基于脑波驱动的电子音乐合成器产品设计_颜成宇.pdf

前沿与动态098/INDUSTRIAL DESIGN 工业设计基于脑波驱动的电子音乐合成器产品设计PRODUCT DESIGN OF ELECTRONIC MUSIC SYNTHESIZER BASED ON BRAIN WAVE DRIVE1.澳门城市大学创新设计学院2.吉林艺术学院颜成宇1，2孙博2马映彤2揭开了成像技术发展的序幕。1929 年，德国精神病学家 Hans Berger 发表了人类脑电图的首次报道，科学家们开始不断探寻关于人的行为与大脑皮层神经细胞活动之间的联系。1934 年，迎来了脑波与声音联系起来的首次尝试，神经生理学家 Edgar Adrian 呈现了 Berger 节律的实验结果，将脑电信号转化为声音信号，并通过扬声器播放2。由此可知，与音频信号一样，脑电波也具备声波频率的数据可听化参数。要想采用听觉来感知脑电波，那么通过扬声器就可将脑电波转化成声音。但是当时脑电信号和人声、乐声的频率范围相差较大。直至 50 年代开始，信号处理的发展使脑电信号分析方式得到了显著改善，通过技术可将脑电信号的频率与人声、乐声的频率相契合。由此证实，利用音频的振幅可以进行脑电信号与音乐信号之间的转化，脑波与音乐之间确实存在一定的相关性3。2电子音乐合成器概述电子音乐合成器是指一种能够产生音频信号的电子乐器。它的工作原理是先产生电信号，然后利用电信号仪表放大器接收信号，从而推动音频输出设备发出声音。电子音乐合成器的特点是不仅能模拟，如传统乐器、人声、海浪声等以自然形态存在的声音，又可以独立生成非自然发生的电子声音。目前，电子音乐合成器的应用几乎贯穿了所有音乐流派和风格，被认为是目前音乐产业最重要的乐器之一。2.1电子音乐合成器的发展 电子音乐合成器的起源可追溯到 19 世纪末。当时以利沙格雷为代表的科学家发现，人们可以通过控制电磁电路上的机械振动获取声音4。1876 年，他开发了一种音乐电报机，使用钢制成的簧片作为振荡器，通过电话线和电磁石传送信号，并被认为是电子音乐合成器的前身。1929 年，来自法国的 Edouard Coupleux 和 Joseph Givelet 推出了一种乐器，并将它的非官方名称简写为 Coupleux-Givelet 合成器，这是历史上第一次有人将乐器称为电子音乐合成器。历史上第一台公认的、真正意义上的电子音乐合成器诞生于1955 年，美国无线电公司制作了一台名为 MKI 的加法合成器5。现今大多数电子音乐合成器所使用的有源模块，如滑音器、包络发生器等，都已在这台机器上有所体现。1956 年，MKI 的出现标志着电子音乐合成器一词的正式引入。1971 年 Moog 公司推出了键盘合成器Minimoog Model D，它的出现标志着电子音乐合1脑波与脑波音乐1.1脑波概述十九世纪末，德国精神科医生 Hans Berger 见电鳗放出电气，便推断人类也存在着生物电活动现象。1924 年，Hans Berger 首次在头盖骨受损患者的大脑中检测出电磁波变化，由于这些信号是以电磁波形式传播的，因此被命名为“脑波”。脑波即人脑中的神经细胞活动时发生的电气性摆动，并以图表形式呈现。它的振动频率在一定程度上与人的意识活动相对应，因而引起众多研究者的关注。1934 年，英国剑桥大学的 E.D Adrian 博士和B.H.C.Mathew 博士再次证实了脑波的存在。1.2脑波音乐概述由于脑波与音乐具有相似的信号形式，因此二者之间的关系始终是神经科学、心理学等领域研究的热点问题1。将脑电波转换为音乐，离不开信号数据的可视化应用。19 世纪下半叶，生理学家 Etienne-Jules Marey 首创了用图形法记录多种生理信号，摘要：在数字化时代的背景下，科技正在革新原有电子音乐合成器设计的制造方式。文章首先分析了国内外的研究现状，然后从脑波采集、脑波映射两方面阐述了基于脑波驱动的电子音乐合成器产品设计思路，最后通过设计实践实证理论。该研究的创新点在于扩展了音乐创作的方式，以期为基于脑波驱动的电子音乐合成器产品设计提供一定借鉴。关键词：脑波；电子音乐合成器；产品设计中图分类号：TB472文献标识码：A文章编号：1672-7053(2023)01-0098-03Abstract：Under the background of digital age,technology is innovating the original design and manufacture of electronic music synthesizer.This paper first analyzes the research status at home and abroad,and then expounds the innovative design ideas of brainwave-driven electronic music synthesizer product from two aspects of brainwave acquisition and brainwave mapping,and finally empirically demonstrates the theory through design practice.The innovation of this research lies in the extension of the new way of music creation,and at the same time,it provides a certain reference for the design of electronic music synthesizer based on human signals.Key Words：Brain Waves;Electronic Music Synthesizer;Product Design作者简介颜成宇/1981 年生/男/吉林长春人/在读博士研究生/副教授/研究方向为交互设计（吉林长春 130000）孙博/1984 年生/女/吉林长春人/讲师/研究方向为产品设计（吉林长春 130000）马映彤/1998 年生/女/黑龙江黑河人/在读硕士研究生/研究方向为数字媒体艺术研究（吉林长春 130000）前沿与动态INDUSTRIAL DESIGN 工业设计 /099成器的首次商业成功。1983 年，Yamaha 推出了更加稳定可靠的数字合成器 DX7。90 年代随着计算机的发展，出现了如 Serum可复刻经典模拟合成器等更多音色的软件合成器。至此，电子音乐合成器的形态被赋予了新的技术特征。2.2电子音乐合成器的分类关于电子音乐合成器的分类，广义上可以分为模拟合成器和数字合成器。模拟合成器靠电子信号振动发声，所有的组件都通过旋钮等调节电压来控制，极易调节的电压能产生无数的音响结构。数字合成器使用数字计算干预处理电子信号振动的某一环节来达到将模拟信号数字化，或直接使用数字信号。从狭义上来讲，电子音乐合成器也可以按功能分为减法合成器、波表合成器、FM合成器、采样合成器及粒子合成器。3国内外基于脑波驱动的电子音乐合成器产品设计现状脑电波与声音交互的研究起始于神经生理学家 Edgar Adrian将 Berger Rhythm 的实验进行重现，将脑电转化为音频通过扬声器进行播放6。1965 年，实验音乐作曲家 Alvin Lucier 用脑波创造出第一首脑波音乐Music for the solo performer。通过对其脑波信号的阿尔法波进行放大，将脑电信号转为声音信号映射到乐器中进行演奏。20 世纪末，在脑电和音频技术飞速发展的基础上诞生了 BCMI，可用脑波控制音乐演奏且声音动听。3.1国内基于脑波驱动的电子音乐合成器产品设计现状国内的研究起步较晚且侧重于医学研究领域。2009 年，就职于电子科技大学的吴丹博士第一次提出基于无标度性的脑波音乐编码假说7。该假说是在 EEG 与音乐都遵循“无标度性”这一非线性动力学现象的基础上提出的。2012 年，神经信息教育部重点实验室卢竞等人进一步运用和 EEG 同步提取的 FMRI 来映射音乐中的声音强度，从而制作了 EEG 与 FMRI 信号结合的音乐，该音乐比纯粹的脑波音乐更符合无标度性8。2013 年，吴丹进一步发展了基于“艺术滤波”策略的多声部合奏脑波音乐。研究结论表明，大脑实现多脑区之间的协作就类似于多声部音乐中不同声部的合作。3.2国外基于脑波驱动的电子音乐合成器产品设计现状国外脑波音乐研究有数十年的历史，研究侧重于两方面：一方面是实验音乐创作，将脑电转化为 MIDI 信号映射到音乐合成器中输出声音。如作曲家约翰凯奇是世界公认的对实验音乐起源与发展有重大意义的作曲家。目前的脑电检测技术可映射出人兴奋、紧张、轻松等情绪。如 Grace Leslie 采用脑电信息采集技术开发出将大脑和身体用作乐器，Grace 的心跳、神经电活动和其他生理信息反馈可以从接口收集输入计算机，将它转化为声音。Grace 在演奏长笛的同时，需要仔细调整情绪和身体状态，以在表演中创造出和谐的音调。另一方面是基于脑机接口的出现，使用脑电信号驱动乐器进行演奏。4基于脑波驱动的电子音乐合成器产品设计意义4.1丰富了电子音乐产业的创作方式 通过脑电波驱动的电子音乐可以在不同思维状态下创作出具有生物属性的电子音乐，这是一种全新的创作方式。它改变了传统音乐创作的固有形式，使音乐的创作从“情感化”向“情感数据”的转变，提供了具有生物信号数据的创作新视角。4.2激发了艺术家们的创作积极性 脑电波数据的产生通过电子音乐合成器进行数据处理，并驱动设计出契合用户生理状态的音乐，这种新创作工具的研究有助于激发艺术家们的创作灵感，丰富创作的思维逻辑，提高创作效率，从而激发艺术家对于电子合成音乐创作的积极性。4.3推动了国内音乐产业的发展中国正进入数字化和智能化的新时代，这有效地推动了国内音乐创作领域的传承和发展，对于打造国家文化软实力，提高国家文化形象具有重大意义。这不仅重建了人们对国内音乐领域的认知结构，而且构建了一种全新的文化展示形式。5基于脑波驱动的电子音乐合成器产品设计思路5.1功能设计从基于脑波驱动的电子音乐合成器（以下简称为脑波电子合成器）的功能实现方面来讲，使用脑波来驱动电子音乐合成器发声主要经过采集脑电信号数据、参数映射、信号转换、输出 MIDI四个步骤：第一，通过使用穿戴式脑波传感器作为脑机接口运用在使用者身上，以标准脑电图采集法来获取脑电图信息。接着，需要对收集的脑电信号数据进行特征分析。这里使用到一种技术，被称为脑电图，用于监视测量人脑所放射生物电的活动，它广泛地运用在临床试验及科研领域。基于数值范围脑电信号可分类为5 种：波，在浅意识状态下 814 Hz；波：在意识清醒状态下为 1430 Hz；波：被测人集中注意力于一点时在 30 Hz 以上；波：在测试者对事物视而不见听而不闻的意识状态下为 4Hz 以下；以及 波：在潜意识过程中 48 Hz。根据这 5 种波形可展现人不同时期不同状态下人们的情绪。第二，通过放大处理、信号滤波、模拟数字信号转换等分析方法得到想要的特征参数，并将其映射成控制声音或音乐合成所需要的参数。参数映射不仅能够灵敏地、实时地检测脑电波振幅频率的微小变化，而且还能够显示脑电图和音乐都遵循的无标度定律这一基本特征。根据费希纳定律，脑波的基本属性和与乐音之间存在着一种对应关系，通过映射算法将大脑皮层电信号的振幅、周期、映射规则转换成先后对应的音高、音长、音量三大音乐的基本特性9。第三，在第二步的基础上，可以将映射后的参数作为元数据来调节合成器的电压，由此驱动合成器进行电子振动，这里相当于一个脑电波到MIDI 信息的接口。第四步发射 MIDI 信号，可选择与其他的合成器组件或计算机等输入设备进行连接，或者直接连接扬声器进行发声。5.2交互方式设计设计脑波电子合成器的理念在于，提供了一种不需要使用