本實用新型涉及一種電子樂器。

背景技術(shù)：
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鍵盤樂器是有排列如鋼琴鍵盤的琴鍵之樂器總稱，包括：鋼琴、管風琴、手風琴等。這些樂器上每個琴鍵都有固定的音高，因此皆可以用以演奏任何符合其音域范圍內(nèi)的樂曲。相對于其他樂器家族，有著不可比擬的優(yōu)勢，是其寬廣的音域和可以同時發(fā)出多個樂音的能力。正因如此，鍵盤樂器即使是作為獨奏樂器，也具有豐富的和聲效果和管弦樂的色彩。所以，從古至今，鍵盤樂器倍受作曲家們和音樂愛好者們的關(guān)注和喜愛。但此類樂器的體積都較為龐大，不便于搬運和攜帶，因此其成本較高，且不便于學習。

隨著計算機技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了由數(shù)字電子來回放錄制的特定音效或合成音色的電子合成器，從而推出了基于電子合成器技術(shù)的電子樂器，如：電鋼琴、電子琴等。人們學習樂器的方式和手段變得更加豐富多彩。

此類樂器的外觀基本上保留傳統(tǒng)樂器的樣式，但其發(fā)聲原理為通過機械琴鍵觸發(fā)電子合成器生成相應的一個或多個樂音數(shù)據(jù)混合發(fā)聲。因此其成本下降較大，但由于保留了傳統(tǒng)鍵盤樂器的機械琴鍵，該類樂器的體積并沒有得到根本的改善，便攜性較差，學習成本較高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本實用新型的目的是提供一種電子樂器。

上述的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種電子樂器，其組成包括：微處理器系統(tǒng)，所述的微處理器系統(tǒng)分別與圖像采集系統(tǒng)、虛擬圖像投影系統(tǒng)、音頻控制模塊連接，所述的音頻控制模塊與揚聲器連接，所述的虛擬圖像投影系統(tǒng)包括一個或多個投影單元，所述的圖像采集系統(tǒng)包括位于虛擬圖像投影系統(tǒng)投射出的虛擬圖像平面上方的一個CMOS攝像頭或攝像頭組。

所述的電子樂器，所述的圖像采集系統(tǒng)還包括生成紅外線平面的一字線紅外激光器，所述的紅外線平面與所述的虛擬圖像平面平行，且比虛擬圖像平面高出的距離不超過1cm。

所述的電子樂器，所述的虛擬圖像投影系統(tǒng)采用DLP投影模塊或PicoP投影模塊。所述的虛擬圖像投影系統(tǒng)采用DLP投影模塊或PicoP投影模塊，DLP投影模塊或PicoP投影模塊是TI公司和Microvision公司的光學部分及其相應的軟件控制部分。

所述的電子樂器，所述的通訊模塊是USB、MIDI接口、無線連接裝置、WIFI、藍牙中的一種或幾種。

本實用新型的有益效果：

本實用新型在現(xiàn)有電子鍵盤類樂器的基礎上將原有的實體鍵盤改為了虛擬鍵盤，大大縮小了樂器的體積，提高了便攜性。還可實現(xiàn)樂譜及指法顯示功能，可以作為學習鍵盤類樂器的輔助工具。尤其對于平板電腦樂器類應用軟件，限制于平板電腦的尺寸，不能完整顯示樂器完整的琴鍵，用戶不能享受到真實琴鍵大小的操作體驗，對于這一點，本實用新型實現(xiàn)了突破：在本實用新型投影出的虛擬音樂鍵盤可以百分百比例模擬真實琴鍵的大小，從而給用戶以最真實的樂器模擬。

本實用新型采用不同的攝像頭，分別采集虛擬鍵盤上的可視圖像和紅外圖像，以提高鍵盤操作識別的準確性。

本實用新型采用有線或無線通訊方式，實現(xiàn)與其他智能設備的數(shù)據(jù)交換。包含有線連接方式：USB，MIDI接口及無線連接方式：WIFI，藍牙中的一種或幾種。

本實用新型的紅外照射裝置為一個一字線紅外激光器，其生成一個紅外線平面，該平面緊鄰虛擬鍵盤平面并與其平行。當手指阻擋了紅外線時，即可認為手指按在虛擬鍵盤上。

本實用新型的投影系統(tǒng)可以由一個或多個投影單元構(gòu)成，以適應虛擬鍵盤上多種琴鍵及樂譜信息的組合。采用多個投影單元的優(yōu)點是可以在保證機器小巧便攜性的同時保證樂器豐富的豐富功能，而且可以降低成本。

附圖說明：

附圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1為圖像采集系統(tǒng)的攝像頭，2為虛擬圖像投影系統(tǒng)，3為一字線紅外激光器，4為五線譜，5為虛擬音樂鍵盤投影區(qū)，6為虛擬琴鍵，7為一字線激光照射面，8為機箱。

附圖2是本實用新型的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式：

實施例1：

一種電子樂器，其組成包括：微處理器系統(tǒng)、投影系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、揚聲器。微處理器系統(tǒng)主要有CPU、內(nèi)存組成，一般情況下還含有通訊模塊和外存儲器。本實用新型中，微處理器系統(tǒng)還含有圖像識別模塊、波表合成器模塊、音頻控制模塊、投影控制模塊。微處理器系統(tǒng)是整個樂器的控制核心和重要的組成部分。其CPU可以采用各種微處理器，如基于ARM指令集、X86指令集或MIPS指令集等。圖像采集與識別技術(shù)是構(gòu)成本實用新型的重要核心。根據(jù)所采用的識別方法，決定了圖像采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和圖像識別模塊的軟件流程。通過特定的識別算法，識別手指在鍵盤上的按鍵動作，據(jù)此確定所觸發(fā)的琴鍵及其MIDI編碼，通過MIDI指令由波表合成器合成音頻數(shù)據(jù)。

圖像識別模塊采用類型計算機測距法判斷虛擬鍵盤上手指的按鍵動作。當手指與虛擬鍵盤的距離足夠近時，則認為手指接觸了琴鍵。目前有多種計算機測距法，如激光三角測距法、單攝像頭測距法、雙攝像頭測距法等。本實用新型中采用激光測距法。

圖像識別模塊接收到圖像采集系統(tǒng)捕捉的虛擬鍵盤圖像信息，采用上述方法中的一種，識別出手指所觸按鍵后，根據(jù)預存的按鍵位置表，判斷出操做者點擊的按鍵值，并做相應動作，如控制信息：音量調(diào)節(jié)、聲道切換等，或轉(zhuǎn)換為相應的MIDI事件傳遞給MIDI合成器模塊，MIDI合成器根據(jù)MIDI值合成相應的音頻數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為音頻信號到音頻放大器推動揚聲器發(fā)出音樂。

圖像采集系統(tǒng)連續(xù)捕捉包含虛擬鍵盤區(qū)域的圖像或視頻，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至微處理器系統(tǒng)的圖像識別模塊進行識別按鍵識別及處理。該圖像采集系統(tǒng)為一個位于虛擬投影鍵盤平面上方的CMOS攝像頭或攝像頭組，把包含投影區(qū)域的圖像實時采集并傳遞給微處理器系統(tǒng)。當采用攝像頭組時，兩個攝像頭分別采集虛擬鍵盤上的可視圖像和紅外圖像，以提高鍵盤操作識別的準確性。為了提高圖像識別的速度和準確性，該系統(tǒng)還設置有紅外照射裝置，使圖像采集系統(tǒng)的采集信息更易識別。該紅外照射裝置為一個一字線紅外激光器，其生成一個紅外線平面，該平面緊鄰虛擬鍵盤平面并與其平行。當手指阻擋了紅外線時，即可認為手指按在虛擬鍵盤上。

波表合成器是一種對樂器的聲音進行采樣，以特定格式存儲為一個波表文件，重放時根據(jù)音樂文件的樂曲信息，向波表合成器發(fā)出指令，從波表文件的表格中提取出對應的聲音數(shù)據(jù)，加工合成后回放出來。其輸出音頻數(shù)據(jù)可以是模擬或數(shù)字音頻。波表合成器可以采用硬件實現(xiàn)也可采用軟件實現(xiàn)。軟波表合成器可以是一段運行于微處理器系統(tǒng)上的軟件程序。

音頻控制模塊一般包括D/A轉(zhuǎn)換和功率放大電路，該模塊將數(shù)字音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號，并推動揚聲器工作。

投影控制模塊負責投影系統(tǒng)的顯示信息生成與傳遞，并控制投影系統(tǒng)的開關(guān)與亮度調(diào)節(jié)等。由運行于微處理器系統(tǒng)上的軟件程序來實現(xiàn)。該模塊將樂譜及樂譜指法信息與預存的鍵盤圖形數(shù)據(jù)合并，生成完整的虛擬鍵盤顯示信息，并將該信息傳輸給投影系統(tǒng)。

投影系統(tǒng)接收投影控制模塊的控制指令及投影信息，在一定平面區(qū)域內(nèi)投射出虛擬鍵盤，該虛擬鍵盤至少含有多個不同音高的琴鍵，如鋼琴的88鍵或電子琴61鍵等；進一步的還可含有樂器控制鍵、樂譜及指法信息等。

該投影系統(tǒng)可以采用TI公司的DLP數(shù)字微鏡投影技術(shù)或Microvision公司的PicoP激光投影技術(shù)來實現(xiàn)，也可以通過激光器照射預先保存有鍵盤畫面的鏡片的方式在平面區(qū)域上產(chǎn)生虛擬鍵盤。該投影系統(tǒng)可以由一個或多個投影單元構(gòu)成，以適應虛擬鍵盤上多種琴鍵及樂譜信息的組合。如琴鍵與樂器控制鍵可采用激光器照射固定圖案的鏡片的方式投射出來，而樂譜及彈奏提示信息等動態(tài)畫面由Microvision的PicoP激光投影技術(shù)來實現(xiàn)。采用多個投影單元的優(yōu)點是可以在保證機器小巧便攜性的同時保證樂器豐富的豐富功能，而且可以降低成本。

通訊模塊可以采用有線或無線通訊方式，實現(xiàn)與其他智能設備的數(shù)據(jù)交換。包含有線連接方式：USB，MIDI接口及無線連接方式：WIFI，藍牙中的一種或幾種。樂器通過通訊模塊接收外部設備的樂譜及指法信息，MIDI數(shù)據(jù)等，也可將本樂器的操作信息以MIDI指令或其他格式信息反饋到外部智能設備。例如樂器識別所彈奏的琴鍵后通過通訊模塊將彈奏信息發(fā)送給其他的主機：計算機、平板電腦或手機等做進一步的信息處理，如由其他主機記錄演奏信息或判斷演奏對錯等。

實施例2：

本實施例為一個61鍵的虛擬鍵盤電子琴。其中微處理器系統(tǒng)基于ARM內(nèi)核并運行android操作系統(tǒng)。投影控制模塊、圖像識別模塊和波表合成器分別由運行于該系統(tǒng)上的投影控制軟件、圖像識別軟件和波表合成器軟件來實現(xiàn)。61個琴鍵的范圍坐標值及每一個琴鍵的相應MIDI鍵值都預存于系統(tǒng)文件中。投影系統(tǒng)含有紅色激光器和預存琴鍵圖案的透明鏡片。紅色激光器照射透明鏡片在特定平面上產(chǎn)生虛擬鍵盤。圖像采集系統(tǒng)由一個攝像頭和一個紅外一字線激光器組成。攝像頭位于虛擬鍵盤及紅外一字線激光器照射平面的上方。一字線紅外激光器發(fā)射出一線型激光，生成一個紅外光平面，該平面緊鄰虛擬鍵盤投射面，位于該平面上方且平行于該平面。當手指敲擊虛擬鍵盤上的按鍵時，手指尖端即被紅外激光器所照射，從而產(chǎn)生明亮的光斑。由于紅外激光照射面與虛擬鍵盤平面很近，因此可以認為手指尖端被紅外激光照射到時，即為手指按下琴鍵。

微處理器系統(tǒng)控制投影系統(tǒng)將61鍵電子琴的鍵盤圖案投射在工作平面上，生成虛擬鍵盤。攝像頭將包含虛擬鍵盤的圖像傳遞給圖像識別模塊。當手指與虛擬鍵盤的距離足夠近時，紅外激光將照射到手指前端，從而在攝像頭采集的圖像上形成一個或多個明亮的斑點。圖像識別模塊將接收到的圖像數(shù)據(jù)進行濾波和畸變矯正后，在該圖像的平面上建立直角坐標系，確定手指光斑中心點的坐標，并將該坐標與預存的鍵盤圖像按鍵的坐標值范圍進行比較，判斷出手指按下的是哪一個琴鍵，并保存所有已按下的琴鍵。將當前處于按下狀態(tài)的琴鍵與已保存的上一次圖像識別中的琴鍵狀態(tài)進行比較，從而得到本次操作狀態(tài)產(chǎn)生變化的琴鍵，分為之前處于常態(tài)本次按下的琴鍵及上次處于按下狀態(tài)本次手指離開兩種情況，分別對應音符的打開與關(guān)閉兩種MIDI事件。波表合成器及收到MIDI音符的開關(guān)事件，從波表文件中提取相應的聲音采樣數(shù)據(jù)，并進行合成，生成音頻數(shù)據(jù)，傳輸給音頻控制模塊，由音頻控制模塊推動揚聲器發(fā)聲。

實施例3：

本實施例為一個88鍵的虛擬鍵盤電子琴。其具有樂譜及指法顯示功能。其中微處理器系統(tǒng)基于ARM內(nèi)核并運行android操作系統(tǒng)。投影控制模塊、圖像識別模塊和波表合成器分別由運行于該系統(tǒng)上的投影控制軟件、圖像識別軟件和波表合成器軟件來實現(xiàn)。88個琴鍵的范圍坐標值及每一個琴鍵的相應MIDI鍵值都預存于系統(tǒng)文件中。微處理器系統(tǒng)通過通訊模塊接收或從外存儲器上讀取樂譜文件，由投影控制模塊解析并生成樂譜及指法顯示信息，然后將該信息與88琴鍵的圖案信息合并，產(chǎn)生完整的顯示信息，傳遞給投影系統(tǒng)。投影系統(tǒng)采用美國TI公司的DLP投影技術(shù)，接收投影顯示信息后，在特定平面上投射出虛擬鍵盤和樂譜及指法圖像。

圖像采集系統(tǒng)由一個攝像頭和一個紅外一字線激光器組成。攝像頭位于虛擬鍵盤及紅外一字線激光器照射平面的上方。一字線紅外激光器發(fā)射出一線型激光，生成一個紅外光平面，該平面緊鄰虛擬鍵盤投射面，位于該平面上方且平行于該平面。當手指敲擊虛擬鍵盤上的按鍵時，手指尖端即被紅外激光器所照射，從而產(chǎn)生明亮的光斑。由于紅外激光照射面與虛擬鍵盤平面很近，因此可以認為手指尖端被紅外激光照射到時，即為手指按下琴鍵。微處理器系統(tǒng)通過通訊模塊接收或從外存儲器讀取樂譜文件，交由投影控制模塊解析并生成完整的顯示信息傳遞給投影系統(tǒng)。投影系統(tǒng)在特定平面上投射出虛擬88琴鍵并顯示樂譜及指法信息。

攝像頭將包含虛擬鍵盤的圖像傳遞給圖像識別模塊。當手指與虛擬鍵盤的距離足夠近時，紅外激光將照射到手指前端，從而在攝像頭采集的圖像上形成一個或多個明亮的斑點。圖像識別模塊將接收到的圖像數(shù)據(jù)進行濾波和畸變矯正后，在該圖像的平面上建立直角坐標系，確定手指光斑中心點的坐標，并將該坐標與預存的鍵盤圖像每個鍵的坐標值范圍進行比較，判斷出手指按下的是哪一個琴鍵，將保存所有已按下琴鍵的狀態(tài)。將當前按下狀態(tài)的琴鍵與上一次琴鍵操作狀態(tài)進行比較，如上次沒有按下的按鍵本次狀態(tài)為按下，則觸發(fā)相應琴鍵的MIDI音符開事件，如上次按下的按鍵本次狀態(tài)為沒有按下，則觸發(fā)相應琴鍵的MIDI事件。

多數(shù)樂譜不可能在一幅畫面中全部顯示，因此需要隨著彈奏者的進度，動態(tài)更新樂譜顯示內(nèi)容。其更新方式可有兩種，自動播放模式和交互步進模式。自動播放模式下，樂譜按照一定的節(jié)拍速度自動更新所應顯示的樂譜內(nèi)容；交互模式下，樂譜在彈奏者手指正確按下所應觸發(fā)的琴鍵時，樂譜方才進入到下一節(jié)拍的顯示。