虛擬現實技術在小提琴教學中的應用

□肖 睿 劉笑妤 王延松 西安音樂學院

一、虛擬現實技術在音樂教育領域中的應用

（一）基礎音樂教育

虛擬現實技術具有代入感強、交互性好的特點，可以解決傳統音樂教學中的互動感低、效率低等問題。在學前音樂、中小學音樂教學課堂上，教師都可以通過虛擬現實智能設備完成交互及沉浸式體驗。這種體驗不僅能夠提高教學質量和效率，幫助學生認識音樂元素、鞏固理論知識，還能夠提高學生課堂學習效率、理解能力、應變能力等多個方面[1]。

Gomes 等人介紹了在巴西幼兒園得到應用的增強現實軟件，用于教授兒童聲音特性（音高和響度）。該軟件允許兒童操縱與聲音有關聯的虛擬對象，從而學習判斷聲音的響度和高低，并給出了可用性測試的結果。

Edoardo Degli Innocenti 等人在一所小學中進行了關于音樂流派識別的VR 課程實驗。通過移動VR 設備讓學生沉浸在不同音樂風格的表演中（如古典、鄉村、爵士和搖擺）。結果表明，與采用印刷材料和被動聆聽的傳統課程相比，將移動VR 技術與傳統教學方法相結合，可以在主動聆聽、注意力等方面強化初等教育中的音樂學習體驗。

（二）音樂技能學習

Chow 和Jonathan 等人探索了使用增強現實技術創建沉浸式體驗的方法，利用頭戴式顯示器將瑣碎復雜的鋼琴演奏任務作為游戲步驟呈現給學生，使學生能夠直觀地監控自己的練習，有效地提高了鋼琴初學者的學習效率。

Stefania Serafin 等人概述了用于打擊樂學習的虛擬現實的最新軟件和技術，并且分析了如何運用這些技術解決音樂教育教學中的一系列問題。針對兒童在K-12 階段中音樂教育受到預算削減的情況，他們認為虛擬現實可以為兒童提供獲取音樂技能的替代方法。

Evelyn KOrman 等人在研究中使用了增強的沉浸式VR系統來增強樂隊指揮的目光接觸、軀干運動和手勢。研究得出，使用增強的沉浸式VR 和頭部追蹤技術的學生比不使用虛擬現實技術的學生能表現出更大的行為技巧提升。

二、虛擬現實技術在小提琴教學中的應用

能投入使用的樂器模型應該滿足兩個基本原則：一是良好的音質，二是易于控制。傳統樂器在身體、手勢表演活動的輸入及聲音傳播的輸出方面，為人機交互提供了非常好的范本。小提琴是傳統樂器中最精致、最富表現力的樂器之一，因此虛擬小提琴擁有更獨特的、更復雜的物理界面和豐富的擴聲器。

（一）教學系統及模型

Yin 和Jun 等人完成了數字小提琴家教系統（DVT）的設計和硬件的實現，將小提琴音頻轉錄與可視化相結合，利用視頻、2D 指板動畫、3D 頭像動畫等不同的可視化模式幫助初學者更有效地練習和學習。該系統可以提供實時的反饋，在沒有教師在身邊的家庭環境中顯示出很高的實用性，并得到了相當不錯的用戶反饋。

Fan 和Ess 等人設計并實現了一個名為Air Violin 的原型，這是一種使用深度相機的虛擬樂器，他們提出了徒手的以身體為中心的交互范例，用戶可通過執行手勢以自發方式進行交互。該范例采用可穿戴式相機和透視顯示器，來實現3D 空間中的靈活交互手勢控制。

Kusuda 和Yoshihiro 概述了小提琴演奏機器人的模型，探討了有關靈巧性、觸覺感應、執行器的速度控制，以及手臂、手和手指的協調等問題。這些精細的領域將對未來的機器人技術和機器人行業產生巨大影響。

（二）人機交互過程

手勢反饋是控制虛擬音樂設備的一個重要問題，樂器演奏者通過一些身體動作和手勢如用琴弓拉弦等，來產生相應的演奏參數。在現實的樂器中，這些動作手勢是由樂器的發聲機制決定的。任何產生聲音的運動都帶有產生聲音的動作特征，在聲音合成技術中，物理建模能夠將樂器聲音的合成與發聲機理進行關聯匹配。

大多數控制器是基于鋼琴鍵盤設計的，這些控制器的設計基本原則是假設每個音符都是一個孤立事件，其音高、音長、音色和振幅之間無法相互作用。然而對于大多數樂器來說，“一對一”的映射，即每個音符相對獨立是比較少見的。Friberg等人的研究提出提高計算機性能，并介紹了相關高性能計算機中所使用的表達式參數。雖然手勢反饋是控制虛擬音樂設備的一個重要問題，但是聽覺反饋和樂器演奏時的演奏方法也很重要。

在用合成算法進行計算時，由于大多數樂器的演奏者與振動元素（琴弦）直接接觸，所以Cadoz 提出了使用性能手勢的異步分層結構。這是一種可以同時表示低級運動軌跡和高級音樂發音軌跡的層次結構，為建立手勢驅動交互的控制體系結構提供了一種理想的模型。

Askenfelt 等人的研究表明，在樂器振動的過程中，人類皮膚感受器的敏感性在頻率和振幅范圍上是差不多的。另外，Winkler 等人對虛擬環境、樂器及控制設備（如面板、墊子和可穿戴設備）等方面的一些應用程序也做了大量的創建和研究，并做出了概述。

Gillespie 介紹了器樂演奏中的觸覺概況，其認為小提琴演奏員從小提琴中接收到的振動進入了下頜和頭部。這種對許多演奏員來說至關重要的聯系被稱為“觸覺聯系”。因此可以從使用手勢控制虛擬對象，利用空間中聽覺和感覺聲音的角度來考慮觸覺聯系。而O'Modhrain 將觸覺學與仿真相結合，對提高人機交互和技能轉移的性能方面進行了廣泛的研究，最終發現觸覺反饋可以提高玩家學習虛擬樂器的能力。

Goto、Pierrot和Terrier共同開發了一個名為“SuperPolm”的小提琴控制器。它里面集成了七個傳感器，以提供連續的輸出變量。該系統提供了一個接口，能夠根據小提琴演奏者的不同手勢來控制不同的合成參數。

在Burtner 和Serafin 的工作中，通過延伸更多的演奏技巧（如跳弓、頓弓等）來研究弓弦樂器的物理模型。模型基于數字波導技術，使用Max/MSP 圖形編程接口和Metasaxophone進行控制。Serafin 等人進一步討論了弓弦物理模型的表達控制器，并利用平板電腦和VBOX 等硬件擴展了控制方案。

Schoner 等人的研究表明，小提琴的聲音輸出是從靜音樂器上捕捉的手勢數據中模擬出來的。該系統是基于神經網絡訓練和學習，通過復雜的傳感硬件設置對身體的手勢輸入進行測量，從而得到音頻參數輸出的映射。

通過對相關文獻的分析可以發現，國外在人機交互過程中對虛擬小提琴演奏姿勢中弓弦控制和觸覺反饋的研究極其豐富，包括弓速、壓力、位置、指板位置等變量都有相應的傳感設備進行實時的反饋和檢測。但是，有關具體模塊的應用和實際交互效果方面，還有待豐富和完善。

三、虛擬現實技術對音樂學習的積極作用

Bian 和Hong-xuan 詳細描述了近年來虛擬現實在音樂教學系統中的應用，提出了一種在線識別算法，通過驗證性因素分析來評估教學效果。研究表明，虛擬現實技術的應用提高了學生自主學習的積極性和學習效率。

Lin 和Mike Tz-Yauw 等人認為，虛擬現實技術可能是最先進、最完善的認知增強技術。他們概述了VR 可以用來增強創造力和解決問題的五種方式：一是通過改變自我感知；二是通過優化與他人的互動協作；三是通過優化環境條件的影響；四是促進解決問題過程的游戲化；五是通過提供一個舞臺來整合其他增強創造力的技術。這五種方式討論了不斷發展的創新和認知增強科學中的技術融合。

結 語

綜上所述，國外關于虛擬現實技術在音樂教育領域的應用已有一些相應的軟件設計與硬件。虛擬現實技術的應用在本質上并不是要完全替代教師，未來的教育一定有教師的存在，但虛擬現實技術會協助教師的很多工作，通過大數據，它們可能變成教師的助教。聯合國教科文組織的報告提出了“雙師型教師”的概念，虛擬現實設備可以幫助教師對學生進行評測，了解每位學生的學習情況，處理一些基礎性的日常工作，這樣教師就可以有更多的時間與學生進行交流。這種精神就是指人與人之間的交流，在信息化社會，人機之間的交流和人與人間的交流，兩者都不可或缺。