论钢琴的“智能化”发展及其对钢琴文化领域的影响

2021-07-19魏新宇

齐鲁艺苑 2021年3期

魏新宇，孙烨

(沈阳音乐学院音乐科技系，辽宁沈阳 110818；优艺汇艺术文化有限公司，辽宁大连 100085)

引言

钢琴的“智能化”以智能平台、电子配件、机械元件为载体发展出具有便携性、理性和精准性的智能乐器，在音乐创作、音乐教育以及互联网时代的音乐表演等领域中发挥着积极的作用。但相较之步履维艰的钢琴发展之路，钢琴的“智能化”发展还处于不断摸索的阶段，正因如此，大众对钢琴“智能化”发展在音乐艺术以及乐器科技上的作用和地位不甚了解，对其发展趋势的研究也易被忽略。本文通过回顾钢琴从“自动化”到“智能化”的发展历程，结合对国内外钢琴“智能化”发展的进程，以Find、海伦钢琴、雅马哈等具体智能化型号为例，归纳钢琴的“智能化”在自身结构、音响效果、发音方式等多方面的变化，对钢琴的“智能化”这样一种既不脱离传统审美需求，又切合时代潮流的发展趋势进行归纳探索，从而更好的为现代钢琴文化发展服务。

一、钢琴智能化发展的历史回溯

1.自动演奏钢琴

钢琴“自动化”发展的主要成果为自动演奏钢琴，它是钢琴发展史上的一个重要阶段。《牛津简明音乐词典》将其分为三种不同类型：第一种出现于1895年后期，“这类乐器装有一种设备，用它来触发按键而非用手弹奏，通过风箱和踏板或是靠电力提供压缩空气。压缩空气由一个逐渐展开的纸卷上的孔控制，这些孔是根据乐曲来安排并用于演奏。纸上的孔不受双手(或四手)所能弹奏的音符的数量所限制”；第二种是1904年出现的“再现钢琴，一种可以记录和重现艺术家演奏的钢琴”；第三种是1978年“利用将演奏转录成磁带或其他载体的技术，通过计算机的辅助自动演奏的钢琴”。[1]在经历纸卷自动演奏钢琴从19世纪90年代到20世纪20年代，接近50年的沉淀后，20世纪后期电磁自动演奏钢琴登上舞台，这些电磁演奏系统也可以说是近现代钢琴智能系统产生的一块基石，例如：美国QRS公司的Piano Matio Midi系统、Piano Disc公司的PDS123系统、雅马哈公司的Disklavier系统。

电磁自动演奏钢琴的发声原理分为三步：首先是通过计算机技术从外接存储媒介比如CD、软盘或其他媒体中获得音乐资源，其次是将资源中带有MIDI模式的音高、时值、力度等控制参数和指令以异步串行的形式传输给MIDI信号处理器以及控制系统，信号处理器对不同的MIDI信号流进行转换，利用转换后的电磁信号来对机电转换装置发出指令，这些机电操控系统就是一排螺线管(1)指的是多重缠绕的导线，通电后产生均匀磁场。，它们被安装在键盘后方的中盘上，每一个螺线管中套装一个可以上下活动的活塞杆。当螺线管接收到电磁信号，活塞里的顶杆推动键盘末端，键盘带动击弦机运转，琴槌自然敲击相应的琴弦发声(图1)。

图1

在科技飞速发展的今天，电磁自动演奏系统虽然还被广泛应用，但远不止电磁系统这一种档次。基于核心部件可分为单片机(2)是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的CPU等集成到一块硅片上构成微型计算机系统，应用于自动演奏钢琴的控制盒中。、PLD(3)Programmable Logic Device即PLD，是作为一种通用集成电路产生，可对其编程，应用于自动演奏的机电转换装置。、音型数据库(4)是一种可存储、循环自动演奏所需的各方面音乐信息的系统。、可编程逻辑器件(5)可编程逻辑控制器，可进行数字运算的存储器。等；基于驱动方式可分为机械电路，气动控制电路等。作为附加装置，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，再现演奏过程，对钢琴的演奏性能并没有任何影响，在实现电声钢琴功能的同时，又不失淳厚完美的音色，为传统声学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，也彰显了时代的进步。

2.从钢琴的自动化到钢琴的智能化

把钢琴的自动化发展局限在自动演奏功能和自动演奏系统上，这种观点是片面的，以世界顶尖钢琴制造世家“施坦威”为例，自从1898年生产的KP系列纸卷自动演奏钢琴无人问津后，时隔百余年在2016年推出Spirio新悦钢琴。如果单单以制作工艺和机械自动演奏功能来界定它的话，它只是一台自动演奏钢琴，但以其应用途径和使用价值来界定的话，其采用携带式缠绕线圈螺线管(6)缠绕线圈螺线管的一种升级，对于电量强弱的感应更加敏感。来激活每个琴键，高解析度的Piano Disc自动演奏系统，并且配备高质量非MIDI格式(7)指此数据库的乐曲格式不支持直接被截取用于MIDI制作。的智能音乐曲库平台和教学平台，那它已不再局限为自动演奏钢琴，而是施坦威公司面向智能化市场的主打产品(施坦威官方从未以自动演奏钢琴来定义Spirio)。同样，对于钢琴的智能化发展，也不能单单以固有的工作原理来界定乐器的属性，还要加之应用途径、制作工艺和适用范畴等外围条件。

从乐器自动化意识的萌芽到19世纪80年代纸卷自动演奏钢琴的诞生至今，钢琴的自动化都是基于解放人们的双手以及适用于更广泛乐曲演奏的应用途径而发展的，其工作原理伴随着制作工艺也由传统的纸卷自动演奏发展为电磁自动演奏，使用范畴扩展到MIDI制作、歌曲伴奏等诸多方面。钢琴“自动化”发展对传统的音乐创作风格提出了挑战，同时可以更加精准的记录钢琴音乐和表现钢琴音乐，也为钢琴这一原声乐器更广泛参与现代电子音乐打开了一扇大门。

钢琴智能化意识的萌芽是伴随着1985年雅马哈公司所生产的Disklavier自动演奏系统应运而生的。其官方称之为智能键盘功能，主要应用于智能伴奏和智能教学，其突出特点是琴槌光学传感器。这是在传统声学钢琴的靠背档上安装一排开关式传感器，当琴槌受力脱离靠背档时，抽离琴槌柄上的金属插片，激发光学开关打开，琴槌回落开关闭合，在这一周期的时长来记录音符的时值后，通过电磁系统应用于键盘，以达到琴键可以微微颤动的效果，通过这种效果来提示钢琴演奏者某一个琴键即将被演奏，以此来提高钢琴学习者的学习速度。这一智能功能虽有延迟、卡顿、影响手感等弊端，但这种智能化发展趋势既成事实，也深得钢琴初学者的喜爱。

从钢琴自动化到钢琴智能化意识的萌芽，钢琴的智能化是基于工作原理的科技化、制作工艺的现代化以及应用途径和使用功能的多样化等方面而不断推进的，比较于传统的自动演奏钢琴已经有了崭新的面貌。

3.钢琴智能化发展的科技水平

钢琴的智能化是借助多种键盘乐器以及多方面的科技成果而产生发展的，首先是电声技术与合成技术Fm/Am(8)是指调幅/调频，用于合成器中的声音频率的调制合成。的应用。早在1907年美国人T·卡尔西发现了电磁圈能够产生音阶信号后，便将其应用于键盘乐器，随之第一台电声原理的键盘乐器——电风琴诞生，这种电子管风琴相比传统管风琴轻便经济，普遍用于教学与音乐厅等，因而有一定的市场，至1950年，美国年产电风琴达到10万台，接近钢琴产量。1964年，美国人穆格发明了合成器，可以人为调节声波频率的参数来合成自己想要的音色，使得键盘乐器可更广泛的应用于电子音乐制作。1980年随着电子集成电路(9)杰克·基尔比发明的一种微型电子器件或部件，包括晶体管、电阻、电容和电感等元件，缩减了乐器空间。的问世，雅马哈等厂家生产了便携式电子琴(Portatone Portasound)，随后1983年雅马哈生产的世界首台电钢琴问世，这也是“电声”一词与“钢琴”这一乐器的首度结合。

其二是音源采样技术的应用，音源采样是利用模拟数字转换器把模拟音频转换成数字音频的过程。音源采集技术最早是由挪威的Mimmu Borgir(10)是重金属音乐的开创者之一，被喻为“黑色城堡”。重金属乐队在1978年应用于效果器之上，以满足在音乐创作方面对多种音色的混音需求。1980年随着键盘乐器在音乐创作方面的广泛应用和数字音乐的兴起，音源采样技术也逐渐应用于键盘乐器。比如1986年日本罗兰公司推出的世界第一台采样合成数字钢琴RD1000，以及1987年雅马哈山叶株式会社推出的CP-70电钢琴。

其三是物理建模技术的应用，物理建模技术是通过建立数字模型模拟传统声学钢琴的发声原理的过程。这一技术现今广泛应用于传统声学钢琴之上，使本来音质平平的钢琴，通过物理建模调整音板共振和谐度从而改变音响效果来博取眼球。这也是现今钢琴智能化音源转变的一大特点。例如：“施坦威商标之争”(11)很多乐器制造商通过物理建模技术模仿施坦威钢琴音色所引发的争端。的背后。

其四是物联网技术的应用，物联网是建立在互联网基础上的“物物相连”，实现多物品之间的信息交换和适时通信，其内层技术包括智能感知与识别技术。在乐器应用中主要体现在“互联网+”(12)依托互联网信息技术实现互联网与传统产业、产品的结合。，通过人工智能教育平台和传统乐器的结合实现教育资源共享等新应用，“互联网+”也是钢琴智能化发展的重要组成部分，虽然只是刚刚起步，但也将开启一个新的时代。

从严格意义上来讲，按照“霍萨乐器分类法”，电管风琴、电子琴、电钢琴跟传统声学钢琴不属于同一类乐器，但是就演奏方式而进行分类的话它们都是键盘乐器，彼此的发展进步都是潜移默化的。在钢琴智能化发展的道路上，除了上述相关技术，还包括模拟键盘技术、模拟击弦机技术的应用等等。归根结底，笔者将其分解成两个大的发展方向，其一是传统机械发音附加设备型的智能化发展方向，另一种是非传统机械发音模拟声波振动型智能化发展方向。在国内，两种趋势智能化钢琴的产品层出不穷，为传统声学钢琴市场注入了新鲜的血液。

二、钢琴智能化发展的成果及主要特征

钢琴的“智能化”是继“自动化”后钢琴领域不断创新、不断发展的一种趋势，是钢琴这一键盘乐器进行多样化转变的一条可行道路。笔者对钢琴智能化发展所衍生的“智能钢琴”分为两类进行对比研究：一、以保持传统声学钢琴原有击弦机运作原理、琴弦带动音板共振发声为基础，经过外加电子单元、机械单元使钢琴具备智能功能为辅的一种发展趋势；二、以保持钢琴击弦机以及键盘的最佳运动为辅，通过电子音源代替、高科技声学技术模拟音板发音，使钢琴从声源系统上进行智能化转变的另一种发展趋势。钢琴的“智能化”发展所应用的新技术与新理念，伴随着社会的进步，不断除旧更新。

1.传统钢琴机械发音附加设备型智能钢琴的结构特征

所谓传统机械发音是指钢琴的核心部件没有改变，发声原理还是通过击弦震动音响共鸣发声，而附加设备是指在内部或者外部增加一些机械设备来实现多功能操控，同时增加一些电子设备使其实现智能功能。最早以这种形式出现的“智能钢琴”是2014年由美国知名艺术家David Bowen研发出来的，他将一台摄录机对准天空，记录飘过的云朵，图像由电脑程序分割成88份，跟琴键的数目一样，程序会根据云朵在天空出现的位置及形态，分析它们的密度、行动速度及形状等，并借此控制机械手以不同力度以及速度弹奏，这一研发是钢琴附加设备智能化发展的初步体现，如图2、3。现今各大钢琴制造厂商都对自己的产品进行智能化的后期改装或自主研发添加，在竞争市场的同时，改造和拓展其产品的结构和使用功能。Find智慧钢琴、海伦Ipiano等都属于这一类型。

图2

图3

2.非传统机械发音模拟跨界型智能化钢琴的结构特征

所谓非传统机械发音，指的是钢琴的音源部分已经改变，发声原理不是通过击弦振动音板共鸣发声，而是通过相关科学技术对多种品牌原声钢琴的音色进行模拟或者采集，同时进行整合来达到超凡的声学品质。其智能化的特点除了智能电子音源的应用外还体现在对传统声学钢琴的多方面进化，不仅可应用各种智能教学软件；改变了传统声学钢琴的体型特征，使其更加轻巧且方便移动；在制作工艺方面结合了更多的科技因素，使传统声学钢琴的艺术价值与科学价值同轨；在使用寿命以及维护保养方面，实现了电子调试，免去了高额的保养费用。笔者认为，这种类型的智能化钢琴的发展特点是结合了现代电声钢琴的创新观念而产生的，它既具有原声学钢琴的艺术价值，又具有电声钢琴的科技美感，是一种现代乐器追求传统乐器“纯粹”的跨界产品。

模拟跨界型智能化钢琴的结构特征主要体现在智能电子音源以及其生成方式，如图4所示，其大部分安装于钢琴内部；键盘信号采集装置，如图5所示，其与附加设备型制的智能化钢琴相同，大部分置于键盘下方；微调电子显示屏幕，其大部分安装于左侧的键侧木之上；电子音响，分为内置和外置两种；其余为辅助机械部件。功能使用扩展低八度低音的泛音效果来满足演奏者对不同风格乐曲的演奏要求。

图4

图5

模拟跨界型智能化钢琴的生产企业和品牌种类繁多，但其中不乏具有历史性和标杆性的厂家和代表产品，其中雅马哈、卡西欧、卡瓦依这三大厂商可以说是致力于电子乐器与传统乐器研究中最具典型性的代表。他们使用电子音源较早，在电子音源的应用方面有很多相似之处，例如都使用了工业级的单片机来实现音源的智能化和微型化，都对自家厂商生产的高端演奏钢琴进行音源采集等等。但是除此之外，包括后起之秀的国产品牌Elite Grand在内，这四个制造商也都同时拥有各自比较稳定和具有代表性的专利技术，这些技术也对其他品牌的智能化钢琴有着潜移默化的影响。

三、对钢琴教育领域的作用与影响

1.智能音乐平台的建立

在智能教育平台出现之前，音乐的欣赏和学习还大都局限于音乐家的现场演奏以及教师的当面教授，因此钢琴艺术欣赏学习的成本相对较高。自从智能音乐平台的出现，使这一局面被打破，使得钢琴艺术传播大众化、钢琴教育资源公平化。智能音乐平台以一种多元化的云端方式存在，包括教育、学习、分享和存储等，例如最近国内的The ONE智能钢琴教育平台、极客智能钢琴教育平台，这类教育平台通过智能评测系统对演奏者弹奏的音准、节奏、力度、表现力、难度等各个维度进行检测分析，并将检测的细节与结果转化为可视化的图形，用以提高学习效率。除了智能评测系统，每个智能钢琴教育平台还包括海量的名家钢琴教学与演奏视频供用户来使用，例如：北美音乐家学会会长Robert与耶鲁大学校董事长Alan Liu先生完成的平台教学资源的整合，联合茱莉亚音乐学院、柯蒂斯音乐学院等全球著名音乐学院，进行教学资源的录制以及开展线上同步和公开课，用户不仅可以根据平台上已有的资源进行学习，还可以跟自己的老师在平台上进行远程教学，不仅有音视频沟通，老师还可以通过联网钢琴系统进行更正和示范。无论从学琴效率、效果，还是从教育普惠公平的角度来说，利用互联网、人工智能等技术来推行音乐教育，已经是大势所趋。

2.智能音乐教室的建立

智能音乐教室是智能音乐教育平台的衍生品，是一套技术领先、自动智能维护、多功能的智能化计算机音乐教学系统，其主要侧重于基础音乐的教学，打破了以往一对一的钢琴教学模式，在一个局域网内，连接数台“智能钢琴”，由老师通过主机屏幕或者音频视频远程传输互动来实现教学以及对学生的监督。教师和学生之间除了在语言和图像上沟通之外，还能够相互演示弹奏技巧、示范纠正错误、进行指法的引导，在一定程度上缩减了钢琴音乐教育的成本，提高了钢琴教学的效率，丰富的电子教学软件也兼容了娱乐性与教学性。从另一个层面来说，这种音乐教室的建立也预示着国内的物联网教学模式即将诞生，为智能化乐器之间能够实现无缝连接迈出了第一步。

3.品牌培训机构的建立

在智能化教学风靡的今天，各大科技公司以及钢琴企业都开始涉足钢琴培训教育，纷纷建立自身的培训机构以及培训学校。比如上海易弹公司在浙江余姚所建立的“MUS成人教学中心”，其聘请中央音乐学院周广仁教授进行对机构教师的定期培训，构建了一个以自身教育特点为核心的教研平台，这不仅改善了参差不齐的教学水平，而且提供了众多的就业岗位。再比如The ONE公司的建立的“扶贫计划”，无条件为偏远地区的学校和部分家庭免费提供钢琴教师以及相应的配套设备，并对有条件的教师进行考核，通过者可享受后期的免费培训。在教育资源共享的层面来说，品牌培训机构为音乐艺术教育拓宽了道路，在教育资源整合的层面来说，品牌培训机构也时时在匡正音乐艺术教育。

四、对钢琴音乐创作及表演领域的作用和影响

1.对传统音乐创作风格提出挑战

钢琴的智能化发展为传统钢琴增添了诸多功能，比如键盘律制的分区功能，可以为作曲家提供区别于十二平均律的作曲条件，如“十二音体系”“纯律体系”“无调性音乐”等等，更可为演奏家完美地还原古典以及巴洛克时期的乐曲表现风格。再比如自动演奏功能，可以摆脱手指的限制，为复杂和声构成的乐曲提供真实的演奏效果，可淋漓尽致地展现出浪漫主义音乐的挥洒自如，促使钢琴作品的风格更加丰富多样。

2.催生了全新的音乐录制方式

以往针对键盘音乐的创作录音很少采用钢琴的实录，大都采用MIDI键盘、合成器或者电钢琴，因为对于钢琴的立体声采样十分繁琐，简单的录音方式虽然有保障也具有一定操控性，但很难达到作曲家所需的理想效果。智能化钢琴所自带的录音功能，不仅可以最大程度地记录演奏者的演奏风格，还可使演奏片段自行录制成多种格式，通过MIDI接口直接传输供创作者使用。在现代计算机音乐的制作当中，利用编曲软件完成旋律的编配后，也可以同样的方式传输入智能化钢琴来完成伴奏部分。这种录音方式的核心在于，模拟跨界型智能化钢琴的电子音源已经完全具备原声钢琴的多级立体声采样，并且可以被灵活的运用。

3.结合VR技术的非现场音乐会形式

随着VR技术变得越来越容易被掌握，更多的低成本VR设备出现了，人们对VR技术的应用也越来越广泛，不久的将来会像电视机一样普及，而现场音乐形式的转变就正在为这一过程铺路。例如美国“Coachella音乐节”就结合VR技术形成了一种新的销售模式，他们开设了专门的VR区域，观众可在VR设备中来观看演出、360度全景照片、音乐家的采访视频等等，帮助没能亲临现场的音乐节观众获得更好的感官体验。至今钢琴演奏音乐会虽没有与此类技术的结合，但也在进行初步的开发和研究，例如：跨界模拟智能钢琴Elite Grand与VR技术的结合，可以为演奏者提供不同的演奏场景进行练习，同时可以录制欣赏，在不久的将来，非现场的音乐会形式必然会应运而生。