宋倩雯（咸阳师范学院音乐学院，陕西咸阳，712000）

信息技术下的校园音乐乐器教学素材开发

宋倩雯
（咸阳师范学院音乐学院，陕西咸阳，712000）

文章利用嵌入式技术和数字视频技术设计了一款基于视频的无键盘虚拟乐器演奏系统，该系统能够集成到诸如音乐教具、音乐设备等系统中，应用前景广泛。

虚拟乐器；数字视频处理；MIDI

0 引言

在音乐教学中，由于所需的民族乐器和西洋乐器的价钱较为昂贵，高校教育资金不足严重制约着音乐教学事业的发展，而且即使高校能够提供各种乐器，任教的教师也不一定能够掌握对此类乐器的使用，进而会影响到学生对乐器的充分了解以及对音乐的把握。而虚拟乐器的出现在一定程度上解决了此类问题，它是一种借用计算机处理资源创建及回访声音的软件。它能够对硬件诸如模拟或电钢琴、风琴、数字合成器乃至原声乐器的模拟再现。可以说，虚拟乐器的概念最早是从硬件数字合成器内部声音引擎提炼出来的，但是随着科学技术的发展，它的硬件平台逐步由通用计算机所代替，计算机能够提供更为动态、更为细腻的声音的采样，这些都是硬件合成器所无法达到的，这一跨越使得虚拟乐器的发展变得势不可挡。

MIDI是用于在电子乐器、音乐合成器和计算机之间交换音乐信息的一种标准，它以字节的形式对所要演奏的乐曲信息进行表述，采用的是一种描述性的“音乐语言”，MIDI技术的出现大大改善了音乐制作的效果。虚拟乐器的发展与MIDI音乐技术也是紧密相连的，MIDI设备若要实现通信需要经过MIDI接口发送数字编码，这些编码就相当于音乐中的乐谱，包含了各种音乐要素的信息，这些数字编码被相关设备的合成器接收后，会通过解码将其生成制定的音乐。

二十一世纪依靠电脑和高级音效设备制作出来的音乐目前已经达到了一个相当高的境界，音乐制作技术的出现伴随着科技的进步而突飞猛进地发展，为高校音乐教学提供了良好的平台，即使学校在乐器设备上提供不足，教师也可借助先进的计算机技术为学生创造出具有先进意义的音乐教学素材，为专业音乐学生提供更便利、更简洁的乐器演奏、教学、练习、娱乐工具。

1 虚拟乐器与MIDI音乐技术

计算机技术自身的蓬勃发展不仅提升了传统技术的水平，而且对其表现形式与结构的改变也是极为显著的，由此虚拟现实、虚拟音乐、虚拟仪器等各种虚拟技术同时得到了迅猛发展。虚拟现实技术是借助计算机对现实世界进行全面仿真的技术，实现一种人们能够通过视觉、听觉、触觉等感受到的虚拟环境。可以说，目前虚拟现实技术在教育领域内有着极其巨大的应用前景，这主要取决于该技术能够创建出与现实社会相类似的环境，从而解决教学过程中学习媒体的情景化及自然交互性的要求。并且按照目前的发展趋势来看，虚拟现实将是继计算机网路、多媒体之后，在教育领域最具有发展潜力的新型技术，必将成为教育领域的“明星”技术。

2 系统硬件设计

图1　 基于视频的无键盘虚拟乐器方框图

2.1总体设计进行实时合成；程序和各种数据的存储由DDR2负责；27MHZ时钟电路用于给DM6437提供外部时钟源；程序的下载和调试主要由JTAG负责；而电视信号输出用于实时观测调试。下面对硬件电路设计中一些主要模块进行简单介绍。

2.2DM6437内部结构

图1展示的是本文所研究设计的虚拟乐器原理方框图，主要包括视频信号采集模块、DSP中央处理控制模块、电源模块、MIDI音频合成模块、DDR2存储模块等。其中摄像头JK-309A负责图像的摄入并输出PAL制式的模拟电视信号；将采集的模拟电视信号转换成数字信号主要由TVP5146视频解码芯片负责；DSP芯片TMS320DM6437主要负责对各个外围功能芯片进行控制操作并对视频图像做出实时处理；MIDI格式的音乐由VS1003B

对视频图像的采集和处理，一是需要操作控制视频解码芯片、存储器等外围电路，另一方面则是要运算大量的视频数据。由于DSP拥有其他几种类型芯片无法比较的优点，DSP内存较大、处理速度快且能够进行密集的乘法运算，因而本文选用DSP作为系统的中央处理控制模块以及具有高速高效数据处理能力的TMS320DM6437芯片。DM6437内部主要包括CPU、存储器、外部设备等三个部分。其中中央处理单元采用TMS320C64x+内核，存储器采用Ll/L2两级片上存储器结构，片上外部设备则包括DDR2控制器、EMIF接口、VPSS视频处理子系统、I2C接口、HPI、定时器等。

2.3视频采集模块设计

视频采集模块的硬件设计中采用摄像头JK-309A来采集视频信号，并输出PAL制的模拟电视信号。作为高质量的单芯片数字视频解码器TVP5146则可以将现有格式的模拟视频信号很方便的转换成数字视频。

2.4MIDI音频解码模块设计

图2　 DM6437内部结构图

本文所设计的虚拟乐器使用DM6437片上McBSP物理接口，采用SPI传输协议，与音频解码芯片VS1003B进行通信，传输内容包括系统对VSIO03B芯片的初始化数据和实时生成的MIDI数据流。

3 设备驱动软件设计

3.1系统软件组成和结构

系统软件采用了层次化、模块化的设计方案。设备寄存器初始化配置模块负责在系统启动时，为了使系统的各个硬件模块进入工作状态，需要对VS1003B、TVP5146等外部设备和DM6437自身中的控制寄存器写入初始化值。此外，该软件系统是基于DSP/ BIOS操作系统的设备驱动设计，该设计为软件系统提供了一个良好的嵌入式实时操作系统平台，从软件上保证了系统实时性的需求。

3.2视频模块驱动设计

视频模块驱动设计涉及到片外TVP5146视频频解码芯片和TMS320DM6437片上VPFE模块的驱动开发，同时包括底层各寄存器的配置程序的开发，基于篇幅的限制，在此不做出一一阐述。

3.3音频模块驱动设计

与视频模块驱动设计相似，音频模块驱动设计涉及到片外VS1003B音频解码芯片和TMS320DM6437片上McBSP的驱动开发，还有底层各寄存器的设置程序的开发。

4 结语

本文主要对基于视频的虚拟乐器演奏系统硬件及设备驱动软件进行了设计，希望为高校音乐教学事业有所贡献。

李雨佳.数字时代计算机音乐的美学悖论［J］.西北大学学报（哲学社会科学版）.2011（03）

Musical Instrument campus teaching material development of information technology under

Song Qianwen
（Xianyang Normal College Conservatory of Music，Xianyang，712000）

This paper designs a video based virtual instrument system with no keyboard based on embedded technology and digital video technology，the system can be integrated into such as music teaching aids，music equipment system，wide application prospect.

Virtual instruments；digital video processing；MIDI

2014—05—18

咸阳师范学院专项科研基金项目；项目编号：12XSYK077；项目名称：民族器乐在音乐学专业学生培养中的应用性研究

宋倩雯（1983-），女，河南郑州人，讲师，研究方向为：民族音乐与高校音乐教