Der Automaten-Klavierspieler

Mit dem Automatenklavierspieler haben Komponistinnen und Komponisten die Möglichkeit, für menschliche Wesen „Unspielbares“ zu realisieren, seien es exakteste Zeitstrukturen, enorme Geschwindigkeiten, unterschiedlichste Tempi zur gleichen Zeit oder einfach unglaublich viele Noten. (Florian Gessler 2004)

Winfried Ritsch

Veröffentlichung
27.09.2024

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Der "Automatenklavierspieler" aka "Autoklavierspieler" ist ein Spielmechanismus, auch Vorsetzer genannnt, der auf jeden herkömmlichen Klavier oder Flügel montiert werden kann.

Der Klavierspieler-Automat

Ein massiver Rahmen mit 88 elektromechanischen Fingern, die von Hubmagneten bewegt werden, ist auf einer Tastatur montiert. Gespeist von Transformatoren und gesteuert von Mikrocontrollern, die von einem Steuercomputer über serielle Schnittstellen angesteuert wurden, konnte der Automat über ein Netzwerk oder über MIDI in Echtzeit MIDI-Dateien oder anderweitig erzeugte Musik abspielen. Der Automat mit dem Namen "Kantor" wurde im Atelier Algorythmics1 gebaut.

CC BY SA Atelier Algorythmics

Kantor-Prototyp, Erstbetrieb im CUBE am Institut für Elektronische Musik Graz, 2003.

Doch wie kam es zu der Idee, eine solche Maschine zu konstruieren und zu bauen, wo es doch schon seit Jahrhunderten mechanische Automaten zum Klavierspielen gab?

Abgesehen von den vielen Musikmaschinen, die im Laufe der Zeit zur Realisierung von Maschinenmusik gebaut und eingesetzt wurden, war es das Bestreben, gemeinsam mit dem Komponisten Peter Ablinger eine künstlerische Idee zu verwirklichen.

Faszination Musikmaschinen

Im Zusammenhang mit der Metapher des Materialismus im 18. Jahrhundert schreibt Denis Diderot über die Faszination der Musikmaschinen, insbesondere des Klaviers: "Wenn sie nur ein selektives und dynamisches Gedächtnis hätte, könnte sie wie ein menschlicher Spieler spielen."2

"Nicht nur die technischen Möglichkeiten, sondern auch der Zeitgeist und das musikalische Denken waren für die Entwicklung der Musikmaschinen entscheidend; ebenso entscheidend ist das kompositorische Denken für die Maschinenmusik."3

Die Wahrnehmung des Klaviers als Maschine, wie sie im 18. Jahrhundert beschrieben wurde, macht das Klavier zu einem Instrument, das sich in besonderem Maße für die Automatisierung anbietet.

Die Herausforderung

Die Grundidee von Peter Ablinger war die Konzeption eines Phonorealismus4, der in seiner Wirkung mit der fotorealistischen Malerei in der bildenden Kunst vergleichbar ist. Über den rein technischen Aspekt der "Quadraturen" hinaus sind weitere Aspekte zu berücksichtigen, die für die Entwicklung des Automaten relevant waren. Seine ersten Experimente mit analogen Ganztonfiltern führten ihn zu den ästhetischen Prinzipien der Quadraturen-Serie und der Methode, die Analysedaten aufgenommener Klänge als Ausgangsmaterial für seine Kompositionen zu verwenden.

Dies führte ihn zu einer der anspruchsvollsten Disziplinen, der Verwendung von Sprache zur Rekonstruktion von Sprache mit Instrumenten wie dem sprechenden Klavier.

DEUS CANTANDO - Ablinger / Ritsch - piano speaking

In der Simulation am Computer funktionierte es gut und klang vielversprechend, also fragte mich Peter, ob ein echtes selbstspielendes Klavier das auch könnte, und ich sagte naiverweise "ja, warum nicht". Also suchten wir ein selbstspielendes Klavier, das alle Tasten gleichzeitig in verschiedenen Anschlagstärken spielen konnte.

Das erste in Auftrag gegebene Stück dieser Reihe, "Zeit im Bild 2", sollte 2003 aufgeführt werden. Daher führten wir Versuche durch, um die Durchführbarkeit auf einer Reihe von selbstspielenden Klavieren zu ermitteln.

Das Yamaha Diskklavier konnte nur 16 Tasten parallel mit vier verschiedenen Anschlagstärken spielen. Der Marantz-Player konnte keine unterschiedlichen Anschlagstärken verarbeiten, und das Bösendorfer Computerklavier von 2006 stürzte aufgrund zu vieler Noten ab und so weiter.

Unsere Bemühungen waren erfolglos. Peter und ich wurden mit der Zeit immer nervöser, also versprach ich ihm, wenn wir keins finden können, werde ich eins bauen.

Als große Herausforderung stellte sich die unzureichende Stromversorgung heraus, die nicht die erforderliche Anzahl paralleler Tasten mit unterschiedlichen Anschlagstärken erlaubte. Außerdem war die Wiederholungsrate häufig eingeschränkt, hauptsächlich durch die Datenbandbreite. Eine einzelne MIDI-Verbindung5 war nicht schnell genug. Und so musste ich eines bauen, und das war die Geburtsstunde des Automatenklavierspielers.

Implementationen

Als Referenz für den Bau wurden einige selbstspielende Klaviere analysiert, wobei die Idee eines Roboter-Klavierspielers, der vor einem Klavier sitzt, der Vorsetzer, von der Konzeption des Trimpins-Selbstspielklaviers6 kam. Klaviere sind weit verbreitet, aber schwer zu transportieren und Vorsetzer gibt es wenige.

Die erste Version des Automatenklavierspielers, ein robotischer Klavierspieler mit der Bezeichnung Kantor, dessen Leistungsfähigkeit bei 1,5 kW und dessen Gewicht bei 120 kg liegt, wurde im Jahr 2003 konstruiert. Das ursprüngliche Projekt bestand in der Interpretation von Audioaufnahmen auf dem Klavier für die Reihe "Quadraturen III", jedoch nicht ausschließlich, so wurden beim ersten Einsatz 10 weitere Werke für den Automaten komponiert und uraufgeführt.

Millitron bei seiner ersten Performance in der Helmut Listhalle, Stadtoper Graz, 2008.

Aufgrund neuer Auftragskompositionen, unter anderem Dialoge zwischen Klavieren, sowie weiterer Aufführungen in Europa wurde ein zusätzlicher besser transportierbarer Autoklavierspieler benötigt, vor allem für die Opernproduktion "Stadtoper" von Peter Ablinger beim Festival Steirischer Herbst. Aufgrund früherer Erfahrungen konnte der als Millitron bezeichnete Autoklavierspieler optimiert werden. Das Gerät hat lediglich noch die Hälfte des ursprünglichen Gewichts, eine dedizierte Mikrocontrollerplatine und zweistufige Verstärkerschaltung mit den Bezeichnungen "algopic" und "algofet"7. Millitron spielte präziser, ist besser einsetzbar, insbesondere für leise Stücke, und weist daher eine bessere "Piano-Forte"-Dynamik auf. Durch den Einsatz einer neuen Schaltung mit Halte-Modus ohne PWM-Modulation konnte das hochfrequente Pfeifen der Solenoide eliminiert werden. Mit Millitron war es erstmal möglich, Sprache zu spielen – das "sprechende Klavier" war geboren.

Maschinenhalle #1 - Interview Winfried Ritsch Development, Electronic Music

2010 erforderte die Musiktheaterproduktion Maschinenhalle #18, 12 Stück der Automaten und damit die erste Kleinserie. Dazu wurde auch ein Tanzinterface entwickelt und die Serie "Rhea" entstand.

Die Entwicklung von Rhea fokussierte sich auf die Realisierung noch schnellerer Wiederholungen, einer optimierten Dynamik für Pianissimo, einer einfachen Transportierbarkeit sowie einer effizienten Einrichtung. Des Weiteren diente sie als Basis für die Konzeption einer ersten Prototypenserie. Im Rahmen dessen wurde eine neuartige Elektronik entwickelt, welche eine präzisere Kalibrierung sowie eine optimierte Adaption an ältere, weniger genaue Klaviere ermöglicht.

CC BY SA Atelier Algorythmics

Rhea Autoklavierspieler 2010.

Fingeranschlag

Die Konzeption basierte auf der Idee, dass jede Taste separat spielbar ist und jeder mechanische Finger mit einer Hüllkurve individuell gesteuert werden kann. Diese Steuerung kann an die Eigenschaften jedes Klaviers angepasst werden, insbesondere auch an ältere und ungenaue Modelle. Es konnte nachgewiesen werden, dass ein Druck von bis zu 3 kg pro Finger für die volle Anschlagdynamik erforderlich ist. Die Repetitionsgeschwindigkeit ist durch die Mechanik des Klaviers begrenzt. Bei Klavieren mit einer effizienten Wiederholungsmechanik können Wiederholungszeiten von bis zu 50 ms erreicht werden. Im Allgemeinen wird die Spielgeschwindigkeit von Flügeln als höher und die dynamische Bandbreite als größer wahrgenommen.

Erste experimente beim robotischen Klavierspiel 2003.

In der ersten Phase des Anschlags wird der Finger mit maximaler Kraft beschleunigt. Die Beschleunigung ist für die Anschlagstärke von höherer Relevanz als die Kraft am Ende des Anschlags, da die Geschwindigkeit des Hammers beim Aufschlag auf die Saiten der Lautstärke entspricht. Bei einem leisen Anschlag, wie beispielsweise beim Pianissimo, muss auch die Beschleunigung entsprechend angepasst werden, um einen Prelleffekt zu vermeiden. Die neue Elektronik erlaubt zudem das Drücken einer Taste ohne vorherigen Anschlag des Hammers an den Saiten, lediglich durch Anheben des Dämpfers. Im Anschluss erfolgt die Haltephase. Dabei darf die Taste nicht bis zum Anschlag gedrückt, um eine schnellere Wiederholung zu ermöglichen. Die Loslass-Phase wird durch die Rückstellfeder des Solenoids definiert. Dies resultiert in einem komplexen System, in dem die Parameter in einer wechselseitigen Abhängigkeit zueinander stehen. Für eine optimale Funktion ist es erforderlich, dass die Parameter für jede Taste mittels einer Software kalibriert werden.

Elektronik

Die Elektronik für Rhea basiert auf den Mikrocontroller-Boards "Escher", welche über Ethernet- und serielle Schnittstellen verfügen. Die FET-Verstärker dienen der Ansteuerung der maßgeschneiderten Solenoide. Die Entwicklung der Open Hardware "Escher" erfolgte mit Fokus auf den "Autopianoplayer".

CC BY SA Atelier Algorythmics

Escher Controller.

Escher Board

Die Open-Source-Hardware von Escher basiert auf dem DSP-Motorsteuerungsmikrocontroller dsPIC33F708MC von Microchip, einem 16-Bit-Controller mit 160 MIPS und DSP-Einheit, der auch einen Ethernet-Controller enthält. Escher-Boards bieten mehr als 48 I/O-Pins, einschließlich einer 12-Kanal-Hardware-PWM mit 20 kHz und 10-12 Bit.

Jeder Automatenklavierspieler Rhea benötigt 3 Escher-Boards wobei ein Master-Board Befehle über Ethernet empfängt, das Klavier steuert und Nachrichten über eine schnelle serielle Verbindung an die 2 Slave-Boards weiterleitet. Auf diese Weise hat jedes selbstspielende Klavier eine IP-Adresse und sein Status kann während des Spiels abgefragt werden.

EscherFET

Zur Ansteuerung der Hubmagnete steuert jeder Escher zwei EscherFET-Karten mit je 16 Kanälen FET-Verstärker an. Dies ermöglicht die individuelle Ansteuerung der Magnetspulen mit einer Schaltfrequenz von bis zu 100 MHz und einem Dauerstrom von jeweils 4 A und einem Spitzenstrom von bis zu 20 A, sofern die Stromversorgung stark genug ist. Durch den Einsatz von Hochfrequenz-PWM konnte die Repetitionsrate des Klaviers von 80 ms auf 50 ms bei schnellen Klavieren verbessert werden. Für eine bessere Rekonstruktion der Formantspektren des sprechenden Klaviers war eine genaue Kontrolle der Amplitude jeder Taste von entscheidender Bedeutung.

CC BY SA Atelier Algorythmics

EscherFET Amplifier Board.

Hubmagente

Die speziell für Rhea entwickelten Hubmagnete wurden für eine optimale Leistung bei der erforderlichen Hublänge von 10 mm und einem Betrieb mit maximal 30 V ausgelegt und speziell für diesen Zweck gefertigt. Sie ermöglichen auch eine einfachere mechanische Konstruktion und reduzieren das Gesamtgewicht. Bei einer Ansteuerung mit dem 16-fachen der zulässigen Dauerlast für bis zu 20 ms erhöht sich die Beschleunigung am Anschlag und sie können bei einer Temperatur von bis zu 70 Grad Celsius betrieben werden. Um die Tasten beim Anschlag leiser zu machen, wurde Kaschmirfilz verwendet, der sich seit Jahrhunderten im Klavierbau bewährt hat. Der mechanische Finger aus unmagnetischem Messing ist mit Filz als Fingerspitze ausgestattet.

CC BY SA Atelier Algorythmics

Solenoid constructed for series "Rhea".

Software

Das gesamte System wurde für die Realisierung von Aufführungen konzipiert, mit Ensembles, synchron zu Videoprojektionen, bei Installationen im automatischem Betrieb und über einfache Schnittstellen sowie bei eigenständigen Soloauftritten. Eine schnelle Einrichtung und individuelle Kalibrierung auf verschiedene Klaviere und Flügel wurde notwendig.

Die Software kann in drei Stufen unterteilt werden: Eine Stufe für die Kompositionsphase, die größtenteils offline erfolgt, die Performance-Software, die die Kunstwerke umsetzt, die Integration in andere Umgebungen und die Mikrocontroller-Firmware als eigenständige Software, die den Roboter-Spieler darstellt.

Rheaplayer, as Software Interface written in Puredata.

Der Spieler

Für das Spiel des Roboter-Klavierspielers wurde die Programmiersprache Puredata9 verwendet, um das Rapid Prototyping zu verbessern, eine einfache Anpassung und Integration in andere Projekte zu ermöglichen und eine schnelle Erweiterung auf neue Anforderungen zu gewährleisten. Die Software kann auch als Framework für andere Projekte verwendet werden und läuft auf den meisten Betriebssystemen, vorzugsweise aber auf Linux.

Escher Echtzeit Betriebssystem

Die Firmware der Player Kantor und Millitron wurde in Assembler geschrieben, um eine angemessene Performance auf dem 16F877 Mikrocontroller zu erreichen. Bei Escher wurde für zeitkritische Aufgaben auch C mit eingebettetem Assemblercode verwendet. Die Firmware EscherOS wurde als einfaches Echtzeitbetriebssystem implementiert, das die Befehle an parallel laufende interruptgesteuerte Prozesse verteilt.

Resümee

Wie eingangs erwähnt, bestand die Motivation für den Roboterpianisten darin, Aufnahmen im Bereich Klavier nach einem bestimmten ästhetischen Prinzip zu transkribieren, damit das Ergebnis anhand der Stücke und ihrer Darbietungen auf verschiedenen Festivals und Installationen bewertet werden kann. Die drei Hauptwerke werden hier als Beispiele genannt.

Maschinenhalle #1

Die Vision von dancing music ist schon ziemlich alt und es wurden viele interaktive Umsetzungen ausprobiert, bei denen Instrumente mit Tanz gespielt werden. Diese Schnittstelle eines Tänzers, der Klavier spielt, wurde für die Musiktheateraufführung Maschinenhalle #1 für 12 Tänzer, 12 Klangplatten, 12 Roboter-Klavierspieler und eine Steuerungsstation entwickelt. Die Einheit aus Tänzer-Klangplatte-Klavierspieler als interaktives Instrument wurde in einem künstlerischen Forschungsprozess mit der Choreografin Christine Gaigg und dem Komponisten Bernhard Lang entwickelt und hat sich als eine Art Maschineneinheit herausgestellt, die den Tänzer als Arbeiter einschließt.

Installation at Ars Electronica Center Museum 2011.

Heptapiano

Beim Ars Electronica Festival 2011 wurden sieben automatische Klavierspieler aus der Rhea-Serie in einem Kreis mit einem Durchmesser von 20 Metern angeordnet und spielten mithilfe des Ambisonics-Algorithmus als räumliches Klavier. Das Auftragswerk des Ars Electronica Center Linz verwendete den 32. Trope von Josef Matthias Hauer, "Und die Wellen umspielen uns", als Grundlage für selbstreplizierende Mutationsalgorithmen, die in Geräuschwellen von Klaviertönen eingebettet sind.10

Heptapiano, seven robotic piano player, setup and played at Ars electronica 2011 at Lentos Linz

Walking Piano - Automatenklavierspieler auf Räder

Resonante Zwischenräume: "Studie 3 - Public Improvisation & Studie 1 – Fassaden" – 360°

Walking Piano ist ein automomer Automatenklavierspieler welche über öffentliche Plätze gezogen werden kann. In der Serie "Resonante Zwischenräume" als Teil der Reihe "Musik & Architektur" 2018 wurden neue Instrumente entwickelt, autonome Apparate gebaut um musikalisch (Zwischen)Räume in Architekturen akustisch zu bespielen. Fasaden als Partituren, Töne um Räume zu füllen und Mikrofone die am Pflaster schlendern.

Resonante Zwischenräume: "Studie 2 - Mictail" - 360°

Ballet mecanique - 1925/2022

George Antheil hat in den 1920ern mit der Idee, sein Ballet Mécanique durch ein reines Maschinenorchester spielen zu lassen, den Höhepunkt der industriellen Revolution eingeläutet. Acht Trommeln, sieben Glocken, eine Sirene, sieben Flugzeugpropeller und bis zu 16 Pianolas, damals bereits weit verbreitete Player Pianos, sollten dies realisieren. Antheil scheiterte jedoch an der technischen Umsetzung. Erst mit dem Einsatz von fünf Automatenklavierspielern Rhea und anderen eigens dafür entwickelten Musikmaschinen sowie einer exakten Computersteuerung konnte die Vision von damals fast 100 Jahre später endlich umgesetzt werden. Doch dies und alle weiteren Aspekte der robotischen Klangerzeuger bedürfen eines weiteren Artikels.

ensemble mécanique plays ballet mécanique at Kunsthaus Graz

Schlussfolgerungen und weitere Aussichten

Der Erfolg der genannten Kunstwerke belegt, dass die Ästhetik der Musik, die mit dieser Technik geschaffen wurde, einen wichtigen Schritt in der Schaffung neuer Musik darstellt. Was zunächst als unmöglich galt, nämlich dass ein Klavier sprechen kann, und zunächst nur eine Vision war, wurde zu einer erfolgreichen künstlerischen Praxis. Dennoch besteht weiterhin Potenzial für Verbesserungen.

Gray Sound: Peter Ablinger Residency

1
Atelier Algorythmics Graz, http://algo.mur.at/
2
Denis Diderot, Entretien entre d’Alembert et Diderot (1769).
3
Prieberg, F.K., Musica ex machina: über das Verhältnis von Musik und Technik. (1960) Ullstein Verlag.
4
Peter Ablinger, "Phonorealism", online article: http://ablinger.mur.at/phonorealism.html, accessed 30.3.2013.
5
Der Music Instrument Device Interface -Dateistandard als serielle Steuerschnittstelle mit etwa maximal einem Befehl pro Millisekunde Übertragungsrate.
6
Wikipedia. Trimpin — Wikipedia, the free encyclopedia. 2011; Online accessed 27-April-2011.
7
Based on PIC16F877 and two-stage FET solenoid driver this circuit was also used in a lot of other artwork, see "algopic - algofet", http://algo.mur.at/projects/microcontroller/algopic/algopic
8
http://maschinenhalle.at/
9
M. Puckette. "Pure data", in *Proceedings, International Computer Music Conference.*, 224–227. San Francisco, 1996.
10
Heptapiano 2011 URL: http://algo.mur.at/projects/autoklavierspieler/performances/heptapiano

Winfried Ritsch

Winfried Ritsch (geb. 1964, Tirol) ist außerordentlicher Professor für Computermusik am Institut für Elektronische Musik und Akustik (IEM) and er Kunstuniversität Graz und betreibt das „Klangatelier Algorythmics“. Er studierte Elektrotechnik-Toningenieur an der Technischen Universität Graz und der damaligen Hochschule für Musik und darstellende Kunst Graz. Neben seinen Kompositionen und großen Medienkunst Installationen entwarf er neuartige künstlerische Konzepte und initiierte Medienkunstlabors und die Künstlerinitiativen FOND, TONTO, mur.at und setzte Kunst- und Musiktheaterproduktionen um. Für sein Schaffen als Komponist wurde er mit Kunstpreisen, unter anderem mit dem Förderungspreis für Komposition der Stadt Graz 1994, dem Max-Brandt-Preis für Komposition 1997 und dem Andrzej-Dobrowolski-Kompositionspreis des Landes Steiermark 2020, ausgezeichnet. Mit seinen experimentellen Computermusik- und Medienkunst-Performances und Medienkunst-Installationen, insbesondere mit Roboter-Ensembles wie dem "ensemble mècanique", ist er viel auf Tournee und setzt robotische Ausstellung zuletzt im Kunsthaus Graz 2019 und Museum Fernand Léger in Biot/Frankreich um. Für seine künstlerische Tätigkeit in den Bereichen Radiokunst, Klangkunst und Umsetzung von telematischen Kunstprojekten entwickelt er robotische Musikinstrumente, kybernetische Modelle für generative und interaktive Musik und Akustik als Open Source Projekte und betreibt seit 1998 eigene Server der Netzkultur im Internet.