钢琴考级智能评价系统开发的必要性与可行性

李宇峰 （东北大学艺术学院音乐系 110004）

钢琴考级智能评价系统开发的必要性与可行性

李宇峰 （东北大学艺术学院音乐系 110004）

目前，在我国开展的钢琴考级工作中，存在着教师水平参差不齐、评价标准不规范等诸多问题。结合计算机技术开发一套“钢琴考级智能评价系统”可以很好地解决这些问题。通过音乐与计算机专家的联合论证，这一套系统的研发是可行的。

钢琴；考级；软件；智能评价；模块

一、钢琴考级智能评价系统开发的意义

对于钢琴考级来说，系统化的考级教育、考级考试是钢琴考级工作顺利开展的基石。钢琴考级工作在我国开展的历史已逾20年，在文献资料整理收集、考前教育、考级评定、考级评审等工作中积淀了极为丰厚的工作经验。然而，钢琴考级工作依然存在着诸多难以解决的问题，综合来说，这些问题可以归结为以下四点：（1）由于钢琴考生多为社会业余钢琴学习者，且以非专业音乐院校的在读学生为主体，对于钢琴考级考试要求与标准认识不清晰，不能准确地分辨在各个阶段钢琴学习中如何正确的把握考级要求；（2）由于钢琴教育社会化程度高，教育资源复杂，钢琴教师的水平参差不齐，业余钢琴学习者并不能分辨钢琴教师的实际专业水平最终导致钢琴教育的不正规不专业而学习失败；（3）目前钢琴考级考试以将客观考试内容进行主观评分的模式为主，由于考级评委对于钢琴艺术理解的不同，造成了考试成绩不能做到严格的统一化、标准化、以至于对于社会钢琴教育也会产生一系列困扰；（4）在钢琴学习过程中，学习者并不能时刻处于钢琴教师的指导之下，在自我学习过程中如产生学习偏差、练习失误等情况，钢琴学习者并不能自我纠正。

上述问题的解决，通过传统渠道很难实现。笔者在长期的教学与做考级评委的工作中发现，运用计算机技术可以很好地解决这些问题。近年来，笔者进行了一些力所能及的尝试，收集了大量钢琴考级教学工作中的实际教学经验与资料、研究了近十年的考级考试工作中的考试实际评审情况。最近，邀请到多位省内专家、学者、技术人员共同论证了“钢琴考级智能评价系统”的可行性。“钢琴考级智能评价系统”能够客观地评价演奏者演奏的音高、节奏以及失误率，考级考试时，可作为评委打分的辅助，平时教学时，可作为学生练习的辅助。

通过较为充分地论证，“钢琴考级智能评价系统”可以很好地解决上述难题：（1）软件可以切实地设定考级考试标准，并且能够实际的示范考试内容让考生切实地把握；（2）软件可以切实地暴露出非专业水平钢琴教师的各项不足，它将导致钢琴教育市场的正规化、高水平化；（3）软件应用在考级考试过程中，可以将音阶、练习曲的考试标准进行计算机统一化、固定化的设定、乐曲进行以计算机设定标准为主、评委评分为辅的评分方式，极大的提高了钢琴考级评分的一致性、公平性。（4）软件应用在钢琴学习中，可以产生的练习误区、教师教学失误等情况一并规避，极大地提高了钢琴学习效率。“钢琴演奏考级智能评价系统”的建设极大的促使钢琴考级向正规化、专业化、前沿化的方向发展，可以解决当前钢琴考级教育中存在的一系列不规范问题的现状。

二、钢琴演奏考级智能评价系统的技术实现

“钢琴考级智能评价系统”主要由音高评判模块、时值评判模块以及音符间隔评判模块组成，这三个模块分别从不同角度来智能评价钢琴演奏的准确度。最后通过综合这三个方面得分计算最后的总得分。本系统主要的研发方向为此三个模块，它完全不影响考级考试工作中主观艺术评价标准。

1.音高评判模块

在演奏过程中，对每个独立音符的音高进行提取，是利用计算机分析音乐的关键之一。音符的音高和时值是构成每首乐曲的根本,也是一首乐曲与其他乐曲的本质区别。当演奏时，任意音符的音高如出现偏差，计算机则会利用智能评价系统来评判音符的正误。此外，乐谱中的音高和钢琴上的88个键也存在明确的对应关系，因而可以通过提取考生弹奏的音高序列，并映射成键位序列，再并与标准的弹奏方式产生的键位序列进行比较就可以确定考生在演奏时是否出现错音。

在本系统中采用谐波峰值法，这一经典的算法提取演奏中的音符音高及其相应的时值。这种方法将录制音频的wav格式文件经过快速傅立叶变换得到频率随时间变化的数据，并提取其最大值序列确定音高。我们可以通过调用matlab中有关快速傅立叶变换的函数较为方便的进行实现。

2.时值评判模块

在音高评判模块中系统不仅可以确定学生弹奏的每个音符的音高，还可以确定相应音符的时值，但是这个时间是绝对时间（例如0.1秒、0.2秒）。而在实际的演奏中，每个人的风格和对乐谱的熟练程度存在较大差别，直接比较绝对的时间长度会使得评分变得不具备说服力。因而本系统通过比较音长相对整个乐谱的时间比例（例如1/100、1/50）来确定音长的正确与否，这样就避免了熟练程度和演奏风格对评分带来的影响，使得评分更加客观。

3.演奏失误评判模块

在演奏过程中，考生突然出现意外失误情况，比如出现演奏增加额外音符、演奏增加额外停顿的情况。这时需要通过对系统进行一系列设定来达到正确评判的目的。在评判的过程中，系统还会通过设定相应的阈值来判断演奏是否出现了失误（增加额外音符、并且与乐谱严重不符；停顿时间超过阈值，并且该处没有休止符），并给予学生一定数量的失误机会。

4.系统运行的整体流程

如图所示为本系统运行的整体流程，首先本系统读取保存在wav文件中的音频数据，然后通过滤波器去除噪声，然后循环计算每个音符的音高，并记录该音符弹奏的时刻，直到音频的最后一帧，然后计算整个乐曲的演奏时间。在处理完整个音频之后，我们可以计算每个音符的音长与整个乐曲长度的比例关系，以及音符间隔与乐曲长度的比例关系。最后通过将音符的音高映射成钢琴88个键，并将按键与正确的按键序列相比较，得出学生在音高方面的得分。然后再比较音长的相对时间与标准的音长相对时间，以及音符间隔的相对时间与标准的音长相对时间来确定学生在音长以及音符间隔方面的得分。最后在确定学生此次演奏的综合总得分。如出现失误次数超过预定上限，则系统会判断考试不过关，并且终止该次演奏考试。

三、结语

随着科学技术的不断发展，钢琴考级教育与考试工作没有跟上时代发展的潮流，仍然遵循“前网络时代”的传统模式，以至于社会钢琴考级考生的学习效率效果相比于其他已开展创新模式教育的学科来说，已存在严重的滞后性。“钢琴考级智能评价系统”的开发，可以方便地解决考级工作中产生的一系列问题。经过多年的筹备和切实地论证，此套系统在技术上能够实现，且必将在将来的考级教学与评价中发挥巨大的作用。