許錦生，林嘉宇，周 巍

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073)

1 引言

近年來(lái)，隨著生活水平的提高，人們對(duì)于樂(lè)器學(xué)習(xí)的熱情逐漸升溫。但就整個(gè)社會(huì)而言，能夠有資質(zhì)進(jìn)行樂(lè)器教學(xué)的單位或個(gè)人畢竟有限，更由于人工教學(xué)水平能力的不確定性，以及受到場(chǎng)地時(shí)間等的限制，人們傾向于通過(guò)各種預(yù)先編制了學(xué)習(xí)教學(xué)程序的設(shè)備來(lái)學(xué)習(xí)各種內(nèi)容，比如各種早教機(jī)、點(diǎn)讀機(jī)、學(xué)習(xí)機(jī)等。如果能夠開(kāi)發(fā)出針對(duì)個(gè)人的電子樂(lè)譜顯示和播放設(shè)備，再配合相應(yīng)的學(xué)習(xí)功能，那么對(duì)于普及樂(lè)器學(xué)習(xí)以及降低樂(lè)器學(xué)習(xí)的難度，可以有很大的促進(jìn)效果。

這里主要介紹基于電子樂(lè)譜顯示技術(shù)，配合音樂(lè)合成、樂(lè)音識(shí)別、音樂(lè)檢索，設(shè)計(jì)一個(gè)可以進(jìn)行樂(lè)譜顯示、音樂(lè)播放、演奏糾錯(cuò)、自動(dòng)翻頁(yè)和樂(lè)譜庫(kù)管理的電子設(shè)備。

2 當(dāng)前電子樂(lè)譜顯示播放方法

2.1 電子樂(lè)譜格式

對(duì)于音樂(lè)的記載，遠(yuǎn)古時(shí)期，人類(lèi)采用的是口頭傳唱的方式來(lái)傳承。后來(lái)人們認(rèn)識(shí)到音樂(lè)的規(guī)律之后，對(duì)音樂(lè)有了進(jìn)一步了解，音樂(lè)理論逐漸得到發(fā)展，通過(guò)使用特殊符號(hào)來(lái)記錄音樂(lè)。進(jìn)入計(jì)算機(jī)時(shí)代，音樂(lè)制作和表現(xiàn)發(fā)生了很大變化。1981年，工程師戴夫·史密斯在他的論文中首次提出了MIDI(Music Instrument Digital Interface 音樂(lè)設(shè)備數(shù)字接口)標(biāo)準(zhǔn)。1983年8 月，MIDI 規(guī)范1.0 發(fā)布。目前基于MIDI的各種應(yīng)用都很成熟。1994年2 月，一些音樂(lè)軟件提供商共同提出了NIFF(Notation Interchange File Format 音樂(lè)符號(hào)交換文件格式)。它彌補(bǔ)了MIDI 對(duì)音樂(lè)中的小節(jié)、重復(fù)、連奏表現(xiàn)力的不足。并且能描述出音樂(lè)的各個(gè)元素在樂(lè)譜中的表現(xiàn)形式。但是由于NIFF是二進(jìn)制格式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便應(yīng)用。2004年1 月Recordare 公司發(fā)布了MusicXML1.0 版本。2005年5 月發(fā)布了1.1 版，2007年6 月發(fā)布了2.0 版。MusicXML 最大的優(yōu)點(diǎn)在于非常便于網(wǎng)絡(luò)在線(xiàn)交流，閱讀方便，結(jié)構(gòu)清晰，對(duì)于音樂(lè)信息記錄非常規(guī)范。比較三種現(xiàn)今使用的數(shù)字音樂(lè)格式，NIFF 已經(jīng)于2006年2 月關(guān)閉網(wǎng)站，一些以前對(duì)NIFF 提供支持的音樂(lè)軟件商都放棄了對(duì)NIFF的技術(shù)支持，因此不適合作為考慮的格式。MusicXML 雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但是作為新生的格式，應(yīng)用還不夠廣泛。MIDI 作為使用范圍最廣的格式，不僅具有公開(kāi)的標(biāo)準(zhǔn)化文件格式，而且網(wǎng)絡(luò)上有大量現(xiàn)成的資源可以選用，這個(gè)優(yōu)勢(shì)是其它格式不可比擬的。因此在進(jìn)行格式選擇上，可優(yōu)先選擇MIDI格式應(yīng)用。

2.2 電子樂(lè)譜顯示播放

經(jīng)過(guò)檢索，樂(lè)譜的顯示及播放方法主要有以下幾種:

(1)湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的舒嵐等人在論文《基于嵌入式系統(tǒng)的電子讀譜器》中提到，使用嵌入式技術(shù)，采用S3C2410 處理器構(gòu)建硬件平臺(tái)，利用Platform Builder 定制操作系統(tǒng)，應(yīng)用Embedded Visual C++，完成基于Windows CE.Net的應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)。相比較傳統(tǒng)的機(jī)械式翻譜器來(lái)說(shuō)，體積小巧、存儲(chǔ)量大、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便，能很好的解決外出演奏時(shí)攜帶樂(lè)譜和現(xiàn)場(chǎng)演奏時(shí)翻譜的問(wèn)題。電子讀譜器采用觸摸屏輸入，能夠迅速捕獲、顯示輸入信息，用戶(hù)可直接在樂(lè)譜上作標(biāo)記符號(hào)，并記錄創(chuàng)作心得;采用腳踏無(wú)線(xiàn)遙控開(kāi)關(guān)控制樂(lè)譜翻頁(yè)，工作可靠且無(wú)噪聲;內(nèi)置節(jié)拍器，有利于培養(yǎng)音樂(lè)愛(ài)好者的節(jié)奏感［1］。

(2)東南大學(xué)的艾曉輝等人在論文《電子樂(lè)譜的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》中描述，通過(guò)使用帶有兩個(gè)顯卡及聲卡的計(jì)算機(jī)，兩個(gè)15 英寸的液晶顯示器，MIDI 設(shè)備，兩個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)及其與計(jì)算機(jī)的接口電路，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)翻譜、選曲等功能。系統(tǒng)包括4 大模塊即顯示模塊、編輯模塊、樂(lè)曲操作模塊和翻譜模塊。

顯示模塊的設(shè)計(jì)包括樂(lè)譜顯示和用戶(hù)界面兩個(gè)子模塊設(shè)計(jì)，其中樂(lè)譜顯示子模塊主要完成將MIDI音樂(lè)顯示出樂(lè)譜圖形，而用戶(hù)界面子模塊用來(lái)提供良好的人機(jī)交互界面。

編輯模塊有樂(lè)譜修改、樂(lè)譜打印、總譜分離和分譜綜合四個(gè)子模塊。樂(lè)譜修改主要實(shí)現(xiàn)對(duì)樂(lè)譜的各種編輯操作功能;樂(lè)譜打印模塊完成樂(lè)譜的打印功能;總譜分離模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)由指揮所用的譜(所有演員所用的譜的合成)文件，即總譜MIDI 音樂(lè)文件直接產(chǎn)生各個(gè)演員所用的分譜MIDI 音樂(lè)文件;分譜綜合則是由各個(gè)分譜MIDI 音樂(lè)文件直接產(chǎn)生總譜MIDI 音樂(lè)文件。

樂(lè)曲操作模塊主要完成樂(lè)曲庫(kù)的建立和維護(hù)，包括四個(gè)子模塊:刪除舊曲、自動(dòng)搜曲、作曲、選曲。作曲子模塊提供了兩種可供音樂(lè)工作人員作曲的方式:通過(guò)MIDI 設(shè)備邊演奏音樂(lè)邊記錄樂(lè)曲和通過(guò)鍵盤(pán)直接輸入樂(lè)符后轉(zhuǎn)化為MIDI 音樂(lè)文件。選曲子模塊主要是為了電子樂(lè)譜使用者提供方便快捷的選曲操作界面。

翻譜模塊用來(lái)完成電子樂(lè)譜的核心功能，即自動(dòng)翻譜，它是通過(guò)采樣實(shí)際音樂(lè)演奏速度來(lái)決定翻譜時(shí)間。電子樂(lè)譜為了在翻譜時(shí)提示使用者正在翻頁(yè)，提供了兩種可選的動(dòng)畫(huà)翻頁(yè)模式:翻書(shū)模式、切屏模式。翻書(shū)模式是指電子樂(lè)譜在翻譜時(shí)產(chǎn)生類(lèi)似人們翻書(shū)的動(dòng)畫(huà)效果，產(chǎn)生一次翻譜動(dòng)作，電子樂(lè)譜兩個(gè)顯示器的樂(lè)譜都刷新。切屏模式是指電子樂(lè)譜自動(dòng)翻譜時(shí)，一次只刷新一個(gè)顯示屏的樂(lè)譜［2］。

(3)山西武藝民發(fā)明的“拼對(duì)式一步成樂(lè)譜排版軟件”通過(guò)以類(lèi)似平時(shí)書(shū)寫(xiě)樂(lè)譜形式的拼對(duì)式樂(lè)譜輸入方式實(shí)現(xiàn)了樂(lè)譜輸入，即將一行樂(lè)譜分成上中下三行不同的音樂(lè)符號(hào)拼對(duì)而成。中行是音符、休止符、附點(diǎn)、括號(hào)、小節(jié)線(xiàn)、反復(fù)號(hào)和終止線(xiàn)的書(shū)寫(xiě)位置;下行是低音電和代表不同時(shí)值的減時(shí)線(xiàn)的書(shū)寫(xiě)位置;上行是連線(xiàn)、裝飾音以及強(qiáng)弱、快慢、頓音、吸音等記號(hào)的書(shū)寫(xiě)位置。

(4)劉曉翔等人設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)支持筆輸入的樂(lè)譜編輯器［3］，用戶(hù)使用筆和書(shū)寫(xiě)板輸入樂(lè)譜符號(hào)，利用基于網(wǎng)格編碼的單筆畫(huà)手勢(shì)識(shí)別算法識(shí)別手勢(shì)符號(hào)，生成與輸入相應(yīng)的樂(lè)譜，具有實(shí)時(shí)播放功能。與傳統(tǒng)交互界面的樂(lè)譜編輯器相比較，該系統(tǒng)更加符合人們對(duì)樂(lè)譜的書(shū)寫(xiě)和認(rèn)知習(xí)慣，使樂(lè)譜輸入過(guò)程變得簡(jiǎn)單、自然、高效。

(5)2009年的“Hotpress Show 2009”音樂(lè)展覽中展出的“i－tab 選項(xiàng)卡”是一個(gè)5 英寸的觸摸屏設(shè)備，作為世界上第一個(gè)專(zhuān)為吉他手而設(shè)的小巧的樂(lè)譜顯示器。i－tab的主要功用是顯示樂(lè)譜。設(shè)計(jì)者稱(chēng)可以把它放在任何吉他床頭的頭部，i－tab 選項(xiàng)卡提供了一個(gè)內(nèi)置4GB的存儲(chǔ)空間，提供足夠的空間來(lái)攜帶成千上萬(wàn)的歌詞。但是實(shí)際上i－tab 顯示的內(nèi)容并不是六線(xiàn)譜或者五線(xiàn)譜，而只是簡(jiǎn)單的歌詞和和弦譜。

上述幾種方法是當(dāng)前樂(lè)譜顯示和播放主要使用的方法，都能夠?qū)崿F(xiàn)樂(lè)譜的自動(dòng)翻頁(yè)，有的還可以實(shí)現(xiàn)樂(lè)譜的播放。但是這些方法都有一些不足。

第一種方法腳踏式翻頁(yè)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)翻頁(yè)，在處理上也比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。但是沒(méi)有能夠從根本上解決自動(dòng)翻頁(yè)的問(wèn)題。翻頁(yè)工作仍然需要人工操作，沒(méi)有能夠?qū)崿F(xiàn)智能化翻頁(yè)，演奏者仍然需要分心去關(guān)注樂(lè)譜的翻頁(yè)。同時(shí)樂(lè)譜雖然可以直接使用網(wǎng)絡(luò)上現(xiàn)成的樂(lè)譜，但是在使用前需要用戶(hù)先進(jìn)行相應(yīng)的命名更改，以適應(yīng)設(shè)備的引用文件規(guī)則。這個(gè)設(shè)定在樂(lè)譜較少時(shí)還可以較好的實(shí)現(xiàn)，當(dāng)保存的樂(lè)譜量較大時(shí)，工作量將增加許多。方法一還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)樂(lè)譜的修改保存，但是這樣的修改和保存僅僅是對(duì)圖片的一種處理和保存，不能夠做到將修改保存的內(nèi)容形成樂(lè)音，直觀性不夠好。

第二種方法較好的實(shí)現(xiàn)了樂(lè)譜的及時(shí)智能化翻頁(yè)，但是需要使用的器件和設(shè)備較多，而且有些功能對(duì)于理想設(shè)備的設(shè)計(jì)不是很合適，主要表現(xiàn)在:①電子樂(lè)譜主要是單人使用，不需要進(jìn)行樂(lè)譜的總譜分離和分譜結(jié)合。同時(shí)，電子樂(lè)譜的定位為單顯示器的便攜式樂(lè)譜顯示和播放設(shè)備，因此如果還需要使用一臺(tái)配套電腦進(jìn)行搭配使用，那么對(duì)于便攜性來(lái)說(shuō)是很不適宜的。②方法二中僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)樂(lè)譜的顯示功能，沒(méi)有能夠?qū)⑺@示的樂(lè)譜數(shù)字化，更不用說(shuō)能夠播放相對(duì)應(yīng)的樂(lè)譜樂(lè)音。

方法三中武藝民發(fā)明的“拼對(duì)式一步成樂(lè)譜排版軟件”能夠?qū)崿F(xiàn)樂(lè)譜的編輯和打印。但是軟件僅僅只能夠?qū)崿F(xiàn)樂(lè)譜的文本編寫(xiě)和打印，無(wú)法實(shí)現(xiàn)樂(lè)譜與樂(lè)音的匹配。也就是說(shuō)，創(chuàng)作人員不能夠直接聽(tīng)到自己當(dāng)時(shí)所編寫(xiě)的內(nèi)容的樂(lè)音。

劉曉翔等人設(shè)計(jì)的《支持筆輸入的樂(lè)譜編輯器》能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的筆畫(huà)手勢(shì)來(lái)進(jìn)行音樂(lè)創(chuàng)作。雖然作者強(qiáng)調(diào)了筆輸入的樂(lè)譜編輯器比傳統(tǒng)的交互界面更加符合人們對(duì)樂(lè)譜的書(shū)寫(xiě)和認(rèn)知習(xí)慣。但是事實(shí)上文章中沒(méi)有能夠真正的實(shí)現(xiàn)符合音樂(lè)創(chuàng)作人習(xí)慣的所見(jiàn)即所得的創(chuàng)作方式，文章中提出了使用另外定義的20～30個(gè)交互手勢(shì)命令代替原本的樂(lè)譜符號(hào)。而這個(gè)替代，本身就增加了使用人員的使用難度，不如傳統(tǒng)的交互式樂(lè)譜編輯界面直觀。

“i－tab”作為一個(gè)在吉他上使用的樂(lè)譜顯示器，便攜性毋庸置疑。但是在樂(lè)譜顯示上，由于5 英寸屏的顯示限制，導(dǎo)致了i－tab 不可能顯示正常的樂(lè)譜。

3 電子樂(lè)譜功能

通過(guò)借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)，作為電子樂(lè)譜應(yīng)該具有顯示功能、播放功能、教學(xué)功能、樂(lè)譜庫(kù)管理功能等四大部分。

一是顯示功能，主要包括樂(lè)譜的顯示功能，樂(lè)譜的翻頁(yè)功能。

樂(lè)譜顯示功能是通過(guò)顯示器將演奏者所指定的樂(lè)譜內(nèi)容顯示在屏幕上。這里顯示的樂(lè)譜將是基于用戶(hù)所提供的音頻文件即時(shí)生成并顯示在屏幕上的。

翻頁(yè)功能是本設(shè)備的核心功能之一?？梢酝ㄟ^(guò)三個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)。①對(duì)樂(lè)譜的數(shù)字化。輸入設(shè)備的信息是MIDI 格式的樂(lè)音，通過(guò)對(duì)MIDI 文件的分析檢索，將MIDI 文件的主旋律音軌抽取出來(lái)，形成比照模板。②采集演奏者輸入的樂(lè)音。分析處理形成待匹配的數(shù)據(jù)。③實(shí)施翻頁(yè)動(dòng)作。實(shí)現(xiàn)翻頁(yè)動(dòng)作采取2 套協(xié)作判斷的方法。第一套方法是采集輸入樂(lè)音和原始樂(lè)音的演奏速度，在每頁(yè)固定小節(jié)的情況下，可以預(yù)估演奏到翻頁(yè)觸發(fā)點(diǎn)的時(shí)間。第二套方法是對(duì)比輸入和模板的數(shù)據(jù)，判斷演奏位置，決定是否翻頁(yè)，以及翻頁(yè)的時(shí)機(jī)。兩套方法互相印證，最終決定翻頁(yè)動(dòng)作的實(shí)施。

二是播放功能，主要包括播放已經(jīng)錄制的演奏者的原始樂(lè)音，播放顯示的樂(lè)譜樂(lè)音。

播放功能可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的。一是回放演奏者演奏的樂(lè)音，二是播放所顯示的樂(lè)譜聲音。通過(guò)播放可以做到以下功能。

(1)播放可變速，可以讓使用者慢放樂(lè)譜音，通過(guò)放慢樂(lè)音速度，來(lái)熟悉樂(lè)曲。

(2)播放可疊加，可以讓使用者將自己的演奏音和樂(lè)譜的標(biāo)準(zhǔn)音進(jìn)行比對(duì)播放。一共有2種方式，一是設(shè)定左聲道為播放標(biāo)準(zhǔn)音，右聲道為播放演奏音，需要的時(shí)候可以提高或降低一個(gè)聲道的音量來(lái)突出另一個(gè)聲道，達(dá)到對(duì)比的目的。另一種方式可以先播放一段標(biāo)準(zhǔn)音，再播放一段演奏音，前后進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)對(duì)比播放，有利于使用者找出實(shí)際彈奏過(guò)程中存在的問(wèn)題。

(3)普通播放功能。包括播放、暫停、停止、重復(fù)、上一首、下一首等功能。

三是教學(xué)功能，能夠?qū)ρ葑嗾哐葑嗟臉?lè)音進(jìn)行糾錯(cuò)，提高學(xué)習(xí)的準(zhǔn)確性。

糾錯(cuò)功能的實(shí)現(xiàn)是基于演奏樂(lè)音和樂(lè)譜樂(lè)音的比對(duì)形成的?？梢杂?種方式，一是實(shí)時(shí)糾錯(cuò)，將出錯(cuò)的部分在設(shè)備相對(duì)應(yīng)的位置顯示出來(lái)。另一個(gè)是事后糾錯(cuò)，將演奏者的樂(lè)音轉(zhuǎn)換為樂(lè)譜，與原始樂(lè)譜共同顯示，突出不同的部分。

四是樂(lè)譜庫(kù)管理功能，主要包括樂(lè)譜的生成、保存、修改、刪除和搜索。

樂(lè)譜生成有2種方式，一是通過(guò)輸入音樂(lè)轉(zhuǎn)化為樂(lè)譜，包括采用導(dǎo)入MIDI 文件和接收外界樂(lè)音兩種方式生成樂(lè)譜。二是通過(guò)人工打譜的方式生成樂(lè)譜。

生成的樂(lè)譜可以決定是否保存。保存可以實(shí)現(xiàn)圖片格式保存和特定格式保存。保存為特定格式的樂(lè)譜將自動(dòng)和源文件鏈接，下次使用時(shí)將自動(dòng)調(diào)用。

樂(lè)譜的修改，可以在生成的樂(lè)譜上進(jìn)行修改，比如樂(lè)音的時(shí)值、音高等等信息。

樂(lè)譜的刪除，可以將不需要的樂(lè)譜刪除。

樂(lè)譜搜索可以對(duì)哼唱、演奏過(guò)的音樂(lè)進(jìn)行識(shí)別和檢索，找到需要的音樂(lè)。也可以通過(guò)輸入搜索項(xiàng)目進(jìn)行搜索。搜索項(xiàng)目包括樂(lè)曲名、作者名、樂(lè)曲的一段旋律等內(nèi)容。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字化革命就像一股強(qiáng)勁的潮流涌入了人們的學(xué)習(xí)、工作和生活中。電子樂(lè)譜在音樂(lè)領(lǐng)域取代傳統(tǒng)紙質(zhì)樂(lè)譜的趨勢(shì)逐漸顯現(xiàn)。電子樂(lè)譜在樂(lè)器學(xué)習(xí)中的作用將體現(xiàn)得更加明顯?？梢韵胂?，這樣一個(gè)既可以實(shí)現(xiàn)樂(lè)譜顯示和播放功能又具有學(xué)習(xí)功能的電子樂(lè)譜將比一般的電子樂(lè)譜擁有更大的競(jìng)爭(zhēng)力和生存空間。

［1］舒嵐，徐巍，張業(yè)鵬，李莉.基于嵌入式系統(tǒng)的電子讀譜器［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23(9):56－58.

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