多系統(tǒng)平臺協(xié)作電子音樂系統(tǒng)研究與實現(xiàn)*

◆楊萬鈞

1 前言

電子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為數(shù)字化的電子音樂（包括計算機(jī)音樂）創(chuàng)作提供了技術(shù)上的支持，利用強(qiáng)大的硬件處理能力和靈活的軟件設(shè)計，使得電子音樂的創(chuàng)作呈現(xiàn)出豐富的方式和手段，也極大地促進(jìn)了電子音樂的發(fā)展。

在過去很長的一個歷史時期中，由于系統(tǒng)間通信及軟硬件接口標(biāo)準(zhǔn)的制約，軟硬件工程師和電子音樂家們致力于開發(fā)能力更強(qiáng)的軟硬件，以滿足電子音樂不斷增長的系統(tǒng)需求。這在電子音樂中也出現(xiàn)了一個特有的現(xiàn)象，就是硬件和軟件系統(tǒng)越來越復(fù)雜，開發(fā)和設(shè)計的難度越來越大，價格也越來越高昂，而系統(tǒng)的靈活性則相對較低。對于很多用戶而言，這些復(fù)雜軟硬件系統(tǒng)中的很多功能并非是必需的，某些功能對于多數(shù)用戶而言使用的幾率很低，而用戶則需要為一些可能很少使用的功能支付更多的成本。對于部分用戶而言，復(fù)雜的整合系統(tǒng)靈活性較差，不能滿足其在特定領(lǐng)域中進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作的拓展和需求。

而作為另一個計算機(jī)軟硬件發(fā)展的事實是，目前硬件制造技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、多媒體技術(shù)和接口標(biāo)準(zhǔn)化等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的硬件系統(tǒng)可以協(xié)同工作，并且能夠以模塊化的方式進(jìn)行組合運(yùn)行；操作系統(tǒng)的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化，使得不同的操作系統(tǒng)之間可以更容易地實現(xiàn)相互通信和控制，在共享數(shù)據(jù)上的障礙也逐漸消失；不同的系統(tǒng)和軟件之間利用標(biāo)準(zhǔn)的接口協(xié)議，可以很容易地進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并且可以實現(xiàn)低延遲的數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)同運(yùn)算；同時由于無線通信技術(shù)和移動運(yùn)算技術(shù)的發(fā)展，不同類型的軟硬件之間可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的信號傳遞和控制，實現(xiàn)更豐富的效果。

基于這些技術(shù)的發(fā)展，利用多種不同的軟硬件平臺來構(gòu)建靈活、高效、適應(yīng)性強(qiáng)且成本可控的電子音樂創(chuàng)作系統(tǒng)已經(jīng)成為可能，并應(yīng)該獲得更多的關(guān)注與應(yīng)用。

本文試圖從軟硬件系統(tǒng)、創(chuàng)作平臺和通信協(xié)議等方面進(jìn)行分析，以找出利用不同軟硬件系統(tǒng)方便快捷地構(gòu)建電子音樂創(chuàng)作平臺的可能性。

2 為什么要進(jìn)行多系統(tǒng)平臺的研究與討論

在討論如何進(jìn)行基于多系統(tǒng)平臺的電子音樂創(chuàng)作系統(tǒng)構(gòu)建之前，首先分析一個基本的問題，就是使用跨系統(tǒng)平臺進(jìn)行創(chuàng)作有什么樣的利弊？需要明確的是，這里的多系統(tǒng)平臺指的是利用多個不同的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，通過通信設(shè)備和協(xié)議，充分發(fā)揮不同軟硬件系統(tǒng)的優(yōu)勢，共同完成某個復(fù)雜任務(wù)所構(gòu)成的復(fù)合創(chuàng)作系統(tǒng)。

之所以要討論多系統(tǒng)平臺的協(xié)作，其主要原因在于以下的幾個方面。

任何的硬件系統(tǒng)，其所支持的指令系統(tǒng)是有限的，所能夠完成的功能也是受限制的，不管運(yùn)算能力多強(qiáng)，任何硬件系統(tǒng)的運(yùn)算能力也是有限的；由于硬件系統(tǒng)的不同，會造成相同的操作系統(tǒng)和軟件可能在不同的硬件系統(tǒng)上并不一定能夠很好地運(yùn)行。在過去很多廠商為了更好地兼容不同的硬件系統(tǒng)，在開發(fā)相同操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件時，就需要針對不同硬件系統(tǒng)進(jìn)行軟件開發(fā)，增加了軟件開發(fā)中的重復(fù)勞動。同時由于硬件的不同，還可能造成同類軟件的不兼容及工作效率的變化。

每個硬件系統(tǒng)的處理能力和存儲能力都是有限的，要提升單一系統(tǒng)的處理能力和存儲能力，通常都需要付出較大的代價。通過多系統(tǒng)的組合，可以在降低成本的條件下，獲得相似的執(zhí)行效果。

針對不同硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用程序，通常在算法設(shè)計上都能充分發(fā)揮軟硬件的功能，獲得最佳的運(yùn)行效率，充分發(fā)揮特定算法和功能在特定系統(tǒng)上的優(yōu)勢，獲得最佳的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。

合理利用不同軟硬件系統(tǒng)的組合，能夠減少重復(fù)購置軟硬件，降低軟件成本，而且通過合理的組合，能夠獲得更靈活的系統(tǒng)組合方式。對于軟件開發(fā)者，可以減少在不同操作系統(tǒng)下重復(fù)開發(fā)相同軟件所造成的資源浪費(fèi)。

使用多系統(tǒng)的協(xié)作，可以降低軟件系統(tǒng)和應(yīng)用程序開發(fā)的難度，使軟硬件開發(fā)者能夠更專注開發(fā)特定功能模塊，提供更穩(wěn)定可靠的運(yùn)行環(huán)境，并且提供更友好的應(yīng)用擴(kuò)展和升級環(huán)境。當(dāng)然，在此過程中，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)定框架就顯得尤為重要。

不同操作系統(tǒng)可以運(yùn)行的硬件平臺是不同的，合理選擇硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，可以充分發(fā)揮特定系統(tǒng)能力，如Linux系統(tǒng)就可以在微型機(jī)之外的系統(tǒng)上運(yùn)行，包括巨型機(jī)系統(tǒng)。通過系統(tǒng)間有效通信，可以充分發(fā)揮各系統(tǒng)的優(yōu)勢，獲得最佳的協(xié)同工作效率。

使用不同軟硬件系統(tǒng)構(gòu)成的協(xié)作系統(tǒng)，通常相較于性能強(qiáng)大而功能復(fù)雜的單一系統(tǒng)，其成本要低得多，這對于預(yù)算有限的用戶是一個非常重要的因素。

3 影響多系統(tǒng)平臺協(xié)作電子音樂系統(tǒng)構(gòu)建的因素

在利用不同軟硬件系統(tǒng)來構(gòu)建電子音樂創(chuàng)作系統(tǒng)時，會受到很多因素的影響與制約，了解相關(guān)的因素，有助于合理利用各種已有的軟硬件資源，并且對其進(jìn)行合理的組合，在效率和成本、易用性和穩(wěn)定性之間達(dá)到平衡。下面介紹影響多系統(tǒng)平臺寫作電子音樂創(chuàng)作系統(tǒng)構(gòu)建的主要因素。

硬件系統(tǒng) 從20世紀(jì)40年代數(shù)字電子計算機(jī)發(fā)明以來，經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，計算機(jī)硬件技術(shù)向著巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向快速發(fā)展，計算機(jī)已經(jīng)滲透到了人類生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。微處理器的體積越來越小，性能越來越強(qiáng)大，所支持的指令集也越來越豐富，能夠以更小的體積完成更多更復(fù)雜的運(yùn)算。半導(dǎo)體存儲器制作工藝和集成度的提高，使得內(nèi)存速度越來越快，性能響應(yīng)更高，價格也越來越便宜，使得大容量的內(nèi)存成為標(biāo)準(zhǔn)配置，為運(yùn)行大型的應(yīng)用程序和電子音樂作品提供了可能。高速外部存儲器技術(shù)的發(fā)展，特別是基于半導(dǎo)體的SSD固態(tài)硬盤的出現(xiàn)，為大數(shù)據(jù)量的外部數(shù)據(jù)交換提供了可能，而且隨著系統(tǒng)總線速度的提高，也帶來了外部存儲器讀寫速度的提高，這為進(jìn)行快速高精度的音頻、視頻采樣處理提供了可能。新型系統(tǒng)總線的出現(xiàn)，特別是PCI-E、USB 3.0及Thunderbolt雷電等新型高速總線的出現(xiàn)與普及，為外部設(shè)備之間的連接提供了穩(wěn)定而高效的技術(shù)支撐。

隨著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，個人計算機(jī)所使用的中央處理器逐漸集中到以Intel和AMD為代表的中央處理器體系下，所設(shè)計和制造的個人計算機(jī)之間的差異越來越小。過去在PC和Mac之間還有較大的硬件差異，而在今天由于所使用的中央處理器逐漸接近，硬件系統(tǒng)設(shè)計也越來越相似，Mac和PC之間的差異正逐漸減小。這為構(gòu)建更高效的電子音樂創(chuàng)作系統(tǒng)提供了更好的機(jī)會。當(dāng)然，由于Mac相對封閉的一體化硬件系統(tǒng)集成設(shè)計，在很多電子音樂應(yīng)用中仍會表現(xiàn)出更加優(yōu)異的高效和穩(wěn)定。

超大規(guī)模集成電路技術(shù)、移動計算技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展為移動運(yùn)算領(lǐng)域提供了新的可能性，在傳統(tǒng)的微型機(jī)之外，還出現(xiàn)了基于移動運(yùn)算技術(shù)的平板電腦技術(shù)，這為社會生活和電子音樂創(chuàng)作提供了更多便捷的方式?；趇OS系統(tǒng)和Android系統(tǒng)的平板電腦已經(jīng)成為現(xiàn)代生活的一個重要部分，同時也出現(xiàn)了大量基于平板電腦的電子音樂軟件和控制界面，成為電子音樂創(chuàng)作中重要的工具和平臺。

單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了越來越多功能強(qiáng)大、適用面廣、工作靈活、高度可定制的單片機(jī)，使得單片機(jī)也越來越多地出現(xiàn)在電子音樂創(chuàng)作的領(lǐng)域中。特別是Arduino（圖1）和Raspberry等開源的單片機(jī)逐漸出現(xiàn)和流行之后，利用其開源特性以及高度靈活的定制性，可以用于電子音樂創(chuàng)作中的嵌入式系統(tǒng)和定制控制端的實現(xiàn)，受到越來越多電子音樂家和現(xiàn)代藝術(shù)家的青睞。

不同的硬件系統(tǒng)，其設(shè)計目的不同，運(yùn)算能力和穩(wěn)定性也不相同，在進(jìn)行電子音樂創(chuàng)作過程中，所能夠?qū)崿F(xiàn)的功能也會有所差異。因此，在構(gòu)建電子音樂創(chuàng)作系統(tǒng)時，就需要根據(jù)不同硬件的特點(diǎn)，合理選擇硬件平臺的搭配，充分發(fā)揮特定硬件平臺的特性及效率，簡化系統(tǒng)的設(shè)計，降低整個系統(tǒng)的實現(xiàn)成本與難度，以達(dá)到最佳的組合效果。

操作系統(tǒng) 合理選擇操作系統(tǒng)將能夠充分發(fā)揮特定硬件系統(tǒng)的能力，并為電子音樂軟件運(yùn)行提供良好而穩(wěn)定的系統(tǒng)軟件平臺。

目前個人計算機(jī)上包括Microsoft Windows系統(tǒng)、Mac OS X系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)三大系列適于用作電子音樂創(chuàng)作的主流操作系統(tǒng)，同時經(jīng)過多年發(fā)展，在這幾類系統(tǒng)中已開發(fā)了大量電子音樂創(chuàng)作軟件，其中部分已非常成熟，成為電子音樂創(chuàng)作的主要行業(yè)軟件。這三類操作系統(tǒng)各有特點(diǎn)，適用于不同的硬件和場合，能夠提供不同的效率和穩(wěn)定性。很多電子音樂創(chuàng)作軟件及插件等都是針對特定操作系統(tǒng)而開發(fā)，因而要使用特定軟件或插件系統(tǒng)，就需要相應(yīng)操作系統(tǒng)的支持。比如Logic只能在Mac系統(tǒng)下運(yùn)行，VVVV只能在Windows系統(tǒng)下運(yùn)行，而Ardour則只能在Linux環(huán)境下運(yùn)行。盡管部分軟件同時發(fā)行多個不同系統(tǒng)的版本，但在實際的使用中，往往還會因為操作系統(tǒng)的特性而略有不同，因而在特定操作系統(tǒng)上應(yīng)用某些軟件會更加方便，而且能夠更好地發(fā)揮操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的最大效率。

隨著移動平臺的流行，越來越多的電子音樂軟件被移植到移動平臺上，在iOS和Android系統(tǒng)上都出現(xiàn)很多不同的電子音樂應(yīng)用APP，以及一些可以作為創(chuàng)作輔助工具的APP。類似于iPad的平板電腦相較于傳統(tǒng)的個人計算機(jī)，在操控上更加直觀和方便，利用多點(diǎn)觸摸技術(shù)可以實現(xiàn)雙手更豐富的控制。同時利用平板電腦提供的多種傳感器，可以成為電子音樂創(chuàng)作中重要的控制器。同時，由于iOS系統(tǒng)和Android系統(tǒng)平臺的統(tǒng)一性和直觀性，可以很方便地通過安裝不同的APP來實現(xiàn)不同的功能。目前，越來越多的電子音樂家和現(xiàn)代藝術(shù)家利用平板電腦進(jìn)行作品的創(chuàng)作，在創(chuàng)作和演出中利用平板電腦進(jìn)行控制和表演。

除此之外，另一類特殊的操作系統(tǒng)也逐漸出現(xiàn)在電子音樂家的視野中，這就是專門為單片機(jī)提供的操作系統(tǒng)。如Raspberry Pi（圖2）以其低廉的價格、穩(wěn)定的性能，以及高度可自定義的特點(diǎn)，出現(xiàn)在很多電子音樂作品中。而要完成Raspberry Pi的基本功能，并實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的通信與處理，就需要為其安裝合適的操作系統(tǒng)。由于Raspberry Pi是一個基于ARM架構(gòu)處理器的硬件平臺，而且針對小型運(yùn)算的需求，因而并不適合基于Intel平臺的Mac OS X和Windows操作系統(tǒng)，只能使用專門為其設(shè)計的內(nèi)核定制的Linux版本，這樣可以根據(jù)硬件的實際情況充分發(fā)揮其功能。

同樣，對于一些特定的單片機(jī)系統(tǒng)，為實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能，也只能根據(jù)需求使用可定制的Linux系統(tǒng)。

Linux操作系統(tǒng)成為目前通用性最強(qiáng)的操作系統(tǒng)類別，可以運(yùn)行在多種不同的硬件平臺上，包括Intel處理器平臺、Mac平臺、移動運(yùn)算、單片機(jī)等多種平臺上，最新的Linux分支已可以運(yùn)行在智能手機(jī)一類的硬件上。同時，Linux系統(tǒng)對多媒體軟硬件的支持也日趨完善，越來越多的媒體制作工具都開始支持Linux系統(tǒng)，并且很多制作軟件都開始發(fā)行Linux版本或向Linux系統(tǒng)移植?；贚inux系統(tǒng)的開源、自由、免費(fèi)、穩(wěn)定、可移植、跨平臺等特性，Linux系統(tǒng)將是未來專業(yè)電子音樂創(chuàng)作中的重要平臺。

相較而言，Windows和Mac OS X系統(tǒng)作為商業(yè)軟件，界面更美觀，獲得的支持更完整，對于很多老牌的電子音樂創(chuàng)作軟件，仍是最適合的創(chuàng)作平臺，仍能提供穩(wěn)定和方便的使用感受。

隨著硬件能力的增強(qiáng)，利用虛擬機(jī)技術(shù)，都可以在特定操作系統(tǒng)中模擬其他操作系統(tǒng)環(huán)境，這樣就可以很容易地在單硬件系統(tǒng)上實現(xiàn)多系統(tǒng)協(xié)作的功能，對于需要分別運(yùn)行于不同操作系統(tǒng)上的應(yīng)用軟件，在強(qiáng)大硬件的支持下也可以通過虛擬機(jī)技術(shù)來實現(xiàn)相互的協(xié)作，同時減少不必要的硬件系統(tǒng)開支。

選擇合適的操作系統(tǒng)將為電子音樂創(chuàng)作提供更好的創(chuàng)作體驗。

網(wǎng)絡(luò)通信 隨著音頻信號數(shù)字化進(jìn)程的深入，以及音頻控制和通信的增強(qiáng)，越來越多的信號都是以數(shù)字信號的方式進(jìn)行表示和傳輸。為在不同系統(tǒng)之間傳輸音頻和數(shù)字控制信號，工程師們開發(fā)了多種不同的數(shù)字接口，包括MIDI接口、SPDIF接口、光纖接口等，這些接口可以很好地進(jìn)行信號的傳輸和控制。但這些接口也都存在接口專用性過強(qiáng)、相互之間不兼容、傳輸距離受到介質(zhì)限制等缺陷。

隨著網(wǎng)絡(luò)通信軟硬件技術(shù)的發(fā)展，越來越多的數(shù)字信號開始采用網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行傳輸和控制。利用成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，音頻工程師利用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和接口，可以方便而高速地進(jìn)行信號傳輸和通信。同時，由于使用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)硬件和接口以及國際通用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，避免了重復(fù)設(shè)計硬件接口，重新定義電氣特性，降低設(shè)計難度。而且，利用已有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，軟件設(shè)計更加容易，標(biāo)準(zhǔn)化程度更高，軟硬件之間的通用性更強(qiáng)，數(shù)據(jù)兼容性更好，能夠更好地進(jìn)行信號的傳遞與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的定義。

在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，用于音頻信號傳輸較多的是以太網(wǎng)技術(shù)，利用成熟的千兆以太網(wǎng)技術(shù)，可以進(jìn)行長距離、高效率的多聲道、高質(zhì)量音頻信號及混合信號的雙工傳輸。這樣可以擴(kuò)展音頻系統(tǒng)的規(guī)模，擴(kuò)大整個系統(tǒng)的空間范圍和地理范圍。利用網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，可以實現(xiàn)本地或遠(yuǎn)程的智能化實時控制，提高整個系統(tǒng)的效率。當(dāng)然，為實現(xiàn)高質(zhì)量的通信效果，相關(guān)網(wǎng)絡(luò)通信和控制設(shè)備需要滿足高速而穩(wěn)定的需求，通常都建議使用專用的千兆以太網(wǎng)交換機(jī)、路由器及屏蔽雙絞線等專用材料，以保證良好的通信質(zhì)量。

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，為電子音樂和計算機(jī)音樂的創(chuàng)作與表演提供了新的可能性。特別是基于802.11協(xié)議族的WiFi技術(shù)的快速發(fā)展和普及，使得無線網(wǎng)絡(luò)成為構(gòu)建電子音樂系統(tǒng)中的重要一環(huán)。通過無線WiFi路由器和AP設(shè)備，可以從空間上擴(kuò)展電子音樂系統(tǒng)的控制范圍，同時免去有線網(wǎng)絡(luò)重復(fù)布線及設(shè)計的麻煩，而且也降低了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，使網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成更加靈活。使用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更重要的一點(diǎn)是可以通過無線網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)的協(xié)議，將不同的系統(tǒng)和設(shè)備連接在一起。如可以將PC、Mac與iOS及Android等移動平臺設(shè)備連接到一起，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和控制，使得可以應(yīng)用和控制的設(shè)備更加豐富。電子音樂創(chuàng)作和表演也由此得到更大的拓展，更加豐富靈活，注入更多新的思想和能量。

在網(wǎng)絡(luò)通信過程中，通常會根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸總量的大小、信道質(zhì)量高低和所傳輸信息的編碼形式選擇不同的通信協(xié)議，通常在容易受到干擾的不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳遞MIDI等控制信號時，會選擇較安全的TCP/IP協(xié)議，犧牲速度來獲取較高的準(zhǔn)確度；而在局域網(wǎng)等信道穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)中傳遞數(shù)字音視頻信號及OSC等控制信號時，則通常會選擇速度更快的UDP協(xié)議進(jìn)行傳輸。

通信協(xié)議 要在不同的軟硬件系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和控制，通信協(xié)議是基本的保障。在電子音樂發(fā)展的過程中，根據(jù)控制的信息類型的不同，先后出現(xiàn)MIDI、OSC、Jack、AudioBus等不同功能和目的的通信協(xié)議。這一類通信協(xié)議不同于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，主要是進(jìn)行數(shù)字音頻信號或數(shù)字樂器控制信號構(gòu)建的協(xié)議，為數(shù)字音頻信號和控制信號的相互傳輸提供基本的保障，并對系統(tǒng)的創(chuàng)建和電子音樂的發(fā)展具有重要意義。

20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的MIDI（Musical Instrument Digital Interface）是在電子樂器中最早出現(xiàn)的數(shù)字聲音通信協(xié)議之一，也是電子音樂創(chuàng)作中使用最久的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。MIDI被設(shè)計用于在數(shù)字電子樂器之間進(jìn)行控制信號的傳遞，以控制不同的數(shù)字電子樂器同時進(jìn)行播放和響應(yīng)，這些電子樂器可以使合成器、控制器、音源或MIDI鍵盤等設(shè)備。MIDI信號中只包含電子樂器的控制信息，不傳遞任何實際的音頻信息，因而MIDI主要是一種控制協(xié)議。由于MIDI出現(xiàn)時間較長，而且大多數(shù)電子音樂軟硬件設(shè)備都支持和兼容MIDI標(biāo)準(zhǔn)，因而MIDI也是目前應(yīng)用最多的協(xié)議之一。隨著MIDI的發(fā)展，MIDI除了進(jìn)行數(shù)字樂器控制之外，也可以通過其他軟硬件映射的方式用于進(jìn)行視頻、燈光、舞臺等的控制，操作方式非常豐富。

但MIDI也有其不足，主要在于MIDI標(biāo)準(zhǔn)定義被提出時，數(shù)字音頻還在發(fā)展初期，而且由于當(dāng)時數(shù)字處理及通信技術(shù)的限制，MIDI標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸速率較低，數(shù)據(jù)分辨率低，不支持音頻的傳輸，硬件接口與其他標(biāo)準(zhǔn)不兼容，傳輸距離近，等等，這些都是目前使用MIDI協(xié)議進(jìn)行電子音樂創(chuàng)作和演出中面臨的主要問題。

早在20世紀(jì)90年代末，很多音樂家和工程師都體會到MIDI的不足，希望能有新的標(biāo)準(zhǔn)來更方便地進(jìn)行數(shù)字音樂通信控制。針對這一情況，加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley）的The Center For New Music and Audio Technology（CNMAT）提出了OSC（Open Sound Control）標(biāo)準(zhǔn)，并于2002年發(fā)布了OSC 1.0標(biāo)準(zhǔn)。OSC被定義為一種在計算機(jī)、聲音合成器及其他多媒體設(shè)備之間進(jìn)行信息傳遞的通信協(xié)議。OSC針對當(dāng)代的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，利用當(dāng)代高效的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)可以將電子樂器和設(shè)備方便地連接在一起，提供了交互操作、準(zhǔn)確、靈活和組織增強(qiáng)的功能。OSC為不同設(shè)備間的聲音控制和媒體處理提供了高效和方便的標(biāo)準(zhǔn)，主要特性包括開放、靈活、高精度、信息類型豐富，支持服務(wù)器和客戶機(jī)模式，數(shù)據(jù)傳輸效率更高，也更加安全。

OSC除了可以實現(xiàn)類似于MIDI的功能之外，還可以用于實時音頻處理和其他媒體處理環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)交互、軟件合成器控制，以及與其他編程語言及軟硬件環(huán)境進(jìn)行交互等應(yīng)用場合。OSC已成為在廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)中構(gòu)建分布式電子音樂系統(tǒng)、交互式媒體處理系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件開發(fā)中重要的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

在實時音頻處理過程中，電子音樂家和音響工程師還會有更多的需求，比如更加靈活，容易控制，可以對信號進(jìn)行路由，在不同音頻軟件和硬件設(shè)備之間傳遞音頻信號，以及通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程音頻傳輸和控制等。由Paul Davis開發(fā)的JACK（Jack Audio Connection Kit）（圖3）標(biāo)準(zhǔn)就可以實現(xiàn)上述功能。JACK被開發(fā)為一個開源的專業(yè)聲音服務(wù)程序，以客戶機(jī)/服務(wù)器的模式運(yùn)行，可以在不同的應(yīng)用軟件之間提供實時、低延遲的音頻數(shù)據(jù)和MIDI信息連接。這些應(yīng)用軟件既可以在同一臺計算機(jī)上，也可以通過有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)將不同計算機(jī)上的應(yīng)用軟件連接在一起。利用JACK的API，可以很容易地實現(xiàn)跨操作系統(tǒng)平臺的音頻和MIDI的交互連接，用以高效構(gòu)建電子音樂創(chuàng)作系統(tǒng)。在不同操作系統(tǒng)下的大量音樂軟件都提供對JACK的支持，而且利用JACK的接口，很多不同媒體類型的軟件都可以連接在一起，構(gòu)建交互媒體創(chuàng)作和表演系統(tǒng)。包括法國GRAME在內(nèi)的很多研究機(jī)構(gòu)和電子音樂家都利用JACK作為電子音樂創(chuàng)作中的信號傳輸和控制平臺，實現(xiàn)豐富的效果。

編程語言 為了構(gòu)建跨系統(tǒng)的電子音樂創(chuàng)作平臺，在很多情況下還需要考慮應(yīng)用于程序編寫的編程語言的問題。在構(gòu)建創(chuàng)作平臺的過程中，為獲得最好的兼容性以及最佳的協(xié)作效果，有時候需要在不同系統(tǒng)平臺下使用相同的應(yīng)用軟件或組件，以獲得最好的兼容性及通信效果。而部分創(chuàng)作平臺，基于電子音樂家和音響工程師的需求，有可能需要自行編寫特定的應(yīng)用程序或接口。合理選擇編程語言，將能夠使開發(fā)的軟件更好地在不同操作系統(tǒng)之間移植，減少開發(fā)的工作量，同時獲得最佳的兼容性和工作穩(wěn)定性。

從本質(zhì)上說，大多數(shù)的計算機(jī)高級語言都是跨平臺的，因為高級語言都是以類似于人類自然語言來表示信息并進(jìn)行編寫的語言，編寫出來的語言代碼都需要經(jīng)過編譯之后轉(zhuǎn)換為CPU可以執(zhí)行的指令來執(zhí)行。但在實際的編程過程中，由于操作系統(tǒng)的不同，通常需要使用特定的API或工具程序，以創(chuàng)建符合功能的應(yīng)用程序。但不同操作系統(tǒng)下，API的工作方式和開發(fā)接口是不同的，這樣就造成同樣是使用C或C++開發(fā)的程序，在Windows系統(tǒng)下開發(fā)的源程序并不能直接拿到Mac OS X系統(tǒng)下進(jìn)行編譯。因而在進(jìn)行語言的選擇時，就需要對這些方面加以考慮。

在現(xiàn)代流行的高級語言中，JAVA、HTML等語言從設(shè)計之初就考慮到要在不同平臺下運(yùn)行，這些語言通過中間件或Runtime環(huán)境實現(xiàn)在不同操作系統(tǒng)下的運(yùn)行，以獲得良好的跨平臺效果。JAVA通過中間件的方式可以在Windows、Mac OS X甚至移動平臺上運(yùn)行，具有良好的跨平臺性。但由于JAVA語言的解釋性，工作效率略低，在開發(fā)某些特殊應(yīng)用程序時會受到一定的限制。

對于必須使用C/C++進(jìn)行開發(fā)的應(yīng)用程序，為獲得良好的跨平臺特性，則可以考慮使用主流的跨平臺應(yīng)用程序和UI開發(fā)框架如QT等，這樣在特定平臺下開發(fā)的源代碼，只需要經(jīng)過很小的改動，就可以在其他操作系統(tǒng)下使用相同開發(fā)框架進(jìn)行編譯，以獲得兼容性最佳的跨平臺應(yīng)用程序。

應(yīng)用軟件 并非所有的音樂軟件都適用于構(gòu)建多系統(tǒng)平臺的電子音樂系統(tǒng)，因為要實現(xiàn)多系統(tǒng)平臺的協(xié)作，需要音樂軟件提供對特定協(xié)議和接口的支持，并且能夠有效地根據(jù)協(xié)議和接口進(jìn)行信息的處理和交換。前面已經(jīng)討論過構(gòu)建多系統(tǒng)平臺電子音樂系統(tǒng)的主要原因是綜合利用多硬件的運(yùn)算能力，以及發(fā)揮不同軟硬件系統(tǒng)的優(yōu)勢，降低成本，以獲得最佳的執(zhí)行效率。因此，選擇合適的應(yīng)用軟件來構(gòu)建多系統(tǒng)平臺電子音樂系統(tǒng)就非常重要。

根據(jù)電子音樂創(chuàng)作方式和手段的不同，所選擇的軟件通常需要支持MIDI、OSC和JACK等主流接口和協(xié)議，以保證音頻和相關(guān)控制信息的傳遞和處理，然后就需要根據(jù)制作的需求選擇合適的應(yīng)用軟件。

如果所構(gòu)建的系統(tǒng)主要用于MIDI相關(guān)的制作，則可以考慮使用Cubase做為宿主軟件，使用JACK作為MIDI傳輸控制的接口。因為Cubase原生提供了Windows和Mac OS X平臺的版本，并且在Cubase中提供了VST System Link的接口，可以直接將兩臺運(yùn)行Cubase的計算機(jī)連接在一起，并且進(jìn)行音頻和MIDI信息的傳遞。如果需要連接其他的宿主軟件或插件音源，則可以考慮使用JACK作為接口，用以進(jìn)行宿主與音源的連接。如在一臺計算機(jī)中運(yùn)行Cubase宿主程序，而在另一臺或多臺計算機(jī)中運(yùn)行Kontakt采樣音源系統(tǒng)，這樣就可以將運(yùn)行在不同硬件系統(tǒng)和操作系統(tǒng)上的音樂軟件組合在一起了。

在當(dāng)代交互電子音樂軟件的創(chuàng)作過程中，交互電子音樂系統(tǒng)的構(gòu)建更加靈活。通常會使用Max/MSP、Pure Data、Open Music等軟件作為主控程序，在其他平臺下可以根據(jù)需要運(yùn)行如VVVV、Processing、Blender、Jitter等交互圖像處理程序，或運(yùn)行Max/MSP、Pure Data以及音源插件等作為被控端，實現(xiàn)多機(jī)、多系統(tǒng)以及多種媒體結(jié)合的創(chuàng)作系統(tǒng)。這些軟件都支持MIDI和OSC標(biāo)準(zhǔn)，非常容易實現(xiàn)音頻信號和控制信號的處理和控制。如果需要接入其他的軟件或設(shè)備，也可以使用JACK平臺進(jìn)行信號的傳輸和處理，特別是在需要連接包括Linux系統(tǒng)在內(nèi)的不同操作系統(tǒng)以及連接多臺計算機(jī)時，會非常方便。

4 構(gòu)建多系統(tǒng)平臺協(xié)作電子音樂系統(tǒng)的方法

在實際構(gòu)建多系統(tǒng)平臺協(xié)作電子音樂創(chuàng)作及表演系統(tǒng)的過程中，會根據(jù)軟硬件環(huán)境、作品類型、表演方式等的不同而有較大的變化，因而沒有固定的方法來實現(xiàn)系統(tǒng)的構(gòu)建，都需要電子音樂家和音頻工程師利用所掌握的技術(shù)合理進(jìn)行設(shè)計和搭建，以獲得最合理的效果。下面，通過四川音樂學(xué)院電子音樂系的一個實際范例進(jìn)行分析，以說明多系統(tǒng)平臺電子音樂系統(tǒng)的構(gòu)建方法。

2011年，四川音樂學(xué)院電子音樂系成立新媒體藝術(shù)小組，并開始設(shè)計“四川音樂學(xué)院陳列館交互式聲音/影像走廊”項目。該項目的設(shè)計目標(biāo)是利用先進(jìn)的電子音樂軟硬件技術(shù)和設(shè)計理念，結(jié)合視覺互動、聲音景觀技術(shù)、裝置藝術(shù)，為四川音樂學(xué)院設(shè)計一個具有表演性質(zhì)的陳列走廊互動音樂藝術(shù)裝置。

該項目的設(shè)計目標(biāo)為在陳列廳中劃出長4.5米、寬2米的區(qū)域作為交互式虛擬走廊，該走廊由八只全頻揚(yáng)聲器組成的八聲道環(huán)繞立體聲系統(tǒng)所覆蓋，構(gòu)成一個多聲道立體聲聲場（走廊效果圖如圖4所示）。當(dāng)參觀者步入該區(qū)域時，由紅外感應(yīng)器感應(yīng)參觀者的位置和數(shù)量，然后通過計算機(jī)程序運(yùn)算，根據(jù)參觀者位置和運(yùn)動速度等參數(shù)，調(diào)整在八個聲道中輸出的預(yù)制聲音內(nèi)容，使立體聲聲場聲像位置跟隨參觀者變化，使參觀者有被導(dǎo)游在身邊帶領(lǐng)講解和播放音樂的感覺。同時，根據(jù)參觀者的位置和運(yùn)動速度變化，利用計算機(jī)圖形處理程序?qū)崟r生成運(yùn)動影像，通過多臺投影儀將影像投影到地面上，形成動態(tài)的視覺特效，引導(dǎo)并追隨參觀者移動。該系統(tǒng)還要求如果同時有多位參觀者進(jìn)入影音走廊，則為每位參觀者生成不同的聲音和影像。當(dāng)參觀者到達(dá)走廊盡頭時，走廊盡頭為可控式霧面玻璃展示窗，在沒有參觀者出現(xiàn)在展示窗之前，該窗為透明狀態(tài)，顯示窗后的呈示內(nèi)容；當(dāng)參觀者走近展示窗觸發(fā)感應(yīng)器時，該窗加電后變?yōu)椴煌该鳡顟B(tài)，同時感應(yīng)器觸發(fā)計算機(jī)通過投影向該窗播放預(yù)制的視頻內(nèi)容，以聲光方式進(jìn)行展示。

要實現(xiàn)以上設(shè)計要求，需要運(yùn)用多種不同的媒體處理技術(shù)以及軟硬件的支持。為達(dá)到這樣的要求，在組建新媒體藝術(shù)小組時，小組成員就來自多個不同領(lǐng)域，包括胡曉、陳大蒼、白小墨、陸敏捷、韓彥敏、楊萬鈞等多位不同領(lǐng)域和方向的專家和教師，分別完成該系統(tǒng)中不同部分的設(shè)計與處理。同時，要實現(xiàn)復(fù)雜的多種媒體控制和處理，僅僅依靠單一的計算機(jī)軟硬件系統(tǒng)已無法有效地實現(xiàn)所需的功能，因而在實際設(shè)計中，該系統(tǒng)就被設(shè)計為多系統(tǒng)互聯(lián)的基本形式。

如圖5所示，在實際設(shè)計中，該系統(tǒng)主要由聲音處理部分、視頻處理部分、傳感器控制部分三個部分構(gòu)成，分別使用一臺Mac、兩臺PC和一塊Arduino單片機(jī)來實現(xiàn)。

1）聲音處理部分。由于需要根據(jù)參觀者位置實時計算八聲道中每個聲道的內(nèi)容，因而不能直接使用傳統(tǒng)的音頻處理軟件來處理。在本例中，使用Mac版本的Max/MSP來完成多聲道音頻信號的處理與計算，由于八個聲道的高質(zhì)量音頻信號數(shù)據(jù)量較大，因而使用獨(dú)立的一臺Mac計算機(jī)來完成該功能。

2）視頻處理部分。在視頻處理方面主要由兩部分組成，一部分是根據(jù)參觀者的位置和運(yùn)動速度傳感器生成影像，通過多臺投影儀實時投影到地面；另一部分是參觀者在走廊盡頭觸發(fā)可控式霧面玻璃動態(tài)展示窗進(jìn)行視頻觸發(fā)和播放。由于實時投影到地面的動態(tài)影像需要經(jīng)常調(diào)整，并實時運(yùn)算生成，同時還需要對多臺投影儀進(jìn)行控制，而動態(tài)影像的運(yùn)算量較大，為保證運(yùn)算效果，使用一臺獨(dú)立的具備多端口輸出專業(yè)顯卡的PC來負(fù)責(zé)。地面投影效果演示如圖6所示。使用另外一臺PC專門控制展示窗視頻的觸發(fā)與播放，以保證相互之間不會產(chǎn)生干擾，并確保最佳的穩(wěn)定性。動態(tài)視頻處理部分主要使用Windows版本的VVVV軟件來實現(xiàn)，該軟件可以根據(jù)所傳輸?shù)腛SC信號進(jìn)行視頻的實時生成與渲染。

3）傳感器控制部分。在選擇傳感器時，考慮到傳感器的易用性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)設(shè)計初期主要使用紅外傳感器。為使用紅外傳感器產(chǎn)生的模擬電信號來控制音頻和視頻信息，使用可編程的Arduino單片機(jī)進(jìn)行控制，將模擬信號采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，通過標(biāo)準(zhǔn)接口傳送到計算機(jī)中，按照音頻和視頻處理軟件所需控制數(shù)據(jù)要求轉(zhuǎn)換為指定格式的數(shù)據(jù)規(guī)范。使用Arduino單片機(jī)，通過其靈活的可編程功能，避免重復(fù)使用更多的個人計算機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)部署更方便，而且在特定領(lǐng)域中使用更穩(wěn)定，效率也更高。

要將以上系統(tǒng)連接起來，還需要使用相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及協(xié)議。由于在該系統(tǒng)中需要在各系統(tǒng)之間傳輸?shù)臄?shù)字音視頻信號數(shù)據(jù)量較大，為保證通信的質(zhì)量，專門構(gòu)建了千兆有線以太網(wǎng)，使用千兆交換機(jī)、千兆網(wǎng)卡和六類雙絞線進(jìn)行連接。該系統(tǒng)所部屬的范圍不太大，因而通信質(zhì)量得以保證，使用UDP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的高速傳輸。在軟件之間傳輸信號時則主要使用OSC標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可以通過網(wǎng)絡(luò)有效傳遞，并且對于音頻和視頻都有詳細(xì)的定義，適于實時音視頻處理，同時可以對不同的輸入輸出設(shè)備進(jìn)行直接控制。

此外，為便于對該系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和調(diào)試，在各系統(tǒng)中都建立了VPN通道，以保證安全的遠(yuǎn)程連接。為確保此系統(tǒng)不會受到病毒等因素的影響，在各計算機(jī)上都部署了殺毒軟件及防火墻。

該系統(tǒng)除了作為普通交互式走廊之外，還在后續(xù)的應(yīng)用中被修改為交互式電子音樂表演系統(tǒng)，結(jié)合舞蹈表演與電子音樂演奏，成為一套完整的電子音樂創(chuàng)作與演出系統(tǒng)。

5 構(gòu)建多系統(tǒng)平臺協(xié)作電子音樂系統(tǒng)的實際意義

電子音樂已經(jīng)發(fā)展到一個新的歷史階段，計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)與音樂藝術(shù)、視覺藝術(shù)、舞蹈藝術(shù)等藝術(shù)形式相互融合、相互影響，產(chǎn)生了豐富的電子音樂藝術(shù)形態(tài)。藝術(shù)表現(xiàn)形式的變化也要求創(chuàng)作的方式做出相應(yīng)的變化，在電子音樂創(chuàng)作中不再僅僅是一臺計算機(jī)對聲音進(jìn)行簡單的處理就能完成的。現(xiàn)代的電子音樂創(chuàng)作需要計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、新媒體設(shè)備作為支撐，利用數(shù)字技術(shù)，將不同藝術(shù)形式結(jié)合在一起，才能完成具有多元化、多層面、多流派的新興電子音樂形態(tài)。

在構(gòu)建多系統(tǒng)平臺電子音樂系統(tǒng)時，當(dāng)代電子音樂的跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的特點(diǎn)要求具備多種不同領(lǐng)域技能的專家團(tuán)隊進(jìn)行合作。國內(nèi)外很多優(yōu)秀電子音樂作品和團(tuán)隊的經(jīng)驗都證明，跨專業(yè)、跨學(xué)科的多層次專家團(tuán)隊的合作，能夠在創(chuàng)作過程中良好地解決藝術(shù)和技術(shù)相復(fù)合的問題，創(chuàng)作出高質(zhì)量的電子音樂作品來。

6 后記

本文從近幾年與國外團(tuán)體交流以及四川音樂學(xué)院實際創(chuàng)作的經(jīng)驗分析入手，論述多系統(tǒng)平臺協(xié)作電子音樂系統(tǒng)構(gòu)建的條件及意義，希望為該領(lǐng)域中其他同行帶來一些有益的啟示，也希望能夠有更多的交流與學(xué)習(xí)。

[1]胡曉.電子音樂理論基礎(chǔ)[M].重慶:西南師范大學(xué)出版社,2014.

[2]莊曜.數(shù)字時代新技術(shù)媒體對音樂創(chuàng)作的影響[J].南京藝術(shù)學(xué)院學(xué)報:音樂與表演版,2008(2).

[3]李瀟.新時期電子音樂的蛻變與發(fā)展[J].樂府新聲（沈陽音樂學(xué)院學(xué)報）,2011(2).

[4]李穎.國內(nèi)外電子音樂的發(fā)展?fàn)顩r:吳粵北教授座談會紀(jì)要[J].天津音樂學(xué)院學(xué)報,2014(1).