一种钢琴考级评分系统的制作方法

本发明涉及一种乐器领域，尤其涉及一种钢琴考级评分系统。

背景技术：

音乐能够净化人类的灵魂，洗涤人类的心灵，能够开启人类智慧的大门。在众多的乐器中，钢琴以其众多的优越性，成为大众最喜爱的乐器之一，被称为“乐器之王”。钢琴具有以下几个优点：(1)音域宽广，钢琴的88个键几乎包含了音乐活动中所使用的乐音；(2)表现力丰富，钢琴力度可以从ppp(最弱)到fff(最强)，可以奏出不同的音色，可以表达各种各样的情绪与情感；(3)钢琴经常用于课堂教学，声乐、舞蹈伴奏等，是最常用的、效果最好的音乐教学工具；(4)学习钢琴是学习其它乐器的基础，特别是键盘乐器，如手风琴，电子琴，风琴等；(5)学习钢琴是学习其它音乐知识的基础，特别是乐理，和声、作品分析，音乐创作等；(6)学习钢琴是儿童早期音乐教育的最佳手段之一，许多音乐人才是从学钢琴开始的。因此，钢琴作为学习音乐的桥梁，越来越多的人学习钢琴来作为自己的兴趣爱好或者一门专业/业余的技术。

传统的钢琴学习需要请专业的钢琴教师进行指导，不仅学习费用昂贵，并且由于时间和空间条件的限制，不能满足在弹奏钢琴时钢琴教师随时在旁进行指导的需求。钢琴的学习者在进行钢琴的学习时不能根据每一次的弹奏情况实时的考察自己的演奏水平；在准备钢琴的考级时，不能根据弹奏的情况给出一个客观的评价，模拟钢琴考级的评分，产生了辅助钢琴学习和考级的需求。

随着科技的发展，人们对于钢琴学习设备的要求越来越高，出现了可以辅助钢琴学习的设备。如专利cn104036766a发明了一种智能钢琴及系统，在演奏时检测琴键的运动状况，将检测到的琴键的运动信号转换为演奏数据，将乐谱数据和演奏数据进行比较来实现纠错和评分。此种纠错评分方法需要在钢琴的按键或其他位置安装相应的传感器或其他设备，通过检测琴键的运动状况来获得演奏的数据，具有局限性。

此外，现有的乐器评分方法只能对演奏的音高、节奏等数据来进行纠错评分，并不能对演奏的音乐表现力来进行评价。

音乐的表现是指在演奏乐器时，除了手指弹出的音符之外，还给演奏者和听者带来的一种“东西”，它存在于乐音之间，和单纯的乐音不完全是一回事。它的具体表现就是人们所说的美感、情感、情绪、情调、联想、想象、音乐意境、音乐形象，以及音乐语言、音乐逻辑、音乐思维、音乐语调、音乐涵义、音乐趣味、音乐韵味、音乐哲理、音乐风格等，凡是由乐音引来的我们心理上任何类型、任何方面的意会、感受，都可涵括于音乐表现的范畴之中。通俗的说，弹琴不只是单纯地弹出声音，在声音之外，同时还要感觉到了什么，带给了听者什么，有了这个“什么”，就有了音乐表现。比如，作曲家写了一首表现雄伟场面的乐曲，我们也感到了音乐是雄伟的，这样就能表现得令人信服，甚至不必弄清是大海的雄伟、高山的雄伟，还是大地的雄伟、大江大河的雄伟。当然，如果作曲家本意是描写海洋的雄伟，我们也恰好感觉出是海洋的雄伟，肯定，这时我们的音乐表现就更加切合音乐的意境。

音乐表现力在乐器的演奏中是非常重要的组成部分，指在演奏一个音乐作品时，能够表现出作品所要传达出的感情、意境。在钢琴的考级要求中，明确的列出了关于音乐表现力的要求，具体描述如下：能正确表达乐曲内容，准确地把握乐曲的风格特点，有较强的音乐表现力。音乐的表现力在演奏中常常蕴含在音色当中。因此在进行演奏的评分和考级的评分中，音色表现力是一个非常重要的考察项。但现有技术中未见将音色表现力包含在评分标准中的系统、方法或设备。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种钢琴考级评分系统。

本发明针对现有技术需要检测钢琴键盘运动状况，在评分时没有将音色表现力包含在评分标准中的问题，发明了一种钢琴考级评分系统，所述的钢琴考级评分系统通过接收钢琴弹奏的音频信号对演奏的音频信号在音高和节奏的准确性、曲目完整性、音色表现力方面分别进行评价打分和综合评价打分，将音色表现力纳入评价标准，更符合钢琴学习和考级的要求。

本发明采用如下的技术方案：

一种钢琴考级评分系统，所述的考级评分系统通过接收弹奏钢琴的音频信号，根据所述音频信号在音高和节奏的准确性、曲目完整性、音色表现力方面分别进行打分和综合评价打分，辅助钢琴学习和考级，所述的考级评分系统包括曲目选择单元、信号接收单元、信息提取单元、演奏评分单元、报告输出单元，其中：所述的曲目选择单元用于选择进行演奏评分的曲目；所述的信号接收单元用于接收演奏的音频信号；所述的信息提取单元用于提取所述音频信号的演奏信息，并传递给演奏评分单元；所述的演奏评分单元根据所述的演奏信息，与所述曲目选择单元选择的曲目对比，对所述音频信号的音高和节奏的准确性、曲目完整性、音色表现力和综合表现进行评价，计算出评分结果；所述的报告输出单元用于根据演奏评分单元的评分结果生成评分报告并输出。

进一步地，所述的考级评分系统还进一步包括通信单元，所述的通信单元用于所述钢琴考级评分系统与其他设备和/或网络的交互。

所述的其他设备指除自身以外的任意一种设备，可以是另一个钢琴考级评分系统，也可以是具有交互功能的任意一种设备或系统，例如手机、平板电脑、智能手表、话筒、音响等，所述的交互方式可以是传统的利用金属导线、光纤等有形媒介传送信息的有线方式，也可以是不通过有形媒介传送信息的无线方式，例如蓝牙、wifi、2g、2.5g、2.75g、3g、4g通信方式和后续代的通信方式(4g以上的版本)等；所述的网络包括互联网和物联网，既包括系统与云端的交互，也包括系统通过网络与其他设备的交互。

进一步地，所述的通信方式选自有线方式和/或无线方式两种。

所述的有线方式和/或无线方式是指通信选自有线方式、无线方式、有线方式和无线方式。所述的有线方式是指传统的利用金属导线、光纤等有形媒介传送信息的方式，所述的无线方式是指不通过有形媒介传送信息的方式，选自蓝牙、wifi、2g、2.5g、2.75g、3g、4g、5g通信方式和后续代的通信方式(包括5g以上的版本)中的任意一种或任意多种。

进一步地，所述的钢琴评分系统还进一步包括社交分享单元和/或在线学习单元，其中，所述的社交分享单元用于实现评分报告分享、朋友圈排名、学习心得交流；所述的在线学习单元用于实现学习资源的下载和上传。

所述的社交分享单元和/或在线学习单元是指所述的钢琴评分系统可以进一步包括社交分享单元，或进一步包括在线学习单元，或进一步包括社交分享单元和在线学习单元。所述的社交分享单元和/或在线学习单元需要通信单元进行所述钢琴考级评分系统与其他设备和/或网络的交互。

进一步地，如前所述任何一种形式的钢琴考级评分系统，所述演奏评分的曲目来源方式选自以下的任意一种或任意多种：

方式一：使用系统内部储存的曲目；

方式二：通过网络下载的曲目；

方式三：通过外部设备导入的曲目。

进一步地，如前所述任何一种形式的钢琴考级评分系统，所述的信息提取单元对所述音频信号进行降噪预处理，并根据所述音频信号的时域信息和频域信息进行分析，提取所述音频信号的演奏信息；所述的演奏信息包括音符的起始点、音高、时长、响度、音色特征信息。

所述演奏信息的提取，首先根据所述音频信号的时域信息和频域信息分析每个音符的起始点，提取出单个的音符，再根据频域信息分析该音符的基频，即音符的音高，计算音符的时长，根据音符的时域信息和频域信息计算音符的响度信息和音色特征信息。

所述的基频是指基音的频率，基音是指发音体整体振动产生的音(振动长度越大，频率越小)，基音决定音高。

进一步地，如前所述任何一种形式的钢琴考级评分系统，所述的演奏评分单元包括音高准确性评分模块、节奏准确性评分模块、曲目完整性评分模块、音色表现力评分模块、综合评分模块，所述的音高准确性评分模块将所述的音符音高信息与所述曲目选择单元选择曲目的音符音高信息进行对比，进行音高准确性的评分；所述的节奏准确性评分模块将所述的音符起始点和时长信息与所述曲目选择单元选择曲目的音符起始点和时长信息进行对比，进行节奏准确性的评分；所述的曲目完整性评分模块根据所述音频信号与所述曲目选择单元选择曲目的音符音高、起始点、时长的匹配程度，对曲目完成的完整性进行评分；所述的音色表现力评分模块根据所述音频信号与所述曲目选择单元选择曲目的音符响度和音色特征信息的匹配程度，进行音色表现力的评分；所述的综合评分模块根据所述音频信息的音高准确性、节奏准确性、曲目完整性、音色表现力对综合表现进行评分。

进一步地，如前所述任何一种形式的钢琴考级评分系统，所述的音色表现力评分模块根据所述演奏信息中的响度和音色特征信息进行评分，所述的音色特征信息根据所述音频信号的时域信息和频域信息计算得到，包括每个音符的倍频及倍频的幅值、基频和倍频幅值的比。

所述的倍频是指基频的整数倍频率，也是谐音频率，所述的谐音是指发音体部分振动产生的音，也称为泛音，谐音的多寡及各谐音特性(如频率分布、相对强度等)决定音色。

所述音高准确性评分模块的评分标准如下，总分100分：

音高准确性分数

其中，a为音高正确音符个数，n为总音符个数。

当信息提取单元提供的音高信息与标准频率偏差在一定范围内时，则判断弹奏的音符音高正确；否则，判断弹奏的音符音高错误。所述的标准频率是指钢琴上88个键每个键对应的标准频率，如a¹对应的标准频率为440hz。

所述节奏准确性评分模块的的判断标准如下，总分100分：

节奏准确性分数

其中，b为节奏正确音符个数，n为总音符个数。

根据所述音频信息的音符音长信息，计算每一个音符与第一个音符的音长的比值，对比所选择曲目的每一个音符与第一个音符的音长(即拍数)的比值，若两者一致或偏差在一定范围内，则判断该音符的节奏正确；否则，判断弹奏的音符音高错误。

所述曲目完整性评分模块的判断标准如下，总分100分：

曲目完整性分数

其中，a为音高正确音符个数，b为节奏正确音符个数，c为音高正确且节奏正确的音符个数，n为总音符个数，α1为音高正确且节奏正确项所占的比重系数，β1为音高正确项所占的比重系数，γ1为节奏正确项所占的比重系数，三项系数的关系满足α1+β1+γ1＝1。

所述音色表现力模块评分标准如下，总分100分：

音色表现力分数s4＝α2s3+(β2x+γ2y)×100

其中，s3为曲目完整性分数，x为响度匹配度，y为音色特征匹配度，α2为曲目完整性分数项所占的比重系数，β2为响度匹配度项所占的比重系数，γ2为音色特征匹配度项所占的比重系数，三项系数满足α2+β2+γ2＝1。

所述的响度匹配度x的评价标准为响度与曲目中力度记号的匹配程度，所述的力度记号包括最弱(ppp)、很弱(pp)、弱(p)、中弱(mp)、中强(mf)、强(f)、很强(ff)、最强(fff)、渐强(cresc./<)、渐弱(dim/>)、强后即弱(fp)等。

所述的音色特征匹配度y的评价标准为所述音符具有丰富的倍频(基频整数倍的频率)，倍频与基频幅值的比例不低于某一阈值，优选的，阈值设为0.1。

所述综合评分模块的评分标准如下，总分为100分：

综合分数s＝as1+bs2+cs3+ds4

其中，s1为音高准确性分数，s2为节奏准确性分数，s3为曲目完整性分数，s1为音色表现力分数。a为音高准确性分数项所占的比重系数，b为节奏准确性分数项所占的比重系数，c为曲目完整性项所占的比重系数，d为曲目完整性项所占的比重系数，各项系数满足a+b+c+d＝1。

进一步地，如前所述任何一种形式的钢琴考级评分系统，所述的评分报告选自总体报告和/或详细报告，所述的总体报告包括音符错误率和评分、节奏评分、曲目完整性评分、音色表现力评分、综合评分，所述的详细报告包括总体报告的内容、音符音高的错误个数和错误位置、节奏的错误个数和错误位置。

所述的总体报告和/或详细报告是指所述的评分报告选自总体报告、详细报告、总体报告和详细报告。

进一步地，如前所述任何一种形式的钢琴考级评分系统，所述的音色表现力评分满足公式其中，系数满足约束α1+β1+γ1＝1，α2+β2+γ2＝1，a为音高正确音符个数，b为节奏正确音符个数，c为音高、节奏正确音符个数，n为音符总数，x为音符响度匹配度，y为音色特征信息匹配度。

本发明的第二个目的是提供一种钢琴考级评分方法，所述的考级评分方法通过接收弹奏钢琴的音频信号，根据所述音频信号在音高和节奏的准确性、曲目完整性、音色表现力方面分别进行打分和综合评价打分，辅助钢琴学习和考级，所述的考级评分方法包括如下步骤：

(1)通过曲目选择单元选择要进行演奏评分的曲目；

(2)利用信号接收单元接收演奏的音频信号；

(3)通过信息提取单元提取所述音频信号的演奏信息，并传递给演奏评分单元；

(4)演奏评分单元根据所述的演奏信息，与所述曲目选择单元选择的曲目对比，对所述音频信号的音高和节奏的准确性、曲目完整性、音色表现力和综合表现进行评价，计算出评分结果；

(5)报告输出单元根据演奏评分单元的评分结果生成评分报告并输出。

进一步地，所述的考级评分方法还进一步包社交分享步骤和/或在线学习步骤，其中，通过社交分享单元实现评分报告分享、朋友圈排名、学习心得交流；通过在线学习单元实现学习资源的下载和上传。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供的钢琴考级评分系统针对现有技术在评分时没有将音色表现力包含在评分标准中的问题，对演奏的音频信号在音高和节奏的准确性、曲目完整性、音色表现力方面分别进行评价打分和综合评价打分，将音色表现力纳入评价标准，更符合钢琴学习和考级的要求。

2.本发明提供的钢琴考级评分系统通过接收钢琴弹奏的音频信号对演奏进行评价和打分，不需要检测钢琴键盘运动状况，不需要在钢琴上的键盘或其他地方放置相应的传感器设备，更加方便灵活。

3.本发明提供的钢琴考级评分系统在音高和节奏的准确性、曲目完整性、音色表现力方面分别进行评价打分和综合评价打分，涉及钢琴考级所考察的所有项目，能够辅助钢琴的学习，能够用于钢琴的考级。

附图说明

图1为本发明钢琴考级评分系统的组成框图；

图2为本发明实施例中曲目的乐谱示意图；

图3为本发明实施例中信号接收单元接收到的音频信号示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体的实施例详细说明本发明。下面描述了具体实施例以简化本发明。但是需要认识到，本发明不局限于所说明的实施例，并且在不脱离基本原理的前提下，本发明的各种修改是可能的，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

在本发明的说明书和权利要求书中，术语“a和/或b”是指或者a、或者b、或者a和b。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明可以各种形式呈现，以下将描述一个实例。

本实施例所述的钢琴考级评分系统包括曲目选择单元101、信号接收单元102、信息提取单元103、演奏评分单元104、报告输出单元105。图1为本发明钢琴考级评分系统的组成框图。其中，所述的曲目选择单元用于选择进行演奏评分的曲目；所述的信号接收单元用于接收演奏的音频信号；所述的信息提取单元用于提取所述音频信号的演奏信息，并传递给演奏评分单元；所述的演奏评分单元根据所述的演奏信息，与所述曲目选择单元选择的曲目对比，对所述音频信号的音高和节奏的准确性、曲目完整性、音色表现力和综合表现进行评价，计算出评分结果；所述的报告输出单元用于根据演奏评分单元的评分结果生成评分报告并输出。

本实施例的钢琴考级评分系统还包括社交分享单元和在线学习单元，所述的社交分享单元用于实现评分报告分享、朋友圈排名、学习心得交流；所述的在线学习单元用于实现学习资源的下载和上传。

本发明的钢琴考级评分系统在进行评分时需要通过如下步骤：

步骤一：通过曲目选择单元选择要进行演奏评分的曲目。

本实施例选择系统内部储存的钢琴一级考级曲目《玩具》进行演奏评分，曲目的乐谱示意图如图2所示。

步骤二：利用信号接收单元接收演奏的音频信号。

在钢琴上按照乐谱演奏钢琴一级考级曲目《玩具》，信号接收单元接收到的音频信号如图3所示。

步骤三：通过信息提取单元提取所述音频信号的演奏信息，并传递给演奏评分单元。

进一步地，信息提取单元对所述音频信号进行降噪预处理，并将所述音频信号的时域信息通过傅里叶变换得到所述音频信号的频域信息，根据时域信息和频域信息进行分析，提取所述音频信号的演奏信息。所述的演奏信息包括音符的起始点、音高、时长、响度、音色特征信息。

进一步地，所述的音色特征信息根据所述音频信号的时域信息和频域信息计算得到，包括每个音符的倍频及倍频的幅值、基频和倍频幅值的比。

信息提取单元将完整的音频信号经过处理计算出每个音符的起始点，提取出单个的音符，计算音符的时长，通过归一化的自相关函数方法提取出音符的基频，作为音符的音高。对音频信号s(n)，n≤n，n∈n⁺，归一化的自相关函数如下：

其中，s(n+k)为s(n)相邻的音频信号(时延为k)，时延设置为基音周期的整数倍，

音符的响度信息根据所述音频信号的时域信息获得。

步骤四：演奏评分单元根据所述的演奏信息，与所述曲目选择单元选择的曲目对比，对所述音频信号的音高和节奏的准确性、曲目完整性、音色表现力和综合表现进行评价，计算出评分结果；

进一步地，所述的演奏评分单元包括音高准确性评分模块、节奏准确性评分模块、曲目完整性评分模块、音色表现力评分模块、综合评分模块，所述的音高准确性评分模块将所述的音符音高信息与所述曲目选择单元选择曲目的音符音高信息进行对比，进行音高准确性的评分；所述的节奏准确性评分模块将所述的音符起始点和时长信息与所述曲目选择单元选择曲目的音符起始点和时长信息进行对比，进行节奏准确性的评分；所述的曲目完整性评分模块根据所述音频信号与所述曲目选择单元选择曲目的音符音高、起始点、时长的匹配程度，对曲目完成的完整性进行评分；所述的音色表现力评分模块根据所述音频信号与所述曲目选择单元选择曲目的音符响度和音色特征信息的匹配程度，进行音色表现力的评分；所述的综合评分模块根据所述音频信息的音高准确性、节奏准确性、曲目完整性、音色表现力对综合表现进行评分。

演奏评分单元根据信息提取单元提供的音符的音高信息与所选择曲目的音高信息对比。以第一至第四小节为例，本实例如图2所示的曲目对应的音符音高信息按先后顺序(两个声部同时进行)分别为e²、g²、d²、g²、c²、g²、a¹、g¹(第一小节)、e²、g²、d²、g²、c²、a¹、g¹(第二小节)、e²、g²、d²、g²、c²、g²、a¹、g¹(第三小节)、e²、g²、d²、g²、c²(第四小节)。

音高准确性评分模块的判断标准如下：

钢琴上88个键每个键对应一个音符音高，对应一个标准频率，如a¹对应的标准频率为440hz，对应音高e²的标准频率为659.26hz。当信息提取单元提供的音高信息与标准频率偏差在一定范围内时，则判断弹奏的音符音高正确；否则，判断弹奏的音符音高错误。

音高准确性评分模块的评分标准如下，总分100分：

音高准确性分数

其中，a为音高正确音符个数，n为总音符个数。

节奏准确性评分模块的判断标准如下：

根据所述音频信息的音符音长信息，计算每一个音符与第一个音符的音长的比值，对比所选择曲目的每一个音符与第一个音符的音长(即拍数)的比值，若两者一致或偏差在一定范围内，则判断该音符的节奏正确；否则，判断弹奏的音符音高错误。

节奏准确性评分模块评分标准如下，总分100分：

节奏准确性分数

其中，b为节奏正确音符个数，n为总音符个数。

曲目完整性评分模块的判断标准如下，总分100分：

曲目完整性分数

其中，a为音高正确音符个数，b为节奏正确音符个数，c为音高正确且节奏正确的音符个数，n为总音符个数。

音色表现力模块评分标准如下，总分100分：

音色表现力分数s4＝0.4×s3+(0.3×x+0.3×y)×100

其中，s3为曲目完整性分数，x为响度匹配度，y为音色特征匹配度。响度匹配度x的评价标准为响度与曲目中力度记号的匹配程度，所述的力度记号包括最弱(ppp)、很弱(pp)、弱(p)、中弱(mp)、中强(mf)、强(f)、很强(ff)、最强(fff)、渐强(cresc./<)、渐弱(dim/>)、强后即弱(fp)等。例如在本实施例如图2的曲目中符合第七小节响度渐强，第八小节响度渐弱，第十二小节响度渐强等。所述的音色特征匹配度y的评价标准为所述音符具有丰富的倍频(基频整数倍的频率)，倍频与基频幅值的比例不低于某一阈值，优选的，阈值设为0.1。

综合评分模块的评分标准如下，总分为100分：

综合分数s＝0.25×s1+0.2×s2+0.35×s3+0.2×s4

其中，s1为音高准确性分数，s2为节奏准确性分数，s3为曲目完整性分数，s1为音色表现力分数。

步骤五：报告输出单元根据演奏评分单元的评分结果生成评分报告并输出。

进一步地，本实例中的评分报告包括总体报告和详细报告，所述的总体报告包括音符错误率和评分、节奏评分、曲目完整性评分、音色表现力评分、综合评分，所述的详细报告包括总体报告的内容、音符音高的错误个数和错误位置、节奏的错误个数和错误位置。

步骤六：通过社交分享单元将评分报告和学习心得分享到qq、微信、微博等社交平台。

步骤七：通过在线学习单元进行学习资源的上传和下载。在网上获取学习钢琴的视频资源和乐谱，进行个人学习资源的上传。