鋼琴考級智能評價系統開發的必要性與可行性

李宇峰 （東北大學藝術學院音樂系 110004）

鋼琴考級智能評價系統開發的必要性與可行性

李宇峰 （東北大學藝術學院音樂系 110004）

目前，在我國開展的鋼琴考級工作中，存在著教師水平參差不齊、評價標準不規范等諸多問題。結合計算機技術開發一套“鋼琴考級智能評價系統”可以很好地解決這些問題。通過音樂與計算機專家的聯合論證，這一套系統的研發是可行的。

鋼琴；考級；軟件；智能評價；模塊

一、鋼琴考級智能評價系統開發的意義

對于鋼琴考級來說，系統化的考級教育、考級考試是鋼琴考級工作順利開展的基石。鋼琴考級工作在我國開展的歷史已逾20年，在文獻資料整理收集、考前教育、考級評定、考級評審等工作中積淀了極為豐厚的工作經驗。然而，鋼琴考級工作依然存在著諸多難以解決的問題，綜合來說，這些問題可以歸結為以下四點：（1）由于鋼琴考生多為社會業余鋼琴學習者，且以非專業音樂院校的在讀學生為主體，對于鋼琴考級考試要求與標準認識不清晰，不能準確地分辨在各個階段鋼琴學習中如何正確的把握考級要求；（2）由于鋼琴教育社會化程度高，教育資源復雜，鋼琴教師的水平參差不齊，業余鋼琴學習者并不能分辨鋼琴教師的實際專業水平最終導致鋼琴教育的不正規不專業而學習失敗；（3）目前鋼琴考級考試以將客觀考試內容進行主觀評分的模式為主，由于考級評委對于鋼琴藝術理解的不同，造成了考試成績不能做到嚴格的統一化、標準化、以至于對于社會鋼琴教育也會產生一系列困擾；（4）在鋼琴學習過程中，學習者并不能時刻處于鋼琴教師的指導之下，在自我學習過程中如產生學習偏差、練習失誤等情況，鋼琴學習者并不能自我糾正。

上述問題的解決，通過傳統渠道很難實現。筆者在長期的教學與做考級評委的工作中發現，運用計算機技術可以很好地解決這些問題。近年來，筆者進行了一些力所能及的嘗試，收集了大量鋼琴考級教學工作中的實際教學經驗與資料、研究了近十年的考級考試工作中的考試實際評審情況。最近，邀請到多位省內專家、學者、技術人員共同論證了“鋼琴考級智能評價系統”的可行性。“鋼琴考級智能評價系統”能夠客觀地評價演奏者演奏的音高、節奏以及失誤率，考級考試時，可作為評委打分的輔助，平時教學時，可作為學生練習的輔助。

通過較為充分地論證，“鋼琴考級智能評價系統”可以很好地解決上述難題：（1）軟件可以切實地設定考級考試標準，并且能夠實際的示范考試內容讓考生切實地把握；（2）軟件可以切實地暴露出非專業水平鋼琴教師的各項不足，它將導致鋼琴教育市場的正規化、高水平化；（3）軟件應用在考級考試過程中，可以將音階、練習曲的考試標準進行計算機統一化、固定化的設定、樂曲進行以計算機設定標準為主、評委評分為輔的評分方式，極大的提高了鋼琴考級評分的一致性、公平性。（4）軟件應用在鋼琴學習中，可以產生的練習誤區、教師教學失誤等情況一并規避，極大地提高了鋼琴學習效率。“鋼琴演奏考級智能評價系統”的建設極大的促使鋼琴考級向正規化、專業化、前沿化的方向發展，可以解決當前鋼琴考級教育中存在的一系列不規范問題的現狀。

二、鋼琴演奏考級智能評價系統的技術實現

“鋼琴考級智能評價系統”主要由音高評判模塊、時值評判模塊以及音符間隔評判模塊組成，這三個模塊分別從不同角度來智能評價鋼琴演奏的準確度。最后通過綜合這三個方面得分計算最后的總得分。本系統主要的研發方向為此三個模塊，它完全不影響考級考試工作中主觀藝術評價標準。

1.音高評判模塊

在演奏過程中，對每個獨立音符的音高進行提取，是利用計算機分析音樂的關鍵之一。音符的音高和時值是構成每首樂曲的根本,也是一首樂曲與其他樂曲的本質區別。當演奏時，任意音符的音高如出現偏差，計算機則會利用智能評價系統來評判音符的正誤。此外，樂譜中的音高和鋼琴上的88個鍵也存在明確的對應關系，因而可以通過提取考生彈奏的音高序列，并映射成鍵位序列，再并與標準的彈奏方式產生的鍵位序列進行比較就可以確定考生在演奏時是否出現錯音。

在本系統中采用諧波峰值法，這一經典的算法提取演奏中的音符音高及其相應的時值。這種方法將錄制音頻的wav格式文件經過快速傅立葉變換得到頻率隨時間變化的數據，并提取其最大值序列確定音高。我們可以通過調用matlab中有關快速傅立葉變換的函數較為方便的進行實現。

2.時值評判模塊

在音高評判模塊中系統不僅可以確定學生彈奏的每個音符的音高，還可以確定相應音符的時值，但是這個時間是絕對時間（例如0.1秒、0.2秒）。而在實際的演奏中，每個人的風格和對樂譜的熟練程度存在較大差別，直接比較絕對的時間長度會使得評分變得不具備說服力。因而本系統通過比較音長相對整個樂譜的時間比例（例如1/100、1/50）來確定音長的正確與否，這樣就避免了熟練程度和演奏風格對評分帶來的影響，使得評分更加客觀。

3.演奏失誤評判模塊

在演奏過程中，考生突然出現意外失誤情況，比如出現演奏增加額外音符、演奏增加額外停頓的情況。這時需要通過對系統進行一系列設定來達到正確評判的目的。在評判的過程中，系統還會通過設定相應的閾值來判斷演奏是否出現了失誤（增加額外音符、并且與樂譜嚴重不符；停頓時間超過閾值，并且該處沒有休止符），并給予學生一定數量的失誤機會。

4.系統運行的整體流程

如圖所示為本系統運行的整體流程，首先本系統讀取保存在wav文件中的音頻數據，然后通過濾波器去除噪聲，然后循環計算每個音符的音高，并記錄該音符彈奏的時刻，直到音頻的最后一幀，然后計算整個樂曲的演奏時間。在處理完整個音頻之后，我們可以計算每個音符的音長與整個樂曲長度的比例關系，以及音符間隔與樂曲長度的比例關系。最后通過將音符的音高映射成鋼琴88個鍵，并將按鍵與正確的按鍵序列相比較，得出學生在音高方面的得分。然后再比較音長的相對時間與標準的音長相對時間，以及音符間隔的相對時間與標準的音長相對時間來確定學生在音長以及音符間隔方面的得分。最后在確定學生此次演奏的綜合總得分。如出現失誤次數超過預定上限，則系統會判斷考試不過關，并且終止該次演奏考試。

三、結語

隨著科學技術的不斷發展，鋼琴考級教育與考試工作沒有跟上時代發展的潮流，仍然遵循“前網絡時代”的傳統模式，以至于社會鋼琴考級考生的學習效率效果相比于其他已開展創新模式教育的學科來說，已存在嚴重的滯后性。“鋼琴考級智能評價系統”的開發，可以方便地解決考級工作中產生的一系列問題。經過多年的籌備和切實地論證，此套系統在技術上能夠實現，且必將在將來的考級教學與評價中發揮巨大的作用。