信息技術下的校園音樂樂器教學素材開發

宋倩雯（咸陽師范學院音樂學院，陜西咸陽，712000）

信息技術下的校園音樂樂器教學素材開發

宋倩雯
（咸陽師范學院音樂學院，陜西咸陽，712000）

文章利用嵌入式技術和數字視頻技術設計了一款基于視頻的無鍵盤虛擬樂器演奏系統，該系統能夠集成到諸如音樂教具、音樂設備等系統中，應用前景廣泛。

虛擬樂器；數字視頻處理；MIDI

0 引言

在音樂教學中，由于所需的民族樂器和西洋樂器的價錢較為昂貴，高校教育資金不足嚴重制約著音樂教學事業的發展，而且即使高校能夠提供各種樂器，任教的教師也不一定能夠掌握對此類樂器的使用，進而會影響到學生對樂器的充分了解以及對音樂的把握。而虛擬樂器的出現在一定程度上解決了此類問題，它是一種借用計算機處理資源創建及回訪聲音的軟件。它能夠對硬件諸如模擬或電鋼琴、風琴、數字合成器乃至原聲樂器的模擬再現。可以說，虛擬樂器的概念最早是從硬件數字合成器內部聲音引擎提煉出來的，但是隨著科學技術的發展，它的硬件平臺逐步由通用計算機所代替，計算機能夠提供更為動態、更為細膩的聲音的采樣，這些都是硬件合成器所無法達到的，這一跨越使得虛擬樂器的發展變得勢不可擋。

MIDI是用于在電子樂器、音樂合成器和計算機之間交換音樂信息的一種標準，它以字節的形式對所要演奏的樂曲信息進行表述，采用的是一種描述性的“音樂語言”，MIDI技術的出現大大改善了音樂制作的效果。虛擬樂器的發展與MIDI音樂技術也是緊密相連的，MIDI設備若要實現通信需要經過MIDI接口發送數字編碼，這些編碼就相當于音樂中的樂譜，包含了各種音樂要素的信息，這些數字編碼被相關設備的合成器接收后，會通過解碼將其生成制定的音樂。

二十一世紀依靠電腦和高級音效設備制作出來的音樂目前已經達到了一個相當高的境界，音樂制作技術的出現伴隨著科技的進步而突飛猛進地發展，為高校音樂教學提供了良好的平臺，即使學校在樂器設備上提供不足，教師也可借助先進的計算機技術為學生創造出具有先進意義的音樂教學素材，為專業音樂學生提供更便利、更簡潔的樂器演奏、教學、練習、娛樂工具。

1 虛擬樂器與MIDI音樂技術

計算機技術自身的蓬勃發展不僅提升了傳統技術的水平，而且對其表現形式與結構的改變也是極為顯著的，由此虛擬現實、虛擬音樂、虛擬儀器等各種虛擬技術同時得到了迅猛發展。虛擬現實技術是借助計算機對現實世界進行全面仿真的技術，實現一種人們能夠通過視覺、聽覺、觸覺等感受到的虛擬環境。可以說，目前虛擬現實技術在教育領域內有著極其巨大的應用前景，這主要取決于該技術能夠創建出與現實社會相類似的環境，從而解決教學過程中學習媒體的情景化及自然交互性的要求。并且按照目前的發展趨勢來看，虛擬現實將是繼計算機網路、多媒體之后，在教育領域最具有發展潛力的新型技術，必將成為教育領域的“明星”技術。

2 系統硬件設計

圖1　 基于視頻的無鍵盤虛擬樂器方框圖

2.1總體設計進行實時合成；程序和各種數據的存儲由DDR2負責；27MHZ時鐘電路用于給DM6437提供外部時鐘源；程序的下載和調試主要由JTAG負責；而電視信號輸出用于實時觀測調試。下面對硬件電路設計中一些主要模塊進行簡單介紹。

2.2DM6437內部結構

圖1展示的是本文所研究設計的虛擬樂器原理方框圖，主要包括視頻信號采集模塊、DSP中央處理控制模塊、電源模塊、MIDI音頻合成模塊、DDR2存儲模塊等。其中攝像頭JK-309A負責圖像的攝入并輸出PAL制式的模擬電視信號；將采集的模擬電視信號轉換成數字信號主要由TVP5146視頻解碼芯片負責；DSP芯片TMS320DM6437主要負責對各個外圍功能芯片進行控制操作并對視頻圖像做出實時處理；MIDI格式的音樂由VS1003B

對視頻圖像的采集和處理，一是需要操作控制視頻解碼芯片、存儲器等外圍電路，另一方面則是要運算大量的視頻數據。由于DSP擁有其他幾種類型芯片無法比較的優點，DSP內存較大、處理速度快且能夠進行密集的乘法運算，因而本文選用DSP作為系統的中央處理控制模塊以及具有高速高效數據處理能力的TMS320DM6437芯片。DM6437內部主要包括CPU、存儲器、外部設備等三個部分。其中中央處理單元采用TMS320C64x+內核，存儲器采用Ll/L2兩級片上存儲器結構，片上外部設備則包括DDR2控制器、EMIF接口、VPSS視頻處理子系統、I2C接口、HPI、定時器等。

2.3視頻采集模塊設計

視頻采集模塊的硬件設計中采用攝像頭JK-309A來采集視頻信號，并輸出PAL制的模擬電視信號。作為高質量的單芯片數字視頻解碼器TVP5146則可以將現有格式的模擬視頻信號很方便的轉換成數字視頻。

2.4MIDI音頻解碼模塊設計

圖2　 DM6437內部結構圖

本文所設計的虛擬樂器使用DM6437片上McBSP物理接口，采用SPI傳輸協議，與音頻解碼芯片VS1003B進行通信，傳輸內容包括系統對VSIO03B芯片的初始化數據和實時生成的MIDI數據流。

3 設備驅動軟件設計

3.1系統軟件組成和結構

系統軟件采用了層次化、模塊化的設計方案。設備寄存器初始化配置模塊負責在系統啟動時，為了使系統的各個硬件模塊進入工作狀態，需要對VS1003B、TVP5146等外部設備和DM6437自身中的控制寄存器寫入初始化值。此外，該軟件系統是基于DSP/ BIOS操作系統的設備驅動設計，該設計為軟件系統提供了一個良好的嵌入式實時操作系統平臺，從軟件上保證了系統實時性的需求。

3.2視頻模塊驅動設計

視頻模塊驅動設計涉及到片外TVP5146視頻頻解碼芯片和TMS320DM6437片上VPFE模塊的驅動開發，同時包括底層各寄存器的配置程序的開發，基于篇幅的限制，在此不做出一一闡述。

3.3音頻模塊驅動設計

與視頻模塊驅動設計相似，音頻模塊驅動設計涉及到片外VS1003B音頻解碼芯片和TMS320DM6437片上McBSP的驅動開發，還有底層各寄存器的設置程序的開發。

4 結語

本文主要對基于視頻的虛擬樂器演奏系統硬件及設備驅動軟件進行了設計，希望為高校音樂教學事業有所貢獻。

李雨佳.數字時代計算機音樂的美學悖論［J］.西北大學學報（哲學社會科學版）.2011（03）

Musical Instrument campus teaching material development of information technology under

Song Qianwen
（Xianyang Normal College Conservatory of Music，Xianyang，712000）

This paper designs a video based virtual instrument system with no keyboard based on embedded technology and digital video technology，the system can be integrated into such as music teaching aids，music equipment system，wide application prospect.

Virtual instruments；digital video processing；MIDI

2014—05—18

咸陽師范學院專項科研基金項目；項目編號：12XSYK077；項目名稱：民族器樂在音樂學專業學生培養中的應用性研究

宋倩雯（1983-），女，河南鄭州人，講師，研究方向為：民族音樂與高校音樂教