[发明专利]一种音乐教育练习系统及其方法

权利要求书

1.一种音乐教育练习系统，其特征在于：包括用于录取弹奏指法的图像采集单元、用于录取弹奏声音的音频采集单元、用于显示音符曲线和图像的显示器、用于处理老师弹奏声音和学生弹奏声音的数据处理单元，用于建立老师弹奏标准的标准模块单元、用于存储老师弹奏音乐数据的储存单元、用于建立学生弹奏声音的声音处理单元、用于将学生弹奏音乐数据与老师弹奏音乐数据进行对比的对比评判单元；所述图像采集单元包括摄像头，所述摄像头与储存单元通信连接，所述摄像头安装于钢琴的琴键上方；所述音频采集单元包括音频采集器，所述音频采集器与数据处理单元通信连接；所述数据处理单元包括第一AD转换模块、音频切分模块、wave音高提取模块、音强提取模块、音色提取模块、音长提取模块和节奏提取模块；所述标准模块单元包括信号加窗分帧模块、音长标准模块、音强标准模块、音色标准模块、音高标准模块和节奏标准模块；所述声音处理单元包括音高处理模块、音长处理模块、音强处理模块、音色处理模块和节奏处理模块，所述对比评判单元包括网络通信模块、曲目下载模块、音高对比曲线模块、音长对比曲线模块、音色对比曲线模块、音强对比曲线模块和节奏对比曲线模块；所述网络通信模块包括连接状态管理模块、数据请求收发模块、回复信息解析模块；所述曲目下载模块包括FTP协议解析模块、数据有效性验证模块。

2.根据权利要求1所述的一种音乐教育练习系统，其特征在于：所述钢琴琴键上设置有用于检测在弹奏过程中钢琴键受到压力值的压力传感单元，所述压力传感单元电连接有第二AD转换模块，所述第二AD转换模块与储存单元通信连接。

3.根据权利要求2所述的一种音乐教育练习系统，其特征在于：所述音乐教育练习系统还包括数据库操作单元，所述数据库操作单元包括曲库查询模块，所述曲库查询模块下设有音高查询模块、音长查询模块、音强查询模块和音色查询模块。

4.根据权利要求3所述的一种音乐教育练习系统，其特征在于：所述图像采集单元还包括第一电源模块、第一蓝牙模块，所述第一蓝牙模块与摄像头通讯连接，所述第一蓝牙模块和摄像头均与第一电源模块电连接。

5.根据权利要求4所述的一种音乐教育练习系统，其特征在于：所述音乐教育练习系统还包括用于播放录取后的音频播放器。

6.根据权利要求5所述的一种音乐教育练习系统，其特征在于：所述音频采集单元和音频播放器均设置在显示器上。

7.根据权利要求6所述的一种音乐教育练习系统，其特征在于：所述音乐教育练习系统还包括弹奏评分计算单元，所述弹奏评分计算单元包括音高得分计算模块、音长得分计算模块、音强得分计算模块、音色得分计算模块、节奏得分计算模块和加权计算模块。

8.根据权利要求7所述的一种音乐教育练习系统的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)图像采集单元的摄像头采集老师弹奏时的指法，音频采集单元录取老师钢琴弹奏时弹奏的声音；

(2)使用数据处理单元对声音进行处理，第一AD转换模块将声音的模拟信号转换为数字信号，音频切分模块将连续的数字信号切分为数据段，使用音长提取模块对每个录音数据每间隔15毫秒，切割成一个数据段，得到音长标准模块，将音频数字信号切分后，使用wave音高提取模块的wave文件进行音高提取，并使用信号加窗分帧模块通过对语音信号加窗分帧，音高处理模块通过自相关函数计算，然后使用100-800HZ的带通滤波器，去掉过高或者过低的峰值，并利用semitone＝12*log₂(frequency/440)+69计算极值点，提取出基音周期，得到音高标准模块；

(3)使用音强提取模块先对每个语音数据段的语音信号加窗分帧，读取每帧信号的平均幅值作为此帧的音强值，设定的声音信号采样率为6-8kHz采样点数为256，每帧长为12-15ms，帧移为0，对每个数据段的每个音符提取音强特征，得到音强标准模块；

(4)使用音色提取模块将每个录音数据段分解为每个音符，对每个音符使用FM算法，包括使用合成矩阵ID、各种震荡器的波形ID、ADSR的参数来定义音色的各种信息，并将音色转换为数字系统码；

(5)学生在自己练习时，播放器播放图像采集单元采集的老师弹奏指法，学生通过显示器学习老师弹奏的指法，在练习时，提取学生弹奏钢琴时的音高模块、音长模块、音强模块、音色模块和节奏模块；

(6)使用对比评判单元进行对比，对比时，包括音强对比、音长对比、音色对比、音高对比和节奏对比，以建立的音强标准模块、音长标准模块、音色标准模块、音高标准模块和节奏标准模块作为基准，将学生演奏的音强模块、音长模块、音色模块、音高模块和节奏模块的算术平均值规整到与音强标准模块、音长标准模块、音色标准模块、音高标准模块和节奏标准模块的算术平均值同一水平线上，利用余弦相似度公式计算在二维空间向量中两组数据的趋势，由显示器显示学生弹奏曲线与老师弹奏的标准曲面。