構建基于自由軟件的電腦音樂系統及其意義

楊萬鈞

（四川音樂學院 作曲系，四川 成都 610021）

1 Linux系統的特點與應用

1.1 什么是Linux

Linux系統是由眾多的自由軟件所構成的可自由使用的操作系統。Linux作為一種開放的操作系統，具有廣泛的可移植性和有效性。

Linux采取開源的策略，開發人員可以自由地對Linux進行定制，根據需要增減系統的組成部分和服務。程序員在內核基礎上根據不同目的進行二次開發，就出現了各種不同用途的Linux發行版。通常，一個Linux發行版包括Linux內核、安裝工具、各種GNU軟件和其他的自由軟件，在一些特定的Linux發行版中也包含有部分專有軟件。

目前，Linux已經獲得了硬件、中間件、應用軟件和開發工具的全線支持。Linux系統的核心是基于命令行的操作方式，但Linux軟件比起Windows等圖形化系統下的軟件算法更優、效率更高，且硬件需求更低，實用性更強。由于具有很高的可移植性、開放性和廉價性，Linux在服務器、嵌入式系統和桌面領域獲得了長足的發展。

1.2 Linux能做什么

Linux門類齊全，品種繁多。從巨型機到掌上電腦，從單機系統到云計算，從嵌入式設備到全球最大網站，Linux幾乎遍及所有計算領域。

Linux具有很好的伸縮性，專業用戶可以獲得所有的源程序，可自由更改，對系統進行完全的量身定做，使系統達到完全的高效運行狀態。經過多年的開發，Linux以其穩定性、安全性和兼容性獲得了廣大用戶的支持，成為Windows強有力的競爭對手。

目前，流行的Ubuntu系統開源社區成員遍布全球，發布的桌面版本在全球得到廣泛應用和好評。

1.3 為什么使用Linux

使用Linux系統主要有以下優勢：

（1）代碼開放。Linux系統的開放性給使用者自由修改系統內一切程序的權利，能及時發現問題并解決問題。

（2）運行穩定。Linux系統可靠性高，能連續運行幾個月甚至幾年而不會出現系統崩潰、死機等情況。

（3）系統安全可靠。Linux系統有一套完善而行之有效的安全機制，幾乎不會被病毒、木馬等攻擊。

（4）節約人力財力。使用Linux系統可以大量節約授權費用；其遠程處理能力能大大降低網絡的管理成本。

（5）個性化界面和形式。Linux系統可以自由選擇GNOME及KDE等不同圖形界面，更具個性化，也更易操作。

（6）兼容軟件多。自由軟件可以被自由下載和使用，市場份額日趨增大，軟件公司愿意為其設計兼容的軟件，應用軟件有數萬種之多。

（7）系統獲取方便。Linux系統可通過網絡免費下載，可以方便地獲得系統升級、軟件升級、技術支持等服務。

（8）豐富的語言環境。Linux系統全面提供全世界多種語言支持，甚至包括部分中國少數民族語言和文字，使各語種的用戶得到良好服務。

（9）更廣泛的支持。Linux系統具有良好的硬件兼容能力及多系統并存特性，越來越多的軟硬件廠商提供對Linux的支持，越來越多的用戶加入了Linux的大家族。

2 Linux與計算機音樂

2.1 Linux在音樂領域能做什么

商業化的計算機音樂制作系統大多建立在商業操作系統平臺之上，使用自由度和靈活性受到限制，先進的計算機技術和昂貴的價格成為突出的矛盾。20世紀80年代初，一些對商業軟件及其高額售價不滿的創作者就開始積極尋找新的解決方案，開放自由的Linux成為首選的實驗平臺。

1992年，第一個運行在Linux上的音頻應用程序接口層OSS（Open Source System Interface）被開發出來，很快便成為Linux內核的一部分。之后，ALSA和JACK等專業接口相繼被開發出來，并成為Linux環境重要的專業音頻接口層，Linux也具備了和其他流行商業操作系統一樣的支持專業音頻硬件的能力。十幾年來，基于Linux的計算機音樂制作系統與Linux內核一起快速地成長，阻礙Linux用于計算機音樂制作環境的關鍵性的內核實時性能問題也得到較為理想的解決，在專業多媒體領域出現了基于Linux的多媒體創作發行版。其中，支持專業計算機音樂制作的主要有Ubuntu Studio、64 Studio、Artistx、Musix、dyne:bolic和StartCom MultiMedia Edition等。

Ubuntu是目前應用最廣、用戶最多的Linux桌面系統，其衍生版本Ubuntu Studio是一個專業計算機媒體制作平臺，主要針對音頻、視頻以及圖形設計領域的專業制作而設計，所提供的開源音樂軟件幾乎涵蓋了現代計算機音樂創作的各個方面。它為用戶提供實時內核、JACK接口，并對計算機音樂進行系統優化，以滿足基于MIDI和音頻的音樂制作需要，同時也提供了大量計算機音樂和電子音樂制作軟件，方便用戶使用。Ubuntu Studio可以運行在x86及AMD64硬件平臺上，具有良好的兼容性。

近年來，計算機硬件能力得到極大的提高，傳統模式下的許多外置硬件設備，如MIDI鍵盤、音源等都已軟件化，電子音樂制作技術也呈現出計算機化趨勢。在Linux環境下計算機音樂和電子音樂的創作中，由于源碼的開放，給音樂家們更多的自由和發展的空間。

2.2 自由計算機音樂系統的構建

2.2.1 使用Linux進行音樂制作的可能性

隨著技術的不斷發展，軟硬件接口越來越規范，電子音樂設備與計算機之間的連接也越來越容易，很多硬件制造商也開始提供對Linux系統的支持，硬件兼容性不斷增強，為構建計算機音樂系統提供了硬件條件。

Linux系統對多媒體的支持日趨成熟，能夠很好地支持計算機音樂設備的運行，大量專業開源音樂軟件的出現，為其專業音樂的制作提供了軟件支持。Linux系統圖形界面的開發與成熟，便于用戶學習和操作，以及對媒體進行可視化編輯，提高了音樂制作的效率和作品的質量與水平。

對于音樂制作而言，現在的Linux發展已非常的成熟，它具備高性能低延遲的JACK音頻接口層，能夠良好的兼容和支持多數主流的MIDI設備和音頻設備；具備低延遲的數字音頻錄制和處理能力，能夠充分發揮硬件能力。

2.2.2 JACK接口

構建一個完整的計算機音樂系統，需要一個良好的系統軟件接口將軟硬件系統及各功能模塊連接起來，使其能正常工作。在Linux下，音頻硬件系統及音樂應用各功能模塊通過JACK接口層連接起來。

JACK是一個低延遲的音頻服務接口，以API方式對音頻應用提供支持。JACK提供多個應用程序同時使用系統聲卡的方式，允許應用程序之間共享音頻，能夠提供多路音頻服務來控制多路并發的音頻流，使所有支持JACK的音頻應用程序能夠傳遞音頻流而互不影響。JACK強大的專業特性，讓音樂軟件開發者在JACK架構下不用考慮系統延遲及聲音服務等復雜的底層問題，開發了大量基于JACK、支持JACK的高質量音樂軟件。JACK逐漸成為在Linux下構建計算機音樂制作環境的必要組件。

2.2.3 硬件系統

以MIDI制作和錄音合成為主要功能的計算機音樂制作系統通常由電腦系統、音源系統和錄音系統三大部分構成。其中，電腦系統包括硬件系統、軟件系統和MIDI接口和音頻接口；音源系統包括MIDI控制器、合成音源和采樣音源等；錄音系統包括監聽系統和錄音設備。

Linux系統是目前硬件兼容性最好的系統之一，由于Linux系統的高度可定制的特點，幾乎任何平臺都可以找到合適的版本。Linux系統可以穩定運行于PC和Mac硬件之上，而且對硬件系統的要求較低，普通的硬件都可以運行。構建相同需求的計算機音樂系統，Linux環境對計算機硬件的要求相對Windows和Mac OS要低，兼容硬件要更多，能夠更好地發揮硬件效率。

為了更好地完成計算機音樂創作，音頻接口和MIDI控制器也是必備的硬件之一，用戶可以根據需求進行選擇。

2.2.4 軟件系統

專業高效的計算機音樂系統，需要選擇穩定的實時內核搭配專業的音頻接口，配置所需的MIDI、音頻、采樣、合成等制作軟件，達到創作和制作的需求。對于新用戶而言，為降低系統構建的技術難度，建議使用Ubuntu Studio、64 Studio等成熟的經過實時化改進、部署了大量開源音樂軟件的Linux多媒體創作發行版。

Linux有很多自由的音樂軟件，用戶可以自由選擇所需的軟件。其中，大多數軟件都是免費和開源的，通常每個軟件都有一個項目開發團隊進行長期的開發和支持，對于有特殊要求的用戶，可以選擇有良好技術支持的商業軟件版本。用戶不必過多考慮軟件成本，有經驗的用戶還可以根據需要進行自行改進和編譯，以實現功能的定制，給用戶前所未有的自由度。

現在的很多開源軟件，由于使用通用開發平臺如C++、QT、Python和Ruby等，通常都具有良好的跨平臺特性，除了在Linux環境之外，還可以在Windows或Mac OS下運行，甚至部分軟件可以運行在Android等移動平臺上，這樣大大地擴展了軟件應用方式和范圍。

2.2.5 嵌入式系統

嵌入式系統是現代計算機軟硬件技術綜合發展的一個重要分支，很多現代計算機音樂和電子音樂設備其實都是數字化樂器加上嵌入式系統和軟件來構成的。早期這類系統通常都是基于一些專門系統，隨著著名的開源硬件單片機系統Arduino的出現，為嵌入式Linux音樂系統開發與應用提供了更多可能，通用Linux系統平臺的嵌入式系統逐漸成為一種可能并得到不斷應用。

2.3 Linux系統常用的音樂軟件

經過眾多開發者數年的不懈努力，Linux系統下出現了越來越多的計算機音樂制作軟件。盡管有些軟件在操作界面、實際功能和操作方法上，與Windows和Mac下的商業音樂制作軟件還有一定差距，但隨著功能的不斷完善，越來越多的用戶可以不依賴Windows系統而完全在Linux下進行音樂的創作與制作。Linux系統下的音樂制作及相關軟件大部分都是免費的自由軟件，部分優秀的制作軟件也不乏需要付費的商業版本，但總體而言都能夠比Windows系統下的免費制作軟件提供更高的品質。

能在Linux下運行的專業音樂軟件數量已非常龐大，涉及到目前計算機音樂和電子音樂創作的很多方向。包括MIDI制作、錄音混音、音色合成、算法作曲、樂譜制作及效果器插件等多個類別，每一類都有多個功能相似的軟件，用戶可以根據自己的專業需要進行自由選擇。

2.3.1 MIDI類軟件

Linux環境下針對傳統MIDI制作類的軟件非常的多，很多MIDI類軟件從功能到界面都達到了非常專業的效果，音樂工作站Rosegarden就是其中典型的代表，也是Linux下應用最多的MIDI編序軟件。除了Rosegarden，還有CuSE、Dino、JAZZ++、MusE、seq24等多種持續開發的MIDI編序軟件。此外，MIDI相關工具軟件和開發環境軟件也有近百種，選擇余地很大。

2.3.2 多軌音頻錄音與混音系統

錄音和混音是現代電腦音樂的重要組成部分，以音頻工作站Ardour為代表的多軌錄音混音軟件使Linux成為專業的錄音平臺。Audacity、Jokosher、Cue Station、MixMagic、ProTux、Qtractor、Slab、ecasound等軟件也是經常被使用的錄音混音軟件，它們都可以完成多通道的音頻控制、非線性的音頻編輯、強大的自動化處理、豐富的插件應用等功能，完成所有專業錄音軟件能完成的功能。

2.3.3 軟件合成器與采樣器

軟件合成器與采樣器在計算機音樂制作中擔當音源的重任，是不可或缺的重要部分。Linux環境下開發了很多基于FM合成、波表合成、采樣合成、粒子合成及物理建模合成等多種合成方式的軟件合成器。其中，較有代表性的有ALSA Modular Synth、BEAST、Bristol、FluidSynth、LinuxSampler、SpiralSynth、ZynAddSubFX、Horgand、SAOL等多種合成器及合成器開發環境，大大地滿足了計算機音樂和電子音樂創作的需求。

2.3.4 記譜類軟件

計算機記譜是計算機音樂的重要組成部分，Linux環境下開發了多種記譜語言和記譜軟件以滿足音樂記譜的需求，很多軟件都具有良好的兼容性，能很好地與其他平臺下的記譜軟件進行文檔的交換。主要有ABC、Gscore、LilyPond、MuseScore、MusicEdit、MusicXML、NoteEdit等多種主要記譜軟件。

2.3.5 算法作曲軟件

基于計算機的電子音樂是現代計算機音樂的一個重要發展方向，Linux平臺的開放性為電子音樂家們提供了一個良好的平臺，在Linux平臺上開發了多種電子音樂語言和電子音樂制作環境。其中常用的電子音樂語言包括MusicV、CSound和PureData等，常用的算法作曲軟件包括Cmix、Music4C、RTCmix、Pd、PDX7、jMax、FFTease、Cecilia、NetCsound等，這些語言和軟件都是現代電子音樂家們的重要工具。

2.3.6 插件系統

插件是音樂軟件功能重要補充，在Linux系統下，有多種音頻插件系統可為音樂制作服務，主要有LADSPA、LV2、DSSI、LinuxDSP和MESS等，甚至可以使用VST/VSTi格式的插件，為音樂軟件實現軟件音源、音頻分析、音頻處理、聲音合成、數字信號處理等多種不同的功能。通常插件都可以通過互聯網下載得到，很多都是開源和免費的，用戶可以根據宿主軟件的不同需求進行調用。

除此之外，Linux環境中還有大量滿足不同研究和應用的計算機音樂相關軟件，幫助用戶來完成計算機音樂創作，而且這些軟件還在不斷的更新和增加，構成一個完整的計算機音樂軟件系統，為構建Linux環境計算機音樂系統提供豐富的軟件保障。除了自由音樂軟件之外，很多非自由音樂軟件和商業音樂軟件都有Linux版本，可以在Linux環境下完成不同需求的音樂創作。

2.4 使用Linux音樂軟件的要求

由于Linux解決問題的一些思路與Windows不太一樣，所以，學習和使用Linux系統進行音樂創作本身有一定難度。因此，要熟悉Linux的使用，學會解決常見問題，提高Linux的使用能力。

時至今日，在Linux領域中進行計算機音樂創作，很多計算機音樂和電子音樂作曲家還在使用

$ecasound -c -f:s16_le,3,44100 -i:jack -o:gfhtrio2.wav

代碼讓電腦發出聲音，按照作曲家的思路來進行音樂創作。

在20世紀90年代廣泛使用計算機作為音樂制作工具之前，電子音樂都是通過指令來進行創作的，很多偉大的電子音樂和計算機音樂作品就出現在這個時期。一個個優秀的電子音樂作品向人們證明，代碼方式很多時候比圖形界面更有效，更容易控制。

Linux音樂軟件與其他流行平臺不同，不會將所有功能集成于一個軟件中，而是需要多個軟件進行內部連接與協作，有助于掌握系統內部關系，把握計算機音樂的內在本質。

創作者除了具備扎實的傳統音樂知識，還應該具備豐富的計算機軟硬件知識，適當了解電子樂器的構成與發聲原理，能夠讀懂或編寫簡單的C語言程序。其原因在于，當前，計算機音樂知識已經變成和樂理同等重要的基礎學科；電子樂器的發展和普及改變了人們創造音樂的方式，需要創作者深入了解并能熟練控制。而計算機音樂軟硬件系統就是一種新型的樂器，需要音樂家很好地掌握。而自由軟件，給了創作者一個了解系統內部以及自由改造和革新現有創作方式的機會。它給了創作者無限的自由，也為音樂理念的傳播與共享打開了無比自由的大門。

3 使用自由計算機音樂系統和軟件的意義

3.1 節約教育經費

目前，國內計算機音樂教育從操作系統到應用軟件幾乎都是價格高昂的商業軟件。自由軟件的使用可以大大降低系統和軟件成本，在普通硬件條件下即可構建專業的數字音樂平臺，避免由于使用存在版權問題的系統和軟件可能帶來的問題，降低數字技術學習的門檻。在性能完全符合相關領域要求的基礎上，能為學校節省大量的資金。

3.2 提高版權意識

在我國高校教學中，不少課程的內容都是圍繞商業軟件展開的，由于商業軟件的價格較高，很多學生和教學系統使用的都是盜版軟件。自由軟件始終堅持不使用任何享有版權的資料，十分注意不對任何享有法律權利軟件的侵犯。在教學和科研活動中宜使用計算機音樂自由軟件，形成尊重知識產權的風氣。

3.3 提高系統安全性

操作系統作為計算機軟件系統的底層基礎，對于整個系統的安全性、穩定性和軟件整體架構具有決定性的作用。自由軟件開放源碼集體協作的開發方式，使系統設計更透明，安全性可以得到較好的保障。Linux系統有一套完善而行之有效的安全機制，可以避免很多安全隱患。自由軟件的使用與推廣，可以增強抵御軟件風險的能力。

3.4 促進自我版權軟件開發

就目前開源軟件應用及推廣的現狀而言，開源系統和軟件主要應用在政府、企業和高校等需要考慮安全性、運營成本和有開發前景的領域內。在很多重要的開源軟件項目的開發與推廣中，高校都起到了非常重要的支持作用，成為開源軟件的前沿。

國內綜合類院校對于開源系統的支持與應用都已經達到一個較高的水平，而藝術院校的應用還相當少。因而，在國內藝術院校內提倡和推廣開源系統和軟件的使用，有利于開源軟件在國內藝術領域的推廣與應用。目前，國家相關部門已出臺有關扶植政策，并立項支持開放源代碼系統產品的研發與產業化，自由軟件會有很好的發展前景。

3.5 提高學習興趣和能力

就目前商業軟件學習來看，理論性和操作性知識居多，沒有接觸到底層知識，學生只是一些軟件的操作者。筆者在開設《Linux環境計算機音樂》課程一年多的過程中，與學生一起證明了使用開源、自由的基于Linux系統的音樂軟件，完成音色合成、MIDI編序、錄音、混音等綜合任務，同樣能夠方便地制作出與Windows或Mac系統下相同品質的專業音樂作品來。

3.6 增強新領域的研究

在自由軟件世界里，人們可以在一個和諧開放的環境中自由地學習和研究。根據自己專業需求，開發符合本專業需要的軟件。對于專業的研究和創作用戶而言，使用開源系統的意義并不在于替代現有平臺下的系統和軟件，而是在使用開源系統的過程中，提高系統應用和開發能力，并在與社區用戶交流合作的過程中，促進技術的交流，加速知識與創意的產生與流動，產生新的知識與觀點，成就新的作品。

3.7 避免思維模式僵化

商業軟件為了擴大用戶面，界面設計越來越直觀，操作越來越簡單，但這種簡單化卻扼殺了處于發展階段的學生創造力。很多人對計算機音樂的認識僅僅停留在使用現成的軟件編輯MIDI，利用各種已有音色模仿傳統樂隊的層面，限制了思維的發展，也限制了專業的深入。

創新思維的培養需要一個容許、理解、支持創新的環境，自由軟件是一個很好的平臺，允許用戶深入了解其源代碼，更深層次地學習。同時鼓勵修改、定制軟件，這給學生極大的動手空間和深入研究的空間。

3.8 充分利用教育資源

使用Linux和自由軟件，可以實現教學系統的方便性和多元化。國內很多高校都在建立CMS網絡課程管理系統，以實現包括教學內容制作、師生交流、在線練習及在線考試等功能；而使用Linux系統進行CMS系統的構建，既降低成本，又可以提高系統效率和教學效果。

自由軟件的使用能夠使人們減少比拼軟件的品牌和價格，更加注重使用相同層次的軟件完成高質量的作品。同時，減少因軟件不必要的升級而帶來的硬件頻繁更替，降低成本，養成務實的好習慣。

3.9 探索新的音樂領域

隨著計算機技術和多媒體技術的發展，激勵著音樂家們探究新的藝術形式，交互音樂、多媒體音樂等音樂形態出現在人們的視野。這些新的音樂形式大量依賴計算機技術和軟件技術，呈現出跨領域、跨學科、技術前沿的特點，很多傳統的制作方式已不能滿足音樂家們創新的需求。開源系統和開源的自由音樂軟件給不斷創新的音樂家們極大的自由，有助他們進行深度的研究與開發，為探索新的音樂領域提供了絕佳的實驗平臺。

3.10 嵌入式音樂的開發應用

基于嵌入式系統所構成的專用計算機音樂系統，相比較普通系統而言更加穩定、高效、低成本，安裝有嵌入式操作系統的計算機加上專為數字音頻作業設計的專業接口而組成的一體化數字音頻工作站就是典型代表。使用嵌入式系統有助于計算機音樂制作系統推廣應用和標準化的形成。今后PC上運行的音樂軟件，也可以出現在掌上電腦上。目前，智能手機電腦化已成趨勢，強化了嵌入式系統的開發與應用，也為構建移動音樂軟件平臺提供了軟硬件條件。

3.11 減少平臺依賴性

很多重要的開源軟件通常在項目開發過程中，都會開發支持多個平臺的版本，因此，很多開源軟件具有良好的跨平臺性和平臺兼容性，可以減少對于特定平臺的依賴性，并提高平臺間數據交換的兼容性，減少由于數據交換不兼容帶來的附加成本。

越來越多的開源自由音樂軟件都有跨平臺的特點，如Linux平臺下重要的記譜軟件MuseScore，音頻編輯軟件Ardour、Audacity算法作曲軟件CSound、PureData等，在開發中就同時提供了主流的Windows、Mac OS和Linux的相應版本，便于不同平臺的用戶使用，免去使用不同平臺進行作品交流時的麻煩。軟件源代碼的公開對于電子音樂的創作和實踐活動具有極其重要的意義。

3.12 改善教育公平性

計算機在現代各專業的教育教學中都具有重要的作用，就現代計算機音樂和數字媒體應用與創作而言，其原理與思路基本是一致的，甚至在處理和操作流程上都日趨統一。對于進行基礎學習和應用的用戶而言，使用Linux類系統可以降低學習的成本與難度，擴大接受教育的范圍。鼓勵與提倡使用自由軟件，降低相關專業計算機學習與應用的成本，享受優質的教育資源，使不同地區的學院與學生都有機會接觸最新的專業軟件與知識，提高全國教育教學水平，逐步改善教育的公平性。

以上為作者對Linux環境下計算機音樂系統構建的一些看法，因作者水平有限，錯誤之處，還望專家學者批評指正。

[1] 楊萬鈞.從《阿凡達》透視影音制作技術發展趨勢.中國教育技術裝備，2010（10下）

[2] 趙麗霞. 淺析自由軟件在高校的應用. 科技信息，2007（35）

[3] Warren Webb. 嵌入設計相關的自由軟件. 電子設計技術，2008（11）

[4] 張杰. 論計算機音樂系統的構建. 黃河之聲，2008（1）

[5] 李實，張妤. 自由軟件、Linux與中國的信息技術教育. 信息技術教育，2004（11）