CN106782458A - 基于三维定位原理的空间演奏方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维定位原理的空间演奏方法及装置，属于演奏系统技术领域。所述基于三维定位原理的空间演奏方法包括步骤1：运用三维定位原理获取演奏者的动作信息，所述动作信息包含被弹奏乐器的被弹奏原件的瞬时坐标；步骤2：根据所述瞬时坐标，从预先存储的坐标和音调的对应关系表中，查找出对应的音调；步骤3：将所述音调发送给扬声器，使扬声器发出声音。与现有技术相比，本发明既能够准确有效地获得演奏者的动作数据，又能在满足乐器、音乐演奏要求的前提下，实现简单方便地演奏。

Description

基于三维定位原理的空间演奏方法及装置

技术领域

本发明涉及演奏系统技术领域，特别是指一种基于三维定位原理的空间演奏方法及装置。

背景技术

随着计算机系统性能的快速提升，许多在音乐制作上使用的硬件已经转换成为软件实现。大量优质的软音源相继出现，使得人们不必再花费几十万甚至上百万的资金去购买音色上好的乐器就能听到世界顶级乐器发出的声音甚至进行演奏。

利用软音源技术的虚拟乐器是乐器发展的一种新趋势。现有技术中，Virtual AirGuitar Company Oy生产的Air Guitar利用空间识别技术即采用网络摄像头识别使用者的手势，以网络摄像头能拍到使用者的手为前提，如果使用者背对这摄像头或者手在摄像头的视觉范围之外，系统便会失效。另外，申请号为200910080854.4，名称为“基于手部动作感应的虚拟演奏系统”的专利提出了一种虚拟演奏系统。它的机器视觉模块采用红外LED作为光源，利用红外滤光片来进行噪声抑制，摄像头捕获的数据通过USB接口传到数据模块。对光线要求比较严格，因此在晚上或者光线较弱时，摄像头捕获的图像清晰度较低，有一定的局限性。并且由于摄像头捕获的图像背景复杂，在进行后期处理过滤时容易出现误识别或视为无效操作，降低了数据的准确性。

因此，如何能够准确有效地获得使用者的动作数据，并且能够在满足乐器、音乐演奏要求的前提下，实现简单方便地演奏成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种既能够准确有效地获得使用者的动作数据，又能在满足乐器、音乐演奏要求的前提下，实现简单方便演奏的基于三维定位原理的空间演奏方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，提供一种基于三维定位原理的空间演奏方法，包括：

步骤1：运用三维定位原理获取演奏者的动作信息，所述动作信息包含被弹奏乐器的被弹奏原件的瞬时坐标；

步骤2：根据所述瞬时坐标，从预先存储的坐标和音调的对应关系表中，查找出对应的音调；

步骤3：将所述音调发送给扬声器，使扬声器发出声音。

另一方面，提供一种基于三维定位原理的空间演奏装置，包括：

获取模块，用于获取演奏者的动作信息，所述动作信息包含被弹奏乐器的被弹奏原件的瞬时坐标；

查找模块，用于根据所述瞬时坐标，从预先存储的坐标和音调的对应关系表中，查找出对应的音调；

发送模块，用于将所述音调发送给扬声器，使扬声器发出声音。

本发明具有以下有益效果：

本发明的基于三维定位原理的空间演奏方法及装置，首先获取模块运用三维定位原理获取演奏者的动作信息，动作信息包含被弹奏乐器的被弹奏原件的瞬时坐标，然后查找模块根据瞬时坐标，从预先存储的坐标和音调的对应关系表中，查找出对应的音调，紧接着，发送模块将音调发送给扬声器，使扬声器发出声音。运用三维定位原理代替现有技术中网络摄像头获得演奏者的动作信息，结构简单、成本低，并且可以提高数据的准确性。综上，与现有技术相比，本发明既能够准确有效地获得演奏者的动作数据，又能在满足乐器、音乐演奏要求的前提下，实现简单方便地演奏。

附图说明

图1为本发明的基于三维定位原理的空间演奏方法的流程示意图；

图2为本发明的基于三维定位原理的空间演奏方法及装置的第一实施例的空间三维坐标系的结构示意图；

图3为本发明的基于三维定位原理的空间演奏方法及装置的第一实施例中虚拟电子琴的结构示意图；

图4为本发明的基于三维定位原理的空间演奏方法及装置的第一实施例的结构示意图；

图5为本发明的基于三维定位原理的空间演奏方法及装置的第二实施例的空间三维坐标系的结构示意图；

图6为本发明的基于三维定位原理的空间演奏方法及装置的第三实施例的空间三维坐标系的结构示意图；

图7为本发明的基于三维定位原理的空间演奏装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一方面，本发明提供一种基于三维定位原理的空间演奏方法，如图1所示，包括：

步骤S1：运用三维定位原理获取演奏者的动作信息，动作信息包含被弹奏乐器的被弹奏原件的瞬时坐标；

步骤S2：根据瞬时坐标，从预先存储的坐标和音调的对应关系表中，查找出对应的音调；

步骤S3：将音调发送给扬声器，使扬声器发出声音。

本发明的基于三维定位原理的空间演奏方法，运用三维定位原理代替现有技术中网络摄像头获得演奏者的动作信息，结构简单、成本低，并且可以提高数据的准确性。与现有技术相比，本发明既能够准确有效地获得演奏者的动作数据，又能在满足乐器、音乐演奏要求的前提下，实现简单方便地演奏。

在本发明方法的第一实施例中，如图2～4所示，被弹奏乐器为虚拟键盘类乐器，虚拟键盘类乐器以虚拟电子琴10’为例，被弹奏原件为虚拟琴键11’；

步骤S1之前还包括：

步骤S10：预先通过至少三个信号接收器17’建立空间三维坐标系12’，其中，演奏者的指尖上佩戴有信号发射器13’，信号接收器17’用于解析信号发射器13’的三维坐标，虚拟琴键11’的上端面视为演奏区平面14’(该平面为虚拟电子琴10’上端面方框所在的区域)，演奏区平面14’的上方一定高度的平面视为虚拟键程面15’，演奏区平面14’在虚拟键程面15’垂直投影与演奏区平面14’之间所形成的区域(立体空间)视为键程16’。

具体地，首先，如图2所示，通过三个信号接收器17’建立空间三维坐标系12’，在空间三维坐标系12’中设置虚拟电子琴10’的演奏区平面14’(该平面为虚拟电子琴10’上端面方框所在的区域)，图中的虚拟琴键11’并不是真实存在的，而是供演奏者参考的琴键平面分布图，按真实电子琴的琴键分布和尺寸绘制，演奏区平面14’的上方一定高度的平面视为虚拟键程面15’，演奏区平面14’在虚拟键程面15’垂直投影与演奏区平面14’之间的间隔(Δz)即为虚拟电子琴10’的键程16’，该间隔依据电子琴真实的键程设置，以便最大限度符合人的弹奏习惯。演奏区平面14’确定后，演奏区平面14’上的每个虚拟琴键11’区域都对应一个确定的平面坐标范围，例如第1个白键对应的平面坐标范围为(x₀～x₁,y₀～y₁)，第一个黑键对应的平面坐标范围为(x′₀～x′₁,y′₀～y′₁)，以此类推。演奏者的十个指尖上分别佩戴一个信号发射器13’，如图3所示，在虚拟键程面15’上按正常演奏的动作敲击虚拟琴键11’，运用三维定位原理获取被敲击虚拟琴键11’的瞬时坐标。需要说明的是，空间三维坐标系12’中还设置有用于同步信号接收器17’接收信号时间的额外的信号接收器17’。

步骤S2进一步为：判断瞬时坐标是否在键程16’内，若瞬时坐标在键程16’内，则从预先存储的坐标和音调的对应关系表中，查找出对应的音调。

具体地，如图4所示，以演奏者左手佩戴的五个信号发射器13’为例，即第一信号发射器113’、第二信号发射器213’、第三信号发射器313’、第四信号发射器413’和第五信号发射器513’，图中第一信号发射器113’和第四信号发射器413’均完全在键程16’内，则从预先存储的坐标和音调的对应关系表中，查找出第一信号发射器113’和第四信号发射器413’所对应虚拟琴键11’的音调，将该音调发送给扬声器18’，使扬声器18’发出这两个虚拟琴键11’所对应的音调；第二信号发射器213’处于键程16’与虚拟键程面15’的交界面，此时该音调处于开始发声或者发生结束的时刻，第五信号发射器513’处于键程16’外，该音调不会发出。进一步的，如图2所示，在每个虚拟琴键11’的平面坐标范围确定后，当信号发射器13’的坐标值处于某个虚拟琴键11’的平面坐标范围中，且该信号发射器13’的Z坐标位于键程16’内，则表示该虚拟琴键11’被按下。以第一信号发射器113’为例，其发出的信号被4个信号接收器17’接收后，那么它与4个信号接收器17’的直线距离也就确定了，利用空间几何原理，便可以确定第一信号发射器113’的空间坐标位置(X₁,Y₁,Z₁)；然后，判断第一信号发射器113’的坐标处于哪一个虚拟琴键11’的坐标范围内，并判断该坐标的Z₁是否处于键程16’内，以确定是否发出该音调。若一个时间段内，一个信号发射器13’的坐标值始终满足发声的条件，说明演奏者一直将该虚拟琴键11’按下，这个音调将持续发出。当演奏者指尖上的信号发射器13’位置连续变化时，不断解析每个信号发射器13’的位置，当信号接收器17’接收到来自不同信号发射器13’的信号时，就会判断出某一时刻任何一个信号发射器13’所处的具体位置，从而对应不同音调使扬声器18’连续发出旋律，实现电子琴的演奏效果。其中，三维定位原理为：

已知空间三维坐标系中三点的坐标：(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),(x₃,y₃,z₃)以及空间中任意一点(x,y,z)与已知三点的距离d₁,d₂,d₃，那么根据空间几何原理：

通过求解这个方程组，即可得到信号发射器13’的坐标。

综上，基于三维定位原理的虚拟电子琴的演奏方法是一种新颖的演奏方法，能够克服现有技术中在简化乐器、音乐演奏时功能少、控制精度低和演奏效果不理想的缺陷，可以代替真实的电子琴进行演奏练习，培养孩子的特长。需要说明的是，键盘类乐器除了电子琴还包括钢琴、手风琴、大键琴等，虚拟钢琴、虚拟手风琴和虚拟大键琴均可基于三维定位原理实现演奏效果。

进一步的，步骤S3还包括步骤S31：判断瞬时坐标在键程16’内的高度，根据高度，调节音调的音量。

具体地，如图4所示，图中第一信号发射器113’和第四信号发射器413’均在键程16’内，但第一信号发射器113’靠近虚拟键程面15’，第四信号发射器413’靠近演奏区平面14’，即两个信号发射器13’在键程16’内的高度不同，扬声器18’所发出音调的音量也不同，越接近演奏曲平面14’的音量越大。

在本发明方法的第二实施例中，如图5所示，被弹奏乐器为虚拟弦类乐器，虚拟弦类乐器以虚拟古筝10”为例，被弹奏原件为虚拟弦11”；

步骤S1之前还包括：

步骤S10：预先通过至少三个信号接收器建立空间三维坐标系12”，其中，演奏者的指尖上佩戴有信号发射器，信号接收器用于解析信号发射器的三维坐标，虚拟弦11”水平向前/后一定距离视为演奏区平面14”，演奏区平面14”即对应每个虚拟弦的弦程16”。

具体地，首先，通过三个信号接收器建立空间三维坐标系12”，在空间三维坐标系12”中设置虚拟古筝10”的演奏区平面14”，即虚拟弦11”水平向前/后一定距离视为演奏区平面14”，演奏区平面14”对应每个虚拟弦11”的弦程16”，演奏者的指尖上分别佩戴一个信号发射器，在演奏区平面14”上按正常演奏的动作拨动虚拟弦11”，运用三维定位原理获取被拨动虚拟弦11”的瞬时坐标。需要说明的是，空间三维坐标系12”中还设置有用于同步信号接收器17’时间的额外的信号接收器17’。

步骤S2进一步为：判断瞬时坐标是否在弦程16”内，若瞬时坐标在弦程16”内，则从预先存储的坐标和音调的对应关系表中，查找出对应的音调。

具体地，如图5所示，以演奏者右手佩戴的四个信号发射器为例，即大拇指、食指、中指和无名指分别佩戴第一信号发射器113”、第二信号发射器213”、第三信号发射器313”和第四信号发射器413”，图中第一信号发射器113”在弦程16”内，则从预先存储的坐标和音调的对应关系表中，查找出第一信号发射器113”所对应的音调，将该音调发送给扬声器，使扬声器发出该虚拟弦11”所对应的音调，第二信号发射器213”、第三信号发射器113”和第四信号发射器413”均处于弦程16”外，该音调不会发出。

综上，基于三维定位原理的虚拟古筝的演奏方法是一种新颖的演奏方法，能够克服现有技术中在简化乐器、音乐演奏时功能少、控制精度低和演奏效果不理想的缺陷，可以代替真实的电子琴进行演奏练习，培养孩子的特长。

进一步的，步骤S3还包括步骤S31：判断瞬时坐标在弦程16”内离弦程16”前/后边沿的水平宽度，根据水平宽度，调节音调的音量。具体地，在弦程16”内的信号发射器越远离虚拟弦11”，音调越高。

在本发明方法的第三实施例中，如图6所示，被弹奏乐器以虚拟鼓10”为例，被弹奏原件为虚拟鼓面11”’，首先，通过三个信号接收器建立空间三维坐标系12”’，在空间三维坐标系12”’下，假设xy平面(z＝0，图中实线所示)上方一定距离(Δz)为虚拟鼓面11”，在演奏过程中，需要同时获取信号发射器13”的瞬时坐标和瞬时移动速度，瞬时移动速度可以表现出敲击鼓面的力度。当信号发射器13”’由虚拟鼓面11”’上方落下，到达虚拟鼓面11”’时开始发声，发声的音调高低取决于信号发射器13”’自上方落下的瞬时速度，此次发声结束后，扬声器将不再发声，直到信号发射器13”再次由虚拟鼓面11”’上方落下。基于三维定位原理的虚拟鼓的演奏方法是一种新颖的演奏方法，能够克服现有技术中在简化乐器、音乐演奏时功能少、控制精度低和演奏效果不理想的缺陷，可以代替真实的鼓进行演奏练习，培养孩子的特长。

另一方面，与上述的方法相对应，本发明提供一种基于三维定位原理的空间演奏装置，如图7所示，包括：

获取模块1，用于获取演奏者的动作信息，动作信息包含被弹奏乐器的被弹奏原件的瞬时坐标；

查找模块2，用于根据瞬时坐标，从预先存储的坐标和音调的对应关系表中，查找出对应的音调；

发送模块3，用于将音调发送给扬声器，使扬声器发出声音。

本发明的基于三维定位原理的空间演奏装置，首先获取模块运用三维定位原理获取演奏者的动作信息，动作信息包含被弹奏乐器的被弹奏原件的瞬时坐标，然后查找模块根据瞬时坐标，从预先存储的坐标和音调的对应关系表中，查找出对应的音调，紧接着，发送模块将音调发送给扬声器，使扬声器发出声音。与现有技术相比，本发明既能够准确有效地获得演奏者的动作数据，又能在满足乐器、音乐演奏要求的前提下，实现简单方便地演奏。

在本发明装置的第一实施例中，如图2～4和图7所示，被弹奏乐器为虚拟钢琴类乐器10’，虚拟键盘类乐器以虚拟电子琴10’为例，被弹奏原件为虚拟琴键11’；

空间演奏装置还包括：

建立模块，用于预先通过至少三个信号接收器17’建立空间三维坐标系12’，其中，演奏者的指尖上佩戴有信号发射器13’，信号接收器17’用于解析信号发射器13’的三维坐标，虚拟琴键11’的上端面视为演奏区平面14’，演奏区平面14’的上方一定高度的平面视为虚拟键程面15’，演奏区平面14’在虚拟键程面15’垂直投影与演奏区平面14’之间所形成的区域视为键程16’。

基于三维定位原理的虚拟电子琴的演奏装置是一种新颖、便携的演奏装置，能够克服现有技术中在简化乐器、音乐演奏时功能少、控制精度低和演奏效果不理想的缺陷，可以作为玩具代替真实的电子琴进行演奏练习，培养孩子的特长。

进一步的，发送模块3包括音量调节子模块，用于判断瞬时坐标在键程16’内的高度，根据高度，调节音调的音量。具体地，在键程16’内的信号发射器越接近虚拟琴键11’，音调越高。

在本发明装置的第二实施例中，如图5、7所示，被弹奏乐器为虚拟弦类乐器，虚拟弦类乐器以虚拟古筝10”为例，被弹奏原件为虚拟弦11”；

空间演奏装置还包括：

建立模块，用于预先通过至少三个信号接收器建立空间三维坐标系12”，其中，演奏者的指尖上佩戴有信号发射器，信号接收器用于解析信号发射器的三维坐标，虚拟弦11”水平向前/后一定距离视为演奏区平面14”，演奏区平面14”即对应每个虚拟弦11”的弦程16”。

查找模块进一步用于判断瞬时坐标是否在弦程16”内，若瞬时坐标在弦程16”内，则从预先存储的坐标和音调的对应关系表中，查找出对应的音调。

基于三维定位原理的虚拟古筝的演奏装置是一种新颖、便携的演奏装置，能够克服现有技术中在简化乐器、音乐演奏时功能少、控制精度低和演奏效果不理想的缺陷，可以作为玩具代替真实的电子琴进行演奏练习，培养孩子的特长。

进一步的，发送模块3包括音量调节子模块，用于判断瞬时坐标在弦程16”内离弦程16”前/后边沿的水平宽度，根据水平宽度，调节音调的音量。具体地，在弦程16”内的信号发射器越远离虚拟弦11”，音调越高。

在本发明装置的第三实施例中，如图6～7所示，被弹奏乐器以虚拟鼓10”’为例，被弹奏原件为虚拟鼓面11”’，首先，建立模块通过三个信号接收器建立空间三维坐标系12”’，在空间三维坐标系12”’下，假设xy平面(z＝0，图中实线所示)上方一定距离(Δz)为虚拟鼓面11”，在演奏过程中，获取模块需要同时获取信号发射器13”’的瞬时坐标和瞬时移动速度(查找模块2和音量调节子模块根据瞬时坐标和瞬时移动速度控制发声模块3)，瞬时移动速度可以表现出敲击鼓面的力度。当信号发射器13”’由虚拟鼓面11”’上方落下，到达虚拟鼓面11”’时开始发声，发声的音调高低取决于信号发射器13”’自上方落下的瞬时速度，此次发声结束后，扬声器将不再发声，直到信号发射器13”’再次由虚拟鼓面11”’上方落下。基于三维定位原理的虚拟鼓的演奏装置是一种新颖、便携的演奏装置，能够克服现有技术中在简化乐器、音乐演奏时功能少、控制精度低和演奏效果不理想的缺陷，可以作为玩具代替真实的鼓进行演奏练习，培养孩子的特长。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此以本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种基于三维定位原理的空间演奏方法，其特征在于，包括：

步骤1：运用三维定位原理获取演奏者的动作信息，所述动作信息包含被弹奏乐器的被弹奏原件的瞬时坐标；

步骤2：根据所述瞬时坐标，从预先存储的坐标和音调的对应关系表中，查找出对应的音调；

步骤3：将所述音调发送给扬声器，使扬声器发出声音。

2.根据权利要求1所述的基于三维定位原理的空间演奏方法，其特征在于，所述被弹奏乐器为虚拟键盘类乐器，所述被弹奏原件为虚拟琴键；

所述步骤1之前还包括：

步骤10：预先通过至少三个信号接收器建立空间三维坐标系，其中，演奏者的指尖上佩戴有信号发射器，所述信号接收器用于解析所述信号发射器的三维坐标，所述虚拟琴键的上端面视为演奏区平面，所述演奏区平面的上方一定高度的平面视为虚拟键程面，演奏区平面在所述虚拟键程面垂直投影与演奏区平面之间所形成的区域视为键程；

所述步骤2进一步为：判断所述瞬时坐标是否在所述键程内，若所述瞬时坐标在所述键程内，则从预先存储的坐标和音调的对应关系表中，查找出对应的音调。

3.根据权利要求2所述的基于三维定位原理的空间演奏方法，其特征在于，所述步骤3还包括：

步骤31：判断所述瞬时坐标在所述键程内的高度，根据所述高度，调节所述音调的音量。

4.根据权利要求1所述的基于三维定位原理的空间演奏方法，其特征在于，所述被弹奏乐器为虚拟弦类乐器，所述被弹奏原件为虚拟弦；

所述步骤1之前还包括：

步骤10：预先通过至少三个信号接收器建立空间三维坐标系，其中，演奏者的指尖上佩戴有信号发射器，所述信号接收器用于解析所述信号发射器的三维坐标，所述虚拟弦水平向前/后一定距离视为演奏区平面，所述演奏区平面即对应每个虚拟弦的弦程；

所述步骤2进一步为：判断所述瞬时坐标是否在所述弦程内，若所述瞬时坐标在所述弦程内，则从预先存储的坐标和音调的对应关系表中，查找出对应的音调。

5.根据权利要求4所述的基于三维定位原理的空间演奏方法，其特征在于，所述步骤3还包括：

步骤31：判断所述瞬时坐标在所述弦程内离所述弦程前/后边沿的水平宽度，根据所述水平宽度，调节所述音调的音量。

6.一种基于三维定位原理的空间演奏装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取演奏者的动作信息，所述动作信息包含被弹奏乐器的被弹奏原件的瞬时坐标；

查找模块，用于根据所述瞬时坐标，从预先存储的坐标和音调的对应关系表中，查找出对应的音调；

发送模块，用于将所述音调发送给扬声器，使扬声器发出声音。

7.根据权利要求6所述的基于三维定位原理的空间演奏装置，其特征在于，所述被弹奏乐器为虚拟键盘类乐器，所述被弹奏原件为虚拟琴键；

所述空间演奏装置还包括：

建立模块，用于预先通过至少三个信号接收器建立空间三维坐标系，其中，演奏者的指尖上佩戴有信号发射器，所述信号接收器用于解析所述信号发射器的三维坐标，所述虚拟琴键的上端面视为演奏区平面，所述演奏区平面的上方一定高度的平面视为虚拟键程面，演奏区平面在所述虚拟键程面垂直投影与演奏区平面之间所形成的区域视为键程；

所述查找模块进一步用于判断所述瞬时坐标是否在所述键程内，若所述瞬时坐标在所述键程内，则从预先存储的坐标和音调的对应关系表中，查找出对应的音调。

8.根据权利要求7所述的基于三维定位原理的空间演奏装置，其特征在于，所述发送模块包括音量调节子模块，用于判断所述瞬时坐标在所述键程内的高度，根据所述高度，调节所述音调的音量。

9.根据权利要求6所述的基于三维定位原理的空间演奏装置，其特征在于，所述被弹奏乐器为虚拟弦类乐器，所述被弹奏原件为虚拟弦；

所述空间演奏装置还包括：

建立模块，用于预先通过至少三个信号接收器建立空间三维坐标系，其中，演奏者的指尖上佩戴有信号发射器，所述信号接收器用于解析所述信号发射器的三维坐标，虚拟弦水平向前/后一定距离视为演奏区平面，演奏区平面即对应每个虚拟弦的弦程；

所述查找模块进一步用于判断所述瞬时坐标是否在所述弦程内，若所述瞬时坐标在所述弦程内，则从预先存储的坐标和音调的对应关系表中，查找出对应的音调。

10.根据权利要求9所述的基于三维定位原理的空间演奏装置，其特征在于，所述发送模块包括音量调节子模块，用于判断所述瞬时坐标在所述弦程内离所述弦程前/后边沿的水平宽度，根据所述水平宽度，调节所述音调的音量。