Nghiên Cứu Định Danh Tự Động Một Số Làn Điệu Dân Ca Việt Nam

• Người hướng dẫn: PGS. Trịnh Văn Loan
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Máy tính
• Đề tài: Định Danh Tự Động Làn Điệu Dân Ca Việt Nam
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ÂM NHẠC VÀ PHÂN LỚP THỂ LOẠI ÂM NHẠC
• 1.1. Âm thanh, âm nhạc
• 1.2. Một số yếu tố cơ bản của âm nhạc
• 1.3. Một số đặc trưng trích chọn từ tín hiệu âm nhạc
• 1.3.1. Đặc trưng thống kê
• 1.3.2. Đặc trưng trong miền thời gian
• 1.3.3. Đặc trưng phổ
• 1.4. Một số thể loại âm nhạc phổ biến trên thế giới
• 1.5. Đôi nét về nhạc dân ca Việt Nam
• 1.5.1. Đặc điểm âm nhạc, lời ca trong Chèo
• 1.5.2. Đặc điểm âm nhạc, lời ca trong Quan họ
• 1.5.3. Đặc điểm kỹ thuật hát Chèo và Quan họ
• 1.6. Phân lớp âm nhạc theo thể loại
• 1.7. Một số bộ dữ liệu âm nhạc theo thể loại điển hình
• 1.8. Một số mô hình dùng trong phân lớp thể loại âm nhạc
• 1.8.1. Bộ phân lớp SVM (Support Vector Machine)
• 1.8.2. Bộ phân lớp GMM (Gaussian Mixture Model)
• 1.8.3. Mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural Network)
• 1.9. Một số kết quả nghiên cứu phân lớp thể loại âm nhạc trong và ngoài nước
• 1.9.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.9.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.10. Kết chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỊNH DANH MỘT SỐ LÀN ĐIỆU DÂN CA VIỆT NAM
• 2.1. Bộ dữ liệu âm nhạc Chèo và Quan họ
• 2.2. Một số phương pháp tăng cường dữ liệu
• 2.2.1. Chia đôi các file dữ liệu âm nhạc
• 2.2.2. Tạo tiếng vọng (creating echo)
• 2.2.3. Cộng nhiễu trắng (adding white noise)
• 2.2.4. Thay đổi cao độ (changing pitch)
• 2.3. Phân lớp, định danh một số làn điệu dân ca Việt Nam dùng một số thuật toán học máy truyền thống
• 2.3.1. Trường hợp 1: Định danh một số làn điệu Quan họ dùng một số mô hình truyền thống thuộc bộ công cụ WEKA
• 2.3.2. Trường hợp 2: Định danh một số làn điệu Quan họ dùng GMM
• 2.3.3. Trường hợp 3: Phân lớp, định danh Chèo và Quan họ
• 2.3.4. Trường hợp 4: Phân lớp Chèo và Quan họ
• 2.3.5. Trường hợp 5: Định danh Chèo hoặc Quan họ
• 2.3.6. Trường hợp 6: Định danh Chèo và Quan họ dùng i-vector
• 2.4. Phân lớp và định danh một số làn điệu dân ca Việt Nam dùng học sâu
• 2.4.1. Bộ dữ liệu và tham số sử dụng
• 2.4.2. Các mạng nơ-ron sâu dùng trong nghiên cứu
• 2.4.3. Kết quả nghiên cứu phân lớp và định danh
• 2.5. Kết chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN LỚP THỂ LOẠI ÂM NHẠC TRÊN BỘ DỮ LIỆU NHẠC VIỆT, GTZAN VÀ FMA DÙNG HỌC SÂU
• 3.1. Các độ đo Accuracy, Precision, Recall và F1-score
• 3.2. Phân lớp nhạc Việt dùng RAN (Residual Attention Network)
• 3.3. Nghiên cứu phân lớp thể loại âm nhạc đối với các bộ dữ liệu GTZAN và FMA_SMALL
• 3.3.1. Nghiên cứu phân lớp đối với GTZAN
• 3.3.3. Nghiên cứu phân lớp đối với FMA_SMALL
• 3.4. Kết chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.1. Định hướng phát triển
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Định Danh Tự Động Dân Ca Việt Nam

Âm nhạc là món ăn tinh thần không thể thiếu trong đời sống. Sự bùng nổ của Internet đã thay đổi cách tiếp cận âm nhạc, từ đĩa CD/DVD sang cơ sở dữ liệu nhạc số. Quản lý các CSDL khổng lồ này là một thách thức. Phân lớp âm nhạc theo thể loại là một giải pháp hữu hiệu, nhưng việc xác định thể loại đôi khi không rõ ràng. Dân ca Việt Nam rất đa dạng, mang đậm bản sắc văn hóa của mỗi vùng miền. Luận án "Định danh tự động một số làn điệu dân ca Việt Nam" nghiên cứu sâu hơn về kho tàng dân ca Việt Nam, đặc biệt là Chèo và Quan họ, và đề xuất các mô hình hiệu quả để định danh tự động làn điệu dân ca.

1.1. Tại sao Nghiên cứu Định Danh Tự Động Âm Nhạc Dân Gian

Việc số hóa lượng lớn các tác phẩm âm nhạc gây khó khăn cho người yêu nhạc và chuyên gia. Cần có phương pháp mới để khám phá, giới thiệu và quảng bá âm nhạc. Theo Heittola (2003), phân lớp âm nhạc theo thể loại là phương pháp hữu dụng nhất để quản lý các CSDL nhạc số khổng lồ. Tuy nhiên, ranh giới giữa các thể loại âm nhạc thường không rõ ràng, phụ thuộc vào cảm tính và nhận thức của con người. Việc định danh tự động giúp giải quyết vấn đề này.

1.2. Mục Tiêu Nghiên Cứu Nhận Diện Tự Động Giai Điệu Dân Ca

Mục tiêu chính là nghiên cứu định danh tự động một số làn điệu dân ca Việt Nam dựa trên xử lý tín hiệu dùng học máy và học sâu. Luận án tập trung vào Chèo và Quan họ. Ngoài ra, còn thực hiện phân lớp thể loại âm nhạc trên GTZAN và FMA, đánh giá ảnh hưởng của các phương pháp tăng cường dữ liệu đến độ chính xác của mô hình. Cần xây dựng bộ dữ liệu dân ca, nghiên cứu các đặc trưng trong tín hiệu âm nhạc và các thuật toán phân lớp.

II. Thách Thức và Giải Pháp Phân Loại Làn Điệu Dân Ca Bằng Máy Tính

Luận án đặt ra nhiều nhiệm vụ nghiên cứu để đạt được mục tiêu. Đầu tiên, cần nghiên cứu quy trình xây dựng bộ dữ liệu dân ca, bao gồm việc thu thập, tiền xử lý và gắn nhãn làn điệu. Tiếp theo, cần nghiên cứu các đặc trưng trong tín hiệu âm nhạc, như phân tích phổ tần âm thanh dân ca, được sử dụng để xác định thể loại. Sau đó, tổng quan về các phương pháp và thuật toán phân lớp âm nhạc, như SVM, GMM, DNN. Cuối cùng, thực hiện định danh tự động Chèo, Quan họ và đánh giá kết quả. Phân lớp thể loại âm nhạc trên GTZAN và FMA để đánh giá khả năng tổng quát hóa.

2.1. Đối tượng và Phạm vi Nghiên cứu Chèo Quan họ

Đối tượng nghiên cứu là định danh tự động một số làn điệu dân ca Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào định danh tự động các làn điệu Chèo và Quan họ. Ý nghĩa khoa học là làm sáng tỏ các mô hình phân lớp âm nhạc theo thể loại. Về thực tiễn, kết quả nghiên cứu góp phần ghi nhận và lưu giữ di sản văn hóa của dân tộc. Việc định danh làn điệu dân ca có ý nghĩa lớn trong lịch sử, văn hóa, giáo dục và nghệ thuật.

2.2. Ý Nghĩa Khoa Học và Thực Tiễn Bảo Tồn Văn Hóa Âm Nhạc

Luận án góp phần làm sáng tỏ các mô hình phân lớp âm nhạc theo thể loại và áp dụng cho định danh các làn điệu dân ca Việt Nam phổ biến. Kết quả nghiên cứu có nhiều đóng góp trong thực tiễn, như hỗ trợ các hệ thống quản lý âm nhạc tự động phân lớp, giúp người nghe nhạc dễ dàng tìm kiếm. Đồng thời, luận án là tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về khai phá dữ liệu âm nhạc, đặc biệt là kho tàng âm nhạc dân ca Việt Nam. Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm.

III. Phương Pháp Định Danh Ứng Dụng Trí Tuệ Nhân Tạo Trong Âm Nhạc

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm. Về mặt lý thuyết, nghiên cứu các mô hình học máy cho nhận dạng âm nhạc Việt Nam để phân lớp âm nhạc theo thể loại và đề xuất các mô hình định danh cho Chèo, Quan họ. Về thực nghiệm, sử dụng các mô hình đã đề xuất để định danh tự động các làn điệu. Nhận xét, đánh giá kết quả đạt được để xác nhận giá trị của các mô hình. Cần một quy trình chặt chẽ từ thu thập dữ liệu, tiền xử lý đến đánh giá mô hình.

3.1. Xây Dựng Cơ Sở Dữ Liệu Âm Nhạc Dân Gian Việt Nam

Việc xây dựng một cơ sở dữ liệu âm nhạc dân gian Việt Nam chất lượng cao là bước quan trọng. Dữ liệu cần được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm cả các bản thu âm chuyên nghiệp và các bản ghi âm dân gian. Việc gắn nhãn chính xác các làn điệu là vô cùng quan trọng để đảm bảo hiệu suất của các mô hình học máy. Các phương pháp tăng cường dữ liệu có thể được sử dụng để tăng kích thước và độ đa dạng của tập dữ liệu.

3.2. Trích Xuất Đặc Trưng Âm Nhạc Phân Tích Phổ Tần Âm Thanh Dân Ca

Việc trích xuất đặc trưng phù hợp từ tín hiệu âm thanh là yếu tố then chốt để định danh làn điệu dân ca. Các đặc trưng thường được sử dụng bao gồm MFCC (Mel-Frequency Cepstral Coefficients), chroma features, và các đặc trưng phổ tần. Các phương pháp phân tích phổ tần âm thanh dân ca có thể giúp xác định các đặc điểm riêng biệt của từng làn điệu. Việc lựa chọn các đặc trưng phù hợp có thể cải thiện đáng kể độ chính xác của các mô hình nhận diện tự động.

3.3. Ứng Dụng Mô Hình Học Sâu Nhận Diện Giai Điệu Dân Ca Bằng Mạng Nơ ron

Học sâu đã chứng minh được hiệu quả trong nhiều bài toán liên quan đến xử lý âm thanh. Các mô hình mạng nơ-ron như CNN (Convolutional Neural Networks) và RNN (Recurrent Neural Networks) có thể được sử dụng để nhận diện giai điệu dân ca một cách hiệu quả. Việc huấn luyện các mô hình này đòi hỏi một lượng lớn dữ liệu được gắn nhãn chính xác. Các phương pháp điều chỉnh tham số và kiểm tra chéo có thể giúp cải thiện hiệu suất của các mô hình.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Định Danh Làn Điệu Chèo và Quan Họ

Luận án tập trung vào việc định danh tự động các làn điệu Chèo và Quan họ. Các kết quả thực nghiệm cho thấy các mô hình học máy và học sâu có thể đạt được độ chính xác cao trong việc phân loại và nhận diện các làn điệu này. Tuy nhiên, hiệu suất của các mô hình phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước và chất lượng của tập dữ liệu, lựa chọn đặc trưng, và cấu trúc của mô hình. Cần so sánh các mô hình khác nhau và đánh giá ưu nhược điểm.

4.1. So Sánh Hiệu Năng Các Thuật Toán Nhận Diện Mẫu Âm Thanh

Luận án so sánh hiệu năng của các thuật toán nhận diện mẫu âm thanh khác nhau, bao gồm các thuật toán truyền thống như GMM và SVM, và các mô hình học sâu như CNN và RNN. Kết quả cho thấy các mô hình học sâu thường đạt được độ chính xác cao hơn so với các thuật toán truyền thống, đặc biệt khi được huấn luyện trên một lượng lớn dữ liệu. Tuy nhiên, các thuật toán truyền thống có thể phù hợp hơn trong các trường hợp dữ liệu hạn chế.

4.2. Đánh Giá Ảnh Hưởng Của Tăng Cường Dữ Liệu Đến Độ Chính Xác

Luận án đánh giá ảnh hưởng của các phương pháp tăng cường dữ liệu đến độ chính xác của các mô hình định danh làn điệu. Các phương pháp tăng cường dữ liệu có thể giúp tăng kích thước và độ đa dạng của tập dữ liệu, từ đó cải thiện hiệu suất của các mô hình, đặc biệt là các mô hình học sâu. Các phương pháp thường được sử dụng bao gồm thêm nhiễu, thay đổi cao độ, và kéo dài thời gian.

4.3. Ma Trận Nhầm Lẫn và Phân Tích Lỗi Xác Định Làn Điệu

Phân tích ma trận nhầm lẫn giúp xác định các làn điệu dễ bị nhầm lẫn với nhau. Việc phân tích lỗi giúp hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của các mô hình. Từ đó, có thể đưa ra các giải pháp để cải thiện độ chính xác của các mô hình, như điều chỉnh các tham số, thêm các đặc trưng mới, hoặc sử dụng các phương pháp tăng cường dữ liệu phù hợp.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Ứng Dụng AI Trong Bảo Tồn Văn Hóa

Luận án đã đề xuất các mô hình hiệu quả trong định danh tự động một số làn điệu dân ca Việt Nam, góp phần bảo tồn văn hóa âm nhạc. Kết quả có thể ứng dụng trong hệ thống quản lý âm nhạc, giúp người nghe dễ dàng tìm kiếm. Cần tiếp tục nghiên cứu để mở rộng phạm vi nghiên cứu đến nhiều thể loại dân ca khác. Đồng thời, cần hoàn thiện các mô hình để tăng độ chính xác và khả năng ứng dụng thực tế. Hướng phát triển nên tập trung vào ứng dụng AI trong bảo tồn văn hóa.

5.1. Định Hướng Phát Triển Phát Triển Ứng Dụng Nhận Diện Dân Ca

Hướng phát triển chính là phát triển ứng dụng nhận diện dân ca cho điện thoại di động và các thiết bị thông minh khác. Ứng dụng này có thể giúp người dùng dễ dàng tìm hiểu về các làn điệu dân ca Việt Nam, góp phần bảo tồn và quảng bá văn hóa. Cần tích hợp các tính năng như tìm kiếm, nghe nhạc, và xem thông tin về các làn điệu.

5.2. Mở Rộng Nghiên Cứu Xử Lý Tín Hiệu Âm Thanh Dân Ca Đa Dạng

Nghiên cứu có thể được mở rộng để bao gồm nhiều thể loại dân ca khác nhau, như hát Xoan, hát Ví, hát Trống quân, và dân ca của các dân tộc thiểu số. Cần thu thập và gắn nhãn dữ liệu cho các thể loại này. Đồng thời, cần phát triển các phương pháp xử lý tín hiệu âm thanh dân ca phù hợp với từng thể loại.