音樂史中的古樂器數字化建構問題研究

覃磊

研究背景及問題

在音樂史學的研究過程中，樂器史是不可忽視的一個重要組成部分，而樂器史中的某些古樂器則在整個音樂史的歷程中發揮著至關重要的作用和意義。

數字化從技術層面講就是把人與物的各種信息變成數字信號或數字編碼，并通過各種程序進行處理。如今，伴隨著互聯網、5G技術、人工智能等領域的發展，數字化逐漸進入數據化和智能化等更高的階段。將音樂史研究中的古樂器進行數字化，不僅在樂器史的研究過程中有著積極的意義，還可通過在未來建立各樂器的數字化形態從而形成整個樂器史研究中的古樂器數據庫。

將古樂器進行數字化建構和研究，我們國家從十幾年前就已經開始嘗試了，比較早一點的代表是我國臺灣省在2008年逐步建立起來的有關于數字化的博物館系統——奇美博物館數位典藏系統。近幾年，大陸地區又建立了“樂器數字博物館”等平臺。盡管這些數字樂器平臺系統已經上線，但是還存在一些問題，比如“奇美數位典藏系統”存在3D樂器展示頁面無法正常顯示的問題，“樂器數字博物館”平臺存在一些按鈕標簽無反應等情況。另外，這些網站幾乎都沒有提供同數字樂器的交互演奏功能，因此缺少一定的數字化表現。

此外，還有一些具體的數字化樂器作品，這些作品在網絡上的分布比較雜，它們有一個特點就是絕大部分的作品幾乎都沒有遵循實際樂器的基本音樂規律和形制特點，例如妙觸公司研發的《古韻東湖》，產品中的三維虛擬編鐘只是一鐘一音，并沒有遵循曾侯乙編鐘一鐘雙音的特點，另外在建模上幾乎只有甬鐘的樣式，而無鈕鐘和鎛等各類鐘的樣式特點。

除了具體的數字樂器平臺和系統之外，還有一些研究數字化樂器的文章也對樂器數字化方向的研究起著積極的作用。例如常亞娜的《基于手勢互動的土家虛擬樂器系統研發》以及王睿的《基于web的中國樂器數字博物館系統》等各類文章。都對樂器數字化進行過積極探討和研究。

選擇英國Norman低音維奧爾琴進行數字化的緣由

在西方音樂史的發展歷程中，維奧爾琴曾經在文藝復興時期、巴洛克時期的宮廷扮演著重要的角色，是主人身份地位的象征之一。維奧爾琴家族是一個發展多樣化的樂器家族，在不同的國家，不同的時期以及演奏不同的音樂上，有著不同的形制特點。從 15 世紀的起源，到16、17世紀的繁榮發展，再到 18 世紀的逐步衰落并最終被小提琴家族所取代。維奧爾琴的形制在這幾百年中都發生著巨大的變化，特別是低音維奧爾琴，甚至還被很多音樂家認為是大提琴的前身。因此，這類樂器在西方音樂史的研究過程中有著重要意義。

采用數字化技術將不同形制的維奧爾琴進行復原，是動態化的模擬和展示各個時期、各個地區維奧爾琴的發展特征和變化之處，這不僅是當下數字技術同人文學科的一個結合點，同時從史學研究上看，還可以使得史學數據和材料在展示過程中更加直觀化和新穎化，在一定程度上可以起到跨學科探索的積極作用。從樂器學上看，數字技術的應用不僅為未來的研究者提供了更加便利的研究平臺，同時對古樂器進行的數字建模也可以在未來直接通過3D打印將其隨時進行快速化“復原”。另外，從聲學上看，現在通過數字化模擬古樂器聲音的嘗試，可能會對將來驗證古樂器聲音的精確化程度上有所提高。

16世紀以后的英國可以說是繼西班牙、意大利之后，維奧爾琴發展最大、制作商最多、作品最豐富的國家之一[1]。無論是以樂器制造商為代表的約翰·羅斯（John Rose）、亨利·賈耶（Henry Jaye）還是巴拉克·諾曼（Barak Norman）等人，還是以作曲家為代表的阿方索·費拉博斯科（Alfonso Ferrabosco III）、約翰·庫珀（John Coprario）等人，他們不僅對英國的維奧爾琴發展有著巨大的影響，而且對整個歐洲的維奧爾琴發展也都影響巨大。英國維奧爾琴通過這樣一群音樂家以及樂器制作商的貢獻，使得它比歐洲其他地區的維奧爾琴流行時間更長。因此，英國維奧爾琴的地位在整個歐洲的維奧爾琴研究中都是舉足輕重的。

另外，選擇Norman低音維奧爾琴不僅是因為他的琴在互聯網上相較于其他制造商的琴體數據更容易收集，同時也是因為Norman的琴在17世紀末和18世紀更受人歡迎，影響也更大[2]。

維奧爾琴數字化的實現過程

（一）實驗材料收集整理

筆者以1692年英國Norman制作的低音維奧爾琴為例，進行數字化實現。通過在“The Metropolitan Museum Of Art”網站檢索“viol”得到有關Norman制作的低音維奧爾琴數據。比較關鍵的部分形制數據信息如材質、高、寬、厚度等數據。基于以上數據，基本獲得建模所需要的全部輔助信息。

本文在聲音數據上使用的是Catherine reisser演奏的低音維奧爾琴錄音。根據其示范的6根空弦錄音，使用“Melodyne 4”音頻軟件，模擬了其他把位的聲音數據，并將這些把位的聲音數據一一采集和整理（如圖1）。

另外，為了驗證該軟件在模擬結果上的精確性，筆者做了包括八度以內和八度以外的音差模擬測試，實驗過程如下：

1.八度以內的音差模擬測試

（1）現場采集大提琴的兩個單音，由演奏者分別拉空弦D弦和A弦，因此分別得到d和a音。（2）將d音通過melodyne 4升高3.5個全音階后（即實際音高為a音）同實際拉出的a音進行對比，兩者的波形和頻譜圖等信息如下（如圖2）。

2.八度以外的音差模擬測試

（1）現場采集大提琴的兩個單音，由演奏者分別拉出d和b1音。（2）將d音通過melodyne 4升高10.5個全音階后（即實際音高為b1音）同實際拉出的b1音進行對比，兩者的波形和頻譜圖等信息如下（如圖3）。

通過在AU中對兩組單音的測試發現，八度以內的測試結果是：升高的d音（即實際音高為a音）頻率為222.87hz，測試的音符為a+22音分，而實際拉出的a音頻率為221.53hz，測試的音符為a+11音分，兩者頻率差為1.34hz，音差11音分。8度以外的測試結果是：升高的d音（即實際音高為b1音）頻率為497.26hz，測試的音符為b1+11音分。而實際拉出的b1音頻率為498.78hz，測試的音符為b1+17音分。兩者頻率差為1.52hz，音差6音分。

因此，通過melodyne 4模擬的音和實際采集的音進行比較，頻率差和音分差的數據相對較小，甚至還可能超過人的演奏精度。所以結論是，通過melodyne 4制作的模擬音是具有相對精確性的。

（二）模型構建和最終DEMO程序數字化實現過程

在模型構建上，這里采用三維模型的形式進行構建。筆者使用Blender2.9版本進行的建模過程如下：

（1）根據以上收集的數據進行多邊形建模，這樣可以先得到低音維奧爾琴的基本體模型，如圖a。（2）通過對維奧爾琴的材質分析進行材質球制作。在基于Eevee渲染器下的BSDF（原理化著色器）中，高光參數值設置為0.38、糙度為0.5、光澤染色為0.5、清漆粗糙度為0.03的情況下，可得到如下材質球，如圖b。（3）根據Norman的琴體圖案進行貼圖的制作，并將提取和后期制作的貼圖應用于相關琴體上，如圖c。（4）將模型進行各個細節的總合成，并得到最終效果圖，如圖d。

根據上文的數字模型和聲音數據的收集整理，將其全部打包在同一個素材包內，然后為了使得交互應用的樂器渲染有更好的效果，本文的數字化DEMO采用的是Unreal Engine進行開發（如圖4）。

主要的開發功能如下：（1）當同樂器交互過程中點擊不同把位后，每根弦的音高將發生相應改變（音高變化邏輯是：相鄰品的音高差距為一個半音階，并從第一把位開始依次遞增）。（2）通過鼠標事件控制旋轉、縮放維奧爾琴模型位置。（3）為該樂器添加相應的介紹文本按鈕，以實現對該樂器的基本信息介紹（DEMO如圖5）。

西方音樂史研究中的古樂器數字化平臺構想

古樂器是一個非常寬泛的名詞，有著非常明細的分類，國外有HS分類法[3]，國內早在周代就有八音分類法，不同種類的樂器在數字化建設和研究上不一樣。本文就西方音樂史研究中的古樂器提出綜合性的數字化平臺構想。

（一）數字化樂器平臺建設構想

綜合的數字化樂器平臺應該采用可交互式的聽覺與視覺/文本相結合的應用系統，該應用平臺應該包括可供搜索的分類系統、按古樂器比例等實際信息而制作的3D模型、根據古樂器原聲所采集的聲音數據以及同該樂器相關的其他文本和圖像等信息。

搜索方式上，采用斯蒂夫邁恩的“樂器元素分類法”[4]。就“古樂器”而言，只要有足夠的時間，所有的樂器都可以是“古樂器”，因此，這是一個相對的概念。就當下來說，維奧爾琴算古樂器，羽鍵管風琴、魯特琴、中世紀的橫笛等樂器都屬于“古樂器”的范疇。而如果將時間往后延幾百年甚至上千年，那么當今社會的一切樂器也可以被納入“古樂器”的范疇之中。因此，選擇一個合適的樂器搜索方式也許更應該考慮的是如何在未來使更多種類（尤其是新型種類樂器）的樂器適合該分類法，而不僅僅只是考慮如何讓分類法適用于當下相對靜態的“古”樂器種類。

另外，在交互方式上，使用者應該可以360度地查看樂器模型，當點擊樂器琴弦或者琴鍵時，樂器應該發出相對應的原聲。當然，有一些管樂器（比如銅管、木管樂器等）通過按鍵無法完全控制音準，還需要配合氣息的應用，這種情況下可以使用數字交互作品中的“模擬鍵盤”以實現對這類古樂器聲音的測試或演奏。除此之外，因為樂器庫擁有各類樂器的三維模型，因此，還應該將這些三維數據設立為單獨的3D打印樂器數據庫，通過這些數據可以直接連接3D打印機，以對各種物態樂器進行快速“復原”。

（二）古樂器數字化的目標

古樂器數字化平臺最終所要完成的目標，是建立有關西方音樂史研究中關于古樂器數字化的數據庫。在未來，音樂史學研究者可通過古樂器數據庫便捷和快速的檢索需要研究涉及的古樂器有關信息。除此之外，還可以通過提供的模型數據，對各種需要研究的樂器進行3D打印，以實現一比一的復原。當然，因為原始材質和復原體材質等等的差異，音色、音準可能也會有誤差，但是通過把各類樂器數據統一化和實現直接可以通過3D打印技術復原的古樂器數據庫，或許要比零散的數據和圖片更有價值。

結 語

隨著科技的進步，國家政策的支持，國內的音樂研究越來越側重和科技的融合，例如上海音樂學院音樂表演可視化研究、中央音樂學院的音樂人工智能專業博士點的開設等，這些所涉及到的新研究都在我們國家的音樂跨學科研究中發揮著積極的意義。

低音維奧爾琴進行數字化實現，是實現西方音樂史研究中古樂器數字化的一次嘗試，同時也是為最終建立西方音樂史學中的古樂器數據庫而完成的一次小實驗。本文針對古樂器數字化提出了構想和目標，從Norman低音維奧爾琴入手，研究了如何實現弦樂類古樂器數字化的方法，這樣的方法，或許為未來建立整個西方音樂史古樂器數據庫提供了些許新的研究思路。當然，此時的研究，依然面臨著很多困難和挑戰，只有更多的研究者最大限度的培養文、理結合性思維和能力，才能更好地實現和解決音樂史學研究中的數字化問題。

參考文獻：

[1]Michael Fleming，John Bryan. Early English Viols Instruments， Makers and Music[M].London;New York：Routledge，2016：1-3

[2]Stanley Sadie.The New Grove Dictionary of Music and Musicians 2nd[M]， London：Macmillan Press Ltd， 2001：671

[3]曹本治、洛秦主編. Ethnomusicology理論與方法英文文獻導讀 第二卷[M].上海：上海音樂學院出版社，2019.01

[4]付曉東.樂器分類的新思維——元素分類法[J].音樂傳播，2013（01）：66-70.