一种数字弦乐器的交互系统及数字弦乐器的制作方法

本发明涉及乐器技术领域，特别涉及一种数字弦乐器的交互系统及数字弦乐器。

背景技术：

弦乐器，是乐器家族内的一个重要分支，在古典音乐乃至现代音乐中，几乎所有的抒情旋律都由弦乐声部来演奏。可见，柔美、动听是所有弦乐器的共同特征。弦乐器的音色统一，有多层次的表现力：合奏时澎湃激昂，独奏时温柔婉约；又因为丰富多变的弓法(颤、碎、拨、跳等)而具有灵动的色彩。

弦乐器的音色主要依靠弦乐器本身的制作材料和制作工艺决定，而为了保证音质，有时则需要选用优质的材料进行制作，优质的材料以及高超的制作工艺使弦乐器的成本大幅度上升，这些因素使弦乐器难以大范围的传播和学习，不利于文化的传播和传承。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种数字弦乐器的交互系统及数字弦乐器，其具有古琴不再受制于优质材料以及制作工艺，生产成本低，便于古琴的传播和学习的优点。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种数字弦乐器的交互系统，包括：功能模块、触屏输入模块、中央处理模块，资料数据库，

所述功能模块包括弦乐演奏模块、弦乐文化模块、弦乐知识模块、琴曲欣赏模块和弦乐名家模块，

所述弦乐演奏模块，用于人机交互演奏虚拟弦乐器；

所述弦乐文化模块与所述资料数据库连接，用于调取资料数据库中关于弦乐器文化内涵的数据并发送至中央处理模块；

所述弦乐知识模块与所述资料数据库连接，用于调取资料数据库中关于弦乐器知识的数据并发送至中央处理模块；

所述琴曲欣赏模块与所述资料数据库连接，用于调取资料数据库中关于名曲的介绍和欣赏的数据并发送至中央处理模块；

所述弦乐名家模块与所述资料数据库连接，用于调取资料数据库中关于弦乐名家的数据并发送至中央处理模块；

所述触屏输入模块，用于用户信息输入和功能选择，

所述中央处理模块，用于处理数据和根据输入信息选择功能模块。

进一步设置：所述弦乐演奏模块包括古琴演奏模块，所述古琴演奏模块与所述中央处理模块连接用于演奏虚拟古琴。

进一步设置：所述古琴演奏模块包括位置检测子模块、姿态捕捉子模块、技巧检测子模块、音色储存子模块和输出子模块，

所述位置检测子模块用于检测用户手指触碰虚拟古琴位置，输出位置信息至中央处理模块；

所述姿态捕捉子模块用于采集用户手指弹奏的姿态图像，并输出姿态信息至中央处理模块；

所述技巧检测子模块用于检测用户手指按压虚拟古琴的力度以及用户手指划过虚拟古琴的速度，并输出力度信息以及速度信息至中央处理模块；

所述音色储存子模块用于储存不同的音色；

所述中央处理模块根据接收到的位置信息、姿态信息、力度信息以及速度信息从预先存储的位置信息、姿态信息、力度信息、速度信息与调用指令的对应关系中，确定对应的调用指令，所述调用指令调用音色储存子模块中对应的音色并发送给输出子模块；

所述输出子模块用于播放接收到的音色。

进一步设置：所述姿态捕捉子模块包括姿态采集单元、姿态对比单元以及第一储存单元，

所述第一储存单元用于储存姿态信息以及与姿态信息对应的手指姿态图像；

所述姿态采集单元用于实时采集用户弹奏虚拟古琴的手指姿态图像，并将图像发送给姿态对比单元；

所述姿态对比单元实时分析接收到的手指姿态图像，与第一储存单元中储存的手指姿态图像进行对比，获取对应的姿态信息并输出至中央处理模块。

进一步设置：所述技巧检测子模块包括速度检测单元和力度检测单元。

进一步设置：所述速度检测单元包括时间检测子单元、位置检测子单元和计算子单元，

所述位置检测子单元检测用户手指触摸虚拟古琴位置得到第一位置信息以及检测用户手指离开虚拟古琴位置得到第二位置信息，并将第一位置信息以及第二位置信息发送至计算子单元；

所述时间检测子单元对用户手指触摸虚拟古琴至用户手指离开虚拟古琴之间的时间进行采样，得到时间信息发送至计算子单元；

所述计算子单元根据第一位置信息、第二位置信息以及时间信息计算得到速度信息并发送至中央处理模块。

进一步设置：所述力度检测单元包括压力检测子单元、力度对比子单元和第二储存单元，

所述第二储存单元用于储存力度信息以及与力度信息对应的压力信息；

所述压力检测子单元用于检测用户手指按压虚拟古琴的压力，得到压力信息并发送至力度对比子单元；

所述力度对比子单元接收压力信息，与第二储存单元中储存的压力信息进行对比得到对应的力度信息并发送至中央处理模块。

进一步设置：所述姿态采集单元通过摄像头采集用户手指姿态图像。

一种具备包括上述数字弦乐器的交互系统的数字弦乐器，包括琴桌和琴凳，所述琴桌的顶部开设有安装槽，所述安装槽包括后壁和两个正对的侧壁，所述安装槽内设置有升降板，所述升降板的顶部嵌设有触摸屏，所述安装槽内设置有升降装置，所述升降装置用于带动所述升降板升降，所述后壁上开设有捕捉槽，所述捕捉槽内设置有摄像头，所述摄像头用于获取用户手指姿态。

进一步设置：所述升降装置包括升降螺杆，所述安装槽的侧壁上开设有升降槽，所述升降槽内转动连接有升降螺杆，所述升降螺杆的底部同轴连接有升降锥齿轮，所述升降槽内还设置有升降电机，所述升降电机的输出轴连接有传动齿轮，所述传动齿轮与所述升降锥齿轮啮合，所述升降电机运行通过传动齿轮带动升降锥齿轮转动，所述升降螺杆上套设有升降螺母，所述升降螺母的侧壁与所述升降板连接，用于带动所述升降板上升或下降，所述升降螺母位于所述升降螺杆顶部时，所述升降板的顶面与所述琴桌的顶面平齐。

进一步设置：所述安装槽的后壁上设置有红外传感器，所述琴桌内设置有控制器，所述红外传感器、升降电机与所述控制器电性连接，所述红外传感器受到用户手指遮挡时，所述控制器控制升降电机运行带动所述升降螺杆转动，从而带动升降板下降。

综上所述，本发明具有以下有益效果：具备姿态捕捉模块，通过摄像头以及红外感应器拍摄并捕捉演奏者弹奏古琴时手指的姿态，并通过图像比对技术与后台数据库内的指法数据比对得到演奏者所使用的指法姿态，并输出该指法对应的或轻薄或厚重的音色，高度还原不同弹奏姿态所演奏出的音色。具技巧检测模块，包括速度子模块和力度子模块，速度模块检测左手运指时滑过屏幕的距离和时间，运算得到左手运指时的速度的变化，根据对应的速度变化曲线，匹配该速度变化所对应的发音并输出。力度模块检测左手运指以及右手弹弦时对屏幕的按压力度，根据检测得到的力度从后台数据库得到对应的发音并输出。通过技巧模块和姿态捕捉模块能够更好地还原古琴弹奏时不同的力度、指法、速度所呈现的效果，对演奏者的弹奏或者练习有更好的体验感。便于古琴的推广和传播。摄像头以及红外感应器隐藏于桌体内部，平时使用非弦乐演奏模块时不会显现出来影响产品的美观，在使用弦乐演奏模块时，安装有屏幕的桌体下降露出摄像头以及红外感应器，最大程度保证了产品的整体美观度。

附图说明

图1是实施例1数字弦乐器的交互系统的结构框图；

图2是实施例1中古琴演奏模块的结构框图；

图3是实施例2中数字弦乐器的整体结构示意图；

图4是实施例2中升降板下降后的整体结构示意图；

图5是实施例2中升降装置的结构剖视图。

图中，1、琴桌；2、琴凳；3、安装槽；4、升降板；5、触摸屏；6、摄像头；7、红外传感器；8、升降槽；9、升降电机；10、传动齿轮；11、升降锥齿轮；12、升降螺杆；13、升降螺母；31、侧壁；32、后壁。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

如图1和图2所示，一种数字弦乐器的交互系统，包括：功能模块、触屏输入模块、中央处理模块，资料数据库。触屏输入模块，用于用户信息输入和功能选择；中央处理模块，用于处理数据和根据输入信息选择功能模块。其中功能模块包括弦乐演奏模块、弦乐文化模块、弦乐知识模块、琴曲欣赏模块和弦乐名家模块。

弦乐演奏模块，用于人机交互演奏虚拟弦乐器，用户可以根据需求选择不同的乐器，如古琴、电子琴、琵琶、古筝等弦乐器，中央处理模块接收用户通过触屏输入模块输入的选择信息，将不同的虚拟乐器形象通过触屏输入模块呈现。

弦乐文化模块与资料数据库连接，用于调取资料数据库中关于弦乐器文化内涵的数据并发送至中央处理模块，通过触屏输入模块以文字的形式，按照时间顺序讲解各种类的弦乐器的发展与传承的历史。

弦乐知识模块与资料数据库连接，用于调取资料数据库中关于弦乐器知识的数据并发送至中央处理模块，通过触屏输入模块以文字和视频的形式展现多种弦乐器的演奏技法教程，使用户在专业老师录制的技法教程的指导下学习各种弦乐器的演奏技法。

琴曲欣赏模块与资料数据库连接，用于调取资料数据库中关于名曲的介绍和欣赏的数据并发送至中央处理模块，通过触屏输入模块以文字的形式介绍各大历史名曲，并通过音频的形式同步播放各大历史名曲，使用户一边欣赏名曲一边学习各大名曲的知识。

弦乐名家模块与资料数据库连接，用于调取资料数据库中关于弦乐名家的数据并发送至中央处理模块，通过触屏输入模块以文字的形式介绍弦乐大师及弦乐演奏家的经历。

用户通过触屏输入模块进行交互来选择所需的功能模块，触屏输入模块将用户输入的信息发送至中央处理模块，中央处理模块根据用户输入的信息来调用不同的功能模块。

弦乐演奏模块包括电子琴演奏模块，电子琴演奏模块与中央处理模块连接用于演奏虚拟电子琴。在选择进入电子琴演奏模块后，在触屏输入模块上显示电子琴界面。该电子琴界面包含12个琴键区域，12个琴键区域组成一个音组，其中7个为白键琴键区域，5个为黑键琴键区域，从左向右依次为三个白键琴键区域夹两个黑键琴键区域以及四个白键琴键区域夹三个黑键琴键区域。左边三个白键琴键区域所对应的音调依次为c音调、d音调和e音调；右边四个白键琴键区域所对应的音调依次为f音调、g音调、a音调和b音调，黑键琴键区域是分别与相邻的白键琴键区域邻近的半音。用户手指触碰触屏输入模块时，检测其位置信息，确定该位置信息落入的琴键区域，并激活对应琴键区域并输出对应的音符的声音。

弦乐演奏模块包括古琴演奏模块，古琴演奏模块与中央处理模块连接用于演奏虚拟古琴。古琴演奏模块包括位置检测子模块、姿态捕捉子模块、技巧检测子模块、音色储存子模块和输出子模块，

位置检测子模块用于检测用户手指触碰虚拟古琴位置，输出位置信息至中央处理模块，由于古琴包括一弦至七弦共七根琴弦，一弦最粗，到七弦逐渐变细，分别对应徵、羽、宫、商、角、徵、羽七个音，不同的弦弹奏出的音色不同，用户手指与触屏输入模块接触时，位置检测子模块检测接触点的位置信息发送至中央处理模块，从而确定手指拨弹的弦。

姿态捕捉子模块用于采集用户手指弹奏的姿态图像，并输出姿态信息至中央处理模块；技巧检测子模块用于检测用户手指按压虚拟古琴的力度以及用户手指划过虚拟古琴的速度，并输出力度信息以及速度信息至中央处理模块；音色储存子模块用于储存不同的音色；

中央处理模块根据接收到的位置信息、姿态信息、力度信息以及速度信息从预先存储的位置信息、姿态信息、力度信息、速度信息与调用指令的对应关系中，确定对应的调用指令，调用指令调用音色储存子模块中对应的音色并发送给输出子模块。其中位置信息对应古琴中一弦至七弦其中一根，检测到的手指与触屏输入模块的接触点位于哪根弦的范围内即输出该弦的位置信息。力度信息表示用于演奏古琴时手指的力度，力度是指力量的强度，音的响度由振动的幅度决定，而力度的大小决定了振动的幅度，因此，力度与音的响度成正相关关系。影响古琴发音的张力的一个重要因素是左手运指的速度，一般来说，速度越快便越见力度，反之则越是松弛，因此古琴发音的张力与速度信息成正相关关系。位置信息对应古琴不同的弦，不同的弦弹奏出不同的音高，由一弦至七弦，音高依次升高。姿态信息表现得是古琴演奏的指法，不同得姿态信息对应不同的指法，在演奏古琴的过程中手指触弦的位置以及角度与古琴音乐的音质、音色有着密切的关系，因此指法的运用对音色的纯正与否骑着决定性的作用，其中右手的主要指法有擘、托、抹、挑、勾、踢、打、摘及其不同的组合，不同的姿态信息对应着不同的指法。

输出子模块用于播放接收到的音色。需要说明的是，从音色储存子模块中调用的是音色是数字信号，而输出子模块输出的应当是模拟信号，所以需要将调用的音色的数字信号转换为模拟信号，再输送至输出子模块。

姿态捕捉子模块包括姿态采集单元、姿态对比单元以及第一储存单元，第一储存单元用于储存姿态信息以及与姿态信息对应的手指姿态图像，不同的指法所呈现的不同的手指姿态图像均一一对应储存在第一储存单元内。姿态采集单元用于实时采集用户弹奏虚拟古琴的手指姿态图像，并将图像发送给姿态对比单元，姿态采集单元通过摄像头采集用户手指姿态图像。姿态对比单元实时分析接收到的手指姿态图像，与第一储存单元中储存的手指姿态图像进行对比，获取相同或者最相近的姿态图像并将对应的姿态信息并输出至中央处理模块。

技巧检测子模块包括速度检测单元和力度检测单元。速度检测单元包括时间检测子单元、位置检测子单元和计算子单元，位置检测子单元检测用户手指触摸虚拟古琴位置得到第一位置信息以及检测用户手指离开虚拟古琴位置得到第二位置信息，并将第一位置信息以及第二位置信息发送至计算子单元；时间检测子单元对用户手指触摸虚拟古琴至用户手指离开虚拟古琴之间的时间进行采样，得到时间信息发送至计算子单元；计算子单元根据第一位置信息、第二位置信息以及时间信息计算得到速度信息并发送至中央处理模块。

力度检测单元包括压力检测子单元、力度对比子单元和第二储存单元，第二储存单元用于储存力度信息以及与力度信息对应的压力信息；压力检测子单元用于检测用户手指按压虚拟古琴的压力，得到压力信息并发送至力度对比子单元；力度对比子单元接收压力信息，与第二储存单元中储存的压力信息进行对比得到对应的力度信息并发送至中央处理模块。

实施例2：

如图3、4所示，一种数字弦乐器，包括上述实施例中的数字弦乐器的交互系统。包括琴桌1和琴凳2，琴桌1的顶部开设有安装槽3，安装槽3包括后壁32和两个正对的侧壁31，安装槽3内设置有升降板4，升降板4的顶部嵌设有触摸屏5，安装槽3内设置有升降装置，升降装置用于带动升降板4升降，后壁32上开设有捕捉槽，捕捉槽内设置有摄像头6，摄像头6用于获取用户手指姿态。

如图4、图5所示，升降装置包括升降螺杆12，安装槽3的侧壁31上开设有升降槽8，升降槽8内转动连接有升降螺杆12，升降螺杆12的底部同轴连接有升降锥齿轮11，升降槽8内还设置有升降电机9，升降电机9的输出轴连接有传动齿轮10，传动齿轮10与升降锥齿轮11啮合，升降电机9运行通过传动齿轮10带动升降锥齿轮11转动，升降螺杆12上套设有升降螺母13，升降螺母13的侧壁31与升降板4连接，用于带动升降板4上升或下降，升降螺母13位于升降螺杆12顶部时，升降板4的顶面与琴桌1的顶面平齐。安装槽3的后壁32上设置有红外传感器7，琴桌1内设置有控制器，红外传感器7、升降电机9与控制器电性连接，红外传感器7受到用户手指遮挡时，控制器控制升降电机9运行带动升降螺杆12转动，从而带动升降板4下降。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

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