CN101800045B - 一种乐谱显示及演奏电子装置 - Google Patents
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Abstract
一种乐谱显示及演奏电子装置。用户通过功能按键接口连接的各个功能按键，分别进入乐谱显示工作模式、乐谱演奏工作模式、节拍器工作模式。本发明适用于简谱、五线谱、吉他六线谱等各种乐谱的显示及演奏，是用于音乐学习及教学的辅助设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种演奏装置，尤其涉及一种乐谱显示及演奏电子装置。
背景技术
音乐是声音的表现艺术，其音符的表现背后蕴藏着无限的意义。这给想象力、逻辑思维能力及跳跃性思维提供了无限的空间，因此学习音乐对提高智力及大脑的各方面能力都有极大的帮助。在音乐学习的日常练习中，注意力也能够得到相应的提高，对音乐锲而不舍的追求更能培养坚韧不拔的毅力。然而，音乐学习过程相对比较漫长，在这个过程中，众多音乐学习者都曾为下列事情而苦恼：
(1)在演奏过程中需要手动翻动乐谱，因而给演奏者带来不便。1996年中国专利局公告的由江涛申报，中国专利号为：ZL95236571.5号《自动翻页乐谱架》的实用新型专利；2005年中国专利局公告的由王骄申报，中国专利号为：200420089387.4号《新型钢琴乐谱翻页器》的实用新型专利，是很有价值的发明。但尚不足的是，它们都是通过一定的机械装置，来解决乐谱架上自动翻页的问题。
(2)在日常练习过程中，为寻找某个作品的乐谱，必须要购买整套曲集，或者复印该作品的乐谱。当乐谱日积月累逐渐增多时，乐谱比较凌乱并且难于整理。
(3)在学习音乐过程中，乐谱字太小、纸张为比较耀眼的白色是造成视疲劳、甚至近视的主要原因。音乐学习者还需将乐谱复印放大，并购买浅黄色或浅绿色亚光纸张的乐谱。
(4)在现有技术的乐谱显示电子装置中，乐谱的翻页需要通过用户按键，或 者计时器进行半自动翻页。2004年中国专利局公告的由孙伟民申报，中国专利号为：200420019294.4号《用于显示乐谱的装置》的实用新型专利，由红外遥控的控制装置，按照指令进行翻页操作；2005年中国专利局公告的由杨义欣申报，中国专利号为：200520105200.X号《液晶乐谱显示装置》的实用新型专利，由乐谱架、系统控制台和若干与系统控制台连接的子显示装置组成，并采用系统控制台对乐谱进行集中统一的控制管理；2007年中国专利局公告的由刘利民和闫萍申报，中国专利号为：ZL200620022909.8号《一种乐谱电子显示控制装置》的实用新型专利，采用微控制器和LCD显示装置实现乐谱的显示，并通过操作按键完成手动翻页功能；2007年中国专利局公告的由刘天娇申报，中国专利号为：ZL200620030994.2号《电子自动显示乐谱器》的实用新型专利，由与CPU连接的计时器实现自动翻页，或者通过显示装置中的向前翻页键、向后翻页键手动翻页；2008年中国专利局公告的由周铿申报，中国专利号为：ZL200820002050.3号《电子乐谱显示装置》的实用新型专利，由无线连接便携式手提电脑的视频分配器提供给显示装置，通过手控翻页装置或脚控翻页装置进行翻页。
发明内容
本发明的目的在于提供一种乐谱显示及演奏电子装置，通过对用户弹奏的音符采集和编码，并运行声音模式识别程序，比对乐谱演奏声音文件，识别出用户弹奏乐谱中相应的音符，实现乐谱的同步滚动显示，有效地通过非机械方式解决乐谱全自动翻页的问题。
本发明是这样来实现的，它包括机体、机体上部面板、机体内部设置的电路控制系统，其特征是所述机体上部面板安装有扬声器、功能按键、麦克风和液晶显示屏；所述电路控制系统由微处理器、音频解码器、音频编码器、随机存储器、存有显示控制程序的只读存储器、定时器、USB接口、USB存储器、带控制驱动器的液晶显示模块和功能按键接口组成；所述微处理器分别连接音频解码器、音频编码器、随机存储器、只读存储器、定时器、USB接口、带控制驱动器的液晶显示模块和功能按键接口，运行保存在只读存储器的显示控制程序；所述USB接口连接USB存储器；所述音频解码器连接扬声器；所述音频编码器连接麦克风；所述带控制驱动器的液晶显示模块连接液晶显示屏；所述功能按键接口连接功能按键，用户通过功能按键接口连接的各个功能按键，对应进入三种模式：乐谱显示工作模式、乐谱演奏工作模式、节拍器工作模式；
乐谱显示工作模式为：
(1)微处理器通过USB接口，读取存储在USB存储器的乐谱文件列表；
(2)微处理器通过液晶显示模块，将乐谱文件列表显示在液晶显示屏；
(3)用户通过功能按键接口连接的功能按键选择需要显示的乐谱名称，设置显示大小比例参数值；
(4)微处理器通过USB接口，根据选中的乐谱名称读取存储在USB存储器相应的乐谱文件和乐谱演奏声音文件，并保存在随机存储器中；
(5)微处理器根据显示大小比例参数值，将保存在随机存储器的乐谱文件开始部分，通过液晶显示模块驱动液晶显示屏显示；
(6)微处理器通过音频编码器连接的麦克风，对用户弹奏的音符采集和编码，并运行声音模式识别程序，比对保存在随机存储器的乐谱演奏声音文件， 识别出用户弹奏乐谱中相应的音符；
(7)微处理器根据识别出用户弹奏的音符，将保存在随机存储器的乐谱文件后续部分，通过液晶显示模块驱动液晶显示屏同步滚动显示；
乐谱演奏工作模式为：
(1)微处理器通过USB接口，读取存储在USB存储器的乐谱文件列表；
(2)微处理器通过液晶显示模块，将乐谱文件列表显示在液晶显示屏；
(3)用户通过功能按键接口连接的功能按键选择需要显示的乐谱名称，设置显示大小比例参数值；
(4)微处理器通过USB接口，根据选中的乐谱名称读取存储在USB存储器相应的乐谱文件和乐谱演奏声音文件，并保存在随机存储器中；
(5)微处理器将保存在随机存储器的乐谱演奏声音文件，通过音频解码器进行解码，并驱动扬声器播放乐谱演奏声音。
(6)微处理器根据显示大小比例参数值，将保存在随机存储器的乐谱文件，跟随乐谱演奏声音文件解码的进度，通过液晶显示模块驱动液晶显示屏同步滚动显示；
节拍器工作模式为：
(1)用户通过功能按键接口连接的功能按键设置节拍类型和节拍速度参数值；
(2)微处理器通过USB接口，根据节拍类型读取存储在USB存储器的节拍声音文件，并保存在随机存储器中；
(3)微处理器根据节拍速度参数设置定时器的定时间隔；
(4)微处理器根据定时器溢出中断，读取保存在随机存储器的节拍声音文件，通过音频解码器进行解码，并驱动扬声器播放节拍器声音。
所述乐谱显示工作模式步骤6的声音模式识别程序为：
(6.1)预滤波：通过设置带通滤波器的上、下截止频率，抑制语音信号各频域分量中频率超出一半采样频率的所有分量，防止混叠干扰；
(6.2)预加重：通过使用一阶数字滤波器，提升高频部分，使语音信号的频谱变得平坦；
(6.3)加窗分帧：通过使用矩形窗函数与语音信号相乘，得到加窗语音信号；
(6.4)音符切分：根据对语音信号的短时能量函数和过零率计算结果，设定双门限来切分音符。利用过零率检测清音、短时能量检测浊音，两者配合使用进行端点检测，将整个语音信号分解成一个个独立、完整的音符信号。
(6.5)基音检测：根据自相关函数对加窗语音信号进行短时相关分析，通过自相关函数在基音周期的整数倍位置出现的峰值，提取基音周期值；
(6.6)音长特性：通过步骤(6.4)音符切分后每个音符延续时间，计算后一个音符与前一个音符的音长比，得到相应的音长特性参数；
(6.7)基音频率：通过步骤(6.5)基音检测提取的基音周期值，计算相应的基音频率参数；
(6.8)音高值：通过步骤(6.7)得到的基音频率，以及“音高值＝12×log2(基音频率/440)+69”的换算关系，计算出相应的音高值参数；
(6.9)数值型特征参数：通过步骤(6.6)得到的音长特性，以及步骤(6.8)得到的音高值，得到相应的数值型特征参数对(音高差，音长比)；
(6.10)字符串特征参数：通过步骤(6.7)得到的基音频率，根据基音频率的大小变化计算出相应的字符串特征参数；
(6.11)字符串特征参数匹配：通过求取最长公共子串程序，找出步骤 (6.10)得到的字符串特征参数与乐谱演奏声音文件中提取出的字符串特征参数之间最长公共子串长度；
(6.12)旋律轮廓特征参数匹配：通过步骤(6.9)得到音高差和音长比的数值型特征参数对，计算出与乐谱演奏声音文件中提取出的数值型特征参数对的最小距离测度；
(6.13)综合参数判断：通过将步骤(6.11)计算出的最长公共子串长度，除以步骤(6.12)计算出的最小距离测度，得到综合参数值。依据综合参数值越大，匹配程度越高的原则，识别出用户弹奏乐谱中相应的音符。
本发明的目的在于提供一种乐谱显示及演奏电子装置。该方法新颖、简单， 与现有的纸质乐谱方式相比较，具有如下实质性特点和显著优点：
1、数字化乐谱的存储及显示
本发明一种乐谱显示及演奏电子装置，由于实现了数字化乐谱的存储及显示，不仅有利于乐谱的管理与保存，并且能很方便地实现乐谱的放大显示。
2、乐谱的自动翻页
本发明一种乐谱显示及演奏电子装置，通过对用户弹奏的音符采集和编码，并运行声音模式识别程序，比对乐谱演奏声音文件，识别出用户弹奏乐谱中相应的音符，实现乐谱的同步滚动显示，有效地通过非机械方式解决乐谱自动翻页的问题。
3、乐谱的演奏
本发明一种乐谱显示及演奏电子装置，通过音频解码器进行乐谱演奏声音文件的解码，在同步显示乐谱的基础上驱动扬声器播放乐谱演奏声音，有效地实现了乐谱的演奏，有利于音乐日常练习过程中的对照学习。
4、节拍器的功能
本发明一种乐谱显示及演奏电子装置，通过设置节拍速度、节拍类型参数值，读取节拍类型对应的声音文件，借助音频解码器进行解码，并驱动扬声器播放节拍器声音，实现节拍器的功能。
迄今为止，市场上还没有出现过这样一种装置：它适用于简谱、五线谱、吉他六线谱等各种乐谱，既能用于乐谱显示，又能演奏乐谱，并且具备节拍器的功能，是用于音乐学习及教学的辅助设备。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明电路控制系统的电路原理框图。
图3是本发明的声音模式识别程序的流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明一种乐谱显示及演奏电子装置的技术内容，特举以下实施例详细说明。
如图1、图2所示，本发明是这样实现的，它由该装置的机体101，机体上部面板安装的扬声器103、功能按键104、麦克风105和液晶显示屏106，机体内部设置的电路控制系统102组成。
参照图2所示的电路原理框图，电路控制系统102由微处理器201、音频解码器202、音频编码器203、随机存储器204、存有显示控制程序的只读存储器205、定时器206、USB接口207、USB存储器208、带控制驱动器的液晶显示模块209和功能按键接口210组成。其中，微处理器201分别连接音频解码器202、音频编码器203、随机存储器204、只读存储器205、定时器206、USB接口207、带控制驱动器的液晶显示模块209和功能按键接口210，并运行保存在只读存储器205的显示控制程序；USB接口207连接USB存储器208；音频解码器202连接扬声器103；音频编码器203连接麦克风105；带控制驱动器的液晶显示模块209连接液晶显示屏106；功能按键接口210连接功能按键104。
对于乐谱显示及演奏电子装置的乐谱显示工作模式，本实施例的声音模式识别程序具体流程如图3所示，步骤如下：
301预滤波：通过设置带通滤波器的上、下截止频率，抑制语音信号各频域分量中频率超出一半采样频率的所有分量，防止混叠干扰；
302预加重：通过使用一阶数字滤波器，提升高频部分，使语音信号的频谱变得平坦；
303加窗分帧：通过使用矩形窗函数与语音信号相乘，得到加窗语音信号；
304音符切分：根据对语音信号的短时能量函数和过零率计算结果，设定双门限来切分音符。利用过零率检测清音、短时能量检测浊音，两者配合使用进行端点检测，将整个语音信号分解成一个个独立、完整的音符信号。
305基音检测：根据自相关函数对加窗语音信号进行短时相关分析，通过自相关函数在基音周期的整数倍位置出现的峰值，提取基音周期值；
306音长特性：通过步骤304音符切分后每个音符延续时间，计算后一个音符与前个音符的音长比，得到相应的音长特性参数；
307基音频率：通过步骤305基音检测提取的基音周期值，计算相应的基音频率参数；
308音高值：通过步骤307得到的基音频率，以及“音高值＝12×log2(基音频率/440)+69”的换算关系，计算出相应的音高值参数；
309数值型特征参数：通过步骤306得到的音长特性，以及步骤308得到的音高值，得到相应的数值型特征参数对(音高差，音长比)；
310字符串特征参数：通过步骤307得到的基音频率，根据基音频率的大小变化计算出相应的字符串特征参数；
311字符串特征参数匹配：通过求取最长公共子串程序，找出步骤310得到的字符串特征参数与乐谱演奏声音文件中提取出的字符串特征参数之间最长公共子串长度；
312旋律轮廓特征参数匹配：通过步骤309得到的数值型特征参数对(音高差，音长比)，计算出与乐谱演奏声音文件中提取出的数值型特征参数对的最小距离测度；
313综合参数判断：通过将步骤311计算出的最长公共子串长度，除以步骤312计算出的最小距离测度，得到综合参数值。依据综合参数值越大，匹配程度越高的原则，识别出用户弹奏乐谱中相应的音符。
Claims (1)
1.一种乐谱显示及演奏电子装置，其特征是它包括机体、机体上部面板、机体内部设置的电路控制系统，所述机体上部面板安装有扬声器、功能按键、麦克风和液晶显示屏；所述电路控制系统由微处理器、音频解码器、音频编码器、随机存储器、存有显示控制程序的只读存储器、定时器、USB接口、USB存储器、带控制驱动器的液晶显示模块和功能按键接口组成；所述微处理器分别连接音频解码器、音频编码器、随机存储器、只读存储器、定时器、USB接口、带控制驱动器的液晶显示模块和功能按键接口，运行保存在只读存储器的显示控制程序；所述USB接口连接USB存储器；所述音频解码器连接扬声器；所述音频编码器连接麦克风；所述带控制驱动器的液晶显示模块连接液晶显示屏；所述功能按键接口连接功能按键，用户通过功能按键接口连接的各个功能按键，对应进入三种模式：乐谱显示工作模式、乐谱演奏工作模式、节拍器工作模式；
乐谱显示工作模式为：
(1)微处理器通过USB接口，读取存储在USB存储器的乐谱文件列表；
(2)微处理器通过液晶显示模块，将乐谱文件列表显示在液晶显示屏；
(3)用户通过功能按键接口连接的功能按键选择需要显示的乐谱名称，设置显示大小比例参数值；
(4)微处理器通过USB接口，根据选中的乐谱名称读取存储在USB存储器相应的乐谱文件和乐谱演奏声音文件，并保存在随机存储器中；
(5)微处理器根据显示大小比例参数值，将保存在随机存储器的乐谱文件开始部分，通过液晶显示模块驱动液晶显示屏显示；
(6)微处理器通过音频编码器连接的麦克风，对用户弹奏的音符采集和编码，并运行声音模式识别程序，比对保存在随机存储器的乐谱演奏声音文件，识别出用户弹奏乐谱中相应的音符；
(7)微处理器根据识别出用户弹奏的音符，将保存在随机存储器的乐谱文件后续部分，通过液晶显示模块驱动液晶显示屏同步滚动显示；
乐谱演奏工作模式为：
(1)微处理器通过USB接口，读取存储在USB存储器的乐谱文件列表；
(2)微处理器通过液晶显示模块，将乐谱文件列表显示在液晶显示屏；
(3)用户通过功能按键接口连接的功能按键选择需要显示的乐谱名称，设置显示大小比例参数值；
(4)微处理器通过USB接口，根据选中的乐谱名称读取存储在USB存储器相应的乐谱文件和乐谱演奏声音文件，并保存在随机存储器中；
(5)微处理器将保存在随机存储器的乐谱演奏声音文件，通过音频解码器进行解码，并驱动扬声器播放乐谱演奏声音；
(6)微处理器根据显示大小比例参数值，将保存在随机存储器的乐谱文件，跟随乐谱演奏声音文件解码的进度，通过液晶显示模块驱动液晶显示屏同步滚动显示；
节拍器工作模式为：
(1)用户通过功能按键接口连接的功能按键设置节拍类型和节拍速度参数值；
(2)微处理器通过USB接口，根据节拍类型读取存储在USB存储器的节拍声音文件，并保存在随机存储器中；
(3)微处理器根据节拍速度参数设置定时器的定时间隔；
(4)微处理器根据定时器溢出中断，读取保存在随机存储器的节拍声音文件，通过音频解码器进行解码，并驱动扬声器播放节拍器声音；
所述乐谱显示工作模式步骤6的声音模式识别程序为：
(6.1)预滤波：通过设置带通滤波器的上、下截止频率，抑制语音信号各频域分量中频率超出一半采样频率的所有分量，防止混叠干扰；
(6.2)预加重：通过使用一阶数字滤波器，提升高频部分，使语音信号的频谱变得平坦；
(6.3)加窗分帧：通过使用矩形窗函数与语音信号相乘，得到加窗语音信号；
(6.4)音符切分：根据对语音信号的短时能量函数和过零率计算结果，设定双门限来切分音符，利用过零率检测清音、短时能量检测浊音，两者配合使用进行端点检测，将整个语音信号分解成一个个独立、完整的音符信号；
(6.5)基音检测：根据自相关函数对加窗语音信号进行短时相关分析，通过自相关函数在基音周期的整数倍位置出现的峰值，提取基音周期值；
(6.6)音长特性：通过步骤(6.4)音符切分后每个音符延续时间，计算后一个音符与前一个音符的音长比，得到相应的音长特性参数；
(6.7)基音频率：通过步骤(6.5)基音检测提取的基音周期值，计算相应的基音频率参数；
(6.8)音高值：通过步骤(6.7)得到的基音频率，以及“音高值＝12×log2(基音频率/440)+69”的换算关系，计算出相应的音高值参数；
(6.9)数值型特征参数：通过步骤(6.6)得到的音长特性，以及步骤(6.8)得到的音高值，得到相应的数值型特征参数对(音高差，音长比)；
(6.10)字符串特征参数：通过步骤(6.7)得到的基音频率，根据基音频率的大小变化计算出相应的字符串特征参数；
(6.11)字符串特征参数匹配：通过求取最长公共子串程序，找出步骤(6.10)得到的字符串特征参数与乐谱演奏声音文件中提取出的字符串特征参数之间最长公共子串长度；
(6.12)旋律轮廓特征参数匹配：通过步骤(6.9)得到音高差和音长比的数值型特征参数对，计算出与乐谱演奏声音文件中提取出的数值型特征参数对的最小距离测度；
(6.13)综合参数判断：通过将步骤(6.11)计算出的最长公共子串长度，除以步骤(6.12)计算出的最小距离测度，得到综合参数值。依据综合参数值越大，匹配程度越高的原则，识别出用户弹奏乐谱中相应的音符。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20121010 Termination date: 20130121 |