Síntese sonora auto-organizável através da aplicação de algoritmos bio-inspirados

189 Pages·2006·14.77 MB·Portuguese

Universidade Estadual de Campinas (Unicamp)
Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC)
Departamento de Engenharia de Computação e Automação Industrial (DCA)
Laboratório de Bioinformática e Computação Bio-Inspirada (LBiC)

Síntese Sonora Auto-Organizável Através da
Aplicação de Algoritmos Bio-Inspirados
Autor: Marcelo Freitas Caetano
Orientador: Prof. Dr. Fernando José Von Zuben
LBiC/DCA/FEEC/Unicamp
Co-Orientador: Prof. Dr. Jônatas Manzolli
NICS/Unicamp | IA/Unicamp
Dissertação de Mestrado apresentada à
Faculdade de Engenharia Elétrica e de
Computação como parte dos requisitos para
obtenção do título de Mestre em Engenharia
Elétrica. Área de concentração: Engenharia de
Computação.
Banca Examinadora
Fernando José Von Zuben, Dr. ............................................... DCA/FEEC/Unicamp
Rafael Santos Mendes, PhD. ...................................................DCA/FEEC/Unicamp
Romis Ribeiro de Faissol Attux, Dr. ....................................DECOM/FEEC/Unicamp
Artemis Maria Francelin Sanchez Moroni, Dra. ........................................Cenpra/SP

Abril/2006
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA
BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE -
UNICAMP

Caetano, Marcelo Freitas
C116s Síntese sonora auto-organizável através da aplicação de
algoritmos bio-inspirados / Marcelo Freitas Caetano. --
Campinas, SP: [s.n.], 2006.

Orientadores: Fernando José Von Zuben, Jônatas
Manzolli
Dissertação (Mestrado) - Universidade Estadual de
Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de
Computação.

1. Música por computador. 2. Música eletrônica. 3.
Inteligência artificial. 4. Aprendizado do computador. 5.
Sistemas auto-organizadores. 6. Redes neurais
(Computação). I. Von Zuben, Fernando José. II. Manzolli,
Jônatas. III. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade
de Engenharia Elétrica e de Computação. IV. Título.

Titulo em Inglês: Self-organizing sound synthesis by means of the application
of bio-inspired algorithms
Palavras-chave em Inglês: Computer music, Sound synthesis, Self-
organization, Bio-inspired algorithms, Artificial
neural networks, Artificial immune systems
Área de concentração: Engenharia de Computação
Titulação: Mestre em Engenharia Elétrica
Banca examinadora: Rafael Santos Mendes, Romis Ribeiro de Faissol Attux,
Artemis Maria Francelin Sanchez Moroni
Data da defesa: 20/04/2006

ii
RESUMO

Não há limitações teóricas para o uso do computador como fonte de sons musicais. O
computador digital permite a produção de qualquer som concebível dada a seqüência
correta de números (amostras digitais). No entanto, produzir uma dada seqüência de
números que corresponda a um som musical que possua determinadas características
perceptivas desejadas é uma tarefa de difícil resolução. Grande parte dos métodos e
sistemas de síntese sonora digital utiliza modelos e/ou incorpora técnicas que não levam
em conta a natureza dinâmica dos sons musicais ou que não foram originalmente
desenvolvidas para manipulação musical. Neste trabalho, é apresentada uma abordagem
populacional para síntese sonora no domínio temporal. Foi estudado um espaço sonoro e
um conjunto de atratores, isto é, um conjunto de formas de onda com qualidades sonoras
desejadas e definidas a priori, e foi possível obter sons que possuem características
associadas a um ou mais atratores, representando variantes dos mesmos. Este método
de síntese de sons musicais pode ser interpretado como um processo de busca no
espaço vetorial que contém todas as possibilidades sonoras decorrentes da
representação adotada, e tem por objetivo a criação de formas de onda digitalizadas com
características emergentes e potencial para serem utilizadas em diversas aplicações
musicais. Os resultados representam variantes e/ou possuem intersecções das
características próprias dos atratores, responsáveis por indicar as regiões de interesse do
espaço de busca. A proposta de pesquisa envolveu a utilização de algoritmos bio-
inspirados – os quais expressam propriedades de sistemas auto-organizados e
adaptativos – como definidores de processos de geração e estruturação dos elementos
sonoros, entendidos aqui como problemas de otimização. A auto-organização e os
mecanismos de manutenção de diversidade e de adaptação, intrínsecos aos sistemas
bio-inspirados, fundamentam a proposta no sentido de viabilizarem a emergência
temporal de estruturas estáveis sem um elemento organizador externo.
iii
ABSTRACT

There are no theoretical limitations to the use of the computer as a source of musical
sounds. The digital computer allows for the production of any conceivable sound given the
correct sequence of numbers (digital samples). Nevertheless, producing the correct
sequence of numbers that correspond to a musical sound expressing predefined
perceptual characteristics is a very difficult task. Most sound synthesis methods and
systems utilize models and/or incorporate techniques which do not take into account the
dynamic nature of musical sounds or were not originally developed for the manipulation of
musical tones. In this work we are proposing a populational sound synthesis approach in
the time domain. A soundspace and a set of attractors, i.e. waveforms containing a priori
desired features or qualities, and a population of agents communicating by means of local
interaction were studied, and it was possible to attain sounds which share some qualities
from more than one of the attractors, resulting exclusively from low-level rules followed by
these agents. This sound synthesis method can be regarded as a search in the vector
space that contains all the possible sounds resulting from the adopted representation, and
its objective is to synthesize digital waveforms that possess emergent properties and the
potential to be used in musical applications. The resulting sounds are variants or hybrids
that share some of the intrinsic features of the attractors, which are responsible for
indicating the regions of interest in the search space. This proposal involved the use of
bio-inspired algorithms, which express features of adaptive, self-organizing systems, as
definers of generating and structuring processes of sound elements, regarded herein as
optimization processes. Self-organization and diversity maintenance and adaptation
mechanisms, intrinsic to bio-inspired systems, lay the foundations of this proposal so as to
make viable the temporal emergence of stable structures without an external organizing
element.
iv
A
todos que estiveram comigo ao longo do caminho.
v
vi
“Music is sounds, sounds around us whether we’re in or out of concert halls”
”Música é sons, sons à nossa volta, quer estejamos dentro ou fora das salas de concerto”
John Cage
vii
viii
Agradecimentos
Ao Prof. Jônatas Manzolli, amigo e mentor, que já me ensinou muito e parece nunca se
cansar de me ensinar a cada dia, responsável por eu ter seguido esta linha de pesquisa,
por seu constante incentivo, orientação e apoio;
Ao incansável Prof. Fernando José Von Zuben, pela dedicação sem limites à pesquisa e à
ciência, por todo o conhecimento que já adquiri com ele, pela enorme confiança que
depositou em mim e pelo apoio incondicional que me deu sempre;
Ao Prof. Rafael Santos Mendes, pelo seu interesse e questionamento inestimáveis;
À Artemis Maria Francelin Sanchez Moroni, que me acompanha desde a Iniciação
Científica;
Ao Prof. Leandro Nunes de Castro, por ter gentilmente cedido o material para a redação
do capítulo referente a Sistemas Imunológicos Artificiais;
A Mariana Lúcio Lyra, pelo incentivo e ajuda nas horas mais difíceis, sem os quais muitas
de minhas conquistas não teriam sido possíveis e, principalmente, pela revisão minuciosa
e valiosa que melhorou muito a qualidade do texto final;
A Taísa de Oliveira Amendola Sanches, pela paciência e compreensão, e pelo apoio sem
o qual eu não teria conseguido;
A todos do LBiC, pela amizade e carinho com que me receberam, em especial:
A George Barreto Pereira Bezerra, pelas discussões acaloradas e iluminadas;
A Helder Knidel, pela preciosa ajuda que sempre ofereceu incondicionalmente;
A Tiago Venturieri Barra, que sempre esteve comigo quando eu precisei;
A Renato Reder Cazangi, pela inestimável amizade e pela comunidade no Orkut;
A Eurípedes Pinheiro dos Santos, por todos os livros com que me presenteou, fonte
inestimável de conhecimento;
A Wilfredo Jaime Puma Villanueva que sempre se lembrou de mim nas suas viagens de
volta pra casa;
A todos do NICS, pela maneira calorosa com que me acolheram rapidamente de volta ao
grupo, apesar da minha grande distância e ausência, em especial:
A André Luiz Luvizotto, Fábio Furlanete, César Renno Costa e ao Prof. Adolfo Maia Jr.
ix
Às pessoas que participaram dos experimentos de avaliação perceptiva: Helder Knidel,
Tiago Venturieri Barra, Eurípedes Pinheiro dos Santos, Guilherme Palermo Coelho,
George Barreto Pereira Bezerra, Wilfredo Jaime Puma Villanueva, Renan Cipriano Moioli;
E à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) pelo apoio
financeiro (processo no. 03/11122-8).
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