基于腦波驅動的電子音樂合成器產品設計

1.澳門城市大學創新設計學院 .吉林藝術學院 顏成宇 孫博 馬映彤

1 腦波與腦波音樂

1.1 腦波概述

十九世紀末，德國精神科醫生Hans Berger 見電鰻放出電氣，便推斷人類也存在著生物電活動現象。1924 年，Hans Berger 首次在頭蓋骨受損患者的大腦中檢測出電磁波變化，由于這些信號是以電磁波形式傳播的，因此被命名為“腦波”。腦波即人腦中的神經細胞活動時發生的電氣性擺動，并以圖表形式呈現。它的振動頻率在一定程度上與人的意識活動相對應，因而引起眾多研究者的關注。1934 年，英國劍橋大學的E.D Adrian 博士和B.H.C.Mathew 博士再次證實了腦波的存在。

1.2 腦波音樂概述

由于腦波與音樂具有相似的信號形式，因此二者之間的關系始終是神經科學、心理學等領域研究的熱點問題[1]。將腦電波轉換為音樂，離不開信號數據的可視化應用。19 世紀下半葉，生理學家Etienne-Jules Marey 首創了用圖形法記錄多種生理信號，揭開了成像技術發展的序幕。1929 年，德國精神病學家Hans Berger 發表了人類腦電圖的首次報道，科學家們開始不斷探尋關于人的行為與大腦皮層神經細胞活動之間的聯系。

1934 年，迎來了腦波與聲音聯系起來的首次嘗試，神經生理學家Edgar Adrian 呈現了Berger 節律的實驗結果，將腦電信號轉化為聲音信號，并通過揚聲器播放[2]。由此可知，與音頻信號一樣，腦電波也具備聲波頻率的數據可聽化參數。要想采用聽覺來感知腦電波，那么通過揚聲器就可將腦電波轉化成聲音。但是當時腦電信號和人聲、樂聲的頻率范圍相差較大。直至50 年代開始，信號處理的發展使腦電信號分析方式得到了顯著改善，通過技術可將腦電信號的頻率與人聲、樂聲的頻率相契合。由此證實，利用音頻的振幅可以進行腦電信號與音樂信號之間的轉化，腦波與音樂之間確實存在一定的相關性[3]。

2 電子音樂合成器概述

電子音樂合成器是指一種能夠產生音頻信號的電子樂器。它的工作原理是先產生電信號，然后利用電信號儀表放大器接收信號，從而推動音頻輸出設備發出聲音。電子音樂合成器的特點是不僅能模擬，如傳統樂器、人聲、海浪聲等以自然形態存在的聲音，又可以獨立生成非自然發生的電子聲音。目前，電子音樂合成器的應用幾乎貫穿了所有音樂流派和風格，被認為是目前音樂產業最重要的樂器之一。

2.1 電子音樂合成器的發展

電子音樂合成器的起源可追溯到19 世紀末。當時以利沙·格雷為代表的科學家發現，人們可以通過控制電磁電路上的機械振動獲取聲音[4]。1876 年，他開發了一種音樂電報機，使用鋼制成的簧片作為振蕩器，通過電話線和電磁石傳送信號，并被認為是電子音樂合成器的前身。1929 年，來自法國的Edouard Coupleux 和 Joseph Givelet 推出了一種樂器，并將它的非官方名稱簡寫為Coupleux-Givelet 合成器，這是歷史上第一次有人將樂器稱為電子音樂合成器。

歷史上第一臺公認的、真正意義上的電子音樂合成器誕生于1955 年，美國無線電公司制作了一臺名為MKI 的加法合成器[5]。現今大多數電子音樂合成器所使用的有源模塊，如滑音器、包絡發生器等，都已在這臺機器上有所體現。1956 年，MKI 的出現標志著電子音樂合成器一詞的正式引入。1971 年Moog 公司推出了鍵盤合成器Minimoog Model D，它的出現標志著電子音樂合成器的首次商業成功。1983 年，Yamaha 推出了更加穩定可靠的數字合成器DX7。90 年代隨著計算機的發展，出現了如Serum可復刻經典模擬合成器等更多音色的軟件合成器。至此，電子音樂合成器的形態被賦予了新的技術特征。

2.2 電子音樂合成器的分類

關于電子音樂合成器的分類，廣義上可以分為模擬合成器和數字合成器。模擬合成器靠電子信號振動發聲，所有的組件都通過旋鈕等調節電壓來控制，極易調節的電壓能產生無數的音響結構。數字合成器使用數字計算干預處理電子信號振動的某一環節來達到將模擬信號數字化，或直接使用數字信號。從狹義上來講，電子音樂合成器也可以按功能分為減法合成器、波表合成器、FM合成器、采樣合成器及粒子合成器。

3 國內外基于腦波驅動的電子音樂合成器產品設計現狀

腦電波與聲音交互的研究起始于神經生理學家Edgar Adrian將Berger Rhythm 的實驗進行重現，將腦電轉化為音頻通過揚聲器進行播放[6]。1965 年，實驗音樂作曲家Alvin Lucier 用腦波創造出第一首腦波音樂Music for the solo performer。通過對其腦波信號的阿爾法波進行放大，將腦電信號轉為聲音信號映射到樂器中進行演奏。20 世紀末，在腦電和音頻技術飛速發展的基礎上誕生了BCMI，可用腦波控制音樂演奏且聲音動聽。

3.1 國內基于腦波驅動的電子音樂合成器產品設計現狀

國內的研究起步較晚且側重于醫學研究領域。2009 年，就職于電子科技大學的吳丹博士第一次提出基于無標度性的腦波音樂編碼假說[7]。該假說是在EEG 與音樂都遵循“無標度性”這一非線性動力學現象的基礎上提出的。2012 年，神經信息教育部重點實驗室盧競等人進一步運用和EEG 同步提取的FMRI 來映射音樂中的聲音強度，從而制作了EEG 與FMRI 信號結合的音樂，該音樂比純粹的腦波音樂更符合無標度性[8]。2013 年，吳丹進一步發展了基于“藝術濾波”策略的多聲部合奏腦波音樂。研究結論表明，大腦實現多腦區之間的協作就類似于多聲部音樂中不同聲部的合作。

3.2 國外基于腦波驅動的電子音樂合成器產品設計現狀

國外腦波音樂研究有數十年的歷史，研究側重于兩方面：一方面是實驗音樂創作，將腦電轉化為MIDI 信號映射到音樂合成器中輸出聲音。如作曲家約翰·凱奇是世界公認的對實驗音樂起源與發展有重大意義的作曲家。目前的腦電檢測技術可映射出人興奮、緊張、輕松等情緒。如Grace Leslie 采用腦電信息采集技術開發出將大腦和身體用作樂器，Grace 的心跳、神經電活動和其他生理信息反饋可以從接口收集輸入計算機，將它轉化為聲音。Grace 在演奏長笛的同時，需要仔細調整情緒和身體狀態，以在表演中創造出和諧的音調。另一方面是基于腦機接口的出現，使用腦電信號驅動樂器進行演奏。

4 基于腦波驅動的電子音樂合成器產品設計意義

4.1 豐富了電子音樂產業的創作方式

通過腦電波驅動的電子音樂可以在不同思維狀態下創作出具有生物屬性的電子音樂，這是一種全新的創作方式。它改變了傳統音樂創作的固有形式，使音樂的創作從“情感化”向“情感數據”的轉變，提供了具有生物信號數據的創作新視角。

4.2 激發了藝術家們的創作積極性

腦電波數據的產生通過電子音樂合成器進行數據處理，并驅動設計出契合用戶生理狀態的音樂，這種新創作工具的研究有助于激發藝術家們的創作靈感，豐富創作的思維邏輯，提高創作效率，從而激發藝術家對于電子合成音樂創作的積極性。

4.3 推動了國內音樂產業的發展

中國正進入數字化和智能化的新時代，這有效地推動了國內音樂創作領域的傳承和發展，對于打造國家文化軟實力，提高國家文化形象具有重大意義。這不僅重建了人們對國內音樂領域的認知結構，而且構建了一種全新的文化展示形式。

5 基于腦波驅動的電子音樂合成器產品設計思路

5.1 功能設計

從基于腦波驅動的電子音樂合成器（以下簡稱為腦波電子合成器）的功能實現方面來講，使用腦波來驅動電子音樂合成器發聲主要經過采集腦電信號數據、參數映射、信號轉換、輸出MIDI四個步驟：第一，通過使用穿戴式腦波傳感器作為腦機接口運用在使用者身上，以標準腦電圖采集法來獲取腦電圖信息。接著，需要對收集的腦電信號數據進行特征分析。這里使用到一種技術，被稱為腦電圖，用于監視測量人腦所放射生物電的活動，它廣泛地運用在臨床試驗及科研領域。基于數值范圍腦電信號可分類為5 種：α波，在淺意識狀態下8—14 Hz；β波：在意識清醒狀態下為14—30 Hz；γ波：被測人集中注意力于一點時在30 Hz 以上；δ波：在測試者對事物視而不見聽而不聞的意識狀態下為4Hz 以下；以及θ波：在潛意識過程中4—8 Hz。根據這5 種波形可展現人不同時期不同狀態下人們的情緒。第二，通過放大處理、信號濾波、模擬數字信號轉換等分析方法得到想要的特征參數，并將其映射成控制聲音或音樂合成所需要的參數。參數映射不僅能夠靈敏地、實時地檢測腦電波振幅頻率的微小變化，而且還能夠顯示腦電圖和音樂都遵循的無標度定律這一基本特征。根據費希納定律，腦波的基本屬性和與樂音之間存在著一種對應關系，通過映射算法將大腦皮層電信號的振幅、周期、映射規則轉換成先后對應的音高、音長、音量三大音樂的基本特性[9]。第三，在第二步的基礎上，可以將映射后的參數作為元數據來調節合成器的電壓，由此驅動合成器進行電子振動，這里相當于一個腦電波到MIDI 信息的接口。第四步發射MIDI 信號，可選擇與其他的合成器組件或計算機等輸入設備進行連接，或者直接連接揚聲器進行發聲。

5.2 交互方式設計

設計腦波電子合成器的理念在于，提供了一種不需要使用者進行任何肌肉控制就可以進行音樂交互與表演的方式。因此，腦波電子合成器設計要避免過多的實體操控，可交互的部分聚焦于對腦波分類的切換和對外部接口的擴展。用戶在使用過程中通過集中注意力、冥想、調節情緒等，借助“思想”的力量來完成對產品的使用和音樂的創作：一方面是在表演和音樂創作方向具有創新的、實驗性的意義；另一方面借助此種交互形式幫助由于疾病或先天缺陷不能、不方便進行肌肉控制行動的人群來完成藝術創作或體驗等需求。

5.3 結構設計

從結構上來說，腦波電子合成器集成了腦機接口及振蕩器、濾波器等基本組件，并開放與其他合成器和MIDI 輸入設備、音頻輸入設備的接口，增加屏幕等可視化界面來監測腦波波形，實時反饋用戶的大腦活動和情緒狀態。采用模塊化的組成結構，一方面腦波傳感器與腦波電子合成器在形式和功能上都能進行分離，以保證后續對組件的更換與維護不會影響正常的使用；另一方面有利于對雙方的功能進行升級和拓展。同時，內置的腦機接口既能配合腦波電子合成器本身完成對腦電波數據的采集接收，又可以作為獨立的內置模塊與其他電子音樂合成器組件進行數據通訊。

5.4 外觀設計

在外觀上，文章中研究的產品雖然在形式上符合東海岸風格合成器注重簡單易用性的理念，但它的交互方式決定了它是一種具有創新性工作流程的西海岸風格合成器。因此，在造型設計方面，產品主要由非侵入式腦波傳感器和接收腦波信號的合成器兩部分構成，分別使用頭戴式設計和模塊化設計來保持風格的一致性。在材料設計方面，傳感器部分應使用碳纖維、ABS 等兼具輕便與堅固特性的材料，結合人體工程學保證使用過程的舒適性，減少穿戴設備對表演者心理狀態的干擾。合成器部分與傳感器部分保持調性的一致，外殼材料要保證其便攜性，且有利于腦波信號的接收與發射。在色彩設計方面，應當使用黑或白這種無情感傾向的顏色，讓觀眾聚焦于音樂和表演本身，弱化產品的裝飾性。

6 基于腦波驅動的電子音樂合成器產品設計實踐

6.1 設計理念

腦波驅動的電子音樂合成器使用了實驗性的交互模式且易于控制，兼備探索性和實用性。對于剛剛接觸電子合成器領域的入門新手來說，人性化的使用流程和操控界面容易上手。而對于經驗豐富的音樂家來說，新的使用方式很大程度上提高了趣味性，為音樂家、作曲家等拓寬了新的創作思路。

6.2 功能設計

文章中研究的產品提供了腦電波波形實時可視化、信號放大、信號門電路輸出、MIDI 信號輸出四種功能。腦波電子合成器在操控界面上達到了極簡，只保留了三種類型的硬件操作，其中縮放頻率的旋鈕是唯一可干預所輸入腦電波信息源的部分，信號門電路輸出功能可以發出電平信號來控制包絡發生器等新的模塊，使之能與常規電子合成器的用戶生態有機地結合起來。MIDI 信號輸出功能負責與其他支持MIDI 信號通訊的設備，如軟件合成器、激光燈、音響等進行交互來拓寬表演的邊界。

6.3 外觀設計

6.3.1 產品控件設計

產品控件設計是根據合成器內部的模塊結構進行的，這些硬件由算法支持，并決定了它的作用[10]。從產品的功能性和用戶的操作性考量，在設計中體現出人性化的理念，把腦波這種抽象、無實體的存在形成信息可視化系統。控件設計分為5 組，分別對應5 種腦電圖波形的信號采集。在每一組控制區域內分為：（1）波形視覺化顯示區；（2）信號放大調節旋鈕；（3）信號門電路輸出接口；（4）MIDI 信號輸出接口。

6.3.2 產品操作界面設計

產品操作界面設計的邏輯和風格遵循以下三方面內容的指導：產品目標、硬件（設備）接口、用戶習慣。產品目標要求界面的設計要體現產品性質，也就決定了界面中的元素和元素間的主次關系，因此腦波的可視化監測屏幕被放置在產品的最上方。整體元素排布與用戶使用習慣的風格一致，在進行用戶界面設計時應充分考慮體驗設計理論，并結合用戶對其他音樂合成器的使用經驗進行設計，來保持用戶習慣的一致性。

6.4 設計呈現

綜合以上的觀點，此次產品的設計以功能創新為出發點，外觀設計充分考慮電子合成器用戶的使用經驗和操作習慣，既突破了現有產品的框架，又有著延續用戶生態的優勢。產品最終的效果如圖1、圖2 所示，黑色機身體現工業美學，上方的品牌包裝使用了國際主義風格，兼具實用性與美觀性。

圖1 產品操作界面

圖2 產品外觀與人機交互

7 結語

隨著現代科技的發展，基于腦波的人機交互已成為電子樂器創新設計的重要方向。文章將電子樂器設計相關理論運用到腦波驅動的電子音樂合成器創新設計之中，為電子音樂合成器產品設計提供了新的思路。文章通過實踐驗證理論，真正意義上融合了軟件設計與硬件設計，解決了基于腦波驅動的電子音樂合成器一體化的創新設計問題。在未來的研究中將繼續對電子音樂合成器的創新性設計進行探索，進一步完善研究實證實驗，優化產品的迭代設計。