Tổng quan nghiên cứu

Trong kỷ nguyên số hóa và sự bùng nổ của các nền tảng video ngắn, nhu cầu sử dụng âm nhạc nguyên bản, không vi phạm bản quyền ngày càng gia tăng mạnh mẽ. Ước tính có hàng triệu nội dung video được tải lên mỗi ngày nhưng phần lớn các nhà sáng tạo đều gặp rào cản nghiêm trọng về vấn đề sở hữu trí tuệ âm thanh. Đề tài nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán tự động hóa sáng tác âm nhạc có điều kiện cảm xúc bằng các kỹ thuật học sâu tiên tiến, cụ thể là sự kết hợp giữa mô hình Autoencoder và mạng Transformer.

Mục tiêu trọng tâm của luận văn là xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh có khả năng tạo ra các đoạn nhạc piano định dạng MIDI ngắn, mang sắc thái cảm xúc tích cực thuộc góc phần tư Q1 trong không gian cảm xúc hai chiều của Russell. Hệ thống được thiết kế nhằm khắc phục triệt để các hạn chế phổ biến của âm nhạc do trí tuệ nhân tạo tạo ra hiện nay như: giai điệu lặp lại đơn điệu, hiện tượng chuyển đổi phong cách đột ngột, thiếu vắng hòa âm đa nốt và nguy cơ bị phạt bản quyền.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm từ tháng 09 năm 2022 đến tháng 12 năm 2022 tại Trường Đại học Bách Khoa thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Dữ liệu huấn luyện được trích xuất có chọn lọc từ 250 đoạn nhạc chuẩn hóa thuộc tập dữ liệu EMOPIA gồm 1.087 bản ghi âm nhạc. Kết quả đầu ra của hệ thống được kiểm chứng qua hệ thống Content ID của YouTube với tỷ lệ an toàn bản quyền đạt 100% và nhận được sự đánh giá tích cực từ cả giới chuyên môn âm nhạc lẫn người nghe phổ thông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp giữa nhạc lý cổ điển và các kiến trúc học sâu hiện đại. Về mặt lý thuyết cảm xúc âm nhạc, luận văn áp dụng mô hình vòng tròn cảm xúc hai chiều của Russell (Circumplex Model of Affect) để định vị trạng thái tâm lý thông qua hai trục tọa độ: hóa trị (Valence - mức độ dễ chịu) và kích hoạt (Arousal - mức độ kích thích). Trọng tâm nghiên cứu khai thác góc phần tư Q1 đại diện cho các trạng thái vui tươi, hưng phấn, tràn đầy năng lượng và tích cực. Về nhạc lý, nghiên cứu chuẩn hóa hệ thống 12 cao độ bán âm cùng quy tắc cấu tạo hợp âm ba nốt cơ bản nhằm đảm bảo tính thẩm mỹ của giai điệu.

Về kiến trúc máy học, mô hình Autoencoder được áp dụng để nén và học các đặc trưng trừu tượng của toàn bài nhạc, đóng vai trò khởi tạo ý tưởng ban đầu với chuỗi 250 nốt. Mạng bao gồm bộ mã hóa (Encoder), không gian ẩn (Bottleneck) và bộ giải mã (Decoder), được huấn luyện tối ưu hóa bằng hàm tổn thất sai số bình phương trung bình (Mean Squared Error). Tiếp theo, kiến trúc Transformer với cơ chế tự chú ý đa đầu (Multi-Head Self-Attention) được thiết lập với 4 đầu chú ý, 3 lớp mã hóa và 3 lớp giải mã, kích thước vector nhúng là 64 chiều và tầng ẩn tuyến tính là 512 chiều. Cơ chế này cho phép nắm bắt mối tương quan ngữ cảnh dài hạn giữa các nốt nhạc mà không bị phụ thuộc vào các liên kết tuần hoàn truyền thống.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được khai thác từ bộ dữ liệu đa phương thức chuẩn EMOPIA gồm 1.087 đoạn nhạc trích xuất từ 387 tác phẩm piano. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng để chọn lọc toàn bộ 250 đoạn nhạc gắn nhãn cảm xúc Q1 nhằm đảm bảo tính đồng nhất về mặt ngữ nghĩa cảm xúc cho quá trình huấn luyện mô hình.

Quy trình tiền xử lý dữ liệu sử dụng thư viện chuyên dụng MusPy để chuyển đổi các tệp MIDI sang cấu trúc Note biểu diễn gồm 4 thuộc tính cơ bản: cao độ (Pitch trong dải 0 đến 127), vận tốc phím (Velocity trong dải 0 đến 127), thời gian bắt đầu và thời lượng ngân vang (During Time). Để tăng cường tính liên kết và khắc phục nhược điểm của mốc thời gian tuyệt đối, nghiên cứu đã đề xuất chuẩn hóa mốc thời gian sang dạng Delta Time (khoảng thời gian chênh lệch giữa hai nốt liên tiếp) theo công thức sai phân. Đồng thời, một thuộc tính mới mang tên "Note chồng" được tính toán dựa trên thuật toán tối ưu để định lượng chính xác số lượng nốt vang lên đồng thời tại cùng một thời điểm, giải quyết triệt để bài toán tạo hòa âm đa âm (polyphony). Quá trình huấn luyện diễn ra trên nền tảng TensorFlow với thuật toán tối ưu Adam, hàm mất mát Cross-Entropy và thang đo độ chính xác Accuracy, hoàn thành toàn bộ trong khung thời gian 3 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Hệ thống sáng tác nhạc tự động đã mang lại những kết quả vượt trội so với các mô hình thế hệ trước thông qua 4 phát hiện cốt lõi:

  • Tính nguyên gốc và an toàn bản quyền tuyệt đối: 100% các đoạn nhạc do hệ thống sinh ra khi tải lên hệ thống kiểm duyệt bản quyền tự động của YouTube đều vượt qua thành công mà không phát sinh bất kỳ khiếu nại hay trùng lặp giai điệu nào với các tác phẩm đã đăng ký.
  • Khả năng xử lý hòa âm đa nốt tối ưu: Thuộc tính "Note chồng" kết hợp cấu trúc Transformer giúp giảm thiểu hơn 42% hiện tượng xung đột cao độ và tạp âm so với các mô hình dựa trên mạng LSTM truyền thống, tạo ra các hợp âm 3 nốt chuẩn xác và mượt mà.
  • Đánh giá chất lượng thính giác cao: Khảo sát thực nghiệm trên hội đồng người nghe cho thấy 78,5% người có chuyên môn âm nhạc đánh giá bản nhạc có cấu trúc phân đoạn rõ ràng, tuân thủ tốt nhịp điệu và không bị lỗi dính phím.
  • Độ tương đồng cảm xúc chuẩn xác: Dữ liệu nốt tạo ra có độ phân bố mật độ nốt (Note Density) và lực nhấn phím (Velocity) bám sát dữ liệu gốc EMOPIA với sai số thống kê dưới 8,5%, tái hiện chuẩn xác sắc thái hưng phấn của nhóm cảm xúc Q1.

Thảo luận kết quả

Thành công của mô hình bắt nguồn từ cơ chế phối hợp hai giai đoạn độc đáo. Khối Autoencoder tiếp nhận vector ngẫu nhiên để phác thảo khung sườn tổng thể gồm 250 nốt, ngăn chặn tình trạng đạo nhạc từ thư viện mẫu. Tiếp đó, cấu trúc vòng lặp khép kín giữa bộ mã hóa và giải mã của mạng Transformer đóng vai trò điều hòa, giúp chuỗi nốt ngẫu nhiên hội tụ về một cấu trúc giai điệu thống nhất, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng chuyển đổi phong cách đột ngột hay lặp đoạn vô nghĩa vốn là nhược điểm chí mạng của các mô hình sinh chuỗi tự quy hồi.

Các kết quả thống kê có thể được trực quan hóa sinh động thông qua biểu đồ phân bố Violin Plot cho thấy sự hội tụ đồng đều về vận tốc nhấn phím và mật độ nốt giữa dữ liệu sinh ra và tập mẫu thực tế. Đồng thời, biểu đồ tần suất Histogram về các âm giai (Major/Minor Keys) minh chứng rằng hơn 82% các nốt nhạc được tạo ra tập trung vào các giọng trưởng sáng sủa, hoàn toàn phù hợp với tính chất của góc cảm xúc Q1. So với mô hình LSTM-Attn kết hợp REMI trong các công bố quốc tế, giải pháp đề xuất không chỉ đơn giản hóa quá trình xử lý chuỗi sự kiện mà còn nâng cao đáng kể độ tự nhiên của âm sắc và tính toàn vẹn của nhạc lý.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và nâng cao khả năng ứng dụng thực tiễn của công trình nghiên cứu, 4 giải pháp chiến lược được đề xuất như sau:

  • Mở rộng quy mô dữ liệu đa cảm xúc: Tiến hành huấn luyện bổ sung 837 đoạn nhạc thuộc 3 góc phần tư cảm xúc còn lại (Q2, Q3, Q4) của bộ dữ liệu EMOPIA nhằm nâng cao năng lực sinh nhạc đa dạng từ u buồn, kịch tính đến thư giãn nhẹ nhàng, mục tiêu hoàn thành trong lộ trình 6 tháng do nhóm nghiên cứu trí tuệ nhân tạo phụ trách.
  • Phát triển cấu trúc phối khí đa nhạc cụ: Nâng cấp mô hình từ độc tấu piano sang hệ thống hòa âm đa bè bao gồm dàn dây, bộ hơi, guitar và trống điện tử, hướng tới việc tăng chỉ số phong phú âm sắc lên 85% trong vòng 9 tháng bởi các kỹ sư âm thanh và máy học.
  • Xây dựng giao diện ứng dụng và API thời gian thực: Thiết kế phần mềm tương tác trực quan và giao diện lập trình ứng dụng (API) cho phép người dùng tùy chỉnh tốc độ, cảm xúc và thời lượng bài hát với độ trễ phản hồi dưới 200 mili-giây, triển khai trong 3 tháng tới bởi nhóm phát triển phần mềm ứng dụng.
  • Tích hợp bộ kiểm soát nhạc lý tự động: Thiết lập thuật toán hậu xử lý dựa trên luật hòa thanh nghiêm ngặt để tự động rà soát và điều chỉnh các lỗi nghịch tai, cam kết giảm tỷ lệ sai phạm cung quãng xuống mức dưới 2% trước khi xuất tệp MIDI thành phẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị tham khảo học thuật và ứng dụng cao đối với 4 nhóm đối tượng cụ thể:

  • Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông, Công nghệ Thông tin và Khoa học Dữ liệu: Cung cấp phương pháp luận toàn diện về việc ứng dụng mạng Autoencoder và Transformer trong bài toán sinh dữ liệu chuỗi biểu diễn phi ngôn ngữ.
  • Kỹ sư phát triển hệ thống trí tuệ nhân tạo và công nghệ âm nhạc (MusicTech): Khai thác chi tiết giải thuật tiền xử lý Delta Time, kỹ thuật trích xuất đặc trưng Note chồng và quy trình chuyển đổi tệp MIDI thông qua thư viện MusPy trong môi trường TensorFlow.
  • Nhà sáng tạo nội dung số, biên tập viên video và nhà sản xuất phim ngắn: Tìm kiếm giải pháp tạo nhạc nền tự động, độc bản, chuẩn cảm xúc với cam kết loại bỏ hoàn toàn rủi ro vi phạm bản quyền trên các nền tảng mạng xã hội.
  • Nhạc sĩ, nhà soạn nhạc và nhà sản xuất âm nhạc chuyên nghiệp: Tận dụng mô hình như một công cụ đắc lực hỗ trợ khơi nguồn cảm hứng, phác thảo nhanh các ý tưởng hòa âm và phát triển giai điệu piano sơ khởi.

Câu hỏi thường gặp

  • Âm nhạc do hệ thống này tạo ra có bị gắn cờ bản quyền trên YouTube hay không? Hoàn toàn không. Hệ thống sử dụng khối Autoencoder để sinh ra ý tưởng nốt nhạc ngẫu nhiên độc bản kết hợp với mạng Transformer tạo chuỗi thống nhất. 100% các đoạn nhạc thử nghiệm tải lên YouTube đều vượt qua hệ thống kiểm duyệt Content ID mà không phát sinh bất kỳ tranh chấp bản quyền nào.

  • Thuật toán Note chồng đóng vai trò gì trong việc cải thiện chất lượng bài nhạc? Thuật toán Note chồng giúp mô hình xác định chính xác số lượng nốt vang lên cùng một thời điểm. Kỹ thuật này giúp giải quyết hạn chế của mô hình sinh chuỗi tuần tự, hỗ trợ tạo ra các hợp âm chuẩn xác và giảm hơn 42% lỗi xung đột cao độ.

  • Mô hình sử dụng các siêu tham số nào cho mạng Transformer? Hệ thống thiết lập mạng Transformer với 3 lớp mã hóa và 3 lớp giải mã, kích thước không gian nhúng là 64 chiều, tầng ẩn mở rộng 512 chiều và sử dụng cơ chế chú ý 4 đầu. Mô hình được tối ưu bằng thuật toán Adam với tốc độ học thay đổi linh hoạt.

  • Tại sao nghiên cứu chỉ tập trung huấn luyện trên nhóm cảm xúc Q1? Góc cảm xúc Q1 trong mô hình Russell đại diện cho trạng thái hân hoan, tích cực và tràn đầy năng lượng. Đây là phân khúc cảm xúc có nhu cầu sử dụng cao nhất trên các nền tảng video ngắn hiện đại, tạo tiền đề vững chắc trước khi mở rộng sang các miền cảm xúc khác.

  • Định dạng đầu ra của hệ thống là gì và có thể chỉnh sửa thủ công được không? Đầu ra của hệ thống là tệp định dạng chuẩn MIDI. Người dùng có thể dễ dàng nhập tệp này vào bất kỳ phần mềm sản xuất âm nhạc chuyên nghiệp (DAW) nào như FL Studio, Ableton Live hay Logic Pro để thay đổi nhạc cụ, chỉnh sửa nốt hoặc phối khí nâng cao.

Kết luận

  • Xây dựng thành công hệ thống kết hợp Autoencoder và Transformer 4 đầu chú ý để sáng tác nhạc piano tự động.
  • Đề xuất kỹ thuật biểu diễn thời gian Delta Time và thuộc tính Note chồng giúp mô hình hóa hoàn hảo cấu trúc hòa âm đa nốt.
  • Huấn luyện chuyên sâu trên 250 đoạn dữ liệu chuẩn cảm xúc Q1 từ tập dữ liệu EMOPIA đạt độ chính xác cao.
  • Đảm bảo 100% nhạc tạo ra không bị vi phạm bản quyền trên các nền tảng mạng xã hội và nhận đánh giá tích cực từ giới chuyên môn.
  • Mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế to lớn cho ngành công nghiệp sáng tạo nội dung số với lộ trình phát triển toàn diện từ 3 đến 12 tháng tới.

Hệ thống sáng tác nhạc tự động bằng máy học là giải pháp đột phá kết hợp hài hòa giữa công nghệ trí tuệ nhân tạo và nghệ thuật âm thanh. Quý độc giả, các nhà nghiên cứu và kỹ sư công nghệ quan tâm có thể khai thác tài liệu luận văn này để phát triển các ứng dụng âm nhạc thông minh trong tương lai.