计算机音乐可视化表征谱设计

韦岗 曹燕 王一歌 赵明剑

摘  要：MIDI作为一种通用的计算机音乐格式，指定了每个音符的音高、音长、音强、音色等信息，能被计算机理解和编辑。人类听众能听到MIDI音乐，但无法像面对五线谱、简谱一样看到相应的“乐谱”。简谱因其简单而被广泛地应用于音乐标记，可明确地表征音高，但对音长和音强的描述不直观。五线谱主要针对音乐专业人士，普通大众不易入门和视唱。本文结合简谱与五线谱的优点，设计一种与MIDI相对应的乐谱——鸟然谱，实现MIDI音乐的可视化表征。

关键词：计算机音乐;MIDI音乐可视化;表征谱

中图分类号：TN912.3;TP18     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）14-0005-03

Design of Visual Representation Spectrum for Computer Music

WEI Gang，CAO Yan，WANG Yige，ZHAO Mingjian

（South China University of Technology，Guangzhou  510641，China）

Abstract：MIDI，as a general music format for the computer music，specifies the pitch，duration，strength and timbre of each note and can be understood and edited by computers. Human listeners can hear MIDI music，but cannot see the corresponding “musical notation” as they can see the staff and numbered musical notation. The numbered musical notation is widely used in music marker because of its simplicity，which can clearly represent the pitch，but the description of the duration and strength is not intuitive. The staff notation is mainly for music professionals and it is not easy for the general people to get started and sight-sing. This paper combines the advantages of the numbered musical notation and the staff notation and designs a corresponding musical notation for MIDI——Kalaplay notation，which realizes the visualized representation of MIDI music.

Keywords：computer music;MIDI music visualization;representation notation

0  引  言

MIDI[1]（Musical Instrument Digital Interfaced，樂器的数字化接口）是一种通用格式标准，于1983由世界几大音乐制造商，如Sequential、YAMAHA等，共同提出制定，用于解决各个不同音乐厂商生产的电子音乐设备不兼容问题，使得电子乐器设备间不再存在“语言障碍”。与WAV、MP3等大多数音频格式不同，MIDI文件记录的不是波形数据，而是一种结构化描述性的“音乐语言”，以字节记录所要演奏的乐曲信息，指定每个音符的演奏时间、音色、音高、力度等信息。因此，其所占用的存储量非常少，一首5分钟左右的音乐只需占用几到几十KB的存储量，而使用MP3、WAV存储则要几MB甚至更多。

得益于MIDI是一种结构化存储数据，使其易于计算机编辑和分析，然而对于人类受众而言，其可视化程度不高。虽然可以用计算机软件编辑工具查看和编辑MIDI文件，但与熟悉的简谱音符表达“1、2、3、4、5、6、7”相比，人机交互性相差甚远。为此，本文设计了一种与MIDI相对应、人类一目了然的乐谱——鸟然谱，实现计算机MIDI音乐的可视化。

1  音乐乐谱概述

1.1  MIDI音乐谱

计算机音乐系统由数字音频和乐器的数字化接口两个重要部分所组成，数字音频依靠计算机对音频进行录制、编辑、混合等，存储为电子音乐设备都能理解的格式，MIDI正是这个通用的格式，即数字化接口，其解决了各个电子设备之间的交流，却没有解决人和电子设备之间的交互。

计算机MIDI音乐谱是MIDI文件。一个标准的MIDI文件包含一个MIDI文件头块（Head Chunk）和多个音轨块（Track Chunk）[2]。各音轨块记录控制音乐播放的“指令流”，可分为全局音轨和分音轨。全局音轨记录一些全局信息，如歌曲的标题和版权等附加信息、乐曲播放的速度、系统码等。分音轨主要记录音乐播放的事件，其中MIDI事件是音轨块中控制音乐电子设备如何播放音乐的重要指令事件，MIDI事件包括音符事件、控制器事件、音色转换事件[3]等。

MIDI能被计算机相关的软件解析和理解，也能被电子音乐的播放设备翻译为音乐使我们听到，但是MIDI音乐中流动的音符是听得见，却看不到的。有专业软件可以把MIDI制谱为五线谱或者简谱，五线谱和简谱在应用中各有优劣，下节中将简要论述。

1.2  简谱和五线谱

简谱是一种简易的记谱法，采用“1、2、3、4、5、6、7”代表音阶中的7个基本级，读音为“do、re、mi、fa、sol、la、si”，也称为唱名，休止用0表示。在简谱中唱名每隔八度循环[3]，在音符上方加一个点表示高八度，下方加一个点表示低八度，依次类推。如中音“1”到高音“i”相隔一个八度，从“i”开始下一个高音段的循环。简谱的音高表述符号简单直观，但是对于音长和音强的表述则不太直观。

五线谱[4]是目前世界上通用的记谱法，是在五根等距离的平行横线上标注。五线谱以五线和四间来描述音高，相对于简谱，五线谱的优点是易于展示音的高低，对复杂的和声（在一个位置上有几个音同时出现）容易识别，视觉非常清楚;在表示旋律方面，尤其是高低不同的众多音的形态更是比较清楚。但是五线谱不是基于唱名设计的，不具有循环特征，很难在五线四间中哼出唱名，不利于视唱，由此很多音乐家[5]也在积极思考使五线谱朝着可读性（如彩色五线谱以及简谱）方向改进的方法，推动五线谱的发展。

无论是简谱还是五线谱，对于音符时间长度（即音长）的描述，本质上都是采用时间均分加权和，配上符号记法规则来表征[6]，因此需要进行一些计算才能得出音符的时长，不够直观。对于MIDI音乐而言，其音长是连续变化的，用时间均分加权和来表述音长非常不直观。

综上可见：简谱可表现出唱名，便于视唱，但是把MIDI文件中的很多描述都丢失了;五线谱便于记谱，但是与八度循环唱名、音长等方面缺乏一目了然的对应关系，视唱困难，不利于面向大众的音乐应用。

鉴于此，本文汲取MIDI谱、简谱及五线谱的优点，设计出可将音高、音长和音强等音乐要素一目了然展现的乐谱，借用“一目了然谱”之谐音，称其为鸟然谱。鸟然谱用规整图形化的阿拉伯数字表示音符，可像五线谱一样按音高阶梯式排列音符;用长度连续的延长线表示音长;用图形框的粗细表示音强。鸟然谱既可用于视唱，也可用于乐器的演奏。尤其可方便地将MIDI文件转换成可视化乐谱，实现计算机MIDI音乐的可视化，让普通大众边听音乐边看乐谱，一目了然。

2  鸟然谱规则

鸟然谱由说明字段和记谱内容组成。

2.1  鸟然谱的说明字段

说明字段包括：调号说明、时号说明和拍号说明标记在曲谱的前面、曲谱名的下面。

为了便于与MIDI精确接轨，鸟然谱将调号与时号相结合，采用与简谱、五线谱类似但不完全相同的方法来标记;拍号则沿用简谱、五线谱的记法。

例如：鸟然谱用表示D大调;数字90的含义是方框的宽度为1/90分钟时间标尺;表示节拍为八分之六拍。

调号说明、拍号说明和时号说明，在曲谱开始处标记;如果中途不变，只需标记一次;如果中途有变化，则再标出新的调号、时号和拍号。若只是节拍变化，则可只改变拍号。

2.2  鸟然谱的记谱内容

记谱内容在调号说明、拍号说明和时号说明之后，采用小节的形式描述。为了便于划分强弱规律，识别强拍位置，在每个强拍前加画一条竖线“|”，称为小节线。两相邻小节线之间的部分称为“小节”，是音乐作品中最基本的有规律的节奏单位，每个小节包含的节拍数和拍号说明是一致的。每拍用分小节竖线分隔，分小节竖线比小节线细一点。

音符是曲谱的基本表征单元。借鉴简谱与汉字方块字的思想，鸟然谱将阿拉伯数字、“+”“-”及“.”等符号组合在一个标准的方框内，用于表示音符;而方框宽度则表示时间比例标尺。

鸟然谱的基本音符为扩展唱名组：、、、、、、、、、、、，以及延长音“-”和八度分区标识“.”列;用空白表示休止符。该扩展唱名组中的12个唱名可与钢琴一个八度[7]音程内的12个键一一对应。对于C大调，扩展唱名“、、、、”与钢琴中央C八度音程的5个黑键相对应。

鸟然谱高低音的记法与简谱类似，但有区别。简谱的记法是在音符的上方（下方）加“.”表示高音（低音），在上方（下方）每增加一个“.”代表增加一个八度，点越多，表示音越高（越低）。不难看出，当乐谱包含的八度音程很多时，简谱的这种高低音记法占用的行空间多、不紧凑;此外，这种高低音记法与钢琴的高低音琴键分布不一致。我们知道，钢琴左侧（右侧）琴键弹的是低音（高音），为此，鸟然谱在音符的左侧（右侧）加“.”列来表示低音（高音），与钢琴的键盘分区直观对应。

比如同样的高低音符，简谱记为：“”和“”，鸟然谱则记为： 和  。可见用鸟然谱表征具有多个八度音程的乐谱更方便，如钢琴曲等。

鸟然谱音长的记法非常简洁，用不同长度的延长线“-”表示音长。延长线的长度是以音符方框的宽度为时间比例标尺，按该音符的持续时间来确定。与简谱、五线谱需要计算才能确定音長的记法不同，鸟然谱的音长可直接目视定出。此外，鸟然谱的音长可取任意连续值，容易与MIDI谱一一对应，这也是简谱、五线谱不具备的特点。

鸟然谱用音符方框上边框线的粗细来表示音符力度的强弱，也很直观。

2.3  鸟然谱示例

如图1所示是《平安夜》曲子的简谱和鸟然谱表示。对比可知，鸟然谱的音长更容易把握，且音高也更明晰。

3  鸟然谱制作

由上述文字及图1可知，相比传统的五线谱、简谱等记谱方法，图示化的鸟然谱一目了然。但从乐谱制作的角度看，人工书写鸟然谱的复杂度，则比传统的记谱方法大得多。鸟然谱制作需计算机辅助，主要的优势是可以在数码电子屏上实现自动展示。

鸟然谱和计算机MIDI音乐是对应的，因此很容易由MIDI文件转换制作。MIDI文件中的元事件表示MIDI音乐自身的属性，如曲名、歌曲版权、速度、节拍信息、调号信息等。这个信息抽取出来就变成了鸟然谱中的说明字段。MIDI文件中有专门记录音乐播放的MIDI音符事件，该事件是表征曲谱该如何随时间显示音符的，因此可以按照此事件来制作动态的鸟然谱，即是制作鸟然谱中的记谱内容。

如表1所示是一个常见MIDI事件的解析，其中包含了音符的很多属性，如音符序号为67，音量为80，开始时间，结束时间等。根据调式和音符序号67，翻译出这个MIDI事件对应的音符为  ，根据持续时间0.3947s以及速度每分钟76拍，转换出音长信息——半拍，由此可以制作为简单的记谱内容  ，只有半拍的音长。

根据MIDI音乐制作的鸟然谱容易按需拆分成多个分谱，只要把MIDI事件拆分成多个子集即可，如拆分成多个声部，或者拆分成主旋律和和弦，或者根据弹奏分成左手和右手对应的手指等。

4  鸟然谱播放器

鸟然谱播放器是播放鸟然谱的数码电子设备，能辅助人们视唱、弹钢琴等。因具有按需播放、自动翻页等功能，鸟然谱播放器是业余钢琴练习者的好伴侣，故称之为鸟然谱琴侣，或简称琴侣。可基于平板电脑开发鸟然谱琴侣，具有如下特点[8]：

（1）多个琴侣可编成一组，无线同步播放鸟然谱多声部音乐。我们知道，多声部音乐同步播放的延时应当在毫秒以下，而Wi-Fi、4G等公众无线通信方式的同步时延在秒级甚至秒级以上，故不能用于琴侣的无线同步。为此，可采用公用遥控频段无线电广播技术，实现多个琴侣之间毫秒级的无线同步播放。

（2）可任意从琴侣组中选定一个中心琴侣，指挥其他琴侣进行分时显示、自动翻页、音频播放等。

（3）中心琴侣可从云端下载鸟然谱，分发给组内其他琴侣。

5  结  论

本文提出一种可视化的计算机MIDI音乐表征方法——鸟然谱。鸟然谱神似汉字，形似小鸟，由阿拉伯数字及“+”“-”“.”等简单符号组成，音高、音长及音强等音乐要素一目了然。鸟然谱的最大特点是可由MIDI文件自动生成，并且容易与互联网相结合，形成各种互联网数码音乐系統，甚至是互联网数码音乐新生态。例如，基于无线同步平板电脑的鸟然谱琴侣[9]，可实现MIDI音乐与鸟然谱同步显示播放等众多功能，在辅助非音乐专业人士学习钢琴、识谱视唱、业余合唱等方面有广泛的应用前景。

参考文献：

[1] 杨军.MIDI消息和标准MIDI文件格式剖析及应用 [J].中南民族大学学报（自然科学版），2003（S1）：62-64.

[2] 张楚翘.基于乐段特征的MIDI音乐风格分类研究 [D].广州：华南理工大学，2018.

[3] 王小明.MIDI管弦乐中合成音色与采样音色的协同性制作 [D].南京：南京艺术学院，2018.

[4] 沈屹.关于五线谱教学的新方法 [J].北方音乐，2018，38（5）：128-129+149.

[5] 刘见平.论彩色五线谱ABC及简谱记读新法——探索一种视读五线谱的新途径 [A].2003’北京第一届全国音乐欣赏教学学术研讨会.2003’北京第一届全国音乐欣赏教学学术研讨会论文集 [C].北京：中央音乐学院音乐学研究所，2003：71-79.

[6] 尤静波，刘梦沱，刘其瑞.流行音乐基本乐理 [M].合肥：安徽文艺出版社，2016.

[7] 蒙仕娟.试论钢琴演奏水平的提升路径 [J].大众文艺，2018（23）：137-138.

[8] 韦岗，曹燕，王一歌，等.基于同步域自广播的电子指挥曲谱机组装置，中国专利：CN108962202A [P].2018-12-07.

[9] Wei G，Cao Y，Yang C，et al. Digital Sight-Singing Piano with A Fixed-Solfège Keyboard，Continuous Keys and Adjustable Tones by Kneading Piano Keys，European Patent Organisation：EP3407344 [P].2018-11-28.

作者简介：韦岗（1963-），男，汉族，广西宾阳人，教授，博士生导师，就职于国家移动超声探测工程技术中心，主任，博士，研究方向：信号检测;通讯作者：曹燕（1980-），女，汉族，重庆人，副教授，博士，研究方向：声信号处理。