淺談鋼琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)

遲耀丹俞昌盛馬 茹李 田

（1.吉林建筑大學(xué) 電氣與電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130021；2.吉林省建筑電氣綜合節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130021；3.吉林省氣象服務(wù)中心，長(zhǎng)春 13006）

淺談鋼琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)

遲耀丹1，2俞昌盛1馬 茹1李 田3

（1.吉林建筑大學(xué) 電氣與電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130021；2.吉林省建筑電氣綜合節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130021；3.吉林省氣象服務(wù)中心，長(zhǎng)春 13006）

鋼琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)是高科技機(jī)電一體化裝置，可安裝在各式鋼琴上，通過軟件與硬件相結(jié)合，記錄彈奏數(shù)據(jù)并再現(xiàn)演奏過程。該系統(tǒng)不會(huì)影響鋼琴的原有性能，有很好的文化前景和良好的經(jīng)濟(jì)效益。本文對(duì)鋼琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)展開綜合論述，介紹其現(xiàn)階段的市場(chǎng)、應(yīng)用及主要設(shè)計(jì)方案等，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行展望。

鋼琴 自動(dòng)演奏 機(jī)電轉(zhuǎn)換 樂譜編碼

引言

隨著數(shù)字通信技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電子技術(shù)在機(jī)械制造和音樂等領(lǐng)域中體現(xiàn)出越來(lái)越大的價(jià)值。20世紀(jì)后期，計(jì)算機(jī)音樂逐漸成為音樂中最重要的發(fā)展方向，鋼琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)也應(yīng)時(shí)而生。鋼琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)是一種可以附加在平臺(tái)式的三角鋼琴、立式鋼琴等傳統(tǒng)鋼琴上的智能電子裝置，是軟、硬件相結(jié)合的高新技術(shù)產(chǎn)品，在當(dāng)今物質(zhì)和文化高度發(fā)達(dá)的社會(huì)中起著至關(guān)重要的作用。自動(dòng)彈奏就是模擬人工彈奏，主要包括琴譜解碼、琴鍵彈壓、延音踏板控制及樂曲演奏[1]。鋼琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)可以記錄鋼琴的演奏過程，并依據(jù)記錄好的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)鋼琴機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，再現(xiàn)演奏的過程。作為附加裝置，鋼琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)對(duì)鋼琴的演奏性能沒有任何影響，在實(shí)現(xiàn)電聲鋼琴功能的同時(shí)，又不失純厚完美的音色，為傳統(tǒng)鋼琴增加了嶄新的功能，在促進(jìn)藝術(shù)、經(jīng)濟(jì)和科技飛速發(fā)展的同時(shí)，也彰顯著時(shí)代的進(jìn)步。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

最初的鋼琴自動(dòng)演奏裝置只是在普通鋼琴前加一部可以移動(dòng)的“演奏器”，它誕生于19世紀(jì)末，在普通鋼琴上方增加65～88個(gè)“木手指”，外型與小型足踏簧風(fēng)琴相似。在20世紀(jì)20年代，自動(dòng)鋼琴在歐洲兩年內(nèi)生產(chǎn)數(shù)量達(dá)到50萬(wàn)臺(tái)，并在人們的家庭娛樂中廣泛流行開來(lái)；直到20世紀(jì)30年代，無(wú)線電及唱機(jī)的出現(xiàn)，其才逐漸被淘汰。但仍有很多作曲家對(duì)自動(dòng)鋼琴情有獨(dú)鐘，其優(yōu)點(diǎn)在于紙卷打孔在數(shù)量上可以不受十指限制，且音域和音數(shù)都可以得到全面運(yùn)用和發(fā)揮。例如，拉赫瑪尼諾夫、德彪西、馬勒、格什溫、R?施特勞斯都是青睞于自動(dòng)鋼琴的作曲家，他們?yōu)檫@個(gè)樂器作曲，并制成紙帶，用來(lái)演奏。在美國(guó)，鋼琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)已經(jīng)誕生了超過100年，僅在1980年1年內(nèi)售出的近20萬(wàn)彈琴中就有3萬(wàn)臺(tái)裝有鋼琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)，也在同年達(dá)到了其銷售的高峰。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，20世紀(jì)60年代，研究人員將數(shù)字控制技術(shù)和機(jī)電一體化引入鋼琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)飛速發(fā)展，指導(dǎo)20世紀(jì)80年代，才出現(xiàn)了真正的現(xiàn)代自動(dòng)演奏鋼琴，它是用集成電路進(jìn)行控制，從而達(dá)到自動(dòng)演奏的效果。該系統(tǒng)之所以迅猛發(fā)展，是因?yàn)樗袠O大的產(chǎn)品市場(chǎng)和提升空間。

美國(guó)的PIANODISC公司、日本的YAMAHA公司及美國(guó)的QRS公司等都是生產(chǎn)鋼琴自動(dòng)演奏器的知名企業(yè)。其中，美國(guó)PIANODISC公司在鋼琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)中名氣最大，有全面占領(lǐng)中國(guó)市場(chǎng)的局勢(shì)。在國(guó)內(nèi)，許多公司也為鋼琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)的技術(shù)引進(jìn)和研發(fā)做出了巨大貢獻(xiàn)，例如，北京樂器研究所、上海泛音鋼琴技術(shù)中心、廣州雅迪數(shù)碼科技有限公司等，這無(wú)疑推動(dòng)了自動(dòng)鋼琴在我國(guó)本土的進(jìn)程。目前，中國(guó)正處于發(fā)展中國(guó)家，在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)環(huán)境上都與80年代的美國(guó)有很多相似之處，且在我國(guó)鋼琴的銷售總量高于80年代的美國(guó)，由此可見，鋼琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)已受到人們的廣泛關(guān)注，未來(lái)10年內(nèi)的市場(chǎng)前景也非常可觀。

由于國(guó)內(nèi)鋼琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)起步較晚，因此，其整體科技含量和國(guó)際還存在一定差距。但就個(gè)體水平而言，國(guó)內(nèi)的技術(shù)已經(jīng)和國(guó)際接軌，不遜色于國(guó)外，且一直在進(jìn)行技術(shù)革新。

鋼琴的自動(dòng)演奏系統(tǒng)適用于酒吧、咖啡廳、售樓部樣品店、休閑娛樂會(huì)所、高檔購(gòu)物中心、展會(huì)、汽車4S店、商場(chǎng)、星級(jí)酒店、西餐廳、醫(yī)院大堂、產(chǎn)品品牌形象店、琴行教學(xué)展示、高爾夫球場(chǎng)和別墅等較為高檔的消費(fèi)場(chǎng)所或高雅尊貴的商業(yè)及私人空間，鋼琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)在提供背景音樂的同時(shí)又不失奢華，既調(diào)動(dòng)了現(xiàn)場(chǎng)氣氛，又能吸引顧客的注意力和好奇心，并給顧客留下了深刻印象。

2 設(shè)計(jì)方案概述

當(dāng)前，市場(chǎng)上對(duì)該系統(tǒng)有多種設(shè)計(jì)方案，按照核心部件可分為基于單片機(jī)，基于PLC，基于音型數(shù)據(jù)庫(kù)，基于可編程邏輯器件等；按照驅(qū)動(dòng)方式可分為機(jī)械電路，氣動(dòng)控制電路等。下面主要按照核心部件分類進(jìn)行介紹。

2.1 基于單片機(jī)

如圖1所示，控制芯片為一個(gè)單片機(jī)，演奏信息通過傳感器被記錄下來(lái)，并被保存下來(lái)，然后通過控制模塊向執(zhí)行元發(fā)送已經(jīng)記錄下來(lái)的信息的輸出指令，最后，由執(zhí)行元件輸出按下琴鍵，從而達(dá)到自動(dòng)演奏的目的。運(yùn)用單片機(jī)內(nèi)部的Flash進(jìn)行存儲(chǔ)、定時(shí)、記錄鍵位信息和時(shí)間間隔。此外，其還包括一個(gè)對(duì)鋼琴鍵位隨時(shí)進(jìn)行掃描的檢測(cè)程序及重放程序，當(dāng)輸出完成后，按動(dòng)重放的按鈕，程序會(huì)從頭按照已記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行再次輸出，因?yàn)閿?shù)據(jù)存放單片機(jī)內(nèi)部Flash中，這樣可以完成重復(fù)N次輸出的要求。由于單片機(jī)內(nèi)部的Flash資源有限，只能記錄較短的樂曲，若加一個(gè)外部擴(kuò)展的Flash存儲(chǔ)器，就可以記錄較長(zhǎng)的樂曲。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 基于PLC（Programmable Logic Controller可編程控制器）

通過一種樂譜與PLC程序的轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用54鍵的電子琴，實(shí)現(xiàn)基于PLC的電子琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)，I/O口的映射過程（即建立電子琴內(nèi)部觸點(diǎn)與PLC的I/O口映射關(guān)系），樂譜與PLC程序的轉(zhuǎn)換，PLC的程序流程等。為了能夠更好地控制電子琴的所有按鍵，內(nèi)部處理器采用了7×8的鍵盤矩陣，利用PLC的15個(gè)輸出點(diǎn)來(lái)進(jìn)行控制。

此外，還有一種氣動(dòng)演奏系統(tǒng)，是以PLC為控制主體，進(jìn)行氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)，應(yīng)用順序控制技術(shù)，氣動(dòng)閥島技術(shù)等。如圖2所示，為氣動(dòng)程序控制方框圖。

圖2 氣動(dòng)程序控制方框圖

2.3 基于音型數(shù)據(jù)庫(kù)

圖3所示為系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)框圖。輸入一系列帶有鋼琴伴奏的樣本譜例，通過對(duì)樣本的訓(xùn)練，構(gòu)建一個(gè)鋼琴伴奏音型元結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)收集鋼琴原始伴奏音型后轉(zhuǎn)換為音型元結(jié)構(gòu)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，并調(diào)整2個(gè)HMM參數(shù)，形成一種與輸入樣本相近的伴奏風(fēng)格。在配曲階段，系統(tǒng)根據(jù)樂曲旋律的基本信息，和目前參數(shù)的伴奏風(fēng)格，利用Viterbi算法，查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，為旋律片段選擇合適的鋼琴伴奏元結(jié)構(gòu)，最終生成鋼琴伴奏。數(shù)據(jù)庫(kù)中主要包括K聲調(diào)式音階特征單元表，旋律片段節(jié)奏表，鋼琴伴奏音型節(jié)奏表，調(diào)式特征和弦表，收集的樣本譜例的調(diào)式和弦序列隱馬參量表，收集的樣本譜例的節(jié)奏對(duì)比序列隱馬參量表等。

圖3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框圖

2.4 基于可編程邏輯器件

圖4是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理框圖。該系統(tǒng)是一種基于FPGA的電子琴，其核心部件和適當(dāng)?shù)耐鈬娐返臉?gòu)成用 VHDL語(yǔ)言描述，既可通過琴鍵進(jìn)行手動(dòng)演奏，也可由機(jī)器自動(dòng)進(jìn)行樂曲演奏，同時(shí)還能模擬傳統(tǒng)樂器的音色，如笛、小號(hào)、風(fēng)琴、單簧管、雙簧管等。具體的實(shí)現(xiàn)方法為：將樂譜中每個(gè)音符的音調(diào)及節(jié)拍變換成相應(yīng)的音調(diào)參數(shù)和節(jié)拍參數(shù)，將他們做成數(shù)據(jù)表格，存放在存儲(chǔ)器中，通過程序取出一個(gè)音符的相關(guān)參數(shù)，播放該音符，該音符唱完后，接著取出下一個(gè)音符的相關(guān)參數(shù)，直到播放完畢最后一個(gè)音符為止，根據(jù)需要也可循環(huán)播放整個(gè)樂曲[2]。

此外，還有一種基于CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件），開發(fā)工具采用EDA，硬件描述語(yǔ)言使用VHDL語(yǔ)言，程序運(yùn)行平臺(tái)為MAX+PLUS II ，進(jìn)行一系列的仿真運(yùn)行調(diào)試，也可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖

3 發(fā)展趨勢(shì)

鋼琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)是一個(gè)新生事物，還存在一定的不足。如，按照準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)記錄信息嚴(yán)格地再現(xiàn)演奏過程，致使演奏過于精確，缺失了音樂藝術(shù)的個(gè)性，自動(dòng)演奏的音樂也缺少了人性化。但正因?yàn)槿绱耍撉僮詣?dòng)演奏系統(tǒng)擁有巨大的發(fā)展前景。

為了解決這些缺點(diǎn)，未來(lái)的鋼琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)除了音樂本身的影響外，還必須注意從視覺、感官和情感上增加對(duì)藝術(shù)的欣賞，使觀眾的感受更加直觀逼真，并加強(qiáng)演奏家、音樂作品與觀眾之間的聯(lián)系，強(qiáng)化音樂審美中的視聽結(jié)合與互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人與設(shè)備，技術(shù)與藝術(shù)的完美結(jié)合。

4 結(jié)語(yǔ)

本文論述了鋼琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)的應(yīng)用、現(xiàn)狀、實(shí)現(xiàn)方案和發(fā)展趨勢(shì)，從自動(dòng)鋼琴和計(jì)算機(jī)音樂的發(fā)展可以看出藝術(shù)文化有其特定的繼承與發(fā)展規(guī)律，技術(shù)和藝術(shù)之間必然存在某種內(nèi)在聯(lián)系。藝術(shù)的發(fā)展需求刺激技術(shù)不斷創(chuàng)新，而技術(shù)的不斷進(jìn)步也讓藝術(shù)的夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。科技的不斷探索和改革，帶給人們繁榮的物質(zhì)和精神世界。鋼琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)作為科技的產(chǎn)物，也必將創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)人類生活進(jìn)步。

[1]廣州市歐爾雅鋼琴?gòu)S.解開“鋼琴自動(dòng)演奏系統(tǒng)”的奧妙工作原理[EB/OL].（2015-10-19）[2015-10-20].http://info. b2b168.com/s168-29822811.html.

[2]吳定允.基于FPGA的樂曲自動(dòng)演奏器的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010（12）：8858-8861.

On the Piano Automatic Performance System

CHI Yaodan1，2，YU Changsheng1，MA Ru1，LI Tian3
(1.Ji lin Ji anzhu University,Changchun 130021；2.Ji lin Province Comprehensive Building Electrical Energy Saving Key Laboratory,Changchun 130021；3.Jilin Province Meteorological Service Center,Changchun 130062)

The automatic piano playing sys tem is a hi-tech mechatronics device,which can be installed on all kinds of piano. Through the combination of software and hardware,it can recor d the playing data and reproduce the process of the performance. This system can not affect the original perform-ance of the piano.It also has good cultural prospects and good economic benefis.In this paper,the piano automatic playing system has been comprehensive discussed includin g its market and application at present stage,the main design scheme and the future development expectation.

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吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目吉教科合字【2015】第280號(hào)《嵌入式電磁輻射信號(hào)處理系統(tǒng)》。