基于柔性傳感器的歌手養成訓練系統

付錦溪，王宇飛，丁菲，安曉峰

（吉林工程技術師范學院 信息工程學院，吉林 長春 130000）

0 引言

當代聲樂教學中廣泛使用聲音測評軟件對學生進行發音練習及測試，既能達到良好的訓練效果，也能使得學生有很好的表現空間，符合當下“以人為本”的教育理念[1]。據相關信息統計，我國三十多個省市自治區和直轄市中的二百多所高等院校都設立了播音主持專業，每年畢業自播音主持藝術專業的學生多達上萬人，因此培養這一類專業人才的問題變得更為重要[2]。結合信息技術與音樂教學可以大大提高音樂教學的效率[3]。如今，市場上雖然有一些K歌軟件，但仍存在誤差等各種不精確的評判，人們無法依據這些軟件去調整準確的聲調。與此同時，當下很多工作和業務都已經實現了完全的線上操作，借助網絡資源進行學習也成為一種趨勢。

1 系統構成

1.1 系統組成

我們研制的可穿戴歌手養成訓練系統分為四個部分：電源模塊，數據采集模塊，傳輸模塊，接收終端及顯示模塊。電源模塊負責給各個模塊供給電源。液態金屬震動傳感器、濕度傳感器、聲卡構成數據采集模塊，數據采集模塊將收集的數據保存。傳感器貼在用戶的胸部、喉部、話筒等部位上，傳感器會實時地將所獲得的數據通過藍牙或者無線網絡輸送給接收終端。由接收終端進行程序數據顯示、處理和識別，讓使用者能夠實時看到對比結果。結果是通過語音頻譜圖顯示，根據與標準音數值相差結果，及時調整聲調，使用戶更加接近標準音。

1.2 優勢

和常見的電子應變傳感檢測器相比較，柔性電子應變傳感器克服了其易脆缺點，具備柔性輕薄的特點，同時具有優良的透明性、可連續檢測與可穿戴性等優勢。

1.3 過程

傳感器的基底材料在外力作用下產生彈性變形，傳感器的微流通道的形狀和尺寸發生改變，其電阻值也隨之發生變化；然后通過傳感器對應的測量電路將電阻轉換成電信號；最后信號采集部分將該電信號采集、放大并傳輸到電信號處理部分進行處理。

2 系統硬件設計

2.1 數據采集程序

在儀器開發軟件LabVIEW和雙諾的MP420采集卡的基礎上，我們開發了一套數據采集系統。其具有性價比較高的特點，并有數據采集、讀取、存儲與波形顯示等主要功能。因為LabVIEW有強大的信號分析處理功能，本數據采集系統可以擴充其它后續會需要的功能。圖1給出了MP420_AD.VI子程界面圖。在系統軟件開始運行之前，用戶會先進行參數設置，包括起始/停止通2道的選擇、A/D的輸入量程、采樣模式、采樣頻率的設定并啟動A/D采樣。

圖1 MP420_AD.VI子程界面圖

2.2 數據存儲

將DA FIFO讀取的數據，存儲在其它的數組或硬盤之中。本文讀取出的數據，會以文本文件的形式進行保存。

3 系統軟件設計

用戶使用由液態金屬搭載的電子標簽，其主要功能為當檢測到佩戴者聲音狀態發生改變時，電子標簽的形狀及運動狀態也會隨之發生改變，將檢測標簽的形變及速度變化產生的實時信號傳送至監測模塊。

根據發聲檢測儀的設計需求來看，整個產品應分為狀態初始化模塊、語音錄入模塊、唱歌檢測模塊、發聲錯誤提醒模塊、數據錄入等。軟件界面包括用戶登陸界面、主頁、測試過程界面、聲音測試界面、數據結果查詢界面等[4]。

3.1 狀態初始化模塊

狀態初始化模塊主要負責對系統內自帶的各種功能函數、各種外設接口和功能模塊等進行初始化的配置。在用戶使用過程中接受聲音狀態信號，設計實現了一個功能獨立，接口靈活的服務架構，實時狀態更新檢測模塊的主要功能是由電子標簽的位移來實現對人體發聲狀態的判斷。軟件UHFREADER是對讀寫器的調控軟件，通過此軟件可以通過串口連接讀寫器并對讀寫器進行參數的收集并分析。UHFREADER可以直接讀取RFID標簽，此功能為歌唱系統的精確感知搭建了良好的基礎。

3.2 語音錄入模塊

語音錄入模塊主要是輸入語音數據，鏈接數據庫，實時監測人體發聲部位和發音錯誤。狀態監測模塊的主要功能是監測電子標簽的形變和位置并對其分析判斷是否發出報警信號，如果發出則傳輸至通信網絡終端；該模塊通過合理引導，進入列表頁后，首先加載布局文件，并為頁面中的元素設置響應事件。依據流程指示用戶進行聲音輸入，為后續功能的使用提供聲音素材。語音錄入界面可選擇系統提供的文稿/歌曲，也可以選擇自由歌誦。同時為了讓用戶能找到想要的歌曲，首先配置用戶聲音，輸入此模塊，繼而啟動聲音輸入采集、讀取輸入聲音、通知聲音輸入采集、聲音輸入清零[5]。

3.3 無線通信模塊

無線通信模塊功能為在報警處理后進行無線通信，控制無線通信模塊發送遠程報警信息至手機電腦等移動端。在系統初始化之后，將實時監測人體發聲部位震動頻率，并對實時數據加以處理，反饋到系統，給使用者制定更加適合的唱歌訓練方式。

4 系統測試

圖2所示為用戶發聲氣息監測示意，當監測到人體發聲部位異常，音準錯誤，會立即進行實時的警報矯正，以告知使用者使用正確的發聲部位。當佩戴者電子標簽形狀及運動狀態發生改變時，監測模塊會立即對電子標簽的狀態及位置進行分析，并且發出警告；模塊通過實時監測電子標簽的位置，依照發音正誤做出反應，實時提醒用戶更改發音行為。根據流程創造實時提醒頁面，給用戶提供發生錯誤反饋，通過警報的方式使用戶達到修改本人發聲部位的目的。

圖2 用戶發聲氣息監測示意圖

經功能測試后，系統完全實現了預定功能：若用戶發聲出現不規范現象，頻譜圖會及時對比報錯并給出正確曲線，使用戶進行調整直至回到正確曲線。

5 結語

本設計解決了聲樂無法完全實現線上教學、聲樂老師短缺及費用昂貴等問題。此系統通過傳感器對發聲部位及強度做出精準的檢測，并結合大數據及人工智能給出最優改正方案。基于柔性傳感器的歌手養成訓練系統可以成為聲樂教學或自學的輔助。用戶在尋求指導時，可以使用精確的數字闡述自身存在的問題，減少了溝通方面的成本，將學習成果數據化、可視化。從經濟的角度來說，產品方便、快捷、易上手，在很大程度上為人們節約了場地、教師，且可以重復利用。這為學習聲樂的人群降低了成本。從服務的角度來說，產品為每個人提供了做出發聲檢測、給出精確數據并針對具體應用場景提供改正方案的服務，降低了用戶提高聲音質量的門檻。為想要接受專業音樂指導的人作出具有針對性、專業性的評判結果以及矯正方案。解決了往常靠導師進行指導存在的人耳校準系統不準確、評判結果各不相同的問題。同時本產品記錄用戶每次使用的評判結果，將其納入數據庫中，給予用戶精準的數字化評判結果，為用戶的進一步發展提供解決方案。