鋼琴考級(jí)智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)開發(fā)的必要性與可行性

李宇峰 （東北大學(xué)藝術(shù)學(xué)院音樂系 110004）

鋼琴考級(jí)智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)開發(fā)的必要性與可行性

李宇峰 （東北大學(xué)藝術(shù)學(xué)院音樂系 110004）

目前，在我國開展的鋼琴考級(jí)工作中，存在著教師水平參差不齊、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范等諸多問題。結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)一套“鋼琴考級(jí)智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)”可以很好地解決這些問題。通過音樂與計(jì)算機(jī)專家的聯(lián)合論證，這一套系統(tǒng)的研發(fā)是可行的。

鋼琴；考級(jí)；軟件；智能評(píng)價(jià)；模塊

一、鋼琴考級(jí)智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)開發(fā)的意義

對(duì)于鋼琴考級(jí)來說，系統(tǒng)化的考級(jí)教育、考級(jí)考試是鋼琴考級(jí)工作順利開展的基石。鋼琴考級(jí)工作在我國開展的歷史已逾20年，在文獻(xiàn)資料整理收集、考前教育、考級(jí)評(píng)定、考級(jí)評(píng)審等工作中積淀了極為豐厚的工作經(jīng)驗(yàn)。然而，鋼琴考級(jí)工作依然存在著諸多難以解決的問題，綜合來說，這些問題可以歸結(jié)為以下四點(diǎn)：（1）由于鋼琴考生多為社會(huì)業(yè)余鋼琴學(xué)習(xí)者，且以非專業(yè)音樂院校的在讀學(xué)生為主體，對(duì)于鋼琴考級(jí)考試要求與標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)識(shí)不清晰，不能準(zhǔn)確地分辨在各個(gè)階段鋼琴學(xué)習(xí)中如何正確的把握考級(jí)要求；（2）由于鋼琴教育社會(huì)化程度高，教育資源復(fù)雜，鋼琴教師的水平參差不齊，業(yè)余鋼琴學(xué)習(xí)者并不能分辨鋼琴教師的實(shí)際專業(yè)水平最終導(dǎo)致鋼琴教育的不正規(guī)不專業(yè)而學(xué)習(xí)失?。唬?）目前鋼琴考級(jí)考試以將客觀考試內(nèi)容進(jìn)行主觀評(píng)分的模式為主，由于考級(jí)評(píng)委對(duì)于鋼琴藝術(shù)理解的不同，造成了考試成績不能做到嚴(yán)格的統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化、以至于對(duì)于社會(huì)鋼琴教育也會(huì)產(chǎn)生一系列困擾；（4）在鋼琴學(xué)習(xí)過程中，學(xué)習(xí)者并不能時(shí)刻處于鋼琴教師的指導(dǎo)之下，在自我學(xué)習(xí)過程中如產(chǎn)生學(xué)習(xí)偏差、練習(xí)失誤等情況，鋼琴學(xué)習(xí)者并不能自我糾正。

上述問題的解決，通過傳統(tǒng)渠道很難實(shí)現(xiàn)。筆者在長期的教學(xué)與做考級(jí)評(píng)委的工作中發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)可以很好地解決這些問題。近年來，筆者進(jìn)行了一些力所能及的嘗試，收集了大量鋼琴考級(jí)教學(xué)工作中的實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與資料、研究了近十年的考級(jí)考試工作中的考試實(shí)際評(píng)審情況。最近，邀請(qǐng)到多位省內(nèi)專家、學(xué)者、技術(shù)人員共同論證了“鋼琴考級(jí)智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)”的可行性?！颁撉倏技?jí)智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)”能夠客觀地評(píng)價(jià)演奏者演奏的音高、節(jié)奏以及失誤率，考級(jí)考試時(shí)，可作為評(píng)委打分的輔助，平時(shí)教學(xué)時(shí)，可作為學(xué)生練習(xí)的輔助。

通過較為充分地論證，“鋼琴考級(jí)智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)”可以很好地解決上述難題：（1）軟件可以切實(shí)地設(shè)定考級(jí)考試標(biāo)準(zhǔn)，并且能夠?qū)嶋H的示范考試內(nèi)容讓考生切實(shí)地把握；（2）軟件可以切實(shí)地暴露出非專業(yè)水平鋼琴教師的各項(xiàng)不足，它將導(dǎo)致鋼琴教育市場的正規(guī)化、高水平化；（3）軟件應(yīng)用在考級(jí)考試過程中，可以將音階、練習(xí)曲的考試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算機(jī)統(tǒng)一化、固定化的設(shè)定、樂曲進(jìn)行以計(jì)算機(jī)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)為主、評(píng)委評(píng)分為輔的評(píng)分方式，極大的提高了鋼琴考級(jí)評(píng)分的一致性、公平性。（4）軟件應(yīng)用在鋼琴學(xué)習(xí)中，可以產(chǎn)生的練習(xí)誤區(qū)、教師教學(xué)失誤等情況一并規(guī)避，極大地提高了鋼琴學(xué)習(xí)效率。“鋼琴演奏考級(jí)智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)”的建設(shè)極大的促使鋼琴考級(jí)向正規(guī)化、專業(yè)化、前沿化的方向發(fā)展，可以解決當(dāng)前鋼琴考級(jí)教育中存在的一系列不規(guī)范問題的現(xiàn)狀。

二、鋼琴演奏考級(jí)智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

“鋼琴考級(jí)智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)”主要由音高評(píng)判模塊、時(shí)值評(píng)判模塊以及音符間隔評(píng)判模塊組成，這三個(gè)模塊分別從不同角度來智能評(píng)價(jià)鋼琴演奏的準(zhǔn)確度。最后通過綜合這三個(gè)方面得分計(jì)算最后的總得分。本系統(tǒng)主要的研發(fā)方向?yàn)榇巳齻€(gè)模塊，它完全不影響考級(jí)考試工作中主觀藝術(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.音高評(píng)判模塊

在演奏過程中，對(duì)每個(gè)獨(dú)立音符的音高進(jìn)行提取，是利用計(jì)算機(jī)分析音樂的關(guān)鍵之一。音符的音高和時(shí)值是構(gòu)成每首樂曲的根本,也是一首樂曲與其他樂曲的本質(zhì)區(qū)別。當(dāng)演奏時(shí)，任意音符的音高如出現(xiàn)偏差，計(jì)算機(jī)則會(huì)利用智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)來評(píng)判音符的正誤。此外，樂譜中的音高和鋼琴上的88個(gè)鍵也存在明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因而可以通過提取考生彈奏的音高序列，并映射成鍵位序列，再并與標(biāo)準(zhǔn)的彈奏方式產(chǎn)生的鍵位序列進(jìn)行比較就可以確定考生在演奏時(shí)是否出現(xiàn)錯(cuò)音。

在本系統(tǒng)中采用諧波峰值法，這一經(jīng)典的算法提取演奏中的音符音高及其相應(yīng)的時(shí)值。這種方法將錄制音頻的wav格式文件經(jīng)過快速傅立葉變換得到頻率隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，并提取其最大值序列確定音高。我們可以通過調(diào)用matlab中有關(guān)快速傅立葉變換的函數(shù)較為方便的進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

2.時(shí)值評(píng)判模塊

在音高評(píng)判模塊中系統(tǒng)不僅可以確定學(xué)生彈奏的每個(gè)音符的音高，還可以確定相應(yīng)音符的時(shí)值，但是這個(gè)時(shí)間是絕對(duì)時(shí)間（例如0.1秒、0.2秒）。而在實(shí)際的演奏中，每個(gè)人的風(fēng)格和對(duì)樂譜的熟練程度存在較大差別，直接比較絕對(duì)的時(shí)間長度會(huì)使得評(píng)分變得不具備說服力。因而本系統(tǒng)通過比較音長相對(duì)整個(gè)樂譜的時(shí)間比例（例如1/100、1/50）來確定音長的正確與否，這樣就避免了熟練程度和演奏風(fēng)格對(duì)評(píng)分帶來的影響，使得評(píng)分更加客觀。

3.演奏失誤評(píng)判模塊

在演奏過程中，考生突然出現(xiàn)意外失誤情況，比如出現(xiàn)演奏增加額外音符、演奏增加額外停頓的情況。這時(shí)需要通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一系列設(shè)定來達(dá)到正確評(píng)判的目的。在評(píng)判的過程中，系統(tǒng)還會(huì)通過設(shè)定相應(yīng)的閾值來判斷演奏是否出現(xiàn)了失誤（增加額外音符、并且與樂譜嚴(yán)重不符；停頓時(shí)間超過閾值，并且該處沒有休止符），并給予學(xué)生一定數(shù)量的失誤機(jī)會(huì)。

4.系統(tǒng)運(yùn)行的整體流程

如圖所示為本系統(tǒng)運(yùn)行的整體流程，首先本系統(tǒng)讀取保存在wav文件中的音頻數(shù)據(jù)，然后通過濾波器去除噪聲，然后循環(huán)計(jì)算每個(gè)音符的音高，并記錄該音符彈奏的時(shí)刻，直到音頻的最后一幀，然后計(jì)算整個(gè)樂曲的演奏時(shí)間。在處理完整個(gè)音頻之后，我們可以計(jì)算每個(gè)音符的音長與整個(gè)樂曲長度的比例關(guān)系，以及音符間隔與樂曲長度的比例關(guān)系。最后通過將音符的音高映射成鋼琴88個(gè)鍵，并將按鍵與正確的按鍵序列相比較，得出學(xué)生在音高方面的得分。然后再比較音長的相對(duì)時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)的音長相對(duì)時(shí)間，以及音符間隔的相對(duì)時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)的音長相對(duì)時(shí)間來確定學(xué)生在音長以及音符間隔方面的得分。最后在確定學(xué)生此次演奏的綜合總得分。如出現(xiàn)失誤次數(shù)超過預(yù)定上限，則系統(tǒng)會(huì)判斷考試不過關(guān)，并且終止該次演奏考試。

三、結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼琴考級(jí)教育與考試工作沒有跟上時(shí)代發(fā)展的潮流，仍然遵循“前網(wǎng)絡(luò)時(shí)代”的傳統(tǒng)模式，以至于社會(huì)鋼琴考級(jí)考生的學(xué)習(xí)效率效果相比于其他已開展創(chuàng)新模式教育的學(xué)科來說，已存在嚴(yán)重的滯后性?！颁撉倏技?jí)智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)”的開發(fā)，可以方便地解決考級(jí)工作中產(chǎn)生的一系列問題。經(jīng)過多年的籌備和切實(shí)地論證，此套系統(tǒng)在技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)，且必將在將來的考級(jí)教學(xué)與評(píng)價(jià)中發(fā)揮巨大的作用。