[摘要]介紹了C4DM樂器增強實驗室的部分項目，主要包括對傳統(tǒng)樂器的性能進行延展的科學技術，同時涵蓋新型聲音接口及創(chuàng)造性音樂表演分析等相關研究。

[關鍵詞]樂器科技；樂器增強；電子樂器；傳感技術

文章編號：10.3969/j.issn.1674—8239.2016.04.010

所謂“樂器增強”，是指傳統(tǒng)樂器的自身特性被傳感器、聲音制作技術或新型人機交互等現(xiàn)代科技手段所延展的新型樂器。倫敦大學瑪麗女王學院數(shù)字音樂中心（Centre for Digital Music，簡稱C4DM）的樂器增強實驗室（Augmented Instruments Laboratory）。在樂器增強方面開展了多項研發(fā)，其大多數(shù)項目都是基于專業(yè)演奏家在傳統(tǒng)樂器上的表演技法，合理地進行開發(fā)以增強音樂表現(xiàn)力，同時致力于聲音合成、音樂接口和音樂表演分析等相關研究。本文將對實驗室已完成或正在研發(fā)的項目加以介紹。

1.磁動力鋼琴

傳統(tǒng)鋼琴通過機械傳導的榔頭擊弦而發(fā)音，演奏者在觸鍵后便失去了對該音符的控制。而磁動力鋼琴（Magnetic Resonator Piano，圖1）在維持傳統(tǒng)三角鋼琴聲學性能的同時，通過在琴弦上方設置電磁驅(qū)動器（圖2），使演奏者實現(xiàn)控制鋼琴持續(xù)發(fā)聲的效果，甚至在觸鍵后改變該音符的強弱、音高和音色，擴展了音樂表現(xiàn)力。這是因為每個琴鍵上方的光學傳感器（圖3）相當于一個掃描儀，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。

2.Touch l（evs

TouchKeys相比于其他的鍵盤類樂器，通過電容式觸控感應提供一種比光學傳感器更普適且更敏感的觸鍵捕捉技術。其普適性在于它可以安置在任何標準型號的聲學或電子鍵盤樂器上，其敏銳度在于對指尖位置的高分辨率測量。在200Hz的采樣率下，每個琴鍵上觸鍵位置或面積的變化會改變電容的大小，該數(shù)值變化可通過USB傳輸?shù)接嬎銠C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，Touchkeys實時量化演奏家觸鍵技巧的功能，可輔助音樂學家對鋼琴觸鍵法的研究（圖4）。

3.電子風笛

蘇格蘭高地風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間來訓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練過程，便成為電子風笛項目的主要目的。風笛在結構上一般包括吹管（blow pipe）、氣囊（bag）、演奏管（chanter）和旋管（drone），商用的電子風笛如DegerPipes、TechnoPipes和Redpipes，均利用電容觸控開關檢測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態(tài)變化。樂器增強實驗室研發(fā)的電子風笛輔助訓練系統(tǒng)利用紅外傳感技術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）；分析結果既可以幫助演奏者規(guī)避錯誤的練習方法，也可輔助職業(yè)演奏家對演奏者進行遠程教學。

4.對傳統(tǒng)小提琴的多態(tài)感知

低成本的光學傳感器不僅能應用在前文所述的琴鍵角度感應，也能置于琴弓的弓桿上通過測量弓桿與弓毛間的距離變化來追蹤小提琴運弓壓力的變化（圖6）。與此同時，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，從而檢測左手按弦的位置變化（圖7），這對于音樂信息檢索領域內(nèi)的音高實時檢測任務起到顯著的輔助作用。例如，小提琴發(fā)出192Hz的低音G需要5.2ms來完成一個完整的波長，此時若僅僅基于音頻的波形變化做檢測，不但需要注意加窗處理帶來的進一步延遲，還要考慮泛音頻率對算法識別準確度的影響，而加以基于傳感器的信號，則能在短時間內(nèi)通過指尖的位置估算基頻，因此在多態(tài)感知的條件下進行小提琴音高實時檢測可縮短延時并提高正確率。

5.黑客樂器與Bela平臺

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

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

音樂的多樣性始終在拓展演奏者與樂器之間的交互方式，各種樂器增強技術對傳統(tǒng)樂器研究提供了量化演奏技法的方式，進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。無論是對傳統(tǒng)樂器的解密，還是對新型樂器的開發(fā)，只要音樂不停，科學研究便不會休止。

作者簡介：

粱貝茨，本科畢業(yè)于天津大學集成電路設計與集成系統(tǒng)專業(yè)，現(xiàn)于倫敦大學瑪麗女王學院媒體與藝術科技專業(yè)攻讀博士學位，主要研究方向為語義音頻、演奏家與樂器交互方式的多態(tài)傳感與量化。主要參與項目有：可穿戴技術的研究、音樂可視化紀錄片的制作、英國聯(lián)合教堂管風琴項目的APP開發(fā)、鋼琴踏板傳感器的設計與鋼琴家動作捕捉等。