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Logiciels de détection de clés musicales au banc d'essai
Symphonie en Mi mineur, ballade en Ré majeur... les compositeurs classiques conçoivent depuis toujours leur musique en respectant des normes musicales. C'est toujours le cas aujourd'hui pour peu que nos artistes actuels aient toujours le talent d'antan.
Dans cet article, on va chercher à déterminer la clé de certaines chansons. Ce travail préalable permet de mixer des musiques qui se ressemblent et qui forment un tout harmonieux. A défaut de pouvoir le faire avec ses propres oreilles, l'emploi d'un logiciel automatique peut s'avérer utile.
C'est ce que nous allons voir ici en comparant quatre logiciels gratuits.
Plan de l'article
- Compréhension de la note et de la gamme
- Mix harmonique
- Présentation des logiciels
- Conditions de réalisation du test
- Résultats partiels
- Le grand gagnant est...
- Contrôle humain des résultats
Compréhension de la note et de la gamme
Des notions de musique ont déjà été abordées dans un précédent article. Reprenons ici celles qui nous intéressent.
La note ("key" en anglais) est la tonalité principale d'une chanson. C'est la note sous laquelle la chanson "sonne de base". De plus, avec l'emploi d'une gamme majeure ou mineure, cette note permet d'identifier toutes les autres notes autorisées à jouer sur l'ensemble du morceau.
La gamme représente un ensemble de notes qui peuvent être jouées ensemble, et donc qui sonnent bien une fois réunies. On distingue très souvent la gamme majeure et la gamme mineure. C'est d'ailleurs à ces deux gammes qu'on se restreindra.
Concrètement, si vous jouez une gamme en La Mineur, alors vous ne pouvez utiliser que les notes marquées d'un petit triangle sur le piano suivant. Autrement dit, seulement les touches blanches :
Si par contre vous jouez en La Majeur, alors les notes autorisées ne sont plus les mêmes. Vous avez désormais la possibilité de jouer certaines notes noires :
Enfin, si vous jouez en Do Majeur, alors vous remarquez que vous avez les mêmes notes autorisées qu'en La Mineur ! Cette particularité est celle que nous allons exploiter pour mixer harmonieusement.
Si vous souhaitez acquérir ce piano virtuel, il est disponible gratuitement sur ce site.
Mix harmonique
Conditions
Pour qu'un mix sonne bien, il est important que les chansons soient compatibles entre-elles. Plusieurs critères sont importants :
- Genre : on ne mélange pas du classique avec de la house, ou du rap avec de la techno. Certains genres sont assez similaires pour permettre des passerelles, comme entre la deep house et la progressive trance. Le genre est très souvent identifiable par une plage de tempo (BPM) et par une écoute brève de la chanson.
- Rythme : si les chansons n'ont pas le même tempo, il faut l'ajuster en appliquant un coefficient (voir table de conversion). L'idéal est de ne pas dépasser +/- 2%.
- Clé : la compatibilité des notes permettent aux chansons de se superposer ou non selon certaines tolérances. Le but du jeu est que les notes d'une chanson ne viennent pas compléter celles de l'autre afin de créer une gamme qui n'a plus rien à voir.
- Remarque : lorsque le tempo est modifié, la fréquence varie, tel un effet Doppler. La plupart des platines et logiciels modernes sont équipés d'un correcteur harmonique (master key) qu'il convient de posséder et surtout d'activer. Ainsi, la modification de la vitesse ne fera plus paraître votre musique comme un remix du groupe Scooter.
- Arrangement : au-delà des critères précédents qui sont gérables, si votre chanson n'est pas intrinsèquement "au bon format", il vous sera impossible de mixer dans de bonnes conditions. Ce peut être des problèmes sur la structure des mesures ou sur le positionnement décalé des percussions.
Roue de Camelot
Pour classer les musiques selon leur constitution spectrale, une notation anglo-saxonne est retenue :
- La note porte une lettre allant de A (La) à G (Sol).
- Elle est suivie d'un dièse ou d'un bémol pour marquer le demi-ton (c'est-à-dire l'espacement entre deux notes consécutives du clavier), respectivement supérieur ou inférieur.
- On ajoute enfin un "m" en minuscules si la gamme est mineure. Elle est par défaut majeure.
On obtient par exemple "A#m" pour un "La dièse mineur". Cependant, il n'est pas aisé de lire que A#m est compatible spectralement avec Fm (Fa mineur). Par conséquent, chaque note correspond à un code allant de 01A à 12B.
Avec cette codification, deux codes de Camelot sont compatibles si :
- Seule la lettre change
- Seul le chiffre varie de +/- 1
Par exemple: 03A est compatible avec 02A, 04A et 03B. Le tableau suivant résume la codification harmonique de la roue de Camelot qui est utilisé par tous les logiciels de mix :
| Valeur | Notation | Alternative | Camelot |
|---|---|---|---|
| Do majeur | C | C | 08B |
| Do dièse majeur | C# | Db | 03B |
| Do dièse mineur | C#m | Dbm | 12A |
| Do mineur | Cm | Cm | 05A |
| Ré majeur | D | D | 10B |
| Ré dièse majeur | D# | Eb | 05B |
| Ré dièse mineur | D#m | Ebm | 02A |
| Ré mineur | Dm | Dm | 07A |
| Mi majeur | E | E | 12B |
| Mi mineur | Em | Em | 09A |
| Fa majeur | F | F | 07B |
| Fa dièse majeur | F# | Gb | 02B |
| Fa dièse mineur | F#m | Gbm | 11A |
| Fa mineur | Fm | Fm | 04A |
| Sol majeur | G | G | 09B |
| Sol dièse majeur | G# | Ab | 04B |
| Sol dièse mineur | G#m | Abm | 01A |
| Sol mineur | Gm | Gm | 06A |
| La majeur | A | A | 11B |
| La dièse majeur | A# | Bb | 06B |
| La dièse mineur | A#m | Bbm | 03A |
| La mineur | Am | Am | 08A |
| Si majeur | B | B | 01B |
| Si mineur | Bm | Bm | 10A |
Cette table n'est exploitable qu'à la condition d'être en mesure de pouvoir trouver la clé et la gamme d'un chanson. C'est donc ce qui va nous intéresser par la suite.
A moins d'avoir l'oreille absolue ou une grande expérience de la musique, mais aussi pour gagner du temps, vous devrez être aidé par un logiciel. Il en existe plusieurs et aucun n'a mieux la réponse qu'un autre. L'idée est donc de passer un test grandeur nature de façon à comparer les résultats donnés par différents logiciels gratuits.
La gamme est strictement identique lorsque la lettre change. Par conséquent, il se peut que les logiciels se trompent. En vous disant "Ré mineur" (07A), il se peut que ce soit en fait un "Fa majeur" (07B). C'est problématique, car si le logiciel pense que la chanson est 07B (mais 07A en vrai), alors elle n'est pas mixable avec une chanson 08B.
Présentation des logiciels
VirtualDJ 7.4 ("VDJ7") et 8.0 ("VDJ8")
Ce logiciel commercial est disponible sur son site officiel. Si vous ne disposez pas d'un contrôleur MIDI à la maison et si vous ne gagnez pas d'argent grâce à ce logiciel (via des prestations de DJ par exemple), la licence du logiciel vous autorise à l'utiliser gratuitement.
Il se décline en deux versions. La version 7 est la version historique stable. La version 8 sortie le 22 mai 2014 est une refonte intégrale du produit incluant des algorithmes remis à jour. Pour les avoir testées toutes les deux, la version 8 m'est totalement inutilisable dans la pratique en raison d'un son saccadé et saturé. L'installation n'a servi temporairement que dans le cadre de ce test (et quel résultat !).
À la base, VirtualDJ est un logiciel de mix sur ordinateur. Les platines sont contrôlées à distance à l'aide d'un matériel périphérique connecté par USB. Toute la puissance est celle de l'ordinateur et elle permet d'obtenir des résultats sophistiqués.
La détection de clé dans la version 7 est vraiment basique, car la gamme n'est pas détectée. C'est une fonctionnalité manquante, car la seule connaissance de la clé ne permet pas de vérifier l'adéquation harmonique du son. Ceci est résolu dans la version 8. Dans les deux cas, l'information est détectée assez rapidement (compter 1 seconde pour 15 secondes de musique), puis mémorisée dans un fichier XML.
Pour les autres fonctions générales du logiciel, l'outil est plutôt complet. La détection du BPM est rapide, précise et toujours exacte. Dans la version 7, on peut regretter une gestion très médiocre de la mémoire et la faible qualité de certains effets. Dans la version 8, les nouvelles fonctionnalités sont une rupture avec ce qui se faisait par avant.
L'exercice a été fait plus tard avec VDJ 2023 et les résultats sont dans l'ensemble quasiment identiques à VDJ8.
KeyFinder 1.25 ("KF")
Ce logiciel open-source a été développé dans le cadre d'un Master of Science par son auteur. Celui-ci met d'ailleurs son document scientifique à disposition et il est très intéressant à lire pour comprendre le fonctionnement et les limites du logiciel.
La fonction de détection de clé est basée sur la transformation rapide de Fourier. L'atout principal de ce logiciel est la détection extrêmement rapide de la clé. De plus, toute l'analyse se fait en mémoire : il n'y a pas besoin de convertir des fichiers pour accéder au résultat.
Par ailleurs, ce logiciel contient une fenêtre de représentation spectrale sur un piano-roll. Il est donc nettement plus facile de voir les notes d'une chanson avec KeyFinder qu'avec SOX ou Edison. L'affichage est épuré et on repère facilement les plages de temps où la note est modifiée.
Pour faire un hors-sujet, la commande suivante permet de tracer le spectre d'un fichier MP3 en utilisant LAME et SoX (via l'algorithme de transformée de Fourier discrète). L'utilité ?
Rapid Evolution 3 bêta 58 ("RE3")
Ce logiciel open-source n'est plus maintenu depuis 2012 (il n'y a que le nom dans l'évolution rapide). La version 3 est disponible sur son site officiel en tant que beta, c'est-à-dire qu'elle est utilisable mais pas tout à fait finie pour autant.
La force de ce logiciel est d'être intégré à pas mal de services de tag. En ajoutant votre bibliothèque, il recherche des informations concernant les chansons et les stocke dans une bibliothèque réutilisable. Il est possible de préparer ses mixes en double-cliquant sur vos fichiers et vous avez directement accès aux chansons compatibles.
Le logiciel écrit en Java reste néanmoins très (trop ?) lourd. Il n'est pas aussi performant que les autres logiciels. Son lecteur intégré peut saccader sur des ordinateurs peu puissants. On peut regretter aussi une forte activité du disque dûr, car les fichiers doivent être convertis en WAV avec FFmpeg avant de passer à la moulinette. De plus, les données finales sauvegardées prennent plusieurs centaines de mégaoctets.
Conditions de réalisation du test
Le test ne vise pas à vérifier quel logiciel dit juste dans la mesure où la bonne réponse n'est pas connue pour le moment. Le test en oreilles réelles fait l'objet d'un paragraphe séparé à la fin. Si le résultat est correct, alors chaque logiciel doit s'accorder pour donner la même réponse malgré une divergence d'implémentation de la solution.
La bibliothèque utilisée pour le test contient 707 chansons "DJables". Chaque logiciel analysera chaque fichier et le résultat sera consigné manuellement dans un fichier Excel :
A l'issue de ces mesures, les résultats seront rapprochés les uns les autres afin de voir les tendances dégagées par chacun des logiciels.
Résultats partiels
Répartition des clés détectées
Pour évaluer la représentativité de l'échantillon, on peut observer la répartition de la clé de base détectée. Les résultats varient beaucoup selon le logiciel utilisé :
En prenant en compte la gamme détectée, on a la répartition suivante :
Détection de la clé
Ce graphique représente le nombre de fois où la clé de base a été unanimement reconnue :
Pour 1 cas sur 3 seulement, tous les logiciels tombent d'accord. Ce résultat est partiellement imputable à VirtualDJ dans la mesure où la version 8 donne les mêmes résultats que la version 7 dans un cas sur deux environ :
Dans la matrice suivante, on constate quels logiciels sont les plus d'accords entre eux sur la tonalité de base d'une chanson :
| VDJ7 | VDJ8 | KF | RE3 | |
|---|---|---|---|---|
| VDJ7 | 100% | 51% | 72% | 64% |
| VDJ8 | 51% | 100% | 50% | 49% |
| KF | 72% | 50% | 100% | 74% |
| RE3 | 64% | 49% | 74% | 100% |
Si on devait réaliser un podium sur ce critère de consensus (entre parenthèse leur nombre cumulé), on peut établir le podium suivant :
- KeyFinder 1.25 (1384)
- VirtualDJ 7.4 (1323)
- Rapid Evolution 3 bêta 58 (1316)
- VirtualDJ 8.0 (1057)
En janvier 2014, le site DJTechTools avait réalisé un classement sur une liste de chansons dont la clé avait préalablement été identifée par un groupe de musiciens. Le classement des trois premiers logiciels est identique, mais il est a priori surclassé par la dernière version de MixedInKey qui est un logiciel propriétaire payant. Notons que depuis sa version 3, l'algorithme de celui-ci est hébergé à distance sur les serveurs de l'éditeur, ce qui fait que ce logiciel n'est qu'un "client de connexion" pour transférer et faire identifier votre musique. Sa version 2.5 fonctionne de manière autonome en exploitant l'algorithme tONaRT de ZPlane.
Détection de la gamme
Ce graphique représente le nombre de fois où la gamme Mineure/Majeure a été unanimement reconnue indépendamment de la clé :
En excluant VirtualDJ 8 qui apparaît comme le moins pertinent pour la détection de la clé, on trouve une concordance de 77% entre KeyFinder et Rapid Evolution 3.
Dans la matrice suivante, on constate quels logiciels sont les plus d'accords entre eux sur la gamme d'une chanson :
| VDJ8 | KF | RE3 | |
|---|---|---|---|
| VDJ8 | 100% | 66% | 59% |
| KF | 66% | 100% | 77% |
| RE3 | 59% | 77% | 100% |
La capacité de consensus peut être mise sur le podium avec un score (qui est le cumul du nombre de consensus). Ce résultat a un air de déjà vu :
- KeyFinder 1.25 (1012)
- Rapid Evolution 3 bêta 58 (963)
- VirtualDJ 8.0 (883)
Détection de la clé et de la gamme
Dans la matrice suivante, on cherche à savoir quel logiciel est le plus en phase avec ses pairs concernant la détection simultanée de la clé et de la gamme :
| VDJ7 | VDJ8 | KF | RE3 | |
|---|---|---|---|---|
| VDJ7 | 100% | 51% | 72% | 64% |
| VDJ8 | 51% | 100% | 39% | 35% |
| KF | 72% | 39% | 100% | 66% |
| RE3 | 64% | 35% | 66% | 100% |
La concordance de la clé harmonique permet d'établir un nouveau classement.
- VirtualDJ 7.4 (1323)
- KeyFinder 1.25 (1253)
- Rapid Evolution 3 bêta 58 (1170)
- VirtualDJ 8.0 (886)
Etant donné que VirtualDJ 7 est incapable de détecter la gamme, ce logiciel ne peut pas être classé et a donc été barré (son score est obtenu via la clé seule).
Le grand gagnant est...
Les résultats obtenus par les différents logiciels ont été compilés ensemble afin de déterminer une clé finale de référence la plus probable pour chaque chanson de l'échantillon. En comparant cette clé finale avec les résultats individuels, il s'avère ainsi que 95% de l'échantillon peut être identifié par KeyFinder.
Parmi ces solutions gratuites, la qualité de KeyFinder ne fait aucun doute. C'est d'autant plus impressionnant qu'il donne un résultat acceptable nettement plus rapidement que ses rivaux. Ce logiciel étant toujours en développement, sa version 2 est prometteuse.
Pour rappel, le logiciel propriétaire MixedInKey n'a pas compétité ici alors qu'il est décrit comme le plus performant dans sa version 6 selon d'autres sources.
Tous les noms cités ici sont la propriété de leurs propriétaires respectifs.
Contrôle humain des résultats
Les résultats précédents ont été obtenus de manière quasi-automatique. Pour vérifier la pertinence réelle de ces algorithmes, il est nécessaire d'introduire un niveau humain d'analyse :
- La méthode utilisée est celle décrite dans cette vidéo.
- Le piano musical virtuel est fourni par le logiciel wxMidiPiano.
- L'assistant de saisie de la roue de Camelot est fourni aussi par le logiciel wxMidiPiano (à partir de la version 0.3.4).
- L'analyseur spectral pour désambiguïser les gammes est fourni par le logiciel KeyFinder.
- L'oreille est... toute relative !
La classification des musiques est un travail plutôt long... De ce fait, la base de données est enrichie progressivement et restituée dynamiquement dans le tableau ci-après :
| Logiciel | Note + Gamme | Note | Gamme |
|---|---|---|---|
| VirtualDJ 7.4 | 0 % | 70 % | 0 % |
| VirtualDJ 8.0 | 41 % | 56 % | 58 % |
| KeyFinder 1.25 | 72 % | 75 % | 80 % |
| Rapid Evolution 3 beta 58 | 56 % | 67 % | 68 % |
L'échantillon porte actuellement sur 174 chansons, toutes analysées à l'aveugle et via une sélection aléatoire.
Il est intéressant de constater que KeyFinder conserve son avance technique, mais les résultats ne sont pas aussi impressionnants qu'auparavant. En effet, il n'y a plus de mécanisme d'entente relative entre les logiciels, l'arbitrage étant maintenant absolu. Comme nous avons vu précédemment, VirtualDJ et Rapid Evolution sont au coude à coude, même si RE3 est plus performat dans la mesure où il sait repérer la gamme.
Certaines considérations laissent à penser que ces écarts ne sont pas imputables intégralement à la technologie, celle-ci faisant des hypothèses les plus probables. Durant l'analyse à l'oreille, deux effets musicaux ont été rencontrés :
- Les artistes n'utilisent pas toutes les notes de la gamme. Pour certaines combinaisons, il est particulièrement ardu pour le logiciel de choisir jusqu'à 6 résultats possibles, surtout si la clé principale du morceau ne ressort pas clairement, voire change en cours de route.
- Quand deux résultats sont éligibles, il est possible d'hésiter entre une gamme majeure ou majeure parce que les notes jouées sont en fait les mêmes. La décision revient alors à la note qui ressort le plus et c'est parfois très subjectif.
Les cas litigieux ont été analysés spectralement pour arbitrer de façon la plus neutre possible.
Dernière modification le 24 juin 2023 à 12:40
