CN107767847B - 一种智能钢琴演奏测评方法及系统 - Google Patents
一种智能钢琴演奏测评方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种智能钢琴演奏测评方法，包括：采集用户的MIDI音频数字信号转换成演奏数据；将用户演奏时间序列和大师演奏时间序列在时间轴上匹配；将用户演奏的音符组和大师演奏的音符组进行音准判定；将用户演奏的音符相对时值与大师演奏的音符相对时值进行节奏判定；计算用户演奏速度和大师演奏速度的相对速度进行速度判定；将用户演奏的音符力度与大师演奏的音符力度进行力度判定；将演奏音准、演奏节奏、演奏速度和演奏力度进行综合评估；将综合评估的结果在智能终端的五线谱上进行标识。本发明还提供了一种智能钢琴演奏测评系统。本发明的有益效果：把用户准确声音源文件与专业演奏的曲谱进行准确、客观、多方面对比，真实反映用户演奏水平。
Description
技术领域
本发明涉及乐器技术领域，具体而言，涉及一种智能钢琴演奏测评方法及系统。
背景技术
传统的钢琴学习需要有专业老师从启蒙阶段就开始指导，按照按部就班的教材随时对钢琴学习者在演奏过程中发生的错误进行纠正，同时在学习者大量的自主练习过程中往往都会遇到因为没有老师的实时指导而反复错误练习，造成时间的浪费和效率的低下。
在现有技术中，通常都是通过MIDI识别乐谱从而通过对应钢琴按键指示灯给初学者提供了入门的弹奏和学习方法，但是在真正钢琴乐曲练习过程中，学习者需要掌握乐曲识谱、节奏、速度、力度和表现力等多方面技巧才能更加完美地演绎。
目前，有通过节拍器固定节奏跟灯学习的评测方法，这种方式有一定的局限性，违背用户基本的演奏逻辑和习惯。因为，跟着节拍器演奏出来的不是音乐而是机械，且无法对用户对速度、节奏、以及乐曲情感处理进行评测，仅限于纠正错音。另外，也有采用声音识别的方法结合DTW算法等进行乐谱的演奏测评，但是目前理论价值可能高于实用价值，同时，由于涉及复音，加上外环境音嘈杂、钢琴缺乏调率等都会导致声音识别的准确率大大降低，从而严重影响到实际的演奏测评结果。现有评测方法的计算维度，以及综合评分缺乏准确率和客观性，不能真实反映用户演奏水平。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种智能钢琴演奏测评方法及系统，把MIDI采集的用户准确声音源文件与专业演奏的曲谱在音准、节奏、速度和力度等维度上进行准确、客观、多方面对比，真实反映用户演奏水平，提高演奏学习效率。
本发明提供了一种智能钢琴演奏测评方法，包括：
步骤1，通过智能钢琴上的MIDI接口采集用户演奏钢琴的MIDI音频数字信号，并通过网络将MIDI音频数字信号传输至智能终端中，智能终端将MIDI音频数字信号转换成用户的演奏数据，演奏数据由所有音符的音符数据组成；
其中，每个音符的音符数据包括：音符开始时间、音高、音符时值、音符力度和演奏中第几个音符；
步骤2，将用户演奏的音符数据组成用户演奏时间序列和智能终端中存储的大师演奏时间序列在时间轴上进行匹配，识别出用户演奏的每个音符组分别对应的大师演奏的音符组；
其中，时间序列为若干音符组组成的数组，每个音符组包括同时演奏的音符的音符数据；
步骤3，将用户演奏的每个音符组和对应大师演奏的音符组进行对比判定，评估用户的演奏音准，，得到用户的演奏音准信息，包括错音和丢音；
步骤4，将用户演奏的音符组中的每个音符的相对时值与大师演奏的音符组中对应音符的相对时值进行对比判定，评估用户的演奏节奏，得到用户的演奏节奏信息；
步骤5，通过滑动窗口算法，计算用户演奏的速度和大师演奏的速度之间的相对速度，获取用户演奏的平均速度曲线，评估用户的演奏速度，得到用户的演奏速度信息；
步骤6，将用户演奏的音符组中的每个音符的音符力度与大师演奏的音符组中对应音符的音符力度进行对比判定，评估用户的演奏力度，得到用户的演奏力度信息；
步骤7，将步骤3-步骤6中的演奏音准、演奏节奏、演奏速度和演奏力度进行综合评估；
步骤8，将综合评估的结果在智能终端的五线谱上进行标识，包括演奏音准信息、演奏节奏信息、演奏速度信息、演奏力度信息。
作为本发明进一步的改进，步骤3中，在判定评估演奏音准时：
对于用户演奏的每个音符组，如果在对应大师演奏的音符组中可以找到对应的音符，则标记为音准正确，反之则标记为音准错误；
对于大师演奏的每个音符组，如果在用户演奏的对应音符组中无法找到与大师演奏的音符组相匹配的音符，则标记为丢音。
作为本发明进一步的改进，步骤4中，相对时值为该音符时值和前后音符时值的相对比例。
作为本发明进一步的改进，步骤5中，计算相对速度的方法为：
取用户演奏的当前时间点，对应的滑动窗口大小；
截取在该滑动窗口内的用户演奏窗口片段；
在在智能终端中存储的大师演奏录音中找到相匹配的大师演奏片段；
计算当前时间点用户演奏速度和大师演奏速度的相对速度。
本发明还提供了一种智能钢琴演奏测评系统，包括：
数据采集模块，其用于通过智能钢琴上的MIDI接口采集用户演奏钢琴的MIDI音频数字信号，并通过网络将MIDI音频数字信号传输至智能终端中，智能终端将MIDI音频数字信号转换成用户的演奏数据，演奏数据由所有音符的音符数据组成；
其中，每个音符的音符数据包括：音符开始时间、音高、音符时值、音符力度和演奏中第几个音符；
数据匹配模块，其用于将用户演奏的音符数据组成用户演奏时间序列和智能终端中存储的大师演奏时间序列在时间轴上进行匹配，识别出用户演奏的每个音符组分别对应的大师演奏的音符组；
其中，时间序列为若干音符组组成的数组，每个音符组包括同时演奏的音符的音符数据；
音准判定模块，其用于将用户演奏的每个音符组和对应大师演奏的音符组进行对比判定，评估用户的演奏音准，得到用户的演奏音准信息，包括错音和丢音；
节奏判定模块，其用于将用户演奏的音符组中的每个音符的相对时值与大师演奏的音符组中对应音符的相对时值进行对比判定，评估用户的演奏节奏，得到用户的演奏节奏信息；
速度判定模块，其用于通过滑动窗口算法，计算用户演奏的速度和大师演奏的速度之间的相对速度，获取用户演奏的平均速度曲线，评估用户的演奏速度，得到用户的演奏速度信息；
力度判定模块，其用于将用户演奏的音符组中的每个音符的音符力度与大师演奏的音符组中对应音符的音符力度进行对比判定，评估用户的演奏力度，得到用户的演奏力度信息；
综合评估模块，其用于将演奏音准、演奏节奏、演奏速度和演奏力度进行综合评估；
结果显示模块，其用于将综合评估的结果在智能终端的五线谱上进行标识，包括演奏音准信息、演奏节奏信息、演奏速度信息、演奏力度信息。
作为本发明进一步的改进，音准判定模块中，在判定评估演奏节奏时：
对于用户演奏的每个音符组，如果在对应大师演奏的音符组中可以找到对应的音符，则标记为音准正确，反之则标记为音准错误；
对于大师演奏的每个音符组，如果在用户演奏的对应音符组中无法找到与大师演奏的音符组相匹配的音符，则标记为丢音。
作为本发明进一步的改进，节奏判定模块中，相对时值为该音符时值和前后音符时值的相对比例。
作为本发明进一步的改进，速度判定模块中，计算相对速度的方法为：
取用户演奏的当前时间点，对应的滑动窗口大小；
截取在该滑动窗口内的用户演奏窗口片段；
在智能终端中存储的大师演奏录音中找到相匹配的大师演奏片段；
计算当前时间点时，用户演奏速度和大师演奏速度的相对速度。
本发明的有益效果为：
1、从音准、节奏、速度和力度等多个维度上反映了用户的演奏水平，客观准确；
2、考虑了复音的匹配，提高测评的准确性；
3、通过相对比例来判定节奏，能准确反映节奏信息，进一步提高了测评的准确性；
4、通过相对速度来判定速度，平滑整个速度曲线，进一步提高了测评的准确性；
5、可将评测出来的结果数据曲线，包括弹奏的速度、音符准确性等在五线谱上直接进行标注，更加直观地让用户了解自己演奏的实际情况。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种智能钢琴演奏测评方法的流程示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1，如图1所示，本发明实施例所述的一种智能钢琴演奏测评方法，包括：
步骤1，通过智能钢琴上的MIDI接口采集用户演奏钢琴的MIDI音频数字信号，并通过网络将MIDI音频数字信号传输至智能终端中，智能终端将MIDI音频数字信号转换成用户的演奏数据，演奏数据由所有音符的音符数据组成。
上述步骤中，在传输MIDI音频数字信号时，智能钢琴和智能终端之间通过USB连接线相连，不断检测其内存缓冲区，当检测到有MIDI音频序列数据时，传输至智能终端中并进行实时播放。
其中，MIDI接口乐器数字接口仅仅是一个通信标准，用以确定电脑音乐程序、合成器和其他电子音响的设备互相交换信息与控制信号的方法。MIDI是一种电子乐器之间以及电子乐器与电脑之间的统一交流协议。MIDI传输的不是声音信号，而是音符、控制参数等指令。MIDI文件是一种描述性的“音乐语言”，它将所要演奏的乐曲信息用字节进行描述，譬如在某一时刻，使用什么乐器，以什么音符开始，以什么音调结束，加以什么伴奏等等。
因此，本发明中在采集MIDI音频数字信号时，包含整首演奏曲谱的所有音符数据，而每个音符的音符数据包括：音符开始时间、音高、音符时值、音符力度和演奏中第几个音符等等。
步骤2，将用户演奏的音符数据组成用户演奏时间序列和智能终端中存储的大师演奏时间序列在时间轴上进行匹配，识别出用户演奏的每个音符组分别对应的大师演奏的音符组。
由于钢琴为多声部乐器，在同一个时间内会有多个音符同时弹奏，在匹配时，不能单一对单个音符进行匹配，需要将同时按下的音符例如和弦一起进行匹配。因此，本发明将需要匹配的时间序列分成若干音符组组成的数组，每个音符组包括同时演奏的音符的音符数据，这样可以保证复音的匹配，提高后续测评的准确性。
步骤3，将用户演奏的每个音符组和对应大师演奏的音符组进行对比判定，评估用户的演奏音准，得到用户的演奏音准信息，包括错音和丢音。
音准，即用户是否正确演奏了五线谱上标注的音符，音准正确，是正确演奏一首曲目的基础。因此，音准从一个方面、一个维度上反映了用户的演奏水平。在对音准进行测评时，需要将用户演奏的音符组和对应大师演奏的音符组，针对每一个音符组逐一判定，具体为：
对于用户演奏的每个音符组，如果在对应大师演奏的音符组中可以找到对应的音符，则标记为音准正确，反之则标记为音准错误；
对于大师演奏的每个音符组，如果在用户演奏的对应音符组中无法找到与大师演奏的音符组相匹配的音符，则标记为丢音。
步骤4，将用户演奏的音符组中的每个音符的相对时值与大师演奏的音符组中对应音符的相对时值进行对比判定，评估用户的演奏节奏，得到用户的演奏节奏信息。
节奏是音乐中的基本概念之一，正确演奏节奏是钢琴演奏者的基本技能。节奏正确，即用户演奏的音的时值是否和大师演奏的时值相匹配。比如四分音符的长度是八分音符的一倍，如果把四分音符的长度演奏为八分音符的长度，则为节奏错误。然而，每个音符的时值是相对而不是绝对的。比如曲目整体速度加快，每个音符的时值也会缩短。甚至在单个乐曲中速度也不是恒定的，在测评时，需要考虑速度的变化，将速度变化对节奏判断准确性的影响降到最低。因此，本发明采用相对比例来判定节奏，不以音符的绝对时值为判定基础，而是以该音符时值和前后音符时值的相对比例，来作为判定的依据。经过反复测试，这种判定方法能准确反映用户演奏的节奏信息。
步骤5，通过滑动窗口算法，计算用户演奏的速度和大师演奏的速度之间的相对速度，获取用户演奏的平均速度曲线，评估用户的演奏速度，得到用户的演奏速度信息。
演奏速度是演奏者对节拍的控制能力，以及对乐曲音乐表达能力判定的重要指标。速度判定的难点在于演奏者的演奏速度通常不固定，而且不会线性变化，如何定义在某个时间点的“速度”是比较困难的。本发明通过滑动窗口算法，计算用户演奏的相对速度，通过计算整首曲谱的相对速度，获取用户演奏的速度曲线。通过相对速度的计算，可以准确反映用户演奏的速度，不会因为某个时间点的速度提取不正确导致整体测评的准确性降低。
在计算相对速度时，采用的方法具体为：
取用户演奏的当前时间点为t，对应的滑动窗口大小为size；
截取在该滑动窗口内的用户演奏窗口片段为userPart＝userPlay.sub(t-size/2,t+size/2)；其中，userPlay.sub为用户演奏的整段曲谱，userPart为根据滑动窗口提取的用户演奏片段，size/2、t+size/2分别为用户演奏片段中的演奏起始和结束时间；
在智能终端中存储的大师演奏录音中找到相匹配的大师演奏片段expertPart＝exportPlay.sub(t1,t2)；其中，exportPlay.sub为大师演奏的整段曲谱，expertPart为根据窗口大小提取的大师演奏片段，t1、t2分别为大师演奏片段中的演奏起始和结束时间；
计算当前时间点t时，用户演奏速度和大师演奏速度的相对速度为size/(t2-t1)。
因此，采用相对速度的评测方法，通过动态调整窗口大小，可以消除某个时间点的毛刺即提取的错误速度，平滑整个速度曲线，避免了速度不固定导致的测评准确性降低。
步骤6，将用户演奏的音符组中的每个音符的音符力度与大师演奏的音符组中对应音符的音符力度进行对比判定，评估用户的演奏力度，得到用户的演奏力度信息。
演奏力度的测评只需从获取的音符组的音符数据中逐一匹配判定即可。
步骤7，将步骤3-步骤6中的演奏音准、演奏节奏、演奏速度和演奏力度进行综合评估，计算用户的演奏总得分，对演奏总体水平客观的评判。
需要预先对演奏音准、演奏节奏、演奏速度和演奏力度设置得分标准，根据用户演奏的相应音准、节奏、速度和力度在标准中对应找到应得的分值，根据相应的加权系数计算出最后的总得分，整体客观反映用户的演奏水平。
步骤8，将综合评估的结果在智能终端的五线谱上以瀑布流的形式进行标识，包括演奏音准信息(正确，错误，遗漏级丢音)、演奏节奏信息(早，晚，以及定量分析)、演奏速度信息(快，慢)、演奏力度信息(轻，重)等等，通过这些在五线谱上直接标注的信息，更加直观地让用户了解自己演奏的实际情况。
本发明还提供了一种智能钢琴演奏测评系统，包括：
数据采集模块，其用于通过智能钢琴上的MIDI接口采集用户演奏钢琴的MIDI音频数字信号，并通过网络将MIDI音频数字信号传输至智能终端中，智能终端将MIDI音频数字信号转换成用户的演奏数据，演奏数据由所有音符的音符数据组成；
其中，每个音符的音符数据包括：音符开始时间、音高、音符时值、音符力度和演奏中第几个音符；
数据匹配模块，其用于将用户演奏的音符数据组成用户演奏时间序列和智能终端中存储的大师演奏时间序列在时间轴上进行匹配，识别出用户演奏的每个音符组分别对应的大师演奏的音符组；
其中，时间序列为若干音符组组成的数组，每个音符组包括同时演奏的音符的音符数据；
音准判定模块，其用于将用户演奏的每个音符组和对应大师演奏的音符组进行对比判定，评估用户的演奏音准，得到用户的演奏音准信息，包括错音和丢音；在判定评估演奏节奏时：
对于用户演奏的每个音符组，如果在对应大师演奏的音符组中可以找到对应的音符，则标记为音准正确，反之则标记为音准错误；
对于大师演奏的每个音符组，如果在用户演奏的对应音符组中无法找到与大师演奏的音符组相匹配的音符，则标记为丢音；
节奏判定模块，其用于将用户演奏的音符组中的每个音符的相对时值与大师演奏的音符组中对应音符的相对时值进行对比判定，评估用户的演奏节奏，得到用户的演奏节奏信息；其中，相对时值为该音符时值和前后音符时值的相对比例；
速度判定模块，其用于通过滑动窗口算法，计算用户演奏的速度和大师演奏的速度之间的相对速度，获取用户演奏的平均速度曲线，评估用户的演奏速度，得到用户的演奏速度信息；其中，计算相对速度的方法为：
取用户演奏的当前时间点，对应的滑动窗口大小；
截取在该滑动窗口内的用户演奏窗口片段；
在智能终端中存储的大师演奏录音中找到相匹配的大师演奏片段；
计算当前时间点时，用户演奏速度和大师演奏速度的相对速度；
力度判定模块，其用于将用户演奏的音符组中的每个音符的音符力度与大师演奏的音符组中对应音符的音符力度进行对比判定，评估用户的演奏力度，得到用户的演奏力度信息；
综合评估模块，其用于演奏音准、演奏节奏、演奏速度和演奏力度进行综合评估；
结果显示模块，其用于将综合评估的结果在智能终端的五线谱上进行标识，包括演奏音准信息、演奏节奏信息、演奏速度信息、演奏力度信息。
本发明从音准、节奏、速度和力度等多个维度上反映了用户的演奏水平，避免了单一的测评标准，更加客观更加准确。在对用户数据和大师数据进行匹配时，充分考虑了复音即同时按下的音符，提高测评的准确性。判定节奏时，采用相对比例计算，能准确反映节奏信息，进一步提高了测评的准确性。判定速度时，采用相对速度计算，平滑整个速度曲线，进一步提高了测评的准确性。本发明可将评测出来的结果数据曲线，包括弹奏的速度、音符准确性等在智能终端上的五线谱上直接进行标注，更加直观地让用户了解自己演奏的实际情况。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种智能钢琴演奏测评方法，其特征在于，包括：
步骤1，通过智能钢琴上的MIDI接口采集用户演奏钢琴的MIDI音频数字信号，并通过网络将MIDI音频数字信号传输至智能终端中，智能终端将MIDI音频数字信号转换成用户的演奏数据，演奏数据由所有音符的音符数据组成；
其中，每个音符的音符数据包括：音符开始时间、音高、音符时值、音符力度和演奏中第几个音符；
步骤2，将用户演奏的音符数据组成用户演奏时间序列和智能终端中存储的大师演奏时间序列在时间轴上进行匹配，识别出用户演奏的每个音符组分别对应的大师演奏的音符组；
其中，时间序列为若干音符组组成的数组，每个音符组包括同时演奏的音符的音符数据；
步骤3，将用户演奏的每个音符组和对应大师演奏的音符组进行对比判定，评估用户的演奏音准，得到用户的演奏音准信息，包括错音和丢音；
步骤4，将用户演奏的音符组中的每个音符的相对时值与大师演奏的音符组中对应音符的相对时值进行对比判定，评估用户的演奏节奏，得到用户的演奏节奏信息；
步骤5，通过滑动窗口算法，计算用户演奏的速度和大师演奏的速度之间的相对速度，获取用户演奏的平均速度曲线，评估用户的演奏速度，得到用户的演奏速度信息；
其中，计算相对速度的方法为：
取用户演奏的当前时间点，对应的滑动窗口大小；
截取在该滑动窗口内的用户演奏窗口片段；
在智能终端中存储的大师演奏录音中找到相匹配的大师演奏片段；
计算当前时间点时，用户演奏速度和大师演奏速度的相对速度；
步骤6，将用户演奏的音符组中的每个音符的音符力度与大师演奏的音符组中对应音符的音符力度进行对比判定，评估用户的演奏力度，得到用户的演奏力度信息；
步骤7，将步骤3-步骤6中的演奏音准、演奏节奏、演奏速度和演奏力度进行综合评估；
步骤8，将综合评估的结果在智能终端的五线谱上进行标识，包括演奏音准信息、演奏节奏信息、演奏速度信息、演奏力度信息。
2.根据权利要求1所述的智能钢琴演奏测评方法，其特征在于，步骤3中，在判定评估演奏音准时：
对于用户演奏的每个音符组，如果在对应大师演奏的音符组中可以找到对应的音符，则标记为音准正确，反之则标记为音准错误；
对于大师演奏的每个音符组，如果在用户演奏的对应音符组中无法找到与大师演奏的音符组相匹配的音符，则标记为丢音。
3.根据权利要求1所述的智能钢琴演奏测评方法，其特征在于，步骤4中，相对时值为该音符时值和前后音符时值的相对比例。
4.一种智能钢琴演奏测评系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，其用于通过智能钢琴上的MIDI接口采集用户演奏钢琴的MIDI音频数字信号，并通过网络将MIDI音频数字信号传输至智能终端中，智能终端将MIDI音频数字信号转换成用户的演奏数据，演奏数据由所有音符的音符数据组成；
其中，每个音符的音符数据包括：音符开始时间、音高、音符时值、音符力度和演奏中第几个音符；
数据匹配模块，其用于将用户演奏的音符数据组成用户演奏时间序列和智能终端中存储的大师演奏时间序列在时间轴上进行匹配，识别出用户演奏的每个音符组分别对应的大师演奏的音符组；
其中，时间序列为若干音符组组成的数组，每个音符组包括同时演奏的音符的音符数据；
音准判定模块，其用于将用户演奏的每个音符组和对应大师演奏的音符组进行对比判定，评估用户的演奏音准，得到用户的演奏音准信息，包括错音和丢音；
节奏判定模块，其用于将用户演奏的音符组中的每个音符的相对时值与大师演奏的音符组中对应音符的相对时值进行对比判定，评估用户的演奏节奏，得到用户的演奏节奏信息；
速度判定模块，其用于通过滑动窗口算法，计算用户演奏的速度和大师演奏的速度之间的相对速度，获取用户演奏的平均速度曲线，评估用户的演奏速度，得到用户的演奏速度信息；其中，计算相对速度的方法为：
取用户演奏的当前时间点，对应的滑动窗口大小；
截取在该滑动窗口内的用户演奏窗口片段；
在智能终端中存储的大师演奏录音中找到相匹配的大师演奏片段；
计算当前时间点时，用户演奏速度和大师演奏速度的相对速度；
力度判定模块，其用于将用户演奏的音符组中的每个音符的音符力度与大师演奏的音符组中对应音符的音符力度进行对比判定，评估用户的演奏力度，得到用户的演奏力度信息；
综合评估模块，其用于将演奏音准、演奏节奏、演奏速度和演奏力度进行综合评估；
结果显示模块，其用于将综合评估的结果在智能终端的五线谱上进行标识，包括演奏音准信息、演奏节奏信息、演奏速度信息、演奏力度信息。
5.根据权利要求4所述的智能钢琴演奏测评系统，其特征在于，音准判定模块中，在判定评估演奏节奏时：
对于用户演奏的每个音符组，如果在对应大师演奏的音符组中可以找到对应的音符，则标记为音准正确，反之则标记为音准错误；
对于大师演奏的每个音符组，如果在用户演奏的对应音符组中无法找到与大师演奏的音符组相匹配的音符，则标记为丢音。
6.根据权利要求4所述的智能钢琴演奏测评系统，其特征在于，节奏判定模块中，相对时值为该音符时值和前后音符时值的相对比例。
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Also Published As
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