音乐史中的古乐器数字化建构问题研究

覃磊

研究背景及问题

在音乐史学的研究过程中，乐器史是不可忽视的一个重要组成部分，而乐器史中的某些古乐器则在整个音乐史的历程中发挥着至关重要的作用和意义。

数字化从技术层面讲就是把人与物的各种信息变成数字信号或数字编码，并通过各种程序进行处理。如今，伴随着互联网、5G技术、人工智能等领域的发展，数字化逐渐进入数据化和智能化等更高的阶段。将音乐史研究中的古乐器进行数字化，不仅在乐器史的研究过程中有着积极的意义，还可通过在未来建立各乐器的数字化形态从而形成整个乐器史研究中的古乐器数据库。

将古乐器进行数字化建构和研究，我们国家从十几年前就已经开始尝试了，比较早一点的代表是我国台湾省在2008年逐步建立起来的有关于数字化的博物馆系统——奇美博物馆数位典藏系统。近几年，大陆地区又建立了“乐器数字博物馆”等平台。尽管这些数字乐器平台系统已经上线，但是还存在一些问题，比如“奇美数位典藏系统”存在3D乐器展示页面无法正常显示的问题，“乐器数字博物馆”平台存在一些按钮标签无反应等情况。另外，这些网站几乎都没有提供同数字乐器的交互演奏功能，因此缺少一定的数字化表现。

此外，还有一些具体的数字化乐器作品，这些作品在网络上的分布比较杂，它们有一个特点就是绝大部分的作品几乎都没有遵循实际乐器的基本音乐规律和形制特点，例如妙触公司研发的《古韵东湖》，产品中的三维虚拟编钟只是一钟一音，并没有遵循曾侯乙编钟一钟双音的特点，另外在建模上几乎只有甬钟的样式，而无钮钟和鎛等各类钟的样式特点。

除了具体的数字乐器平台和系统之外，还有一些研究数字化乐器的文章也对乐器数字化方向的研究起着积极的作用。例如常亚娜的《基于手势互动的土家虚拟乐器系统研发》以及王睿的《基于web的中国乐器数字博物馆系统》等各类文章。都对乐器数字化进行过积极探讨和研究。

选择英国Norman低音维奥尔琴进行数字化的缘由

在西方音乐史的发展历程中，维奥尔琴曾经在文艺复兴时期、巴洛克时期的宫廷扮演着重要的角色，是主人身份地位的象征之一。维奥尔琴家族是一个发展多样化的乐器家族，在不同的国家，不同的时期以及演奏不同的音乐上，有著不同的形制特点。从 15 世纪的起源，到16、17世纪的繁荣发展，再到 18 世纪的逐步衰落并最终被小提琴家族所取代。维奥尔琴的形制在这几百年中都发生着巨大的变化，特别是低音维奥尔琴，甚至还被很多音乐家认为是大提琴的前身。因此，这类乐器在西方音乐史的研究过程中有着重要意义。

采用数字化技术将不同形制的维奥尔琴进行复原，是动态化的模拟和展示各个时期、各个地区维奥尔琴的发展特征和变化之处，这不仅是当下数字技术同人文学科的一个结合点，同时从史学研究上看，还可以使得史学数据和材料在展示过程中更加直观化和新颖化，在一定程度上可以起到跨学科探索的积极作用。从乐器学上看，数字技术的应用不仅为未来的研究者提供了更加便利的研究平台，同时对古乐器进行的数字建模也可以在未来直接通过3D打印将其随时进行快速化“复原”。另外，从声学上看，现在通过数字化模拟古乐器声音的尝试，可能会对将来验证古乐器声音的精确化程度上有所提高。

16世纪以后的英国可以说是继西班牙、意大利之后，维奥尔琴发展最大、制作商最多、作品最丰富的国家之一[1]。无论是以乐器制造商为代表的约翰·罗斯（John Rose）、亨利·贾耶（Henry Jaye）还是巴拉克·诺曼（Barak Norman）等人，还是以作曲家为代表的阿方索·费拉博斯科（Alfonso Ferrabosco III）、约翰·库珀（John Coprario）等人，他们不仅对英国的维奥尔琴发展有着巨大的影响，而且对整个欧洲的维奥尔琴发展也都影响巨大。英国维奥尔琴通过这样一群音乐家以及乐器制作商的贡献，使得它比欧洲其他地区的维奥尔琴流行时间更长。因此，英国维奥尔琴的地位在整个欧洲的维奥尔琴研究中都是举足轻重的。

另外，选择Norman低音维奥尔琴不仅是因为他的琴在互联网上相较于其他制造商的琴体数据更容易收集，同时也是因为Norman的琴在17世纪末和18世纪更受人欢迎，影响也更大[2]。

维奥尔琴数字化的实现过程

（一）实验材料收集整理

笔者以1692年英国Norman制作的低音维奥尔琴为例，进行数字化实现。通过在“The Metropolitan Museum Of Art”网站检索“viol”得到有关Norman制作的低音维奥尔琴数据。比较关键的部分形制数据信息如材质、高、宽、厚度等数据。基于以上数据，基本获得建模所需要的全部辅助信息。

本文在声音数据上使用的是Catherine reisser演奏的低音维奥尔琴录音。根据其示范的6根空弦录音，使用“Melodyne 4”音频软件，模拟了其他把位的声音数据，并将这些把位的声音数据一一采集和整理（如图1）。

另外，为了验证该软件在模拟结果上的精确性，笔者做了包括八度以内和八度以外的音差模拟测试，实验过程如下：

1.八度以内的音差模拟测试

（1）现场采集大提琴的两个单音，由演奏者分别拉空弦D弦和A弦，因此分别得到d和a音。（2）将d音通过melodyne 4升高3.5个全音阶后（即实际音高为a音）同实际拉出的a音进行对比，两者的波形和频谱图等信息如下（如图2）。

2.八度以外的音差模拟测试

（1）现场采集大提琴的两个单音，由演奏者分别拉出d和b1音。（2）将d音通过melodyne 4升高10.5个全音阶后（即实际音高为b1音）同实际拉出的b1音进行对比，两者的波形和频谱图等信息如下（如图3）。

通过在AU中对两组单音的测试发现，八度以内的测试结果是：升高的d音（即实际音高为a音）频率为222.87hz，测试的音符为a+22音分，而实际拉出的a音频率为221.53hz，测试的音符为a+11音分，两者频率差为1.34hz，音差11音分。8度以外的测试结果是：升高的d音（即实际音高为b1音）频率为497.26hz，测试的音符为b1+11音分。而实际拉出的b1音频率为498.78hz，测试的音符为b1+17音分。两者频率差为1.52hz，音差6音分。

因此，通过melodyne 4模拟的音和实际采集的音进行比较，频率差和音分差的数据相对较小，甚至还可能超过人的演奏精度。所以结论是，通过melodyne 4制作的模拟音是具有相对精确性的。

（二）模型构建和最终DEMO程序数字化实现过程

在模型构建上，这里采用三维模型的形式进行构建。笔者使用Blender2.9版本进行的建模过程如下：

（1）根据以上收集的数据进行多边形建模，这样可以先得到低音维奥尔琴的基本体模型，如图a。（2）通过对维奥尔琴的材质分析进行材质球制作。在基于Eevee渲染器下的BSDF（原理化着色器）中，高光参数值设置为0.38、糙度为0.5、光泽染色为0.5、清漆粗糙度为0.03的情况下，可得到如下材质球，如图b。（3）根据Norman的琴体图案进行贴图的制作，并将提取和后期制作的贴图应用于相关琴体上，如图c。（4）将模型进行各个细节的总合成，并得到最终效果图，如图d。

根据上文的数字模型和声音数据的收集整理，将其全部打包在同一个素材包内，然后为了使得交互应用的乐器渲染有更好的效果，本文的数字化DEMO采用的是Unreal Engine进行开发（如图4）。

主要的开发功能如下：（1）当同乐器交互过程中点击不同把位后，每根弦的音高将发生相应改变（音高变化逻辑是：相邻品的音高差距为一个半音阶，并从第一把位开始依次递增）。（2）通过鼠标事件控制旋转、缩放维奥尔琴模型位置。（3）为该乐器添加相应的介绍文本按钮，以实现对该乐器的基本信息介绍（DEMO如图5）。

西方音乐史研究中的古乐器数字化平台构想

古乐器是一个非常宽泛的名词，有着非常明细的分类，国外有HS分类法[3]，国内早在周代就有八音分类法，不同种类的乐器在数字化建设和研究上不一样。本文就西方音乐史研究中的古乐器提出综合性的数字化平台构想。

（一）数字化乐器平台建设构想

综合的数字化乐器平台应该采用可交互式的听觉与视觉/文本相结合的应用系统，该应用平台应该包括可供搜索的分类系统、按古乐器比例等实际信息而制作的3D模型、根据古乐器原声所采集的声音数据以及同该乐器相关的其他文本和图像等信息。

搜索方式上，采用斯蒂夫迈恩的“乐器元素分类法”[4]。就“古乐器”而言，只要有足够的时间，所有的乐器都可以是“古乐器”，因此，这是一个相对的概念。就当下来说，维奥尔琴算古乐器，羽键管风琴、鲁特琴、中世纪的横笛等乐器都属于“古乐器”的范畴。而如果将时间往后延几百年甚至上千年，那么当今社会的一切乐器也可以被纳入“古乐器”的范畴之中。因此，选择一个合适的乐器搜索方式也许更应该考虑的是如何在未来使更多种类（尤其是新型种类乐器）的乐器适合该分类法，而不仅仅只是考虑如何让分类法适用于当下相对静态的“古”乐器种类。

另外，在交互方式上，使用者应该可以360度地查看乐器模型，当点击乐器琴弦或者琴键时，乐器应该发出相对应的原声。当然，有一些管乐器（比如铜管、木管乐器等）通过按键无法完全控制音准，还需要配合气息的应用，这种情况下可以使用数字交互作品中的“模拟键盘”以实现对这类古乐器声音的测试或演奏。除此之外，因为乐器库拥有各类乐器的三维模型，因此，还应该将这些三维数据设立为单独的3D打印乐器数据库，通过这些数据可以直接连接3D打印机，以对各种物态乐器进行快速“复原”。

（二）古乐器数字化的目标

古乐器数字化平台最终所要完成的目标，是建立有关西方音乐史研究中关于古乐器数字化的数据库。在未来，音乐史学研究者可通过古乐器数据库便捷和快速的检索需要研究涉及的古乐器有关信息。除此之外，还可以通过提供的模型数据，对各种需要研究的乐器进行3D打印，以实现一比一的复原。当然，因为原始材质和复原体材质等等的差异，音色、音准可能也会有误差，但是通过把各类乐器数据统一化和实现直接可以通过3D打印技术复原的古乐器数据库，或许要比零散的数据和图片更有价值。

结 语

随着科技的进步，国家政策的支持，国内的音乐研究越来越侧重和科技的融合，例如上海音樂学院音乐表演可视化研究、中央音乐学院的音乐人工智能专业博士点的开设等，这些所涉及到的新研究都在我们国家的音乐跨学科研究中发挥着积极的意义。

低音维奥尔琴进行数字化实现，是实现西方音乐史研究中古乐器数字化的一次尝试，同时也是为最终建立西方音乐史学中的古乐器数据库而完成的一次小实验。本文针对古乐器数字化提出了构想和目标，从Norman低音维奥尔琴入手，研究了如何实现弦乐类古乐器数字化的方法，这样的方法，或许为未来建立整个西方音乐史古乐器数据库提供了些许新的研究思路。当然，此时的研究，依然面临着很多困难和挑战，只有更多的研究者最大限度的培养文、理结合性思维和能力，才能更好地实现和解决音乐史学研究中的数字化问题。

参考文献：

[1]Michael Fleming，John Bryan. Early English Viols Instruments， Makers and Music[M].London;New York：Routledge，2016：1-3

[2]Stanley Sadie.The New Grove Dictionary of Music and Musicians 2nd[M]， London：Macmillan Press Ltd， 2001：671

[3]曹本治、洛秦主编. Ethnomusicology理论与方法英文文献导读 第二卷[M].上海：上海音乐学院出版社，2019.01

[4]付晓东.乐器分类的新思维——元素分类法[J].音乐传播，2013（01）：66-70.