計算機音樂可視化表征譜設計

韋崗 曹燕 王一歌 趙明劍

摘 ?要：MIDI作為一種通用的計算機音樂格式，指定了每個音符的音高、音長、音強、音色等信息，能被計算機理解和編輯。人類聽眾能聽到MIDI音樂，但無法像面對五線譜、簡譜一樣看到相應的“樂譜”。簡譜因其簡單而被廣泛地應用于音樂標記，可明確地表征音高，但對音長和音強的描述不直觀。五線譜主要針對音樂專業人士，普通大眾不易入門和視唱。本文結合簡譜與五線譜的優點，設計一種與MIDI相對應的樂譜——鳥然譜，實現MIDI音樂的可視化表征。

關鍵詞：計算機音樂;MIDI音樂可視化;表征譜

中圖分類號：TN912.3;TP18 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）14-0005-03

Design of Visual Representation Spectrum for Computer Music

WEI Gang，CAO Yan，WANG Yige，ZHAO Mingjian

（South China University of Technology，Guangzhou ?510641，China）

Abstract：MIDI，as a general music format for the computer music，specifies the pitch，duration，strength and timbre of each note and can be understood and edited by computers. Human listeners can hear MIDI music，but cannot see the corresponding “musical notation” as they can see the staff and numbered musical notation. The numbered musical notation is widely used in music marker because of its simplicity，which can clearly represent the pitch，but the description of the duration and strength is not intuitive. The staff notation is mainly for music professionals and it is not easy for the general people to get started and sight-sing. This paper combines the advantages of the numbered musical notation and the staff notation and designs a corresponding musical notation for MIDI——Kalaplay notation，which realizes the visualized representation of MIDI music.

Keywords：computer music;MIDI music visualization;representation notation

0 ?引 ?言

MIDI[1]（Musical Instrument Digital Interfaced，樂器的數字化接口）是一種通用格式標準，于1983由世界幾大音樂制造商，如Sequential、YAMAHA等，共同提出制定，用于解決各個不同音樂廠商生產的電子音樂設備不兼容問題，使得電子樂器設備間不再存在“語言障礙”。與WAV、MP3等大多數音頻格式不同，MIDI文件記錄的不是波形數據，而是一種結構化描述性的“音樂語言”，以字節記錄所要演奏的樂曲信息，指定每個音符的演奏時間、音色、音高、力度等信息。因此，其所占用的存儲量非常少，一首5分鐘左右的音樂只需占用幾到幾十KB的存儲量，而使用MP3、WAV存儲則要幾MB甚至更多。

得益于MIDI是一種結構化存儲數據，使其易于計算機編輯和分析，然而對于人類受眾而言，其可視化程度不高。雖然可以用計算機軟件編輯工具查看和編輯MIDI文件，但與熟悉的簡譜音符表達“1、2、3、4、5、6、7”相比，人機交互性相差甚遠。為此，本文設計了一種與MIDI相對應、人類一目了然的樂譜——鳥然譜，實現計算機MIDI音樂的可視化。

1 ?音樂樂譜概述

1.1 ?MIDI音樂譜

計算機音樂系統由數字音頻和樂器的數字化接口兩個重要部分所組成，數字音頻依靠計算機對音頻進行錄制、編輯、混合等，存儲為電子音樂設備都能理解的格式，MIDI正是這個通用的格式，即數字化接口，其解決了各個電子設備之間的交流，卻沒有解決人和電子設備之間的交互。

計算機MIDI音樂譜是MIDI文件。一個標準的MIDI文件包含一個MIDI文件頭塊（Head Chunk）和多個音軌塊（Track Chunk）[2]。各音軌塊記錄控制音樂播放的“指令流”，可分為全局音軌和分音軌。全局音軌記錄一些全局信息，如歌曲的標題和版權等附加信息、樂曲播放的速度、系統碼等。分音軌主要記錄音樂播放的事件，其中MIDI事件是音軌塊中控制音樂電子設備如何播放音樂的重要指令事件，MIDI事件包括音符事件、控制器事件、音色轉換事件[3]等。

MIDI能被計算機相關的軟件解析和理解，也能被電子音樂的播放設備翻譯為音樂使我們聽到，但是MIDI音樂中流動的音符是聽得見，卻看不到的。有專業軟件可以把MIDI制譜為五線譜或者簡譜，五線譜和簡譜在應用中各有優劣，下節中將簡要論述。

1.2 ?簡譜和五線譜

簡譜是一種簡易的記譜法，采用“1、2、3、4、5、6、7”代表音階中的7個基本級，讀音為“do、re、mi、fa、sol、la、si”，也稱為唱名，休止用0表示。在簡譜中唱名每隔八度循環[3]，在音符上方加一個點表示高八度，下方加一個點表示低八度，依次類推。如中音“1”到高音“i”相隔一個八度，從“i”開始下一個高音段的循環。簡譜的音高表述符號簡單直觀，但是對于音長和音強的表述則不太直觀。

五線譜[4]是目前世界上通用的記譜法，是在五根等距離的平行橫線上標注。五線譜以五線和四間來描述音高，相對于簡譜，五線譜的優點是易于展示音的高低，對復雜的和聲（在一個位置上有幾個音同時出現）容易識別，視覺非常清楚;在表示旋律方面，尤其是高低不同的眾多音的形態更是比較清楚。但是五線譜不是基于唱名設計的，不具有循環特征，很難在五線四間中哼出唱名，不利于視唱，由此很多音樂家[5]也在積極思考使五線譜朝著可讀性（如彩色五線譜以及簡譜）方向改進的方法，推動五線譜的發展。

無論是簡譜還是五線譜，對于音符時間長度（即音長）的描述，本質上都是采用時間均分加權和，配上符號記法規則來表征[6]，因此需要進行一些計算才能得出音符的時長，不夠直觀。對于MIDI音樂而言，其音長是連續變化的，用時間均分加權和來表述音長非常不直觀。

綜上可見：簡譜可表現出唱名，便于視唱，但是把MIDI文件中的很多描述都丟失了;五線譜便于記譜，但是與八度循環唱名、音長等方面缺乏一目了然的對應關系，視唱困難，不利于面向大眾的音樂應用。

鑒于此，本文汲取MIDI譜、簡譜及五線譜的優點，設計出可將音高、音長和音強等音樂要素一目了然展現的樂譜，借用“一目了然譜”之諧音，稱其為鳥然譜。鳥然譜用規整圖形化的阿拉伯數字表示音符，可像五線譜一樣按音高階梯式排列音符;用長度連續的延長線表示音長;用圖形框的粗細表示音強。鳥然譜既可用于視唱，也可用于樂器的演奏。尤其可方便地將MIDI文件轉換成可視化樂譜，實現計算機MIDI音樂的可視化，讓普通大眾邊聽音樂邊看樂譜，一目了然。

2 ?鳥然譜規則

鳥然譜由說明字段和記譜內容組成。

2.1 ?鳥然譜的說明字段

說明字段包括：調號說明、時號說明和拍號說明標記在曲譜的前面、曲譜名的下面。

為了便于與MIDI精確接軌，鳥然譜將調號與時號相結合，采用與簡譜、五線譜類似但不完全相同的方法來標記;拍號則沿用簡譜、五線譜的記法。

例如：鳥然譜用表示D大調;數字90的含義是方框的寬度為1/90分鐘時間標尺;表示節拍為八分之六拍。

調號說明、拍號說明和時號說明，在曲譜開始處標記;如果中途不變，只需標記一次;如果中途有變化，則再標出新的調號、時號和拍號。若只是節拍變化，則可只改變拍號。

2.2 ?鳥然譜的記譜內容

記譜內容在調號說明、拍號說明和時號說明之后，采用小節的形式描述。為了便于劃分強弱規律，識別強拍位置，在每個強拍前加畫一條豎線“|”，稱為小節線。兩相鄰小節線之間的部分稱為“小節”，是音樂作品中最基本的有規律的節奏單位，每個小節包含的節拍數和拍號說明是一致的。每拍用分小節豎線分隔，分小節豎線比小節線細一點。

音符是曲譜的基本表征單元。借鑒簡譜與漢字方塊字的思想，鳥然譜將阿拉伯數字、“+”“-”及“.”等符號組合在一個標準的方框內，用于表示音符;而方框寬度則表示時間比例標尺。

鳥然譜的基本音符為擴展唱名組：、、、、、、、、、、、，以及延長音“-”和八度分區標識“.”列;用空白表示休止符。該擴展唱名組中的12個唱名可與鋼琴一個八度[7]音程內的12個鍵一一對應。對于C大調，擴展唱名“、、、、”與鋼琴中央C八度音程的5個黑鍵相對應。

鳥然譜高低音的記法與簡譜類似，但有區別。簡譜的記法是在音符的上方（下方）加“.”表示高音（低音），在上方（下方）每增加一個“.”代表增加一個八度，點越多，表示音越高（越低）。不難看出，當樂譜包含的八度音程很多時，簡譜的這種高低音記法占用的行空間多、不緊湊;此外，這種高低音記法與鋼琴的高低音琴鍵分布不一致。我們知道，鋼琴左側（右側）琴鍵彈的是低音（高音），為此，鳥然譜在音符的左側（右側）加“.”列來表示低音（高音），與鋼琴的鍵盤分區直觀對應。

比如同樣的高低音符，簡譜記為：“”和“”，鳥然譜則記為： 和 ?。可見用鳥然譜表征具有多個八度音程的樂譜更方便，如鋼琴曲等。

鳥然譜音長的記法非常簡潔，用不同長度的延長線“-”表示音長。延長線的長度是以音符方框的寬度為時間比例標尺，按該音符的持續時間來確定。與簡譜、五線譜需要計算才能確定音長的記法不同，鳥然譜的音長可直接目視定出。此外，鳥然譜的音長可取任意連續值，容易與MIDI譜一一對應，這也是簡譜、五線譜不具備的特點。

鳥然譜用音符方框上邊框線的粗細來表示音符力度的強弱，也很直觀。

2.3 ?鳥然譜示例

如圖1所示是《平安夜》曲子的簡譜和鳥然譜表示。對比可知，鳥然譜的音長更容易把握，且音高也更明晰。

3 ?鳥然譜制作

由上述文字及圖1可知，相比傳統的五線譜、簡譜等記譜方法，圖示化的鳥然譜一目了然。但從樂譜制作的角度看，人工書寫鳥然譜的復雜度，則比傳統的記譜方法大得多。鳥然譜制作需計算機輔助，主要的優勢是可以在數碼電子屏上實現自動展示。

鳥然譜和計算機MIDI音樂是對應的，因此很容易由MIDI文件轉換制作。MIDI文件中的元事件表示MIDI音樂自身的屬性，如曲名、歌曲版權、速度、節拍信息、調號信息等。這個信息抽取出來就變成了鳥然譜中的說明字段。MIDI文件中有專門記錄音樂播放的MIDI音符事件，該事件是表征曲譜該如何隨時間顯示音符的，因此可以按照此事件來制作動態的鳥然譜，即是制作鳥然譜中的記譜內容。

如表1所示是一個常見MIDI事件的解析，其中包含了音符的很多屬性，如音符序號為67，音量為80，開始時間，結束時間等。根據調式和音符序號67，翻譯出這個MIDI事件對應的音符為 ?，根據持續時間0.3947s以及速度每分鐘76拍，轉換出音長信息——半拍，由此可以制作為簡單的記譜內容 ?，只有半拍的音長。

根據MIDI音樂制作的鳥然譜容易按需拆分成多個分譜，只要把MIDI事件拆分成多個子集即可，如拆分成多個聲部，或者拆分成主旋律和和弦，或者根據彈奏分成左手和右手對應的手指等。

4 ?鳥然譜播放器

鳥然譜播放器是播放鳥然譜的數碼電子設備，能輔助人們視唱、彈鋼琴等。因具有按需播放、自動翻頁等功能，鳥然譜播放器是業余鋼琴練習者的好伴侶，故稱之為鳥然譜琴侶，或簡稱琴侶。可基于平板電腦開發鳥然譜琴侶，具有如下特點[8]：

（1）多個琴侶可編成一組，無線同步播放鳥然譜多聲部音樂。我們知道，多聲部音樂同步播放的延時應當在毫秒以下，而Wi-Fi、4G等公眾無線通信方式的同步時延在秒級甚至秒級以上，故不能用于琴侶的無線同步。為此，可采用公用遙控頻段無線電廣播技術，實現多個琴侶之間毫秒級的無線同步播放。

（2）可任意從琴侶組中選定一個中心琴侶，指揮其他琴侶進行分時顯示、自動翻頁、音頻播放等。

（3）中心琴侶可從云端下載鳥然譜，分發給組內其他琴侶。

5 ?結 ?論

本文提出一種可視化的計算機MIDI音樂表征方法——鳥然譜。鳥然譜神似漢字，形似小鳥，由阿拉伯數字及“+”“-”“.”等簡單符號組成，音高、音長及音強等音樂要素一目了然。鳥然譜的最大特點是可由MIDI文件自動生成，并且容易與互聯網相結合，形成各種互聯網數碼音樂系統，甚至是互聯網數碼音樂新生態。例如，基于無線同步平板電腦的鳥然譜琴侶[9]，可實現MIDI音樂與鳥然譜同步顯示播放等眾多功能，在輔助非音樂專業人士學習鋼琴、識譜視唱、業余合唱等方面有廣泛的應用前景。

參考文獻：

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[6] 尤靜波，劉夢沱，劉其瑞.流行音樂基本樂理 [M].合肥：安徽文藝出版社，2016.

[7] 蒙仕娟.試論鋼琴演奏水平的提升路徑 [J].大眾文藝，2018（23）：137-138.

[8] 韋崗，曹燕，王一歌，等.基于同步域自廣播的電子指揮曲譜機組裝置，中國專利：CN108962202A [P].2018-12-07.

[9] Wei G，Cao Y，Yang C，et al. Digital Sight-Singing Piano with A Fixed-Solfège Keyboard，Continuous Keys and Adjustable Tones by Kneading Piano Keys，European Patent Organisation：EP3407344 [P].2018-11-28.

作者簡介：韋崗（1963-），男，漢族，廣西賓陽人，教授，博士生導師，就職于國家移動超聲探測工程技術中心，主任，博士，研究方向：信號檢測;通訊作者：曹燕（1980-），女，漢族，重慶人，副教授，博士，研究方向：聲信號處理。