計(jì)算機(jī)音樂可視化表征譜設(shè)計(jì)

韋崗 曹燕 王一歌 趙明劍

摘 ?要：MIDI作為一種通用的計(jì)算機(jī)音樂格式，指定了每個(gè)音符的音高、音長(zhǎng)、音強(qiáng)、音色等信息，能被計(jì)算機(jī)理解和編輯。人類聽眾能聽到MIDI音樂，但無(wú)法像面對(duì)五線譜、簡(jiǎn)譜一樣看到相應(yīng)的“樂譜”。簡(jiǎn)譜因其簡(jiǎn)單而被廣泛地應(yīng)用于音樂標(biāo)記，可明確地表征音高，但對(duì)音長(zhǎng)和音強(qiáng)的描述不直觀。五線譜主要針對(duì)音樂專業(yè)人士，普通大眾不易入門和視唱。本文結(jié)合簡(jiǎn)譜與五線譜的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種與MIDI相對(duì)應(yīng)的樂譜——鳥然譜，實(shí)現(xiàn)MIDI音樂的可視化表征。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)音樂;MIDI音樂可視化;表征譜

中圖分類號(hào)：TN912.3;TP18 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）14-0005-03

Design of Visual Representation Spectrum for Computer Music

WEI Gang，CAO Yan，WANG Yige，ZHAO Mingjian

（South China University of Technology，Guangzhou ?510641，China）

Abstract：MIDI，as a general music format for the computer music，specifies the pitch，duration，strength and timbre of each note and can be understood and edited by computers. Human listeners can hear MIDI music，but cannot see the corresponding “musical notation” as they can see the staff and numbered musical notation. The numbered musical notation is widely used in music marker because of its simplicity，which can clearly represent the pitch，but the description of the duration and strength is not intuitive. The staff notation is mainly for music professionals and it is not easy for the general people to get started and sight-sing. This paper combines the advantages of the numbered musical notation and the staff notation and designs a corresponding musical notation for MIDI——Kalaplay notation，which realizes the visualized representation of MIDI music.

Keywords：computer music;MIDI music visualization;representation notation

0 ?引 ?言

MIDI[1]（Musical Instrument Digital Interfaced，樂器的數(shù)字化接口）是一種通用格式標(biāo)準(zhǔn)，于1983由世界幾大音樂制造商，如Sequential、YAMAHA等，共同提出制定，用于解決各個(gè)不同音樂廠商生產(chǎn)的電子音樂設(shè)備不兼容問題，使得電子樂器設(shè)備間不再存在“語(yǔ)言障礙”。與WAV、MP3等大多數(shù)音頻格式不同，MIDI文件記錄的不是波形數(shù)據(jù)，而是一種結(jié)構(gòu)化描述性的“音樂語(yǔ)言”，以字節(jié)記錄所要演奏的樂曲信息，指定每個(gè)音符的演奏時(shí)間、音色、音高、力度等信息。因此，其所占用的存儲(chǔ)量非常少，一首5分鐘左右的音樂只需占用幾到幾十KB的存儲(chǔ)量，而使用MP3、WAV存儲(chǔ)則要幾MB甚至更多。

得益于MIDI是一種結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，使其易于計(jì)算機(jī)編輯和分析，然而對(duì)于人類受眾而言，其可視化程度不高。雖然可以用計(jì)算機(jī)軟件編輯工具查看和編輯MIDI文件，但與熟悉的簡(jiǎn)譜音符表達(dá)“1、2、3、4、5、6、7”相比，人機(jī)交互性相差甚遠(yuǎn)。為此，本文設(shè)計(jì)了一種與MIDI相對(duì)應(yīng)、人類一目了然的樂譜——鳥然譜，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)MIDI音樂的可視化。

1 ?音樂樂譜概述

1.1 ?MIDI音樂譜

計(jì)算機(jī)音樂系統(tǒng)由數(shù)字音頻和樂器的數(shù)字化接口兩個(gè)重要部分所組成，數(shù)字音頻依靠計(jì)算機(jī)對(duì)音頻進(jìn)行錄制、編輯、混合等，存儲(chǔ)為電子音樂設(shè)備都能理解的格式，MIDI正是這個(gè)通用的格式，即數(shù)字化接口，其解決了各個(gè)電子設(shè)備之間的交流，卻沒有解決人和電子設(shè)備之間的交互。

計(jì)算機(jī)MIDI音樂譜是MIDI文件。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的MIDI文件包含一個(gè)MIDI文件頭塊（Head Chunk）和多個(gè)音軌塊（Track Chunk）[2]。各音軌塊記錄控制音樂播放的“指令流”，可分為全局音軌和分音軌。全局音軌記錄一些全局信息，如歌曲的標(biāo)題和版權(quán)等附加信息、樂曲播放的速度、系統(tǒng)碼等。分音軌主要記錄音樂播放的事件，其中MIDI事件是音軌塊中控制音樂電子設(shè)備如何播放音樂的重要指令事件，MIDI事件包括音符事件、控制器事件、音色轉(zhuǎn)換事件[3]等。

MIDI能被計(jì)算機(jī)相關(guān)的軟件解析和理解，也能被電子音樂的播放設(shè)備翻譯為音樂使我們聽到，但是MIDI音樂中流動(dòng)的音符是聽得見，卻看不到的。有專業(yè)軟件可以把MIDI制譜為五線譜或者簡(jiǎn)譜，五線譜和簡(jiǎn)譜在應(yīng)用中各有優(yōu)劣，下節(jié)中將簡(jiǎn)要論述。

1.2 ?簡(jiǎn)譜和五線譜

簡(jiǎn)譜是一種簡(jiǎn)易的記譜法，采用“1、2、3、4、5、6、7”代表音階中的7個(gè)基本級(jí)，讀音為“do、re、mi、fa、sol、la、si”，也稱為唱名，休止用0表示。在簡(jiǎn)譜中唱名每隔八度循環(huán)[3]，在音符上方加一個(gè)點(diǎn)表示高八度，下方加一個(gè)點(diǎn)表示低八度，依次類推。如中音“1”到高音“i”相隔一個(gè)八度，從“i”開始下一個(gè)高音段的循環(huán)。簡(jiǎn)譜的音高表述符號(hào)簡(jiǎn)單直觀，但是對(duì)于音長(zhǎng)和音強(qiáng)的表述則不太直觀。

五線譜[4]是目前世界上通用的記譜法，是在五根等距離的平行橫線上標(biāo)注。五線譜以五線和四間來(lái)描述音高，相對(duì)于簡(jiǎn)譜，五線譜的優(yōu)點(diǎn)是易于展示音的高低，對(duì)復(fù)雜的和聲（在一個(gè)位置上有幾個(gè)音同時(shí)出現(xiàn)）容易識(shí)別，視覺非常清楚;在表示旋律方面，尤其是高低不同的眾多音的形態(tài)更是比較清楚。但是五線譜不是基于唱名設(shè)計(jì)的，不具有循環(huán)特征，很難在五線四間中哼出唱名，不利于視唱，由此很多音樂家[5]也在積極思考使五線譜朝著可讀性（如彩色五線譜以及簡(jiǎn)譜）方向改進(jìn)的方法，推動(dòng)五線譜的發(fā)展。

無(wú)論是簡(jiǎn)譜還是五線譜，對(duì)于音符時(shí)間長(zhǎng)度（即音長(zhǎng)）的描述，本質(zhì)上都是采用時(shí)間均分加權(quán)和，配上符號(hào)記法規(guī)則來(lái)表征[6]，因此需要進(jìn)行一些計(jì)算才能得出音符的時(shí)長(zhǎng)，不夠直觀。對(duì)于MIDI音樂而言，其音長(zhǎng)是連續(xù)變化的，用時(shí)間均分加權(quán)和來(lái)表述音長(zhǎng)非常不直觀。

綜上可見：簡(jiǎn)譜可表現(xiàn)出唱名，便于視唱，但是把MIDI文件中的很多描述都丟失了;五線譜便于記譜，但是與八度循環(huán)唱名、音長(zhǎng)等方面缺乏一目了然的對(duì)應(yīng)關(guān)系，視唱困難，不利于面向大眾的音樂應(yīng)用。

鑒于此，本文汲取MIDI譜、簡(jiǎn)譜及五線譜的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出可將音高、音長(zhǎng)和音強(qiáng)等音樂要素一目了然展現(xiàn)的樂譜，借用“一目了然譜”之諧音，稱其為鳥然譜。鳥然譜用規(guī)整圖形化的阿拉伯?dāng)?shù)字表示音符，可像五線譜一樣按音高階梯式排列音符;用長(zhǎng)度連續(xù)的延長(zhǎng)線表示音長(zhǎng);用圖形框的粗細(xì)表示音強(qiáng)。鳥然譜既可用于視唱，也可用于樂器的演奏。尤其可方便地將MIDI文件轉(zhuǎn)換成可視化樂譜，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)MIDI音樂的可視化，讓普通大眾邊聽音樂邊看樂譜，一目了然。

2 ?鳥然譜規(guī)則

鳥然譜由說(shuō)明字段和記譜內(nèi)容組成。

2.1 ?鳥然譜的說(shuō)明字段

說(shuō)明字段包括：調(diào)號(hào)說(shuō)明、時(shí)號(hào)說(shuō)明和拍號(hào)說(shuō)明標(biāo)記在曲譜的前面、曲譜名的下面。

為了便于與MIDI精確接軌，鳥然譜將調(diào)號(hào)與時(shí)號(hào)相結(jié)合，采用與簡(jiǎn)譜、五線譜類似但不完全相同的方法來(lái)標(biāo)記;拍號(hào)則沿用簡(jiǎn)譜、五線譜的記法。

例如：鳥然譜用表示D大調(diào);數(shù)字90的含義是方框的寬度為1/90分鐘時(shí)間標(biāo)尺;表示節(jié)拍為八分之六拍。

調(diào)號(hào)說(shuō)明、拍號(hào)說(shuō)明和時(shí)號(hào)說(shuō)明，在曲譜開始處標(biāo)記;如果中途不變，只需標(biāo)記一次;如果中途有變化，則再標(biāo)出新的調(diào)號(hào)、時(shí)號(hào)和拍號(hào)。若只是節(jié)拍變化，則可只改變拍號(hào)。

2.2 ?鳥然譜的記譜內(nèi)容

記譜內(nèi)容在調(diào)號(hào)說(shuō)明、拍號(hào)說(shuō)明和時(shí)號(hào)說(shuō)明之后，采用小節(jié)的形式描述。為了便于劃分強(qiáng)弱規(guī)律，識(shí)別強(qiáng)拍位置，在每個(gè)強(qiáng)拍前加畫一條豎線“|”，稱為小節(jié)線。兩相鄰小節(jié)線之間的部分稱為“小節(jié)”，是音樂作品中最基本的有規(guī)律的節(jié)奏單位，每個(gè)小節(jié)包含的節(jié)拍數(shù)和拍號(hào)說(shuō)明是一致的。每拍用分小節(jié)豎線分隔，分小節(jié)豎線比小節(jié)線細(xì)一點(diǎn)。

音符是曲譜的基本表征單元。借鑒簡(jiǎn)譜與漢字方塊字的思想，鳥然譜將阿拉伯?dāng)?shù)字、“+”“-”及“.”等符號(hào)組合在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方框內(nèi)，用于表示音符;而方框?qū)挾葎t表示時(shí)間比例標(biāo)尺。

鳥然譜的基本音符為擴(kuò)展唱名組：、、、、、、、、、、、，以及延長(zhǎng)音“-”和八度分區(qū)標(biāo)識(shí)“.”列;用空白表示休止符。該擴(kuò)展唱名組中的12個(gè)唱名可與鋼琴一個(gè)八度[7]音程內(nèi)的12個(gè)鍵一一對(duì)應(yīng)。對(duì)于C大調(diào)，擴(kuò)展唱名“、、、、”與鋼琴中央C八度音程的5個(gè)黑鍵相對(duì)應(yīng)。

鳥然譜高低音的記法與簡(jiǎn)譜類似，但有區(qū)別。簡(jiǎn)譜的記法是在音符的上方（下方）加“.”表示高音（低音），在上方（下方）每增加一個(gè)“.”代表增加一個(gè)八度，點(diǎn)越多，表示音越高（越低）。不難看出，當(dāng)樂譜包含的八度音程很多時(shí)，簡(jiǎn)譜的這種高低音記法占用的行空間多、不緊湊;此外，這種高低音記法與鋼琴的高低音琴鍵分布不一致。我們知道，鋼琴左側(cè)（右側(cè)）琴鍵彈的是低音（高音），為此，鳥然譜在音符的左側(cè)（右側(cè)）加“.”列來(lái)表示低音（高音），與鋼琴的鍵盤分區(qū)直觀對(duì)應(yīng)。

比如同樣的高低音符，簡(jiǎn)譜記為：“”和“”，鳥然譜則記為： 和 ?。可見用鳥然譜表征具有多個(gè)八度音程的樂譜更方便，如鋼琴曲等。

鳥然譜音長(zhǎng)的記法非常簡(jiǎn)潔，用不同長(zhǎng)度的延長(zhǎng)線“-”表示音長(zhǎng)。延長(zhǎng)線的長(zhǎng)度是以音符方框的寬度為時(shí)間比例標(biāo)尺，按該音符的持續(xù)時(shí)間來(lái)確定。與簡(jiǎn)譜、五線譜需要計(jì)算才能確定音長(zhǎng)的記法不同，鳥然譜的音長(zhǎng)可直接目視定出。此外，鳥然譜的音長(zhǎng)可取任意連續(xù)值，容易與MIDI譜一一對(duì)應(yīng)，這也是簡(jiǎn)譜、五線譜不具備的特點(diǎn)。

鳥然譜用音符方框上邊框線的粗細(xì)來(lái)表示音符力度的強(qiáng)弱，也很直觀。

2.3 ?鳥然譜示例

如圖1所示是《平安夜》曲子的簡(jiǎn)譜和鳥然譜表示。對(duì)比可知，鳥然譜的音長(zhǎng)更容易把握，且音高也更明晰。

3 ?鳥然譜制作

由上述文字及圖1可知，相比傳統(tǒng)的五線譜、簡(jiǎn)譜等記譜方法，圖示化的鳥然譜一目了然。但從樂譜制作的角度看，人工書寫鳥然譜的復(fù)雜度，則比傳統(tǒng)的記譜方法大得多。鳥然譜制作需計(jì)算機(jī)輔助，主要的優(yōu)勢(shì)是可以在數(shù)碼電子屏上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)展示。

鳥然譜和計(jì)算機(jī)MIDI音樂是對(duì)應(yīng)的，因此很容易由MIDI文件轉(zhuǎn)換制作。MIDI文件中的元事件表示MIDI音樂自身的屬性，如曲名、歌曲版權(quán)、速度、節(jié)拍信息、調(diào)號(hào)信息等。這個(gè)信息抽取出來(lái)就變成了鳥然譜中的說(shuō)明字段。MIDI文件中有專門記錄音樂播放的MIDI音符事件，該事件是表征曲譜該如何隨時(shí)間顯示音符的，因此可以按照此事件來(lái)制作動(dòng)態(tài)的鳥然譜，即是制作鳥然譜中的記譜內(nèi)容。

如表1所示是一個(gè)常見MIDI事件的解析，其中包含了音符的很多屬性，如音符序號(hào)為67，音量為80，開始時(shí)間，結(jié)束時(shí)間等。根據(jù)調(diào)式和音符序號(hào)67，翻譯出這個(gè)MIDI事件對(duì)應(yīng)的音符為 ?，根據(jù)持續(xù)時(shí)間0.3947s以及速度每分鐘76拍，轉(zhuǎn)換出音長(zhǎng)信息——半拍，由此可以制作為簡(jiǎn)單的記譜內(nèi)容 ?，只有半拍的音長(zhǎng)。

根據(jù)MIDI音樂制作的鳥然譜容易按需拆分成多個(gè)分譜，只要把MIDI事件拆分成多個(gè)子集即可，如拆分成多個(gè)聲部，或者拆分成主旋律和和弦，或者根據(jù)彈奏分成左手和右手對(duì)應(yīng)的手指等。

4 ?鳥然譜播放器

鳥然譜播放器是播放鳥然譜的數(shù)碼電子設(shè)備，能輔助人們視唱、彈鋼琴等。因具有按需播放、自動(dòng)翻頁(yè)等功能，鳥然譜播放器是業(yè)余鋼琴練習(xí)者的好伴侶，故稱之為鳥然譜琴侶，或簡(jiǎn)稱琴侶?？苫谄桨咫娔X開發(fā)鳥然譜琴侶，具有如下特點(diǎn)[8]：

（1）多個(gè)琴侶可編成一組，無(wú)線同步播放鳥然譜多聲部音樂。我們知道，多聲部音樂同步播放的延時(shí)應(yīng)當(dāng)在毫秒以下，而Wi-Fi、4G等公眾無(wú)線通信方式的同步時(shí)延在秒級(jí)甚至秒級(jí)以上，故不能用于琴侶的無(wú)線同步。為此，可采用公用遙控頻段無(wú)線電廣播技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)琴侶之間毫秒級(jí)的無(wú)線同步播放。

（2）可任意從琴侶組中選定一個(gè)中心琴侶，指揮其他琴侶進(jìn)行分時(shí)顯示、自動(dòng)翻頁(yè)、音頻播放等。

（3）中心琴侶可從云端下載鳥然譜，分發(fā)給組內(nèi)其他琴侶。

5 ?結(jié) ?論

本文提出一種可視化的計(jì)算機(jī)MIDI音樂表征方法——鳥然譜。鳥然譜神似漢字，形似小鳥，由阿拉伯?dāng)?shù)字及“+”“-”“.”等簡(jiǎn)單符號(hào)組成，音高、音長(zhǎng)及音強(qiáng)等音樂要素一目了然。鳥然譜的最大特點(diǎn)是可由MIDI文件自動(dòng)生成，并且容易與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，形成各種互聯(lián)網(wǎng)數(shù)碼音樂系統(tǒng)，甚至是互聯(lián)網(wǎng)數(shù)碼音樂新生態(tài)。例如，基于無(wú)線同步平板電腦的鳥然譜琴侶[9]，可實(shí)現(xiàn)MIDI音樂與鳥然譜同步顯示播放等眾多功能，在輔助非音樂專業(yè)人士學(xué)習(xí)鋼琴、識(shí)譜視唱、業(yè)余合唱等方面有廣泛的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：韋崗（1963-），男，漢族，廣西賓陽(yáng)人，教授，博士生導(dǎo)師，就職于國(guó)家移動(dòng)超聲探測(cè)工程技術(shù)中心，主任，博士，研究方向：信號(hào)檢測(cè);通訊作者：曹燕（1980-），女，漢族，重慶人，副教授，博士，研究方向：聲信號(hào)處理。