音樂與光互聯(lián)系統(tǒng)的研究

梁曉晶

（天津大學，天津 300072）

音樂與光互聯(lián)系統(tǒng)的研究

梁曉晶

（天津大學，天津 300072）

介紹了音樂與光互聯(lián)系統(tǒng)的發(fā)展概況、設計思想和基本原理，并分析了不同設計方案的優(yōu)劣。

音樂；光；顏色；計算機；Arduino微處理器；PWM；RGB

音樂是聽覺藝術，色彩是視覺藝術，兩者作用于不同的感官，卻都會對人的心理產(chǎn)生影響。人們一直以來都感覺到聲音與光存在著某種微妙的聯(lián)系，從藝術家到科學家，都進行著各種各樣的探索。筆者從聲音與光的物理屬性出發(fā)，分析它們之間的聯(lián)系，在現(xiàn)有技術條件下探索了音樂與光互聯(lián)系統(tǒng)的設計方案，并分析了方案原理及優(yōu)劣。

1 音樂與光、顏色互聯(lián)系統(tǒng)的發(fā)展概況

早在3 000多年前，中國古代《周禮·天官·疾醫(yī)》載：“以五氣、五聲、五色其死生?！北砻鳟敃r就已將五聲與五色的關系應用于中醫(yī)。這五音是：宮、商、角、徵、羽，與五音對應的五色是：黃、白、青、赤、黑。這就是說，中國古代已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了音、光與人的相應關系。

西方歷史上，人們對音樂與顏色、音樂與光的關系從牛頓起就開始了討論，到了18世紀20年代，法國的卡斯泰爾神父（Louis-Bertrand Castel）提出了七種顏色與七聲音階的類比，構想出能發(fā)出聲音和“合適的”顏色的視覺大鍵琴，他的初衷是為了讓聾人也能通過“觀看”來享受到音樂。1877年，美國藝術家本布里奇（Bainbridge Bishop）獲得首個“彩色琴”（Color Organ）的專利，發(fā)明了可以將不同顏色的光與音樂同步投影到屏幕上的風琴。1893年，英國畫家亞歷山大·華萊士·里明頓（Alexander Wallace Rimington）提出一個帶顏色的鍵盤（Clavier à lumières），將色譜與鍵盤的音做了映射。

1916年，俄羅斯畫家弗拉基米爾·巴勒諾夫·羅西尼（Vladimir Baranoff Rossiné），發(fā)明了“光琴”（Optophonic Piano），用琴鍵控制旋轉著的濾波片和畫有圖案的玻璃板，將光的變化用萬花筒投影法投射到屏幕上，這些玻璃板和濾波片的透明度由光電元件獲得并控制振蕩器的頻率，發(fā)出音高變化的音。1921年出現(xiàn)的Chromopiano演奏類似鋼琴，但設計為可投射“和弦”的顏色，將音樂中的和弦和光的顏色聯(lián)系起來。20世紀20年代，丹麥人Thomas Wilfred設計了一系列Clavilux，最終可以投影彩色圖像，與之前的同類樂器相比有了新的突破。1920～1930年間，德國“彩色音樂協(xié)會”（Color Music Congresses）出品了一系列作品，并在德國的節(jié)日盛會上進行了表演，此后英國于1939年設計了有70 ft高、230 kW功率的72路燈控臺塔，來演奏“彩色音樂”。

近年來，隨著智能科技的深入發(fā)展，音樂與光互聯(lián)的設計出現(xiàn)了新的形式。例如，用于Disco和舞臺的可對音樂信號進行節(jié)奏上響應的燈光效果，低、中、高頻對應紅、綠、藍三色；西歐與美國人發(fā)明了激光豎琴、激光吉他等激光樂器，與此同時，國內(nèi)民間也出現(xiàn)了激光二胡等，但由于安全等問題并沒有商業(yè)化生產(chǎn)；同時美國、加拿大等國出現(xiàn)的具有聲音設計、音樂創(chuàng)作、現(xiàn)場表演、即興創(chuàng)作等功能的智能可發(fā)光樂器，如Audiocube和AlphaSphere等，都讓這些新型的聲光樂器走進了人們的視野。

在中國，重慶大學自2009年起進行了一系列基于音樂特征識別的燈光系統(tǒng)的設計和研究，天津師范大學則利用單片機和硬件電路實現(xiàn)了光強隨音量變化的控制。此外，北京交通大學、重慶市燈光照明管理局以及一些民間企業(yè)等也進行了相關的設計。

縱觀音樂與光互聯(lián)設計的歷史和現(xiàn)狀，筆者大致總結為以下發(fā)展特點。

（1）技術形式由機械化轉向電子機械化，再逐漸轉為全電子化，并融入光電子技術和智能技術。

（2）在音樂與光的映射關系上，從歐洲早期的音高與顏色相對應，到后來音高與光學參數(shù)相對應，再逐漸到近年來的節(jié)奏與光開關的對應關系、頻段與光的顏色的對應、光開關與聲開關的對應等，音樂與光的對應關系呈現(xiàn)出越來越多樣化的局面。

但是總體來說，燈光與音樂相互聯(lián)的研究并未深入探討音樂與光的內(nèi)在聯(lián)系，而在現(xiàn)有技術條件下，這種內(nèi)在聯(lián)系的探討和更為豐富的對應關系的設計已經(jīng)具有很高的可行性。

2 音樂與光互聯(lián)系統(tǒng)的設計思想

韓寶強在2002年《關于“音”的性質(zhì)的討論》一文中曾指出，聲音源于物體的振動，而光波本質(zhì)也是一種波，不同的是光是電磁波，而聲是機械波；既然都是“波”，而音樂又是隸屬于聲音這個大范疇下的一部分，那么，音樂與光便在“波”的層面上具有許多共通的性質(zhì)。

音樂中，可以定量的維度有：（1）一個音的音高，它對應于物理屬性就是波振動的頻率；（2）某一個音的音色，物理屬性為這一段音的頻譜；（3）一個音的音強，其物理屬性為響度；（4）一個音的音長，其物理屬性為時長。以上是樂音四要素的心理屬性和物理屬性。

從更加高維的角度看，（5）一個和弦，其本質(zhì)也可以看作不同頻率的疊加，或不同音色對應頻譜的組合；（6）一段音樂的速度，它是一個與時間有關的可定量的值；（7）調(diào)性、調(diào)式等，可對應于特定音高的有序排列。

相比之下，光學中可以定量的維度有光強、頻率、頻譜、脈沖寬度等，而在描述色彩時又有色調(diào)（色相）、飽和度（純度）、明度等。

從技術角度來講，以上這些關聯(lián)經(jīng)過一定的設計都是可以實現(xiàn)的，關鍵在于找到符合音樂家構想以及人們易于接受的映射。通過文獻資料，可以了解到一些人們易于接受、會引起討論的映射方式主要有如下幾種：

（1）從波動理論來看，響度和光強都與振幅有關，人們也更容易聯(lián)想在一起；

（2）音色、和弦、調(diào)性、調(diào)式容易讓人產(chǎn)生顏色的聯(lián)想；

（3）節(jié)奏、速度、時長等與時間相關的量，容易與光的脈沖周期、脈寬產(chǎn)生聯(lián)想；

（4）具體細分，色調(diào)、飽和度、明度的不同組合，也可以與音色的頻譜不同模式產(chǎn)生一定的關聯(lián)。

以下，筆者以音量和音色與光強和顏色的映射為例，介紹音樂與光互聯(lián)系統(tǒng)設計的原理和方法。

3 音樂與光互聯(lián)系統(tǒng)的原理及設計

音樂與光互聯(lián)系統(tǒng)的設計原理如圖1所示。

計算機軟件負責將聲音信號進行處理，將音量、音色等信息通過串口實時傳至硬件控制設備上，通過控制設備中的微處理器控制不同顏色LED燈進行實時明暗的變化，實現(xiàn)燈光與音樂的互聯(lián)。軟件選擇專門用于音頻與媒體制作的交互式編程語言與Max/MSP開發(fā)環(huán)境；微處理器選擇意大利廠商開發(fā)的Arduino系列處理器；LED燈選擇RGB三色分別可調(diào)的彩色LED模塊。之所以選擇這樣的軟硬件開發(fā)平臺，是因為它們相對純硬件設計而言，具有更高的設計靈活性，在國際范圍內(nèi)得到了工程師和藝術家的廣泛認可，目前已具有成熟的網(wǎng)絡技術分享社區(qū)，其開源的特性便于使用者更快地掌握和進行二次開發(fā)。

關于Max/MSP與Arduino之間的串口通信，武漢音樂學院的孫瀟在《基于Arduino和Max/MSP的“A系”交互裝置之設計與實現(xiàn)》中也有較為詳細的論述，此外Arduino的官方社區(qū)上也很容易找到相關的教程。

3.1 光強與色彩控制原理

3.1.1 調(diào)光強原理

PWM（Pulse Width Modulation）的全稱是脈沖寬度調(diào)制，它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用于測量、通信、功率控制等領域中。其工作原理是通過調(diào)整高頻率矩形波的占空比（即高電平在一個周期之內(nèi)所占的時間比率）來控制輸出的模擬電平，從而實現(xiàn)對輸出電平高低的控制，具有靈活性好、可靠性好的特點。一般而言，微處理器輸出的數(shù)字信號只能是1或0兩個值，即通或不通，控制LED燈的表現(xiàn)為亮或不亮；但是，如果希望LED燈的光強介于最亮和不亮之間且亮度可調(diào)，那么PWM這種調(diào)制方式就提供了可能。圖2為周期為1 s，占空比分別為20%、50%、80%時的矩形波。

微控制器的PWM口輸出的頻率一般為毫秒量級以下，人眼由于有視覺暫留效應，無法分辨出一個如此短時間內(nèi)的通和斷，所以看到的光亮會是一個介于最亮和最暗之間的中間亮度，是一個被大腦處理后的結果。當占空比為0時，LED燈始終處于未接通狀態(tài)，故燈不亮；占空比逐漸增加，一個周期內(nèi)接通的時間逐漸增加，人眼實際看到的亮度也就越來越亮；當占空比變?yōu)?00%時，LED燈在一個周期內(nèi)完全接通，即達到最亮。需要強調(diào)的是，計算機和處理器處理數(shù)據(jù)的速度很快，例如在一個持續(xù)僅0.1 s的音上微處理器上可能已經(jīng)運行了幾百甚至上千個周期（取決于處理器具體端口的輸出頻率），所以LED燈的亮度可以對聲音的音量做出實時響應。

由于光的傳播速度是30×104km/s，聲音的傳播速度是340 m/s，又由于人耳存在哈斯效應，能夠區(qū)分時間差超過50 ms（17 m）的聲音，因此在距離音源和光源17 m以內(nèi)的觀眾區(qū)域，人們聽到的聲音和看到的光是同時的，而超過17 m的區(qū)域，人們先看到光，后聽到聲。為使人們感覺聲光同時到達，需要對PWM脈沖作適當?shù)难訒r。

圖1 音樂與光互聯(lián)系統(tǒng)的原理

圖2 不同占空比時的矩形波

3.1.2 調(diào)色原理

RGB色彩模型是目前廣泛應用于各類電子顯示器的色彩模型，它的原理是利用紅、綠、藍三色的不同配比得到不同的顏色，當紅、綠、藍三者配比為1∶1∶1時，可以得到白光，通過選擇不同的PWM占空比，并將它們的比例控制為1∶1∶1，則可以得到不同亮度的白光。同理，通過調(diào)整紅、綠、藍三者的比例及其占空比，可以得到RGB色彩模型中的任何顏色，實現(xiàn)顏色和亮度的控制。

3.2 系統(tǒng)設計所要考慮的問題

系統(tǒng)根據(jù)不同的條件和用途，大致可分為主動式系統(tǒng)和被動式系統(tǒng)的設計。

（1）主動式系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)音樂部分由創(chuàng)作者預先或現(xiàn)場（創(chuàng)作）完成，音樂信號一方面輸送給揚聲器進行播放，一方面把處理后的信號輸送給微處理器，實時控制光強和顏色進行變化。

（2）被動式系統(tǒng)：音樂通過傳統(tǒng)的方式在系統(tǒng)之外完成，系統(tǒng)用傳聲器拾取聲音，利用Max/MSP進行信號處理分析得出音量和音色信息，將信息輸送給微處理器，控制光的變化。

兩種形式的系統(tǒng)各有優(yōu)劣，主動式系統(tǒng)的穩(wěn)定性相對較高，也更容易實現(xiàn)；被動式系統(tǒng)允許音樂以現(xiàn)有的方式進行演奏，故應用范圍更廣，但它對現(xiàn)場音響效果和拾音設備的質(zhì)量依賴較大，故穩(wěn)定性相對較差。另外，被動式系統(tǒng)實現(xiàn)的結果與信號處理所使用的算法息息相關，其效果還依賴于信號處理領域的成果。

“光隨樂動”的構想成為現(xiàn)實并不難，隨著新媒體技術和科學與藝術的逐漸深度融合，未來也必將出現(xiàn)更多、更豐富的互聯(lián)形式，讓人們從不同的感官體驗到更加美妙的世界。

[1] Bainbridge Bishop. A Souvenir of the Color Organ, with Some Suggestions in Regard to the Soul of the Rainbow and the Harmony of Light，1893.

[2] Alexander Wallace Rimington. Colour-Music The Art Of Mobile Colour. Hutchinson, London，1912.

[3] William Moritz. The Dream of Color Music, And Machines That Made it Possible[J]. Animation World Magazin, 1997.

[4] 韓寶強. 關于“音”的性質(zhì)的討論[J]. 中國音樂學,2002（3）∶27-36.

[5] 韓寶強. 營造夢幻音樂的“新武器”激光樂器[J]. 樂器,2002（10）∶46-47.

[6] 覃曾鋒. 基于音樂特征識別的音樂燈光輔助設計系統(tǒng)[D]. 重慶∶重慶大學,2009.

[7] 全輝. 音樂燈光表演方案輔助設計專家系統(tǒng)的研究[D]. 重慶∶重慶大學, 2010.

[8] 王賢蘭. 音樂燈光表演系統(tǒng)中音樂識別技術研究[J].電聲技術,2010,34（12）∶48-50.

[9] 郭強. 基于音樂情感識別的燈光表演方案設計[J]. 照明工程學報,2010,21（2)∶81-85.

[10] 田錦錦,武振超. 基于單片機技術的音樂燈光控制系統(tǒng)設計[J]. 電子技術與軟件工程,2014（9）∶127-127.

[11] 孫瀟. 基于Arduino和Max/MSP的“A系”交互裝置之設計與實現(xiàn)[D]. 武漢∶武漢音樂學院,2014.

[12] 楊雄里. 色彩：誘人的研究領域[J]. Newton科學世界,2015（7）∶12-45.

梁曉晶，天津大學光學工程在讀碩士，主要研究方向為激光傳輸變換與太赫茲技術。項目經(jīng)歷主要有：集成化THz波發(fā)射器的研究、貝塞爾光束的傳輸變換、具有立體結構且發(fā)光的電子樂器設計、基于RGB模型和十二平均律的圖像聲音轉換研究等。

（實習編輯 王 芳）

A Research about the Interconnected System of Music and Light

LIANG Xiao-jing
（Tianjin University, Tianjin 300072, China）

In this paper, the author introduced the general situation, design mentality and principles of the interconnected system of music and light. The advantages and disadvantages of different design schemes also have been analyzed.

music; light; color; computer; Arduino microprocessor；PWM；RGB

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.11.011