操的休闲之地，也成为了纽约市的一个旅游胜地，成为了一个城市的标志性地点[15,16]。音乐水景观的表演形式结合了音乐与植物、地形、水型等景观环境，不仅能体现园林景观的优美环境，还能凸显音乐艺术性。国内外研究现状水景观在诞生后经历了漫长的衍化和无数的历史时期[17]。到19世纪中后期，科学技术取得了巨大进步。随着光和声技术的出现，水景观也融入了更多的新技术[18]。到20世纪，科学和技术被充分应用到水景观[19]。美国首先将先进的计算机技术应用到喷泉水景设计中。他们用电脑计算水景观中的水量，利用光声学技术，他们制作了早期的音乐喷泉[20]。日本东京的舞蹈水喷泉、瑞士日内瓦的高喷泉、伦敦的旋转喷泉都是世界上具有代表性的水景观。随着环保意识的逐渐加深，喷泉水景界也受到了这一理念的影响。所以，它已经从大城市广场进入人们的日常生活。可以将水景引入住宅，形成水景住宅，如赖特的水别墅，这标志着水景观进入了一个新的发展水平[21]。历史前期的音乐水景观，其景观表演和音乐性没有直接联系。而现代音乐水景观的发展方向是将园林设计与视听艺术相结合，同时呈现出多元化的景观表演。因而，音乐水景观受到广大群众的喜爱，越来越多的城市规划或是旅游景点将其作为标志性的园林艺术表现形式。这在视景仿真领域，引起了越来越多研究者的重视。近年来，计算机辅助设计作为一种功能强大且工作效率极高的工具已经广泛应用于设计领域。设计师可以通过软件精确模拟数字环境模型。通过对景观进行各种各样的材质和颜色上的渲染，同时模拟地形、日光等周围环境，使模型更直接且更真实地表现[22,23]。目前大多数软件的功能特征都集中在静态建模的情况下，来处理模型的大小、材质、颜色等属性[24]。另外，通过使用计算机辅助软件来对音乐水景观进行三维模拟，直观地展示景观的以及周边环境的全貌，并且后续的设计修改也将十分简便的进行，降低了设计成本，提高了在设计过程中的工作效率。然而，计算机仿真模型在规模和视觉上与现实世界依然存在着巨大的差距。传统计算机设计辅助软件主要是在静态的建模情况下对视觉设计对象进行处理，但是景观设计仅仅通过静态观察是不够的，设计过程中更应该考虑景观环境的合理性以及景观模型的整体印象[25]。静态观察往往只是为了给用户一个较好的视角，而动态观察将是整个景观设计表现的关键体现[26]。计算机仿真、虚拟现实领域有着更广阔的发展空间。1.3.1自然景物的模拟方法自然景物的模拟仿真一直是计算机图形学中的一个热点，广泛应用于电视广告，实时渲染，3D动画和游戏，装饰设计等领域。它在信息社会中发挥着重要作用，具有独特的魅力。大多数天然景观的形状，如火焰，河流，喷雾，瀑布，雨，雪，雾等，即动态现象，是随机改变的，并且难以使用传统的建模方法来模拟这类动态现象和仿真，所以动态现象的模拟也是一个具有挑战性的任务[27,28]。通常，有两种模拟动态现象的方法[29]。一个是模拟动态现象作为部分微分方程（例如NavierStokes方程）并直接解决方程[30]。通常，解决上述方程是耗时的，因为必须采用数值方法，因此它几乎没有实时实现。另一个是通过使用云，烟雾，火和水等粒子系统来描述动态现象[31,32]。基于粒子系统的模拟方法。1988年，Reeve提出了粒子系统的概念。该方法将研究重点放在了粒子的动态随机性和组成物体的复杂多变性上，并认为那些模糊的，具有不确定性的物体均可以通过无数个微小粒子组合而成。经过几十年的研究和改进，目前粒子系统被公认为是动态模拟和不规则对象建模的最佳方法之一。2001年Foster等[33]结合粒子系统提出了一种通过扩展对象交互机制的方法对水流进行模拟。但是当水粒子从多角度对其观察时，会经常出现显示二维图像的穿帮镜头。针对这个问题，在2005年，马俊等[34]利用OpenGL的广告牌技术将粒子的纹理图案始终面向视点，从而使得粒子模拟效果更加逼真。2014年杜淑幸等[35]提出伪粒子粘度法使水型以柱状表现。粒子系统被认为是模拟现在的不规则动态现象的最成功的工具[36]。它采用完全不同的方法来模拟和渲染模糊物体。在本文中，将基于粒子系统分别实现天气和水流效果的逼真模拟。1.3.2音乐水景观控制技术目前常见的音乐水景观控制技术主要分为以下三类[37]：预编程控制。预编程的控制方式是将乐曲播放与水景观水型控制相互独立开。这要求专业设计人员对乐曲的风格、情感等高级特征具备一定的了解，随后再为音乐水景观设计一套专属的水型表演。这种控制方式的最大特点是不需要考虑乐曲播放和水景观水型表演时可能会产生不匹配的问题。但是每套水型表演只针对一首歌曲，若需要进行曲库扩充时，需要设计人员重新对乐曲设计水型。这种设计方式，使得音乐水景观的使用效率很低，并且需要浪费大量的人力资源在表演编排上。实时音控式。实时音控指音乐水景观根据乐曲的实时信号来控制喷泉水型的变化。在景观表演时，系统需要从乐曲中提取实时提取音频特征作为控制信号使水型发生各种变化。这种控制技术的优点是大幅度提高了水景观的使用率，当为曲库添加新乐曲时，不再需要设计人员对景观表演再次设计。但是这种控制方式存在表演水型滞后的问题，因为乐曲的音频特征提取过程需要短暂的时间，从而导致与表演存在一定的时间差。完全程控式。完全程控式相比之下较为简单。其设计理念是预先设计好水景观表演如水型、灯光等元素的所有控制效果。表现形式上，能将景观表演和乐曲完美融合，呈现出的视听效果较好。但是完全程控式存在跟预编程模式同样的缺点，基于完全程控式的水景观使用率偏低，并且设计过程相对费时费力。总的来说，目前常用的音乐水景观控制技术，仍存在很多不足。本文将基于水景观模拟系统，对音频信号特征的提取与解析展开研究，并为景观设计一套方便简单且更智能化的控制策略，充分发挥计算机模拟在控制技术中的应用。1.4本文研究内容本文主要从技术分析、虚拟仿真以及对音频信号的乐曲特征提取与解析三个方面对音乐水景观系统进行深入的研究说明。在技术分析层面，本文对音乐水景观系统所用到的相关技术进行详述，并对比分析各类技术的多方面优劣，阐述了对技术选择的标准。在虚拟仿真实现层面，将水景观场景划分为静态模拟和动态模拟两部分，并分别详述了基于OpenGL的粒子系统技术和通过3Dmax建模软件对场景各部分进行构建和实现的过程，充分发挥各技术手段的技术优势，提高了水景观建模的效率，丰富了水景观的动画表现。在音频信号特征的提取与解析层面，由三个部分组成：首先本文针对现有乐曲风格识别方法做出改进，提高了对每首乐曲风格信息提取的准确率；其次本文利用道格拉斯-谱克法算法对音高序列进行分段处理，减少了控制信号的信息冗余，提高了系统的计算效率；最后本文基于上述工作，为系统设计控制策略，使音乐水景观系统更好地展示乐曲的艺术内涵和主题。本文创新点主要体现在以下三方面：音乐水景观展示系统层面，基于OpenGL技术作为开发框架，将景观场景的虚拟仿真划分为动态模拟和静态模拟两部分。基于粒子系统技术，对自然景物雨、雪、水动态仿真，分析不同粒子的受力情况结合矢量相加原理模拟实现不同粒子的运动轨迹，利用纹理融合技术对不同粒子进行渲染。随后对喷泉进行多种水型动作设计，并预留控制参数的接口，供系统功能扩展。基于3Dmax三维建模软件，对景观场景进行构建，并以obj格式导入OpenGL系统。音频信号特征提取与解析层面，为音乐水景观展示系统实现对乐曲风格以及音高序列提取，并对乐曲特征进行相应处理，按控制信号格式存放至本地曲库。随后设计控制策略，使音乐水景观系统能够根据每首乐曲的风格和音高序列自动编排景观表演，实现音乐水景观的智能化控制。音乐水景观系统搭建层面，除了乐曲播放和同步景观表演之外，还为用户配置了自主漫游功能，使得用户在欣赏表演的同时还能进入景观场景内部进行自由观察，提高了系统的交互性；此外，系统在设计过程中，预留了动画控制参数的接口，方便系统功能的扩展和维护工作。1.5论文章节安排本文共分为六个章节，阐述了音乐水景观系统的设计过程。第一章：绪论，本章介绍了课题的相关研究背景，景观设计行业的发展，以及目前存在的不足。分析音乐水景观系统的研究目的与意义，对技术路线的选择。最后总结系统设计目标并整理全篇的结构框架以及系统开发流程。第二章：主要分析了音乐水景观系统的需求与特点，总结系统设计目标，提出了音乐水景观系统的总体设计框架。第三章：首先对OpenGL技术进行简单介绍。随后对基于粒子系统技术的天气和喷泉的动态模拟展开研究。分别对雨雪粒子和水粒子从物理建模角度分析并定义粒子属性，实现粒子渲染效果的提升。基于水粒子的实现，设计喷泉的基础水型动作，并进行展示。第四章：主要介绍基于3Dmax的景观场景建模实现，以局部为例，展示了从粗模到精模的制作过程，以及材质贴图绘制的要点总结。随后为系统配置自主漫游功能，使用户可以对机关内部进行自由移动并观察，提升系统交互性。第五章：主要介绍两种乐曲特征的提取以及信息处理。首先，本文提出了一种基于CRNN和残差网络的乐曲风格识别的方法。针对卷积神经网络缺乏上下文空间依赖性的问题，在卷积神经网络的基础上分别对网络结构和输入特征进行改进。并与现有方法在两个数据集下进行对比，验证了该方法在提高乐曲风格识别准确率上的有效性。其次，通过递归算法实现DP算法，对音高序列进行分段处理，减少了信号信息冗余度，提升了系统计算速度。第六章：介绍了乐曲特征对音乐水景观表演形式的控制策略。该系统针对不同的乐曲风格调整不同的布局和天气，表演过程中则根据乐曲的音高变化实时编排水型动作。同时针对系统场景切换效果做出优化。最后选取一首乐曲，进行系统演示，并根据时间轴和表演变化点对其进行详述。第七章：对本文主要工作的总结，对未来继续技术改进的展望。图1.1论文框架参考文献王槐欣.基于笔式交互的音乐喷泉仿真系统[D].浙江大学,2010.ViscontiP,CostantiniP,CavaleraG,etal.Smartdrivingandcontrolboardforcreatingwaterandlightplayssynchronizedwithamusictrackappliedtodancingfountains[M].2016.郭振志.园林景观设计中喷泉的应用[J].现代园艺,2019(10):123-124.颜爱明,娄锋,宋骁磊,唐金鹏,孙军.基于PLC的音乐喷泉系统设计[J].吉林工程技术师范学院学报,2019,35(04):61-63.MejiaM,Ugalde,etal.DesignofaninexpensiveEthernet/Arduino-basedDMX-controlsystemvianetworkappliedtomusicalfountain:SCOPES2016InternationalConferenceonSignalProcessing,Communication,PowerandEmbeddedSystem,2016.2099-2104.MannS,GeorgasM,JanzenR.Waterjetsaspixels:Waterfountainsasbothsensorsanddisplays[M].2006:766-772.颜爱明,娄锋,宋骁磊,唐金鹏,孙军.基于PLC的音乐喷泉系统设计[J].吉林工程技术师范学院学报,2019,35(04):61-63.YooMJ,LeeIK.CreatingMusical-FountainShows[J].IeeeComputerGraphicsandApplications,2009,29(5):6-13.D.Liu,NaiyaoZhangandHanchengAu.Afuzzyexpertsystemtorecognizesentimentofmusicandit'sapplicationinmusicfountains[J].The2002InternationalConferenceonControlandAutomation,2002.143-143.王槐欣,万华根,肖书星,金小刚,彭群生.大规模音乐喷泉的实时模拟[J].中国图象图形学报,2010,15(03):524-529.FontelesJH,RodriguesMA,BassoVE,etal.:Real-TimeAnimationsofVirtualFountainsBasedonaParticleSystemforVisualizingtheMusicalStructure,2014XviSymposiumonVirtualandAugmentedReality,2014:171-180.KoenigsteinN,ShavittY,TankelT,WeinsbergEandWeinsbergU.Aframeworkforextractingmusicalsimilaritiesfrompeer-to-peernetworks.2010IEEEInternationalConferenceonMultimediaandExpo,2010:1433-1438.D.Liu,N.ZhangandH.Zhu.Computeraideddesignsystemfordevelopingmusicalfountainprograms[J].TsinghuaScienceandTechnology,Oct.2003:612-616,WangMY,ZhangNY,DuXY,etal.Real-timeanimationofCAD-MFsystemusingsimplifiedparticlesystemandfasttranslationalgorithms[M].2002:1614-1618.李瑞程,应柏青.音乐喷泉控制系统的设计及PLC实现[J].实验技术与管理,2008(05):81-83.方超,杨崇俊,姚晓婧.基于浅水方程和物理引擎的大尺度水环境模拟[J].系统仿真学报,2013,25(002):270-275.Ozdede,S,M.K.UrbanLandscapeDesignandPlanningRelatedtoWindEffects[J].OxidationCommunications,2016.VandevyvereH,StremkeS.UrbanPlanningforaRenewableEnergyFuture:MethodologicalChallengesandOpportunitiesfromaDesignPerspective[J].Sustainability,2012,4(6):1309-1328.HofmannM,WestermannJR,KowarikI,etal.Perceptionsofparksandurbanderelictlandbylandscapeplannersandresidents[J].UrbanForestry&UrbanGreening,2012,11(3):303-312.MatsuokaRH,KaplanR.Peopleneedsintheurbanlandscape:AnalysisofLandscapeAndUrbanPlanningcontributions[J].Landscape&UrbanPlanning,2008,84(1):7-19.DempseyN,BurtonM.Definingplace-keeping:The