淺談鋼琴自動演奏系統

遲耀丹俞昌盛馬 茹李 田

（1.吉林建筑大學 電氣與電子信息工程學院，長春 130021；2.吉林省建筑電氣綜合節能重點實驗室，長春 130021；3.吉林省氣象服務中心，長春 13006）

淺談鋼琴自動演奏系統

遲耀丹1，2俞昌盛1馬 茹1李 田3

（1.吉林建筑大學 電氣與電子信息工程學院，長春 130021；2.吉林省建筑電氣綜合節能重點實驗室，長春 130021；3.吉林省氣象服務中心，長春 13006）

鋼琴自動演奏系統是高科技機電一體化裝置，可安裝在各式鋼琴上，通過軟件與硬件相結合，記錄彈奏數據并再現演奏過程。該系統不會影響鋼琴的原有性能，有很好的文化前景和良好的經濟效益。本文對鋼琴自動演奏系統展開綜合論述，介紹其現階段的市場、應用及主要設計方案等，并對未來的發展進行展望。

鋼琴 自動演奏 機電轉換 樂譜編碼

引言

隨著數字通信技術，計算機技術的廣泛應用，電子技術在機械制造和音樂等領域中體現出越來越大的價值。20世紀后期，計算機音樂逐漸成為音樂中最重要的發展方向，鋼琴自動演奏系統也應時而生。鋼琴自動演奏系統是一種可以附加在平臺式的三角鋼琴、立式鋼琴等傳統鋼琴上的智能電子裝置，是軟、硬件相結合的高新技術產品，在當今物質和文化高度發達的社會中起著至關重要的作用。自動彈奏就是模擬人工彈奏，主要包括琴譜解碼、琴鍵彈壓、延音踏板控制及樂曲演奏[1]。鋼琴自動演奏系統可以記錄鋼琴的演奏過程，并依據記錄好的數據驅動鋼琴機構運動，再現演奏的過程。作為附加裝置，鋼琴自動演奏系統對鋼琴的演奏性能沒有任何影響，在實現電聲鋼琴功能的同時，又不失純厚完美的音色，為傳統鋼琴增加了嶄新的功能，在促進藝術、經濟和科技飛速發展的同時，也彰顯著時代的進步。

1 國內外發展現狀

最初的鋼琴自動演奏裝置只是在普通鋼琴前加一部可以移動的“演奏器”，它誕生于19世紀末，在普通鋼琴上方增加65～88個“木手指”，外型與小型足踏簧風琴相似。在20世紀20年代，自動鋼琴在歐洲兩年內生產數量達到50萬臺，并在人們的家庭娛樂中廣泛流行開來；直到20世紀30年代，無線電及唱機的出現，其才逐漸被淘汰。但仍有很多作曲家對自動鋼琴情有獨鐘，其優點在于紙卷打孔在數量上可以不受十指限制，且音域和音數都可以得到全面運用和發揮。例如，拉赫瑪尼諾夫、德彪西、馬勒、格什溫、R?施特勞斯都是青睞于自動鋼琴的作曲家，他們為這個樂器作曲，并制成紙帶，用來演奏。在美國，鋼琴自動演奏系統已經誕生了超過100年，僅在1980年1年內售出的近20萬彈琴中就有3萬臺裝有鋼琴自動演奏系統，也在同年達到了其銷售的高峰。隨著科學技術的迅速發展，20世紀60年代，研究人員將數字控制技術和機電一體化引入鋼琴自動演奏系統。隨著電子技術飛速發展，指導20世紀80年代，才出現了真正的現代自動演奏鋼琴，它是用集成電路進行控制，從而達到自動演奏的效果。該系統之所以迅猛發展，是因為它有極大的產品市場和提升空間。

美國的PIANODISC公司、日本的YAMAHA公司及美國的QRS公司等都是生產鋼琴自動演奏器的知名企業。其中，美國PIANODISC公司在鋼琴自動演奏系統中名氣最大，有全面占領中國市場的局勢。在國內，許多公司也為鋼琴自動演奏系統的技術引進和研發做出了巨大貢獻，例如，北京樂器研究所、上海泛音鋼琴技術中心、廣州雅迪數碼科技有限公司等，這無疑推動了自動鋼琴在我國本土的進程。目前，中國正處于發展中國家，在經濟和社會環境上都與80年代的美國有很多相似之處，且在我國鋼琴的銷售總量高于80年代的美國，由此可見，鋼琴自動演奏系統已受到人們的廣泛關注，未來10年內的市場前景也非常可觀。

由于國內鋼琴自動演奏系統起步較晚，因此，其整體科技含量和國際還存在一定差距。但就個體水平而言，國內的技術已經和國際接軌，不遜色于國外，且一直在進行技術革新。

鋼琴的自動演奏系統適用于酒吧、咖啡廳、售樓部樣品店、休閑娛樂會所、高檔購物中心、展會、汽車4S店、商場、星級酒店、西餐廳、醫院大堂、產品品牌形象店、琴行教學展示、高爾夫球場和別墅等較為高檔的消費場所或高雅尊貴的商業及私人空間，鋼琴自動演奏系統在提供背景音樂的同時又不失奢華，既調動了現場氣氛，又能吸引顧客的注意力和好奇心，并給顧客留下了深刻印象。

2 設計方案概述

當前，市場上對該系統有多種設計方案，按照核心部件可分為基于單片機，基于PLC，基于音型數據庫，基于可編程邏輯器件等；按照驅動方式可分為機械電路，氣動控制電路等。下面主要按照核心部件分類進行介紹。

2.1 基于單片機

如圖1所示，控制芯片為一個單片機，演奏信息通過傳感器被記錄下來，并被保存下來，然后通過控制模塊向執行元發送已經記錄下來的信息的輸出指令，最后，由執行元件輸出按下琴鍵，從而達到自動演奏的目的。運用單片機內部的Flash進行存儲、定時、記錄鍵位信息和時間間隔。此外，其還包括一個對鋼琴鍵位隨時進行掃描的檢測程序及重放程序，當輸出完成后，按動重放的按鈕，程序會從頭按照已記錄的數據進行再次輸出，因為數據存放單片機內部Flash中，這樣可以完成重復N次輸出的要求。由于單片機內部的Flash資源有限，只能記錄較短的樂曲，若加一個外部擴展的Flash存儲器，就可以記錄較長的樂曲。

圖1 系統結構框圖

2.2 基于PLC（Programmable Logic Controller可編程控制器）

通過一種樂譜與PLC程序的轉換方法進行設計，使用54鍵的電子琴，實現基于PLC的電子琴自動演奏系統，包括系統的總設計，I/O口的映射過程（即建立電子琴內部觸點與PLC的I/O口映射關系），樂譜與PLC程序的轉換，PLC的程序流程等。為了能夠更好地控制電子琴的所有按鍵，內部處理器采用了7×8的鍵盤矩陣，利用PLC的15個輸出點來進行控制。

此外，還有一種氣動演奏系統，是以PLC為控制主體，進行氣動回路設計，應用順序控制技術，氣動閥島技術等。如圖2所示，為氣動程序控制方框圖。

圖2 氣動程序控制方框圖

2.3 基于音型數據庫

圖3所示為系統的體系結構框圖。輸入一系列帶有鋼琴伴奏的樣本譜例，通過對樣本的訓練，構建一個鋼琴伴奏音型元結構數據庫。系統收集鋼琴原始伴奏音型后轉換為音型元結構存入數據庫中，并調整2個HMM參數，形成一種與輸入樣本相近的伴奏風格。在配曲階段，系統根據樂曲旋律的基本信息，和目前參數的伴奏風格，利用Viterbi算法，查詢數據庫，為旋律片段選擇合適的鋼琴伴奏元結構，最終生成鋼琴伴奏。數據庫中主要包括K聲調式音階特征單元表，旋律片段節奏表，鋼琴伴奏音型節奏表，調式特征和弦表，收集的樣本譜例的調式和弦序列隱馬參量表，收集的樣本譜例的節奏對比序列隱馬參量表等。

圖3 系統體系結構框圖

2.4 基于可編程邏輯器件

圖4是系統的設計原理框圖。該系統是一種基于FPGA的電子琴，其核心部件和適當的外圍電路的構成用 VHDL語言描述，既可通過琴鍵進行手動演奏，也可由機器自動進行樂曲演奏，同時還能模擬傳統樂器的音色，如笛、小號、風琴、單簧管、雙簧管等。具體的實現方法為：將樂譜中每個音符的音調及節拍變換成相應的音調參數和節拍參數，將他們做成數據表格，存放在存儲器中，通過程序取出一個音符的相關參數，播放該音符，該音符唱完后，接著取出下一個音符的相關參數，直到播放完畢最后一個音符為止，根據需要也可循環播放整個樂曲[2]。

此外，還有一種基于CPLD（復雜可編程邏輯器件），開發工具采用EDA，硬件描述語言使用VHDL語言，程序運行平臺為MAX+PLUS II ，進行一系列的仿真運行調試，也可實現設計。

圖4 系統設計原理框圖

3 發展趨勢

鋼琴自動演奏系統是一個新生事物，還存在一定的不足。如，按照準確的數據記錄信息嚴格地再現演奏過程，致使演奏過于精確，缺失了音樂藝術的個性，自動演奏的音樂也缺少了人性化。但正因為如此，鋼琴自動演奏系統擁有巨大的發展前景。

為了解決這些缺點，未來的鋼琴自動演奏系統除了音樂本身的影響外，還必須注意從視覺、感官和情感上增加對藝術的欣賞，使觀眾的感受更加直觀逼真，并加強演奏家、音樂作品與觀眾之間的聯系，強化音樂審美中的視聽結合與互動，實現人與設備，技術與藝術的完美結合。

4 結語

本文論述了鋼琴自動演奏系統的應用、現狀、實現方案和發展趨勢，從自動鋼琴和計算機音樂的發展可以看出藝術文化有其特定的繼承與發展規律，技術和藝術之間必然存在某種內在聯系。藝術的發展需求刺激技術不斷創新，而技術的不斷進步也讓藝術的夢想成為現實。科技的不斷探索和改革，帶給人們繁榮的物質和精神世界。鋼琴自動演奏系統作為科技的產物，也必將創造良好的經濟效益，推動人類生活進步。

[1]廣州市歐爾雅鋼琴廠.解開“鋼琴自動演奏系統”的奧妙工作原理[EB/OL].（2015-10-19）[2015-10-20].http://info. b2b168.com/s168-29822811.html.

[2]吳定允.基于FPGA的樂曲自動演奏器的設計[J].科學技術與工程，2010（12）：8858-8861.

On the Piano Automatic Performance System

CHI Yaodan1，2，YU Changsheng1，MA Ru1，LI Tian3
(1.Ji lin Ji anzhu University,Changchun 130021；2.Ji lin Province Comprehensive Building Electrical Energy Saving Key Laboratory,Changchun 130021；3.Jilin Province Meteorological Service Center,Changchun 130062)

The automatic piano playing sys tem is a hi-tech mechatronics device,which can be installed on all kinds of piano. Through the combination of software and hardware,it can recor d the playing data and reproduce the process of the performance. This system can not affect the original perform-ance of the piano.It also has good cultural prospects and good economic benefis.In this paper,the piano automatic playing system has been comprehensive discussed includin g its market and application at present stage,the main design scheme and the future development expectation.

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吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目吉教科合字【2015】第280號《嵌入式電磁輻射信號處理系統》。