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    多系統(tǒng)平臺協(xié)作電子音樂系統(tǒng)研究與實現(xiàn)*

    2014-03-24 01:43:40楊萬鈞
    中國教育技術(shù)裝備 2014年22期
    關(guān)鍵詞:電子音樂音頻軟件

    ◆楊萬鈞

    1 前言

    電子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為數(shù)字化的電子音樂(包括計算機(jī)音樂)創(chuàng)作提供了技術(shù)上的支持,利用強(qiáng)大的硬件處理能力和靈活的軟件設(shè)計,使得電子音樂的創(chuàng)作呈現(xiàn)出豐富的方式和手段,也極大地促進(jìn)了電子音樂的發(fā)展。

    在過去很長的一個歷史時期中,由于系統(tǒng)間通信及軟硬件接口標(biāo)準(zhǔn)的制約,軟硬件工程師和電子音樂家們致力于開發(fā)能力更強(qiáng)的軟硬件,以滿足電子音樂不斷增長的系統(tǒng)需求。這在電子音樂中也出現(xiàn)了一個特有的現(xiàn)象,就是硬件和軟件系統(tǒng)越來越復(fù)雜,開發(fā)和設(shè)計的難度越來越大,價格也越來越高昂,而系統(tǒng)的靈活性則相對較低。對于很多用戶而言,這些復(fù)雜軟硬件系統(tǒng)中的很多功能并非是必需的,某些功能對于多數(shù)用戶而言使用的幾率很低,而用戶則需要為一些可能很少使用的功能支付更多的成本。對于部分用戶而言,復(fù)雜的整合系統(tǒng)靈活性較差,不能滿足其在特定領(lǐng)域中進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作的拓展和需求。

    而作為另一個計算機(jī)軟硬件發(fā)展的事實是,目前硬件制造技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、多媒體技術(shù)和接口標(biāo)準(zhǔn)化等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,越來越多的硬件系統(tǒng)可以協(xié)同工作,并且能夠以模塊化的方式進(jìn)行組合運(yùn)行;操作系統(tǒng)的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化,使得不同的操作系統(tǒng)之間可以更容易地實現(xiàn)相互通信和控制,在共享數(shù)據(jù)上的障礙也逐漸消失;不同的系統(tǒng)和軟件之間利用標(biāo)準(zhǔn)的接口協(xié)議,可以很容易地進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,并且可以實現(xiàn)低延遲的數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)同運(yùn)算;同時由于無線通信技術(shù)和移動運(yùn)算技術(shù)的發(fā)展,不同類型的軟硬件之間可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的信號傳遞和控制,實現(xiàn)更豐富的效果。

    基于這些技術(shù)的發(fā)展,利用多種不同的軟硬件平臺來構(gòu)建靈活、高效、適應(yīng)性強(qiáng)且成本可控的電子音樂創(chuàng)作系統(tǒng)已經(jīng)成為可能,并應(yīng)該獲得更多的關(guān)注與應(yīng)用。

    本文試圖從軟硬件系統(tǒng)、創(chuàng)作平臺和通信協(xié)議等方面進(jìn)行分析,以找出利用不同軟硬件系統(tǒng)方便快捷地構(gòu)建電子音樂創(chuàng)作平臺的可能性。

    2 為什么要進(jìn)行多系統(tǒng)平臺的研究與討論

    在討論如何進(jìn)行基于多系統(tǒng)平臺的電子音樂創(chuàng)作系統(tǒng)構(gòu)建之前,首先分析一個基本的問題,就是使用跨系統(tǒng)平臺進(jìn)行創(chuàng)作有什么樣的利弊?需要明確的是,這里的多系統(tǒng)平臺指的是利用多個不同的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng),通過通信設(shè)備和協(xié)議,充分發(fā)揮不同軟硬件系統(tǒng)的優(yōu)勢,共同完成某個復(fù)雜任務(wù)所構(gòu)成的復(fù)合創(chuàng)作系統(tǒng)。

    之所以要討論多系統(tǒng)平臺的協(xié)作,其主要原因在于以下的幾個方面。

    任何的硬件系統(tǒng),其所支持的指令系統(tǒng)是有限的,所能夠完成的功能也是受限制的,不管運(yùn)算能力多強(qiáng),任何硬件系統(tǒng)的運(yùn)算能力也是有限的;由于硬件系統(tǒng)的不同,會造成相同的操作系統(tǒng)和軟件可能在不同的硬件系統(tǒng)上并不一定能夠很好地運(yùn)行。在過去很多廠商為了更好地兼容不同的硬件系統(tǒng),在開發(fā)相同操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件時,就需要針對不同硬件系統(tǒng)進(jìn)行軟件開發(fā),增加了軟件開發(fā)中的重復(fù)勞動。同時由于硬件的不同,還可能造成同類軟件的不兼容及工作效率的變化。

    每個硬件系統(tǒng)的處理能力和存儲能力都是有限的,要提升單一系統(tǒng)的處理能力和存儲能力,通常都需要付出較大的代價。通過多系統(tǒng)的組合,可以在降低成本的條件下,獲得相似的執(zhí)行效果。

    針對不同硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用程序,通常在算法設(shè)計上都能充分發(fā)揮軟硬件的功能,獲得最佳的運(yùn)行效率,充分發(fā)揮特定算法和功能在特定系統(tǒng)上的優(yōu)勢,獲得最佳的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。

    合理利用不同軟硬件系統(tǒng)的組合,能夠減少重復(fù)購置軟硬件,降低軟件成本,而且通過合理的組合,能夠獲得更靈活的系統(tǒng)組合方式。對于軟件開發(fā)者,可以減少在不同操作系統(tǒng)下重復(fù)開發(fā)相同軟件所造成的資源浪費(fèi)。

    使用多系統(tǒng)的協(xié)作,可以降低軟件系統(tǒng)和應(yīng)用程序開發(fā)的難度,使軟硬件開發(fā)者能夠更專注開發(fā)特定功能模塊,提供更穩(wěn)定可靠的運(yùn)行環(huán)境,并且提供更友好的應(yīng)用擴(kuò)展和升級環(huán)境。當(dāng)然,在此過程中,協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)定框架就顯得尤為重要。

    不同操作系統(tǒng)可以運(yùn)行的硬件平臺是不同的,合理選擇硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng),可以充分發(fā)揮特定系統(tǒng)能力,如Linux系統(tǒng)就可以在微型機(jī)之外的系統(tǒng)上運(yùn)行,包括巨型機(jī)系統(tǒng)。通過系統(tǒng)間有效通信,可以充分發(fā)揮各系統(tǒng)的優(yōu)勢,獲得最佳的協(xié)同工作效率。

    使用不同軟硬件系統(tǒng)構(gòu)成的協(xié)作系統(tǒng),通常相較于性能強(qiáng)大而功能復(fù)雜的單一系統(tǒng),其成本要低得多,這對于預(yù)算有限的用戶是一個非常重要的因素。

    3 影響多系統(tǒng)平臺協(xié)作電子音樂系統(tǒng)構(gòu)建的因素

    在利用不同軟硬件系統(tǒng)來構(gòu)建電子音樂創(chuàng)作系統(tǒng)時,會受到很多因素的影響與制約,了解相關(guān)的因素,有助于合理利用各種已有的軟硬件資源,并且對其進(jìn)行合理的組合,在效率和成本、易用性和穩(wěn)定性之間達(dá)到平衡。下面介紹影響多系統(tǒng)平臺寫作電子音樂創(chuàng)作系統(tǒng)構(gòu)建的主要因素。

    硬件系統(tǒng) 從20世紀(jì)40年代數(shù)字電子計算機(jī)發(fā)明以來,經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展,計算機(jī)硬件技術(shù)向著巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向快速發(fā)展,計算機(jī)已經(jīng)滲透到了人類生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。微處理器的體積越來越小,性能越來越強(qiáng)大,所支持的指令集也越來越豐富,能夠以更小的體積完成更多更復(fù)雜的運(yùn)算。半導(dǎo)體存儲器制作工藝和集成度的提高,使得內(nèi)存速度越來越快,性能響應(yīng)更高,價格也越來越便宜,使得大容量的內(nèi)存成為標(biāo)準(zhǔn)配置,為運(yùn)行大型的應(yīng)用程序和電子音樂作品提供了可能。高速外部存儲器技術(shù)的發(fā)展,特別是基于半導(dǎo)體的SSD固態(tài)硬盤的出現(xiàn),為大數(shù)據(jù)量的外部數(shù)據(jù)交換提供了可能,而且隨著系統(tǒng)總線速度的提高,也帶來了外部存儲器讀寫速度的提高,這為進(jìn)行快速高精度的音頻、視頻采樣處理提供了可能。新型系統(tǒng)總線的出現(xiàn),特別是PCI-E、USB 3.0及Thunderbolt雷電等新型高速總線的出現(xiàn)與普及,為外部設(shè)備之間的連接提供了穩(wěn)定而高效的技術(shù)支撐。

    隨著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,個人計算機(jī)所使用的中央處理器逐漸集中到以Intel和AMD為代表的中央處理器體系下,所設(shè)計和制造的個人計算機(jī)之間的差異越來越小。過去在PC和Mac之間還有較大的硬件差異,而在今天由于所使用的中央處理器逐漸接近,硬件系統(tǒng)設(shè)計也越來越相似,Mac和PC之間的差異正逐漸減小。這為構(gòu)建更高效的電子音樂創(chuàng)作系統(tǒng)提供了更好的機(jī)會。當(dāng)然,由于Mac相對封閉的一體化硬件系統(tǒng)集成設(shè)計,在很多電子音樂應(yīng)用中仍會表現(xiàn)出更加優(yōu)異的高效和穩(wěn)定。

    超大規(guī)模集成電路技術(shù)、移動計算技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展為移動運(yùn)算領(lǐng)域提供了新的可能性,在傳統(tǒng)的微型機(jī)之外,還出現(xiàn)了基于移動運(yùn)算技術(shù)的平板電腦技術(shù),這為社會生活和電子音樂創(chuàng)作提供了更多便捷的方式?;趇OS系統(tǒng)和Android系統(tǒng)的平板電腦已經(jīng)成為現(xiàn)代生活的一個重要部分,同時也出現(xiàn)了大量基于平板電腦的電子音樂軟件和控制界面,成為電子音樂創(chuàng)作中重要的工具和平臺。

    單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,出現(xiàn)了越來越多功能強(qiáng)大、適用面廣、工作靈活、高度可定制的單片機(jī),使得單片機(jī)也越來越多地出現(xiàn)在電子音樂創(chuàng)作的領(lǐng)域中。特別是Arduino(圖1)和Raspberry等開源的單片機(jī)逐漸出現(xiàn)和流行之后,利用其開源特性以及高度靈活的定制性,可以用于電子音樂創(chuàng)作中的嵌入式系統(tǒng)和定制控制端的實現(xiàn),受到越來越多電子音樂家和現(xiàn)代藝術(shù)家的青睞。

    不同的硬件系統(tǒng),其設(shè)計目的不同,運(yùn)算能力和穩(wěn)定性也不相同,在進(jìn)行電子音樂創(chuàng)作過程中,所能夠?qū)崿F(xiàn)的功能也會有所差異。因此,在構(gòu)建電子音樂創(chuàng)作系統(tǒng)時,就需要根據(jù)不同硬件的特點(diǎn),合理選擇硬件平臺的搭配,充分發(fā)揮特定硬件平臺的特性及效率,簡化系統(tǒng)的設(shè)計,降低整個系統(tǒng)的實現(xiàn)成本與難度,以達(dá)到最佳的組合效果。

    操作系統(tǒng) 合理選擇操作系統(tǒng)將能夠充分發(fā)揮特定硬件系統(tǒng)的能力,并為電子音樂軟件運(yùn)行提供良好而穩(wěn)定的系統(tǒng)軟件平臺。

    目前個人計算機(jī)上包括Microsoft Windows系統(tǒng)、Mac OS X系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)三大系列適于用作電子音樂創(chuàng)作的主流操作系統(tǒng),同時經(jīng)過多年發(fā)展,在這幾類系統(tǒng)中已開發(fā)了大量電子音樂創(chuàng)作軟件,其中部分已非常成熟,成為電子音樂創(chuàng)作的主要行業(yè)軟件。這三類操作系統(tǒng)各有特點(diǎn),適用于不同的硬件和場合,能夠提供不同的效率和穩(wěn)定性。很多電子音樂創(chuàng)作軟件及插件等都是針對特定操作系統(tǒng)而開發(fā),因而要使用特定軟件或插件系統(tǒng),就需要相應(yīng)操作系統(tǒng)的支持。比如Logic只能在Mac系統(tǒng)下運(yùn)行,VVVV只能在Windows系統(tǒng)下運(yùn)行,而Ardour則只能在Linux環(huán)境下運(yùn)行。盡管部分軟件同時發(fā)行多個不同系統(tǒng)的版本,但在實際的使用中,往往還會因為操作系統(tǒng)的特性而略有不同,因而在特定操作系統(tǒng)上應(yīng)用某些軟件會更加方便,而且能夠更好地發(fā)揮操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的最大效率。

    隨著移動平臺的流行,越來越多的電子音樂軟件被移植到移動平臺上,在iOS和Android系統(tǒng)上都出現(xiàn)很多不同的電子音樂應(yīng)用APP,以及一些可以作為創(chuàng)作輔助工具的APP。類似于iPad的平板電腦相較于傳統(tǒng)的個人計算機(jī),在操控上更加直觀和方便,利用多點(diǎn)觸摸技術(shù)可以實現(xiàn)雙手更豐富的控制。同時利用平板電腦提供的多種傳感器,可以成為電子音樂創(chuàng)作中重要的控制器。同時,由于iOS系統(tǒng)和Android系統(tǒng)平臺的統(tǒng)一性和直觀性,可以很方便地通過安裝不同的APP來實現(xiàn)不同的功能。目前,越來越多的電子音樂家和現(xiàn)代藝術(shù)家利用平板電腦進(jìn)行作品的創(chuàng)作,在創(chuàng)作和演出中利用平板電腦進(jìn)行控制和表演。

    除此之外,另一類特殊的操作系統(tǒng)也逐漸出現(xiàn)在電子音樂家的視野中,這就是專門為單片機(jī)提供的操作系統(tǒng)。如Raspberry Pi(圖2)以其低廉的價格、穩(wěn)定的性能,以及高度可自定義的特點(diǎn),出現(xiàn)在很多電子音樂作品中。而要完成Raspberry Pi的基本功能,并實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的通信與處理,就需要為其安裝合適的操作系統(tǒng)。由于Raspberry Pi是一個基于ARM架構(gòu)處理器的硬件平臺,而且針對小型運(yùn)算的需求,因而并不適合基于Intel平臺的Mac OS X和Windows操作系統(tǒng),只能使用專門為其設(shè)計的內(nèi)核定制的Linux版本,這樣可以根據(jù)硬件的實際情況充分發(fā)揮其功能。

    同樣,對于一些特定的單片機(jī)系統(tǒng),為實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能,也只能根據(jù)需求使用可定制的Linux系統(tǒng)。

    Linux操作系統(tǒng)成為目前通用性最強(qiáng)的操作系統(tǒng)類別,可以運(yùn)行在多種不同的硬件平臺上,包括Intel處理器平臺、Mac平臺、移動運(yùn)算、單片機(jī)等多種平臺上,最新的Linux分支已可以運(yùn)行在智能手機(jī)一類的硬件上。同時,Linux系統(tǒng)對多媒體軟硬件的支持也日趨完善,越來越多的媒體制作工具都開始支持Linux系統(tǒng),并且很多制作軟件都開始發(fā)行Linux版本或向Linux系統(tǒng)移植?;贚inux系統(tǒng)的開源、自由、免費(fèi)、穩(wěn)定、可移植、跨平臺等特性,Linux系統(tǒng)將是未來專業(yè)電子音樂創(chuàng)作中的重要平臺。

    相較而言,Windows和Mac OS X系統(tǒng)作為商業(yè)軟件,界面更美觀,獲得的支持更完整,對于很多老牌的電子音樂創(chuàng)作軟件,仍是最適合的創(chuàng)作平臺,仍能提供穩(wěn)定和方便的使用感受。

    隨著硬件能力的增強(qiáng),利用虛擬機(jī)技術(shù),都可以在特定操作系統(tǒng)中模擬其他操作系統(tǒng)環(huán)境,這樣就可以很容易地在單硬件系統(tǒng)上實現(xiàn)多系統(tǒng)協(xié)作的功能,對于需要分別運(yùn)行于不同操作系統(tǒng)上的應(yīng)用軟件,在強(qiáng)大硬件的支持下也可以通過虛擬機(jī)技術(shù)來實現(xiàn)相互的協(xié)作,同時減少不必要的硬件系統(tǒng)開支。

    選擇合適的操作系統(tǒng)將為電子音樂創(chuàng)作提供更好的創(chuàng)作體驗。

    網(wǎng)絡(luò)通信 隨著音頻信號數(shù)字化進(jìn)程的深入,以及音頻控制和通信的增強(qiáng),越來越多的信號都是以數(shù)字信號的方式進(jìn)行表示和傳輸。為在不同系統(tǒng)之間傳輸音頻和數(shù)字控制信號,工程師們開發(fā)了多種不同的數(shù)字接口,包括MIDI接口、SPDIF接口、光纖接口等,這些接口可以很好地進(jìn)行信號的傳輸和控制。但這些接口也都存在接口專用性過強(qiáng)、相互之間不兼容、傳輸距離受到介質(zhì)限制等缺陷。

    隨著網(wǎng)絡(luò)通信軟硬件技術(shù)的發(fā)展,越來越多的數(shù)字信號開始采用網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行傳輸和控制。利用成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),音頻工程師利用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和接口,可以方便而高速地進(jìn)行信號傳輸和通信。同時,由于使用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)硬件和接口以及國際通用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,避免了重復(fù)設(shè)計硬件接口,重新定義電氣特性,降低設(shè)計難度。而且,利用已有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和開發(fā)標(biāo)準(zhǔn),軟件設(shè)計更加容易,標(biāo)準(zhǔn)化程度更高,軟硬件之間的通用性更強(qiáng),數(shù)據(jù)兼容性更好,能夠更好地進(jìn)行信號的傳遞與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的定義。

    在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中,用于音頻信號傳輸較多的是以太網(wǎng)技術(shù),利用成熟的千兆以太網(wǎng)技術(shù),可以進(jìn)行長距離、高效率的多聲道、高質(zhì)量音頻信號及混合信號的雙工傳輸。這樣可以擴(kuò)展音頻系統(tǒng)的規(guī)模,擴(kuò)大整個系統(tǒng)的空間范圍和地理范圍。利用網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù),可以實現(xiàn)本地或遠(yuǎn)程的智能化實時控制,提高整個系統(tǒng)的效率。當(dāng)然,為實現(xiàn)高質(zhì)量的通信效果,相關(guān)網(wǎng)絡(luò)通信和控制設(shè)備需要滿足高速而穩(wěn)定的需求,通常都建議使用專用的千兆以太網(wǎng)交換機(jī)、路由器及屏蔽雙絞線等專用材料,以保證良好的通信質(zhì)量。

    隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,為電子音樂和計算機(jī)音樂的創(chuàng)作與表演提供了新的可能性。特別是基于802.11協(xié)議族的WiFi技術(shù)的快速發(fā)展和普及,使得無線網(wǎng)絡(luò)成為構(gòu)建電子音樂系統(tǒng)中的重要一環(huán)。通過無線WiFi路由器和AP設(shè)備,可以從空間上擴(kuò)展電子音樂系統(tǒng)的控制范圍,同時免去有線網(wǎng)絡(luò)重復(fù)布線及設(shè)計的麻煩,而且也降低了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜程度,使網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成更加靈活。使用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更重要的一點(diǎn)是可以通過無線網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)的協(xié)議,將不同的系統(tǒng)和設(shè)備連接在一起。如可以將PC、Mac與iOS及Android等移動平臺設(shè)備連接到一起,進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和控制,使得可以應(yīng)用和控制的設(shè)備更加豐富。電子音樂創(chuàng)作和表演也由此得到更大的拓展,更加豐富靈活,注入更多新的思想和能量。

    在網(wǎng)絡(luò)通信過程中,通常會根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸總量的大小、信道質(zhì)量高低和所傳輸信息的編碼形式選擇不同的通信協(xié)議,通常在容易受到干擾的不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳遞MIDI等控制信號時,會選擇較安全的TCP/IP協(xié)議,犧牲速度來獲取較高的準(zhǔn)確度;而在局域網(wǎng)等信道穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)中傳遞數(shù)字音視頻信號及OSC等控制信號時,則通常會選擇速度更快的UDP協(xié)議進(jìn)行傳輸。

    通信協(xié)議 要在不同的軟硬件系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和控制,通信協(xié)議是基本的保障。在電子音樂發(fā)展的過程中,根據(jù)控制的信息類型的不同,先后出現(xiàn)MIDI、OSC、Jack、AudioBus等不同功能和目的的通信協(xié)議。這一類通信協(xié)議不同于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,主要是進(jìn)行數(shù)字音頻信號或數(shù)字樂器控制信號構(gòu)建的協(xié)議,為數(shù)字音頻信號和控制信號的相互傳輸提供基本的保障,并對系統(tǒng)的創(chuàng)建和電子音樂的發(fā)展具有重要意義。

    20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的MIDI(Musical Instrument Digital Interface)是在電子樂器中最早出現(xiàn)的數(shù)字聲音通信協(xié)議之一,也是電子音樂創(chuàng)作中使用最久的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。MIDI被設(shè)計用于在數(shù)字電子樂器之間進(jìn)行控制信號的傳遞,以控制不同的數(shù)字電子樂器同時進(jìn)行播放和響應(yīng),這些電子樂器可以使合成器、控制器、音源或MIDI鍵盤等設(shè)備。MIDI信號中只包含電子樂器的控制信息,不傳遞任何實際的音頻信息,因而MIDI主要是一種控制協(xié)議。由于MIDI出現(xiàn)時間較長,而且大多數(shù)電子音樂軟硬件設(shè)備都支持和兼容MIDI標(biāo)準(zhǔn),因而MIDI也是目前應(yīng)用最多的協(xié)議之一。隨著MIDI的發(fā)展,MIDI除了進(jìn)行數(shù)字樂器控制之外,也可以通過其他軟硬件映射的方式用于進(jìn)行視頻、燈光、舞臺等的控制,操作方式非常豐富。

    但MIDI也有其不足,主要在于MIDI標(biāo)準(zhǔn)定義被提出時,數(shù)字音頻還在發(fā)展初期,而且由于當(dāng)時數(shù)字處理及通信技術(shù)的限制,MIDI標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸速率較低,數(shù)據(jù)分辨率低,不支持音頻的傳輸,硬件接口與其他標(biāo)準(zhǔn)不兼容,傳輸距離近,等等,這些都是目前使用MIDI協(xié)議進(jìn)行電子音樂創(chuàng)作和演出中面臨的主要問題。

    早在20世紀(jì)90年代末,很多音樂家和工程師都體會到MIDI的不足,希望能有新的標(biāo)準(zhǔn)來更方便地進(jìn)行數(shù)字音樂通信控制。針對這一情況,加州大學(xué)伯克利分校(UC Berkeley)的The Center For New Music and Audio Technology(CNMAT)提出了OSC(Open Sound Control)標(biāo)準(zhǔn),并于2002年發(fā)布了OSC 1.0標(biāo)準(zhǔn)。OSC被定義為一種在計算機(jī)、聲音合成器及其他多媒體設(shè)備之間進(jìn)行信息傳遞的通信協(xié)議。OSC針對當(dāng)代的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,利用當(dāng)代高效的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)可以將電子樂器和設(shè)備方便地連接在一起,提供了交互操作、準(zhǔn)確、靈活和組織增強(qiáng)的功能。OSC為不同設(shè)備間的聲音控制和媒體處理提供了高效和方便的標(biāo)準(zhǔn),主要特性包括開放、靈活、高精度、信息類型豐富,支持服務(wù)器和客戶機(jī)模式,數(shù)據(jù)傳輸效率更高,也更加安全。

    OSC除了可以實現(xiàn)類似于MIDI的功能之外,還可以用于實時音頻處理和其他媒體處理環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)交互、軟件合成器控制,以及與其他編程語言及軟硬件環(huán)境進(jìn)行交互等應(yīng)用場合。OSC已成為在廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)中構(gòu)建分布式電子音樂系統(tǒng)、交互式媒體處理系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件開發(fā)中重要的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

    在實時音頻處理過程中,電子音樂家和音響工程師還會有更多的需求,比如更加靈活,容易控制,可以對信號進(jìn)行路由,在不同音頻軟件和硬件設(shè)備之間傳遞音頻信號,以及通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程音頻傳輸和控制等。由Paul Davis開發(fā)的JACK(Jack Audio Connection Kit)(圖3)標(biāo)準(zhǔn)就可以實現(xiàn)上述功能。JACK被開發(fā)為一個開源的專業(yè)聲音服務(wù)程序,以客戶機(jī)/服務(wù)器的模式運(yùn)行,可以在不同的應(yīng)用軟件之間提供實時、低延遲的音頻數(shù)據(jù)和MIDI信息連接。這些應(yīng)用軟件既可以在同一臺計算機(jī)上,也可以通過有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)將不同計算機(jī)上的應(yīng)用軟件連接在一起。利用JACK的API,可以很容易地實現(xiàn)跨操作系統(tǒng)平臺的音頻和MIDI的交互連接,用以高效構(gòu)建電子音樂創(chuàng)作系統(tǒng)。在不同操作系統(tǒng)下的大量音樂軟件都提供對JACK的支持,而且利用JACK的接口,很多不同媒體類型的軟件都可以連接在一起,構(gòu)建交互媒體創(chuàng)作和表演系統(tǒng)。包括法國GRAME在內(nèi)的很多研究機(jī)構(gòu)和電子音樂家都利用JACK作為電子音樂創(chuàng)作中的信號傳輸和控制平臺,實現(xiàn)豐富的效果。

    編程語言 為了構(gòu)建跨系統(tǒng)的電子音樂創(chuàng)作平臺,在很多情況下還需要考慮應(yīng)用于程序編寫的編程語言的問題。在構(gòu)建創(chuàng)作平臺的過程中,為獲得最好的兼容性以及最佳的協(xié)作效果,有時候需要在不同系統(tǒng)平臺下使用相同的應(yīng)用軟件或組件,以獲得最好的兼容性及通信效果。而部分創(chuàng)作平臺,基于電子音樂家和音響工程師的需求,有可能需要自行編寫特定的應(yīng)用程序或接口。合理選擇編程語言,將能夠使開發(fā)的軟件更好地在不同操作系統(tǒng)之間移植,減少開發(fā)的工作量,同時獲得最佳的兼容性和工作穩(wěn)定性。

    從本質(zhì)上說,大多數(shù)的計算機(jī)高級語言都是跨平臺的,因為高級語言都是以類似于人類自然語言來表示信息并進(jìn)行編寫的語言,編寫出來的語言代碼都需要經(jīng)過編譯之后轉(zhuǎn)換為CPU可以執(zhí)行的指令來執(zhí)行。但在實際的編程過程中,由于操作系統(tǒng)的不同,通常需要使用特定的API或工具程序,以創(chuàng)建符合功能的應(yīng)用程序。但不同操作系統(tǒng)下,API的工作方式和開發(fā)接口是不同的,這樣就造成同樣是使用C或C++開發(fā)的程序,在Windows系統(tǒng)下開發(fā)的源程序并不能直接拿到Mac OS X系統(tǒng)下進(jìn)行編譯。因而在進(jìn)行語言的選擇時,就需要對這些方面加以考慮。

    在現(xiàn)代流行的高級語言中,JAVA、HTML等語言從設(shè)計之初就考慮到要在不同平臺下運(yùn)行,這些語言通過中間件或Runtime環(huán)境實現(xiàn)在不同操作系統(tǒng)下的運(yùn)行,以獲得良好的跨平臺效果。JAVA通過中間件的方式可以在Windows、Mac OS X甚至移動平臺上運(yùn)行,具有良好的跨平臺性。但由于JAVA語言的解釋性,工作效率略低,在開發(fā)某些特殊應(yīng)用程序時會受到一定的限制。

    對于必須使用C/C++進(jìn)行開發(fā)的應(yīng)用程序,為獲得良好的跨平臺特性,則可以考慮使用主流的跨平臺應(yīng)用程序和UI開發(fā)框架如QT等,這樣在特定平臺下開發(fā)的源代碼,只需要經(jīng)過很小的改動,就可以在其他操作系統(tǒng)下使用相同開發(fā)框架進(jìn)行編譯,以獲得兼容性最佳的跨平臺應(yīng)用程序。

    應(yīng)用軟件 并非所有的音樂軟件都適用于構(gòu)建多系統(tǒng)平臺的電子音樂系統(tǒng),因為要實現(xiàn)多系統(tǒng)平臺的協(xié)作,需要音樂軟件提供對特定協(xié)議和接口的支持,并且能夠有效地根據(jù)協(xié)議和接口進(jìn)行信息的處理和交換。前面已經(jīng)討論過構(gòu)建多系統(tǒng)平臺電子音樂系統(tǒng)的主要原因是綜合利用多硬件的運(yùn)算能力,以及發(fā)揮不同軟硬件系統(tǒng)的優(yōu)勢,降低成本,以獲得最佳的執(zhí)行效率。因此,選擇合適的應(yīng)用軟件來構(gòu)建多系統(tǒng)平臺電子音樂系統(tǒng)就非常重要。

    根據(jù)電子音樂創(chuàng)作方式和手段的不同,所選擇的軟件通常需要支持MIDI、OSC和JACK等主流接口和協(xié)議,以保證音頻和相關(guān)控制信息的傳遞和處理,然后就需要根據(jù)制作的需求選擇合適的應(yīng)用軟件。

    如果所構(gòu)建的系統(tǒng)主要用于MIDI相關(guān)的制作,則可以考慮使用Cubase做為宿主軟件,使用JACK作為MIDI傳輸控制的接口。因為Cubase原生提供了Windows和Mac OS X平臺的版本,并且在Cubase中提供了VST System Link的接口,可以直接將兩臺運(yùn)行Cubase的計算機(jī)連接在一起,并且進(jìn)行音頻和MIDI信息的傳遞。如果需要連接其他的宿主軟件或插件音源,則可以考慮使用JACK作為接口,用以進(jìn)行宿主與音源的連接。如在一臺計算機(jī)中運(yùn)行Cubase宿主程序,而在另一臺或多臺計算機(jī)中運(yùn)行Kontakt采樣音源系統(tǒng),這樣就可以將運(yùn)行在不同硬件系統(tǒng)和操作系統(tǒng)上的音樂軟件組合在一起了。

    在當(dāng)代交互電子音樂軟件的創(chuàng)作過程中,交互電子音樂系統(tǒng)的構(gòu)建更加靈活。通常會使用Max/MSP、Pure Data、Open Music等軟件作為主控程序,在其他平臺下可以根據(jù)需要運(yùn)行如VVVV、Processing、Blender、Jitter等交互圖像處理程序,或運(yùn)行Max/MSP、Pure Data以及音源插件等作為被控端,實現(xiàn)多機(jī)、多系統(tǒng)以及多種媒體結(jié)合的創(chuàng)作系統(tǒng)。這些軟件都支持MIDI和OSC標(biāo)準(zhǔn),非常容易實現(xiàn)音頻信號和控制信號的處理和控制。如果需要接入其他的軟件或設(shè)備,也可以使用JACK平臺進(jìn)行信號的傳輸和處理,特別是在需要連接包括Linux系統(tǒng)在內(nèi)的不同操作系統(tǒng)以及連接多臺計算機(jī)時,會非常方便。

    4 構(gòu)建多系統(tǒng)平臺協(xié)作電子音樂系統(tǒng)的方法

    在實際構(gòu)建多系統(tǒng)平臺協(xié)作電子音樂創(chuàng)作及表演系統(tǒng)的過程中,會根據(jù)軟硬件環(huán)境、作品類型、表演方式等的不同而有較大的變化,因而沒有固定的方法來實現(xiàn)系統(tǒng)的構(gòu)建,都需要電子音樂家和音頻工程師利用所掌握的技術(shù)合理進(jìn)行設(shè)計和搭建,以獲得最合理的效果。下面,通過四川音樂學(xué)院電子音樂系的一個實際范例進(jìn)行分析,以說明多系統(tǒng)平臺電子音樂系統(tǒng)的構(gòu)建方法。

    2011年,四川音樂學(xué)院電子音樂系成立新媒體藝術(shù)小組,并開始設(shè)計“四川音樂學(xué)院陳列館交互式聲音/影像走廊”項目。該項目的設(shè)計目標(biāo)是利用先進(jìn)的電子音樂軟硬件技術(shù)和設(shè)計理念,結(jié)合視覺互動、聲音景觀技術(shù)、裝置藝術(shù),為四川音樂學(xué)院設(shè)計一個具有表演性質(zhì)的陳列走廊互動音樂藝術(shù)裝置。

    該項目的設(shè)計目標(biāo)為在陳列廳中劃出長4.5米、寬2米的區(qū)域作為交互式虛擬走廊,該走廊由八只全頻揚(yáng)聲器組成的八聲道環(huán)繞立體聲系統(tǒng)所覆蓋,構(gòu)成一個多聲道立體聲聲場(走廊效果圖如圖4所示)。當(dāng)參觀者步入該區(qū)域時,由紅外感應(yīng)器感應(yīng)參觀者的位置和數(shù)量,然后通過計算機(jī)程序運(yùn)算,根據(jù)參觀者位置和運(yùn)動速度等參數(shù),調(diào)整在八個聲道中輸出的預(yù)制聲音內(nèi)容,使立體聲聲場聲像位置跟隨參觀者變化,使參觀者有被導(dǎo)游在身邊帶領(lǐng)講解和播放音樂的感覺。同時,根據(jù)參觀者的位置和運(yùn)動速度變化,利用計算機(jī)圖形處理程序?qū)崟r生成運(yùn)動影像,通過多臺投影儀將影像投影到地面上,形成動態(tài)的視覺特效,引導(dǎo)并追隨參觀者移動。該系統(tǒng)還要求如果同時有多位參觀者進(jìn)入影音走廊,則為每位參觀者生成不同的聲音和影像。當(dāng)參觀者到達(dá)走廊盡頭時,走廊盡頭為可控式霧面玻璃展示窗,在沒有參觀者出現(xiàn)在展示窗之前,該窗為透明狀態(tài),顯示窗后的呈示內(nèi)容;當(dāng)參觀者走近展示窗觸發(fā)感應(yīng)器時,該窗加電后變?yōu)椴煌该鳡顟B(tài),同時感應(yīng)器觸發(fā)計算機(jī)通過投影向該窗播放預(yù)制的視頻內(nèi)容,以聲光方式進(jìn)行展示。

    要實現(xiàn)以上設(shè)計要求,需要運(yùn)用多種不同的媒體處理技術(shù)以及軟硬件的支持。為達(dá)到這樣的要求,在組建新媒體藝術(shù)小組時,小組成員就來自多個不同領(lǐng)域,包括胡曉、陳大蒼、白小墨、陸敏捷、韓彥敏、楊萬鈞等多位不同領(lǐng)域和方向的專家和教師,分別完成該系統(tǒng)中不同部分的設(shè)計與處理。同時,要實現(xiàn)復(fù)雜的多種媒體控制和處理,僅僅依靠單一的計算機(jī)軟硬件系統(tǒng)已無法有效地實現(xiàn)所需的功能,因而在實際設(shè)計中,該系統(tǒng)就被設(shè)計為多系統(tǒng)互聯(lián)的基本形式。

    如圖5所示,在實際設(shè)計中,該系統(tǒng)主要由聲音處理部分、視頻處理部分、傳感器控制部分三個部分構(gòu)成,分別使用一臺Mac、兩臺PC和一塊Arduino單片機(jī)來實現(xiàn)。

    1)聲音處理部分。由于需要根據(jù)參觀者位置實時計算八聲道中每個聲道的內(nèi)容,因而不能直接使用傳統(tǒng)的音頻處理軟件來處理。在本例中,使用Mac版本的Max/MSP來完成多聲道音頻信號的處理與計算,由于八個聲道的高質(zhì)量音頻信號數(shù)據(jù)量較大,因而使用獨(dú)立的一臺Mac計算機(jī)來完成該功能。

    2)視頻處理部分。在視頻處理方面主要由兩部分組成,一部分是根據(jù)參觀者的位置和運(yùn)動速度傳感器生成影像,通過多臺投影儀實時投影到地面;另一部分是參觀者在走廊盡頭觸發(fā)可控式霧面玻璃動態(tài)展示窗進(jìn)行視頻觸發(fā)和播放。由于實時投影到地面的動態(tài)影像需要經(jīng)常調(diào)整,并實時運(yùn)算生成,同時還需要對多臺投影儀進(jìn)行控制,而動態(tài)影像的運(yùn)算量較大,為保證運(yùn)算效果,使用一臺獨(dú)立的具備多端口輸出專業(yè)顯卡的PC來負(fù)責(zé)。地面投影效果演示如圖6所示。使用另外一臺PC專門控制展示窗視頻的觸發(fā)與播放,以保證相互之間不會產(chǎn)生干擾,并確保最佳的穩(wěn)定性。動態(tài)視頻處理部分主要使用Windows版本的VVVV軟件來實現(xiàn),該軟件可以根據(jù)所傳輸?shù)腛SC信號進(jìn)行視頻的實時生成與渲染。

    3)傳感器控制部分。在選擇傳感器時,考慮到傳感器的易用性和穩(wěn)定性,系統(tǒng)設(shè)計初期主要使用紅外傳感器。為使用紅外傳感器產(chǎn)生的模擬電信號來控制音頻和視頻信息,使用可編程的Arduino單片機(jī)進(jìn)行控制,將模擬信號采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后,通過標(biāo)準(zhǔn)接口傳送到計算機(jī)中,按照音頻和視頻處理軟件所需控制數(shù)據(jù)要求轉(zhuǎn)換為指定格式的數(shù)據(jù)規(guī)范。使用Arduino單片機(jī),通過其靈活的可編程功能,避免重復(fù)使用更多的個人計算機(jī)系統(tǒng),單片機(jī)部署更方便,而且在特定領(lǐng)域中使用更穩(wěn)定,效率也更高。

    要將以上系統(tǒng)連接起來,還需要使用相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及協(xié)議。由于在該系統(tǒng)中需要在各系統(tǒng)之間傳輸?shù)臄?shù)字音視頻信號數(shù)據(jù)量較大,為保證通信的質(zhì)量,專門構(gòu)建了千兆有線以太網(wǎng),使用千兆交換機(jī)、千兆網(wǎng)卡和六類雙絞線進(jìn)行連接。該系統(tǒng)所部屬的范圍不太大,因而通信質(zhì)量得以保證,使用UDP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的高速傳輸。在軟件之間傳輸信號時則主要使用OSC標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)可以通過網(wǎng)絡(luò)有效傳遞,并且對于音頻和視頻都有詳細(xì)的定義,適于實時音視頻處理,同時可以對不同的輸入輸出設(shè)備進(jìn)行直接控制。

    此外,為便于對該系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和調(diào)試,在各系統(tǒng)中都建立了VPN通道,以保證安全的遠(yuǎn)程連接。為確保此系統(tǒng)不會受到病毒等因素的影響,在各計算機(jī)上都部署了殺毒軟件及防火墻。

    該系統(tǒng)除了作為普通交互式走廊之外,還在后續(xù)的應(yīng)用中被修改為交互式電子音樂表演系統(tǒng),結(jié)合舞蹈表演與電子音樂演奏,成為一套完整的電子音樂創(chuàng)作與演出系統(tǒng)。

    5 構(gòu)建多系統(tǒng)平臺協(xié)作電子音樂系統(tǒng)的實際意義

    電子音樂已經(jīng)發(fā)展到一個新的歷史階段,計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)與音樂藝術(shù)、視覺藝術(shù)、舞蹈藝術(shù)等藝術(shù)形式相互融合、相互影響,產(chǎn)生了豐富的電子音樂藝術(shù)形態(tài)。藝術(shù)表現(xiàn)形式的變化也要求創(chuàng)作的方式做出相應(yīng)的變化,在電子音樂創(chuàng)作中不再僅僅是一臺計算機(jī)對聲音進(jìn)行簡單的處理就能完成的。現(xiàn)代的電子音樂創(chuàng)作需要計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、新媒體設(shè)備作為支撐,利用數(shù)字技術(shù),將不同藝術(shù)形式結(jié)合在一起,才能完成具有多元化、多層面、多流派的新興電子音樂形態(tài)。

    在構(gòu)建多系統(tǒng)平臺電子音樂系統(tǒng)時,當(dāng)代電子音樂的跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的特點(diǎn)要求具備多種不同領(lǐng)域技能的專家團(tuán)隊進(jìn)行合作。國內(nèi)外很多優(yōu)秀電子音樂作品和團(tuán)隊的經(jīng)驗都證明,跨專業(yè)、跨學(xué)科的多層次專家團(tuán)隊的合作,能夠在創(chuàng)作過程中良好地解決藝術(shù)和技術(shù)相復(fù)合的問題,創(chuàng)作出高質(zhì)量的電子音樂作品來。

    6 后記

    本文從近幾年與國外團(tuán)體交流以及四川音樂學(xué)院實際創(chuàng)作的經(jīng)驗分析入手,論述多系統(tǒng)平臺協(xié)作電子音樂系統(tǒng)構(gòu)建的條件及意義,希望為該領(lǐng)域中其他同行帶來一些有益的啟示,也希望能夠有更多的交流與學(xué)習(xí)。

    [1]胡曉.電子音樂理論基礎(chǔ)[M].重慶:西南師范大學(xué)出版社,2014.

    [2]莊曜.數(shù)字時代新技術(shù)媒體對音樂創(chuàng)作的影響[J].南京藝術(shù)學(xué)院學(xué)報:音樂與表演版,2008(2).

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    [4]李穎.國內(nèi)外電子音樂的發(fā)展?fàn)顩r:吳粵北教授座談會紀(jì)要[J].天津音樂學(xué)院學(xué)報,2014(1).

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