專利名稱：一種虛擬電子音樂教學設備及其操作信息輸入方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種虛擬電子音樂教學設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設備，還提供一種新的操作信息輸入方法， 使教師不受鼠標鍵盤操作的限制，利用輔助教學設備和教學軟件更方便地進 行虛擬的電子音樂教學。
技術背景近些年來，計算機音樂技術對音樂教學產(chǎn)生了很大的影響，正逐歩向教 學的各個領域滲透，電腦多媒體音樂教學容量大、聲效佳、可視性強、效率 高，能讓學生在更短時間里獲得更多更美的熏陶，是提高學生音樂素養(yǎng)的一 種良好途徑。相對于傳統(tǒng)音樂教學，現(xiàn)有電腦多媒體音樂教學雖然體現(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， 教師受鼠標鍵盤操作的限制，不便于隨意走動，肢體語言不夠豐富，不便與 學生近距離互動，原本豐富多彩的教學變成了 PPT的簡單切換，課堂教學質(zhì) 量下降。二是體現(xiàn)在教學設備的限制，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只能給學生以感觀認識，授課需要到專業(yè)樂器房 進行，加上樂器價格昂貴，數(shù)量有限，只能容納少量學生學習，給音樂教學 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上能夠替代真實樂器教學，成本更低、 授課對象數(shù)量更多的虛擬電子音樂教學設備。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)有技術的不足，使教師不受鼠標鍵盤操作的限制，操作更加靈活， 更有利于師生互動的虛擬電子音樂教學。為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種虛擬電子音樂教學設備，包括輔助 教學設備、操作信息輸入單元、操作信息處理單元和教學信息輸出單元，輔 助教學設備有光電教鞭(6)、激光燈；操作信息輸入單元有傳感器陣列(8)、鼠 標和鍵盤；操作信息處理單元為計算機；教學信息輸出單元有MIDI音源板、 發(fā)聲設備和投影儀(l);操作信息輸入由鼠標和鍵盤輸入計算機，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，由計算機處理操作信息， 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設備，包括輔助教學設備、操作信息輸入 單元、操作信息處理單元和教學信息輸出單元。本發(fā)明一種虛擬電子音樂教學設備，所述輔助教學設備包括光電教鞭(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(W)、高亮光電指示燈 (5)和接近開關(11)，高亮光電指示燈安裝在光電教鞭頂端前側，接近開關安裝 在頂端后側；當光電教鞭頂端靠近或者接觸目標時，接近開關閉合，高亮光 電指示燈點亮；當光電教鞭頂端與目標有一段距離后，接近開關斷開，高亮 光電指示燈熄滅。所述接近開關可選用機械式微動開關、電容式接近開關、 電感式接近開關、霍爾接近開關或光電式接近開關。所述通用型開關(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設備，所述的操作輸入單元包括傳感器陣 列(8)、鼠標和鍵盤；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 捕獲的輔助教學設備操作信息，作為計算機的輸入。本發(fā)明一種虛擬電子音樂教學設備，所述的操作信息處理單元為計算機， 所述計算機板載資源包括主板、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設備，所述的教學輸出單元包括MIDI (樂
器數(shù)字接口技術)音源板和投影儀(l),所述MIDI音源板接收計算機發(fā)出的 MIDI指令，輸出AUDIO音頻信號，作為發(fā)聲設備的輸入，用于實現(xiàn)虛擬設備 的聽覺仿真。所述投影儀接收計算機的圖像數(shù)據(jù)，輸出虛擬圖像信息實現(xiàn)虛 擬設備的視覺仿真效果。虛擬樂器設備實現(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)明采用上述教學設備，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、激光燈等輔助教學設備，配合教學軟件， 進行虛擬電子音樂教學，通過色彩絢麗且生動逼真的畫面和仿真聲覺，實現(xiàn) 了虛擬音樂教學設備的視覺、聽覺、功能仿真，讓學生在教學中感受到身如 其境的體驗。
本發(fā)明虛擬電子音樂教學設備采用工控機箱，方便移動教學，所有硬件 設備一次性投入成本低。
為了達到本發(fā)明的第二個目的，還提供一種上述虛擬電子音樂教學設備 的操作信息輸入方法，通常使用鼠標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，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；
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 別間接替代鼠標的單擊雙擊功能。
本發(fā)明的虛擬電子音樂教學設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鼠標箭頭所處位置，亮斑單次點亮、熄滅對應鼠標按 鍵按下、彈起，亮斑多次點亮、熄滅對應鼠標按鍵多次按下、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單擊雙擊輸入功能，是利用了輔助
教學設備中光電教鞭(6)和激光燈的特性，光電教鞭的高亮光電指示燈(5)及激 光燈都具有高強亮度，能量可以集中在很小的光斑內(nèi)，當傳感器陣列(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、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生及計算機互動，動作農(nóng)現(xiàn)就越真實，讓學生體驗到 直觀、生動、絢麗色彩的畫面和聲覺仿真感受，使課堂教學質(zhì)量大大提高。 本發(fā)明一種虛擬電子音樂教學設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設備具有硬件設備一次性投入成本低，采用 工控機箱，方便移動教學，配有專業(yè)教學軟件，采用新的人機交互操作，極 大的方便教學，教學效果好。
2、 本發(fā)明利用虛擬電子音樂教學設備及其操作信息輸入方法進行教學， 克服了現(xiàn)有電腦多媒體音樂教學存在的弊端，教師可以不受鼠標、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，教學表現(xiàn)力豐富，操作靈活方便，仿真 效果好，有利于提高教學質(zhì)量。
3、 應用本發(fā)明虛擬音樂教學設備可以實現(xiàn)視覺、聽覺、功能仿真，完全
可替代真實樂器，解決了在音樂教學中音樂設備短缺、授課對象有限的問題。 本發(fā)明集多種音樂教學手段于一體，可進行多媒體教學、樂器演示、樂譜作 曲練習、音樂編輯制作，顯示形象直觀，適用于初級音樂教學，應用前景非 常廣闊。


以下用附圖對本發(fā)明作進一步說明
圖1為本發(fā)明一種虛擬電子音樂教學設備的原理及主要設備配置框圖。 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、(ll)接近開關。
具體實施例方式
實施例1:本發(fā)明虛擬電子音樂教學設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(抑、高亮光電指示燈(5)和接近 開關(ll)，圖中接近開關選用機械式微動開關。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，頂端后側安裝接近開關；使用光電教鞭時先 閉合通用型開關，當光電教鞭頂端靠近或者接觸目標位置，接近開關閉合， 高亮光電指示燈點亮；當光電教鞭頂端離開目標位置一段距離后，接近開關 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；接近開關用于判定教鞭頂端遠離或接近、接觸目標位置。
實施例2:將本發(fā)明的虛擬電子音樂教學設備用于虛擬鋼琴仿真教學， 并在教學中采用新的操作信息輸入方法。其所需的設備如圖1，硬件設備主 要包括光電教鞭(6)、傳感器陣列(8)、鼠標、鍵盤、計算機、MIDI、發(fā)聲設備、 投影儀和投影屏。光電教鞭所用接近開關(ll)選用電容式接近開關。鋼琴仿真 教學狀態(tài)如圖2，首先計算機控制投影儀(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，送至計算機作為鋼琴鍵被按下信息處理，進而控制 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，送至計算機作為鋼琴鍵彈起信息處理，進而控制 投影儀輸出反饋信息恢復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 至計算機處理，實時反饋，達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設備進行樂譜作曲教學演示。 參照圖3，首先計算機控制投影儀(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，記錄當前光電教鞭拾取的音符類型，通 過判斷教師操作類型，進行相應的實時響應。若教師正在進行音符拾取操作，
則更新當前記錄教鞭拾取的音符類型；若教師正在進行音符填寫操作，則在
相應的虛擬五線譜區(qū)域顯示相應的音符，同時由計算機發(fā)出指令播放相應的
樂聲；教師利用光電教鞭還可進行音符擦除、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， 支持遠距離操作，擴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，操作及處理過程與實施例2、 3相同。
本發(fā)明具有硬件設備一次性投入成本低，配置工控機箱方便移動教學， 配有專業(yè)教學軟件，采用新的人機交互操作，集多種教學方式于一體，可進 行多媒體教學、樂器演示、樂譜作曲練習和編輯制作，適用于初級音樂教學。
權利要求
1、一種虛擬電子音樂教學設備，包括輔助教學設備、操作信息輸入單元、操作信息處理單元和教學信息輸出單元，其特征在于輔助教學設備有光電教鞭、激光燈；操作信息輸入單元有傳感器陣列、鼠標和鍵盤；操作信息處理單元為計算機；教學信息輸出單元有MIDI音源板、發(fā)聲設備和投影儀；操作信息輸入由鼠標和鍵盤輸入計算機，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，由計算機處理操作信息，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)權利要求l所述的一種虛擬電子音樂教學設備，其特征在于光電 教鞭內(nèi)嵌鈕扣電池串接通用型開關、高亮光電指示燈和接近開關，高亮光電 指示燈安裝在光電教鞭頂端前側，接近開關安裝在頂端后側；當光電教鞭頂 端靠近或者接觸目標，接近開關閉合，高亮光電指示燈點亮；當光電教鞭頂 端與目標有一段距離后，接近開關斷開，高亮光電指示燈熄滅。
3、 根據(jù)權利要求l所述的一種虛擬電子音樂教學設備，其特征在于光電 教鞭頂端后側安裝的接近開關可選用機械式微動開關、電容式接近開關、電 感式接近開關、霍爾接近開關或光電式接近開關。
4、 一種使用權利要求l虛擬電子音樂教學設備的操作信息輸入方法，通 常使用鼠標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，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；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 別替代鼠標的單擊雙擊功能。
5、 根據(jù)權利要求4所述的虛擬電子音樂教學設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鼠標箭頭所處位置，亮斑單次 點亮、熄滅對應鼠標按鍵按下、彈起，亮斑多次點亮、熄滅對應鼠標按鍵多 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設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、投影儀、投影屏、MIDI音源板及發(fā)聲設備，采用工控機箱，方便移動教學，設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，配合教學軟件，進行虛擬電子音樂教學。教師用鼠標和鍵盤輸入信息外，還可用光電教鞭靠近或接觸目標，點亮高亮光電指示燈，或用激光燈指示目標，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的單擊雙擊功能，亮斑所處位置對應鼠標箭頭位，亮斑亮、熄滅對應鼠標鍵按下、彈起。本發(fā)明集多種音樂教學于一體，操作靈活方便，顯示形象直觀，適用于初級音樂教學。
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