CN107067879A - 一种智能钢琴教学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能钢琴教学系统，包括声音采集模块，视频采集模块，人机交互模块，声音处理模块，压力传感器，音高提取器，节拍提取器，乐理信息解码器，乐谱生成器，视频数据处理模块，动作标准判断模块，动作指导建议输出模块，三维教学模块，专家评估模块，每日任务接收模块，每日任务完成情况汇总模块，疑难问题汇总模块，疑难问题解答模块，教师终端，学生终端，中央处理器。本发明提高了钢琴训练的音准度；采用动态的三维形式进行教学视频和训练视频的投放，大大提高了学生的学习兴趣和学习效率，实现了在整个教学过程各个学生学习情况的采集和评估，并可以选择性的对某个学生的弹奏作品进行讲解，智能化程度高。
Description
技术领域
本发明涉及钢琴以及钢琴教学系统领域，具体涉及一种智能钢琴教学系统。
背景技术
智能教学系统是教育技术学中重要的研究领域，它借助人工智能技术，在没有人类导师指导的情况下帮助学习者获取知识和技能方面起着重要的作用。自从20世纪70年代以来，许多国家和地区都十分重视智能教学系统的研究、开发和应用。智能教学，是通过互联网计算机人工模拟技术整合全国工作在一线的特、高级教师和教学专家的教学资源和教研成果进行科学分析、智能判断及有目的地提供即时、有效、全面且针对性的教学。智能教学可以智能发现学生和教师在学习和教学中的不易发现的盲点，并智能扫除盲点，可以减轻学生的学习负担，提高教师的教学效率，最终达到提高学生学习成绩的目的，是更精准、即时进行学习诊断和智能化提分的智能教学系统，能减轻学生的负担，提高学生的成绩，必将成为提高教学效率的主流方式。
钢琴教育，是通过基本技能及艺术实践知识的传授培养高等技术应用型人才，教育的一个最终目的是使学生具有较强的声乐、器乐表演能力和音乐鉴赏及辨别能力，掌握音乐作品的分析方法，现有的钢琴教学模式中，由于教师要面对多数学生，所以在讲解课题的时候，往往缺乏针对性，同时由于授课时间的规定，多数学生会存在对上课所授知识不理解的情况，同时每个学生的学生接受能力都是不同，采用教师人为判断的评估方式，进行学生学习情况的评估，容易缺乏一定的专业性。缺乏采集学生或教师手指动作的装置，也缺乏采集钢琴键所受到的压力值的检测装置，且无法很好地演示弹奏过程，教学智能化程度低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种智能钢琴教学系统，同时通过压力传感器的设置，进一步提高了钢琴训练的音准度；采用动态的三维形式进行教学视频和训练视频的投放，使得学生具有一种身临其境的感觉，大大提高了学生的学习兴趣和学习效率，通过多个人机交互模块的使用，实现了在整个教学过程各个学生学习情况的采集和评估，并可以选择性的对某个学生的弹奏作品进行讲解，智能化程度高，同时将学习、练习以及考核完美的结合起来，每个学生采用不同的试题，使得教学更有针对性，进一步提高了教学效率。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种智能钢琴教学系统，包括
声音采集模块，通过安装在钢琴上的多个麦克风采集钢琴发出的音频，并将采集到的音频数据发送到声音处理模块；
视频采集模块，通过安装在钢琴上的摄像头进行教师教学弹奏过程以及学生练习弹奏的手指状态视频数据的采集，并将采集到的视频数据发送到视频数据处理模块；
人机交互模块，采用触摸电子屏，安装在钢琴上，用于接收压力传感器检测到的压力值，并将压力值发送到专家评估模块和教师终端；还用于控制背景生产模块，并用于输入人为调用命令，调用数据库中的数据；
声音处理模块，用于对采集到的音频进行消噪处理，并将获得消噪处理声音信号导入系统，并传送到音高提取器和数据库；
压力传感器，安装在每个钢琴键下端，用于检测弹奏过程中每个钢琴键受到的压力值；
音高提取器，用于从消噪处理声音信号逐音频帧提取音高；
节拍提取器，用于从音高提取器获取语音的音帧的音高，累积分析音频帧的音高变化情况，判断出其中包含的旋律段后提取该旋律段的节拍信息；
乐理信息解码器，用于根据预先建立的音符音高模型集，利用提取的音高分别计算出当前音频帧属于所述音符音高模型集中各个音符音高模型的概率值，根据计算的概率值以及音符音高模型集对当前音频帧进行音符音高模型匹配识别，若当前音频帧与其前一相邻音频帧分属不同的音符音高模型时，记录下当前音频帧号；在按照上述方式依序处理完采集到的音频的所有音频帧后，确定出采集到的音频所对应的音符音高模型序列以及序列中各个音符音高模型的起始音频帧号，计算出所述各个音符音高模型各自所持续的音频帧数，并通过节拍提取器提取采集到的音频包含的节拍信息；根据预先建立的音符时值模型集，从确定的音符音高模型序列中依次选取出一个音符音高模型，利用其所持续的音频帧数分别计算出所述音符音高模型属于所述音符时值模型集中各个音符时值模型的概率值，进行音符时值模型匹配识别；在按照上述方式依序处理完所确定的全部音符音高模型序列后，得出采集到的音频所包含的各个音符音高模型序列以及各个音符音高模型持续音频帧数所对应的音符时值模型，形成一组<音符音高模型，音符时值模型>序列；乐理处理与变换器，用于根据音高提取器提取的音高和节拍提取器提取的节拍信息，对确定出的采集到的音频的<音符音高模型，音符时值模型>序列进行乐理转换处理，得到对应的<标准音符，标准时值>序列；
乐谱生成器，用于根据所述<标准音符，标准时值>序列生成对应的乐谱，并将乐谱发送到教师终端、数据库以及对应的学生终端；
视频数据处理模块，通过kinect深度传感器进行骨骼信息获取；还用于消除所获得骨骼信息的抖动和噪声干扰，并计算获取所有骨骼对的角度旋转移动S03矩阵信息；
动作标准判断模块，用于将计算所得的骨骼对的角度旋转移动S03矩阵信息与标准动作数据库内录制的标准动作信息进行比较，如果差距小于某个门限，则认为标准，否则认为不标准；
动作指导建议输出模块，根据动作标准判断模块的评估结果进行指导，并输出指导意见到学生终端进行显示；
三维教学模块，包括空气屏幕生成系统、若干组3D投影仪、音乐背景播放模块和素材数据库，用于根据中央处理器发送的控制命令从素材数据库以及数据库内调用相应的数据建立各种场景、动态三维模型、互动三维模型；
专家评估模块，用于将接收到的压力值数据，通过人工并对其进行评估，给出针对性的训练建议；
每日任务接收模块，用于接收教师终端输入的每天需要完成的任务数据，并按学生信息分类后发送到指定的学生终端；
每日任务完成情况汇总模块，用于接收学生终端上传以及输入的任务完成数据，并按学生信息分类后发送到指定的教师终端；
疑难问题汇总模块，用于进行学生学习过程中疑难问题的汇总，并将所接收的疑难问题按照学生的信息进行分类后发送到指定的教师终端；
疑难问题解答模块，用于接收教师输入的疑难问题解答数据，并按照学生的信息分类后发送到指定的学生终端；
教师终端，用于接收乐谱生产器、人机交互模块、动作标准判断模块、专家评估模块发送的数据，并针对性的安排训练任务；同时用于根据每天的课程发送钢琴乐理知识数据；
学生终端，用于接收乐谱生产器、专家评估模块以及教师终端发送的数据，并完成训练任务；
中央处理器，用于协调上述模块工作，用于接收人机操作模块输入的各种控制命令，并按照预设的算法发送到指定模块；还用于用户注册、权限管理以及密码修改。
优选地，所述音符音高模型集包含分别为处于低八度、中八度、高八度区段中的各个标准音符以及一个静音所建立的模型。
优选地，还包括一数据库，用于储存乐谱生成器生成的乐谱，采集的到的音频数据、视频数据以及相关的钢琴乐理知识。
优选地，还包括
一数据传送模块，包括wife传送模块、蓝牙传送模块以及有线网络传送模块。
一数据共享模块，用于通过下载或无线的方式进行数据库内数据的共享。
优选地，所述音乐背景播放模块包括多个播音单元，播音单元内嵌于室内的墙壁、顶板和地板内，播音单元沿墙壁四周均匀布置；顶板上的播音单元沿顶板均匀布置；地板上的播音单元沿地板均匀布置。
优选地，还包括一训练结果评估模块，用于按月按季度的进行训练结果的汇总，方便训练者查询训练情况，包含每个乐谱训练的次数、动作标准评估结果、动作纠正指导意见。
优选地，还包括一语音模块，用于进行音频数据的播放，并用于根据中央处理器的控制命令通过从数据库中调用相应的音频进行教学讲解。
优选地，还包括一模拟训练模块，用于从模拟训练试题数据库内随机选取一定的试题进行模拟训练，并进行模拟训练结果的评估，将评估结果发送到显示屏进行显示。
优选地，所述人机交互模块的数量为多个，分别用于教师和学生使用。
本发明具有以下有益效果：
采用动态的三维形式进行教学视频和训练视频的投放，使得学生具有一种身临其境的感觉，大大提高了学生的学习兴趣和学习效率，通过多个人机交互模块的使用，实现了在整个教学过程各个学生学习情况的采集和评估，并可以选择性的对某个学生的弹奏作品进行讲解，智能化程度高，同时将学习、练习以及考核完美的结合起来，每个学生采用不同的试题，使得教学更有针对性，进一步提高了教学效率；通过抗噪音的音高特征提取、音符音高模型集及音符时值模型集参数训练、乐理信息解码识别，具有较高的识别率和计算速度，适应性强，能够满足不同水平的钢琴学习人员的使用需求，能够针对多数人的弹奏行为以及不同的音频数据保持高识别率，使得教学更具有针对性，全面性，达到了数据共享，可以营造不同的学习氛围，进一步提高了学习的效率，同时通过压力传感器的设置，进一步提高了钢琴训练的音准度。
附图说明
图1为本发明实施例一种智能钢琴教学系统的系统框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种智能钢琴教学系统，包括
声音采集模块，通过安装在钢琴上的多个麦克风采集钢琴发出的音频，并将采集到的音频数据发送到声音处理模块；
视频采集模块，通过安装在钢琴上的摄像头进行教师教学弹奏过程以及学生练习弹奏的手指状态视频数据的采集，并将采集到的视频数据发送到视频数据处理模块；
人机交互模块，采用触摸电子屏，安装在钢琴上，用于接收压力传感器检测到的压力值，并将压力值发送到专家评估模块和教师终端；还用于控制背景生产模块，并用于输入人为调用命令，调用数据库中的数据；
声音处理模块，用于对采集到的音频进行消噪处理，并将获得消噪处理声音信号导入系统，并传送到音高提取器和数据库；
压力传感器，安装在每个钢琴键下端，用于检测弹奏过程中每个钢琴键受到的压力值；
音高提取器，用于从消噪处理声音信号逐音频帧提取音高；
节拍提取器，用于从音高提取器获取语音的音帧的音高，累积分析音频帧的音高变化情况，判断出其中包含的旋律段后提取该旋律段的节拍信息；
乐理信息解码器，用于根据预先建立的音符音高模型集，利用提取的音高分别计算出当前音频帧属于所述音符音高模型集中各个音符音高模型的概率值，根据计算的概率值以及音符音高模型集对当前音频帧进行音符音高模型匹配识别，若当前音频帧与其前一相邻音频帧分属不同的音符音高模型时，记录下当前音频帧号；在按照上述方式依序处理完采集到的音频的所有音频帧后，确定出采集到的音频所对应的音符音高模型序列以及序列中各个音符音高模型的起始音频帧号，计算出所述各个音符音高模型各自所持续的音频帧数，并通过节拍提取器提取采集到的音频包含的节拍信息；根据预先建立的音符时值模型集，从确定的音符音高模型序列中依次选取出一个音符音高模型，利用其所持续的音频帧数分别计算出所述音符音高模型属于所述音符时值模型集中各个音符时值模型的概率值，进行音符时值模型匹配识别；在按照上述方式依序处理完所确定的全部音符音高模型序列后，得出采集到的音频所包含的各个音符音高模型序列以及各个音符音高模型持续音频帧数所对应的音符时值模型，形成一组<音符音高模型，音符时值模型>序列；乐理处理与变换器，用于根据音高提取器提取的音高和节拍提取器提取的节拍信息，对确定出的采集到的音频的<音符音高模型，音符时值模型>序列进行乐理转换处理，得到对应的<标准音符，标准时值>序列；
乐谱生成器，用于根据所述<标准音符，标准时值>序列生成对应的乐谱，并将乐谱发送到教师终端、数据库以及对应的学生终端；
视频数据处理模块，通过kinect深度传感器进行骨骼信息获取；还用于消除所获得骨骼信息的抖动和噪声干扰，并计算获取所有骨骼对的角度旋转移动S03矩阵信息；
动作标准判断模块，用于将计算所得的骨骼对的角度旋转移动S03矩阵信息与标准动作数据库内录制的标准动作信息进行比较，如果差距小于某个门限，则认为标准，否则认为不标准；
动作指导建议输出模块，根据动作标准判断模块的评估结果进行指导，并输出指导意见到学生终端进行显示；
三维教学模块，包括空气屏幕生成系统、若干组3D投影仪、音乐背景播放模块和素材数据库，用于根据中央处理器发送的控制命令从素材数据库以及数据库内调用相应的数据建立各种场景、动态三维模型、互动三维模型；
专家评估模块，用于将接收到的压力值数据，通过人工并对其进行评估，给出针对性的训练建议；
每日任务接收模块，用于接收教师终端输入的每天需要完成的任务数据，并按学生信息分类后发送到指定的学生终端；
每日任务完成情况汇总模块，用于接收学生终端上传以及输入的任务完成数据，并按学生信息分类后发送到指定的教师终端；
疑难问题汇总模块，用于进行学生学习过程中疑难问题的汇总，并将所接收的疑难问题按照学生的信息进行分类后发送到指定的教师终端；
疑难问题解答模块，用于接收教师输入的疑难问题解答数据，并按照学生的信息分类后发送到指定的学生终端；
教师终端，用于接收乐谱生产器、人机交互模块、动作标准判断模块、专家评估模块发送的数据，并针对性的安排训练任务；同时用于根据每天的课程发送钢琴乐理知识数据；
学生终端，用于接收乐谱生产器、专家评估模块以及教师终端发送的数据，并完成训练任务；
中央处理器，用于协调上述模块工作，用于接收人机操作模块输入的各种控制命令，并按照预设的算法发送到指定模块；还用于用户注册、权限管理以及密码修改。
所述音符音高模型集包含分别为处于低八度、中八度、高八度区段中的各个标准音符以及一个静音所建立的模型。
还包括一数据库，用于储存乐谱生成器生成的乐谱，采集的到的音频数据、视频数据以及相关的钢琴乐理知识。
还包括
一数据传送模块，包括wife传送模块、蓝牙传送模块以及有线网络传送模块。
一数据共享模块，用于通过下载或无线的方式进行数据库内数据的共享。
优选地，所述音乐背景播放模块包括多个播音单元，播音单元内嵌于室内的墙壁、顶板和地板内，播音单元沿墙壁四周均匀布置；顶板上的播音单元沿顶板均匀布置；地板上的播音单元沿地板均匀布置。
还包括一训练结果评估模块，用于按月按季度的进行训练结果的汇总，方便训练者查询训练情况，包含每个乐谱训练的次数、动作标准评估结果、动作纠正指导意见。
还包括一语音模块，用于进行音频数据的播放，并用于根据中央处理器的控制命令通过从数据库中调用相应的音频进行教学讲解。
还包括一模拟训练模块，用于从模拟训练试题数据库内随机选取一定的试题进行模拟训练，并进行模拟训练结果的评估，将评估结果发送到显示屏进行显示。
所述人机交互模块的数量为多个，分别用于教师和学生使用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种智能钢琴教学系统，其特征在于，包括
声音采集模块，通过安装在钢琴上的多个麦克风采集钢琴发出的音频，并将采集到的音频数据发送到声音处理模块；
视频采集模块，通过安装在钢琴上的摄像头进行教师教学弹奏过程以及学生练习弹奏的手指状态视频数据的采集，并将采集到的视频数据发送到视频数据处理模块；
人机交互模块，采用触摸电子屏，安装在钢琴上，用于接收压力传感器检测到的压力值，并将压力值发送到专家评估模块和教师终端；还用于控制背景生产模块，并用于输入人为调用命令，调用数据库中的数据；
声音处理模块，用于对采集到的音频进行消噪处理，并将获得消噪处理声音信号导入系统，并传送到音高提取器和数据库；
压力传感器，安装在每个钢琴键下端，用于检测弹奏过程中每个钢琴键受到的压力值；
音高提取器，用于从消噪处理声音信号逐音频帧提取音高；
节拍提取器，用于从音高提取器获取语音的音帧的音高，累积分析音频帧的音高变化情况，判断出其中包含的旋律段后提取该旋律段的节拍信息；
乐理信息解码器，用于根据预先建立的音符音高模型集，利用提取的音高分别计算出当前音频帧属于所述音符音高模型集中各个音符音高模型的概率值，根据计算的概率值以及音符音高模型集对当前音频帧进行音符音高模型匹配识别，若当前音频帧与其前一相邻音频帧分属不同的音符音高模型时，记录下当前音频帧号；在按照上述方式依序处理完采集到的音频的所有音频帧后，确定出采集到的音频所对应的音符音高模型序列以及序列中各个音符音高模型的起始音频帧号，计算出所述各个音符音高模型各自所持续的音频帧数，并通过节拍提取器提取采集到的音频包含的节拍信息；根据预先建立的音符时值模型集，从确定的音符音高模型序列中依次选取出一个音符音高模型，利用其所持续的音频帧数分别计算出所述音符音高模型属于所述音符时值模型集中各个音符时值模型的概率值，进行音符时值模型匹配识别；在按照上述方式依序处理完所确定的全部音符音高模型序列后，得出采集到的音频所包含的各个音符音高模型序列以及各个音符音高模型持续音频帧数所对应的音符时值模型，形成一组<音符音高模型，音符时值模型>序列；乐理处理与变换器，用于根据音高提取器提取的音高和节拍提取器提取的节拍信息，对确定出的采集到的音频的<音符音高模型，音符时值模型>序列进行乐理转换处理，得到对应的<标准音符，标准时值>序列；
乐谱生成器，用于根据所述<标准音符，标准时值>序列生成对应的乐谱，并将乐谱发送到教师终端、数据库以及对应的学生终端；
视频数据处理模块，通过kinect深度传感器进行骨骼信息获取；还用于消除所获得骨骼信息的抖动和噪声干扰，并计算获取所有骨骼对的角度旋转移动S03矩阵信息；
动作标准判断模块，用于将计算所得的骨骼对的角度旋转移动S03矩阵信息与标准动作数据库内录制的标准动作信息进行比较，如果差距小于某个门限，则认为标准，否则认为不标准；
动作指导建议输出模块，根据动作标准判断模块的评估结果进行指导，并输出指导意见到学生终端进行显示；
三维教学模块，包括空气屏幕生成系统、若干组3D投影仪、音乐背景播放模块和素材数据库，用于根据中央处理器发送的控制命令从素材数据库以及数据库内调用相应的数据建立各种场景、动态三维模型、互动三维模型；
专家评估模块，用于将接收到的压力值数据，通过人工并对其进行评估，给出针对性的训练建议；
每日任务接收模块，用于接收教师终端输入的每天需要完成的任务数据，并按学生信息分类后发送到指定的学生终端；
每日任务完成情况汇总模块，用于接收学生终端上传以及输入的任务完成数据，并按学生信息分类后发送到指定的教师终端；
疑难问题汇总模块，用于进行学生学习过程中疑难问题的汇总，并将所接收的疑难问题按照学生的信息进行分类后发送到指定的教师终端；
疑难问题解答模块，用于接收教师输入的疑难问题解答数据，并按照学生的信息分类后发送到指定的学生终端；
教师终端，用于接收乐谱生产器、人机交互模块、动作标准判断模块、专家评估模块发送的数据，并针对性的安排训练任务；同时用于根据每天的课程发送钢琴乐理知识数据；
学生终端，用于接收乐谱生产器、专家评估模块以及教师终端发送的数据，并完成训练任务；
中央处理器，用于协调上述模块工作，用于接收人机操作模块输入的各种控制命令，并按照预设的算法发送到指定模块；还用于用户注册、权限管理以及密码修改。
2.根据权利要求1所述的一种智能钢琴教学系统，其特征在于，所述音符音高模型集包含分别为处于低八度、中八度、高八度区段中的各个标准音符以及一个静音所建立的模型。
3.根据权利要求1所述的一种智能钢琴教学系统，其特征在于，还包括一数据库，用于储存乐谱生成器生成的乐谱，采集的到的音频数据、视频数据以及相关的钢琴乐理知识。
4.根据权利要求1所述的一种智能钢琴教学系统，其特征在于，还包括一数据传送模块，包括wife传送模块、蓝牙传送模块以及有线网络传送模块。
5.根据权利要求1所述的一种智能钢琴教学系统，其特征在于，所述音乐背景播放模块包括多个播音单元，播音单元内嵌于室内的墙壁、顶板和地板内，播音单元沿墙壁四周均匀布置；顶板上的播音单元沿顶板均匀布置；地板上的播音单元沿地板均匀布置。
6.根据权利要求1所述的一种智能钢琴教学系统，其特征在于，还包括一训练结果评估模块，用于按月按季度的进行训练结果的汇总，方便训练者查询训练情况，包含每个乐谱训练的次数、动作标准评估结果、动作纠正指导意见。
7.根据权利要求1所述的一种智能钢琴教学系统，其特征在于，还包括一语音模块，用于进行音频数据的播放，并用于根据中央处理器的控制命令通过从数据库中调用相应的音频进行教学讲解。
8.根据权利要求1所述的一种智能钢琴教学系统，其特征在于，还包括一模拟训练模块，用于从模拟训练试题数据库内随机选取一定的试题进行模拟训练，并进行模拟训练结果的评估，将评估结果发送到显示屏进行显示。
9.根据权利要求1所述的一种智能钢琴教学系统，其特征在于，所述人机交互模块的数量为多个，分别用于教师和学生使用。
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| CN107067879A true CN107067879A (zh) | 2017-08-18 |
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