เรื่องราว

ความรักในดนตรีของพวกเรามันยังไม่พอที่จะทำให้เราเล่นเครื่องดนตรีเป็นหรอกนะ นอกจากการตีคอร์ดกีตาร์กับเป่าแซกโซโฟนเบื้องต้นนิดหน่อย พื้นฐานฟิสิกส์ที่เรามีเลยผลักดันให้เราลองเอาทั้งเทคโนโลยีและดนตรีมารวมกันดู เราคิดถึงความเป็นไปได้ในการอัพเกรดกีตาร์ ซึ่งเป็นเครื่องดนตรีสุดคลาสสิค ให้มันสามารถทำได้มากกว่ากีตาร์ทั่วไปที่มีแต่สายโลหะ โดยการสร้างตัวเลือกที่ยืดหยุ่นมากขึ้นสำหรับผู้เล่นและผลงานของเขา โปรเจคนี้มีเป้าหมายที่จะออกแบบและสร้างกีตาร์โดยใช้ระบบออปติคอลที่ประกอบด้วยเลเซอร์, บีมสปลิตเตอร์ และเซนเซอร์รับแสง สายกีตาร์จะถูกแทนที่ด้วยชุดแสงเลเซอร์นี่แหละ เทคนิคการเล่นกีตาร์ทั่วไปคือการทำให้สายสั้นลงโดยการกดนิ้วลงบนเฟรตที่ต้องการ แล้วใช้มืออีกข้างดีดสายเพื่อสร้างโน้ตหรือคอร์ดที่ต้องการ ถ้าไม่กดเฟรตเลย เราเรียกมันว่า "สายเปิด" (Open String) เอาไว้นะว่ามีเทคนิคการเล่นอีกเพียบที่ถูกคิดค้นขึ้นมาสมัยหลังๆ ทั้งดึงสาย (Pulling), แตะสาย (Tapping), ลากนิ้ว (Sliding) ฯลฯ แต่สำหรับโปรเจคนี้ เราจะยึดตามวิธีเล่นมาตรฐานไปก่อน

คอนเซปต์

การออกแบบประกอบด้วยสองโมดูลหลัก ซึ่งเลียนแบบสองหน้าที่หลักของการเล่นกีตาร์ โดยการรับข้อมูลบางอย่างเข้ามา ไมโครคอนโทรลเลอร์จะสร้างโน้ตที่เราต้องการออกมา

โมดูลแรก (P-Module) จะเลียนแบบหน้าที่ของมือที่ใช้ดีดสาย (มือขวาสำหรับคนถนัดขวา) เวลาที่มือขวาเล่นบนสายกีตาร์ สายจะสั่นและสร้างเสียงที่มีความดัง (Amplitude) ต่างกันออกมา กีตาร์เลเซอร์ของเราจะสามารถตรวจจับได้ว่าเมื่อไหร่ที่มีการ "ดีด" เลเซอร์ (คือการตัดลำแสง) สัญญาณก็จะถูกส่งออกไป

โมดูลที่สอง (F-Module) จะเลียนแบบหน้าที่ของมือที่กดเฟรต (มือซ้าย) ในขณะที่มือดีดสาย นักกีตาร์จะกดนิ้วลงบนเฟรตเฉพาะจุดหนึ่ง ระบบของเราจะต้องสามารถระบุตำแหน่งที่ถูกสัมผัสบนคอกีตาร์ได้ เพื่อที่ว่าเมื่อมีการดีดเลเซอร์พร้อมกัน โน้ตที่ต้องการก็จะถูกผลิตออกมา

เจาะลึกเทคนิค

โปรเจค "Laser-Synth" นี้เป็นการสำรวจที่ค่อนข้างลึกซึ้งในเรื่องของ ฟิสิกส์ดนตรี และ การสังเคราะห์เสียงด้วยแสงและอิเล็กทรอนิกส์ (Opto-Electronic Synthesis) โดยการแทนที่สายโลหะดั้งเดิมด้วยลำแสงเลเซอร์ที่แม่นยำ มันแปลงประสบการณ์การสัมผัสจากการเล่นกีตาร์ให้เป็นดิจิทัล หัวใจของระบบคือชุดออปติคอลที่สร้างเมทริกซ์ของ "สาย" 3 เส้น และ "เฟรต" 2 ตำแหน่ง ซึ่งการขัดจังหวะของลำแสงจะทริกเกอร์แพ็กเก็ต MIDI (Musical Instrument Digital Interface) แบบเรียลไทม์

ฟิสิกส์ของบีมสปลิตเตอร์ และการสืบสวนการหักเหของแสง

• สะพานแห่งกฎของสเนลล์ (Snell’s Law Bridge): เพื่อหลีกเลี่ยงราคาสูงของบีมสปลิตเตอร์อุตสาหกรรม ระบบของเราใช้สไลด์ไมโครสโคปแทน ซึ่งจะกระตุ้นให้เกิด การสะท้อนภายในบางส่วน (Partial Internal Reflection) โดยส่วนหนึ่งของลำแสงจะสะท้อนไปยังเซนเซอร์ "เฟรต" (F-Module) ในขณะที่ส่วนที่เหลือจะทะลุผ่านไปยังเซนเซอร์ "การดีด" (P-Module)
• การวิเคราะห์การสะท้อน (Reflectivity Analysis): โดยใช้สมการเฟรสเนล (Fresnel equations) ระบบจะคำนวณค่าการสะท้อน ($R$) ของผิวสัมผัสของกระจก การสูญเสียทางความร้อนและแสงถูกบันทึกไว้ที่ประมาณ 1.4dB ต่อสไลด์ เพื่อให้แน่ใจว่ายังมีความเข้มของแสงเหลือเพียงพอสำหรับโหนด LDR สุดท้ายในสายโซ่

การสืบสวนโปรโตคอล MIDI-over-Serial

• แพ็กเก็ต 3 ไบต์: Arduino ของเราไม่ได้ส่ง "เสียง" แต่มันส่ง "คำสั่ง" การดีดแต่ละครั้งจะสร้างข้อความ MIDI มาตรฐานขนาด 3 ไบต์:
  1. Status Byte: (เช่น 0x90 สำหรับ Note On / 0x80 สำหรับ Note Off)
  2. Data Byte 1: หมายเลขโน้ต (เช่น 60 สำหรับ Middle C)
  3. Data Byte 2: ความเร็ว/ความแรง (Velocity) (0-127, จำลองความแรงของการดีด)
• การลดความหน่วง (Latency Mitigation): เพื่อแก้ปัญหาเสียงเล่นช้า Laser-Synth ใช้ Hairless MIDI Bridge ซึ่งจะแปลงข้อมูล Serial ดิบให้เป็นพอร์ต MIDI เสมือน (Virtual MIDI Port) ทำให้ได้ความหน่วงใกล้ศูนย์ เหมาะสำหรับการแสดงแบบโปร

การวินิจฉัยค่าจุดตัด (Threshold) ของ LDR

• การแมปความละเอียดของ ADC: ตัวต้านทานแสง (LDR) ถูกจับคู่กับตัวต้านทาน 10k ในวงจรแบ่งแรงดัน (voltage divider) ตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) 10-bit ของ Arduino จะคอยตรวจจับการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า ($V_{out}$) อย่างฉับพลันที่เกิดจากการถูกบังลำแสง ซอฟต์แวร์จะใช้ค่าจุดตัดแบบไดนามิกเพื่อชดเชยผลจากแสงรบกวนในสภาพแวดล้อม

การติดตั้ง

ตัวแยกแสง (Beamsplitters) นี่ราคาแพงมาก (เริ่มต้นที่ชิ้นละ 200 ดอลลาร์) และหายากด้วย ดังนั้นเราจึงตัดสินใจใช้สไลด์กล้องจุลทรรศน์แทน หลังจากทดลองกับเลนส์แล้ว เราพบว่าที่มุมประมาณ 40-50 องศา สไลด์จะสะท้อนแสงบางส่วนกลับมาที่มุม 30 องศาลงด้านล่าง และในเวลาเดียวกัน แสงบางส่วนก็จะทะลุผ่านไปยังสไลด์ถัดไปได้ด้วยการปรับนิดหน่อย

การเลือกมุมของเลนส์ที่เหมาะสม

เมื่อแสงเดินทางเข้าสู่ตัวกลางที่มีดัชนีหักเหสูงกว่า มุมหักเหจะเล็กกว่ามุมตกกระทบ และจะเบี่ยงเข้าใกล้เส้นปกติมากขึ้น ตามกฎของสเนลล์ (Snell’s law)

𝑛1 sin 𝜃1 = 𝑛2 sin 𝜃2

ขั้นแรก เราติดเลนส์บนกระดาษและลากเส้นปกติตั้งฉากกับผิวหน้า จากนั้นใช้เลเซอร์ยิงแสงผ่านเลนส์ ขั้นที่สอง เราลากเส้นแสดงแนวแสงหักเห โดยลากจากจุดตกกระทบ (ซึ่งมีมุมเทียบกับเส้นปกติเป็น 𝜃1) ไปยังเส้นที่ออกจากเลนส์ซึ่งขนานกัน มุมของเส้นหักเหนี้คือ 𝜃2 ขั้นที่สาม เราทำการทดลองซ้ำทั้งหมดสี่ครั้งเพื่อให้ได้ค่าที่แม่นยำ

เราทดลองซ้ำอีกหลายครั้ง ผลลัพธ์แสดงอยู่ในตารางด้านล่าง

จากนั้นเราต้องคำนวณค่าการสะท้อนกลับ (reflectivity) ของเลนส์ที่ใช้

ในการคำนวณค่าการสะท้อนกลับ เราสามารถใช้สมการเฟรสเนล (Fresnel equation) ซึ่งสำหรับการตกกระทบในแนวตั้งฉากจะลดรูปเหลือ:

𝑅 = |(𝑛1−𝑛2)/(𝑛1+𝑛2)|^2

ดังนั้น R = ((1-1.432)/ (1+1.432)) ^2= 3.155%

แปลว่า แสงที่สะท้อนกลับจากเลนส์จะอยู่ที่ 3.155% เทียบกับค่าทางทฤษฎีซึ่งคือ 4%

เซนเซอร์

การสูญเสียความเข้มแสงหลังจากผ่านช่องสลิต: เราตั้งการทดลองเพื่อคำนวณการสูญเสียกำลัง/ความเข้มของแสงเลเซอร์เมื่อผ่านสไลด์กล้องจุลทรรศน์ ผลลัพธ์ถูกนำมาใช้เพื่อประเมินความเป็นไปได้ของการใช้สไลด์ในโปรเจกต์ของเรา องค์ประกอบที่ใช้ในการทดลองมีดังนี้:

• ตัวปล่อยแสงเลเซอร์ 650nm (กำลังไฟที่ระบุ 5mW)
• เซนเซอร์ LDR รุ่น D5717 ที่มีค่าพีคสเปกตรัมที่ 540nm
• ตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) 10-bit ในตัวของ Arduino
• ตัวต้านทาน 10K
• สไลด์กล้องจุลทรรศน์

เราเลือก LDR และแสงเลเซอร์เพื่อให้ความยาวคลื่นการปล่อยของเลเซอร์ใกล้เคียงกับค่าพีคสเปกตรัมของ LDR นอกจากนี้ เลเซอร์ 650nm หาง่ายและถูกกว่าเลเซอร์สีเขียว 500nm มาก

ทีนี้มาคำนวณการสูญเสียกำลังเป็นเดซิเบลกัน โดยเราจะกำหนด Vin เป็นแรงดันไฟฟ้าเมื่อไม่มีสลิตกั้นระหว่างเลเซอร์กับเซนเซอร์

ดังนั้น V_in=4.1V

P_loss = 20.log(V_o/V_in)

ผลลัพธ์ข้างต้นชี้ให้เห็นว่าแสงเลเซอร์สูญเสียกำลังไปน้อยมากเมื่อผ่านสไลด์ การสูญเสียนั้นส่วนหนึ่งมาจากแสงที่สะท้อนกลับ บวกกับแสงบางส่วนที่กระจัดกระจายในเนื้อสไลด์ ดังนั้น สำหรับการใช้งานของเรา การสูญเสียสูงสุดที่ 1.4dB ถือว่ายอมรับได้ นอกจากนี้ เรายังสามารถปรับค่าความไวแสงของ LDR แต่ละตัวได้โดยใช้โพเทนชิโอมิเตอร์ที่ติดตั้งมากับ LDR ดิจิทัลแต่ละตัวในโปรเจกต์นี้

วิศวกรรมและการนำไปปฏิบัติ

• โมดูลลอจิกแบบลำดับชั้น (Hierarchical Logic Modules):
  • P-Module (Plucking - การดีด): ตรวจจับ "การโจมตี" (Attack) ของโน้ต การตัดลำแสงนี้จะส่งคำสั่ง `Note On` ออกไป (แบบว่า โดนตัดเมื่อไหร่ โน้ตดังทันที)
  • F-Module (Fretting - การกดเฟร็ต): กำหนดค่า "พิทช์" (Pitch) หรือระดับเสียง โค้ดลอจิกจะเช็คสถานะของลำแสงบนคอเฟร็ตแบบพร้อมกัน เพื่อคำนวณหาโน้ต MIDI เป้าหมาย ก่อนที่สัญญาณการดีดจะถูกส่งออกไป (คิดก่อนดีด จะได้ไม่เพี้ยน!)
• การปรับเทียบเชิงแสง-กล (Opto-Mechanical Calibration): การจัดแนวแกนที่แม่นยำเป็นเรื่องโคตรสำคัญ เลเซอร์เรายึดตายตัวบนรางแข็ง ส่วนสไลด์กล้องจุลทรรศน์เราติดตั้งบนจุดหมุน (pivoting nodes) เพื่อปรับการหักเหของแสงแบบละเอียดยิบ เราใช้เลเซอร์ 650nm (สีแดง) เพราะมองเห็นเส้นง่ายตอนปรับ และราคาไม่แรงเกินไปสำหรับน้องๆ

ดนตรี

หลังจากที่เราลงลึกกับการรีเสิร์ชเรื่องดนตรี โดยเฉพาะโน้ตของกีต้าร์แล้ว ในตอนแรก เราพบไลบรารีเสียงในรูปแบบ MP3 สำหรับกีต้าร์อะคูสติก 14 เฟร็ต แต่ว่า... พอเอามาลองกับเซ็ตอัพของเรา ก็เจอปัญหาใหญ่ นั่นคือเรื่องเวลาตอบสนอง (Response time) ที่เราพูดถึงเนี่ย คือเวลาตั้งแต่ลำแสงถูกตัดจนถึงมีเสียงออกมา ซึ่งมันประมาณ 0.5 วินาที ช้ากว่าการเล่นกีต้าร์จริงๆ อยู่ดี (แบบนี้เล่นเพลงช้าสุดๆ ไปเลย)

ต่อมา เราก็ไปเจอโปรแกรมระดับตำนานที่ชื่อว่า MIDI นั่นเอง MIDI1 หรือ Musical Instrument Digital Interface เป็นโปรโตคอลมาตรฐานในวงการที่เชื่อมต่ออุปกรณ์จากหลายๆ บริษัทเข้าด้วยกัน ไม่ว่าจะเป็นเครื่องดนตรีดิจิทัล คอมพิวเตอร์ แท็บเล็ต หรือสมาร์ทโฟน มันถูกใช้โดยนักดนตรี, DJ, โปรดิวเซอร์, ครู, ศิลปิน ไปจนถึงมือสมัครเล่นทั่วโลกเพื่อสร้าง, แสดง, เรียนรู้ และแชร์ผลงานดนตรี สำหรับโปรเจคเรา เราก็หาตารางแปลงค่าโน้ตที่ตรงกันได้เช่นกัน สุดท้ายแล้ว เพื่อจะสร้างเสียงเครื่องดนตรีที่เราต้องการ เราลองใช้โปรแกรมหลายตัว เช่น Jim Oliver แต่น่าเสียดายที่มันไม่ใช่โอเพ่นซอร์ส สุดท้ายเลยตัดสินใจใช้ Garage Band แล้วเอามารวมกับ Hairless MIDI และ Arduino ตามที่อธิบายในส่วนโปรแกรมมิ่งด้านล่างนี่แหละ

ฮาร์ดแวร์

แม้ว่าซีเคียวต์จริงๆ จะดูซับซ้อนเพราะเซนเซอร์เยอะมาก แต่เรามีสเก็ตช์ง่ายๆ ของวงจรให้ดูด้านล่างนี้ ทั้งในรูปแบบแผนผัง (schematics) และรูปลักษณ์บนเบรดบอร์ด ดีไซน์นี้ประกอบด้วย LDR, เลเซอร์, Arduino และการเชื่อมต่อ USB สำหรับส่งสัญญาณ MIDI จากรูปจะเห็นว่า Arduino ของเราไม่ใช่แค่เก็บข้อมูลจากเซนเซอร์ แต่ยังส่งข้อมูลนั้นไปยังระบบ MIDI เพื่อผลิตเสียงอีกด้วย (ทำงานครบเครื่องจริงๆ)

ซอฟต์แวร์

การเขียนโปรแกรมพัฒนาบน Arduino IDE สเก็ตช์ของเราใช้ไลบรารี MIDI ของ Arduino และนี่คือโค้ดเวอร์ชันสุดท้ายที่ใช้รันกีต้าร์ของเรา Arduino จะส่งข้อความ Serial ที่มีข้อมูล 3 ส่วนคือ 1- หมายเลขโน้ต (Note number) โน้ตดนตรีแต่ละตัวมีหมายเลข MIDI ของมัน 2- ความแรง (Velocity) หรือความดังของเสียงที่จะออกมา 3- ช่องสัญญาณ (Channel) สำหรับการแก้ไขดนตรีเพิ่มเติม หมายเหตุ: ในโค้ดนี้เราให้ค่า Velocity และ Channel คงที่ นั่นคือทุกโน้ตจะดังเท่ากันหมด เรามีคอมเมนต์สำคัญเป็นสีแดงและตัวหนาเพื่ออธิบายโค้ดในส่วนซอฟต์แวร์ด้วย

หลังจากรันสเก็ตช์นี้ Arduino ก็จะบอกได้แล้วว่าให้เล่นโน้ตอะไร และเมื่อไหร่ที่ควรส่งข้อความ MIDI ไปยังคอมพิวเตอร์ สำหรับผู้ใช้ Mac OS มีไลบรารี Java MIDI ในตัวระบบอยู่แล้ว ส่วนผู้ใช้ Windows และ Linux จำเป็นต้องใช้ซอฟต์แวร์ MIDI Loop2 เพื่อให้คอมพิวเตอร์รับรู้ข้อความนั้นได้ จากนั้นก็มีซอฟต์แวร์สองตัวที่เป็นตัวเลือกหลัก: Hairless MIDI3 และ Serial-MIDI converter4 พวกนี้จะอ่านข้อความ Serial จาก Arduino แล้วแปลงเป็นข้อความ MIDI สุดท้าย ข้อความ MIDI นี้จะถูก Virtual MIDI software รับรู้ สำหรับโปรเจคนี้เราใช้ GarageBand5 ซึ่งดาวน์โหลดฟรีได้บน Apple store

ด้วยวิธีนี้ เราก็สามารถรับข้อความ Serial จาก Arduino และเล่นโน้ตที่ต้องการได้ ดังนั้น เราจึงไม่จำเป็นต้องใช้สาย MIDI หรือการเชื่อมต่อแบบนั้นอีกต่อไป ข้อความ Serial ที่ส่งผ่านสาย USB สามารถเลียนแบบข้อความ MIDI และให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำได้ อย่างไรก็ตาม การใช้สาย MIDI จริงๆ จะให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่า โดยเฉพาะสำหรับเครื่องดนตรีอย่างกีต้าร์อะคูสติก (แต่ของเราก็ใช้ USB แทนได้แล้ววว!)

ด้วยวิธีนี้ เราก็สามารถรับข้อความแบบอนุกรม (Serial Message) จาก Arduino แล้วเล่นโน้ตที่ต้องการได้เลยจ้า แปลว่าเราไม่ต้องใช้สาย MIDI หรือการเชื่อมต่อแบบนั้นให้วุ่นวายอีกต่อไป ข้อความอนุกรมที่ส่งผ่านสาย USB นี่มันเลียนแบบข้อความ MIDI ได้เป๊ะเวอร์ และให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำมากๆ แต่ว่า... ถ้าใช้สาย MIDI จริงๆ ผลลัพธ์จะดีกว่าอยู่หน่อยนะ โดยเฉพาะกับเครื่องดนตรีอย่างกีตาร์อะคูสติก

ผลงานที่ได้ (จัดไปวัยรุ่น!)

ในที่สุดเราก็สร้างกีตาร์ที่มี 3 สาย กับ 2 เฟรต ได้สำเร็จ แถมยังอยู่ภายในงบที่ตั้งไว้อีกด้วย สู้งานนะน้อง!

นี่คือวิดีโอเพื่อนนักกีตาร์ของเรากำลังเล่นเพลงอยู่ ดูให้หายคันมือเลย

และก็รูปภาพตอนที่เราได้รับรางวัลโปรเจคเจ๋งที่สุดของเทอมนี่แหละ

ส่วนรูปเท่ๆ โซโล่แบบนี้ ต้องมีไว้โชว์

สรุปสั้นๆ ให้เข้าใจ

Laser-Synth นี่มันคือการเชื่อมโลกของ ฟิสิกส์แสง (Optical Physics) กับ การผลิตดนตรีดิจิทัล (Digital Music Production) เข้าด้วยกันเลย โดยการเข้าใจลึกซึ้งถึง Snell's Law Forensics และ MIDI Packet Construction นักพัฒนาสามารถสร้างเครื่องดนตรีแนว Avant-Garde ที่ผลักดันขอบเขตของศิลปะการแสดงแบบดั้งเดิมผ่านเทคโนโลยีแบบฝังตัว (Embedded Technology) ได้เลย

Optical Harmony: Mastering the fretboard through refractive forensics.

อ้างอิง & ลิงก์น่าสนใจ

ลิงก์เด็ดๆ ที่ห้ามพลาด

ลองไปหาดูเพิ่มเติมจากแหล่งข้อมูลอื่นๆ เกี่ยวกับ Arduino Xylophone, Laser Guitar, และโปรเจคที่น่าสนใจอื่นๆ ได้นะ งานนี้ต้องศึกษาด้วยตัวเองบ้างแล้วล่ะน้อง! ห้ามช็อตนะตัวนี้