音乐与舞台灯光互联系统的原理及设计

日期：2015/12/18 来源：中国演艺科技网

音乐是听觉艺术，色彩是视觉艺术，两者作用于不同的感官，却都会对人的心理产生影响。人们一直以来都感觉到声音与光存在着某种微妙的联系，从艺术家到科学家，都进行着各种各样的探索。笔者从声音与光的物理属性出发，分析它们之间的联系，在现有技术条件下探索了音乐与光互联系统的设计方案，并分析了方案原理及优劣。

1 音乐与光互联系统的设计思想

韩宝强在2002年《关于“音”的性质的讨论》一文中曾指出，声音源于物体的振动，而光波本质也是一种波，不同的是光是电磁波，而声是机械波；既然都是“波”，而音乐又是隶属于声音这个大范畴下的一部分，那么，音乐与光便在“波”的层面上具有许多共通的性质。

音乐中，可以定量的维度有：

（1）一个音的音高，它对应于物理属性就是波振动的频率； （2）某一个音的音色，物理属性为这一段音的频谱； （3）一个音的音强，其物理属性为响度； （4）一个音的音长，其物理属性为时长。以上是乐音四要素的心理属性和物理属性。从更加高维的角度看， （5）一个和弦，其本质也可以看作不同频率的叠加，或不同音色对应频谱的组合； （6）一段音乐的速度，它是一个与时间有关的可定量的值； （7）调性、调式等，可对应于特定音高的有序排列。 相比之下，光学中可以定量的维度有光强、频率、频谱、脉冲宽度等，而在描述色彩时又有色调（色相）、饱和度（纯度）、明度等。以下，笔者以音量和音色与光强和颜色的映射为例，介绍音乐与光互联系统设计的原理和方法。 2 音乐与光互联系统的原理及设计 音乐与光互联系统的设计原理如图1所示。计算机软件负责将声音信号进行处理，将音量、音色等信息通过串口实时传至硬件控制设备上，通过控制设备中的微处理器控制不同颜色LED灯进行实时明暗的变化，实现灯光与音乐的互联。软件选择专门用于音频与媒体制作的交互式编程语言与Max/MSP开发环境；微处理器选择意大利厂商开发的Arduino系列处理器；LED灯选择RGB三色分别可调的彩色LED模块。之所以选择这样的软硬件开发平台，是因为它们相对纯硬件设计而言，具有更高的设计灵活性，在国际范围内得到了工程师和艺术家的广泛认可，目前已具有成熟的网络技术分享社区，其开源的特性便于使用者更快地掌握和进行二次开发。图1　音乐与光互联系统的原理 关于Max/MSP与Arduino之间的串口通信，武汉音乐学院的孙潇在《基于Arduino和Max/MSP的“A系”交互装置之设计与实现》中也有较为详细的论述，此外Arduino的官方社区上也很容易找到相关的教程。 2.1 光强与色彩控制原理 2.1.1 调光强原理 PWM（Pulse Width Modulation）的全称是脉冲宽度调制，它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量、通信、功率控制等领域中。其工作原理是通过调整高频率矩形波的占空比（即高电平在一个周期之内所占的时间比率）来控制输出的模拟电平，从而实现对输出电平高低的控制，具有灵活性好、可靠性好的特点。 一般而言，微处理器输出的数字信号只能是1或0两个值，即通或不通，控制LED灯的表现为亮或不亮；但是，如果希望LED灯的光强介于最亮和不亮之间且亮度可调，那么PWM这种调制方式就提供了可能。图2为周期为1 s，占空比分别为20%、50%、80%时的矩形波。图2 不同占空比时的矩形波 微控制器的PWM口输出的频率一般为毫秒量级以下，人眼由于有视觉暂留效应，无法分辨出一个如此短时间内的通和断，所以看到的光亮会是一个介于最亮和最暗之间的中间亮度，是一个被大脑处理后的结果。当占空比为0时，LED灯始终处于未接通状态，故灯不亮；占空比逐渐增加，一个周期内接通的时间逐渐增加，人眼实际看到的亮度也就越来越亮；当占空比变为100%时，LED灯在一个周期内完全接通，即达到最亮。需要强调的是，计算机和处理器处理数据的速度很快，例如在一个持续仅0.1 s的音上微处理器上可能已经运行了几百甚至上千个周期（取决于处理器具体端口的输出频率），所以LED灯的亮度可以对声音的音量做出实时响应。 由于光的传播速度是30×104 km/s，声音的传播速度是340 m/s，又由于人耳存在哈斯效应， 能够区分时间差超过50 ms（17 m）的声音，因此在距离音源和光源17 m以内的观众区域，人们听到的声音和看到的光是同时的，而超过17 m的区域，人们先看到光，后听到声。为使人们感觉声光同时到达，需要对PWM脉冲作适当的延时。 2.1.2 调色原理 RGB色彩模型是目前广泛应用于各类电子显示器的色彩模型，它的原理是利用红、绿、蓝三色的不同配比得到不同的颜色，当红、绿、蓝三者配比为1:1:1时，可以得到白光，通过选择不同的PWM占空比，并将它们的比例控制为1:1:1，则可以得到不同亮度的白光。同理，通过调整红、绿、蓝三者的比例及其占空比，可以得到RGB色彩模型中的任何颜色，实现颜色和亮度的控制。 2.2 系统设计所要考虑的问题系统根据不同的条件和用途，大致可分为主动式系统和被动式系统的设计。 （1）主动式系统：系统内音乐部分由创作者预先或现场（创作）完成，音乐信号一方面输送给扬声器进行播放，一方面把处理后的信号输送给微处理器，实时控制光强和颜色进行变化。 （2）被动式系统：音乐通过传统的方式在系统之外完成，系统用传声器拾取声音，利用Max/MSP进行信号处理分析得出音量和音色信息，将信息输送给微处理器，控制光的变化。 两种形式的系统各有优劣，主动式系统的稳定性相对较高，也更容易实现；被动式系统允许音乐以现有的方式进行演奏，故应用范围更广，但它对现场音响效果和拾音设备的质量依赖较大，故稳定性相对较差。另外，被动式系统实现的结果与信号处理所使用的算法息息相关，其效果还依赖于信号处理领域的成果。

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