CN1652203A - 乐器演奏提示器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种乐器演奏提示器，它由光点移动器和电子控制器组成。电子控制器控制光点移动器根据所需演奏音符在乐器上相应的地方产生提示光点，该提示光点的持续时间与音符时值一致，其亮度或形状大小或颜色与音符强弱相一致，提示演奏者在提示光点所指示的地方以一定的力度对乐器进行操作。乐曲的音符、音符时值和音符强弱等数据，从MIDI格式文件中提取或从输入键盘输入。电子控制器根据乐谱数据使光点移动器产生的提示光点顺序连续移动，使得没有经过任何乐器演奏训练的人和不熟悉乐谱的人也能正确地演奏完整的复杂曲目，使普通人能够通过自己演奏亲身感受音乐、享受音乐。

Description

乐器演奏提示器

                      技术领域

本发明涉及一种乐器演奏提示器，属于应用电子学领域，特别适用于做各种室内、室外、大型和小型儿童音乐玩具，初学者学习各种乐器和专业演员演奏各种复杂曲目的提示器，乐队演奏的指挥器和协调器。

                      背景技术

音乐是人类文明的象征，对陶冶性情、丰富人们生活有非常大的帮助。但是音乐也是一门复杂艺术，除了乐理学习，要熟练掌握各种乐器演奏技巧也需要长时间的练习，这是一个非常艰苦、枯燥的过程，这使得许多人对乐器学习望而生畏。对于不识谱的人要摆弄好一种乐器，更是难上加难，音乐普及由此受到很大限制。即使对于专业演奏人员，在演奏复杂曲目的时候，也需要费力地背谱，演奏时还需要现场看谱。如果有一种装置能够简化乐器的学习，辅助人们进行乐器演奏，将对于音乐的普及、发展带来很大作用。

随着集成电路技术的发展，电子学在音乐领域的应用越来越广。电子吉他、电子琴等安装有电子装置的乐器已非常普遍，特别是80年代建立的MIDI(Musical Instrument Digital Interface)标准，更是给音乐的创作、记录、演奏带来了很大变化，现在电子音乐已经发展到较高的水平。MIDI是音乐信号在电子乐器之间传输的标准，包括硬件接口标准以及电子音乐信号在不同硬件之间的异步串行传输协议。MIDI格式的音乐文件与其他格式的声音文件不同，它记录的不是音频信号，而是音乐的全部乐谱和演奏的全过程。通过音源和时序发生器，MIDI格式的音乐文件可以用电子合成的方式重新播放出来。现在有一些乐器，如自动钢琴，还可以自动进行演奏，即通过复杂的机械、电子装置来控制键盘，代替手指，尽管这种自动演奏钢琴非常贵，与电子琴相比，它的音质更好、更真实。但这些带电子辅助装置的乐器都没有从根本上改变乐器的演奏模式，即如果需要人工演奏，演奏者仍需要熟记乐谱，并用大脑根据每个音符控制手指熟练地操纵乐器。如果不熟悉乐谱就无法进行演奏。同时事先没有进行长期训练，手指就不灵活，不知道该按哪个键，按多长时间，演奏起来也就不成调。专利申请号为89103381.5的中国发明专利提出了一种简易乐器导引装置，它通过一个发光单元引导演奏者进行演奏，但其功能非常有限。该发明的电子控制线路主要由存储器和一些开关组成，没有采用任何微处理器，也不具备计算机接口。其工作原理是先从存储器读出一个与琴键编码相对应的数据，点亮安装在相应琴键中的发光装置，引导演奏者按下该键，该键内还装有一个开关，当该键被按下时会产生一个信号，使存储器地址指针加1，从而读取下一个数据。这样只有演奏者正确按下琴键后，下一个琴键内的发光单元才会点亮，从而引导演奏者把一首乐曲中的音符一个一个地、正确地演奏出来，不需要演奏者背谱。但演奏时的速度、节奏完全由演奏者掌握，所需演奏音符的强弱和音符时值也完全取决于演奏者，这样演奏质量得不到保证。同时它没有采用MIDI标准，所需演奏的乐曲必须演奏者自己输入，乐曲来源非常有限，另外它还需对乐器进行改造。专利号为US2001029829的美国发明专利提出了另外一种乐器演奏辅助装置，它通过在计算机屏幕上播放动画指示演奏者进行演奏，同时用摄象机把演奏者的手和键盘实时地拍摄并显示在同一计算机屏幕上，用于演奏者调整手的位置。但这还是不太直接，计算机屏幕的尺寸与乐器键盘的尺寸往往相差很大，就象通过镜子里的像来指挥手一样，演奏者需要通过大脑进行转换，摸索着才能确定手指和键盘的相对位置。同时还有一些专利只是简单地照亮乐器，或具有一些静态引导功能，如美国专利US6,225,544，而不能引导演奏者正确地演奏完整的乐曲。另外现有乐器演奏辅助技术很少考虑多人同步协调演奏的问题。

                      发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、操作方便的乐器演奏提示器，在该装置的指引下普通人可以用眼睛直接控制手指正确地操纵乐器，解决了没有经过任何乐器演奏训练的人和不熟悉乐谱的人和乐队轻松、正确地演奏完整乐曲的难题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种乐器演奏提示器，它包括光点移动器2和电子控制器1；光点移动器2与电子控制器1通过电缆4相连；光点移动器2放置在乐器上或乐器周围或与乐器集成为一体，使得光点移动器2所产生的提示光点的位置与乐器上音符演奏操作位置或乐器控制按钮、踏板位置直接相对应；电子控制器1通过内带微处理器或外接计算机，根据乐谱中音符演奏或按钮、踏板操作先后顺序，控制光点移动器2产生提示光点，所产生提示光点的持续时间根据音符时值变化，所产生提示光点的亮度或形状大小或颜色根据音符强弱或乐器操作动作方式变化，提示演奏者进行正确演奏；乐曲演奏所需的音符、音符时值、音符演奏顺序和乐器控制按钮、踏板操作顺序数据从MIDI格式文件中提取或从输入键盘输入。

所述的乐器演奏提示器，光点移动器2由灯泡或发光二极管或激光二极管3组成，灯泡或发光二极管或激光二极管3的一脚连接到电子控制器的公共端，另一脚分别接电子控制器，由电子控制器驱动；灯泡或发光二极管或激光二极管3的数目与所需演奏的音符数目和所需进行的乐器按钮、踏板辅助操作数目之和相对应，每一个灯泡或一个发光二极管或一个激光二极管3对应一个音符或一个乐器按钮、踏板辅助操作，在电子控制器的控制下在需要提示演奏者演奏该音符或执行该辅助操作的时候点亮；灯泡或发光二极管或激光二极管3放置在乐器上或与乐器集成为一体或通过光学成像系统投影到乐器上或戴在手指上或固定在乐器架上或放置在演奏者能够看到的地方。

所述的乐器演奏提示器，光点移动器2由光源、光学透镜和光束偏转器组成，光源、光学透镜和光束偏转器构成一个成像光路，它们之间的空间相对位置使得光学透镜正好把光源发出的光转换成合适大小的提示光点投影在乐器上；光束偏转器用于移动提示光点；光源和光束偏转器的数目与所需产生的提示光点的行数相对应，一行提示光点对应一排琴键、或一根琴弦或一排乐器控制按钮；采用一个光束偏转器和两个光源或100个以内光源时，光源之间彼此分开放置使得所产生的提示光点互不重叠，每个光源由电子控制器1分别控制；采用两个光束偏转器时，它们串接安装在光路中，并分别控制提示光点在不同方向扫描，使提示光点做二维移动。

所述的乐器演奏提示器，光束偏转器由振镜或步进马达或带有编码器的马达8、单面或双面或多边形反射棱镜7或透射平行厚棱镜组成，或由声光调制器组成，单面或双面或多边形反射棱镜7或透射平行厚棱镜固定在振镜或步进马达或带有编码器的马达8的旋转轴上。

所述的乐器演奏提示器，电子控制器1由微处理芯片28、存储器30、译码锁存电路单元33、功率驱动电路单元32、时钟电路单元35、键盘与显示接口电路单元25、计算机接口电路26、MIDI接口电路27、外部存储器接口电路29、光点移动器接口34和电源电路单元31组成；计算机接口电路26、MIDI接口电路27和外部存储器接口电路29与微处理芯片28相连，用于与计算机、外部MIDI设备和外部存储器交换数据；键盘控制、键盘输入与显示处理电路单元25与微处理芯片28相连，用于手工输入数据、显示数据和控制电子控制器1的运行；存储器30与微处理芯片28相连，用于存储数据；译码锁存电路单元33与微处理芯片28相连，用于把微处理芯片28输出的数据转换成驱动光点移动器2的数据并锁存起来；功率驱动电路单元32与译码锁存电路单元33相连，用于把译码锁存电路单元33输出的数据功率放大后驱动光点移动器2；光点移动器接口34与功率驱动电路32相连，用于驱动控制光点移动器2；时钟电路单元35与微处理芯片28相连，用于产生时钟脉冲，确定电路的工作频率，并进而用于确定音乐演奏节拍、速度；电源电路单元31用于给整个电路提供直流电源。

所述的乐器演奏提示器，电子控制器1由计算机接口电路26、译码锁存电路单元33、功率驱动电路单元32、光点移动器接口34和电源电路单元31组成；译码锁存电路单元33与计算机接口电路26相连，用于把由计算机接口26输出的数据转换成驱动光点移动器2的数据并锁存起来；功率驱动电路单元32与译码锁存电路单元33相连，用于把译码锁存电路单元33输出的数据功率放大后驱动光点移动器2；光点移动器接口34与功率驱动电路32相连，用于驱动控制光点移动器2；电源电路单元31用于给整个电路提供直流电源。

所述的乐器演奏提示器，电子控制器1的面板上具有电源插座、计算机和/或MIDI接口中的In、Out、Throu插座和/或外部存储器接口插座、用于连接光点移动器2的接口插座、用于显示输入数据和演奏曲目信息的显示屏、用于输入数据的输入键、用于控制播放的播放启动键、播放暂停键、播放停止键、快速前进键、快速后退键、重复播放起止位置定义键、亮度调节旋钮、播放速度调节旋钮和用于对按键的功能进行切换的功能切换键。

所述的乐器演奏提示器，包括不少于2个电子控制器21、23和/或光点移动器20、24；电子控制器21、23或光点移动器20、24串接在一起组成一个有线或无线局域网，电子控制器21、23和光点移动器20、24彼此之间通过电缆22或光纤或无线通信或微波通信或红外通信技术实现电连接或通信连接；在该网络上每个电子控制器21、23或光点移动器20、24有一个网络地址或使用一个通道，独立地发送或接收信号，独立运行或同步运行。

所述的乐器演奏提示器，电子控制器1所使用的内部数据由序列基本单元组成；基本单元的数目与演奏一首乐曲时需执行的动作数目一致，一个基本单元对应一个动作；每个基本单元根据演奏一首乐曲时它所对应的动作的先后而顺序排列存储；每个基本单元由一个音符数据区段和一个音符强弱与乐器编号数据区段组成，其中音符数据区段用于表示音符和音符时值数据，音符强弱与乐器编号数据区段用于指明乐器编号和音符数据区段的音符在该乐器上的演奏强弱。

一种琴键或手指运动感应装置，它包括一个发光二极管37和一个光电探测器38；发光二极管37和光电探测器38安装在乐器上，且位置固定，不随琴键或弦的运动而运动，同时使得发光二极管37发出的光经过琴键36或手指反射或遮挡调制后到达光电探测器38，光电探测器38把经琴键36或手指运动调制后的光信号转换成电信号，并由电子控制器1根据该信号的上升、下降速度和持续时间提炼出演奏者所演奏的音符数据。

本发明的基本原理是：通过在乐器上需要演奏、操纵的地方直接产生一个提示光点来提示演奏者对乐器进行操纵，而提示光点的移动、停留时间、亮度或形状大小或颜色变化完全依据乐谱在一个电子控制器的控制下自动进行，并充分地反映出乐曲演奏信息。这样演奏者可以不必背诵或知晓乐谱，只要用眼睛根据光点的变化及时控制手和/或脚对乐器进行操纵即可正确地演奏出复杂的完整曲目。这样至少从两个方面降低了乐器演奏难度。第一，由于普通人都具有敏捷的反应能力和用眼睛控制手指运动的能力，这样对演奏者而言，他不需要对乐器非常熟悉，甚至从来都没有接触过乐器也没关系，只要根据提示光点不断在指定的时刻、指定的位置、以指定的力度进行操作，就能正确地演奏一首乐曲。第二，由于复杂、冗长的乐谱全部存储在电子控制器中，这样演奏者不必一定要预先读谱、背谱，这样一个人能够演奏的曲目也可以大大增加，因为电子控制器中存储、播放什么乐谱，演奏者就可实时演奏该乐曲。

下面进一步以键盘乐器中的钢琴为例对本发明的原理进行具体说明。本发明通过在与每个琴键相对应的地方，例如琴键表面，产生一个提示光点，或者直接用集成在琴键内部的发光二极管照亮该键，来提示演奏者按下该键以发出相应音符，同时通过提示光点的亮度或形状大小或颜色来指示该键的演奏力度，通过提示光点的持续时间来指示该音符的演奏长度。进一步电子控制器根据乐谱不断移动提示光点，使对应不同琴键的提示光点顺序点亮，演奏者根据提示光点的提示对不同琴键进行操纵就可以演奏出一首完整乐曲。本发明中最关键的两个部件是光点移动器和电子控制器，它们可以用多种技术方案实现，下面分别进行介绍。

首先光点移动器可以由一组小灯泡或发光二极管(Light EmittingDiode，LED)或激光二极管(Laser Diode，LD)组成，这些发光器体积小，功耗小，发热小，可以组装在一块长条形电路板上，或用与它们相连的导线编织成辫子状或缠绕成绳索状，进一步还可放置在透明朔料套管内以增加绝缘性和机械强度，其中小灯泡或发光二极管或激光二极管之间的间隔与琴键之间的间隔一致。光点移动器可以放在琴键附近，如琴键上方，或把单个小灯泡或发光二极管或激光二极管直接粘贴在琴键表面，或者直接与琴键集成在一起，再或者用光学成像系统，如一个柱面透镜，或一组小透镜，把发光器发出的光投影到琴键上形成提示光点。对于弦乐类乐器，光点移动器产生的提示光点可以放置或投影在琴弦下面相应的位置。对笛子类吹奏乐器，光点移动器中的各个发光器可以分解后戴在手指上。对鼓、钹类打击乐器，光点移动器的各个发光器可以分解后固定在乐器架上。在电学上，所有这些小灯泡或发光二极管或激光二极管一脚全部连接到电子控制器的公共端，另一脚由电子控制器彼此独立地分别控制它们。当需要弹奏某个音符时，只有与相应琴键相对应的小灯泡或发光二极管或激光二极管点亮，提示演奏者按动该键。可用提示光点的亮度或个数或颜色指示演奏力度。在需要不同颜色的提示光点时，可以通过采用发光颜色不同的发光二极管或激光二极管，或用不同颜色的滤光片实现。同时可以用一些额外的提示光点指示其他辅助动作，如踩动踏板等，同样可以采用不同颜色的提示光点，以与按键操作产生明显区别。

其次光点移动器可以由单个小灯泡或发光二极管或激光二极管或其他发光器组成，通过光学成像系统把光源发出的光成像投影到琴键上，形成一个提示光点。提示光点的移动通过一个光束偏转器完成。光束偏转器可以是放置在光路中的一个单面或双面反射镜，或具有更多反射表面的多边形反射棱镜或透射平行厚棱镜，然后用一个马达或振镜带动反射镜或透射平行厚棱镜旋转，由于反射角或折射角的变化就可使光点移动。如果用普通马达带动反射镜或透射平行厚棱镜做360度连续旋转，为了定位，马达应该加装一个编码器，以准确知道某一时刻反射镜或透射平行厚棱镜的倾角。所采用的编码器可以是光学编码器，或磁性编码器，或用开有许多狭缝或小孔的、与马达一起旋转的圆盘以及分布在圆盘两侧的发光器和光电接收器组成的简易编码器，这些编码器随着马达的旋转不断发出电脉冲信号，通过所产生的电脉冲个数可以知道马达转过的角度。当反射镜或透射平行厚棱镜刚好处于某一角度，恰好把提示光点投影到某一琴键时，发光器点亮，其他时刻发光器不亮。如果用单面反射镜，马达每转一圈，光点点亮一次；如果用双面反射镜，马达每转一圈，光点点亮两次；如果用n边形反射棱镜或平行多边形厚透镜，马达每转一圈，光点点亮n次。只要光点点亮的频率超过25赫兹，人眼就感到提示光点是一个静止连续亮点。如果用可以快速定位的马达，如步进马达，或振镜，则不需要编码器，只需要把反射镜的倾角准确调整到所需角度即可。另外还可采用声光调制器，通过声波产生的光栅对光的衍射使提示光点移动。因为声光调制器由电信号控制，没有机械运动部件，因此噪音小。由于发光器的位置固定，一个发光器和一个光束偏转器可以产生一行位于一条直线上的一组提示光点。如果需要产生另外一行或多行提示光点，例如在电子琴演奏中，一行提示光点用于提示演奏者控制键盘，一行提示光点用于提示演奏者控制音色或节奏按钮，或者在弦乐中，一行与琴弦平行的提示光点对应一根琴弦，六根琴弦需要六行提示光点。此时可以引入第二个发光器或更多个发光器，这些发光器彼此之间互成一定夹角，并由电子控制器独立地进行控制，从而同时产生多行提示光点。再或者可以在光路中引入第二个光束偏转器，它可以使光束在另外一个方向偏转，从而既是只有一个光源，也可以使提示光点进行二维扫描移动。

电子控制器主要由微处理芯片，存储器，译码锁存电路单元，功率驱动电路单元，时钟电路单元，电源电路单元，计算机接口和/或MIDI接口和/或外部存储器电路单元，键盘与显示接口电路单元等组成。其中电源电路单元用于给整个电路板提供合适电压、足够功率的直流电源；时钟电路用于确定电路的工作频率，并进而用于确定音乐演奏节拍、速度；由于微处理芯片输出的数据只有有限位数，如8位或16位或32位等，并且只停留很短一段时间，而需要独立控制的光点移动器中的发光管的个数可能有57，88或超过100，因此需要一个译码锁存电路单元把微处理芯片输出的数据译码转换成驱动光点移动器的数据后锁存起来。功率驱动电路用于提供足够的功率使光源发光产生提示光点，还可同时控制提示光点的亮度。由于电子控制器在工作频率、功率等方面都无特殊要求，上述译码锁存电路单元、功率驱动电路单元、时钟电路单元和电源电路单元等可以采用现有成熟技术实现，计算机接口可以是标准串口、并口、USB接口等。所需演奏乐谱数据和控制软件存储在存储器中，如EEPROM中，即使关闭掉电源所存储数据也不会消失。这些数据可以在出厂时预先存储在存储器内，还可进一步从计算机接口或MIDI接口或外部存储器获取。微处理芯片是整个电路的指挥、协调核心，它可以采用各种通用单片机芯片，如89C51单片机芯片，或适用于嵌入式系统的微处理芯片，或专门定制的处理芯片。微处理器根据软件从存储器中不断取出乐谱数据，进行适当转换、处理后产生控制信号，并由译码锁存电路单元译码后锁存起来，再经过功率驱动电路单元给连接光点移动器的端口供电，使得相对应的提示光点点亮，并持续一定节拍，同时还可通过电流大小调整光点亮度，或通过同时点亮的光点个数或颜色来指示音符演奏强弱。为了增加存储容量，同时也为了传递数据方便，电子控制器可以添加外部存储器接口，用以与各种通用外部存储器进行数据交换，如直接与U盘、Mp3播放器、游戏卡等交换数据。键盘与显示接口电路单元用于直接从电子控制器的键盘输入乐谱数据、控制演奏过程，如启动、暂停、停止、快进、快退、重复播放起止位置定义等，同时通过显示屏显示所输入的数据或正在演奏的乐曲的信息。

如果直接用计算机控制，电子控制器的结构可以大幅度简化，例如可以简单到只包括计算机接口电路单元、译码锁存电路单元和功率驱动电路单元，而微处理芯片、存储器等都可以省略，因为各项功能都可以直接由计算机完成，例如，乐谱数据可从计算机键盘输入，演奏的启动、暂停、停止、快速倒转、前进等，都可由运行在计算机上的软件控制，乐谱数据也直接存储在计算机硬盘上。

一个电子控制器可以同时控制多个光点移动器。进一步这些电子控制器、光点移动器可以串接在一起组成一个局域网，在该网络上每个电子控制器和光点移动器有一个网络地址或使用一个通道。这样根据网络协议，在某一时刻，只有具有特定网络地址或通道序号的电子控制器才有权发送或接收乐谱数据或控制信号，互不干扰。同时也可以彼此独立或同步运行，以使整个乐队统一、协调地进行演奏。电子控制器与光点移动器之间，以及多个电子控制器彼此之间，包括电子控制器与计算机之间可以直接用电缆相连，这样抗外部干扰性强，但连线复杂，特别是多个乐器同步演奏时，在舞台现场在短时间内及时连线、折线操作很繁杂，容易出错。为了减少接线，可以通过无线通信或微波通信或红外通信技术实现电连接或通信连接。在上述连接中，需要配套地在电子控制器和光点移动器内部增加一些发送、接收、解码电路单元等，功率放大电路也应由电子控制器移到光点移动器内。在家庭无线网络技术中，目前有IEEE802.11、HomeRF和Bluetooth等技术标准，特别是Bluetooth，它是一种开放性、短距离的无线通信技术标准，它面向的是移动设备的小范围连接，因而也非常适用于本发明中的电子控制器、光点移动器与计算机彼此之间在家庭范围和舞台范围内的通信联系。

电子控制器的机箱面板上除了提供电源插座，计算机接口和/或MIDI接口中的In、Out、Thro插座和/或外接存储器接口插座、光点移动器接口插座等外，为了操作、使用方便，前面板上还应该提供播放启动键，播放暂停键，播放停止键，播放快速前进键，播放快速后退键，重复播放起止位置定义键，光点亮度调节旋钮和播放速度调节旋钮等。根据功能、大小、美观、方便，上述插座或按键可分组布置在电子控制器面板上的不同地方，为了尽可能简化装置，通过增设一个功能切换键，上述功能键可几个一组共用同一个键。

电子控制器所使用的数据格式应该与MIDI文件格式兼容，因为MIDI是一个国际通用标准，从因特网上可以找到成千上万的MIDI格式的音乐文件。在二进制MIDI格式的音乐文件中，乐曲演奏信息通过带时间标记的事件来表示，常见事件如NOTE ON(按下琴键)、NOTEOFF(释放琴键)等，这些事件按时间先后顺序地存储在文件中。在二进制数据中，一个字节(byte)有8位，MIDI标准规定一个事件由一个Statues byte(事件状态字节，相当于事件名称)和两个Data byte(事件数据字节)组成，事件状态字节的最高位必须置1，数据字节的最高位置0。在事件状态字节前面必须是时间数据字节，一般其最高位也置0。下面是MIDI文件中常见的一个数据片段：

12，96，60，48，16，86，60，48

这是一组共8个字节的16进制数据，其中96、86两个字节的最高位为1，所以它们是事件状态字节，以9开头表示是按键事件，以8开头表示是释放键事件，后面一位是通道号。所以上面8个字节表示了两个事件，即第6通道的3C键在与前一事件相隔12(16进制)个时间单位时，以速度48(16进制)按下，再相隔16(16进制)个时间单位后，第6通道的3C键以速度48(16进制)释放。在MIDI标准中定义了16个通道，不同乐器演奏同一首乐曲的演奏信息可以记录在不同通道中。96和86前面的那个字节分别为与上一事件的时间间隔；跟在96和86后面的第一个字节为音符编号，60对应3C键；跟在96和86后面的第二个字节分别为琴键按下和释放速度的相对值，最大为127。在编制电子控制器的控制软件时，可以从上述数据中提取键盘编号3C，对应的操作动作，如按下或释放琴键，动作力度(即速度)和动作执行时间等演奏信息，然后控制与3C键对应的提示光点在规定的时刻、以一定亮度点亮，提示演奏者以一定力度按下3C键，持续规定时间，然后释放3C键(释放速度一般可以忽略)。以上只是一个简单说明，MIDI标准的详细内容可参考有关MIDI标准文件。总之，可以从MIDI格式文件提取演奏一首乐曲所需的全部信息。当然，也可根据一定条件过滤掉一些事件，如只演奏某个通道的音符。由于MIDI格式文件中还包含许多辅助信息，乐曲名称，版权，歌词等。为了充分利用电子控制器上有限的存储空间，电子控制器所使用的内部数据格式可以在MIDI文件格式基础上适当变化，或简化。另外当通过电子控制器上的按键输入乐曲数据时，可以根据乐谱顺序直接输入音符、音符时值等信息。如果几个音符需要同时演奏产生和声，可以用一个组合启动和结束键来把这几个音符组合在一起，表示同时演奏。不管是从MIDI格式文件提取数据，还是从键盘直接输入乐谱数据，在电子控制器所使用的内部数据格式中，乐谱数据由许多基本单元组成，一个基本单元对应一个动作。该基本单元进一步应该包括两个小区段，即一个音符数据区段和一个乐器编号及音符强弱数据区段，这样就提供了演奏时所需要的所有信息，指明是哪个乐器，应该以什么强度、多长时间演奏什么音符或琴键。在MIDI中用一个8位二进制数给各个琴键编号，但因为最高位设置为0，实际可以产生128个编号，如3C键的编号为60。具体到某个乐器，如果它只有57个琴键，可以简化地用一个二进制6位数据表示。通常音符最短演奏时间为16分之1节拍，最长也大约只有2节拍，相差不过32倍，因此在简化条件下可用一个二进制5位数据表示。以上表示琴键编号、音符时值的数据合在一起，构成音符数据区段。人眼能够分辨和手指能够控制的演奏力度一般可用16个等级表示，因此可以用一个二进制4位数据来表示音符演奏强弱，也可以用一个二进制8位数据来表示，为今后自动演奏留下空间。如果是乐队演奏，还需对所有乐器编号，用一个二进制8位数据来进行编号，可以表示256个乐器，基本满足要求。如果还不够，可以用两个或更多个电子控制器同步控制。因为对同一音符，乐队中有的乐器演奏，有的不演奏，演奏强度可能也各不相同，因此表示音符演奏强弱的数据和其对应的乐器编码数据应该组合在一起，构成一个乐器编号及音符强弱数据区段。采用格式固定的内部数据格式，省略一些不必要的信息，一方面节省存储空间，一方面简化控制处理过程。

为了检测演奏者是否在乐器演奏提示器的提示下正确演奏了一首乐曲，在乐器上还可加装琴键或手指运动感应装置，以测定演奏者实际演奏的音符或完成的动作。琴键或手指运动感应装置可以由一个发光二极管和一个光电探测器组成。发光二极管发出一束光，当琴键或手指运动时，通过反射或遮挡对该光束投射到光电探测器的光强进行调制，调制后的光电探测器转换成电信号，电子控制器根据该信号的上升、下降速度和持续时间可以提炼出演奏者所演奏的音符强弱、速度、音符时值等数据，同时由于对应每个琴键都有一个运动感应装置，因此所演奏的是哪个键也可以很容易确定。通过实际测定的数据与正确乐谱数据比较，可以确定演奏者演奏的正确性，用于在乐器演奏竞赛中给选手打分，或演奏者在平常练习时及其发现错误，改进自己的演奏。

本发明与现有技术相比具有以下优点和效果：

本发明所涉及的乐器演奏提示器，结构简单，能够提供演奏乐曲的完整信息，且不需要对现有乐器进行改装，通过直接在需要演奏的地方产生一个提示光点提示演奏者按照音符时值、音符强弱正确演奏一个音符，而不是象其他电子乐器通过电子合成或操纵机械手代替演奏者进行演奏，或者在远离琴键的计算机显示屏上产生提示信息，这样使得没有经过任何乐器演奏训练的人和不熟悉乐谱的人也能正确演奏完整的复杂曲目，同时还可使一个乐队同步协调地演奏，使普通人更够通过自己演奏亲身感受音乐、享受音乐。

                      附图说明

图1为本发明在采用12个发光二极管做光点移动器，并把光点移动器直接放置在琴键旁时，乐器演奏提示器的实施例示意图。

图2为本发明在采用36发光二极管做光点移动器，并把发光二极管与琴键集成为一体时，乐器演奏提示器的实施例示意图。

图3为本发明在采用9个发光二极管做光点移动器，并把每个发光二极管发出的光通过光学镜头投影到琴键上时，乐器演奏提示器的

实施例示意图。

图4为本发明在采用单个激光二极管和旋转六边形反射棱镜时，乐器演奏提示器中的光点移动器实施例示意图。

图5为本发明在采用单个激光二极管和单个马达组成光点移动器，并把提示光点通过反射镜投影反射到琴键上时，乐器演奏提示器的实施例示意图。

图6为本发明在采用单个激光二极管和旋转六边形反射棱镜组成光点移动器，并把提示光点投影到吉他琴弦下面时，乐器演奏提示器的实施例示意图。

图7为本发明在采用一个电子控制器控制三个光点移动器时，乐器演奏提示器的实施例示意图。

图8为本发明在采用两个串接在一起的电子控制器时，乐器演奏提示器的实施例示意图。

图9为本发明在带计算机、MIDI接口和外部存储器接口，同时带各种输入键、控制键和显示屏时接口时，乐器演奏提示器的电子控制器内部结构方框示意图。

图10为本发明在采用计算机直接进行控制时，乐器演奏提示器的电子控制器内部结构方框示意图。

图11为本发明在琴键运动感应装置采用一个发光二极管和一个光电二极管，通过反射光调制探测琴键运动时，琴键运动感应装置结构示意图。

图12为本发明在琴键运动感应装置采用一个发光二极管和一个光电二极管，通过透射光调制探测琴键运动时，琴键运动感应装置结构示意图。

                    具体实施方式

在图1中，乐器演奏提示器由电子控制器1和光点移动器2组成，光点移动器2与电子控制器1通过电缆4相连。进一步光点移动器2由安装在条形长方块上的12个发光二极管3组成，光点移动器2直接放置在电子琴6的琴键根部处，光点移动器的12个发光二极管3分别与电子琴的12个琴键5对准，例如图1中，从左数起的第五个发光二极管3正好与第五个琴键5对准。为了方便，图1中电子琴只画出了12琴键，当电子琴的琴键增加时，只要光点移动器的发光二极管的个数也相应增加即可。当某一时刻需要以一定力度和一定音符时值演奏第五个琴键5时，电子控制器1控制第五个发光二极管3点亮，点亮时间与音符时值一致，同时通过发光二极管3的亮度表示演奏力度，演奏者根据光点提示，及时以一定力度按下第五个琴键5，并持续相应长度，就可演奏出正确的音符。电子控制器根据乐谱不断顺序点亮各个发光二极管，提示演奏者弹奏相应琴键，即可演奏完整的乐曲。这样演奏乐器象玩电子游戏机一样简单、易于上手，演奏者不需预先记谱、背谱，既使不识谱，也从未摆弄过乐器，也可在乐器演奏提示器的提示下进行演奏，这样大大简化了乐器学习、操作难度。

在图2中乐器演奏提示器与电子琴6集成为一体，因此电子控制器看不见，未画出。光点移动器由36个集成在琴键上的发光二极管组成，且每个琴键上集成了三个发光二极管。同样当需要演奏某个琴键时，例如当某一时刻需要演奏从左数起的第五个琴键5时，电子控制器控制第五个琴键5上的发光二极管3点亮，所点亮的发光二极管个数与乐符演奏强度相对应，并持续相应长度，演奏者根据提示光点的提示，及时以一定力度按下第五个琴键5，并持续相应长度，就可演奏出正确的音符。与图1中的方案相比，图2中的方案是结构紧凑，使用方便。

在图3中，乐器演奏提示器由电子控制器1和光点移动器2组成，光点移动器2与电子控制器1通过电缆相连(未画出)。进一步光点移动器2由9个激光二极管3组成1，如图所示，它们安装在位于电子琴正上方的条形横梁上。光点移动器2的9个激光二极管3，每个都带有一个小透镜(未画出)，可以把激光二极管3发出的光投影到电子琴6的琴键上，一个激光二极管3对应一个琴键。例如图3中，从左数起的第五个激光二极管3发出的光正好投影到第五个琴键5上。当某一时刻需要演奏第五个琴键5时，电子控制器1控制第五个激光二极管3以一定亮度点亮，提示演奏者按下该键。光点移动器2的9个激光二极管3之间的相互间隔和倾角位置可调，这样使得本图中的乐器演奏提示器具有广泛的适应性，即可适用于多种不同尺寸和种类的乐器。

在图4中，光点移动器2由激光二极管9、10，马达8和六边形反射棱镜7组成。六边形反射棱镜7安装在马达8的旋转轴上。激光二极管9、10固定在适当位置，使得它们发出的光经过透镜(未画出)会聚后，打到六边形反射棱镜7上，再反射投影到乐器上产生提示光点。马达8带动六边形反射棱镜7旋转，使反射光束发生偏转，相应地提示光点的位置移动。如果马达8可以准确定位，如它是一个步进马达，则需要演奏单个音符时，只需要把六边形反射棱镜7转到某个角度即可。如果马达8本身不能准确定位，可以加装一个编码器，通过与马达同轴旋转的编码器给出的电脉冲的个数确定马达在某一时刻的准确位置。马达8不停连续旋转，每当它旋转到一定角度时，电子控制器控制激光二极管9和/或10以一定亮度点亮，对六边形反射棱镜，马达8每转一圈，可以控制激光二极管9和/或10点亮6次。这样当马达旋转速度超过每秒4转时，激光二极管9和/或10的点亮频率超过24赫兹，它们所产生的提示光点在人眼看来基本是一个连续静止光点。激光二极管9和10彼此成一定夹角，它们所产生的提示光点的移动轨迹互相平行，互不重叠，它们在什么时候、以多少强度点亮，由电子控制器分别独立地进行控制。

在图5中，乐器演奏提示器由电子控制器1和集成在电子控制器1内的光点移动器(未画出)组成。光点移动器由一个激光二极管和一个光束偏转器组成。光点移动器发出的光经过光束偏转器偏转后从电子控制器1的机箱上的窗口出射，打到反射镜13上，再反射投影到电子琴6的琴键5上形成提示光点。提示光点的移动范围可以通过支撑反射镜13的横梁的高度来调节。与图1至图3中的方案相比，本方案的优点是外部接线少。

在图6中，光点移动器2由激光二极管15、六边形反射棱镜14和马达(未画出)组成。六边形反射棱镜14安装在马达的旋转轴上。激光二极管15安装固定在适当位置，使得它发出的光线经过六边形反射棱镜14的反射后正好投影在吉他16的琴弦下方产生提示光点，提示演奏者在该处按住琴弦产生相应音符。为了方便，图中只画出了一个激光二极管15，它产生的提示光点的移动轨迹平行于中间那根琴弦。在实际中可以采用3个激光二极管，以产生三行提示光点，分别与三根琴弦对应。同时为了不妨碍手指的运动，光点移动器2可固定在吉他16的另外一侧或其他合适的地方，如下方。

在图7中乐器演奏提示器由电子控制器1和光点移动器17、18和19组成。光点移动器17、18和19通过电缆连接到同一电子控制器1。由于光点移动器17、18和19分别可以控制一台乐器的演奏，这样在三个乐器组成一个小型乐队，合奏一个乐曲时，本方案非常有效，可以提高设备使用效率，降低成本。

在图8中有两台乐器演奏提示器，它们分别由电子控制器21和光点移动器20以及电子控制器23和光点移动器24组成。电子控制器21和电子控制器23通过电缆22串接在一起，实现同步运行，也可彼此独立运行，这一方案在多个乐器合奏时经常会用到。

在图9中，电子控制器1由微处理芯片28、存储器30、译码锁存电路单元33、功率驱动电路单元32、时钟电路单元35、键盘与显示接口电路单元25、计算机接口电路26、MIDI接口电路27、外部存储器接口电路29、光点移动器接口34和电源电路单元31组成。计算机接口电路26、MIDI接口电路27和外部存储器接口电路29连接到微处理芯片28，用于与计算机、外部MIDI设备和外部存储器交换数据。键盘控制与显示电路单元25连接到微处理芯片28，用于手工输入数据、显示数据和控制电子控制器1的运行。具有掉电保持功能的存储器29连接到微处理芯片28，用于存储数据。译码锁存电路单元33连接到微处理芯片28，用于把微处理芯片28输出的数据转换成驱动光点移动器的数据并锁存起来。功率驱动电路单元32连接到译码锁存电路单元33，用于把译码锁存电路单元33输出的数据功率放大后驱动光点移动器。光点移动器接口34连接到功率驱动电路32，用于驱动控制光点移动器。时钟电路单元35连接到微处理芯片28，用于产生时钟脉冲，确定电路的工作频率，并进而用于确定音乐演奏节拍、速度。电源电路单元31负责给整个电路板提供合适电压、足够功率的直流电源，同时参与电源管理，如使电子控制器不工作时自动进入省电模式，或短路时进入保护模式等。当演奏乐曲时，微处理芯片28从存储器30顺序取出数据，经译码锁存电路单元33译码转换成驱动光点移动器的数据后锁存起来，再经过功率驱动电路单元32放大后送给光点移动器接口34。当用提示光点的亮度表示音符演奏强弱时，功率驱动电路单元32的放大倍率与音符演奏强度成比例。

在图10中，电子控制器1由计算机接口电路26、译码锁存电路单元33、功率驱动电路单元32、光点移动器接口34和电源电路单元31组成。译码锁存电路单元33连接到计算机接口电路26，用于把由计算机接口26输出的数据转换成驱动光点移动器的数据并锁存起来；功率驱动电路单元32连接到译码锁存电路单元33，用于把译码锁存电路单元33输出的数据功率放大后驱动光点移动器；光点移动器接口34连接到功率驱动电路32，用于驱动控制光点移动器；电源电路单元31用于给整个电路提供直流电源。在本方案中，由于采用计算机直接进行控制，电子控制器的结构得到大幅度简化，乐曲演奏的启动、暂停、停止、快速倒转、前进等，都由运行在计算机上的软件控制，乐谱数据也直接存储在计算机硬盘上。

在图11中，琴键运动感应装置由发光二极管37和光电二极管38组成。发光二极管37和光电二极管38安装在琴键36下方，且位置固定不随琴键36的运动而改变。发光二极管37发出的光经过琴键36下表面的反射再由光电二极管38接收转换成电信号。当琴键36运动时，反射光束的方向发生变化，使投射到光电二极管38的光功率发生变化，它产生的电信号也随之发生变化。琴键36运动越快，光电二极管38所产生的电信号的变化也越快。因此从光电二极管38所产生的电信号的上升、下降速度和持续时间可以确定该键按下和弹起的速度，以及演奏持续时间等实际演奏信息，把该信息与乐谱进行比较可以知道演奏者演奏的正确性。

在图12中，琴键运动感应装置由发光二极管37、光电二极管38和挡片39组成。发光二极管37和光电二极管38相对放置，安装在琴键36下方，且位置固定不随琴键36的运动而改变。当琴键36运动时，带动挡片39上下运动，对由发光二极管37发出并投射到光电二极管38的光功率进行遮挡调制，同样光电二极管38产生的电信号也随琴键36的运动发生变化。为了优化调制效果，挡片39上可以刻一宽窄线形变化的透光狭缝，这样当挡片39上下运动时，可以对投射到光电二极管38的光功率进行线性调制。或者可以在挡片39上的固定宽度的狭缝上装一片自上而下透光率变化的透明片。

Claims (10)

1.一种乐器演奏提示器，其特征在于包括光点移动器(2)和电子控制器(1)；光点移动器(2)与电子控制器(1)通过电缆(4)相连；光点移动器(2)放置在乐器上或乐器周围或与乐器集成为一体，使得光点移动器(2)所产生的提示光点的位置与乐器上音符演奏操作位置或乐器控制按钮、踏板位置直接相对应；电子控制器(1)通过内带微处理器或外接计算机，根据乐谱中音符演奏或按钮、踏板操作先后顺序，控制光点移动器(2)产生提示光点，所产生提示光点的持续时间根据音符时值变化，所产生提示光点的亮度或形状大小或颜色根据音符强弱或乐器操作动作方式变化，提示演奏者进行正确演奏；乐曲演奏所需的音符、音符时值、音符演奏顺序和乐器控制按钮、踏板操作顺序数据从MIDI格式文件中提取或从输入键盘输入。

2.根据权利要求1所述的乐器演奏提示器，其特征在于光点移动器(2)由灯泡或发光二极管或激光二极管(3)组成，灯泡或发光二极管或激光二极管(3)的一脚连接到电子控制器的公共端，另一脚分别接电子控制器，由电子控制器驱动；灯泡或发光二极管或激光二极管(3)的数目与所需演奏的音符数目和所需进行的乐器按钮、踏板辅助操作数目之和相对应，每一个灯泡或一个发光二极管或一个激光二极管(3)对应一个音符或一个乐器按钮、踏板辅助操作，在电子控制器的控制下在需要提示演奏者演奏该音符或执行该辅助操作的时候点亮；灯泡或发光二极管或激光二极管(3)放置在乐器上或与乐器集成为一体或通过光学成像系统投影到乐器上或戴在手指上或固定在乐器架上或放置在演奏者能够看到的地方。

3.根据权利要求1所述的乐器演奏提示器，其特征在于光点移动器(2)由光源、光学透镜和光束偏转器组成，光源、光学透镜和光束偏转器构成一个成像光路，它们之间的空间相对位置使得光学透镜正好把光源发出的光转换成合适大小的提示光点投影在乐器上；光束偏转器用于移动提示光点；光源和光束偏转器的数目与所需产生的提示光点的行数相对应，一行提示光点对应一排琴键、或一根琴弦或一排乐器控制按钮；采用一个光束偏转器和两个光源或100个以内光源时，光源之间彼此分开放置使得所产生的提示光点互不重叠，每个光源由电子控制器(1)分别控制；采用两个光束偏转器时，它们串接安装在光路中，并分别控制提示光点在不同方向扫描，使提示光点做二维移动。

4.根据权利要求3所述的乐器演奏提示器，其特征在于光束偏转器由振镜或步进马达或带有编码器的马达(8)、单面或双面或多边形反射棱镜(7)或透射平行厚棱镜组成，或由声光调制器组成，单面或双面或多边形反射棱镜(7)或透射平行厚棱镜固定在振镜或步进马达或带有编码器的马达(8)的旋转轴上。

5.根据权利要求1所述的乐器演奏提示器，其特征在于电子控制器(1)由微处理芯片(28)、存储器(30)、译码锁存电路单元(33)、功率驱动电路单元(32)、时钟电路单元(35)、键盘与显示接口电路单元(25)、计算机接口电路(26)、MIDI接口电路(27)、外部存储器接口电路(29)、光点移动器接口(34)和电源电路单元(31)组成；计算机接口电路(26)、MIDI接口电路(27)和外部存储器接口电路(29)与微处理芯片(28)相连，用于与计算机、外部MIDI设备和外部存储器交换数据；键盘控制、键盘输入与显示处理电路单元(25)与微处理芯片(28)相连，用于手工输入数据、显示数据和控制电子控制器(1)的运行；存储器(30)与微处理芯片(28)相连，用于存储数据；译码锁存电路单元(33)与微处理芯片(28)相连，用于把微处理芯片(28)输出的数据转换成驱动光点移动器(2)的数据并锁存起来；功率驱动电路单元(32)与译码锁存电路单元(33)相连，用于把译码锁存电路单元(33)输出的数据功率放大后驱动光点移动器(2)；光点移动器接口(34)与功率驱动电路(32)相连，用于驱动控制光点移动器(2)；时钟电路单元(35)与微处理芯片(28)相连，用于产生时钟脉冲，确定电路的工作频率，并进而用于确定音乐演奏节拍、速度；电源电路单元(31)用于给整个电路提供直流电源。

6.根据权利要求1所述的乐器演奏提示器，其特征在于电子控制器(1)由计算机接口电路(26)、译码锁存电路单元(33)、功率驱动电路单元(32)、光点移动器接口(34)和电源电路单元(31)组成；译码锁存电路单元(33)与计算机接口电路(26)相连，用于把由计算机接口(26)输出的数据转换成驱动光点移动器(2)的数据并锁存起来；功率驱动电路单元(32)与译码锁存电路单元33相连，用于把译码锁存电路单元(33)输出的数据功率放大后驱动光点移动器(2)；光点移动器接口(34)与功率驱动电路(32)相连，用于驱动控制光点移动器(2)；电源电路单元(31)用于给整个电路提供直流电源。

7.根据权利要求1所述的乐器演奏提示器，其特征在于电子控制器(1)的面板上具有电源插座、计算机和/或MIDI接口中的In、Out、Throu插座和/或外部存储器接口插座、用于连接光点移动器(2)的接口插座、用于显示输入数据和演奏曲目信息的显示屏、用于输入数据的输入键、用于控制播放的播放启动键、播放暂停键、播放停止键、快速前进键、快速后退键、重复播放起止位置定义键、亮度调节旋钮、播放速度调节旋钮和用于对按键的功能进行切换的功能切换键。

8.根据权利要求1所述的乐器演奏提示器，其特征在于包括不少于2个电子控制器(21)、(23)和/或光点移动器(20)、(24)；电子控制器(21)、(23)或光点移动器(20)、(24)串接在一起组成一个有线或无线局域网，电子控制器(21)、(23)和光点移动器(20)、(24)彼此之间通过电缆(22)或光纤或无线通信或微波通信或红外通信技术实现电连接或通信连接；在该网络上每个电子控制器(21)、(23)或光点移动器(20)、(24)有一个网络地址或使用一个通道，独立地发送或接收信号，独立运行或同步运行。

9.根据权利要求1所述的乐器演奏提示器，其特征在于电子控制器1所使用的内部数据由序列基本单元组成；基本单元的数目与演奏一首乐曲时需执行的动作数目一致，一个基本单元对应一个动作；每个基本单元根据演奏一首乐曲时它所对应的动作的先后而顺序排列存储；每个基本单元由一个音符数据区段和一个音符强弱与乐器编号数据区段组成，其中音符数据区段用于表示音符和音符时值数据，音符强弱与乐器编号数据区段用于指明乐器编号和音符数据区段的音符在该乐器上的演奏强弱。

10.一种琴键或手指运动感应装置，其特征在于它包括一个发光二极管(37)和一个光电探测器(38)；发光二极管(37)和光电探测器(38)安装在乐器上，且位置固定，不随琴键或弦的运动而运动，同时使得发光二极管(37)发出的光经过琴键(36)或手指反射或遮挡调制后到达光电探测器(38)，光电探测器(38)把经琴键(36)或手指运动调制后的光信号转换成电信号，并由电子控制器(1)根据该信号的上升、下降速度和持续时间提炼出演奏者所演奏的音符数据。

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