专利名称：一种数字化智能音乐教学仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数字化智能音乐教学仪器，尤其具体指一种应用于音乐教学领域中的数字化智能音乐教学仪器。
背景技术：
音乐的历史源源流长，对音乐的热爱是人们心灵升华的一种表现。人们在劳动中发明了音乐，发明了乐器，也发明了乐理。乐理的出现，真正奠定了音乐的艺术地位，使得人们有了共同的音乐语言，可以相互交流和学习。二十世纪八十年代出现的电子音乐，使音乐发展进入了崭新的境界，数字化音乐、多媒体音乐以及MIDI(Musical InstrumentDigital Interface乐器数字接口)、MP3等音乐形式，源源不断地呈现在人们面前。虽然电子、信息技术的发展给音乐的发展带来了革命性的变化，但是音乐学习、教育技术的发展却远远滞后了。在音乐学习中，节奏感不好、音高不准、听力不佳是一直困扰着绝大多数音乐学习者的难题。节奏是音乐的灵魂，音准是旋律的基础，节奏把握不好、音高不准都将直接影响音乐演奏(唱)的质量。目前人们学习音乐时，普遍采用的音乐辅助练习工具只有节拍器，尤其是几十年前就在使用的木制塔式节拍器仍然被大多数音乐初学者所使用，其可调精度受到本质的限制、不能使人容易感知和掌握音乐的精确时长关系。虽然近几年也出现了一些精度较高的电子或数字节拍器、电子校音器及节奏转换和识别装置，但由于本质上没有变化，还是只能提供固定的节拍/节奏声响，让用户被动地跟着演奏(唱)练习，没有判断功能，不能发挥人们学习音乐的主动性，不能提高音乐学习的趣味性；导致音乐学习者不容易掌握音乐节奏感和音高的准确度，无法提高听力水准。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明的目的是提供一种可以使音乐学习者全面提高音乐基本素养，有效进行音乐节奏训练和音准训练的方法的数字化智能音乐教学仪器。
本发明的另一目的是提供一种可以使音乐学习者能够准确快速掌握音乐节奏和音准、提高听辩能力的数字化智能音乐教学仪器。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为一种数字化智能音乐教学仪器，其包括输入单元、显示单元、识别单元、输出单元以及中央处理单元；所述输入单元包括键盘、开关或拍击器；显示单元包括LCD屏、LCD驱动/控制电路、背光电路或TV或CRT；输出单元包括喇叭、耳机、发光器件；中央处理单元包括单片机及外围电路；所述识别单元由软件部分和硬件部分二部分组成，硬件部分包括高速微处理器及外围电路和A/D转换器；软件部分包括时频分析、模糊识别，以及基于神经网络算法和自适应模板匹配算法的精密识别；所述输入单元的输出端连接于所述中央处理单元上，所述中央处理单元的输出端分别连接于显示单元以及输出单元内；所述识别单元的输出端连接于中央处理单元，且为双向传输。
上述结构中，所述中央处理单元是采用嵌入式处理器或高速DSP控制器，或者所述中央处理单元与所述识别单元合并成一个单元。
上述结构中，所述A/D转换器的输入端连接于MIC拾音电路，外置A/D转换器的输出端连接于内置乘加器的微处理器或嵌入式微控制器或DSP处理器。
上述结构中，音乐信号将经过中央处理单元或者识别单元处理后的音乐信号，可由其输出端分别传递到MIDI输出端口或喇叭或耳机或发光LED或EL荧光显示器的输入端。
上述结构中，所述中央处理单元输出端的数据信号和控制信号，经过LCD驱动/控制电路输入端传递到背光电路输入端上，背光电路输出端连接于所述LCD屏，所述LCD屏输出端连接于触摸屏输入装置上，触摸屏输入装置的输出端连接于所述中央处理单元上，同时LCD驱动/控制电路输出端连接于所述LCD屏；上述需要显示的数据信号和控制信号也可经调制变换后传递到TV或CRT的输入端上。
上述结构中，电源部分可输出直流电压，电源输入可连接AC-DC适配器的输入端或可充电电池或干电池。
上述结构中，所述输入单元是由拾音器(Microphone)和放大电路构成，放大电路的输出端可连接识别单元或中央处理单元的输入端，所述拾音器可安装在整机上或通过专用接口使用外接拾音方式输入；所述输入单元还可由触摸屏输入装置构成，触摸屏输入装置的输入端连接于LCD屏上，触摸屏输入装置的输出端连接于所述中央处理单元上。
上述结构中，所述输入单元还可由MIDI输入接口构成，MIDI输入接口连接于MIDI接口电路，MIDI接口电路的输出端连接于所述中央处理单元上；所述输入单元还可由一个拍击器构成，拍击器由键盘或电器开关构成；拍击器可以安装在整机上，也可以做成外部附件，通过传输信号线及插头与整机相连；所述拍击器也可由感应装置构成，所述感应装置构成方式可以为光电感应或人体感应或压电振动方式；上述拍击器可用无线射频通讯方式传输信号；上述拍击器还可用红外线方式传输信号，红外接收头接收到的红外信号经解调后，进入中央处理单元进行解码和识别。
上述结构中，所述LCD屏可以分别为笔段式LCD或点阵式LCD或同等方式的OLED、TFT-LCD、TFD-LCD、UFB-CLD、STN-LCD取替。
上述结构中，所述中央处理单元还可以直接连接USB接口或RJ45接口进行数据输入/输出；所述中央处理单元还可直接连接非易失性半导体存储器。
使用本产品后，其主要具有以下优点一、本发明可根据具体产品要求组织成音乐的节奏练习器、音准练习器、旋律识别器、自动记谱作曲器、智能节拍器、智能校音器、乐理教学仪、电子音乐练习器等不同产品，为音乐学习提供有力工具；二、本发明的识别系统，可根据音乐学习的要求提供多层次、多级别的特征识别；如演奏或演唱中的节拍识别、节奏识别、速度识别、音高/音准识别、旋律识别及自动记谱等。
三、根据可选择的学习和训练内容，可以独自进行视唱练耳练习，本发明智能化的人机交互练习模式和科学合理的评分激励系统，可有效地激发用户的学习兴趣。
本发明可以模拟教师上课的过程，由老师出题(机器随机出题，无穷题库)，学生答题(输入答案)，老师评判(机器评分)，让学生变被动为主动，对学生更有挑战性。因此，趣味性更浓，学习效果更好。
四、本发明的便携式设计可使用户随时随地进行练习，极大地提高了学习效率。
五、娱教练习1、节奏作曲随机输入节奏，在每个节奏位置填上可以选择的音符，使之成为一个自由创作的乐句。
2、自由作曲在固定节奏的每一个位置填上可以选择的音符(或休止符)，使之成为一个自由创作的乐句。
3、节奏旋律练习在内置MIDI格式的著名乐曲上进行节奏练习，既可按规定速度，也可自由发挥，充分理解和体会节奏和旋律的重要意义。用户可通过电脑或互联网下载更多MIDI格式的著名乐曲进行练习。
4、节奏编程将多种节奏型排列组成2-4小节的节奏乐谱，专门进行针对性训练。
综上所述，与现有技术相比较可知，本产品不仅可以使音乐学习者全面提高音乐基本素养，有效进行音乐节奏训练和音准训练；而且可以使音乐学习者能够准确快速掌握音乐节奏和音准，达到提高听辩能力之效果。
图1为本发明的原理框图；图2为图1的具体结构框图；图3为本发明的软件使用框图；图4为基于笔段的节奏乐谱显示模板一；图5为基于笔段的节奏乐谱显示模板二；图6为基于笔段的节奏乐谱显示模板三；图7为基于笔段的节奏乐谱显示模板四；图8为基于笔段的节奏乐谱显示模板五；图9为基于笔段的节奏乐谱显示模板六；图10为音乐符号；图11为由图10音乐符号组成的五线谱；图12为本发明电源结构框图。
具体实施例方式
请参考图1、2、3所示，一种数字化智能音乐教学仪器，其包括输入单元、显示单元、识别单元、输出单元以及中央处理单元，所述输入单元的输出端连接于所述中央处理单元，所述中央处理单元的输出端分别连接于显示单元以及输出单元内，而所述识别单元连接于中央处理单元，且为双向传输。所述中央处理单元还可与非易失性存储器EEPROM或Flash Memory连接。其中输入单元主要提供给用户进行节奏或音高的输入，输入的信号通过信号转换电路或按键识别电路传输给中央处理单元或识别单元。
所述输入单元包括按键或开关以及拍击器；所述拍击器可由感应装置构成，所述感应装置构成方式可以分别为光电感应式、人体感应式、压电振动式、拍击开关等；拍击器也可以是一个外部附件，通过有线方式或无线方式连接到整机。拍击器连接到整机的无线方式，既可使用无线射频也可使用红外传输方式。同时拍击器输入还可以识别输入的轻、重、缓、急，通过不同的提示音反映给用户。拍击器可以由微动开关组成拍击开关式的，也可以由压电陶瓷组成振动传感式的，还可以由光电检测电路或人体特征检测电路组成感应式的。这些输入方式可由输入控制电路进行选择。既可单独使用，也可组合使用。所述拍击器可用无线射频通讯方式传输信号。所述红外传输方式传输信号，红外接收头接收到的红外信号经解调后，进入中央处理单元进行解码和识别。
所述输入单元还可以是键盘，或者直接输入到中央处理单元。
所述输入单元还可有拾音器(Microphone)和放大电路构成，放大电路的输出端可连接识别单元或中央处理单元的输入端；所述拾音器可安装在整机上或通过专用接口使用外接拾音方式输入。
所述输入单元还可有触摸屏输入装置；触摸屏输入装置覆盖于LCD屏上，触摸屏输出端通过触摸屏控制器连接于所述中央处理单元上。
所述输入单元还可有MIDI输入接口；MIDI输入接口连接于MIDI接口电路，MIDI接口电路的输出端连接于所述中央处理单元上。
所述射频(RF)通讯可采用FSK或APSK编码的超再生方式，载波频率为27MHz或49MHz或415MHz。
所述射频(RF)通讯还可采用蓝牙技术方式，载波频率为2.4GHz。
显示单元包括LCD屏、背光电路、LCD驱动/控制电路；所述中央处理单元输出端将需要显示的数据信号和控制信号，传递到LCD驱动/控制电路输入端和背光电路输入端上，LCD驱动/控制电路输出端连接于所述LCD屏，背光电路输出端连接于所述LCD屏的发光装置。所述LCD屏可以分别为笔段式LCD、点阵式LCD、同等方式的OLED、TFT-LCD、TFD-LCD、UFB-CLD、STN-LCD取替。
显示单元的发明思想是将音乐节奏或音乐乐谱设计成以音乐节拍(如1拍、2拍、3拍、4拍等)为单位的模板，根据不同的组合，形成练习的节奏谱或乐谱，再利用“基于模板的节奏乐谱显示法”将乐谱显示出来。可以组成的模板还有音程模板、音节模板、和声模板、旋律模板。显示单元的显示法分为基于笔段的节奏乐谱显示法及基于点阵的乐谱显示法。
基于笔段的节奏乐谱显示法将音乐符号分成若干个笔画，组合成一个模板(如图4至图11)，使希望出现的音乐节奏都包含在内，根据需要点亮不同的笔画以达到在同一个模板中显示各种不同节奏型的目的。根据不同的使用场合，图形可繁可简，笔画可多可少，以下用图例列举较为优化的六种模板(但不限于)。
模板一(见图4)，将八个三十二分音符用三条符杠连接起来，三条符杠可以分成若干笔画，符头右边放置附点，符头中间放置上下分成两笔的十六分休止符，前面放置一个单笔显示的四分休止符和一个拆分成6笔的三十二分音符和附点(三条符尾各一笔，符干一笔，符头两笔，使它能显示全音符、二分音符、四分音符、八分音符、十六分音符、三十二分音符以及它们的附点节奏)，模板的后面放置三条附尾，一条小节线，一个二分休止符，一条连音线。
这个模板可以显示由全音符、二分音符、四分音符、八分音符、十六分音符、三十二分音符、二分休止符、四分休止符、八分休止符、十六分休止符及其附点组成的各种节奏型，可以显示3连音、5连音、6连音、7连音。
模板二(见图5)，将模板一简化，可以组合显示全音符、二分音符、四分音符、八分音符、十六分音符、三十二分音符、二分休止符、四分休止符、八分休止符、十六分休止符及其附点节奏；可以显示3连音、5连音、6连音。
模板三(见图6)，将模板二简化，可以组合显示全音符、二分音符、四分音符、八分音符、十六分音符、二分休止符、四分休止符、八分休止符、十六分休止符及其附点节奏，可以显示3连音。
模板四(见图7)，将模板三略加变化，将图中第一个符头和第二个符头位置互换，这个方法也适合模板一和二，此模板可以组合显示的节奏型同模板三。
模板五(见图8)，简化的模板，可以组合显示四分音符、八分音符、十六分音符、八分休止符、十六分休止符及其附点节奏；可以显示3连音。
模板六(见图9)，简单的组合，可以显示每一拍互相分开的节奏型。
基于点阵的乐谱显示法本发明将音乐符号(见图10)简称为音素，每个音素都由一个字模组成，音素的数据结构既包含了图形信息，也包含了音乐信息，比如对应不同音符的时值和音高。根据乐谱的不同可在任何位置显示音乐符号，符合乐理中按单位拍组织音符显示的规则，可组合成多小节单声部或多声部的五线谱或简谱形式(见图11)。
识别单元包括软件和硬件二部分，硬件部分包括内置乘加器的微处理器、嵌入式微控制器或DSP处理器、外围电路和多通道A/D转换器，软件部分包括时域数字识别、频域变换及小波分析、模糊识别和基于神经网络算法和自适应模板匹配算法的精密识别。
用户输入的节奏、音高或旋律信息，首先通过输入部分被提取到仪器内部，分别进行放大、带通滤波等处理后，一部分经过V/F转换，直接输入到单片机或DSP处理器进行频率识别，另一部分经过高速A/D转换器后，变成数字量，再经过自适应滤波等数字滤波技术处理后，进行FFT变换和频域分析，综合小波分析、模糊识别和基于神经网络算法和自适应模板匹配算法的精密识别，得到所需要的分析数据，找出用户输入与标准原形模板之间的差距，指导用户的音乐训练。
识别的内容包括节拍识别从用户演奏的乐曲中，提取节拍信息，分析用户演奏中的节拍是否准确？提示用户进行调整。
速度识别从用户演奏的乐曲中，提取速度信息，分析用户演奏中的速度是否准确？是否适应乐曲的变化要求等等，提示用户进行调整。
音符识别从用户演奏的乐曲中，提取音符信息，分析用户演奏中的音符时值和音高是否准确？提示用户进行调整。
乐曲识别从用户演奏的乐曲中，提取整个音乐信息，变化成MIDI格式数据，并生成乐谱。
唱音识别从用户模唱的单音、音节、旋律、音程和声高唱中，提取唱音的基本成份，分析基音和泛音的频率范围，对照练习内容提示用户的音准差异，指导用户进行哼唱练习。
音准识别主要应用于乐器调音。对应用户选定的校音音名，拾取音频信号，进行功率谱分析或拍频检测，音准偏差以赫兹或音分表示，指导用户校音。
输出单元包括MIDI接口、喇叭、耳机、发光LED或EL荧光显示器；所述中央处理单元将经过处理后或者经过识别单元处理后的音乐信号，可由其输出端分别传递到MIDI输出端口、喇叭、耳机、发光LED、EL荧光显示器的输入端。
输出的内容包括节奏点特效音响、音节、音程、和声、旋律、乐曲及人声(包括人声数拍和人声术语发音)，这些数字信息通过MCU内置的或外置的专用DAC转换后，经功率放大直接由扬声器或耳机输出。同时由LED或EL荧光显示器件组成的显示装置可以提示节拍、速度或音频均衡指示等。
所述接口还包括接口控制电路、MIDI接口、USB接口、RJ45接口等。中央处理单元可以通过这些接口进行数据的输入/输出，可以供用户选择连接相应的设备，例如连接有MIDI接口的电子琴，可以输入/输出MIDI信息；连接有USB接口的电脑，可以传输数据或在线升级；连接RJ45，可以访问INTERNET，实现专项浏览和下载等。
本发明涉及多种大规模集成电路的应用，需要多种直流电源，如+5V、+3.3V、+1.8V等，需要对直流电源进行多种变换和有效管理，以得到所需要的工作电压。
请参考图12所示，本发明采用AC-DC适配器输入或可充电电池或干电池供电。采用可充电电池需要对可充电电池的充电过程进行电流、电压、温度等监测和管理，以保证可充电电池的正常使用和寿命。
本发明技术方案是利用数字控制技术，提出了一套音乐教学中难以解决的节奏训练和音准训练方案，主要从单音、节奏、音程、音节、和声、旋律、乐理知识、音乐术语、乐曲鉴赏等各方面进行辅导和辅助练习；根据基本乐理，利用“基于模板的节奏乐谱显示法”，能按照五线谱(简谱)的规范显示乐谱，同时也利用“人机交互智能化节奏/音准识别系统”，对用户的节奏输入、模唱输入、演奏练习等进行判断评分和指导；用户可自己指定学习内容、自编节奏、自编旋律、自主训练、实时提高；也可以按照本发明所规定的教学法，通过乐理学习和交互式练习，迅速提高音乐的基本素质。
本发明数字化智能音乐教学仪器的内部含有以数字形式存放的音色库和多种节奏、音名模板库，模板库采用树型结构和网状结构，便于检索和匹配调用。
权利要求
1.一种数字化智能音乐教学仪器，其特征在于其包括输入单元、显示单元、识别单元、输出单元以及中央处理单元；所述输入单元包括键盘、开关或拍击器；显示单元包括LCD屏、LCD驱动或者控制电路、背光电路或TV或CRT；输出单元包括喇叭、耳机、发光器件；中央处理单元包括单片机及外围电路；所述识别单元由软件部分和硬件部分二部分组成，硬件部分包括高速微处理器、外围电路、A/D转换器；软件部分包括时频分析、模糊识别、基于神经网络算法和自适应模板匹配算法的精密识别；所述输入单元的输出端连接于所述中央处理单元上，所述中央处理单元的输出端分别连接于显示单元以及输出单元内；所述识别单元的输出端连接于中央处理单元，且其为双向传输。
2.如权利要求1所述一种数字化智能音乐教学仪器，其特征在于所述中央处理单元是采用嵌入式处理器或高速DSP控制器，或者所述中央处理单元与所述识别单元合并成一个单元。
3.如权利要求1所述一种数字化智能音乐教学仪器，其特征在于所述A/D转换器的输入端连接于MIC拾音电路，外置A/D转换器的输出端连接于内置乘加器的微处理器或嵌入式微控制器或DSP处理器。
4.如权利要求1所述一种数字化智能音乐教学仪器，其特征在于音乐信号将经过中央处理单元或者识别单元处理后的音乐信号，是由其输出端分别传递到MIDI输出端口或喇叭或耳机或发光LED或EL荧光显示器的输入端。
5.如权利要求1所述一种数字化智能音乐教学仪器，其特征在于所述中央处理单元输出端的数据信号和控制信号，经过LCD驱动/控制电路输入端传递到背光电路输入端上，背光电路输出端连接于所述LCD屏，所述LCD屏输出端连接于触摸屏输入装置上，触摸屏输入装置的输出端连接于所述中央处理单元上，同时LCD驱动/控制电路输出端连接于所述LCD屏；上述需要显示的数据信号和控制信号也可经调制变换后传递到TV或CRT的输入端上。
6.如权利要求1所述一种数字化智能音乐教学仪器，其特征在于电源部分可输出直流电压，电源部分输入可连接AC-DC适配器的输入端或充电电池或干电池。
7.如权利要求1所述一种数字化智能音乐教学仪器，其特征在于所述输入单元是由拾音器(Microphone)和放大电路构成，放大电路的输出端可连接识别单元或中央处理单元的输入端，所述拾音器可安装在整机上或通过专用接口使用外接拾音方式输入；所述输入单元还可由触摸屏输入装置构成，触摸屏输入装置的输入端连接于LCD屏上，触摸屏输入装置的输出端连接于所述中央处理单元上。
8.如权利要求1所述一种数字化智能音乐教学仪器，其特征在于所述输入单元还可由MIDI输入接口构成，MIDI输入接口连接于MIDI接口电路，MIDI接口电路的输出端连接于所述中央处理单元上；所述输入单元还可由一个拍击器构成，拍击器由键盘或电器开关构成；拍击器可以安装在整机上，也可以做成外部附件，通过传输信号线及插头与整机相连；所述拍击器也可由感应装置构成，所述感应装置构成方式可以为光电感应或人体感应或压电振动方式；上述拍击器可用无线射频通讯方式传输信号；上述拍击器还可用红外线方式传输信号，红外接收头接收到的红外信号经解调后，进入中央处理单元进行解码和识别。
9.如权利要求1或5或7所述一种数字化智能音乐教学仪器，其特征在于所述LCD屏可以分别为笔段式LCD或点阵式LCD或同等方式的OLED、TFT-LCD、TFD-LCD、UFB-CLD、STN-LCD取替。
10.如权利要求1所述一种数字化智能音乐教学仪器，其特征在于所述中央处理单元还可以直接连接USB接口或RJ45接口进行数据输入/输出；所述中央处理单元还可直接连接非易失性半导体存储器。
全文摘要
本发明公开一种数字化智能音乐教学仪器，其包括输入单元、显示单元、识别单元、输出单元以及中央处理单元；所述输入单元的输出端分别连接于所述中央处理单元和识别单元上，所述中央处理单元的输出端分别连接于显示单元以及输出单元内，而所述识别单元连接于中央处理单元，且为双向传输；与现有技术相比较可知，本发明可以使音乐学习者全面提高音乐基本素养，准确、快速掌握音乐节奏和音准、达到提高听辨能力之效果。
文档编号G09B15/00GK1746938SQ20051010599
公开日2006年3月15日 申请日期2005年10月8日 优先权日2005年10月8日
发明者陈国顺 申请人:深圳市迪索音乐科技有限公司