CN206003490U - 电子乐器 - Google Patents

Abstract

电子乐器。从古至今，键盘乐器倍受作曲家们和音乐爱好者们的关注和喜爱。但此类乐器的体积都较为庞大，不便于搬运和携带，因此其成本较高，且不便于学习。本实用新型组成包括微处理器系统，所述的微处理器系统分别与图像采集系统、虚拟图像投影系统（2）、音频控制模块连接，所述的音频控制模块与扬声器连接，所述的虚拟图像投影系统包括一个或多个投影单元，所述的图像采集系统包括位于虚拟图像投影系统投射出的虚拟图像平面上方的一个CMOS摄像头或摄像头组，所述的图像采集系统还包括生成红外线平面的一字线红外激光器，所述的红外线平面与所述的虚拟图像平面平行，且比虚拟图像平面高出的距离不超过1cm。本实用新型应用于电子乐器。

Description

电子乐器

技术领域：

本实用新型涉及一种电子乐器。

背景技术：

键盘乐器是有排列如钢琴键盘的琴键之乐器总称，包括：钢琴、管风琴、手风琴等。这些乐器上每个琴键都有固定的音高，因此皆可以用以演奏任何符合其音域范围内的乐曲。相对于其他乐器家族，有着不可比拟的优势，是其宽广的音域和可以同时发出多个乐音的能力。正因如此，键盘乐器即使是作为独奏乐器，也具有丰富的和声效果和管弦乐的色彩。所以，从古至今，键盘乐器倍受作曲家们和音乐爱好者们的关注和喜爱。但此类乐器的体积都较为庞大，不便于搬运和携带，因此其成本较高，且不便于学习。

随着计算机技术和大规模集成电路技术的发展，产生了由数字电子来回放录制的特定音效或合成音色的电子合成器，从而推出了基于电子合成器技术的电子乐器，如：电钢琴、电子琴等。人们学习乐器的方式和手段变得更加丰富多彩。

此类乐器的外观基本上保留传统乐器的样式，但其发声原理为通过机械琴键触发电子合成器生成相应的一个或多个乐音数据混合发声。因此其成本下降较大，但由于保留了传统键盘乐器的机械琴键，该类乐器的体积并没有得到根本的改善，便携性较差，学习成本较高。

实用新型内容：

本实用新型的目的是提供一种电子乐器。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种电子乐器，其组成包括：微处理器系统，所述的微处理器系统分别与图像采集系统、虚拟图像投影系统、音频控制模块连接，所述的音频控制模块与扬声器连接，所述的虚拟图像投影系统包括一个或多个投影单元，所述的图像采集系统包括位于虚拟图像投影系统投射出的虚拟图像平面上方的一个CMOS摄像头或摄像头组。

所述的电子乐器，所述的图像采集系统还包括生成红外线平面的一字线红外激光器，所述的红外线平面与所述的虚拟图像平面平行，且比虚拟图像平面高出的距离不超过1cm。

所述的电子乐器，所述的虚拟图像投影系统采用DLP投影模块或PicoP投影模块。所述的虚拟图像投影系统采用DLP投影模块或PicoP投影模块，DLP投影模块或PicoP投影模块是TI公司和Microvision公司的光学部分及其相应的软件控制部分。

所述的电子乐器，所述的通讯模块是USB、MIDI接口、无线连接装置、WIFI、蓝牙中的一种或几种。

本实用新型的有益效果：

本实用新型在现有电子键盘类乐器的基础上将原有的实体键盘改为了虚拟键盘，大大缩小了乐器的体积，提高了便携性。还可实现乐谱及指法显示功能，可以作为学习键盘类乐器的辅助工具。尤其对于平板电脑乐器类应用软件，限制于平板电脑的尺寸，不能完整显示乐器完整的琴键，用户不能享受到真实琴键大小的操作体验，对于这一点，本实用新型实现了突破：在本实用新型投影出的虚拟音乐键盘可以百分百比例模拟真实琴键的大小，从而给用户以最真实的乐器模拟。

本实用新型采用不同的摄像头，分别采集虚拟键盘上的可视图像和红外图像，以提高键盘操作识别的准确性。

本实用新型采用有线或无线通讯方式，实现与其他智能设备的数据交换。包含有线连接方式：USB，MIDI接口及无线连接方式：WIFI，蓝牙中的一种或几种。

本实用新型的红外照射装置为一个一字线红外激光器，其生成一个红外线平面，该平面紧邻虚拟键盘平面并与其平行。当手指阻挡了红外线时，即可认为手指按在虚拟键盘上。

本实用新型的投影系统可以由一个或多个投影单元构成，以适应虚拟键盘上多种琴键及乐谱信息的组合。采用多个投影单元的优点是可以在保证机器小巧便携性的同时保证乐器丰富的丰富功能，而且可以降低成本。

附图说明：

附图1是本实用新型的结构示意图。图中，1为图像采集系统的摄像头，2为虚拟图像投影系统，3为一字线红外激光器，4为五线谱，5为虚拟音乐键盘投影区，6为虚拟琴键，7为一字线激光照射面，8为机箱。

附图2是本实用新型的另一种结构示意图。

具体实施方式：

实施例1：

一种电子乐器，其组成包括：微处理器系统、投影系统、图像采集系统、扬声器。微处理器系统主要有CPU、内存组成，一般情况下还含有通讯模块和外存储器。本实用新型中，微处理器系统还含有图像识别模块、波表合成器模块、音频控制模块、投影控制模块。微处理器系统是整个乐器的控制核心和重要的组成部分。其CPU可以采用各种微处理器，如基于ARM指令集、X86指令集或MIPS指令集等。图像采集与识别技术是构成本实用新型的重要核心。根据所采用的识别方法，决定了图像采集系统的结构和图像识别模块的软件流程。通过特定的识别算法，识别手指在键盘上的按键动作，据此确定所触发的琴键及其MIDI编码，通过MIDI指令由波表合成器合成音频数据。

图像识别模块采用类型计算机测距法判断虚拟键盘上手指的按键动作。当手指与虚拟键盘的距离足够近时，则认为手指接触了琴键。目前有多种计算机测距法，如激光三角测距法、单摄像头测距法、双摄像头测距法等。本实用新型中采用激光测距法。

图像识别模块接收到图像采集系统捕捉的虚拟键盘图像信息，采用上述方法中的一种，识别出手指所触按键后，根据预存的按键位置表，判断出操做者点击的按键值，并做相应动作，如控制信息：音量调节、声道切换等，或转换为相应的MIDI事件传递给MIDI合成器模块，MIDI合成器根据MIDI值合成相应的音频数据，经D/A转换为音频信号到音频放大器推动扬声器发出音乐。

图像采集系统连续捕捉包含虚拟键盘区域的图像或视频，并将数据发送至微处理器系统的图像识别模块进行识别按键识别及处理。该图像采集系统为一个位于虚拟投影键盘平面上方的CMOS摄像头或摄像头组，把包含投影区域的图像实时采集并传递给微处理器系统。当采用摄像头组时，两个摄像头分别采集虚拟键盘上的可视图像和红外图像，以提高键盘操作识别的准确性。为了提高图像识别的速度和准确性，该系统还设置有红外照射装置，使图像采集系统的采集信息更易识别。该红外照射装置为一个一字线红外激光器，其生成一个红外线平面，该平面紧邻虚拟键盘平面并与其平行。当手指阻挡了红外线时，即可认为手指按在虚拟键盘上。

波表合成器是一种对乐器的声音进行采样，以特定格式存储为一个波表文件，重放时根据音乐文件的乐曲信息，向波表合成器发出指令，从波表文件的表格中提取出对应的声音数据，加工合成后回放出来。其输出音频数据可以是模拟或数字音频。波表合成器可以采用硬件实现也可采用软件实现。软波表合成器可以是一段运行于微处理器系统上的软件程序。

音频控制模块一般包括D/A转换和功率放大电路，该模块将数字音频数据转换成模拟音频信号，并推动扬声器工作。

投影控制模块负责投影系统的显示信息生成与传递，并控制投影系统的开关与亮度调节等。由运行于微处理器系统上的软件程序来实现。该模块将乐谱及乐谱指法信息与预存的键盘图形数据合并，生成完整的虚拟键盘显示信息，并将该信息传输给投影系统。

投影系统接收投影控制模块的控制指令及投影信息，在一定平面区域内投射出虚拟键盘，该虚拟键盘至少含有多个不同音高的琴键，如钢琴的88键或电子琴61键等；进一步的还可含有乐器控制键、乐谱及指法信息等。

该投影系统可以采用TI公司的DLP数字微镜投影技术或Microvision公司的PicoP激光投影技术来实现，也可以通过激光器照射预先保存有键盘画面的镜片的方式在平面区域上产生虚拟键盘。该投影系统可以由一个或多个投影单元构成，以适应虚拟键盘上多种琴键及乐谱信息的组合。如琴键与乐器控制键可采用激光器照射固定图案的镜片的方式投射出来，而乐谱及弹奏提示信息等动态画面由Microvision的PicoP激光投影技术来实现。采用多个投影单元的优点是可以在保证机器小巧便携性的同时保证乐器丰富的丰富功能，而且可以降低成本。

通讯模块可以采用有线或无线通讯方式，实现与其他智能设备的数据交换。包含有线连接方式：USB，MIDI接口及无线连接方式：WIFI，蓝牙中的一种或几种。乐器通过通讯模块接收外部设备的乐谱及指法信息，MIDI数据等，也可将本乐器的操作信息以MIDI指令或其他格式信息反馈到外部智能设备。例如乐器识别所弹奏的琴键后通过通讯模块将弹奏信息发送给其他的主机：计算机、平板电脑或手机等做进一步的信息处理，如由其他主机记录演奏信息或判断演奏对错等。

实施例2：

本实施例为一个61键的虚拟键盘电子琴。其中微处理器系统基于ARM内核并运行android操作系统。投影控制模块、图像识别模块和波表合成器分别由运行于该系统上的投影控制软件、图像识别软件和波表合成器软件来实现。61个琴键的范围坐标值及每一个琴键的相应MIDI键值都预存于系统文件中。投影系统含有红色激光器和预存琴键图案的透明镜片。红色激光器照射透明镜片在特定平面上产生虚拟键盘。图像采集系统由一个摄像头和一个红外一字线激光器组成。摄像头位于虚拟键盘及红外一字线激光器照射平面的上方。一字线红外激光器发射出一线型激光，生成一个红外光平面，该平面紧邻虚拟键盘投射面，位于该平面上方且平行于该平面。当手指敲击虚拟键盘上的按键时，手指尖端即被红外激光器所照射，从而产生明亮的光斑。由于红外激光照射面与虚拟键盘平面很近，因此可以认为手指尖端被红外激光照射到时，即为手指按下琴键。

微处理器系统控制投影系统将61键电子琴的键盘图案投射在工作平面上，生成虚拟键盘。摄像头将包含虚拟键盘的图像传递给图像识别模块。当手指与虚拟键盘的距离足够近时，红外激光将照射到手指前端，从而在摄像头采集的图像上形成一个或多个明亮的斑点。图像识别模块将接收到的图像数据进行滤波和畸变矫正后，在该图像的平面上建立直角坐标系，确定手指光斑中心点的坐标，并将该坐标与预存的键盘图像按键的坐标值范围进行比较，判断出手指按下的是哪一个琴键，并保存所有已按下的琴键。将当前处于按下状态的琴键与已保存的上一次图像识别中的琴键状态进行比较，从而得到本次操作状态产生变化的琴键，分为之前处于常态本次按下的琴键及上次处于按下状态本次手指离开两种情况，分别对应音符的打开与关闭两种MIDI事件。波表合成器及收到MIDI音符的开关事件，从波表文件中提取相应的声音采样数据，并进行合成，生成音频数据，传输给音频控制模块，由音频控制模块推动扬声器发声。

实施例3：

本实施例为一个88键的虚拟键盘电子琴。其具有乐谱及指法显示功能。其中微处理器系统基于ARM内核并运行android操作系统。投影控制模块、图像识别模块和波表合成器分别由运行于该系统上的投影控制软件、图像识别软件和波表合成器软件来实现。88个琴键的范围坐标值及每一个琴键的相应MIDI键值都预存于系统文件中。微处理器系统通过通讯模块接收或从外存储器上读取乐谱文件，由投影控制模块解析并生成乐谱及指法显示信息，然后将该信息与88琴键的图案信息合并，产生完整的显示信息，传递给投影系统。投影系统采用美国TI公司的DLP投影技术，接收投影显示信息后，在特定平面上投射出虚拟键盘和乐谱及指法图像。

图像采集系统由一个摄像头和一个红外一字线激光器组成。摄像头位于虚拟键盘及红外一字线激光器照射平面的上方。一字线红外激光器发射出一线型激光，生成一个红外光平面，该平面紧邻虚拟键盘投射面，位于该平面上方且平行于该平面。当手指敲击虚拟键盘上的按键时，手指尖端即被红外激光器所照射，从而产生明亮的光斑。由于红外激光照射面与虚拟键盘平面很近，因此可以认为手指尖端被红外激光照射到时，即为手指按下琴键。微处理器系统通过通讯模块接收或从外存储器读取乐谱文件，交由投影控制模块解析并生成完整的显示信息传递给投影系统。投影系统在特定平面上投射出虚拟88琴键并显示乐谱及指法信息。

摄像头将包含虚拟键盘的图像传递给图像识别模块。当手指与虚拟键盘的距离足够近时，红外激光将照射到手指前端，从而在摄像头采集的图像上形成一个或多个明亮的斑点。图像识别模块将接收到的图像数据进行滤波和畸变矫正后，在该图像的平面上建立直角坐标系，确定手指光斑中心点的坐标，并将该坐标与预存的键盘图像每个键的坐标值范围进行比较，判断出手指按下的是哪一个琴键，将保存所有已按下琴键的状态。将当前按下状态的琴键与上一次琴键操作状态进行比较，如上次没有按下的按键本次状态为按下，则触发相应琴键的MIDI音符开事件，如上次按下的按键本次状态为没有按下，则触发相应琴键的MIDI事件。

多数乐谱不可能在一幅画面中全部显示，因此需要随着弹奏者的进度，动态更新乐谱显示内容。其更新方式可有两种，自动播放模式和交互步进模式。自动播放模式下，乐谱按照一定的节拍速度自动更新所应显示的乐谱内容；交互模式下，乐谱在弹奏者手指正确按下所应触发的琴键时，乐谱方才进入到下一节拍的显示。

Claims (4)

1.一种电子乐器，其组成包括：微处理器系统，其特征是：所述的微处理器系统分别与图像采集系统、虚拟图像投影系统、音频控制模块连接，所述的音频控制模块与扬声器连接，所述的虚拟图像投影系统包括一个或多个投影单元，所述的图像采集系统包括位于虚拟图像投影系统投射出的虚拟图像平面上方的一个CMOS摄像头或摄像头组。

2.根据权利要求1所述的电子乐器，其特征是：所述的图像采集系统还包括生成红外线平面的一字线红外激光器，所述的红外线平面与所述的虚拟图像平面平行，且比虚拟图像平面高出的距离不超过1cm。

3.根据权利要求1或2所述的电子乐器，其特征是：所述的虚拟图像投影系统采用DLP投影模块或PicoP投影模块。

4.根据权利要求3所述的电子乐器，其特征是：通讯模块是USB、MIDI接口、无线连接装置、WIFI、蓝牙中的一种或几种。