hamori/README.md

# hamori

Авторегрессионная нейросетевая модель для генерации гармонических периодов
(замкнутых гармонических фраз 4–16 тактов) в авторском композиторском стиле.

Название проекта — _hamori_ (яп. ハモリ) — относится к понятию вокальной
гармонизации, добавлению второго голоса в существующую мелодическую линию.
Отсылка к этому понятию закрепляет основную идею проекта: модель не пишет
музыку с нуля, а предлагает гармонические идеи в дополнение к замыслу
композитора.

Проект разработан как курсовая работа по дисциплине «Машинное обучение» в
рамках обучения в РТУ МИРЭА и одновременно как практический инструмент для
композиторской работы.

## Содержание

- [hamori](#hamori)
  - [Содержание](#содержание)
  - [1. Краткое описание](#1-краткое-описание)
  - [2. Контекст и цели](#2-контекст-и-цели)
  - [3. Установка](#3-установка)
  - [4. Структура репозитория](#4-структура-репозитория)
  - [5. Быстрый старт](#5-быстрый-старт)
    - [5.1 Веб-интерфейс](#51-веб-интерфейс)
  - [6. Подготовка датасета](#6-подготовка-датасета)
    - [6.1 Собственный корпус](#61-собственный-корпус)
    - [6.2 Публичный корпус](#62-публичный-корпус)
    - [6.3 Отложенная выборка](#63-отложенная-выборка)
    - [6.4 Токенизация](#64-токенизация)
  - [7. Обучение моделей](#7-обучение-моделей)
    - [7.1 Предобучение](#71-предобучение)
    - [7.2 Дообучение на собственном корпусе](#72-дообучение-на-собственном-корпусе)
  - [8. Оценка результатов](#8-оценка-результатов)
  - [9. Дополнительная документация](#9-дополнительная-документация)
  - [10. Ограничения текущей версии](#10-ограничения-текущей-версии)

---

## 1. Краткое описание

Система принимает на вход параметры желаемого периода (тональность, тактовый
размер, стилевой тег, функциональная роль) и опционально первые несколько
аккордов. На выходе формируется гармоническая последовательность, представленная
как `.chord`-файл лид-шит-нотации и MIDI-файл для воспроизведения и работы
в цифровой звуковой рабочей станции.

Модель обучается в две стадии:

- **Pre-training** на публичном корпусе аккордовых последовательностей
  ([McGill Billboard Project](<https://ddmal.ca/research/The_McGill_Billboard_Project_(Chord_Analysis_Dataset)/>)) для усвоения общих гармонических закономерностей
  поп-музыки.
- **Fine-tuning** на корпусе собственных произведений автора для адаптации
  модели к индивидуальному композиторскому почерку.

Юнит обработки и генерации — **гармонический период**, а не пьеса целиком.
Это решение обеспечивает достаточный размер обучающей выборки при ограниченном
числе исходных произведений и снимает проблему обработки модуляций между
крупными разделами формы.

## 2. Контекст и цели

Проект преследует две сопряжённые цели.

**Учебная цель.** Закрытие дисциплины «Машинное обучение» с выполнением
курсового проекта, включающего полный цикл работы с генеративной моделью:
постановка задачи, проектирование формата данных, подготовка обучающего
корпуса, обучение, оценка и интерпретация результатов.

**Прикладная цель.** Получение работающего инструмента-помощника, который
автор сможет использовать в дальнейшей композиторской деятельности как
источник гармонических идей в собственном стилистическом ключе.

Срок реализации: менее одного месяца. Бюджет ручного труда: около 50 часов.

Подробное описание целей и формальных требований приведено в
[docs/requirements.md](docs/requirements.md).

## 3. Установка

Требования: Python 3.11 или новее, доступ к командной строке, git.

```bash
git clone <repository-url> hamori
cd hamori
python -m venv venv
source venv/bin/activate     # Linux, macOS
venv\Scripts\activate        # Windows
pip install -r requirements.txt
```

Для воспроизведения сгенерированных MIDI-файлов требуется цифровая звуковая
рабочая станция (рекомендуется REAPER) с подключённым программным
синтезатором, либо стандартный плеер MIDI операционной системы.

Обучение модели возможно как на CPU, так и на GPU. Модель компактна
(порядка одного-трёх миллионов параметров), и pre-training на полном
корпусе укладывается в несколько часов на CPU современного ноутбука,
fine-tuning — в десятки минут.

## 4. Структура репозитория

```
hamori/
├── CLAUDE.md                          постоянный контекст для Claude Code
├── README.md                          этот файл
├── requirements.txt                   зависимости Python
├── docs/
│   ├── chord_format_spec.md           спецификация формата .chord (версия 2.2)
│   ├── requirements.md                функциональные и нефункциональные требования
│   ├── architecture.md                архитектура системы
│   └── glossary.md                    глоссарий терминов
├── data/
│   ├── raw_user/                      .chord-файлы собственного корпуса
│   ├── raw_external/                  публичные корпуса (McGill Billboard и др.)
│   ├── processed/
│   │   ├── mcgill/                    токенизированные .pt-файлы McGill (train/val)
│   │   └── user/                      токенизированные .pt-файлы собственного корпуса
│   └── holdout/                       отложенная выборка для итоговой оценки
├── src/
│   ├── chord_parser.py                парсинг аккордовых символов
│   ├── tokenizer.py                   преобразование .chord ↔ токены
│   ├── midi_export.py                 экспорт периодов в MIDI
│   ├── dataset.py                     PyTorch-датасет
│   ├── model.py                       определение модели
│   ├── train.py                       логика обучения
│   ├── generate.py                    инференс и сэмплирование
│   ├── evaluate.py                    метрики и распределения
│   └── external_converters/           конвертеры публичных корпусов
├── scripts/                           CLI-обёртки над модулями src
├── tests/                             модульные тесты и фикстуры
├── notebooks/                         Jupyter-ноутбуки: исследование данных и итоговый отчёт (report.ipynb)
├── checkpoints/                       сохранённые состояния моделей
└── reports/                           сгенерированные графики и примеры
```

## 5. Быстрый старт

После завершения обучения (см. разделы 6–7) генерация одного периода
выполняется следующей командой:

```bash
python scripts/generate.py \
    --checkpoint checkpoints/finetuned.pt \
    --mode major \
    --key F# \
    --style H1K0 \
    --function chorus \
    --time 4/4 \
    --output reports/samples/period.chord \
    --midi reports/samples/period.mid \
    --seed 42
```

После выполнения в указанной директории появятся два файла:
текстовый `.chord` с гармонической последовательностью и MIDI-файл,
готовый к открытию в DAW.

Если у пользователя есть начальная гармоническая идея, её можно передать
параметром `--prefix`:

```bash
python scripts/generate.py \
    --checkpoint checkpoints/finetuned.pt \
    --mode major --key C --style H1K0 --function verse --time 4/4 \
    --prefix "Cmaj7 Am7 Dm7" \
    --output reports/samples/continuation.chord
```

Модель достроит остаток периода в логике, выученной на собственном корпусе
автора.

### 5.1 Веб-интерфейс

Для интерактивной работы без командной строки предусмотрен простой
веб-интерфейс на базе Gradio. Запуск:

```bash
python app.py
```

После запуска интерфейс открывается в браузере по адресу
`http://127.0.0.1:7860`. На одной странице расположены форма выбора
параметров (модель, лад, тональность, стиль, функция, тактовый размер,
параметры сэмплирования, опциональный префикс) и блок результата —
текстовая сетка аккордов и кнопки скачивания `.chord`- и `.mid`-файлов.
Краткая инструкция на русском языке встроена в саму страницу (раздел
«Инструкция»).

Интерфейс является надстройкой над тем же модулем `src/generate.py`,
что и CLI; вся логика генерации общая. Полезные флаги:

```bash
python app.py --port 8000      # другой порт
python app.py --share          # временная публичная ссылка
```

## 6. Подготовка датасета

Подготовка датасета — самая трудозатратная часть проекта (10–15 часов
чистого времени). Сокращать её за счёт автоматического извлечения аккордов
из аудио нецелесообразно: при плотной фактуре и нетривиальных гармонических
решениях современные алгоритмы chord detection дают слишком высокую долю
ошибок, тогда как ручная транскрипция при наличии абсолютного слуха выполняется
быстро и без потерь.

### 6.1 Собственный корпус

Из 20–25 собственных произведений (DAW-проекты в REAPER) необходимо извлечь
80–150 гармонических периодов и записать каждый в виде отдельного `.chord`-файла
в директории `data/raw_user/`.

Процедура транскрипции:

1. Прослушать пьесу, определить границы замкнутых гармонических фраз. Признаки
   замкнутости — возврат к тонике или ясная полукаденция, отсутствие модуляции
   внутри фрагмента.
2. Заполнить шапку `.chord`-файла: название, тональность, тактовый размер,
   подразделение доли, стилевой тег `H1K0`, функциональная роль периода.
3. Транскрибировать гармонию по позициям, аккуратно фиксируя инверсии и расширения.
4. Запустить парсер для проверки корректности файла:
   ```bash
   python scripts/validate_chord_file.py data/raw_user/2024_001_song_chorus.chord
   ```
5. Запустить экспорт в MIDI и прослушать результат в DAW параллельно с оригиналом
   для контроля точности транскрипции:
   ```bash
   python -m src.midi_export data/raw_user/2024_001_song_chorus.chord /tmp/check.mid
   ```

Полная спецификация формата приведена в [docs/chord_format_spec.md](docs/chord_format_spec.md).
Чек-лист транскрипции — в разделе 10 спецификации.

### 6.2 Публичный корпус

Для предобучения используется [McGill Billboard Project](<https://ddmal.ca/research/The_McGill_Billboard_Project_(Chord_Analysis_Dataset)/>) — открытый
размеченный профессиональными аннотаторами корпус из примерно семи сотен
пьес западной поп-музыки 1950–1990-х годов. Корпус необходимо скачать с
официального сайта и распаковать в директорию `data/raw_external/mcgill_billboard/`.

Конвертация в формат `.chord`:

```bash
python -m src.external_converters.mcgill_to_chord \
    --input data/raw_external/mcgill_billboard/ \
    --output data/raw_external/mcgill_converted/
```

Конвертер автоматически разрезает каждую пьесу на периоды по границам секций
и сохраняет каждый период как отдельный `.chord`-файл со стилевым тегом `other`.

### 6.3 Отложенная выборка

Из собственного корпуса необходимо отложить 10–15 периодов в директорию
`data/holdout/` ещё до начала обучения. Эти периоды не должны попасть ни в
тренировочную, ни в валидационную выборки и используются только для итоговой
оценки качества модели. Откладывать следует репрезентативные для авторского
стиля примеры, а не самые экспериментальные.

### 6.4 Токенизация

После того как `.chord`-файлы готовы, выполняется пакетная токенизация:

```bash
python scripts/prepare_data.py \
    --input-dir data/raw_user/ \
    --output-dir data/processed/user/ \
    --split-ratios 0.9 0.1

python scripts/prepare_data.py \
    --input-dir data/raw_external/mcgill_converted/ \
    --output-dir data/processed/mcgill/ \
    --split-ratios 0.9 0.1
```

Скрипт автоматически разделяет файлы на тренировочную и валидационную выборки,
выводит статистику по длине последовательностей и распределениям метаданных.

## 7. Обучение моделей

Обучение выполняется в две стадии.

### 7.1 Предобучение

```bash
python scripts/pretrain.py
```

Обучает на корпусе McGill (`data/processed/mcgill/`). Выводит оценку времени
выполнения и по окончании сохраняет:

| Файл                                | Описание                      |
| ----------------------------------- | ----------------------------- |
| `checkpoints/pretrained.pt`         | лучший чекпоинт (по val loss) |
| `checkpoints/pretrained.log.csv`    | метрики по эпохам             |
| `checkpoints/pretrained_curves.png` | график кривых train/val loss  |
| `checkpoints/pretrained.report.txt` | сводный отчёт о прогоне       |

Если обучение было прервано, повторно построить график и отчёт без
повторного обучения:

```bash
python scripts/pretrain.py --skip-training
```

### 7.2 Дообучение на собственном корпусе

```bash
python scripts/train.py
```

Загружает `checkpoints/pretrained.pt` и дообучает на собственном корпусе
(`data/processed/user/`). Сохраняет `checkpoints/finetuned.pt` и аналогичный
набор артефактов (`finetuned.log.csv`, `finetuned_curves.png`,
`finetuned.report.txt`).

Существенно более низкая скорость обучения (lr=1e-5 против 3e-4) и небольшое
число эпох (15) предотвращают катастрофическое забывание закономерностей,
выученных на этапе предобучения.

## 8. Оценка результатов

Скрипт оценки сравнивает базовую (только предобученную) и дообученную модели
на отложенной выборке:

```bash
python scripts/evaluate.py \
    --baseline checkpoints/pretrained.pt \
    --target checkpoints/finetuned.pt \
    --holdout data/processed/holdout/ \
    --output-dir reports/
```

В директории `reports/` будут сформированы:

- Таблица в формате JSON с численными метриками (perplexity обеих моделей).
- Графики распределений типов аккордов, частот инверсий, интервалов движения
  корня, наиболее частых функциональных пар. Каждый график показывает баланс
  baseline-распределения и target-распределения.
- Сгенерированные образцы для качественного сравнения (3 затравки × 3 семпла
  × 2 модели).

Подробное описание метрик и методологии оценки — в разделе 6 файла
[docs/architecture.md](docs/architecture.md).

Готовые результаты — численные метрики, графики распределений и качественный
разбор примеров — собраны в итоговом отчёте
[notebooks/report.ipynb](notebooks/report.ipynb).

## 9. Дополнительная документация

| Документ                                               | Назначение                                                                                                                                                                        |
| ------------------------------------------------------ | --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- |
| [notebooks/report.ipynb](notebooks/report.ipynb)       | Итоговый отчёт по проекту (Jupyter-ноутбук на русском): постановка задачи, формат данных, модель, обучение, оценка с графиками, хроника разработки и выводы. Запускается целиком. |
| [docs/chord_format_spec.md](docs/chord_format_spec.md) | Полная спецификация формата `.chord`, словарь токенов, правила парсинга. Авторитетный источник по формату.                                                                        |
| [docs/requirements.md](docs/requirements.md)           | Функциональные и нефункциональные требования, критерии приёмки.                                                                                                                   |
| [docs/architecture.md](docs/architecture.md)           | Архитектура системы, схемы потоков данных, описания модулей, обоснование ключевых проектных решений.                                                                              |
| [docs/glossary.md](docs/glossary.md)                   | Глоссарий музыкальных, машинно-обучательных и проектных терминов.                                                                                                                 |
| [CLAUDE.md](CLAUDE.md)                                 | Постоянный контекст для Claude Code (на английском). Описывает правила разработки, чего нельзя делать без согласования и какие модули за что отвечают.                            |

## 10. Ограничения текущей версии

Текущая версия проекта сознательно ограничена для соблюдения сроков курсовой
работы. Перечисленные ниже возможности **не реализованы** и являются
кандидатами для дальнейшего развития.

- Генерация мелодии. Текущая модель работает только с гармонической
  последовательностью.
- Расположение голосов внутри аккорда (voicing) выше баса. Бас передаётся,
  остальное оставлено на ручную работу композитора в DAW.
- Ритмический паттерн внутри удержания аккорда (синкопы, проходящие фигуры,
  альбертиевы басы).
- Аранжировка, тембр, динамика, артикуляция.
- Развитый графический интерфейс. Реализован лишь минимальный веб-интерфейс
  (см. раздел 5.1) как надстройка над CLI; полноценного редактора с
  визуализацией нотного стана, проигрывателем и историей версий нет.
- Прямая интеграция с REAPER в режиме реального времени. Обмен с DAW
  происходит через файлы MIDI.
- Обработка модуляций внутри одного периода. При наличии модуляции в
  исходном произведении периоды разрезаются по точке модуляции.
- Дообучение на корпусе японской поп-музыки (J-Pop). Запланировано как
  отдельный эксперимент после защиты курсовой.

Подробное обсуждение каждого пункта и направления развития содержатся в
[docs/architecture.md](docs/architecture.md), раздел «Точки расширения».