梁貝茨

（倫敦大學(xué)瑪麗女王學(xué)院，倫敦 E1 4PD）

漫談幾種樂器的增強(qiáng)技術(shù)及裝置

梁貝茨

（倫敦大學(xué)瑪麗女王學(xué)院，倫敦 E1 4PD）

介紹了C4DM樂器增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室的部分項(xiàng)目，主要包括對(duì)傳統(tǒng)樂器的性能進(jìn)行延展的科學(xué)技術(shù)，同時(shí)涵蓋新型聲音接口及創(chuàng)造性音樂表演分析等相關(guān)研究。

樂器科技；樂器增強(qiáng)；電子樂器；傳感技術(shù)

所謂“樂器增強(qiáng)”，是指?jìng)鹘y(tǒng)樂器的自身特性被傳感器、聲音制作技術(shù)或新型人機(jī)交互等現(xiàn)代科技手段所延展的新型樂器。倫敦大學(xué)瑪麗女王學(xué)院數(shù)字音樂中心（Centre for Digital Music，簡(jiǎn)稱C4DM）的樂器增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室（Augmented Instruments Laboratory）①在樂器增強(qiáng)方面開展了多項(xiàng)研發(fā)，其大多數(shù)項(xiàng)目都是基于專業(yè)演奏家在傳統(tǒng)樂器上的表演技法，合理地進(jìn)行開發(fā)以增強(qiáng)音樂表現(xiàn)力，同時(shí)致力于聲音合成、音樂接口和音樂表演分析等相關(guān)研究。本文將對(duì)實(shí)驗(yàn)室已完成或正在研發(fā)的項(xiàng)目加以介紹。

1 磁動(dòng)力鋼琴

傳統(tǒng)鋼琴通過機(jī)械傳導(dǎo)的榔頭擊弦而發(fā)音，演奏者在觸鍵后便失去了對(duì)該音符的控制。而磁動(dòng)力鋼琴（Magnetic Resonator Piano，圖1）在維持傳統(tǒng)三角鋼琴聲學(xué)性能的同時(shí)，通過在琴弦上方設(shè)置電磁驅(qū)動(dòng)器（圖2），使演奏者實(shí)現(xiàn)控制鋼琴持續(xù)發(fā)聲的效果，甚至在觸鍵后改變?cè)撘舴膹?qiáng)弱、音高和音色，擴(kuò)展了音樂表現(xiàn)力。這是因?yàn)槊總€(gè)琴鍵上方的光學(xué)傳感器（圖3）相當(dāng)于一個(gè)掃描儀，在不影響演奏者演奏的條件下感知其觸鍵位置與方式，隨時(shí)捕捉琴鍵角度的變化，特定的角度變化模式可映射為新型鋼琴觸鍵法，從而產(chǎn)生新的音響效果。例如，非常緩慢地按鍵，可以產(chǎn)生從無聲到逐漸變強(qiáng)的效果（crescendo）；在觸鍵后振蕩，指尖使壓力規(guī)律變化可以產(chǎn)生顫音效果（vibrato）；連續(xù)輕觸琴鍵表面，可以激發(fā)音符滑奏至其泛音列等等。

圖1 磁動(dòng)力鋼琴

圖2 琴弦上方的電磁驅(qū)動(dòng)器

圖3 琴鍵上方的光學(xué)傳感器

2 TouchKeys

TouchKeys相比于其他的鍵盤類樂器，通過電容式觸控感應(yīng)提供一種比光學(xué)傳感器更普適且更敏感的觸鍵捕捉技術(shù)。其普適性在于它可以安置在任何標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)的聲學(xué)或電子鍵盤樂器上，其敏銳度在于對(duì)指尖位置的高分辨率測(cè)量。在200 Hz的采樣率下，每個(gè)琴鍵上觸鍵位置或面積的變化會(huì)改變電容的大小，該數(shù)值變化可通過USB傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的軟件程序中生成OSC和MIDI信息，從而更廣泛地被其他聲音合成器軟件利用，映射為更加富于表現(xiàn)力的聲音效果。與此同時(shí)，Touchkeys實(shí)時(shí)量化演奏家觸鍵技巧的功能，可輔助音樂學(xué)家對(duì)鋼琴觸鍵法的研究（圖4）。

圖4 TouchKeys軟件端對(duì)演奏者觸鍵信息的實(shí)時(shí)反饋

3 電子風(fēng)笛

蘇格蘭高地風(fēng)笛通常被視為一種不易掌握的傳統(tǒng)樂器，一般需要半年至一年的時(shí)間來訓(xùn)練演奏者熟悉吹奏法及特定的主音與裝飾音指法。如何利用現(xiàn)代科技來輔助并加速訓(xùn)練過程，便成為電子風(fēng)笛項(xiàng)目的主要目的。風(fēng)笛在結(jié)構(gòu)上一般包括吹管（blow pipe）、氣囊（bag）、演奏管（chanter）和旋管（drone），商用的電子風(fēng)笛如DegerPipes、TechnoPipes和Redpipes，均利用電容觸控開關(guān)檢測(cè)演奏管上由手指控制的孔洞開閉，然而無法精確地反映開與閉之間的動(dòng)態(tài)變化。樂器增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的電子風(fēng)笛輔助訓(xùn)練系統(tǒng)利用紅外傳感技術(shù)可捕捉手指在演奏管上的連續(xù)變化，并通過專用的軟件程序錄制及分析演奏過程（圖5）；分析結(jié)果既可以幫助演奏者規(guī)避錯(cuò)誤的練習(xí)方法，也可輔助職業(yè)演奏家對(duì)演奏者進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)。

4 對(duì)傳統(tǒng)小提琴的多態(tài)感知

低成本的光學(xué)傳感器不僅能應(yīng)用在前文所述的琴鍵角度感應(yīng)，也能置于琴弓的弓桿上通過測(cè)量弓桿與弓毛間的距離變化來追蹤小提琴運(yùn)弓壓力的變化（圖6）。與此同時(shí)，電阻式傳感器以不改變小提琴外觀及性能、不影響小提琴手演奏的方式安置在琴板上，從而檢測(cè)左手按弦的位置變化（圖7），這對(duì)于音樂信息檢索領(lǐng)域內(nèi)的音高實(shí)時(shí)檢測(cè)任務(wù)起到顯著的輔助作用。例如，小提琴發(fā)出192 Hz的低音G需要5.2 ms來完成一個(gè)完整的波長(zhǎng)，此時(shí)若僅僅基于音頻的波形變化做檢測(cè)，不但需要注意加窗處理帶來的進(jìn)一步延遲，還要考慮泛音頻率對(duì)算法識(shí)別準(zhǔn)確度的影響，而加以基于傳感器的信號(hào)，則能在短時(shí)間內(nèi)通過指尖的位置估算基頻，因此在多態(tài)感知的條件下進(jìn)行小提琴音高實(shí)時(shí)檢測(cè)可縮短延時(shí)并提高正確率。

5 黑客樂器與Bela平臺(tái)

圖5 電子風(fēng)笛

圖6 琴弓上的光學(xué)傳感器

圖8 Bela平臺(tái)

圖9 The D-Box

上述樂器所涉及的增強(qiáng)技術(shù)既有對(duì)聲音表現(xiàn)力的拓展，也有對(duì)音樂信息檢索功能的協(xié)助，既能夠滿足藝術(shù)家更豐富的創(chuàng)造力，也服務(wù)于提高初學(xué)者的練習(xí)效率。其實(shí)“以不同于樂器設(shè)計(jì)初衷的方式來演奏樂器”的現(xiàn)象非常普遍，如爵士薩克斯風(fēng)樂手的滑音技巧、電吉他的失真效果等，甚至有演奏者改動(dòng)樂器本身的物理特性來實(shí)現(xiàn)自己希望的聲音效果。各種各樣新奇的電子樂器應(yīng)運(yùn)而生，但其復(fù)雜的設(shè)計(jì)并不能讓演奏者隨意地改動(dòng)，因此黑客樂器項(xiàng)目希望為演奏者提供一個(gè)更易于實(shí)現(xiàn)改動(dòng)的平臺(tái)，Bela便由此而生（圖8）。

Bela在一個(gè)單獨(dú)且完備的包中提供立體聲音頻信號(hào)、模擬和數(shù)字I/O，是一種高性能超低延遲（低至1 ms）的嵌入式計(jì)算平臺(tái)，其本身結(jié)合了BeagleBone Black開發(fā)板的時(shí)間精確性，并與一個(gè)微控制器連接。使用者可通過基于瀏覽器的板載編譯器進(jìn)行C++編程，并且能在瀏覽器的示波器中實(shí)時(shí)查看和調(diào)試音頻與傳感器信號(hào)；或者使用Pure Data設(shè)計(jì)傳感器與音頻間的交互，再將其用Heavy Audio Tools編譯為可在Bela中運(yùn)行的代碼。Bela平臺(tái)對(duì)傳感器與音頻之間交互的增強(qiáng)，讓藝術(shù)家可以更直觀地開發(fā)具有個(gè)人特色的電子樂器，如The D-Box（圖9），演奏者對(duì)盒子六面的接觸方式以數(shù)字或模擬信號(hào)的形式輸入到Bela中，通過事先寫入開發(fā)板的程序計(jì)算出聲音效果進(jìn)行輸出。

音樂的多樣性始終在拓展演奏者與樂器之間的交互方式，各種樂器增強(qiáng)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)樂器研究提供了量化演奏技法的方式，進(jìn)而為音樂家更深層地理解音樂表現(xiàn)力提供了更大的可能性。無論是對(duì)傳統(tǒng)樂器的解密，還是對(duì)新型樂器的開發(fā)，只要音樂不停，科學(xué)研究便不會(huì)休止。

注釋：

①樂器增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室（Augmented Instruments Laboratory）隸屬于倫敦大學(xué)瑪麗女王學(xué)院數(shù)字音樂中心（Centre for Digital Music，簡(jiǎn)稱C4DM），由Andrew McPherson博士于2011年創(chuàng)建。

[1] A. McPherson. The magnetic resonator piano: electronic augmentation of an acoustic grand piano. Journal of New Music Research 2010, 39 (3), 189-202.

[2] A. McPherson. TouchKeys: capacitive multi-touch sensing on a physical keyboard. Proc. New Interfaces for Musical Expression, Ann Arbor, MI, USA, 2012.

[3] D. W. H. Menzies and A. McPherson. A digital bagpipe chanter system to assist in one-to-one piping tuition. Proc. Sound and Music Computing, Stockholm, Sweden 2013.

[4] L. Pardue, D. Nian, C. Harte and A. McPherson. Low-latency audio pitch tracking: a multi-modal sensor-assisted approach. Proc. New Interfaces for Musical Expression, London, UK, 2014.

[5] V. Zappi and A. McPherson. Design and use of a hackable digital instrument. Proc. Live Interfaces, Lisbon, Portugal, 2014.

[6] https://code.soundsoftware.ac.uk/projects/beaglert.

梁貝茨，本科畢業(yè)于天津大學(xué)集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)，現(xiàn)于倫敦大學(xué)瑪麗女王學(xué)院媒體與藝術(shù)科技專業(yè)攻讀博士學(xué)位，主要研究方向?yàn)檎Z義音頻、演奏家與樂器交互方式的多態(tài)傳感與量化。主要參與項(xiàng)目有：可穿戴技術(shù)的研究、音樂可視化紀(jì)錄片的制作、英國聯(lián)合教堂管風(fēng)琴項(xiàng)目的APP開發(fā)、鋼琴踏板傳感器的設(shè)計(jì)與鋼琴家動(dòng)作捕捉等。

（編輯 王 芳）

Introduction of Augmented Instruments

LIANG Bei-ci
(Queen Mary University of London, London E1 4PD, United Kingdom)

This paper introduces several projects developed by Augmented Instruments Laboratory, C4DM, with a particular focus on extending the capabilities of traditional instruments. Lab research also includes novel sound and music interfaces and analysis of creative musical performance.

instrument technology; augmented instruments; digital musical instruments; sensing technology

10.3969/j.issn.1674-8239.2016.04.010