电子乐谱综述

2012-03-19许锦生林嘉宇

微处理机 2012年1期

许锦生，林嘉宇，周巍

(国防科学技术大学电子科学与工程学院，长沙 410073)

1 引言

近年来，随着生活水平的提高，人们对于乐器学习的热情逐渐升温。但就整个社会而言，能够有资质进行乐器教学的单位或个人毕竟有限，更由于人工教学水平能力的不确定性，以及受到场地时间等的限制，人们倾向于通过各种预先编制了学习教学程序的设备来学习各种内容，比如各种早教机、点读机、学习机等。如果能够开发出针对个人的电子乐谱显示和播放设备，再配合相应的学习功能，那么对于普及乐器学习以及降低乐器学习的难度，可以有很大的促进效果。

这里主要介绍基于电子乐谱显示技术，配合音乐合成、乐音识别、音乐检索，设计一个可以进行乐谱显示、音乐播放、演奏纠错、自动翻页和乐谱库管理的电子设备。

2 当前电子乐谱显示播放方法

2.1 电子乐谱格式

对于音乐的记载，远古时期，人类采用的是口头传唱的方式来传承。后来人们认识到音乐的规律之后，对音乐有了进一步了解，音乐理论逐渐得到发展，通过使用特殊符号来记录音乐。进入计算机时代，音乐制作和表现发生了很大变化。1981年，工程师戴夫·史密斯在他的论文中首次提出了MIDI(Music Instrument Digital Interface 音乐设备数字接口)标准。1983年8 月，MIDI 规范1.0 发布。目前基于MIDI的各种应用都很成熟。1994年2 月，一些音乐软件提供商共同提出了NIFF(Notation Interchange File Format 音乐符号交换文件格式)。它弥补了MIDI 对音乐中的小节、重复、连奏表现力的不足。并且能描述出音乐的各个元素在乐谱中的表现形式。但是由于NIFF是二进制格式，结构复杂，不便应用。2004年1 月Recordare 公司发布了MusicXML1.0 版本。2005年5 月发布了1.1 版，2007年6 月发布了2.0 版。MusicXML 最大的优点在于非常便于网络在线交流，阅读方便，结构清晰，对于音乐信息记录非常规范。比较三种现今使用的数字音乐格式，NIFF 已经于2006年2 月关闭网站，一些以前对NIFF 提供支持的音乐软件商都放弃了对NIFF的技术支持，因此不适合作为考虑的格式。MusicXML 虽然有很多优点，但是作为新生的格式，应用还不够广泛。MIDI 作为使用范围最广的格式，不仅具有公开的标准化文件格式，而且网络上有大量现成的资源可以选用，这个优势是其它格式不可比拟的。因此在进行格式选择上，可优先选择MIDI格式应用。

2.2 电子乐谱显示播放

经过检索，乐谱的显示及播放方法主要有以下几种:

(1)湖北工业大学机械工程学院的舒岚等人在论文《基于嵌入式系统的电子读谱器》中提到，使用嵌入式技术，采用S3C2410 处理器构建硬件平台，利用Platform Builder 定制操作系统，应用Embedded Visual C++，完成基于Windows CE.Net的应用软件开发。相比较传统的机械式翻谱器来说，体积小巧、存储量大、操作简单、携带方便，能很好的解决外出演奏时携带乐谱和现场演奏时翻谱的问题。电子读谱器采用触摸屏输入，能够迅速捕获、显示输入信息，用户可直接在乐谱上作标记符号，并记录创作心得;采用脚踏无线遥控开关控制乐谱翻页，工作可靠且无噪声;内置节拍器，有利于培养音乐爱好者的节奏感［1］。

(2)东南大学的艾晓辉等人在论文《电子乐谱的设计与实现》中描述，通过使用带有两个显卡及声卡的计算机，两个15 英寸的液晶显示器，MIDI 设备，两个按键开关及其与计算机的接口电路，实现了自动翻谱、选曲等功能。系统包括4 大模块即显示模块、编辑模块、乐曲操作模块和翻谱模块。

显示模块的设计包括乐谱显示和用户界面两个子模块设计，其中乐谱显示子模块主要完成将MIDI音乐显示出乐谱图形，而用户界面子模块用来提供良好的人机交互界面。

编辑模块有乐谱修改、乐谱打印、总谱分离和分谱综合四个子模块。乐谱修改主要实现对乐谱的各种编辑操作功能;乐谱打印模块完成乐谱的打印功能;总谱分离模块用来实现由指挥所用的谱(所有演员所用的谱的合成)文件，即总谱MIDI 音乐文件直接产生各个演员所用的分谱MIDI 音乐文件;分谱综合则是由各个分谱MIDI 音乐文件直接产生总谱MIDI 音乐文件。

乐曲操作模块主要完成乐曲库的建立和维护，包括四个子模块:删除旧曲、自动搜曲、作曲、选曲。作曲子模块提供了两种可供音乐工作人员作曲的方式:通过MIDI 设备边演奏音乐边记录乐曲和通过键盘直接输入乐符后转化为MIDI 音乐文件。选曲子模块主要是为了电子乐谱使用者提供方便快捷的选曲操作界面。

翻谱模块用来完成电子乐谱的核心功能，即自动翻谱，它是通过采样实际音乐演奏速度来决定翻谱时间。电子乐谱为了在翻谱时提示使用者正在翻页，提供了两种可选的动画翻页模式:翻书模式、切屏模式。翻书模式是指电子乐谱在翻谱时产生类似人们翻书的动画效果，产生一次翻谱动作，电子乐谱两个显示器的乐谱都刷新。切屏模式是指电子乐谱自动翻谱时，一次只刷新一个显示屏的乐谱［2］。

(3)山西武艺民发明的“拼对式一步成乐谱排版软件”通过以类似平时书写乐谱形式的拼对式乐谱输入方式实现了乐谱输入，即将一行乐谱分成上中下三行不同的音乐符号拼对而成。中行是音符、休止符、附点、括号、小节线、反复号和终止线的书写位置;下行是低音电和代表不同时值的减时线的书写位置;上行是连线、装饰音以及强弱、快慢、顿音、吸音等记号的书写位置。

(4)刘晓翔等人设计并实现了一个支持笔输入的乐谱编辑器［3］，用户使用笔和书写板输入乐谱符号，利用基于网格编码的单笔画手势识别算法识别手势符号，生成与输入相应的乐谱，具有实时播放功能。与传统交互界面的乐谱编辑器相比较，该系统更加符合人们对乐谱的书写和认知习惯，使乐谱输入过程变得简单、自然、高效。

(5)2009年的“Hotpress Show 2009”音乐展览中展出的“i－tab 选项卡”是一个5 英寸的触摸屏设备，作为世界上第一个专为吉他手而设的小巧的乐谱显示器。i－tab的主要功用是显示乐谱。设计者称可以把它放在任何吉他床头的头部，i－tab 选项卡提供了一个内置4GB的存储空间，提供足够的空间来携带成千上万的歌词。但是实际上i－tab 显示的内容并不是六线谱或者五线谱，而只是简单的歌词和和弦谱。

上述几种方法是当前乐谱显示和播放主要使用的方法，都能够实现乐谱的自动翻页，有的还可以实现乐谱的播放。但是这些方法都有一些不足。

第一种方法脚踏式翻页，虽然能够实现及时翻页，在处理上也比较简单，容易实现。但是没有能够从根本上解决自动翻页的问题。翻页工作仍然需要人工操作，没有能够实现智能化翻页，演奏者仍然需要分心去关注乐谱的翻页。同时乐谱虽然可以直接使用网络上现成的乐谱，但是在使用前需要用户先进行相应的命名更改，以适应设备的引用文件规则。这个设定在乐谱较少时还可以较好的实现，当保存的乐谱量较大时，工作量将增加许多。方法一还能够实现对乐谱的修改保存，但是这样的修改和保存仅仅是对图片的一种处理和保存，不能够做到将修改保存的内容形成乐音，直观性不够好。

第二种方法较好的实现了乐谱的及时智能化翻页，但是需要使用的器件和设备较多，而且有些功能对于理想设备的设计不是很合适，主要表现在:①电子乐谱主要是单人使用，不需要进行乐谱的总谱分离和分谱结合。同时，电子乐谱的定位为单显示器的便携式乐谱显示和播放设备，因此如果还需要使用一台配套电脑进行搭配使用，那么对于便携性来说是很不适宜的。②方法二中仅仅能够实现乐谱的显示功能，没有能够将所显示的乐谱数字化，更不用说能够播放相对应的乐谱乐音。

方法三中武艺民发明的“拼对式一步成乐谱排版软件”能够实现乐谱的编辑和打印。但是软件仅仅只能够实现乐谱的文本编写和打印，无法实现乐谱与乐音的匹配。也就是说，创作人员不能够直接听到自己当时所编写的内容的乐音。

刘晓翔等人设计的《支持笔输入的乐谱编辑器》能够通过简单的笔画手势来进行音乐创作。虽然作者强调了笔输入的乐谱编辑器比传统的交互界面更加符合人们对乐谱的书写和认知习惯。但是事实上文章中没有能够真正的实现符合音乐创作人习惯的所见即所得的创作方式，文章中提出了使用另外定义的20～30个交互手势命令代替原本的乐谱符号。而这个替代，本身就增加了使用人员的使用难度，不如传统的交互式乐谱编辑界面直观。

“i－tab”作为一个在吉他上使用的乐谱显示器，便携性毋庸置疑。但是在乐谱显示上，由于5 英寸屏的显示限制，导致了i－tab 不可能显示正常的乐谱。

3 电子乐谱功能

通过借鉴前人的经验，作为电子乐谱应该具有显示功能、播放功能、教学功能、乐谱库管理功能等四大部分。

一是显示功能，主要包括乐谱的显示功能，乐谱的翻页功能。

乐谱显示功能是通过显示器将演奏者所指定的乐谱内容显示在屏幕上。这里显示的乐谱将是基于用户所提供的音频文件即时生成并显示在屏幕上的。

翻页功能是本设备的核心功能之一。可以通过三个步骤来实现。①对乐谱的数字化。输入设备的信息是MIDI 格式的乐音，通过对MIDI 文件的分析检索，将MIDI 文件的主旋律音轨抽取出来，形成比照模板。②采集演奏者输入的乐音。分析处理形成待匹配的数据。③实施翻页动作。实现翻页动作采取2 套协作判断的方法。第一套方法是采集输入乐音和原始乐音的演奏速度，在每页固定小节的情况下，可以预估演奏到翻页触发点的时间。第二套方法是对比输入和模板的数据，判断演奏位置，决定是否翻页，以及翻页的时机。两套方法互相印证，最终决定翻页动作的实施。

二是播放功能，主要包括播放已经录制的演奏者的原始乐音，播放显示的乐谱乐音。

播放功能可以实现两个目的。一是回放演奏者演奏的乐音，二是播放所显示的乐谱声音。通过播放可以做到以下功能。

(1)播放可变速，可以让使用者慢放乐谱音，通过放慢乐音速度，来熟悉乐曲。

(2)播放可叠加，可以让使用者将自己的演奏音和乐谱的标准音进行比对播放。一共有2种方式，一是设定左声道为播放标准音，右声道为播放演奏音，需要的时候可以提高或降低一个声道的音量来突出另一个声道，达到对比的目的。另一种方式可以先播放一段标准音，再播放一段演奏音，前后进行对比。通过对比播放，有利于使用者找出实际弹奏过程中存在的问题。

(3)普通播放功能。包括播放、暂停、停止、重复、上一首、下一首等功能。

三是教学功能，能够对演奏者演奏的乐音进行纠错，提高学习的准确性。

纠错功能的实现是基于演奏乐音和乐谱乐音的比对形成的。可以有2种方式，一是实时纠错，将出错的部分在设备相对应的位置显示出来。另一个是事后纠错，将演奏者的乐音转换为乐谱，与原始乐谱共同显示，突出不同的部分。

四是乐谱库管理功能，主要包括乐谱的生成、保存、修改、删除和搜索。

乐谱生成有2种方式，一是通过输入音乐转化为乐谱，包括采用导入MIDI 文件和接收外界乐音两种方式生成乐谱。二是通过人工打谱的方式生成乐谱。

生成的乐谱可以决定是否保存。保存可以实现图片格式保存和特定格式保存。保存为特定格式的乐谱将自动和源文件链接，下次使用时将自动调用。

乐谱的修改，可以在生成的乐谱上进行修改，比如乐音的时值、音高等等信息。

乐谱的删除，可以将不需要的乐谱删除。

乐谱搜索可以对哼唱、演奏过的音乐进行识别和检索，找到需要的音乐。也可以通过输入搜索项目进行搜索。搜索项目包括乐曲名、作者名、乐曲的一段旋律等内容。