浅谈钢琴自动演奏系统

迟耀丹俞昌盛马 茹李 田

（1.吉林建筑大学 电气与电子信息工程学院，长春 130021；2.吉林省建筑电气综合节能重点实验室，长春 130021；3.吉林省气象服务中心，长春 13006）

浅谈钢琴自动演奏系统

迟耀丹1，2俞昌盛1马 茹1李 田3

（1.吉林建筑大学 电气与电子信息工程学院，长春 130021；2.吉林省建筑电气综合节能重点实验室，长春 130021；3.吉林省气象服务中心，长春 13006）

钢琴自动演奏系统是高科技机电一体化装置，可安装在各式钢琴上，通过软件与硬件相结合，记录弹奏数据并再现演奏过程。该系统不会影响钢琴的原有性能，有很好的文化前景和良好的经济效益。本文对钢琴自动演奏系统展开综合论述，介绍其现阶段的市场、应用及主要设计方案等，并对未来的发展进行展望。

钢琴 自动演奏 机电转换 乐谱编码

引言

随着数字通信技术，计算机技术的广泛应用，电子技术在机械制造和音乐等领域中体现出越来越大的价值。20世纪后期，计算机音乐逐渐成为音乐中最重要的发展方向，钢琴自动演奏系统也应时而生。钢琴自动演奏系统是一种可以附加在平台式的三角钢琴、立式钢琴等传统钢琴上的智能电子装置，是软、硬件相结合的高新技术产品，在当今物质和文化高度发达的社会中起着至关重要的作用。自动弹奏就是模拟人工弹奏，主要包括琴谱解码、琴键弹压、延音踏板控制及乐曲演奏[1]。钢琴自动演奏系统可以记录钢琴的演奏过程，并依据记录好的数据驱动钢琴机构运动，再现演奏的过程。作为附加装置，钢琴自动演奏系统对钢琴的演奏性能没有任何影响，在实现电声钢琴功能的同时，又不失纯厚完美的音色，为传统钢琴增加了崭新的功能，在促进艺术、经济和科技飞速发展的同时，也彰显着时代的进步。

1 国内外发展现状

最初的钢琴自动演奏装置只是在普通钢琴前加一部可以移动的“演奏器”，它诞生于19世纪末，在普通钢琴上方增加65～88个“木手指”，外型与小型足踏簧风琴相似。在20世纪20年代，自动钢琴在欧洲两年内生产数量达到50万台，并在人们的家庭娱乐中广泛流行开来；直到20世纪30年代，无线电及唱机的出现，其才逐渐被淘汰。但仍有很多作曲家对自动钢琴情有独钟，其优点在于纸卷打孔在数量上可以不受十指限制，且音域和音数都可以得到全面运用和发挥。例如，拉赫玛尼诺夫、德彪西、马勒、格什温、R•施特劳斯都是青睐于自动钢琴的作曲家，他们为这个乐器作曲，并制成纸带，用来演奏。在美国，钢琴自动演奏系统已经诞生了超过100年，仅在1980年1年内售出的近20万弹琴中就有3万台装有钢琴自动演奏系统，也在同年达到了其销售的高峰。随着科学技术的迅速发展，20世纪60年代，研究人员将数字控制技术和机电一体化引入钢琴自动演奏系统。随着电子技术飞速发展，指导20世纪80年代，才出现了真正的现代自动演奏钢琴，它是用集成电路进行控制，从而达到自动演奏的效果。该系统之所以迅猛发展，是因为它有极大的产品市场和提升空间。

美国的PIANODISC公司、日本的YAMAHA公司及美国的QRS公司等都是生产钢琴自动演奏器的知名企业。其中，美国PIANODISC公司在钢琴自动演奏系统中名气最大，有全面占领中国市场的局势。在国内，许多公司也为钢琴自动演奏系统的技术引进和研发做出了巨大贡献，例如，北京乐器研究所、上海泛音钢琴技术中心、广州雅迪数码科技有限公司等，这无疑推动了自动钢琴在我国本土的进程。目前，中国正处于发展中国家，在经济和社会环境上都与80年代的美国有很多相似之处，且在我国钢琴的销售总量高于80年代的美国，由此可见，钢琴自动演奏系统已受到人们的广泛关注，未来10年内的市场前景也非常可观。

由于国内钢琴自动演奏系统起步较晚，因此，其整体科技含量和国际还存在一定差距。但就个体水平而言，国内的技术已经和国际接轨，不逊色于国外，且一直在进行技术革新。

钢琴的自动演奏系统适用于酒吧、咖啡厅、售楼部样品店、休闲娱乐会所、高档购物中心、展会、汽车4S店、商场、星级酒店、西餐厅、医院大堂、产品品牌形象店、琴行教学展示、高尔夫球场和别墅等较为高档的消费场所或高雅尊贵的商业及私人空间，钢琴自动演奏系统在提供背景音乐的同时又不失奢华，既调动了现场气氛，又能吸引顾客的注意力和好奇心，并给顾客留下了深刻印象。

2 设计方案概述

当前，市场上对该系统有多种设计方案，按照核心部件可分为基于单片机，基于PLC，基于音型数据库，基于可编程逻辑器件等；按照驱动方式可分为机械电路，气动控制电路等。下面主要按照核心部件分类进行介绍。

2.1 基于单片机

如图1所示，控制芯片为一个单片机，演奏信息通过传感器被记录下来，并被保存下来，然后通过控制模块向执行元发送已经记录下来的信息的输出指令，最后，由执行元件输出按下琴键，从而达到自动演奏的目的。运用单片机内部的Flash进行存储、定时、记录键位信息和时间间隔。此外，其还包括一个对钢琴键位随时进行扫描的检测程序及重放程序，当输出完成后，按动重放的按钮，程序会从头按照已记录的数据进行再次输出，因为数据存放单片机内部Flash中，这样可以完成重复N次输出的要求。由于单片机内部的Flash资源有限，只能记录较短的乐曲，若加一个外部扩展的Flash存储器，就可以记录较长的乐曲。

图1 系统结构框图

2.2 基于PLC（Programmable Logic Controller可编程控制器）

通过一种乐谱与PLC程序的转换方法进行设计，使用54键的电子琴，实现基于PLC的电子琴自动演奏系统，包括系统的总设计，I/O口的映射过程（即建立电子琴内部触点与PLC的I/O口映射关系），乐谱与PLC程序的转换，PLC的程序流程等。为了能够更好地控制电子琴的所有按键，内部处理器采用了7×8的键盘矩阵，利用PLC的15个输出点来进行控制。

此外，还有一种气动演奏系统，是以PLC为控制主体，进行气动回路设计，应用顺序控制技术，气动阀岛技术等。如图2所示，为气动程序控制方框图。

图2 气动程序控制方框图

2.3 基于音型数据库

图3所示为系统的体系结构框图。输入一系列带有钢琴伴奏的样本谱例，通过对样本的训练，构建一个钢琴伴奏音型元结构数据库。系统收集钢琴原始伴奏音型后转换为音型元结构存入数据库中，并调整2个HMM参数，形成一种与输入样本相近的伴奏风格。在配曲阶段，系统根据乐曲旋律的基本信息，和目前参数的伴奏风格，利用Viterbi算法，查询数据库，为旋律片段选择合适的钢琴伴奏元结构，最终生成钢琴伴奏。数据库中主要包括K声调式音阶特征单元表，旋律片段节奏表，钢琴伴奏音型节奏表，调式特征和弦表，收集的样本谱例的调式和弦序列隐马参量表，收集的样本谱例的节奏对比序列隐马参量表等。

图3 系统体系结构框图

2.4 基于可编程逻辑器件

图4是系统的设计原理框图。该系统是一种基于FPGA的电子琴，其核心部件和适当的外围电路的构成用 VHDL语言描述，既可通过琴键进行手动演奏，也可由机器自动进行乐曲演奏，同时还能模拟传统乐器的音色，如笛、小号、风琴、单簧管、双簧管等。具体的实现方法为：将乐谱中每个音符的音调及节拍变换成相应的音调参数和节拍参数，将他们做成数据表格，存放在存储器中，通过程序取出一个音符的相关参数，播放该音符，该音符唱完后，接着取出下一个音符的相关参数，直到播放完毕最后一个音符为止，根据需要也可循环播放整个乐曲[2]。

此外，还有一种基于CPLD（复杂可编程逻辑器件），开发工具采用EDA，硬件描述语言使用VHDL语言，程序运行平台为MAX+PLUS II ，进行一系列的仿真运行调试，也可实现设计。

图4 系统设计原理框图

3 发展趋势

钢琴自动演奏系统是一个新生事物，还存在一定的不足。如，按照准确的数据记录信息严格地再现演奏过程，致使演奏过于精确，缺失了音乐艺术的个性，自动演奏的音乐也缺少了人性化。但正因为如此，钢琴自动演奏系统拥有巨大的发展前景。

为了解决这些缺点，未来的钢琴自动演奏系统除了音乐本身的影响外，还必须注意从视觉、感官和情感上增加对艺术的欣赏，使观众的感受更加直观逼真，并加强演奏家、音乐作品与观众之间的联系，强化音乐审美中的视听结合与互动，实现人与设备，技术与艺术的完美结合。

4 结语

本文论述了钢琴自动演奏系统的应用、现状、实现方案和发展趋势，从自动钢琴和计算机音乐的发展可以看出艺术文化有其特定的继承与发展规律，技术和艺术之间必然存在某种内在联系。艺术的发展需求刺激技术不断创新，而技术的不断进步也让艺术的梦想成为现实。科技的不断探索和改革，带给人们繁荣的物质和精神世界。钢琴自动演奏系统作为科技的产物，也必将创造良好的经济效益，推动人类生活进步。

[1]广州市欧尔雅钢琴厂.解开“钢琴自动演奏系统”的奥妙工作原理[EB/OL].（2015-10-19）[2015-10-20].http://info. b2b168.com/s168-29822811.html.

[2]吴定允.基于FPGA的乐曲自动演奏器的设计[J].科学技术与工程，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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吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目吉教科合字【2015】第280号《嵌入式电磁辐射信号处理系统》。