Présentation générale

Projet : Ecriture automatique de partition musicale: Le but de ce projet est de mettre en place un procédé de traitement de signal permettant de récupérer informatiquement les notes et rythmes jouées depuis une guitare électrique. Les données seront alors automatiquement traduites en une partition de musique.

Etudiants: Hugo LEURENT, Fabien RONCKIER

Encadrants: Alexandre Boé, Xavier Redon, Thomas Vantroys

Description

Description générale

Ce projet nous trottait dans la tête depuis quelque mois déjà, avant même notre rentrée en IMA 4. Sachant que nous aurions à réaliser un projet tout au long du S8 mettant en avant nos connaissances acquises jusqu'ici, nous avions déjà commencé à réfléchir à la direction que nous voudrions prendre. Passionnés de musique, nous avons alors eu l'idée d'associer cette passion à ce projet pour tenter d'apporter quelque chose qui pourrait s'avérer utile et faciliter la vie d'un musicien.

En tant que musicien, il est parfois bien long de réécrire une idée ou même tout un morceau sur une partition, surtout informatiquement. Des logiciels existent pour cela, mais la plupart sont payants. De plus, il faut bien souvent tout taper à la main, ce qui peut prendre plusieurs heures. Nous voulions avec cette idée que chacun puisse, en seulement quelques minutes, retranscrire une idée ou un morceau sur une partition rien qu'en se branchant et en jouant. Cela permettrait même à quelqu'un qui s'y connaît peu en solfège d'écrire sa partition, tout aussi rapidement que n'importe quel musicologue aguerri.

C'est alors que nous avons eu l'idée de cette partition qui s'écrirait automatiquement. Le principe serait le suivant : il suffirait de brancher sa guitare électrique à son ordinateur, de lancer le logiciel puis l'acquisition, et la partition de ce que nous jouons s'écrirait devant nos yeux. Le logiciel aurait un métronome intégré qui permettrait au musicien de jouer dans le temps pour que les rythmes soient correctement retransmis. Pour une meilleure fiabilité, nous pensions faire jouer le morceau plusieurs fois pour s'assurer de la véracité des notes et rythmes captés par l'ordinateur.

Description technique

Techniquement, ce projet pourrait être divisé en trois parties distinctes. L'intérêt est que chacune de ces parties mettent en oeuvre des connaissances apprises dans les différents modules d'IMA.

* Conception électronique :

Pour relier notre instrument (ici une guitare électrique) à l'ordinateur, nous souhaitons concevoir une carte électronique dotée d'un microcontrôleur. La carte électronique comportera une entré Jack 6.35mm, un préamplificateur (les signaux d'une guitare n'étant que de l'ordre de la dizaine de mV), la partie microcontrôleur qui réalisera la conversion analogique-numérique et le traitement du signal, et enfin une sortie USB vers le PC.

* Traitement de signal :

Cette partie s'avérera fondamentale, puisque la fiabilité de notre projet reposera sur le traitement des signaux reçus depuis notre guitare pour en extraire les bonnes notes. Il faudra alors trouver un moyen d'effacer au maximum le bruit dans nos mesures, d'effectuer des mesures de fréquences précises, mais aussi des mesures rapides pour que la partition s'écrive en temps réel. Nous devrons alors procéder à plusieurs études et tests pour trouver un compromis entre rapidité, précision des mesures et utilisation de la mémoire. Nous programmerons le microcontrôleur (certainement de la catégorie des STM32F4) de façon à réaliser le traitement voulu pour l'envoyer ensuite vers le PC.

* Conception logicielle :

Enfin, une partie de programmation et d’interfaçage graphique pour retranscrire les signaux reçus sur une partition. Le logiciel devra être clair et compréhensible pour un utilisateur lambda. L'utilisateur pourra régler plusieurs paramètres, comme la vitesse du métronome (donc le tempo de la musique), le nombre de temps par mesure, ou ben le nombre d'acquisitions voulues.

Objectifs

Pour obtenir quelque chose de fonctionnel à la fin du projet, nous pensons fonctionner par paliers d'objectifs à atteindre tout au long du semestre. Jusqu'à arriver, pourquoi pas, au rendu final espéré en premier lieu.

Nous commencerons par la réalisation de la carte électronique. Il nous faudra bien sûr mettre en œuvre nos connaissances théoriques pour placer au mieux les composants au service des fonctionnalités voulues. Le schematic , la réalisation du PCB et les soudures seront alors des étapes importantes à ne surtout pas négliger. Une fois cette carte réalisée, la première grosse étape aura été passée.

Nous arrivons ensuite aux parties traitement du signal et conception de l'interface graphique de la partition.

Côté traitement de signal :

Pour le traitement de signal, il faudra en premier lieu dimensionner le problème, choisir les bons paramètres d'échantillonnage et le moyen de réaliser le traitement. Nous pensons partir sur un STM32F4, microcontrôleur ayant largement les capacités de réaliser ce que nous souhaitons.

Pour tester le bon fonctionnement de notre traitement de signal, nous pensons également le faire par étapes :

Dans un premier lieu, tester sur un enregistrement en .wav ou .mp3 déja existant, et sur une seule note. Cela permettra d'ignorer les bruit générés lors de l'acquisition.
Prendre ensuite en compte le bruit généré par la carte électronique et les micros de la guitare et adapter le traitement en fonction.
Vérifier que les fréquences sont correctement reconnues et qu'on se rapproche assez de la note voulue. Toujours en n'étudiant qu'une seule note et non tout un morceau.
Enfin, étudier la partie temps réel de l'acquisition en traitant le morceau dans son ensemble, pour obtenir au final des fréquences en fonction du temps.

Côté conception logicielle :

Après avoir choisi le langage de programmation adéquat, il serait plus judicieux de créer un premier programme plus simple, pour se familiariser avec le langage et les outils d'interfaçage graphique.

Un accordeur de guitare pourrait être un bon début. Il suffirait de capter la fréquence d'une note jouée (d'abord depuis un enregistrement puis ensuite de notre guitare lorsque nous aurons réalisé la partie TS). Le logiciel afficherait la note la plus proche et si la fréquence est trop haute ou trop basse.

Une fois plus à l'aise avec ces outils, il devrait être plus abordable de créer notre fameux outil d'écriture automatique de partition.

Reste à voir jusqu'où nous pourrons arriver dans ce projet, le but étant en fin de S8 d'avoir un outil fonctionnel et présentable, quitte à devoir repenser nos plans prévus à la base si nous faisons face à des imprévus.

Analyse du projet

Positionnement par rapport à l'existant

Il existe de nombreux logiciels d'écriture de partition (Guitar Pro, Musescore... ), mais très peu ont la capacité de l'écrire automatiquement directement depuis un instrument. Tous ces logiciels ne permettent que l'écriture à la main d'une partition, et notre projet pourrait alors s'avérer une fonctionnalité bonus pour ce genre de logiciels.

Un principe se rapprochant du projet que nous souhaitons accomplir serait celui de Rocksmith. Ce jeu video utilise un câble qui relie notre guitare au pc pour comprendre les notes et accords jouées par l'utilisateur. Nous pourrions nous inspirer de son système de fonctionnement pour notre projet.

Honnêtement, nous ne pensions pas qu'il existait déjà un système capable de reconnaître les notes et de les retranscrire comme nous souhaitons le faire. Cependant, nous sommes tombés sur AudioScore lors de nos recherches. Ce logiciel réalise exactement ce que nous souhaiterions accomplir : transcrire une partition depuis un enregistrement.

Analyse du premier concurrent

Rocksmith est un jeu vidéo développé par Ubisoft depuis 2011. A ce jour, deux opus sont sortis. La particularité de ce jeu est qu'il se joue via sa propre guitare électrique, branchée à son PC, et non une manette ou un clavier. Le PC reconnaît ensuite les notes et accords joués pour les retranscrire en temps réel sur l'écran.

Ce jeu a pour but d'apprendre la guitare aux guitaristes débutants, ou bien des morceaux plus compliqués à des guitaristes accomplis, grâce à un catalogue de morceaux pour tous les niveaux de musiciens.

Bien que le but final ne soit pas le même, le principe d'acquisition des signaux est sûrement très similaire à ce qu'on souhaite faire. Après tout, il s'agit dans les deux cas de capter, traiter et utiliser les informations d'un signal issu d'une guitare électrique pour les afficher ensuite à un utilisateur.

Nous ne considérerons pas Rocksmith comme un concurrent direct à proprement parler, mais plutôt comme une application pour les musiciens qui compléterait la nôtre : d'un côté l'apprentissage de la guitare, de l'autre côté la retranscription sur une partition. La concurrence a lieu dans la similarité d'acquisition du signal.

Pour y avoir joué personnellement, nous avons pu constater une légère latence dans ce jeu. Comme quoi même chez des professionnels, la partie temps réel du traitement de signal est un réel défi, qu'il nous faudra prendre absolument en compte.

Analyse du second concurrent

L'interface de Guitar Pro

Guitar Pro est un logiciel d'écriture de partition. Bien qu'un bon nombre de logiciels de ce type existent, Guitar Pro est l'un des plus complets avec une banque de sons permettant d'écouter ses partitions, pour de multiples instruments. C'est d'ailleurs le leader du marché et un bon nombre de partitions sont aujourd'hui écrites sur GP. Il devient alors simple d'écrire et de composer dans morceaux, même sans toucher d'un instrument.

Notre projet se démarque de Guitar pro dans le sens ou nous souhaitons passer outre sa principale contrainte : devoir tout écrire à la main. Ecrire un morceau prend de longues heures sur ce logiciel.

Nous pourrions imaginer notre projet comme une fonctionnalité additionnelle de ce logiciel, qui permettrait de jouer le morceau pour écrire directement la partition sur GP. Les deux logiciels se complètent bien puisque nous pourrions imaginer écrire la grosse partie de la partition via notre projet, puis fignoler les détails sur Guitar Pro, toujours dans le but de gagner du temps sur l'écriture.

Scénario d'usage du produit ou du concept envisagé

Frank est un jeune étudiant de 20 ans. Depuis toujours, il est passionné de musique et il a même créé son groupe de rock avec trois de ses amis. Ils commencent d'ailleurs à se faire connaître dans toute leur école pour leurs reprises des plus grands groupes tels Tokyo Hotel ou même BB Brunes. Seulement voilà, Frank ne veut pas se limiter à jouer des morceaux existants, il veut aller plus loin, il veut composer ses propres morceaux. Un jour, il se décide finalement à faire le premier pas vers l'accomplissement de ce rêve. Il prend en main sa guitare, gratte quelques accords, cherche une mélodie,... Il finit par trouver un enchaînement qui lui plaît et décide de le noter à la main pour le faire partager à son groupe.

Malheureusement, notre ami Frank n'est pas très doué pour écrire des partitions et puis cela lui prend tellement de temps qu'il en perd son inspiration. Ce serait tellement plus simple pour lui si il existait une application permettant de retranscrire instantanément les notes jouées sur sa guitare. Il abandonne donc sa guitare pour partir à la recherche de ce logiciel fabuleux. Malheureusement, Frank est étudiant, il à donc peu d'argent... En voyant les prix proposés pour les logiciels de pro, Frank commence à désespérer. C'est là qu'il tombe sur la page des projets IMA4 2019, où un groupe à crée une application libre de droits permettant de faire exactement ce qu'il recherche, à savoir : retranscrire directement sur une partition les notes jouées à la guitare, et ce, simplement à l'aide d'un câble.

Frank a ainsi pu commencer à composer ses premières musiques qu'il partagea avec son groupe. Frank et son groupe ont par la suite connu un succès fou et ont même débuté une tournée à travers l'Europe en 2023.

Frank et ses amis ont ainsi suivi la route d'autres étoiles montantes de leur époque telles Grégoire ou Louane. Cependant, leur histoire s'arrête brutalement en 2032 lorsque Frank tombe dans la drogue suite à d'horribles accusations de plagiat de la part de M. Pokora. Rest In Peace Frank, tu ne seras pas oublié.

Réponse à la question difficile

- Comment faire un traitement de signal efficace avec un micro-contrôleur et une contrainte de temps forte.

Pour répondre à cette question, nous devons préciser plus en détails les paramètres d'acquisition souhaités, en comparaison de ce qui sera posible de faire via notre microcontrôleur.

Le micro-contrôleur que nous avons souhaité sélectionner est le STM3F401CB. Disposant d'un DSP (Digital Signal Processing), il est adapté pour le traitement audio. Sa clock oscille jusqu'à une fréquence de 84MHz.

La fréquence d'échantillonnage utilisée généralement en studio d'enregistrement est de 44.1kHz. Et encore, c'est pour retranscrire au mieux toutes les harmoniques du signal. Nous n'avons pas besoin d'autant de précision car nous souhaitons surtout étudier et récupérer la fréquence de la fondamentale.

Même si nous n'avons pas encore pris le temps de faire des calculs et dimensionnements précis des différents paramètres de notre traitement, on constate bien que l'horloge interne du microprocesseur n'aura aucun problème pour tenir la cadence imposée par la fréquence d'échantillonnage.

A l'échelle humaine, la contrainte de temps est moyennement forte puisqu'il est impossible de faire en dessous d'un certain seuil de notes par secondes (disons des quadruple croches (1/16è de temps) à 200 battement par minute, cela nous donne (200/60)*16 = 53 notes par secondes). Ce qui reste bien en dessous des 84 MHz de la clock. La FFT ne devrait pas avoir de mal à tenir la cadence.

- Comment gérer des instruments désaccordés ou des nuances de jeu ?

Comme notre projet nous permet de reconnaître une large gamme de notes, on peut imaginer ajouter un accordeur de guitare avant de jouer un morceau. JUstement, c'était l'étape intermédiaire que nous envisagions de créer avant de se lancer sur le logiciel de partition en lui-même. Pour s'assurer de la bonne reconnaissance des notes lors du jeu, nous ajouterons alors avant la capture une séance d'accordage obligatoire pour l'utilisateur. Il suffira simplement de comparer la note à des fréquences précises, et indiquer simplement si celle ci est accordée, trop grave, ou trop aiguë.

Une deuxième idée, au lieu de mettre en place un accordeur à chaque fois que l'on veut jouer, serait d'instaurer l'accordeur seulement lorsque le logiciel n'arrive pas à reconnaître trop de notes. L'acquisition du morceau serait alors mise en suspens tant que l'utilisateur ne s'est pas réaccordé.

En ce qui concerne les nuances de jeu, nous pourrions imaginer la mise en place d'un threshold sur l'amplitude des signaux reçus qui nous permettrait de savoir si l'utilisateur joue plutôt fort, s'il y a des crescendo, ... Nous devrons de toute façon implanter cette méthode de threshold pour reconnaître quand une nouvelle note est jouée. Par exemple pour reconnaître le rythme lorsque l'utilisateur joue plusieurs "Do" d'affilée.

Préparation du projet

Cahier des charges

Comme nous l'avons dis auparavant, le but de ce projet est de récupérer les notes et rythmes jouées depuis une guitare électrique pour les traduire en une partition de musique sur un ordinateur.

Pour cela, nous avons besoin :

De récupérer le signal de sortie de la guitare, via son port Jack
De déterminer à quelle note correspond chaque signal, via notre microprocesseur
D'envoyer la valeur de la note à l'ordinateur
Sur l'ordinateur, d'afficher chaque note sur une partition

Cahier des charges :
Fonctions	Objectif	Description	Contraintes	Niveau de priorité
Récupération du signal	Récupérer le signal de sortie de la guitare	La guitare émet un signal de sortie via son port jack, le but est donc de récupérer ce signal sur une carte électronique. Le signal devra être exploitable par la suite, il devra donc passer par un préamplificateur	Le signal récupéré doit être fidèle au signal sortant de la guitare, le bruit ne devra pas gêner son traitement par la suite	Priorité haute
Détermination des notes	Déterminer à quelle note correspond chaque signaux	Notre microprocesseur va traiter le signal pré-amplifié, le bruit va être atténué au maximum, les mesures sont ensuite faites à intervalles régulier, pour chaque signaux, ont effectue une fft afin de comparer la valeur de celle ci à la fft de notes ou d'accords connus	Chaque note doit être lue et reconnue, y compris lorsqu'une même note et joué plusieurs fois de suite, ou que le rythme augmente	Priorité très haute
Envoie des notes vers l'ordinateur	Envoyer les valeur des notes reconnues à l'ordinateur via le port série	Une fois reconnue, on envoie à intervalle régulier les valeurs de nos notes (valeur hexadécimal) sur le port série	L'envoie doit être régulier est implémenté de manière à ce que l'ordinateur reconnaisse un crescendo ou un changement de rythme	Priorité moyenne
Affichage de la partition	Afficher les notes sur une interface graphique	Le programme sur l’ordinateur associe à chaque signal arrivant du port série une note, qui sur la partition aura une position ou un forme précise	Le rythme doit être pris en compte pour retranscrire au maximum le morceau joué, et non une simple suite de note	Priorité moyenne

Choix techniques : matériel et logiciel

Schematic du préampli envisagé

Choix matériels

La majeure partie des matériaux dont nous aurons besoin se composera de composants électroniques. Nous envisagions les composants suivants :

- Le connecteur jack femelle : [1]

- L'ampli OP nécessaire à notre préampli : [2]

- Le microcontrôleur STM32F411 (le F401 n'étant plus distribué sur RS , passons au niveau supérieur !) : [3]

- Connecteur USB : [4]

Les autres composants seront surtout des résistances, capa... CMS et nous ne connaissons pour l'instant ni leurs valeurs, ni leur nombre. Nous avons juste trouvé quelques informations sur l'ampli OP. Nous réaliserons notre PCB au plus vite afin de repasser une nouvelle commande si nécessaire en fonction de ce dont nous avons besoin et des stocks.

Autres :

- Microphone electret et son amplificateur : [5]

Choix logiciels

- Sur le microcontrôleur : Programmation en langage C, à l'aide de librairies FFT trouvables sur Internet : [6]

- Pour réaliser notre logiciel, il nous faudra en partie concevoir une interface graphique et accessible à n'importe quel utilisateur. Nous n'avons pas encore de langage défini en tête mais pensions partir vers du Python ou du C++. Il nous faudra étudier les avantages et inconvénients pour déterminer la solution optimale.

Liste des tâches à effectuer

Ce projet peut se diviser en trois parties distinctes : la conception de la carte électronique, la programmation de notre microcontrôleur et la programmation du logiciel d'affichage.

Conception de la carte :

Choix des composantes
Design de la carte (via Altium / Fritzing ou Designspark)
Impression de la carte
Soudure et tests des composants

Prévoir d'éventuels prototypes défectueux ?

Programmation du microcontrôleur STM32F4 :

Programmation de la partie traitement du signal
Tests (Signaux "simples" puis de plus en plus complexes)
Programmation de la partie envoi sur port USB ou série

Programmation du logiciel d'affichage :

Choix du code/interface
Programmation de l'afficheur de notes
Programmations de la réception et lecture des données du port USB ou série

Calendrier prévisionnel

On estime que la partie traitement du signal sera la plus longue. Cependant, dans ce calendrier, on a supposé qu'on travaillerait en binôme sur chaque partie. Ce calendrier représente donc plutôt les Deadlines à respecter pour chaque partie de notre projet.

Réalisation du Projet

Feuille d'heures

Tâche	Prélude	Heures S1	Heures S2	Heures S3	Heures S4	Heures S5	Heures S6	Heures S7	Heures S8	Heures S9	Heures S10	Total
Analyse du projet	Analyse de la partie carte électronique Question aux enseignants Création d'un premier schéma "papier" puis sur Fritzing Environ 3h	Conception du schématic sur Altium Premier choix des composantes centrales de la carte 4h

Prologue

Avant de commencer notre projet, nous avons contacté Mr Boé pour éclaircir certains points à propos de la partie électronique.

Nous avons discuté une bonne heure pour qu'il puisse répondre à nos questions, nous permettre de trouver un point de départ et nous expliquer plus en détails l'intérêt des différentes pattes du microcontrôleur.

On a ainsi pu mettre en place un schéma "initial" présentant les différents composants qui nous seront utiles pour la conception. On nous a notamment conseillé de concevoir la carte de manière à pouvoir la déboguer facilement, et également de prévoir plusieurs alternative au signal d'entrée (prise Jack ou micro) et de sortie (USB ou port série). Nous avons envisagé la possibilité de modifier facilement les résistances, pour éviter de dé-souder et re-souder par dessus, ce qui pourrait à la longue endommager notre circuit. Cette possibilité de disposer "d'alternatives" à notre circuit nous fait peut-être perdre du temps de routage et de la place sur notre carte, mais nous facilitera grandement la tâche en cas de "défauts" dans le traitement des signaux.

Semaine 1

Lors de cette première semaine, nous avons commencé à créer le schematics de notre carte électronique. Chez nous, nous avions déjà réfléchi à certains choix de composantes (microcontrôleur, filtre, alimentation,...) mais nous l'avions implémenté sur Fritzing car beaucoup de nos composantes été déjà présent dans la bibliothèque de base. Finalement, lors de cette séance, sous avons commencé à travailler avec Altium.

Nous avons commencé par importer des bibliothèques correspondant à nos composantes connues actuellement, soit :

Un microcontrôleur STM32F411RET6 [7]
Un micro electret [8]
Un filtre passe-bas MAX7401ESA+ [9]
Un amplificateur OPA344UA
Une prise jack femelle 6.35 mm

Nous avons ainsi commencé à placer les composants autour de notre microcontrôleur, en commençant par l’alimentions via le port USB, le boot0, le reset, les leds test et le débug, et nous avons finit par l'amplificateur en entrée.
En amont de cet ampli nous placerons le micro et la prise Jack (à connecter par la suite au choix grâce à des fils), puis en aval, nous placerons le filtre. Il nous reste également à placer le quartz (p84 datasheet).

IMA4 2018/2019 P73

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