專利名稱：一種虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備及其操作信息輸入方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備及其操作信息輸入方法，具體地 說是提供一種虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備，還提供一種新的操作信息輸入方法， 使教師不受鼠標(biāo)鍵盤操作的限制，利用輔助教學(xué)設(shè)備和教學(xué)軟件更方便地進(jìn) 行虛擬的電子音樂教學(xué)。
技術(shù)背景近些年來，計算機(jī)音樂技術(shù)對音樂教學(xué)產(chǎn)生了很大的影響，正逐歩向教 學(xué)的各個領(lǐng)域滲透，電腦多媒體音樂教學(xué)容量大、聲效佳、可視性強(qiáng)、效率 高，能讓學(xué)生在更短時間里獲得更多更美的熏陶，是提高學(xué)生音樂素養(yǎng)的一 種良好途徑。相對于傳統(tǒng)音樂教學(xué)，現(xiàn)有電腦多媒體音樂教學(xué)雖然體現(xiàn)較大優(yōu)勢，但 仍存在許多不足 一是體現(xiàn)在輸入方式的局限性，采用電腦多媒體音樂教學(xué)， 教師受鼠標(biāo)鍵盤操作的限制，不便于隨意走動，肢體語言不夠豐富，不便與 學(xué)生近距離互動，原本豐富多彩的教學(xué)變成了 PPT的簡單切換，課堂教學(xué)質(zhì) 量下降。二是體現(xiàn)在教學(xué)設(shè)備的限制，涉及到鋼琴等大型樂器的現(xiàn)場演示課 程，現(xiàn)有的電腦多媒體教學(xué)只能給學(xué)生以感觀認(rèn)識，授課需要到專業(yè)樂器房 進(jìn)行，加上樂器價格昂貴，數(shù)量有限，只能容納少量學(xué)生學(xué)習(xí)，給音樂教學(xué) 帶來很大不便。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種在教學(xué)上能夠替代真實樂器教學(xué)，成本更低、 授課對象數(shù)量更多的虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備。本發(fā)明的第二個目的在于提供一種新的操作信息輸入方法，新方法能克 服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，使教師不受鼠標(biāo)鍵盤操作的限制，操作更加靈活， 更有利于師生互動的虛擬電子音樂教學(xué)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備，包括輔助 教學(xué)設(shè)備、操作信息輸入單元、操作信息處理單元和教學(xué)信息輸出單元，輔 助教學(xué)設(shè)備有光電教鞭(6)、激光燈；操作信息輸入單元有傳感器陣列(8)、鼠 標(biāo)和鍵盤；操作信息處理單元為計算機(jī)；教學(xué)信息輸出單元有MIDI音源板、 發(fā)聲設(shè)備和投影儀(l);操作信息輸入由鼠標(biāo)和鍵盤輸入計算機(jī)，還有傳感器 陣列捕獲光電教鞭或激光燈的操作信息輸入計算機(jī)，由計算機(jī)處理操作信息， 再通過投影儀在投影屏(2)產(chǎn)生虛擬真實樂器的各個按鍵功能、狀態(tài)的視覺效 果的同時通過MIDI音源板、發(fā)聲設(shè)備的輸出，實現(xiàn)虛擬真實樂器各種樂聲的 發(fā)聲時刻、時值、音高、音色的聽覺仿真效果。本發(fā)明一種虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備，包括輔助教學(xué)設(shè)備、操作信息輸入 單元、操作信息處理單元和教學(xué)信息輸出單元。本發(fā)明一種虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備，所述輔助教學(xué)設(shè)備包括光電教鞭(6)、 激光燈；所述光電教鞭內(nèi)嵌鈕扣電池(9)串接通用型開關(guān)(W)、高亮光電指示燈 (5)和接近開關(guān)(11)，高亮光電指示燈安裝在光電教鞭頂端前側(cè)，接近開關(guān)安裝 在頂端后側(cè)；當(dāng)光電教鞭頂端靠近或者接觸目標(biāo)時，接近開關(guān)閉合，高亮光 電指示燈點亮；當(dāng)光電教鞭頂端與目標(biāo)有一段距離后，接近開關(guān)斷開，高亮 光電指示燈熄滅。所述接近開關(guān)可選用機(jī)械式微動開關(guān)、電容式接近開關(guān)、 電感式接近開關(guān)、霍爾接近開關(guān)或光電式接近開關(guān)。所述通用型開關(guān)(W)在光 電教鞭閑置時處于斷開狀態(tài)，在使用光電教鞭前才閉合。所述激光燈也稱激 光筆，由筆身、電池、激光指示器、激光按鈕四部分組成，激光按鈕置于筆 身，激光指示器置于筆頭。按下激光按鈕，激光指示器被點亮，發(fā)出激光， 投射到目標(biāo)位置形成光斑；松開激光按鈕，激光指示器熄滅，光斑消失。本發(fā)明一種虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備，所述的操作輸入單元包括傳感器陣 列(8)、鼠標(biāo)和鍵盤；所述傳感器陣列用于捕獲操作信息，不限于使用CMOS傳 感器(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)、 CCD傳感器(Charge Co叩led Device)、超聲波傳感器、紅外傳感器、聲音傳感器。傳感器陣列 捕獲的輔助教學(xué)設(shè)備操作信息，作為計算機(jī)的輸入。本發(fā)明一種虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備，所述的操作信息處理單元為計算機(jī)， 所述計算機(jī)板載資源包括主板、CPU、硬盤、內(nèi)存、聲卡、顯卡、網(wǎng)卡、光盤 驅(qū)動器和多種1/0接口(VGA、 PS/2、 USB、 C0M1、 LAN、 RS-232、 AUDIO等)， 可采用低電壓(5V)、 AT電源、ATX電源等供電，包含個人電腦的全部功能，
體積小，功耗低。
本發(fā)明一種虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備，所述的教學(xué)輸出單元包括MIDI (樂
器數(shù)字接口技術(shù))音源板和投影儀(l),所述MIDI音源板接收計算機(jī)發(fā)出的 MIDI指令，輸出AUDIO音頻信號，作為發(fā)聲設(shè)備的輸入，用于實現(xiàn)虛擬設(shè)備 的聽覺仿真。所述投影儀接收計算機(jī)的圖像數(shù)據(jù)，輸出虛擬圖像信息實現(xiàn)虛 擬設(shè)備的視覺仿真效果。虛擬樂器設(shè)備實現(xiàn)了視覺、功能、聽覺三個層次上 的仿真；視覺仿真通過投影方式實現(xiàn)，包括虛擬真實樂器的顏色、外形、按 鍵分布等要素；功能仿真通過計算機(jī)實現(xiàn)，包括虛擬真實樂器的各個按鍵功 能、狀態(tài)等要素；聽覺仿真通過聲音輸出實現(xiàn)；包括虛擬真實樂器各種樂聲 的發(fā)聲時刻、時值(發(fā)音時間長短)、音高、音色等要素。
本發(fā)明采用上述教學(xué)設(shè)備，通過投影儀在投影屏上虛擬鋼琴、電子琴等 常用樂器，教師可借助光電教鞭、激光燈等輔助教學(xué)設(shè)備，配合教學(xué)軟件， 進(jìn)行虛擬電子音樂教學(xué)，通過色彩絢麗且生動逼真的畫面和仿真聲覺，實現(xiàn) 了虛擬音樂教學(xué)設(shè)備的視覺、聽覺、功能仿真，讓學(xué)生在教學(xué)中感受到身如 其境的體驗。
本發(fā)明虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備采用工控機(jī)箱，方便移動教學(xué)，所有硬件 設(shè)備一次性投入成本低。
為了達(dá)到本發(fā)明的第二個目的，還提供一種上述虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備 的操作信息輸入方法，通常使用鼠標(biāo)和鍵盤輸入操作信息，還采用亮斑識別 方式間接操作信息輸入，步驟為
A、 使用光電教鞭，將其頂端單次或雙次靠近或接觸操作目標(biāo)，使高亮光 電指示燈單次或雙次點亮，或者由激光燈的激光單次或雙次指示操作目標(biāo)；
B、 傳感器陣列捕獲光電教鞭或激光燈產(chǎn)生的單次或雙次亮斑作為操作識 別間接替代鼠標(biāo)的單擊雙擊功能。
本發(fā)明的虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備的操作信息輸入方法，所述亮斑識別方 式中亮斑所處位置對應(yīng)鼠標(biāo)箭頭所處位置，亮斑單次點亮、熄滅對應(yīng)鼠標(biāo)按 鍵按下、彈起，亮斑多次點亮、熄滅對應(yīng)鼠標(biāo)按鍵多次按下、彈起。本發(fā)明 的操作信息輸入方法是以亮斑識別方式用于代替鼠標(biāo)單擊雙擊輸入功能。
本發(fā)明以亮斑識別方式用于代替鼠標(biāo)單擊雙擊輸入功能，是利用了輔助
教學(xué)設(shè)備中光電教鞭(6)和激光燈的特性，光電教鞭的高亮光電指示燈(5)及激 光燈都具有高強(qiáng)亮度，能量可以集中在很小的光斑內(nèi)，當(dāng)傳感器陣列(8)捕獲 到光電教鞭和激光燈操作產(chǎn)生的亮光信息，就能以亮斑識別方式間接輸入， 這樣教師可以不受鼠標(biāo)、鍵盤操作的限制，可以持光電教鞭或激光燈走動， 以豐富的肢體語言與學(xué)生及計算機(jī)互動，動作農(nóng)現(xiàn)就越真實，讓學(xué)生體驗到 直觀、生動、絢麗色彩的畫面和聲覺仿真感受，使課堂教學(xué)質(zhì)量大大提高。 本發(fā)明一種虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備及其操作信息輸入方法具有如下優(yōu)
點
1、 本發(fā)明虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備具有硬件設(shè)備一次性投入成本低，采用 工控機(jī)箱，方便移動教學(xué)，配有專業(yè)教學(xué)軟件，采用新的人機(jī)交互操作，極 大的方便教學(xué)，教學(xué)效果好。
2、 本發(fā)明利用虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備及其操作信息輸入方法進(jìn)行教學(xué)， 克服了現(xiàn)有電腦多媒體音樂教學(xué)存在的弊端，教師可以不受鼠標(biāo)、鍵盤操作 的限制，可以持光電教鞭或激光燈走動操作，使用光電教鞭或激光燈在投影 屏上虛擬各種樂器按鍵按下、彈起，教學(xué)表現(xiàn)力豐富，操作靈活方便，仿真 效果好，有利于提高教學(xué)質(zhì)量。
3、 應(yīng)用本發(fā)明虛擬音樂教學(xué)設(shè)備可以實現(xiàn)視覺、聽覺、功能仿真，完全
可替代真實樂器，解決了在音樂教學(xué)中音樂設(shè)備短缺、授課對象有限的問題。 本發(fā)明集多種音樂教學(xué)手段于一體，可進(jìn)行多媒體教學(xué)、樂器演示、樂譜作 曲練習(xí)、音樂編輯制作，顯示形象直觀，適用于初級音樂教學(xué)，應(yīng)用前景非 常廣闊。


以下用附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明
圖1為本發(fā)明一種虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備的原理及主要設(shè)備配置框圖。 圖2為本發(fā)明在投影顯示方式下，虛擬鋼琴樂器演示的操作示意圖。
圖3為本發(fā)明在投影顯示方式下，五線譜作曲教學(xué)的操作示意圖。
圖4為本發(fā)明使用的光電教鞭(6)的電路圖。電路中接近開光(ll)采用機(jī)械
式開光。
上述圖中(l)投影儀、(2)投影屏、(3)虛擬五線譜、(4)虛擬鋼琴按鍵、(5搞
亮光電指示燈、(6)光電教鞭、(7)教師、(8)傳感器陣列、(9)鈕扣電池、(抑通用
型開關(guān)、(ll)接近開關(guān)。
具體實施例方式
實施例1:本發(fā)明虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備中使用的光電教鞭(6)，其電路 如圖4，電路中有鈕扣電池(9)串接通用型開關(guān)(抑、高亮光電指示燈(5)和接近 開關(guān)(ll)，圖中接近開關(guān)選用機(jī)械式微動開關(guān)。所使用的光電教鞭，高亮光電 指示燈裝在光電教鞭頂端前側(cè)，頂端后側(cè)安裝接近開關(guān)；使用光電教鞭時先 閉合通用型開關(guān)，當(dāng)光電教鞭頂端靠近或者接觸目標(biāo)位置，接近開關(guān)閉合， 高亮光電指示燈點亮；當(dāng)光電教鞭頂端離開目標(biāo)位置一段距離后，接近開關(guān) 斷開，高亮光電指示燈熄滅；光電教鞭內(nèi)嵌鈕扣電池(9)供高亮光電指示燈的 發(fā)光使用；接近開關(guān)用于判定教鞭頂端遠(yuǎn)離或接近、接觸目標(biāo)位置。
實施例2:將本發(fā)明的虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備用于虛擬鋼琴仿真教學(xué)， 并在教學(xué)中采用新的操作信息輸入方法。其所需的設(shè)備如圖1，硬件設(shè)備主 要包括光電教鞭(6)、傳感器陣列(8)、鼠標(biāo)、鍵盤、計算機(jī)、MIDI、發(fā)聲設(shè)備、 投影儀和投影屏。光電教鞭所用接近開關(guān)(ll)選用電容式接近開關(guān)。鋼琴仿真 教學(xué)狀態(tài)如圖2，首先計算機(jī)控制投影儀(l)輸出虛擬圖像，投影到投影屏(2) 上形成虛擬的五線譜(3)和虛擬鋼琴按鍵(4)，教師(7)通過光電教鞭點擊投影屏 上的虛擬鋼琴按鍵，使得位于光電教鞭頂端的高亮光電指示燈(5)點亮，點亮 信息被傳感器陣列捕獲，送至計算機(jī)作為鋼琴鍵被按下信息處理，進(jìn)而控制 投影儀輸出反饋信息在虛擬五線譜(3)所在的區(qū)域顯示相應(yīng)的音符，改變被 按下虛擬鋼琴鍵的顏色，同時輸出MIDI指令播放相應(yīng)的樂聲。
光電教鞭點擊完畢，離開投影屏一段距離，高亮光電指示燈熄滅，熄滅 的信息被傳感器陣列捕獲，送至計算機(jī)作為鋼琴鍵彈起信息處理，進(jìn)而控制 投影儀輸出反饋信息恢復(fù)被按下虛擬鋼琴鍵的顏色，同時輸出MIDI指令停 止樂聲的播放。傳感器陣列時刻監(jiān)視高亮光電指示燈的位置、狀態(tài)信息，送 至計算機(jī)處理，實時反饋，達(dá)到虛擬鋼琴仿真的效果。
實施例3:利用本發(fā)明虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備進(jìn)行樂譜作曲教學(xué)演示。 參照圖3，首先計算機(jī)控制投影儀(l)輸出虛擬圖像，投影到投影屏(2)形成虛 擬五線譜(3)，教師(7)通過光電教鞭(6)頂端的高亮光電指示燈(5)進(jìn)行音符的拾
取操作。類似于實施例2中對于光電教鞭的操作，傳感器陣列(8)時刻監(jiān)視高 亮光電指示燈的位置與狀態(tài)的信息，記錄當(dāng)前光電教鞭拾取的音符類型，通 過判斷教師操作類型，進(jìn)行相應(yīng)的實時響應(yīng)。若教師正在進(jìn)行音符拾取操作，
則更新當(dāng)前記錄教鞭拾取的音符類型；若教師正在進(jìn)行音符填寫操作，則在
相應(yīng)的虛擬五線譜區(qū)域顯示相應(yīng)的音符，同時由計算機(jī)發(fā)出指令播放相應(yīng)的
樂聲；教師利用光電教鞭還可進(jìn)行音符擦除、更改、平移等操作，作曲完畢 后還可利用光電教鞭操作信息輸入，進(jìn)行音樂回放，試聽作曲的效果，整個 作曲、修改、試聽過程全部采用光電教鞭完成操作信息輸入，操作靈活。
實施例4:采用激光燈完全代替實施例2與實施例3中光電教鞭的操作， 支持遠(yuǎn)距離操作，擴(kuò)大了教師的活動范圍，傳感器陣列時刻監(jiān)視投影屏上的 激光斑的位置、狀態(tài)信息，實時響應(yīng)，操作及處理過程與實施例2、 3相同。
本發(fā)明具有硬件設(shè)備一次性投入成本低，配置工控機(jī)箱方便移動教學(xué)， 配有專業(yè)教學(xué)軟件，采用新的人機(jī)交互操作，集多種教學(xué)方式于一體，可進(jìn) 行多媒體教學(xué)、樂器演示、樂譜作曲練習(xí)和編輯制作，適用于初級音樂教學(xué)。
權(quán)利要求
1、一種虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備，包括輔助教學(xué)設(shè)備、操作信息輸入單元、操作信息處理單元和教學(xué)信息輸出單元，其特征在于輔助教學(xué)設(shè)備有光電教鞭、激光燈；操作信息輸入單元有傳感器陣列、鼠標(biāo)和鍵盤；操作信息處理單元為計算機(jī)；教學(xué)信息輸出單元有MIDI音源板、發(fā)聲設(shè)備和投影儀；操作信息輸入由鼠標(biāo)和鍵盤輸入計算機(jī)，還有傳感器陣列捕獲光電教鞭或激光燈的操作信息輸入計算機(jī)，由計算機(jī)處理操作信息，再通過投影儀在投影屏產(chǎn)生虛擬真實樂器的各個按鍵功能、狀態(tài)的視覺效果的同時通過MIDI音源板、發(fā)聲設(shè)備的輸出，實現(xiàn)虛擬真實樂器各種樂聲的發(fā)聲時刻、時值、音高、音色的聽覺仿真效果。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備，其特征在于光電 教鞭內(nèi)嵌鈕扣電池串接通用型開關(guān)、高亮光電指示燈和接近開關(guān)，高亮光電 指示燈安裝在光電教鞭頂端前側(cè)，接近開關(guān)安裝在頂端后側(cè)；當(dāng)光電教鞭頂 端靠近或者接觸目標(biāo)，接近開關(guān)閉合，高亮光電指示燈點亮；當(dāng)光電教鞭頂 端與目標(biāo)有一段距離后，接近開關(guān)斷開，高亮光電指示燈熄滅。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備，其特征在于光電 教鞭頂端后側(cè)安裝的接近開關(guān)可選用機(jī)械式微動開關(guān)、電容式接近開關(guān)、電 感式接近開關(guān)、霍爾接近開關(guān)或光電式接近開關(guān)。
4、 一種使用權(quán)利要求l虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備的操作信息輸入方法，通 常使用鼠標(biāo)和鍵盤輸入操作信息，其特征在于還采用亮斑識別方式間接操作 信息輸入，步驟為-A、 使用光電教鞭，將其頂端單次或雙次靠近或接觸操作目標(biāo)，使高亮光 電指示燈單次或雙次點亮，或者由激光燈的激光單次或雙次指示操作目標(biāo)；B、 傳感器陣列捕獲光電教鞭或激光燈產(chǎn)生的單次或雙次亮斑作為操作識 別替代鼠標(biāo)的單擊雙擊功能。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備的操作信息輸入方法， 其特征在于亮斑識別方式中亮斑所處位置對應(yīng)鼠標(biāo)箭頭所處位置，亮斑單次 點亮、熄滅對應(yīng)鼠標(biāo)按鍵按下、彈起，亮斑多次點亮、熄滅對應(yīng)鼠標(biāo)按鍵多 次按下、彈起。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種虛擬電子音樂教學(xué)設(shè)備及其操作信息輸入方法，硬件有光電教鞭、激光燈、傳感器陣列、計算機(jī)、投影儀、投影屏、MIDI音源板及發(fā)聲設(shè)備，采用工控機(jī)箱，方便移動教學(xué)，設(shè)備一次性投入成本低。通過投影儀在投影屏上虛擬常用樂器，借助光電教鞭、激光燈，配合教學(xué)軟件，進(jìn)行虛擬電子音樂教學(xué)。教師用鼠標(biāo)和鍵盤輸入信息外，還可用光電教鞭靠近或接觸目標(biāo)，點亮高亮光電指示燈，或用激光燈指示目標(biāo)，傳感器陣列捕獲光電教鞭或激光燈產(chǎn)生的亮斑作為操作信息替代鼠標(biāo)的單擊雙擊功能，亮斑所處位置對應(yīng)鼠標(biāo)箭頭位，亮斑亮、熄滅對應(yīng)鼠標(biāo)鍵按下、彈起。本發(fā)明集多種音樂教學(xué)于一體，操作靈活方便，顯示形象直觀，適用于初級音樂教學(xué)。
文檔編號G09B15/00GK101393697SQ200810197398
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月27日
發(fā)明者向非能, 立 李, 成 楊, 謝銀波, 郭小虎 申請人:武漢大學(xué)