Diplomarbeit von Daniel Hienert

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1 Musikproduktion in Augmented Reality Diplomarbeit von Daniel Hienert Matrikelnummer: Institut für Computervisualistik Arbeitsgruppe Computergrafik Betreuer und Prüfer: Prof. Dr. Stefan Müller August 2005

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3 I Eidesstattliche Erklärung Hiermit erkläre ich an Eides statt, dass die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst wurde und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel verwendet wurden. Die Arbeit wurde bisher in gleicher oder ähnlicher Form keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegt und auch nicht veröffentlicht. Koblenz, den 10. August 2005 Unterschrift

4 II

5 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis VII Tabellenverzeichnis IX Vorwort 1 1 Einleitung Motivation Problemabgrenzung Ziel der Arbeit Zusammenfassung Stand der Wissenschaft bzw. der Technik Augmented Reality Definition Überblick D-Interaktion Freiheitsgrade Affordances und Constraints Interaktionsmetaphern Menü-Interaktion Grundlagen/Ausgangsbasis Historie von berührungslosen Musikinstrumenten III

6 IV INHALTSVERZEICHNIS 3.2 Musiktheoretische Grundlagen Der Ton Der Akkord Rhythmus MIDI - Musical Instrument Digital Interface Definition Funktionsweise GENERAL-MIDI Lösungskonzeption Kurzbeschreibung der Applikationen Schnittstellen-Beschreibung Funktionsweise der Applikationen ARTDrums ARMusic Praktische Ergebnisse/ Evaluierung Testvorbereitung Testablauf Nachbefragung Auswertung der Ergebnisse Eingabe von Musik im Raum Instrumentenauswahl Arrangieren und Mixen ARTDrums Benutzerfeedback durch Visualisierung Affordances und Constraints Augmented Reality Environment Performance Benutzerfreundlichkeit Nützlichkeit

7 INHALTSVERZEICHNIS V 5.5 Allgemeines Fazit Technische Realisierung ARTTracker Verwendete APIs ARToolKit MIDIShare Player-Library Implementierte Anwendungen Gemeinsame MIDI-Funktionalität ARTDrums ARMusic Ausblick/Schlussfolgerungen Kurze Zusammenfassung der erzielten Ergebnisse Offene Probleme Anregungen für weiterführende Arbeiten A Programmdokumentation I Literaturverzeichnis V

8 VI INHALTSVERZEICHNIS

9 Abbildungsverzeichnis 4.1 Grundlegendes Konzept Konzept ARTDrums Screenshot Eingabestil Atmospheric Konzept Eingabestil Atmospheric Konzept Eingabestil Violinbogen Konzept Eingabestil Matrix-Loop-Player Verwendete APIs ARTDrums mit Congavisualisierung ARTDrums mit Schlagzeugvisualisierung ARMusic Das Schlagzeug Die Hammondorgel Das Keyboard Die Instrumentenauswahl Erstes Konzept einer Instrumentenauswahl Der Mixer Der Arranger VII

10 VIII ABBILDUNGSVERZEICHNIS

11 Tabellenverzeichnis 3.1 Abstand in Halbtönen und Name des entsprechenden Intervalls MIDI-Controller Ein- und Ausschalter Kontinuierliche MIDI-Controller MIDI-Controller Kanalbetriebsart Paarweise MIDI-Controller Belegung der Programmplätze nach dem GENERAL-MIDI-Standard Belegung der Perkussioninstrumente nach dem GENERAL-MIDI-Standard MidiShare-Typen IX

12 X TABELLENVERZEICHNIS

13 Vorwort Im Jahre 1919 erfand Jean Theremin ein Instrument, das er berührungslos mit seinen Händen spielen konnte. Ein Holzkasten mit zwei Metallantennen registrierte den Abstand seiner Hände zu den Antennen und formte daraus einen Ton. Schon damals waren die Menschen fasziniert von diesem Instrument. Eine so einfache Beeinflussung von Tönen war bis dahin nicht möglich gewesen. Musik war bis dahin immer nur Menschen vorbehalten, die ein Instrument spielen konnten. Die Idee, Musik einfach mit den Händen zu beeinflussen, ohne eine Tastatur, ein Griffbrett oder Ventile zu benutzen, erfuhr aber leider keine Weiterentwicklung. Später wurden neue berührunglose Instrumente entwickelt, die von Jean Michel Jarre und anderen hauptsächlich als Show-Instrumente eingesetzt wurden. Heutzutage stehen uns mit Augmented Reality (AR) und dem MIDI- Protokoll Techniken zur Verfügung, die es uns erlauben, diese Idee wieder aufzugreifen und weiterzuentwicklen. Die Einfachheit der Beeinflussung von Klang mit den Händen soll erhalten bleiben, die Möglichkeiten Klang zu beeinflussen sollen erweitert werden. Augmented Reality gibt uns die Möglichkeit die Position von beliebigen Objekten zu erkennen und in Musik umzuwandeln. MIDI macht es uns möglich viele Parameter der Musik in Echtzeit zu beeinflussen und über 128 verschiedene Instrumente zu benutzen. Die Kombination dieser beiden Techniken soll zur Entwicklung eines Systems dienen, das eine intuitive Erzeugung von Musik erlaubt. 1

14 2 TABELLENVERZEICHNIS

15 Kapitel 1 Einleitung 1.1 Motivation Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Verbindung von Augmented Reality-Technik mit der Produktion von Musik. MIDI, ein Protokoll für die Übermittlung, Aufzeichnung und Wiedergabe von musikalischen Steuerinformationen und das ARToolKit, eine Augmented Reality-API 1 bilden die Grundlage der Applikation. Gibt es bisher nur wenige kommerzielle Anwendungen für Augmented Reality, versucht diese Arbeit einen neuen Themenbereich für die AR-Technik zu finden. Produktion von Musik ist bisher nur denjenigen vorbehalten, die ein Instrument spielen können. Die Anwendung versucht nun die Möglichkeiten der Augmented Reality-Technik zu nutzen, um Benutzern ohne musikalische Vorbildung, das Erzeugen von Musik zu ermöglichen. 1.2 Problemabgrenzung Bei der Entwicklung eines Augmented Reality-Systems für die Produktion von Musik sind viele Probleme zu lösen. Wie kann man die verschiedenen Bereiche von Musikproduktion, wie das Eingeben von Musik, das Manipulieren, das Aufzeichnen und Mischen auf verschiedenen Spuren zufriedenstellend lösen? Welche Metaphern kann man für die verschiedenen Bereiche benutzen, welche stehen zur Verfügung? Welche 1 Application Programming Interface - Schnittstelle zur Anwendungsprogrammierung 3

16 4 KAPITEL 1. EINLEITUNG Musikparameter kann und soll der Benutzer beeinflussen und wie kann der Benutzer mithilfe von geeigneten Affordances und Constraints 2 unterstützt werden. Ist es möglich die große Anzahl von Funktionen, zum Beispiel beim Mischen von unterschiedlichen Spuren, übersichtlich und effizient darzustellen und zu kontrollieren? Stellt die 3-Dimensionalität eine Erleichterung oder eine Erschwernis für den Benutzer dar? Unterstützt die Visualisierung den Benutzer bei der Eingabe von Musik? Diese und viele weitere Fragen stellen sich im Kontext dieser Arbeit. Aufgrund von fehlenden Referenzsystemen im Bereich der Produktion von Musik in Augmented Reality-Umgebungen und dem niedrigen Forschungstand im Bereich der Interaktion in drei Dimensionen müssen die unterschiedlichsten offenen Bereiche bearbeitet werden. 1.3 Ziel der Arbeit Die Vorteile der Augmented Reality-Technik sollen die Produktion von Musik in Augmented Reality unterstützen. Dabei müssen die Vorteile von AR exakt ausgearbeitet werden und in Vorteile für die Musikproduktion umgewandelt werden. Beschränkt sich die Navigation in klassischen Benutzeroberflächen auf eine zweidimensionale Ebene, kann man im dreidimensionalen Raum mit drei Raumkoordinaten und drei Drehungen um die Achsen arbeiten. Es stehen also sechs Freiheitsgrade gleichzeitig zur Verfügung, mit denen man die Parameter der Musik beeinflussen kann. Damit stehen nicht nur traditionelle, sondern auch innovative Eingabemethoden zur Verfügung. Tangible User Interfaces 3 ist das Konzept für die Manpulation der Instrumente. Die 3D-Modelle sollen mithilfe der drei Raumachsen intuitiv beeinflussbar sein. Dadurch erhöht sich die Einfachheit beim Spielen und der Auswahl der Instrumente. Im Idealfall steht ein komplettes Orchester zur Verfügung, welches von dem Benutzer multimodal 4 erlebt werden kann. Das Ohr hört die Musik, das Auge sieht die entsprechenden 3D- 2 Affordances : durch die Benutzerschnittstelle werden dem Anwender nur bestimmte Interaktionsmöglichkeiten angeboten, Constraints : Einschränkung der Interaktionsmöglichkeiten für ein Objekt, z.b. geometrisch oder strukturell 3 berührbare Benutzerschnittstellen 4 mit mehreren Sinnen

17 1.3. ZIEL DER ARBEIT 5 Grafiken und Animationen und die Hände als natürliches Interaktionsmedium werden mit in die Applikation integriert. Der Benutzer erhält eine Rückkopplung durch die Visualisierungen auf den verschiedenen Instrumenten. Diese können einerseits didaktisch, andererseits zur Rückkopplung während der Eingabe von Musik benutzt werden. Der Benutzer wird mithilfe geeigneter Affordances und Constraints unterstützt. So kann er beliebige Raumdaten eingeben, die das System sinnvoll in eine Tonart überleitet, so dass die Musik immer in Harmonie bleibt. Die Geschwindigkeit der verschiedenen Spuren kann mit dem Schlagzeug kontrolliert werden und ist für die verschiedenen Spuren immer gleich. Der Takt setzt immer zum richtigen Zeitpunkt ein. Rhythmen können von einem Objekt auf verschiedene andere Objekte und damit auf andere Musikinstrumente übertragen werden. Die Applikationen sollen intuitiv und einfach sein und trotzdem die Kontrolle von vielen verschiedenen Parametern der Musik erlauben. Die Benutzerschnittstelle soll mehrere Sinne des Menschen ansprechen, die Welt möglichst realistisch abbilden und dadurch einen einfachen Zugang zu den dahinterliegenden Möglichkeiten bieten. Möglichkeiten, wie die Auswahl von 128 verschiedenen Instrumenten, die das GENERAL- MIDI-Protokoll bietet, oder die Beeinflussung vieler Klangparameter zu einem Zeitpunkt, sollen intuitiv, ohne Einarbeitung, beeinflusst werden können. Die Transparenz der Benutzerschnittstelle soll dem Benutzer die Möglichkeit bieten, sich auf die Aufgaben der Musikerzeugung zu konzentrieren. Komplexe Interaktionsmöglichkeiten sind bisher in Augmented Reality-Systemen kaum realisiert. Bei komplexen Anwendungen, wie dem Mischen oder dem Arrangieren von Musik soll eine Interaktionsmöglichkeit gefunden werden, die es dem Benutzer erlaubt viele Funktionen auf kleiner Fläche zu kontrollieren, ohne dabei auf weitere Hardware zurückzugreifen. Dies soll mithilfe von natürlichen Gesten realisiert werden.

18 6 KAPITEL 1. EINLEITUNG 1.4 Zusammenfassung In Kapitel 1 erfolgt ein Überblick zur Motivation, Problemabgrenzung und zum Ziel der Arbeit. Kapitel 2 erläutert den Stand der Wissenschaft und Technik in den Bereichen Augmented Reality und 3D-Interaktion. Kapitel 3 gibt einen Überblick über die Grundlagen und die Ausgangsbasis. Es erläutert die Geschichte von alternativen, ohne Berührung gespielten Instrumenten, gibt einen wichtigen musiktheoretischen Überblick, der zum Verständnis dieser Arbeit nötig ist und führt in das MIDI- und das GENERAL- MIDI-Protokoll ein. Kapitel 4 erläutert die Lösungskonzeption in den verschiedenen Bereichen. Kapitel 5 präsentiert die Auswertung der Evaluierung und die praktischen Ergebnisse. Kapitel 6 gibt einen Überblick über die verwendeten Werkzeuge zur Entwicklung und über die verschiedenen Implementierungen.

19 Kapitel 2 Stand der Wissenschaft bzw. der Technik Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die verwendete Technik Augmented Reality. Im zweiten Teil des Kapitels werden die grundsätzlichen Eigenschaften von 3D- Interaktion behandelt. 2.1 Augmented Reality Definition Augmented Reality (AR) ist eine Technologie, die ein reales Bild mit virtuellen Objekten erweitern kann. Die Geometrie von Videobildern, welche von Webcams, Fernsehkameras und Kameras auf Datenbrillen geliefert werden, können mit computergenerierten 3D-Grafiken in Deckung gebracht werden, so dass der Benutzer den Eindruck von einer Erweiterten Realität hat. Der Benutzer in Augmented Reality-Umgebungen interagiert mit realen oder virtuellen Objekten. Durch die dynamische Erweiterung mit virtuellen Objekten kann der Benutzer mit visuellen Informationen unterstützt werden. 7

20 8 KAPITEL 2. STAND DER WISSENSCHAFT BZW. DER TECHNIK Überblick Nach Milgram und Kishino (10) ist Augmented Reality ein Teil der Mixed Reality und eine Symbiose von virtueller Realität und realer Umgebung. Die virtuelle Realität und die reale Umgebung sind miteinander kombiniert und teilweise überlagert. Die Interaktivität findet in Echtzeit statt. Virtuelle 3D-Objekte sind so in den 3D-Raum eingefügt, dass sie geometrisch korrekt erscheinen. Ein Augmented Reality-System besteht aus einer Kamera, Trackinggeräten 1 verschiedenster Art und Software, um die realen Bilder mit den virtuellen Objekten geometrisch korrekt zu überlagern. Ein Beispiel für die Anwendung von Augmented Reality ist das Einblenden von Abstandsgrafiken in Sportübertragungen. Verschiedene Entfernungen bei Fußballübertragungen, beim Skispringen oder beim Weitwurf werden mit einfachen Grafiken auf dem Fernsehbild in Echtzeit visualisiert. Weitere Beispiele sind das Unterstützen des Benutzers mit visuellen Informationen auf realen Bildern bei der Wartung, Instandhaltung und Reparatur von Autos oder Flugzeugen. Hier können Informationen und Arbeitsanweisungen für das zu montierende Teil den Benutzer unterstützen. Beim Militär, dem Katastrophenmanagement, sowie der Ökologie können Karten mit dynamischen Elementen erweitert werden. In der Medizin können nicht sichtbare Elemente für den Arzt und den Patienten visualisiert werden. Mehrbenutzerkonferenzen können mit realen und virtuellen Teilnehmern abgehalten werden. Aktuelle Entwicklungen finden sich im Spielesektor. Auf der Play-Station 2 der Firma Sony werden einfache Augmented Reality-Spiele angeboten. Der Benutzer sieht sich selbst im Videobild und muss je nach Spiel mit den Grafiken interagieren. Die Probleme der Augmented Reality-Technik sind vielfältig. Augmented Reality stellt hohe Anforderungen an alle technischen und nichttechnischen Komponenten. Das System muss 30 Bilder pro Sekunde aufnehmen, mit geeigneten Bildverfahren bearbeiten und mit den visuellen Erweiterungen, die bedarfsgerecht berechnet werden müssen, wieder ausgegeben werden. Die eingehenden Daten haben eine hohe Komplexität. Nicht 1 Geräte zur Positionsbestimmung

21 2.2. 3D-INTERAKTION 9 nur die Videobilder, sondern auch Trackerinformation müssen verarbeitet werden. Diese aktualisieren sich bei manchen Systemen bis zu 60 Mal pro Sekunde. Das Tracking ist eine empfindliche Komponente. Je nach Art des Tracking, optisch, elektromagnetisch, per GPS usw. treten verschiedene Probleme auf. Bei markerbasierten Trackingverfahren ist das Verdecken von Markern 2 ein großes Problem. Die meisten Trackingsysteme haben eine zu geringe Abtastrate um Bewegungen genau genug abzutasten. Die Folge ist die nicht geometrisch korrekte Überlagerung der Realität. Das Tracking mit GPS ist sehr ungenau und selbst bei der Kopplung mehrerer Satelliten auf nur wenige Meter genau. Das macht es schwer mobile Systeme für Augmented Reality zu entwickeln. Die Visualisierungen der virtuellen Szene in der realen Umgebung benötigt Daten, die die Umgebung auch in ihrer Geometrie beschreiben. Daraufhin kann man die Verdeckung von virtuellen durch reelle oder umgekehrt berechnen. Diese Daten sind aber meist nicht verfügbar und nur selten in heutigen Augmented Reality-Systemen zu finden. Die Benutzerschnittstelle bei Augmented Reality-Systemen steht noch in einem sehr frühen Entwicklungsstadium. Einfache Funktionen werden meist mit dreidimensionalen Maus-Systemen gesteuert, komplexe Funktionssteuerungen sind kaum möglich. Dadurch ist die komplexe Interaktion in solchen Systemen meist sehr beschränkt D-Interaktion Freiheitsgrade Im zweidimensionalen Raum gibt es zwei Achsen, die x- und die y-achse. Im dreidimensionalen Raum dagegen gibt es eine Achse mehr, die z-achse, die in die Tiefe des Raums zeigt. Ein 3D-Raum besteht damit aus 6 Freiheitsgraden (Degrees of Freedom), den drei Translationen und den drei Rotationen um die Achsen. Die Besonderheit bei der Interaktion in drei Dimensionen ist die Entfernung zu einem Objekt. Bleibt in zwei Dimensionen der Mauszeiger immer auf einer Ebene und 2 Muster, anhand derer der Tracker die 3D-Position feststellen kann

22 10 KAPITEL 2. STAND DER WISSENSCHAFT BZW. DER TECHNIK kann leicht das passende Objekt aussuchen, besteht in drei Dimensionen das Problem, wie das entfernte Objekte angewählt werden kann Affordances und Constraints Drei Dimensionen bieten viele Möglichkeiten der Interaktion. Auf Seiten des Benutzers ist die Interaktion auf die menschlichen Kommunikationswege beschränkt. Auf Seiten des Computers beschränkt sich die Kommunikation auf die Ein- und Ausgabegeräte. Um den Benutzer bei der Interaktion mit Computern zu unterstüzen, wurden Interaktionsverfahren eingeführt, die den Benutzer leiten. Affordances und Constraints kann dem Interaktionsverfahren zu Hilfe kommen. Je nach der Anzahl der Möglichkeiten, die ein Interaktionsverfahren bietet, können Affordances und Constraints die Anzahl der möglichen Interaktionen einschränken. Constraints helfen dem Benutzer zum Beispiel bei der Positionierung von Objekten in einer virtuellen Umgebung. Durch die Möglichkeiten der Positionierung in drei Dimension ist die exakte Positionierung oft sehr schwierig und zeitaufwendig. Constraints können Benutzer nun dadurch unterstützen, dass sie auch die ungefähre Positionierung durch den Benutzer akzeptieren und das Objekt auf einem Raster anordnen. Affordances kommen zum Einsatz, wenn Objekte mit Eigenschaften ausgestattet werden. Dabei können bestimmte Objekte miteinander interagieren, andere wiederum nicht. Ein Beispiel wäre die erlaubte Interaktion von virtueller Schere mit virtuellem Blatt Papier, aber das Verbot von Interaktion des Objektes Schere mit einem virtuellem Stein. Der Einsatz von Affordances und Constraints sind unbeschränkt. Regeln für die Interaktion des Benutzers mit den verschiedenen Objekten können aufgestellt werden und so den Benutzer führen und unterstützen. Sie vereinfachen die Interaktion mit dem Computer Interaktionsmetaphern Metapher kommt aus dem Griechischen und bedeutet Übertragung. Als sprachliches Ausdrucksmittel wird das eigentliche Wort durch ein anderes ersetzt, welches eine sachliche oder gedankliche Ähnlichkeit hat. Metaphern werden benutzt um komplexe Sach-

23 2.2. 3D-INTERAKTION 11 verhalte auf einfach verständliche Bilder zu übertragen, so dass der Rezipient diese einfacher verstehen kann. Eine Interaktionsmetapher wird benutzt um komplexe Interaktionen zwischen Computer und Mensch einfacher zu gestalten. Dreidimensionale, virtuelle Objekte und bereits aus der Realität bekannte Interaktionsverfahren werden benutzt um dem Benutzer eine einfache Interaktion im virtuellen Raum zu ermöglichen. Es wird unterschieden zwischen exozentrischen und egozentrischen Metaphern. Hat der Benutzer die gesamte virtuelle Welt im Blickfeld und kann sie von mehreren Seiten betrachten, befindet er sich außerhalb dieser Welt und es kommen exozentrische Metaphern zum Einsatz. Befindet sich der Benutzer innerhalb der Welt, wird von egozentrischen Metaphern gesprochen. Augmented Reality strebt die Immersion 3 des Benutzers in die virtuelle Welt an, folglich kommen hier egozentrische Metaphern zum Einsatz. Worldin-Miniature (WIM) ist eine verkleinerte Darstellung der virtuellen Welt. Die Objekte dieser Welt sind leicher manipulierbar als größere Objekte. Diese Objekte können in sechs Freiheitsgraden beeinflusst werden und so komplexe Funktionen auf einfache Manipulation des Objekts übertragen werden. Statt mit einer virtuellen Hand können in Augmented Reality-Umgebungen diese Objekte mit der getrackten echten Hand manipuliert werden. Virtuelle Objekte können mit der echten Hand selektiert und manipuliert werden. Das aktuelle Objekte kann sehr einfach durch die Entfernung der echten Hand zu dem virtuellen Objekt ausgewählt werden. Die explizite Selektion und Deselektion bedarf einer virtuellen Taste oder einer Greifgeste Menü-Interaktion Auch wenn Interaktionsmetaphern viele Möglichkeiten der Interaktion bieten, können viele Änderungen im System oder von Objekten nur sinnvoll mithilfe von Menüs ausgeführt werden. Das gilt vor allem für die Steuerung für eine große Anzahl von Funktionen. Die bekanntesten Interaktionsmetaphern in zweidimensionalen Applikationen sind Drop-Down-Menüs, Toolbars und Sliders. Zusätzlich kommen Kontextmenüs zum Einsatz, die Funktionen zum jeweiligen Objekt dynamisch anbieten. Diese Metaphern 3 das Eintauchen

24 12 KAPITEL 2. STAND DER WISSENSCHAFT BZW. DER TECHNIK können leicht in drei Dimensionen übertragen werden und nutzen das Vorwissen des Benutzers. Die Ausführung der Menüs kann auch drei Dimensionen annehmen, womit aber nicht unbedingt ein Mehrwert an Funktionalität und Qualität der Interaktion verbunden ist. Nicht immer ist die Erweiterung auf drei Dimensionen intuitiv und kann die Navigation erheblich erschweren. Der Zugewinn an grafischen Effekten kann also durch fehlenden Bedienkomfort stark verringert werden. Eindimensionale Menüs, wie Slider bieten sich für die Auswahl von einem Eintrag oder die Rotation eines Objektes um eine Achse an. Bei einem zweidimensionalen Menü, wie dem Pull-Down-Menü wird dem Benutzer eine weitere Auswahlebene zur Verfügung gestellt. Eine Erweiterung des eindimensionalen Sliders auf drei Dimensionen ist das Ring-Menü. Es besteht aus einem Ring, auf dem die einzelnen Menüpunkte als 3D-Objekte angeordnet sind. Das vorderste Objekt ist das ausgewählte. Alle anderen Menüpunkte können aber immer durch den Benutzer überblickt werden. Der Benutzer muss sich nur zwischen zwei Richtungen der Rotation entscheiden und kann so das gewünschte Objekt auswählen.

25 Kapitel 3 Grundlagen/Ausgangsbasis Das Kapitel Grundlagen und Ausgangsbasis gibt zuerst einen kurzen Überblick über die Geschichte von berührungslosen Instrumenten. Der zweite Teil gibt einen Überblick über wichtige musiktheoretische Grundlagen. Im dritten Teil wird das MIDI- und das GENERAL-MIDI-Protokoll vorgestellt. 3.1 Historie von berührungslosen Musikinstrumenten Neben den klassischen Musikinstrumenten, wie Klavier, Geige oder Gitarre gab es schon zu Anfang des letzten Jahrhunderts alternative Entwicklungen. Der Ton wurde im Gegensatz zu den klassischen Instrumenten nicht durch das Schwingen von Saiten, sondern elektronisch erzeugt. Das Theremin ist das erste berührungslose Musikinstrument und wurde 1919 vom dem russischen Physikprofessor Leon Theremin erfunden. Es besteht aus einem Holzkasten mit zwei Antennen. Die Antennen umgibt ein leichtes elektronisches Feld. Das Theremin wird berührungslos durch den Abstand der beiden Hände zu den Antennen gespielt. Die eine Hand kontrolliert die Tonhöhe, die andere Hand die Lautstärke des Tons. Bewegt man die eine Hand in Richtung der Antenne wird der Klang stufenlos höher. Bewegt man die andere Hand in Richtung der Antenne wird der Klang leiser. Besonders gut geeignet ist das Theremin für Kompositionen, die für Geige oder Flöte 13

26 14 KAPITEL 3. GRUNDLAGEN/AUSGANGSBASIS geschrieben wurden, da das Instrument als Melodieinstrument ausgelegt ist. Der Klang der Instruments ist eine Mischung aus Geige und elektronischer Ausdrucksform. Das Theremin wurde 1945 im Hitchcock-Thriller Spellbound eingesetzt. Ende 1968 wurde der Thereminklang mit dem Popsong der Beach Boys Good Vibrations berühmt, allerdings wurde es von einem mit einer Tastatur versehenen Modell gespielt. Oft wurde das Theremin für Filmmusik verwendet, zum Beispiel auch in Psycho von Alfred Hitchcock. Besonders bekannt ist die Eröffnungsmelodie der alten Star Trek- Serie Raumschiff Enterprise aus den 60er Jahren. Ebenfalls verwendete Christopher Franke ein Theremin für die Musik zum Babylon 5 -TV-Film Das Tor zur 3. Dimension. Der französische Musiker Jean Michel Jarre setzte das Theremin bei einigen seiner Stücke ein. Auch in der modernen Rockmusik fand das Theremin Anwendung. So benutzte Jimmy Page von Led Zeppelin das Instrument bei The Song Remains The Same und Whole Lotta Love. Eine bekannte Virtuosin auf dem Theremin war Clara Rockmore ( ). In der Gegenwart tritt Lydia Kavina, die Großnichte Theremins, die bei ihm das Thereminspiel gelernt hatte, als Virtuosin auf dem Theremin auf. Heutzutage wird das Theremin als Ethervox MIDI-Theremin angeboten. Das Instrument besitzt eine MIDI-In- und eine MIDI-Out-Schnittstelle, mit der sich die Klänge aufnehmen und abspielen lassen. Es gab in der Geschichte, maßgeblich nach der Erfindung von MIDI 1983, weitere berührungslose MIDI-Controller. Optisch kann man mit Bildverarbeitung, Laser, Infrarot oder Lichtvorhang arbeiten. Akustisch kann Ultraschall eingesetzt werden. Ihnen allen gemeinsam ist das Abtasten von Hand oder Körper, die Umwandlung in Töne oder Musik, per MIDI oder mit Samples 1. Viele Instrumente verarbeiten die Gesten auch grafisch und zeigen sie auf einer Leinwand. Besonders spektakulär ist die Laser Harp, die speziell für den Musiker Jean Michel Jarre hergestellt wurde. Das Instrument erschien 1981 und ist mit 10 Laserstrahlen ausgestattet, die in die Höhe gehen. Durch die Stärke des Lasers ist die Bedienung nur mit Asbesthandschuhen und Schutzbrille möglich. Ein Windows-PC misst die Unterbrechung des Laserstrahls mit den Händen und formt einen entsprechenden Ton. 1 kurze Musikaufnahmen

27 3.2. MUSIKTHEORETISCHE GRUNDLAGEN 15 Der einzige berührungslose MIDI-Controller der heutzutage kommerziell eingesetzt wird, ist der D-Beam-Controller von Roland. Die Position der Hand wird dabei mithilfe eines Infrarot-Strahls gemessen. Das System unterstützt drei Raumachsen, ist aber räumlich stark eingegrenzt. Er wird in vielen Roland-Instrumenten zur zusätzlichen Parameterkontrolle eingesetzt. 3.2 Musiktheoretische Grundlagen Der Ton Der elementare Baustein der Musik ist der Ton. Ein Ton ist ein Einzelton, den man von den Begriffen Klang und Geräusch abzugrenzen muss. Ein Klang besteht aus mehreren Tönen, ein Geräusch ist eine Klangfläche. Der Ton besteht aus den Komponenten Tonhöhe, Tonlänge, Tonlautstärke und der Klangfarbe. Die Tonhöhe wird bestimmt durch die Grundfrequenz, dem Sinuston. Diese Frequenz wird in Hertz gemessen, die die Schwingungen in Sekunden ausdrückt. Andererseits wird die Tonhöhe auch mit der Tonbezeichnung der Klaviatur mit ihrer Oktave betitelt. Die Tonlautstärke wird physikalisch als die Schwingungsweite, der Amplitude, bezeichnet. Die Klangfarbe wird durch die verschiedenen Obertöne, den sogenannten Flageoletts bestimmt. Ein Instrumentalton, zum Beispiel von einer Geige, ist damit eine Mischung aus einem Grundton und vielen Obertönen, die für die charakteristische Klangfarbe des Instruments verantwortlich ist. Das Intervall Zwei Töne erklingen gleichzeitig in einem bestimmten Intervall, mehrere gleichzeitig erklingende Töne werden als Akkord bezeichnet. Tabelle 3.1 zeigt die Abstände der Halbtöne und den Namen des entsprechenden Intervalls.

28 16 KAPITEL 3. GRUNDLAGEN/AUSGANGSBASIS Abstand in Halbtönen Name des Intervalls in einer diatonischen Tonleiter 0 Prime 1 kleine Sekunde 2 große Sekunde 3 kleine Terz 4 große Terz 5 Quarte 6 Tritonus 7 Quinte 8 kleine Sexte 9 große Sexte 10 kleine Septime 11 große Septime 12 Oktave 13 Non 14 Dezim Tabelle 3.1: Abstand in Halbtönen und Name des entsprechenden Intervalls

29 3.2. MUSIKTHEORETISCHE GRUNDLAGEN 17 Tonleitern Die sieben Stammtöne verwenden die ersten sieben Buchstaben des lateinischen Alphabets: a, b, c, d, e, f, g. Verwendet man a als Grundton ergibt sich die a-moll Tonleiter, mit c als Grundton ergibt sich die Tonart C-Dur. Da C-Dur die üblichste Tonleiter ist, verwendet man im Deutschen die Stammtöne in der Reihenfolge c, d, e, f, g, a, h. Im Englischen wird die Note h als b bezeichnet, während die Note b als b flat bezeichnet wird. Man kann Töne um Halbtöne erhöhen oder erniedrigen. Eine Tonleiter ist eine Folge von Tönen, die in einem musikalischen Zusammenhang stehen. Eine Tonleiter hat den Umfang von einer Oktave, das heißt sie bewegt sich vom Grundton, bis zu 12 Halbtöne höher und wiederholt sich dann wieder. In der abendländischen Musiktheorie wird zwischen verschiedenen diatonischen Tonleitern unterschieden. Diatonische Tonleitern dürfen nur aus den Intervallen große und kleine Sekund bestehen. Beispiele dafür sind Dur- und Molltonleitern. Die Dur-Tonleiter besteht aus Tönen im folgenden Abstand: Ganzton - Ganzton - Halbton - Ganzton - Ganzton - Ganzton - Halbton Moll-Tonleitern haben den folgenden Abstand von Tönen: Ganzton - Halbton - Ganzton - Ganzton - Halbton - Ganzton - Ganzton Man kann eine Tonleiter auf jedem beliebigen Ton beginnen. Ordnet man die Töne aufbauend auf einen Grundton nach dem obigen Muster an, hat man eine Tonart bestimmt. Nimmt man den Ton c als Grundton und baut die Tonleiter nach den obigen Mustern darauf auf, hat man die Tonart C-Dur oder c-moll bestimmt. Die Tonart C-Dur enthält alle Stammtöne: c - d - e f - g - a - h c. Zwischen den Ganztonschritten liegen die Halbtonschritte, die hier durch die Bindstriche gekennzeichnet sind. Die Stammtöne haben auf der Klaviatur die weißen Tasten, Halbtöne die schwarzen. Im Deutschen werden sie erhöht, indem man ein is an den Stammton hängt. Daraus ergeben sich folgende Halbtöne: cis, dis, fis, gis und ais. Erniedrigt man einen Stammton wird meist ein es anghängt: des, es, ges, as und b. Mit verschiedenen Grundtönen und dem Aufbau der Tonleiter nach dem Dur- oder Mollprinzip ergeben sich verschiedene Tonarten. Diese Tonarten werden auch durch die Anzahl ihrer Halbtöne beschrieben.

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