日期：2015/12/18 來源：中國(guó)演藝科技網(wǎng)

音樂是聽覺藝術(shù)，色彩是視覺藝術(shù)，兩者作用于不同的感官，卻都會(huì)對(duì)人的心理產(chǎn)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(lián)系，從藝術(shù)家到科學(xué)家，都進(jìn)行著各種各樣的探索。筆者從聲音與光的物理屬性出發(fā)，分析它們之間的聯(lián)系，在現(xiàn)有技術(shù)條件下探索了音樂與光互聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并分析了方案原理及優(yōu)劣。

1 音樂與光互聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想

韓寶強(qiáng)在2002年《關(guān)于“音”的性質(zhì)的討論》一文中曾指出，聲音源于物體的振動(dòng)，而光波本質(zhì)也是一種波，不同的是光是電磁波，而聲是機(jī)械波；既然都是“波”，而音樂又是隸屬于聲音這個(gè)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(zhì)。

音樂中，可以定量的維度有：

（1）一個(gè)音的音高，它對(duì)應(yīng)于物理屬性就是波振動(dòng)的頻率； （2）某一個(gè)音的音色，物理屬性為這一段音的頻譜； （3）一個(gè)音的音強(qiáng)，其物理屬性為響度； （4）一個(gè)音的音長(zhǎng)，其物理屬性為時(shí)長(zhǎng)。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(gè)和弦，其本質(zhì)也可以看作不同頻率的疊加，或不同音色對(duì)應(yīng)頻譜的組合； （6）一段音樂的速度，它是一個(gè)與時(shí)間有關(guān)的可定量的值； （7）調(diào)性、調(diào)式等，可對(duì)應(yīng)于特定音高的有序排列。 相比之下，光學(xué)中可以定量的維度有光強(qiáng)、頻率、頻譜、脈沖寬度等，而在描述色彩時(shí)又有色調(diào)（色相）、飽和度（純度）、明度等。以下，筆者以音量和音色與光強(qiáng)和顏色的映射為例，介紹音樂與光互聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理和方法。 2 音樂與光互聯(lián)系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì) 音樂與光互聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理如圖1所示。計(jì)算機(jī)軟件負(fù)責(zé)將聲音信號(hào)進(jìn)行處理，將音量、音色等信息通過串口實(shí)時(shí)傳至硬件控制設(shè)備上，通過控制設(shè)備中的微處理器控制不同顏色LED燈進(jìn)行實(shí)時(shí)明暗的變化，實(shí)現(xiàn)燈光與音樂的互聯(lián)。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(fā)環(huán)境；微處理器選擇意大利廠商開發(fā)的Arduino系列處理器；LED燈選擇RGB三色分別可調(diào)的彩色LED模塊。之所以選擇這樣的軟硬件開發(fā)平臺(tái)，是因?yàn)樗鼈兿鄬?duì)純硬件設(shè)計(jì)而言，具有更高的設(shè)計(jì)靈活性，在國(guó)際范圍內(nèi)得到了工程師和藝術(shù)家的廣泛認(rèn)可，目前已具有成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分享社區(qū)，其開源的特性便于使用者更快地掌握和進(jìn)行二次開發(fā)。圖1　音樂與光互聯(lián)系統(tǒng)的原理 關(guān)于Max/MSP與Arduino之間的串口通信，武漢音樂學(xué)院的孫瀟在《基于Arduino和Max/MSP的“A系”交互裝置之設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》中也有較為詳細(xì)的論述，此外Arduino的官方社區(qū)上也很容易找到相關(guān)的教程。 2.1 光強(qiáng)與色彩控制原理 2.1.1 調(diào)光強(qiáng)原理 PWM（Pulse Width Modulation）的全稱是脈沖寬度調(diào)制，它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量、通信、功率控制等領(lǐng)域中。其工作原理是通過調(diào)整高頻率矩形波的占空比（即高電平在一個(gè)周期之內(nèi)所占的時(shí)間比率）來控制輸出的模擬電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電平高低的控制，具有靈活性好、可靠性好的特點(diǎn)。 一般而言，微處理器輸出的數(shù)字信號(hào)只能是1或0兩個(gè)值，即通或不通，控制LED燈的表現(xiàn)為亮或不亮；但是，如果希望LED燈的光強(qiáng)介于最亮和不亮之間且亮度可調(diào)，那么PWM這種調(diào)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(shí)的矩形波。圖2 不同占空比時(shí)的矩形波 微控制器的PWM口輸出的頻率一般為毫秒量級(jí)以下，人眼由于有視覺暫留效應(yīng)，無法分辨出一個(gè)如此短時(shí)間內(nèi)的通和斷，所以看到的光亮?xí)且粋€(gè)介于最亮和最暗之間的中間亮度，是一個(gè)被大腦處理后的結(jié)果。當(dāng)占空比為0時(shí)，LED燈始終處于未接通狀態(tài)，故燈不亮；占空比逐漸增加，一個(gè)周期內(nèi)接通的時(shí)間逐漸增加，人眼實(shí)際看到的亮度也就越來越亮；當(dāng)占空比變?yōu)?00%時(shí)，LED燈在一個(gè)周期內(nèi)完全接通，即達(dá)到最亮。需要強(qiáng)調(diào)的是，計(jì)算機(jī)和處理器處理數(shù)據(jù)的速度很快，例如在一個(gè)持續(xù)僅0.1 s的音上微處理器上可能已經(jīng)運(yùn)行了幾百甚至上千個(gè)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(duì)聲音的音量做出實(shí)時(shí)響應(yīng)。 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(yīng)， 能夠區(qū)分時(shí)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(nèi)的觀眾區(qū)域，人們聽到的聲音和看到的光是同時(shí)的，而超過17 m的區(qū)域，人們先看到光，后聽到聲。為使人們感覺聲光同時(shí)到達(dá)，需要對(duì)PWM脈沖作適當(dāng)?shù)难訒r(shí)。 2.1.2 調(diào)色原理 RGB色彩模型是目前廣泛應(yīng)用于各類電子顯示器的色彩模型，它的原理是利用紅、綠、藍(lán)三色的不同配比得到不同的顏色，當(dāng)紅、綠、藍(lán)三者配比為1:1:1時(shí)，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(diào)整紅、綠、藍(lán)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(shí)現(xiàn)顏色和亮度的控制。 2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)所要考慮的問題系統(tǒng)根據(jù)不同的條件和用途，大致可分為主動(dòng)式系統(tǒng)和被動(dòng)式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 （1）主動(dòng)式系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)音樂部分由創(chuàng)作者預(yù)先或現(xiàn)場(chǎng)（創(chuàng)作）完成，音樂信號(hào)一方面輸送給揚(yáng)聲器進(jìn)行播放，一方面把處理后的信號(hào)輸送給微處理器，實(shí)時(shí)控制光強(qiáng)和顏色進(jìn)行變化。 （2）被動(dòng)式系統(tǒng)：音樂通過傳統(tǒng)的方式在系統(tǒng)之外完成，系統(tǒng)用傳聲器拾取聲音，利用Max/MSP進(jìn)行信號(hào)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(tǒng)各有優(yōu)劣，主動(dòng)式系統(tǒng)的穩(wěn)定性相對(duì)較高，也更容易實(shí)現(xiàn)；被動(dòng)式系統(tǒng)允許音樂以現(xiàn)有的方式進(jìn)行演奏，故應(yīng)用范圍更廣，但它對(duì)現(xiàn)場(chǎng)音響效果和拾音設(shè)備的質(zhì)量依賴較大，故穩(wěn)定性相對(duì)較差。另外，被動(dòng)式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的結(jié)果與信號(hào)處理所使用的算法息息相關(guān)，其效果還依賴于信號(hào)處理領(lǐng)域的成果。

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