CN104505057A - 用于教学的钢琴 - Google Patents

Abstract

用于教学的钢琴，属于钢琴技术领域。为了解决目前钢琴功能单一的问题。所述钢琴包括：控制模块根据设定的演奏曲控制显示器进行显示，演奏者根据所述显示演奏乐曲。通过控制模块控制摄像头记录钢琴使用者的手型动作。在钢琴的每个琴键的底部设置一个接触装置，当琴键按下时，接触装置产生信号，控制模块根据所述信号，与按键力度临界值进行按键力度对比，获得差值。在每个琴键底部设置一个推力式电磁铁，控制模块通过设定的演奏任务对推力式电磁铁输出电压，进而使钢琴演奏出设定的演奏任务，控制模块根据记录的信号，与按键力度临界值进行按键力度对比，获得差值。控制模块根据乐音信号进行乐音检测。本发明用于钢琴的练习。

Description

用于教学的钢琴

技术领域

本发明属于钢琴技术领域。

背景技术

目前传统钢琴教育的方式，是由人工授课(包括乐理知识、演奏技巧、指法等)和学生课后练习两个模块组成。在人工授课的过程中，学生大多为4至16岁的儿童。尽管钢琴教师会以各种生动的方式将授课内容传授给学生，但依然存在输出形式单一，不够具象化的缺点。学生课后练习的过程中由于没有老师在身旁指导，学生独自练琴存在积极性匮乏和盲目性的缺陷。目前市场中有一种钢琴笔的产品，主要作用是在无人环境下通过电子方式指导孩子学琴，但由于教材需要定制，语音教材售价昂贵导致销量极低。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前钢琴功能单一的问题，本发明提供一种用于教学的钢琴。

本发明的用于教学的钢琴，所述钢琴包括显示器和控制模块，控制模块根据设定的演奏曲控制显示器进行显示，演奏者根据所述显示演奏乐曲。

所述钢琴还包括摄像头，通过控制模块控制所述摄像头记录钢琴使用者的手型动作。

所述钢琴还包括接触装置；

在所述钢琴的每个琴键的底部设置一个接触装置，当琴键按下时，接触装置产生信号，并将所述信号发送给控制模块，控制模块对所述信号进行记录和保存，并生成MIDI文件，控制模块根据记录的信号，与按键力度临界值进行按键力度对比，获得差值。

所述接触装置为接触式开关或微型压力传感器。

所述钢琴还包括推力式电磁铁，在所述钢琴的每个琴键的底部设置一个推力式电磁铁，控制模块通过设定的演奏任务对推力式电磁铁输出电压，控制推力式电磁铁产生推力进而使钢琴演奏出设定的演奏任务，控制模块根据记录的信号，与按键力度临界值进行按键力度对比，获得差值。

所述钢琴还包括音色感应器，所述音色感应器，所述音色感应器设置在钢琴内部，音色感应器采集的乐音信号发送给控制模块，控制模块根据乐音信号进行乐音检测。

所述控制模块根据乐音信号进行乐音检测包括如下步骤：

步骤一：将所述乐音信号分成M段短时分帧加窗信号，再对每段中的每帧加窗信号进行时域分析，获得第m段短时分帧加窗信号的第i帧长L_i：

L_i＝CON_idiv(1/f_i′)×f_s/f_i′，

第m段短时分帧加窗信号的第i帧的标准基音频率为f_i′，CON_i是整型常量，f_a为国际标准高度，n为待识别音符与f_a相差的半音数目，div为整除函数，f_s为乐音信号的采样频率，m＝1,…,M；M为正整数；

根据帧长L_i，确定第m段短时分帧加窗信号的长度；

步骤二：对确定长度的第m段短时分帧加窗信号进行乐音端点检测，确定乐音信号的起始点和结束点：

对第m段短时分帧加窗信号的短时能量及过零率特征分别进行估算，获得短时能量特征门限和短时过零率特征门限，利用短时能量特征门限对浊音段或音乐段进行识别，利用短时过零率特征门限对清音段或静音段进行准确判断，获得乐音信号的起始点和结束点；

步骤三：对第m段短时分帧加窗信号的起始点和结束点之间的信号段进行基音检测：

步骤三一：对起始点和结束点之间的信号段，取其前X个点组成信号序列；

步骤三二：根据信号序列的样点最大值，设定削波电平c；

步骤三三：根据设定的削波电平c，对信号序列进行三电平削波处理；

步骤三四：根据削波后的信号序列，求所述信号信号的修正自相关值序列；

步骤三五：求出所述修正自相关值序列中的第一个最大值R_max，记下其对应的位置P值；

步骤三六：求得基音频率f_i＝f_s/p，其中f_s为信号的采样频率；

步骤三七：将求得的基音频率f_i与标准基音频率为f_i′对比，进行相应调整校准。

所述控制模块根据记录的信号，与按键力度临界值进行按键力度对比，获得差值包括如下步骤：

对记录的信号进行离散化；

当按键力度第一次大于按键力度临界值时记录按键时间t0，当按键力度第一次小于按键力度临界值时记录按键时间t1，其中t0为按键按下启始时间，Ts＝t1–t0为按键按下总时长；

在Ts时间内每隔10ms采样一次，记采样间隔为T，采到M个采样点；

采用递推平均滤波法对M个采样点进行一次滤波；

采用冒泡法对滤波后的M个采样点取得最大值；

对取得的最大值用中位数的方法进行平滑估计得到估计波峰值Hmax；

根据获得的t0、Ts和Hmax与标准数据t0’、Ts’和Hmax’，获得差值：

△t＝t0–t0’；

△T＝((Ts–Ts’)/Ts)×100％；

△H＝((Hmax–Hmax’)/Hmax)×100％；

△t为音符节奏差值，△T为音符节拍差值百分比，△H为按键力度差值百分比。

本发明的有益效果在于，本发明可以实现自动演奏、借助显示器1辅助演奏、借助摄像头拍摄演奏手势、辅助演奏弹奏时进行录制、基音检测和力度检测的功能。本发明用简洁、明确、准确的引导方式引导演奏者完成演奏。不需要复杂的乐理知识即可对钢琴进行演奏，实现”零门槛”练琴。力度检测，可以完美记录演奏者在演奏过程中的每一个细节。100％保留了钢琴的触感及发声结构，确保联系者演奏真正的钢琴，达到练习效果。本发明可以对任何一种钢琴进行改造，不局限于三角钢琴及立式钢琴的限制。基音检测，准确的指出演奏中的错误与不足，并给出相应的对策，专业的提高学琴效率。对钢琴的适应性高，对不同音色的钢琴进行校准，达到相同的教学效果。演奏者灵感突发进行创作或即兴演奏的时候，本发明可以准确的记录出演奏的过程，抓住灵感突现的每一个瞬间。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的用于教学的钢琴的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的用于教学的钢琴，

所述钢琴包括显示器1和控制模块，控制模块根据设定的演奏曲控制显示器1进行显示，演奏者根据所述显示演奏乐曲。

本实施方式中显示器1可以显示琴键的图形，所述琴键的图形为：

琴键图形的长短代表按键时长，琴键图形的粗细分别代表钢琴上的黑键与白键，琴键图形的颜色代表区间或者音轨，即使演奏者即使不懂任何乐理知识，依然可以演奏。

本实施方式中，琴键的图形还可以采用五线谱的形式实现，显示时，可以自动翻页、滚屏和音符击打跳动等动态效果。

本实施方式将复杂的乐曲以简单明快的方式表达，让演奏者在近乎于游戏的体验中获得演奏曲目的能力。提高幼儿的演奏兴趣，提高演奏者的信心。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的用于教学的钢琴的进一步限定，所述钢琴还包括摄像头，通过控制模块控制所述摄像头记录钢琴使用者的手型动作。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的用于教学的钢琴的进一步限定，所述钢琴还包括接触装置；

在所述钢琴的每个琴键的底部设置一个接触装置，当琴键按下时，接触装置产生信号，并将所述信号发送给控制模块，控制模块对所述信号进行记录和保存，并生成MIDI文件，控制模块根据记录的信号，与按键力度临界值进行按键力度对比，获得差值。

本实施方式中，还可以在将覆膜贴在琴键上，所述覆膜用于感应压力信号，并将所述压力信号发送给控制模块，控制模块根据所述压力信号，进行记录和保存。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的用于教学的钢琴的进一步限定，所述接触装置为接触式开关或微型压力传感器。

所述微型压力传感器，可以同时对力度和信号的有无进行采集。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式三所述的用于教学的钢琴的进一步限定，所述钢琴还包括推力式电磁铁，在所述钢琴的每个琴键的底部设置一个推力式电磁铁，控制模块通过设定的演奏任务对推力式电磁铁输出电压，控制推力式电磁铁产生推力进而使钢琴演奏出设定的演奏任务，控制模块根据记录的信号，与按键力度临界值进行按键力度对比，获得差值。

所述演奏任务为一首完整的演奏曲或者演奏曲在键盘上单一区间的按键任务或为多个音轨中的一个或多个。

当遇到高难度曲目(如：贝多芬C大调op10悲怆第三章)时，系统可以将复杂的曲目拆解成不同的音轨，让演奏者自行选择演奏的音轨数，在不断熟练的过程中逐渐增加演奏的音轨数，最终完全掌握，在练习时，自动演奏模块将代替演奏者演奏其未选择的音轨。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的用于教学的钢琴的进一步限定，所述钢琴还包括音色感应器，所述音色感应器，所述音色感应器设置在钢琴内部，音色感应器采集的乐音信号发送给控制模块，控制模块根据乐音信号进行乐音检测。

音色感应器设置在钢琴键盘中央C键底部，或琴弦周围，或踏板周围；音色感应器的功能是将声音采集之后转换为电信号发送控制模块进行分析处理，控制模块判断琴弦的音高与预存的标准信息进行信号对比，当误差超过设定范围时，控制模块进行相应提示。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的用于教学的钢琴的进一步限定，所述控制模块根据乐音信号进行乐音检测包括如下步骤：

步骤一：将所述乐音信号分成M段短时分帧加窗信号，再对每段中的每帧加窗信号s_i(m)进行时域分析，获得第m段短时分帧加窗信号的第i帧长L_i：

L_i＝CON_idiv(1/f_i′)×f_s/f_i′，

第m段短时分帧加窗信号的第i帧的标准基音频率为f_i′，CON_i是整型常量，f_a为国际标准高度，n为待识别音符与f_a相差的半音数目，div为整除函数，f_s为乐音信号的采样频率，m＝1,…,M；M为正整数；

根据帧长L_i，确定第m段短时分帧加窗信号的长度；对于钢琴乐音信号，根据国际标准音定义，其频率分布范围为27.50Hz至4186.0Hz，按照十二平均律规则，88个音符依次对应一个标准频率值域。所以钢琴音符的标准基音周期范围为从0.2ms至36.36ms，对于个体钢琴，可能超出这个范围，即高频音符周期更短，低频音符周期更长。

步骤二：对确定长度的第m段短时分帧加窗信号进行乐音端点检测，确定乐音信号的起始点和结束点：

对第m段短时分帧加窗信号的短时能量及过零率特征分别进行估算，获得短时能量特征门限和短时过零率特征门限，利用短时能量特征门限对浊音段或音乐段进行识别，利用短时过零率特征门限对清音段或静音段进行准确判断，获得乐音信号的起始点和结束点；

乐音信号的起始段多为噪声段和静音段，取信号起始段的前十几帧进行特征门限值的估算。假设短时过零率特征门限用Z_T来表示，短时能量特征门限门限低值和高值分别用E_L和E_U来表示，其中Z_T可定义为：

Z_T＝min(EXP,zc+2fzc)

EXP为经验值，一般取25；zc和fzc分别为最初十几帧信号的过零率的“均值”和“标准差”。

先对音乐信号起始位置的十几帧数据的平均能量或平均幅度统计分析，然后根据能量或幅度统计均值的最高值E_max和最低值E_min来计算E_L和E_U，再令：

x₁＝0.03(E_max-E_min)+E_min

x₂＝4E_min

则E_L和E_U可按下式来确定

E_L＝min(I₁,I₂)

E_U＝5E_L

在得到上述参数值后，即可根据所述的端点识别过程，依据短时过零率特征门限Z_T，以及E_L和E_U来进行音乐信号的端点检测判断。

在对乐音信号的端点进行检测时参照以下情况进行判断：

音乐起始点：当信号帧的对应特征同时超过两个特征门限值，并且在其后的若干帧中一直处于保持状态，则可认为是高信噪比的音乐段已开始；若对应特征只达到或超过特征门限的低值而未达到门限高值，或者其后继若干帧没有保持状态的情况下，并不一定是高信噪比音乐段起始点，需要继续往后搜索，因为随机噪音也能引起信号帧的对应特征超过相应的特征门限。

音乐结束点：其辨识方式与起始点类似，不同的是需要从后向前进行逆向检测。

乐音信号的端点检测从指从一段乐音信号中找出其信噪比较高的有用信号的开始点和结束点，排除其主要的噪声信号段和静音段，从而对有用信号段进行分析。端点检测是乐音信号分析与处理中的基本环节，有助于减少无效的识别过程，并且提高分析处理的准确度。

步骤三：对第m段短时分帧加窗信号的起始点和结束点之间的信号段进行基音检测：

步骤三一：对起始点和结束点之间的信号段，取其前X个点组成信号序列；

步骤三二：根据信号序列的样点最大值，设定削波电平c；

步骤三三：根据设定的削波电平c，对信号序列进行三电平削波处理；

通常是将信号序列截分为两段，求取两段信号中最大值较低者，乘以0.7作为消波电平；

步骤三四：根据削波后的信号序列，求所述信号信号的修正自相关值序列；

步骤三五：求出所述修正自相关值序列中的第一个最大值R_max，记下其对应的位置P值；

步骤三六：求得基音频率f_i＝f_s/p，其中f_s为信号的采样频率；

步骤三七：将求得的基音频率f_i与标准基音频率为f_i′对比，进行相应调整校准。

采用基于修正的三电平消波的改进自相关函数法。加窗分帧信号经过修正的三电平消波滤波后，可有效去除低幅值部分，削去许多和声道响应有关的波动，从而得到含较多基音信息的高峰值部分，同时将削波后的信号三电平化，可大大减少自相关计算的运算量，有利于做出更加准确的估算。修正的三电平消波公式定义如下：

${\mathrm{sc}}_i\left[s_i\left(m\right)\right]=\left\{\begin{array}{c}1,s_i\left(m\right)>C\\ 0,\left|s_i\left(m\right)\right|\&le;C\\ -1,s_i\left(m\right)<-C\end{array}\right.$

上式中，削波电平C的取值通常为信号最大值的0.6-0.8倍。

对经过三电平削波后的信号再做自相关运算得到:

$R_i\left(k\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sc}}_i\left(m\right){{\mathrm{sc}}_i}^{\&prime;}(m+k)$

其中，k为延迟点数，L为小窗的窗长度，在进行端点检测时，如果窗口的长度设置过大，在提高检测速度的同时会导致识别精度的下降，如果窗的长度过短，则在提高检测识别精度的同时增加了检测的时间，L在不同情况下根据需要选取不同窗长，sc_i(m)与sc_i′(m)为两个经过修正三电平削波处理后的长度不等的加窗帧信号序列。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式三所述的用于教学的钢琴的进一步限定，所述控制模块根据记录的信号，与按键力度临界值进行按键力度对比，获得差值包括：

对记录的信号进行离散化；

当按键力度第一次大于按键力度临界值时记录按键时间t0，当按键力度第一次小于按键力度临界值时记录按键时间t1，其中t0为按键按下启始时间，Ts＝t1–t0为按键按下总时长；

在Ts时间内每隔10ms采样一次，记采样间隔为T，采到M个采样点；

采用递推平均滤波法对M个采样点进行一次滤波：

把连续取N个采样值看成一个对列，队列的长度固定为N，每次采用到一个新的数据放入队尾，并扔掉队首的一个数据，把队列中的N个数据进行算术平均值运算，就可得到新的滤波结果：x(1)，x(2)，x(3)，……x(M)。

采用冒泡法对滤波后的M个采样点取得最大值；

对取得的最大值用中位数的方法进行平滑估计得到估计波峰值Hmax：

1)通过已经取得最大值x(k)，T是采样点间的时间间隔，分别在最大值x(k)前后取n个值，n的值由波形所受到的干扰，比如噪声，纹波，温漂等的频率决定，下面的方法取n为5的情况来介绍这种方法，分别在最大值前面和后面各取5个点x(k-5T),x(k-4T),x(k-3T),x(k-2T),x(k-T),x(k+T),x(k+2T),x(k+3T),x(k+4T),x(k+5T)与x(k)构成最大值序列{x_i}＝{x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆,x₇,x₈,x₉,x₁₀,x₁₁}。

2)用中位数法对序列做平滑估计求估计波峰值：取序列{x(k)}的前5个值从小到大排序，并将排序后的值赋给{x_ii}＝{x₁₁,x₂₂,x₃₃,x₄₄,x₅₅}，其中(x₁₁<x₂₂<x₃₃<x₄₄<x₅₅)，取其中位数x₃₃，记做X'₃，然后舍去x₁₁，加入x₆₆，取x₂₂,x₃₃,x₄₄,x₅₅,x₆₆的中位数X'₄，……。依次类推到7个中位数，最后组成相邻5个数据的中位数序列{X'_i}(i＝3,4，…10)；再用类似的方法从序列{X'_i}构成相邻三数据的中位数序列{X″_i}(i＝4,5…8)；最后构成序列{X″'_i}：X″'_i＝(X″_i-1/4)+(X″_i/2)+(X″_i+1/4)，(i＝5,6,7)令设定适当的数值△，若|x_i-X″'_i|>△,则剔除x_i，并根据相邻数据平滑的假设，用内插值替代它，新插入的值x'_t＝x_t-T+(x_t-T-x_t-2T)，x_t为t时刻的采样点，x_t-T为x_t前一个采样点，将处理完的数据取其算数平均值作为估计波峰值，记为Hmax。

根据获得的t0、Ts和Hmax与标准数据t0’、Ts’和Hmax’，获得差值：

△t＝t0–t0’；

△T＝((Ts–Ts’)/Ts)×100％；

△H＝((Hmax–Hmax’)/Hmax)×100％；

△t为音符节奏差值，△T为音符节拍差值百分比，△H为按键力度差值百分比。

本实施方式中，演奏者在无老师指导的情况下演奏曲目，系统将利用录制模块和力度感应模块对演奏者的演奏信息进行收集，并和系统中储存的标准信息进行比对，指出演奏者的缺点和不足，提高演奏者的演奏水平。

本实施方式还可以增加无线网络，在钢琴内部添加无线信号发送接收设备与控制模块相连，使带有该系统的钢琴可以连接周围的WIFI环境，并对自身系统进行升级、随时更新储存库内的曲目，同时该控制系统采用SD卡式存储，演奏信息便于携带储存。

Claims (8)

1.用于教学的钢琴，其特征在于，所述钢琴包括显示器(1)和控制模块，控制模块根据设定的演奏曲控制显示器(1)进行显示，演奏者根据所述显示演奏乐曲。

2.根据权利要求1所述的用于教学的钢琴，其特征在于，所述钢琴还包括摄像头，通过控制模块控制所述摄像头记录钢琴使用者的手型动作。

3.根据权利要求1或2所述的用于教学的钢琴，其特征在于，所述钢琴还包括接触装置；

在所述钢琴的每个琴键的底部设置一个接触装置，当琴键按下时，接触装置产生信号，并将所述信号发送给控制模块，控制模块对所述信号进行记录和保存，并生成MIDI文件，控制模块根据记录的信号，与按键力度临界值进行按键力度对比，获得差值。

4.根据权利要求3所述的用于教学的钢琴，其特征在于，所述接触装置为接触式开关或微型压力传感器。

5.根据权利要求3所述的用于教学的钢琴，其特征在于，所述钢琴还包括推力式电磁铁，在所述钢琴的每个琴键的底部设置一个推力式电磁铁，控制模块通过设定的演奏任务对推力式电磁铁输出电压，控制推力式电磁铁产生推力进而使钢琴演奏出设定的演奏任务，控制模块根据记录的信号，与按键力度临界值进行按键力度对比，获得差值。

6.根据权利要求1所述的用于教学的钢琴，其特征在于，所述钢琴还包括音色感应器，所述音色感应器，所述音色感应器设置在钢琴内部，音色感应器采集的乐音信号发送给控制模块，控制模块根据乐音信号进行乐音检测。

7.根据权利要求6所述的用于教学的钢琴，其特征在于，所述控制模块根据乐音信号进行乐音检测包括如下步骤：

步骤一：将所述乐音信号分成M段短时分帧加窗信号，再对每段中的每帧加窗信号s_i(m)进行时域分析，获得第m段短时分帧加窗信号的第i帧长L_i：

L_i＝CON_idiv(1/f′_i)×f_s/f′_i，

第m段短时分帧加窗信号的第i帧的标准基音频率为f′_i，CON_i是整型常量，f_a为国际标准高度，n为待识别音符与f_a相差的半音数目，div为整除函数，f_s为乐音信号的采样频率，m＝1,…,M；M为正整数；

根据帧长L_i，确定第m段短时分帧加窗信号的长度；

步骤二：对确定长度的第m段短时分帧加窗信号进行乐音端点检测，确定乐音信号的起始点和结束点：

对第m段短时分帧加窗信号的短时能量及过零率特征分别进行估算，获得短时能量特征门限和短时过零率特征门限，利用短时能量特征门限对浊音段或音乐段进行识别，利用短时过零率特征门限对清音段或静音段进行准确判断，获得乐音信号的起始点和结束点；

步骤三：对第m段短时分帧加窗信号的起始点和结束点之间的信号段进行基音检测：

步骤三一：对起始点和结束点之间的信号段，取其前X个点组成信号序列；

步骤三二：根据信号序列的样点最大值，设定削波电平c；

步骤三三：根据设定的削波电平c，对信号序列进行三电平削波处理；

步骤三四：根据削波后的信号序列，求所述信号信号的修正自相关值序列；

步骤三五：求出所述修正自相关值序列中的第一个最大值R_max，记下其对应的位置P值；

步骤三六：求得基音频率f_i＝f_s/p，其中f_s为信号的采样频率；

步骤三七：将求得的基音频率f_i与标准基音频率为f′_i对比，进行相应调整校准。

8.根据权利要求3所述的用于教学的钢琴，其特征在于，所述控制模块根据记录的信号，与按键力度临界值进行按键力度对比，获得差值包括如下步骤：

对记录的信号进行离散化；

当按键力度第一次大于按键力度临界值时记录按键时间t0，当按键力度第一次小于按键力度临界值时记录按键时间t1，其中t0为按键按下启始时间，Ts＝t1–t0为按键按下总时长；

在Ts时间内每隔10ms采样一次，记采样间隔为T，采到M个采样点；

采用递推平均滤波法对M个采样点进行一次滤波；

采用冒泡法对滤波后的M个采样点取得最大值；

对取得的最大值用中位数的方法进行平滑估计得到估计波峰值Hmax；

根据获得的t0、Ts和Hmax与标准数据t0’、Ts’和Hmax’，获得差值：

△t＝t0–t0’；

△T＝((Ts–Ts’)/Ts)×100％；

△H＝((Hmax–Hmax’)/Hmax)×100％；

△t为音符节奏差值，△T为音符节拍差值百分比，△H为按键力度差值百分比。