基于柔性传感器的歌手养成训练系统

付锦溪，王宇飞，丁菲，安晓峰

（吉林工程技术师范学院 信息工程学院，吉林 长春 130000）

0 引言

当代声乐教学中广泛使用声音测评软件对学生进行发音练习及测试，既能达到良好的训练效果，也能使得学生有很好的表现空间，符合当下“以人为本”的教育理念[1]。据相关信息统计，我国三十多个省市自治区和直辖市中的二百多所高等院校都设立了播音主持专业，每年毕业自播音主持艺术专业的学生多达上万人，因此培养这一类专业人才的问题变得更为重要[2]。结合信息技术与音乐教学可以大大提高音乐教学的效率[3]。如今，市场上虽然有一些K歌软件，但仍存在误差等各种不精确的评判，人们无法依据这些软件去调整准确的声调。与此同时，当下很多工作和业务都已经实现了完全的线上操作，借助网络资源进行学习也成为一种趋势。

1 系统构成

1.1 系统组成

我们研制的可穿戴歌手养成训练系统分为四个部分：电源模块，数据采集模块，传输模块，接收终端及显示模块。电源模块负责给各个模块供给电源。液态金属震动传感器、湿度传感器、声卡构成数据采集模块，数据采集模块将收集的数据保存。传感器贴在用户的胸部、喉部、话筒等部位上，传感器会实时地将所获得的数据通过蓝牙或者无线网络输送给接收终端。由接收终端进行程序数据显示、处理和识别，让使用者能够实时看到对比结果。结果是通过语音频谱图显示，根据与标准音数值相差结果，及时调整声调，使用户更加接近标准音。

1.2 优势

和常见的电子应变传感检测器相比较，柔性电子应变传感器克服了其易脆缺点，具备柔性轻薄的特点，同时具有优良的透明性、可连续检测与可穿戴性等优势。

1.3 过程

传感器的基底材料在外力作用下产生弹性变形，传感器的微流通道的形状和尺寸发生改变，其电阻值也随之发生变化；然后通过传感器对应的测量电路将电阻转换成电信号；最后信号采集部分将该电信号采集、放大并传输到电信号处理部分进行处理。

2 系统硬件设计

2.1 数据采集程序

在仪器开发软件LabVIEW和双诺的MP420采集卡的基础上，我们开发了一套数据采集系统。其具有性价比较高的特点，并有数据采集、读取、存储与波形显示等主要功能。因为LabVIEW有强大的信号分析处理功能，本数据采集系统可以扩充其它后续会需要的功能。图1给出了MP420_AD.VI子程界面图。在系统软件开始运行之前，用户会先进行参数设置，包括起始/停止通2道的选择、A/D的输入量程、采样模式、采样频率的设定并启动A/D采样。

图1 MP420_AD.VI子程界面图

2.2 数据存储

将DA FIFO读取的数据，存储在其它的数组或硬盘之中。本文读取出的数据，会以文本文件的形式进行保存。

3 系统软件设计

用户使用由液态金属搭载的电子标签，其主要功能为当检测到佩戴者声音状态发生改变时，电子标签的形状及运动状态也会随之发生改变，将检测标签的形变及速度变化产生的实时信号传送至监测模块。

根据发声检测仪的设计需求来看，整个产品应分为状态初始化模块、语音录入模块、唱歌检测模块、发声错误提醒模块、数据录入等。软件界面包括用户登陆界面、主页、测试过程界面、声音测试界面、数据结果查询界面等[4]。

3.1 状态初始化模块

状态初始化模块主要负责对系统内自带的各种功能函数、各种外设接口和功能模块等进行初始化的配置。在用户使用过程中接受声音状态信号，设计实现了一个功能独立，接口灵活的服务架构，实时状态更新检测模块的主要功能是由电子标签的位移来实现对人体发声状态的判断。软件UHFREADER是对读写器的调控软件，通过此软件可以通过串口连接读写器并对读写器进行参数的收集并分析。UHFREADER可以直接读取RFID标签，此功能为歌唱系统的精确感知搭建了良好的基础。

3.2 语音录入模块

语音录入模块主要是输入语音数据，链接数据库，实时监测人体发声部位和发音错误。状态监测模块的主要功能是监测电子标签的形变和位置并对其分析判断是否发出报警信号，如果发出则传输至通信网络终端；该模块通过合理引导，进入列表页后，首先加载布局文件，并为页面中的元素设置响应事件。依据流程指示用户进行声音输入，为后续功能的使用提供声音素材。语音录入界面可选择系统提供的文稿/歌曲，也可以选择自由歌诵。同时为了让用户能找到想要的歌曲，首先配置用户声音，输入此模块，继而启动声音输入采集、读取输入声音、通知声音输入采集、声音输入清零[5]。

3.3 无线通信模块

无线通信模块功能为在报警处理后进行无线通信，控制无线通信模块发送远程报警信息至手机电脑等移动端。在系统初始化之后，将实时监测人体发声部位震动频率，并对实时数据加以处理，反馈到系统，给使用者制定更加适合的唱歌训练方式。

4 系统测试

图2所示为用户发声气息监测示意，当监测到人体发声部位异常，音准错误，会立即进行实时的警报矫正，以告知使用者使用正确的发声部位。当佩戴者电子标签形状及运动状态发生改变时，监测模块会立即对电子标签的状态及位置进行分析，并且发出警告；模块通过实时监测电子标签的位置，依照发音正误做出反应，实时提醒用户更改发音行为。根据流程创造实时提醒页面，给用户提供发生错误反馈，通过警报的方式使用户达到修改本人发声部位的目的。

图2 用户发声气息监测示意图

经功能测试后，系统完全实现了预定功能：若用户发声出现不规范现象，频谱图会及时对比报错并给出正确曲线，使用户进行调整直至回到正确曲线。

5 结语

本设计解决了声乐无法完全实现线上教学、声乐老师短缺及费用昂贵等问题。此系统通过传感器对发声部位及强度做出精准的检测，并结合大数据及人工智能给出最优改正方案。基于柔性传感器的歌手养成训练系统可以成为声乐教学或自学的辅助。用户在寻求指导时，可以使用精确的数字阐述自身存在的问题，减少了沟通方面的成本，将学习成果数据化、可视化。从经济的角度来说，产品方便、快捷、易上手，在很大程度上为人们节约了场地、教师，且可以重复利用。这为学习声乐的人群降低了成本。从服务的角度来说，产品为每个人提供了做出发声检测、给出精确数据并针对具体应用场景提供改正方案的服务，降低了用户提高声音质量的门槛。为想要接受专业音乐指导的人作出具有针对性、专业性的评判结果以及矫正方案。解决了往常靠导师进行指导存在的人耳校准系统不准确、评判结果各不相同的问题。同时本产品记录用户每次使用的评判结果，将其纳入数据库中，给予用户精准的数字化评判结果，为用户的进一步发展提供解决方案。