【工程与计算机】编程X艺术:听歌识曲

近年来,美国大学的计算机(Computer Science, CS)和电子工程(Electrical Engineering, EE)专业录取要求随着申请人数的增加逐渐水涨船高。但另一方面,国内的相关工程教育却基本是缺位的。为了弥补这种差距,陈欣老师在过去的几年里,通过我们的规划项目辅导了一批学员。通过身体力行的学习利用专业知识解决生活中的问题,他们走出了自己的舒适区。事实证明,学校对这份努力也是相当认可的。

为了帮助到更多的人,陈欣老师在此整理一些往年的成功项目经验,并同简化过的项目源代码一道与大家分享。希望能够抛砖引玉,给同学们一些思路和帮助,为之后的申请助一臂之力。毕竟短期看,CS/EE是在美国本土就业的捷径,能够较为迅速的收回教育投资;长远看,CS/EE的相关技能也能在诸多行业里起到点石成金之效。

问题

AADPS的一位学员恰巧正在同时自学吉他和编程。作为一名初学者,他遇到的一个很大的困难就是很多网上的视频教程没有对应的曲谱。在一番思索之后,他觉得可以利用编程知识,为自己开发一个趁手的专业工具,通过分析音乐音频的方式自动生成对应的曲谱。

工具

Java

Java是一种基于类的面向对象通用编程语言。藉由虚拟机技术,编译好的Java程序可以直接在不同的计算机平台上运行。目前Java是最流行的编程语言,是几乎所有类型的网络应用程序的基础,也是开发和提供嵌入式和移动应用程序、游戏、基于Web的内容和企业软件的全球标准。

TarsosDSP

TarsosDSP是一个用于音频处理的Java库,其目标是为实用的音频处理算法提供一个易于使用的纯Java接口并免去对第三方包的依赖。在设计上,TarsosDSP力图在有能力完成实际工作和足够简明以演示数字信号处理(digital signal processing, DSP)算法之间达到一个平衡。内置的算法包括打击乐音符起始检测器(percussion onset detector)、一系列音高分析算法、Goertzel双音多频解码算法(Goertzel DTMF decoding algorithm)、时域拉伸算法(time stretch algorithm)、重采样、滤波器、简单合成器、音效和变调算法。

JFreeChart

JFreeChart是一个纯Java绘图库,让程序员可以在他们的应用中嵌入专业级的图形。绘图库有一致且被充分说明的接口,支持数十种不同的图表类型,以及输出到应用程序界面、图形文件和矢量图文件的能力。

Eclipse


Eclipse是日前最流行的Java集成开发环境(integrated development environment),由一个基本的工作空间和一个发达的可定制插件系统组成。Eclipse本身也由Java编写,其前身由IBM公司的团队开发,但很快就成为了一个完全开源的项目,由非营利的Eclipse基金会主导。对于本项目,可以使用Eclipse标准版

原理

线程

线程(thread)是操作系统能够进行运算调度的最小单位。通俗的说,我们在计算机上执行的每一个程序,称为一个进程(process),而进程的实际执行则会派生出至少一个线程。同一进程中的多条线程将共享该进程中的全部系统资源,但线程会有自己的调用栈、寄存器环境和本地存储。

对于目的比较简单的程序,单线程模型是完全没有任何问题的。但是对于进行实时多媒体处理的程序,或是需要与用户进行直接且复杂交互的程序,多线程的设计模式就极有必要了。举一个最简单的例子,如果把在屏幕上不断刷新数据的操作和从文件系统里读取数据的操作放到一个循环里,一旦文件系统由于负载较大或者文件被占用的情况而无法及时完成读取,数据的更新也会一并中断。因此较为合理的思路是把这两类操作放在各自的线程里,在正确设计的前提下,它们就能并行不悖的完成各自既定的使命,不让用户有程序失灵的感觉。对于早些年单CPU的情形,不同的线程将轮流分配到CPU的计算时间。但对于现在基本已经普及的多核CPU或者实现复数逻辑处理器的Intel超线程(hyper-threading)技术,不同的线程是可以同时并行运行的。这也是单个程序能充分利用多核CPU计算资源的主要途径。

Java线程


上图展示了一个Java线程的生命周期(life cycle)。在我们自己的程序里,用UpdatePlot这个子类实现了Runnable这个接口。具体而言,唯一需要重写实现的函数是public void run(),即是线程所实际执行的内容。之后在程序实际运行时,则用UpdatePlot的一个实例myPlot来启动线程new Thread(myPlot).start()。注意在设计中非常重要的一点是,对于线程中持续不断的循环或者耗时较长的操作,一般需要定期调用Thread.sleep(time)来将本线程暂时中断。此时操作系统即能将线程挂起,把CPU资源释放给其他需要执行的线程。如果没有加入中断操作或在此处有一些不理想的设计,很容易造成线程占用全部CPU核的情况,但这在大部分时候是没有必要的。

对于Java本身来说,设计上是不推荐直接从外部终止线程,而会希望run()函数执行完既定工作并自己正常结束。示例代码里通过myPlot来派生线程进行图表数据的定期更新。但事实上所使用的TarsosDSP库同样会内部派生用于音频处理和回放的线程,下面提到的Java图形界面库还会派生用于处理GUI事件的线程。

图形用户界面

顾名思义,图形用户界面(Graphical User Interface, GUI)是相对于早期终端命令行界面(Command Line Interface, CLI)而言更加友善的人机交互模式,也是现在个人电脑普及的最重要因素。图形用户界面可以让用户直观的通过鼠标甚至触屏与屏幕上的可视化元素互动。当然为实现这一目标,无论是在硬件上还是软件上都提出了更高的要求。

Swing

Swing是目前Java最主要的图形组件库(GUI widget toolkit),基于更早的awt(abstract window toolkit)之上、但纯粹由Java实现而非利用本地操作系统所提供的图形组件。这些特性让采用Swing的程序可以更加方便的跨平台运行,且系统里还内置了一些主题,让组件的风格可以与本地系统大致保持一致。

相对于其他一些采用标记语言的GUI解决方案(比如微软早年的MFC和新的WPF乃至UAP,以及安卓和苹果应用开发),Swing则采取了相对而言比较抽象、但不引入额外成本的基于组件嵌套的设计模式。一般来说,程序员不会精确设定每个组件的实际坐标,而是将这一任务托付给系统的布局管理器(layout manager)。以下是我们用到的一些重要Swing组件:

  • JFrame:通俗的说就是我们运行程序时见到的窗口。注意窗口本身其实是和程序的执行没有关联的,但在setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE)以后,关闭该窗口也意味着终止程序。
  • JPane:是加载图形组件的容器,也可以嵌套子容器。对于复杂的布局,我们需要利用容器的组合来实现所期待的效果。其他还有JScrollPane、JSplitPane、JTabbedPane等来实现滚动条、分屏、标签页等效果。
  • BorderLayout:因为我们的窗口相对简单,所以只用到了这个最基本的布局管理器。可以把组件/容器安插到布局管理器预制的各个槽位里。在程序运行时,布局管理器将会根据窗口的实际大小来调整各组件/容器的大小。其他的布局管理器还有BoxLayout、GridLayout、FlowLayout等,下图展示了它们的效果。
  • JRadioButton:单选按钮。在程序里组合起来用于选择输入音源。
  • JCheckBox:复选框。在程序里用于确认是否回放。

当然,我们的图表本身也会生成ChartPanel来插入到上级的JPane里。

事件与监听器

之前已经大致说明了如何用图形组件组合成为应用的用户界面。不过用户界面的最重要一点就是响应用户输入的能力。事实上,相当大一部分Swing组件是可以接受事件(event),并注册动作监听器(ActionListener)来进行对应的处理。事实上awt本身就是一直在执行一个不间断的循环,不断获取用户的交互事件并执行对应的监听器。

对于组件内嵌在主类里的简单程序,直接用监听器一般就能执行期望的操作。但我们的应用里是把音源选择的部分单独封装成一个类。这个类和主类的组件间通讯是通过firePropertyChange和对应的PropertyChangeListener来实现的。

主音高检测

主音高检测其实是一个相对复杂的数学问题,在这边仅做一些定性的、概念上的说明。对于一般乐器实际的发音过程,是由和所演奏音符一致的基频以及一系列以基频为整数倍的倍频所组合而成。基频和倍频的独特组合比例从人的主观感受上来看就是乐器的音色。获取音乐的主音高,就是要在排除倍频和音乐中其他干扰的前提下,把这个基频的频率确认出来。

获取基频的主要方式有两大途径。对于频域(frequency domain)途径主要的思路是将波形进行傅里叶变换(Fourier transformation),直接分解成由不同频率简谐波所组成的频谱,再通过基频倍频之间的比例关系推算出基频。对于时域(temporal domain)途径主要的思路是利用自相关函数(autocorrelation function)提取出声音波形里有效的周期性信息作为基频。两类方法各自适用于不同的情形,在实际应用中也有将它们组合起来的做法。

我们当前采用了基于时域的McLeod法(McLeod Pitch Method, MPM)。比较有意思的地方在于归一化方差函数最大值阈值k的设定,以及方差函数计算的优化,有兴趣可以细读这篇论文

示例


上图展示了项目源码实际执行的场景。在选择对应的音源输入后,分析器就自动开始工作。对于笔记本一般可以选择内置的麦克风,而台式机可能需要外接麦克风或者带麦克风的摄像头。下面可以勾选是否回放麦克风的输入,如果只有外放而没有耳机的话,建议关闭这一选项。

窗口中部和底端的两张实时绘制的折线图分别展示音强(loudness)和主音高(pitch)随时间的变化,单位是分贝(dB)和赫兹(Hertz)。

思考

  1. 如何根据音强和主音高的数据生成曲谱?
  2. 在实际分析音乐时,数据会因为各方面的干扰和音乐本身的特性有一定的波动。如何在硬件和软件层面排除这些波动?
  3. 如何处理并正确分解和弦?
  4. 如何在分析一段音频后能迅速在一个曲库中找出对应的乐曲?

以上就是我们今天分享的案例,欢迎大家登陆网站后下载项目源码,通过实践来加深理解。简单的疑问可以评论在文章下,陈欣老师将会在有空时予以解答。如果对我们的服务项目感兴趣,希望获取陈欣老师一对一指导的,可以加上老师的私人微信zipspeed。

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每天学写留学文书 1月16日

easier said than done

释义:“说来容易做来难”,这一习惯用语常常用于在留学文书中体现学生在实际操作中遇到的困难和障碍,以及它们的最终解决。

例句:
Several nurses have testified that this requirement is easier said than done within the sociocultural restraints often experienced in health care institutions.
The state is discovering that making health insurance mandatory is easier said than done.

康涅狄格大学(University of Connecticut)院校指南

校志

康涅狄格大学是一所公立研究型大学,它于1881年成立于曼斯菲尔德镇的斯托斯(Storrs),它是新英格兰地区的旗舰校,同时也是“公立常春藤大学之一”。起初,学校以首位土地以及资金捐赠者(Charles Storrs和Augustus Storrs两兄弟)的名字把学校命名为斯托斯农业学校(Storrs Agriculture School),1893年,学校成为州土地捐赠校,名字也变更为斯托斯农业学院(Storrs Agriculture College),也是在这一年,学校正式录取女性学生。在这之后,学校名字又经历了3次变更,分别是1899年的康涅狄格农业学院(Connecticut Agricultural College),1933年的康涅狄格州立学院(Connecticut State College),到最终1939年的康涅狄格大学。直到1940年,学校才第一次划分出了独立的学院,同时社会学院以及护理学院在这一年相继成立,研究生项目也在这一年开始招生,法学院以及兽医学院并入到了学校的系统中。1949年,学校第一次为学生颁发了博士学位。上世纪60年代,学校在法明顿(Farmington)成立了医学院和牙医学院,而附属于学校的John Dempsey医院也于1975年在法明顿建立。1995年,由州政府资助的UConn 2000计划被立法机构通过并成为了一项法律条款,这项10年计划总计花费10亿美元用于更新学校设施,增加员工人数以及其他改善学校环境的事务上。2002年,为了继续推进该计划,州政府又一次拨款13亿美元作为下个10年计划的经费,而这项新的项目被称为21st Century UConn。2012年,作为康涅狄格州生物科学项目的一部分,Jackson实验室(一个独立的、非营利性的生物医学研究机构)决定把价值11亿美元的基因组医学实验室设立在法明顿校区。2013年,州政府继续为学校的下一个10年计划——Next Generation Connecticut拨款17亿美元用于加强学校的基础建设,雇佣教员以及提高学校的STEM(科学、技术、工程以及数学的英文首字母缩写)水平上。

生活

学校占地17.8平方公里,距离康涅狄格州首府哈特福德半小时车程,距离波士顿仅90分钟车程。由于学校坐落在乡村,所以校园内的各种设施以及能源基本上都是自给自足的。2005年建立的热电厂基本满足了学校的供电需求,而产生的废气还会被中央供热系统重新利用,同时,学校还有自己的供水系统以及废水回收设备。在越来越多的州工业领袖支持下,学校站在科技前沿,积极利用燃料电池技术开发清洁的可持续能源。2012年,学校在Depot校区建立了燃料电池发电厂,为学校的制冷和供暖提供了清洁、有效的能源,达到了环保的目的。学校最近为减少碳排放量做出的贡献还包括建立了PureCell系统,并且构建了一个可持续发展的社区。在燃料电池发电厂的鼓舞下,学校通过清洁能源资金和投资机构拿到了联邦经费。

学校提供传统类型的宿舍,但是也有公寓以及套间类型的宿舍可选。宿舍有电视、高速的网络、游戏室以及学习室等设施,住在这里你就会爱上这里,学校的学生入住率在全国高校中位于前列,而且几乎所有的宿舍楼都是男女混住的。学习社区和特殊兴趣宿舍为学生们提供了与志同道合者共同生活的环境,比如STEM专业的学生以及荣誉学生在这里总能找到和自己有共同兴趣的人。学校有8个餐厅,5个咖啡馆,还有1个美食广场,所以你在校园的任何角落都可以享受到钟爱的美食。学校基本上提供的都是当地的应季食物,Spring Valley学生农场也会为学校的一日三餐提供有机农作物。无论你想在博物馆消磨时间,还是只是想放下书本,上外面透口气找点好玩的事做,学校都会尽力满足你的需求。这里有5个剧院,每年都有知名的艺术家来此演出,它是全国仅有的两所有木偶表演专业的大学之一 ,并且和纽约大都会歌剧院是独家的教育伙伴关系。

学校有将近700个学生组织,内容涵盖了艺术、宗教、体育、政治、文化、商业、环保以及社区服务等方面。学生活动参与办公室(Student Activities Involvement Office)是这些组织的监管部门,同时它也为这些组织提供支持,比如说建团指导,注册服务,提供资金和活动场地,发展领导力机会等。商业领域内的组织就多达22个,比如任何学生都可以参加的ALPFA,该组织致力于为学生寻找实习机会,并帮助学生们掌握领导力以及以后就职所需的技能。Business Management Society会邀请商界领袖到校演讲,分享他们在建设团队以及解决实际商业问题时的心得。在文化方面,学校不仅有非裔美国人文化中心、亚裔美国人文化中心,还有LGBTQ(彩虹中心)以及女性中心,为学生们营造多元文化的环境和氛围。学生们还可以加入到各种各样的社区服务中来,Community Outreach不仅有一次性的志愿者服务项目(通常是1天或者几天),能够使时间紧张的学生也有机会参与和体验,同时也有长期的服务项目(最短一学期),使学生能够深入参与到当地健康、公共事务以及教育的活动中去。

学校是全国大学体育协会(NCAA)甲级联赛的成员,同时也是东部十大联盟(Big East Conference)创始成员之一。它为各个领域的专业运动队输送过不计其数的人才,包括效力于NBA、WNBA、美式橄榄球联盟(NFL)和美职棒联盟(MLB)等职业球队的明星球员。学校最知名的运动队是男子和女子篮球队,这两支球队被认为是全国最好的大学生篮球队。男子篮球队共获得过4次全国冠军,女子篮球队共获得过11次全国冠军。橄榄球队在2002年加入了Football Bowl Subdivision(FBS),虽然该校队历史悠久,在1896年就组建了,但是后劲一直不强,不过在加入FBS后,它成为了进步最快的球队。学校其他比较强势的运动还有足球、棒球、冰球、赛艇、体操等。

学术

康涅狄格大学图书馆是州内公立研究藏书量最大的图书馆,其中主图书馆Homer D. Babbidge位于校园的中心。Babbidge图书馆大量的藏书以及其资金投入,使其一直位列全美最好的大学图书馆之一。图书馆有多达250万册书籍,2500本近期学术期刊,3万5千册电子期刊,280万个微缩胶卷,18万册地图(图书馆的地图及地理信息中心是新英格兰地区搜藏公共地图最大的机构)以及上百万册电子书。除了主图书馆之外,学校还有音乐图书馆、医药图书馆以及Thomas J. Dodd研究中心,该中心用于存放学校档案以及一些特殊藏品,比如学校的报告、珍本、手稿等。其他校区还有它们自己的图书馆,这些图书馆与Babbidge图书馆共享资源。

学校有14个学院,它们为本科生提供110多个专业,而最受本科生欢迎的专业有商科、管理、市场营销及相关支持性服务专业,健康专业、社会学专业,生物和生物医学专业,以及工程专业。本科生可选的9个学院当中,最大以及最多元化的是文理学院,这里不仅有理科专业,也有社科人文类专业可供选择,学生们在这里体验到的是世界性的文化,掌握的是最前沿的技术,而学院也致力于培养有独立思考能力、终生学习能力以及社会责任感的人。学院提供的课程超过了学校所有课程的一半,无论你是物理学专业、心理学专业还是法语专业的学生,你都会在世界知名专家的讲授下,学习到本领域内最深层次的知识,同时在这个日新月异的社会中掌握职场所需的各种技能。学院每年还会提供4千万美元的研究经费,每天都有研究方面的新发现,比如说开发气候变化模型用于预测未来的天气,揭露全球范围内的侵害人权事件,或者写一本关于真相的意义的书籍。这些研究不仅会激发学生们的动力,更会对学院的学术氛围产生积极的影响。

商学院成立于1941年,它的信条是“在做事中学习”。学生们通过案例分析、商业竞赛以及参与咨询项目学习真实商业世界中将会面临的挑战。学院的课程设置也以创新的体验式学习结合传统的课堂教学模式,来填补理论与实践之间缝隙。具体来说的话,学院会通过3个部门来达成这一目标,这3个部门分别是:Connecticut Center for Entrepreneurship and innovation,集中有影响力的资源关注于基本的人类及环境问题, 鼓励和支持女性创业。Sustainable Community Outreach and Public Engagement,与其他部门不同的是,该部门主要关注学生和项目,它与各大公司以及非营利性组织合作,用商业视角提升合作方持续、有效的发展,它的使命非常明确,它关注的不是培养非盈利性组织内的管理者,而是招纳那些想要在私营或者公立部门有所发展,或者想要改善他人生活条件的学生,培养他们成为商界的领袖。最后一个是Student Managed Fund,它为学生们提供投资以及资金管理方面的实操经验,资金管理人团队共有两支,一支是本科生团队,一支是MBA团队,两支团队分别由10至12人组成,共由一个资金经理人、一位教员以及一位外部聘请的有丰富投资经验的指导员来监管。

工程学院通过3个简单但是强有力的标准来实现自己的目标,其一,保证学生获得成功;其二,生产并传授知识;其三,在康涅狄格州及之外产生经济影响力。在短短的几年中,工程学院取得了非常大的进展,学生人数成倍地增长,有计划有策略地雇佣各领域内的精英成为其教员,与世界级的工厂、国际化研究机构以及政府机关合作等,这些进步都表明工程学院正处于一个黄金时期。学院在课程选择、未来职业发展方面为学生们提供各类服务,比如高年级、资历深的本科生会帮助新生在科学、数学以及工程课程中选课(Tutoring),Academic Achievement Center会在学生的学业以及个人目标方面给出全面的建议,并提供各种项目、资源以及服务来培养他们的专业技能。如果学生所在的专业有海外学习的要求,那么他们必须提前做计划,并提前了解在海外所学的课程是否可以转换学分,学院的建议是在海外学习期间尽量多选择通识课程,这样转换学分的可能性会大一些。

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每天学写留学文书 1月15日

long and winding

释义:“蜿蜒起伏的”,可以是实指,也可以在留学文书里用来形容学术道路的漫长艰辛。

例句:
I passed down a long and winding staircase, requesting him to be cautious as he followed.
His intellectual journey led him on a long and winding path that eventually ended at the autonomic nervous system.

选学校的时候,到底应该是优先看整体名声,还是着重在专业这一块呢?

最近陈欣老师在咨询时候,又碰到学生和家长问到这个有点老生常谈的问题。如果能遇到鱼与熊掌兼得的选项,自然是上上之选,但是基于主观和客观的因素,在留学申请的时候总有这样或者那样的遗憾。学校A综合排名较高,在中国是广为人知的名校,但是感兴趣的专业可能历史不长或者泯然众人;学校B的相应专业则在美国有口皆碑,但之前可能没怎么听说过(普渡的工程、印第安纳的商科、密苏里的新闻是几个信手拈来的例子)。二选一的话,都有哪些考虑呢?

陈欣老师认为,对于美本留学而言,一般会优先考虑名声更响亮的学校。美国著名市场营销专家特劳特(Jack Trout)的定位理论表明,人们的心智容量并没有通常想象得那么大,通常只能记住同一领域的佼佼者。譬如提到国内的大学,肯定所有人的第一印象就是北大清华,最近爆出来的炫富律师张晴虽然只是成教文凭,也一直主打北大毕业的牌子。的确,对于刚毕业进入职场的新鲜人,必须承认毕业学校是个人品牌不可或缺的背书。在回国求职时,审核简历的人事人员是否了解毕业院校;在竞争一些对外公示的重要岗位,教育资历是否能给公司带来利益……这些都是非常现实的问题。另一方面,大部分申请美国的孩子在实际就读的时候都有因为兴趣转变或者不适应而调换专业的可能,而名校对于各专业的平均水平也是能有一定保证的。

那么,哪些学校相对来说可以算作名校呢?最顶级的应该可以说是常青藤外加两所理工。退而求其次的话,则是其余的前十大学、前三十里以常见地名命名的大学以及名字对中国人朗朗上口的大学。从这个角度看,莱斯(Rice University)和纽约大学(New York University)要赚不少便宜,而我自己的母校约翰·霍普金斯(Johns Hopkins University)和西北大学(Northwestern University)则要稍稍吃一些亏。

当然,如果希望在美国直接工作或者考博士,则有必要考察一下专业的优劣。比如说能够录取卡内基梅隆的计算机专业或者纽大商学院,可以确定已经基本拿到了在美国就业的金饭碗。如果有志于我自己当年从事的凝聚态物理研究,伊利诺伊香槟则是上上之选。这些学校强势专业的课程设置各有独到之处,严谨的训练能为日后在职场和研究领域的发展打好坚实的基础。此为,相较于各方面优势资源都集中于大城市的中国,立国以来就以联邦制为本的美国要更加去中心化。如果对地点有特殊考量的话,需要意识到本地的雇主对当地的州立大学和主要私立大学一般会有偏好,威斯康星麦迪逊(University of Wisconsin, Madison)和华大西雅图(University of Washington, Seattle)是很好的例子。

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每天学写留学文书 1月14日

keep [sb.]/[sth.] in check

释义:“保持对……的约束”,一般在留学文书中形容克服某个自身缺点,或在项目中控制某项负面因素。

例句:
The news kept Wall Street in check, as traders considered their options.
He had a hard time keeping off the pounds and keeping his type 2 diabetes in check.

每天学写留学文书 1月13日

take the initiative

释义:“采取主动”,后接未经他人指示而自主进行的活动或承担的职责,常在留学文书中用来体现求知欲和领导力。

例句:
We both have a tendency to wait for the other person to take the initiative with some of the bigger decisions.
I couldn't watch TV anymore and took the initiative to volunteer at Chelsea Piers, the Jacob Javits Center, and at the Ground Zero site.