基于柔性傳感器的歌手養(yǎng)成訓(xùn)練系統(tǒng)

付錦溪，王宇飛，丁菲，安曉峰

（吉林工程技術(shù)師范學(xué)院 信息工程學(xué)院，吉林 長春 130000）

0 引言

當(dāng)代聲樂教學(xué)中廣泛使用聲音測評軟件對學(xué)生進行發(fā)音練習(xí)及測試，既能達到良好的訓(xùn)練效果，也能使得學(xué)生有很好的表現(xiàn)空間，符合當(dāng)下“以人為本”的教育理念[1]。據(jù)相關(guān)信息統(tǒng)計，我國三十多個省市自治區(qū)和直轄市中的二百多所高等院校都設(shè)立了播音主持專業(yè)，每年畢業(yè)自播音主持藝術(shù)專業(yè)的學(xué)生多達上萬人，因此培養(yǎng)這一類專業(yè)人才的問題變得更為重要[2]。結(jié)合信息技術(shù)與音樂教學(xué)可以大大提高音樂教學(xué)的效率[3]。如今，市場上雖然有一些K歌軟件，但仍存在誤差等各種不精確的評判，人們無法依據(jù)這些軟件去調(diào)整準(zhǔn)確的聲調(diào)。與此同時，當(dāng)下很多工作和業(yè)務(wù)都已經(jīng)實現(xiàn)了完全的線上操作，借助網(wǎng)絡(luò)資源進行學(xué)習(xí)也成為一種趨勢。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)組成

我們研制的可穿戴歌手養(yǎng)成訓(xùn)練系統(tǒng)分為四個部分：電源模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，傳輸模塊，接收終端及顯示模塊。電源模塊負(fù)責(zé)給各個模塊供給電源。液態(tài)金屬震動傳感器、濕度傳感器、聲卡構(gòu)成數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊將收集的數(shù)據(jù)保存。傳感器貼在用戶的胸部、喉部、話筒等部位上，傳感器會實時地將所獲得的數(shù)據(jù)通過藍牙或者無線網(wǎng)絡(luò)輸送給接收終端。由接收終端進行程序數(shù)據(jù)顯示、處理和識別，讓使用者能夠?qū)崟r看到對比結(jié)果。結(jié)果是通過語音頻譜圖顯示，根據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)音數(shù)值相差結(jié)果，及時調(diào)整聲調(diào)，使用戶更加接近標(biāo)準(zhǔn)音。

1.2 優(yōu)勢

和常見的電子應(yīng)變傳感檢測器相比較，柔性電子應(yīng)變傳感器克服了其易脆缺點，具備柔性輕薄的特點，同時具有優(yōu)良的透明性、可連續(xù)檢測與可穿戴性等優(yōu)勢。

1.3 過程

傳感器的基底材料在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，傳感器的微流通道的形狀和尺寸發(fā)生改變，其電阻值也隨之發(fā)生變化；然后通過傳感器對應(yīng)的測量電路將電阻轉(zhuǎn)換成電信號；最后信號采集部分將該電信號采集、放大并傳輸?shù)诫娦盘柼幚聿糠诌M行處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集程序

在儀器開發(fā)軟件LabVIEW和雙諾的MP420采集卡的基礎(chǔ)上，我們開發(fā)了一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其具有性價比較高的特點，并有數(shù)據(jù)采集、讀取、存儲與波形顯示等主要功能。因為LabVIEW有強大的信號分析處理功能，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以擴充其它后續(xù)會需要的功能。圖1給出了MP420_AD.VI子程界面圖。在系統(tǒng)軟件開始運行之前，用戶會先進行參數(shù)設(shè)置，包括起始/停止通2道的選擇、A/D的輸入量程、采樣模式、采樣頻率的設(shè)定并啟動A/D采樣。

圖1 MP420_AD.VI子程界面圖

2.2 數(shù)據(jù)存儲

將DA FIFO讀取的數(shù)據(jù)，存儲在其它的數(shù)組或硬盤之中。本文讀取出的數(shù)據(jù)，會以文本文件的形式進行保存。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

用戶使用由液態(tài)金屬搭載的電子標(biāo)簽，其主要功能為當(dāng)檢測到佩戴者聲音狀態(tài)發(fā)生改變時，電子標(biāo)簽的形狀及運動狀態(tài)也會隨之發(fā)生改變，將檢測標(biāo)簽的形變及速度變化產(chǎn)生的實時信號傳送至監(jiān)測模塊。

根據(jù)發(fā)聲檢測儀的設(shè)計需求來看，整個產(chǎn)品應(yīng)分為狀態(tài)初始化模塊、語音錄入模塊、唱歌檢測模塊、發(fā)聲錯誤提醒模塊、數(shù)據(jù)錄入等。軟件界面包括用戶登陸界面、主頁、測試過程界面、聲音測試界面、數(shù)據(jù)結(jié)果查詢界面等[4]。

3.1 狀態(tài)初始化模塊

狀態(tài)初始化模塊主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)內(nèi)自帶的各種功能函數(shù)、各種外設(shè)接口和功能模塊等進行初始化的配置。在用戶使用過程中接受聲音狀態(tài)信號，設(shè)計實現(xiàn)了一個功能獨立，接口靈活的服務(wù)架構(gòu)，實時狀態(tài)更新檢測模塊的主要功能是由電子標(biāo)簽的位移來實現(xiàn)對人體發(fā)聲狀態(tài)的判斷。軟件UHFREADER是對讀寫器的調(diào)控軟件，通過此軟件可以通過串口連接讀寫器并對讀寫器進行參數(shù)的收集并分析。UHFREADER可以直接讀取RFID標(biāo)簽，此功能為歌唱系統(tǒng)的精確感知搭建了良好的基礎(chǔ)。

3.2 語音錄入模塊

語音錄入模塊主要是輸入語音數(shù)據(jù)，鏈接數(shù)據(jù)庫，實時監(jiān)測人體發(fā)聲部位和發(fā)音錯誤。狀態(tài)監(jiān)測模塊的主要功能是監(jiān)測電子標(biāo)簽的形變和位置并對其分析判斷是否發(fā)出報警信號，如果發(fā)出則傳輸至通信網(wǎng)絡(luò)終端；該模塊通過合理引導(dǎo)，進入列表頁后，首先加載布局文件，并為頁面中的元素設(shè)置響應(yīng)事件。依據(jù)流程指示用戶進行聲音輸入，為后續(xù)功能的使用提供聲音素材。語音錄入界面可選擇系統(tǒng)提供的文稿/歌曲，也可以選擇自由歌誦。同時為了讓用戶能找到想要的歌曲，首先配置用戶聲音，輸入此模塊，繼而啟動聲音輸入采集、讀取輸入聲音、通知聲音輸入采集、聲音輸入清零[5]。

3.3 無線通信模塊

無線通信模塊功能為在報警處理后進行無線通信，控制無線通信模塊發(fā)送遠程報警信息至手機電腦等移動端。在系統(tǒng)初始化之后，將實時監(jiān)測人體發(fā)聲部位震動頻率，并對實時數(shù)據(jù)加以處理，反饋到系統(tǒng)，給使用者制定更加適合的唱歌訓(xùn)練方式。

4 系統(tǒng)測試

圖2所示為用戶發(fā)聲氣息監(jiān)測示意，當(dāng)監(jiān)測到人體發(fā)聲部位異常，音準(zhǔn)錯誤，會立即進行實時的警報矯正，以告知使用者使用正確的發(fā)聲部位。當(dāng)佩戴者電子標(biāo)簽形狀及運動狀態(tài)發(fā)生改變時，監(jiān)測模塊會立即對電子標(biāo)簽的狀態(tài)及位置進行分析，并且發(fā)出警告；模塊通過實時監(jiān)測電子標(biāo)簽的位置，依照發(fā)音正誤做出反應(yīng)，實時提醒用戶更改發(fā)音行為。根據(jù)流程創(chuàng)造實時提醒頁面，給用戶提供發(fā)生錯誤反饋，通過警報的方式使用戶達到修改本人發(fā)聲部位的目的。

圖2 用戶發(fā)聲氣息監(jiān)測示意圖

經(jīng)功能測試后，系統(tǒng)完全實現(xiàn)了預(yù)定功能：若用戶發(fā)聲出現(xiàn)不規(guī)范現(xiàn)象，頻譜圖會及時對比報錯并給出正確曲線，使用戶進行調(diào)整直至回到正確曲線。

5 結(jié)語

本設(shè)計解決了聲樂無法完全實現(xiàn)線上教學(xué)、聲樂老師短缺及費用昂貴等問題。此系統(tǒng)通過傳感器對發(fā)聲部位及強度做出精準(zhǔn)的檢測，并結(jié)合大數(shù)據(jù)及人工智能給出最優(yōu)改正方案?；谌嵝詡鞲衅鞯母枋逐B(yǎng)成訓(xùn)練系統(tǒng)可以成為聲樂教學(xué)或自學(xué)的輔助。用戶在尋求指導(dǎo)時，可以使用精確的數(shù)字闡述自身存在的問題，減少了溝通方面的成本，將學(xué)習(xí)成果數(shù)據(jù)化、可視化。從經(jīng)濟的角度來說，產(chǎn)品方便、快捷、易上手，在很大程度上為人們節(jié)約了場地、教師，且可以重復(fù)利用。這為學(xué)習(xí)聲樂的人群降低了成本。從服務(wù)的角度來說，產(chǎn)品為每個人提供了做出發(fā)聲檢測、給出精確數(shù)據(jù)并針對具體應(yīng)用場景提供改正方案的服務(wù)，降低了用戶提高聲音質(zhì)量的門檻。為想要接受專業(yè)音樂指導(dǎo)的人作出具有針對性、專業(yè)性的評判結(jié)果以及矯正方案。解決了往?？繉?dǎo)師進行指導(dǎo)存在的人耳校準(zhǔn)系統(tǒng)不準(zhǔn)確、評判結(jié)果各不相同的問題。同時本產(chǎn)品記錄用戶每次使用的評判結(jié)果，將其納入數(shù)據(jù)庫中，給予用戶精準(zhǔn)的數(shù)字化評判結(jié)果，為用戶的進一步發(fā)展提供解決方案。