音樂與舞臺燈光互聯系統的原理及設計

日期：2015/12/18 來源：中國演藝科技網

音樂是聽覺藝術，色彩是視覺藝術，兩者作用于不同的感官，卻都會對人的心理產生影響。人們一直以來都感覺到聲音與光存在著某種微妙的聯系，從藝術家到科學家，都進行著各種各樣的探索。筆者從聲音與光的物理屬性出發，分析它們之間的聯系，在現有技術條件下探索了音樂與光互聯系統的設計方案，并分析了方案原理及優劣。

1 音樂與光互聯系統的設計思想

韓寶強在2002年《關于“音”的性質的討論》一文中曾指出，聲音源于物體的振動，而光波本質也是一種波，不同的是光是電磁波，而聲是機械波；既然都是“波”，而音樂又是隸屬于聲音這個大范疇下的一部分，那么，音樂與光便在“波”的層面上具有許多共通的性質。

音樂中，可以定量的維度有：

（1）一個音的音高，它對應于物理屬性就是波振動的頻率； （2）某一個音的音色，物理屬性為這一段音的頻譜； （3）一個音的音強，其物理屬性為響度； （4）一個音的音長，其物理屬性為時長。以上是樂音四要素的心理屬性和物理屬性。從更加高維的角度看， （5）一個和弦，其本質也可以看作不同頻率的疊加，或不同音色對應頻譜的組合； （6）一段音樂的速度，它是一個與時間有關的可定量的值； （7）調性、調式等，可對應于特定音高的有序排列。 相比之下，光學中可以定量的維度有光強、頻率、頻譜、脈沖寬度等，而在描述色彩時又有色調（色相）、飽和度（純度）、明度等。以下，筆者以音量和音色與光強和顏色的映射為例，介紹音樂與光互聯系統設計的原理和方法。 2 音樂與光互聯系統的原理及設計 音樂與光互聯系統的設計原理如圖1所示。計算機軟件負責將聲音信號進行處理，將音量、音色等信息通過串口實時傳至硬件控制設備上，通過控制設備中的微處理器控制不同顏色LED燈進行實時明暗的變化，實現燈光與音樂的互聯。軟件選擇專門用于音頻與媒體制作的交互式編程語言與Max/MSP開發環境；微處理器選擇意大利廠商開發的Arduino系列處理器；LED燈選擇RGB三色分別可調的彩色LED模塊。之所以選擇這樣的軟硬件開發平臺，是因為它們相對純硬件設計而言，具有更高的設計靈活性，在國際范圍內得到了工程師和藝術家的廣泛認可，目前已具有成熟的網絡技術分享社區，其開源的特性便于使用者更快地掌握和進行二次開發。圖1　音樂與光互聯系統的原理 關于Max/MSP與Arduino之間的串口通信，武漢音樂學院的孫瀟在《基于Arduino和Max/MSP的“A系”交互裝置之設計與實現》中也有較為詳細的論述，此外Arduino的官方社區上也很容易找到相關的教程。 2.1 光強與色彩控制原理 2.1.1 調光強原理 PWM（Pulse Width Modulation）的全稱是脈沖寬度調制，它是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用于測量、通信、功率控制等領域中。其工作原理是通過調整高頻率矩形波的占空比（即高電平在一個周期之內所占的時間比率）來控制輸出的模擬電平，從而實現對輸出電平高低的控制，具有靈活性好、可靠性好的特點。 一般而言，微處理器輸出的數字信號只能是1或0兩個值，即通或不通，控制LED燈的表現為亮或不亮；但是，如果希望LED燈的光強介于最亮和不亮之間且亮度可調，那么PWM這種調制方式就提供了可能。圖2為周期為1 s，占空比分別為20%、50%、80%時的矩形波。圖2 不同占空比時的矩形波 微控制器的PWM口輸出的頻率一般為毫秒量級以下，人眼由于有視覺暫留效應，無法分辨出一個如此短時間內的通和斷，所以看到的光亮會是一個介于最亮和最暗之間的中間亮度，是一個被大腦處理后的結果。當占空比為0時，LED燈始終處于未接通狀態，故燈不亮；占空比逐漸增加，一個周期內接通的時間逐漸增加，人眼實際看到的亮度也就越來越亮；當占空比變為100%時，LED燈在一個周期內完全接通，即達到最亮。需要強調的是，計算機和處理器處理數據的速度很快，例如在一個持續僅0.1 s的音上微處理器上可能已經運行了幾百甚至上千個周期（取決于處理器具體端口的輸出頻率），所以LED燈的亮度可以對聲音的音量做出實時響應。 由于光的傳播速度是30×104 km/s，聲音的傳播速度是340 m/s，又由于人耳存在哈斯效應， 能夠區分時間差超過50 ms（17 m）的聲音，因此在距離音源和光源17 m以內的觀眾區域，人們聽到的聲音和看到的光是同時的，而超過17 m的區域，人們先看到光，后聽到聲。為使人們感覺聲光同時到達，需要對PWM脈沖作適當的延時。 2.1.2 調色原理 RGB色彩模型是目前廣泛應用于各類電子顯示器的色彩模型，它的原理是利用紅、綠、藍三色的不同配比得到不同的顏色，當紅、綠、藍三者配比為1:1:1時，可以得到白光，通過選擇不同的PWM占空比，并將它們的比例控制為1:1:1，則可以得到不同亮度的白光。同理，通過調整紅、綠、藍三者的比例及其占空比，可以得到RGB色彩模型中的任何顏色，實現顏色和亮度的控制。 2.2 系統設計所要考慮的問題系統根據不同的條件和用途，大致可分為主動式系統和被動式系統的設計。 （1）主動式系統：系統內音樂部分由創作者預先或現場（創作）完成，音樂信號一方面輸送給揚聲器進行播放，一方面把處理后的信號輸送給微處理器，實時控制光強和顏色進行變化。 （2）被動式系統：音樂通過傳統的方式在系統之外完成，系統用傳聲器拾取聲音，利用Max/MSP進行信號處理分析得出音量和音色信息，將信息輸送給微處理器，控制光的變化。 兩種形式的系統各有優劣，主動式系統的穩定性相對較高，也更容易實現；被動式系統允許音樂以現有的方式進行演奏，故應用范圍更廣，但它對現場音響效果和拾音設備的質量依賴較大，故穩定性相對較差。另外，被動式系統實現的結果與信號處理所使用的算法息息相關，其效果還依賴于信號處理領域的成果。

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