把拾音位置选择推迟到混音阶段：64 通道分弦多点吉他拾音系统

英文题目：PolyMap: A 64-Channel Polyphonic Guitar Pickup System

会议身份：conference:dafx:2026:conference-paper-id:DAFx26_demo_73

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标签：#开源工具 #信号处理 #多通道 #音乐 #音乐源分离

评分：7.1/10 | 创新 1.2/2 | 技术严谨 1.0/1.5 | 实验充分 0.7/1.5 | 清晰度 0.8/1 | 影响力 0.7/1.5 | 开源 1.2/1.5 | 可复现 0.3/0.5 | 工程/实践 1.2/1.5

排名：前50% | 文档类型：系统技术报告

👥 作者与机构

• David Wieland：机构信息未能从会议 PDF 纯文本可靠映射
• Jonas Roth：机构信息未能从会议 PDF 纯文本可靠映射
• Christoph Studer：机构信息未能从会议 PDF 纯文本可靠映射

📌 核心摘要

该工作解决电吉他拾音位置在演奏瞬间即被固化的问题，输入为八根琴弦沿琴桥到琴颈方向的机械振动，输出为可在录音软件中独立监听录制的多路数字音频，难点在于微型单元须只感应正上方琴弦且保持多位置间精确时间对齐，同时避免多线模拟输出带来的集成复杂性。先由每弦多个有源拾音单元分区感应各自正上方琴弦振动并经缓冲与限带输出多路模拟信号，再将这些模拟信号送入多片同步采样的转换器进行数字化以输出时间对齐的多通道数字流，最后将该数字流送入现场可编程门阵列组装为单根同轴外送的多通道音频数字接口流并反向供电，再由宿主侧商用接口接入插件做选择混音与滤波降噪。相对跨多弦单点输出的传统拾音器和仅单点分弦的六声道拾音器，该系统同时保留弦间独立性和沿弦位置差异，把位置选择推迟到编辑阶段并支持声像扩展与分弦效果链。插件另以手动模式与虚拟拾音模式实现电平反相声像与位置插值混合，并用谐振带通重塑音色以抑制高频嘶声。原文未提供可核对的关键定量结果。结论的适用边界受限于所展示定制八弦琴与特定录音软件工程，尚未验证其他琴型舞台电磁环境与长期演奏稳定性，部署中宿主缓冲带来主要延迟而琴内数字化与接口转换仅占小部分硬件延迟。

🔗 开源与复现资源

• 代码相关资源：https://github.com/IIP-Group/polymap — 链接可访问（HTTP 200） 可达状态仅表示本次链接检查结果，不代表许可证、本文权重或运行复现已验证。

🧭 深度解读

输入是什么？为什么传统拾音会把音色提前固定？

本文的输入是电吉他琴弦的机械振动，目标是在保留演奏信息的前提下获得可后期重构的音色。初学者可以这样理解：电吉他的声音不只来自弦本身，拾音器放在琴桥和琴颈之间的哪里，以及几个拾音器如何混合，对最终频谱影响很大。传统做法是每把琴装 1 到 3 个横跨所有琴弦的拾音器，演奏时用档位开关选其中之一，输出一路单声道模拟信号。一旦录音，位置选择就无法更改。

六分音拾音器把每根弦分开，但通常每弦只有一个位置且输出 6 路模拟，给录音和接口带来接线负担。于是学习依赖是先理解位置采样决定谐波加权，再理解分弦与多点为何能把选择推迟到编辑阶段。本文是苏黎世联邦理工学院硕士论文的演示系统，定制了一把八弦吉他，每弦布置 8 个拾音位置，共 64 路，全部在琴内数字化后送计算机。设计文件当前已公开，可在官方仓库获取，音频示例与插件另有下载地址。

拾音器 × 拾音位置： 拾音器负责把琴弦振动转换为电信号，拾音位置决定它在琴桥到琴颈之间截取弦振动的哪一段。两者搭配的原因是同一根弦在不同位置的振幅包络和谐波结构不同，移动拾音器等价于改变对各次谐波的加权，组合意义是把音色选择转化为空间采样位置的选择。

下面这张定制八弦吉他的照片展示了系统的物理载体，先看琴体与拾音阵列的整体关系，再进入信号链。照片中可见八根琴弦纵贯指板，琴体中部被拾音阵列占据，琴桥位于琴体尾部，拾音阵列沿弦方向延伸，为多位置采样提供物理基础。

看图路径： 1. 先确认这是 8 弦定制吉他，数琴弦根数与琴体下部拾音阵列的覆盖范围；2. 再观察拾音阵列沿琴弦方向延伸的长度，理解 8 个纵向采样点的物理跨度；3. 最后注意琴桥与拾音阵列的相对位置，判断最靠琴桥的采样点有多近

论文图 1。原论文 Figure 1：“Photo of the custom-made eight-string electric guitar with the PolyMap Pickup System.”。

从像素看，吉他为深色双缺角琴体配橙色木纹，户外石板背景下俯视拍摄，八根弦从琴头经指板拉到尾部固定座，拾音阵列紧贴弦下方呈矩形区域，说明每弦多点不是后期算法虚拟，而是真实密集安装的物理拾音器。这种安装密度要求拾音器体积小且指向性强，否则会串扰到邻弦，这直接引出下一节对相关路线的比较。

同输入同目标的已有路线差在哪里？

按同输入、同目标、同运行阶段对照，有 3 条路线。第一条是传统单声道拾音：输入同样是弦振动，目标是直接得到可演出的音色，运行阶段在演奏时用硬件档位固定。它优点是简单低噪声，缺点是位置不可后悔，本文用多点同步录制解决该问题，但代价是通道数膨胀 64 倍。第二条是商用六分音拾音：输入同样分弦，目标是分弦效果与 MIDI 驱动，每弦单位置多为 6 路模拟输出。

它实现了分弦，但未实现沿弦多点，本文在每弦增加到八点并改为单根同轴数字输出，简化了布线但引入了数字接口延迟与驱动兼容问题。第 3 条是文献中数字移动拾音器建模：输入是已录单点信号，目标是用梳状滤波等数字滤波器仿真改变位置，运行阶段完全在后期。它不需要改装吉他，但依赖模型假设，本文用真实多点同步测量提供对照真值，代价是必须定制吉他与硬件。

本文明确在数字音频工作站中同时监视和录制全部 64 路，并用自研插件 PolyMap Studio 选择与混合，这与前两条路线只输出混合后信号有本质区别。

要解决的具体问题与可验证的成功标准是什么？

具体问题有两个。第一，位置固定问题：演奏时选定的拾音位置被冻结为单声道模拟，录音后无法微调或自动化移动。第二，混弦问题：所有弦混在一路，无法把不同弦送到不同声像、效果器或音箱，也无法通过反相与延迟构造新的抵消音色。举例来说，教学例子：想让低音弦进贝斯音箱而高音弦保持干净并加混响，传统琴做不到，分弦单点琴也难以同时改变每弦的纵向位置。本文把成功标准定为可操作层面：64 路能否在录音软件中同时被监视和录制。

能否在插件中按弦选择与混合；端到端延迟是否可演奏；噪声是否在可用范围；不同位置频谱差异是否符合物理预期。论文未承诺用更少通道达到同样效果，也未承诺自动混音质量，这些属于未验证推测，阅读时不应把通道多直接等同于音质好。

从拨弦到立体声缩混要经过哪些环节？

沿一个样本走完全程有助于建立全局图。拨动某根弦，位于该弦下方 8 个纵向位置的拾音器各自感应振动，输出 8 路微弱模拟电压。它们先经过各自的输入缓冲与滤波做阻抗匹配和带限，然后进入八片 8 通道模数转换器，在 48 千赫兹与 24 比特精度下同步采样。同步很关键，因为后期可能把同一弦上不同位置的信号相加，若采样时刻错位会引入额外相位误差。数字化后的并行字进入现场可编程门阵列，被组装为多通道音频数字接口即 MADI 流，经同轴线缆送出吉他。

吉他供电也经同一根同轴注入，避免电池续航限制或第二根电源线。计算机侧用商用现货 USB MADI 接口把流转换为标准多通道音频设备，数字音频工作站中的定制插件负责混音与效果，最后缩混为立体声耳机输出。整个链路把位置决策从演奏时刻搬到编辑时刻。 下面信号流框图把上述环节压缩为两行，先读琴内模拟到数字再到发送的主路径，再读计算机侧接收到插件到缩混的路径，有助于核对数据速率与时钟边界在哪里。

看图路径： 1. 沿上方拾音器经输入缓冲滤波、模数转换、FPGA、MADI 发送器的主链路逐框阅读；2. 再看下方经 MADI 接收、插件到立体声缩混的计算机侧链路；3. 确认箭头方向是单向音频流，琴内无返送缩混

论文图 2。原论文 Figure 2：“Signal flow of the PolyMap Pickup System.”。

从可见像素看，图分上下两排，上排从拾音器经输入缓冲滤波、模数转换、FPGA 到 MADI 发送器依次向右，箭头单向；下排从 MADI 接收经插件到立体声缩混。黄色为琴内数字环节，绿色为接口，蓝色为计算机软件。这种划分说明琴内只做采集与编码，混音完全在计算机完成，因此延迟主要来自计算机缓冲而非琴内硬件，下一节将逐个拆解硬件组件。

每弦八点的物理拾音阵列如何避免串到邻弦？

拾音阵列是 8 乘 8 网格，共 64 路。初学者先记白话：拾音胶囊越小越能并排塞下，但小线圈输出弱，需要主动放大补偿。英文是 Nu Capsules 来自 Cycfi Research，采用强钕磁体加线圈下方有源前放。原文给出选用理由：体积小可紧密排列，且指向性好只拾取正上方琴弦；带宽比多数传统吉他拾音器宽得多，记录更多高频信息，留给后期用数字滤波塑形。

这意味着系统策略是前端宽带记录、后端滤波定音色，而非前端用谐振峰固定音色。组装形态是拾音阵列板在上、控制板在下叠装，琴背拆除盖板后可见控制电子学。这种叠装缩短了微弱模拟走线，有助于抑制串扰与电源噪声耦合，但也把数字开关噪声源放进琴体，需在模拟设计中隔离。

有源拾音胶囊 × 模拟前端： 有源拾音胶囊指带钕磁体和小尺寸线圈加前置放大的 Cycfi Nu Capsule，负责在狭小间距内只感应正上方琴弦；模拟前端负责缓冲、阻抗匹配和带限，搭配理由是小线圈输出弱且易串扰，必须先放大隔离再限带，组合后才具备可直接送多通道模数转换器的干净弱信号。

该节的教学任务是理解密度与隔离的矛盾：若用传统大尺寸被动拾音器，无法做到每弦独立且八点，更无法保证时间对齐；用小尺寸有源胶囊换取密度与指向性，代价是前放与电源引入嘶声，这直接决定了后续降噪与滤波的必要性。

模拟前端与模数转换如何保证多点时间对齐？

模拟前端对每路做缓冲、阻抗匹配和带宽限制，然后送模数转换。数字化由八片 Cirrus Logic CS5308P 完成，每片 8 通道，每通道有独立转换器，同片所有通道同时采样。初学者注意：同时采样不是指八片之间无偏差，而是指至少同片内 8 路严格对齐，跨片对齐依赖共用时钟与复位逻辑，原文强调这对后期混合多位置信号至关重要。采样格式为 48 千赫兹、24 比特，64 通道原始速率约为 73.7 兆比特每秒，加上 MADI 开销后以固定 125 兆比特每秒线速率传输，仍有余量。

带限的作用是防混叠并抑制超声噪声，因为 Nu 胶囊带宽宽，若不限带会把高频嘶声折叠进音频带。缓冲的作用是隔离高阻抗拾音线圈与转换器输入，避免负载改变频率响应。该环节未报告具体截止频率与增益值，属于缺项，复现时需按 CS5308P 数据手册与实测频响补测，不应从型号名称推定默认参数。

FPGA 与 MADI 发送如何把 64 路装进一根同轴？

FPGA 是连接模数转换器与 MADI 输出的中心环节，用 SystemVerilog 在寄存器传输级实现定制逻辑。按信号链阅读：模数缓冲接收 8 路串行时分复用流并转回并行字，经先入先出队列缓冲；子帧组装器取 24 比特音频加 MADI 状态位组成 32 比特子帧；4B5B 编码器将其变为 40 比特字；经时钟域 crossing 先入先出队列进入 125 兆赫兹发送时钟域。

同步插入模块在数据字之间交错插入独特 10 比特同步符号以便接收对齐；最后串行化与反转归零反转编码输出。另有控制器模块负责时钟分频、MADI 发送器串行外设接口配置与模数复位。下图展示了该流水线与橙蓝双时钟域划分，阅读时先跟位宽变化，再看握手信号。

现场可编程门阵列 × 多通道音频数字接口： 现场可编程门阵列即 FPGA 负责把 8 路串行时分复用音频流组装、编码为符合规范的传输帧，多通道音频数字接口即 MADI 负责以固定 125 兆比特每秒线速率承载 64 通道音频。搭配理由是琴内不做通用串行总线协议栈，用 FPGA 做确定性编码再委托外部成熟 MADI 转 USB 设备，组合意义是以低复杂度实现琴内 64 通道同步外送。

MADI 即 AES10 成熟专业标准，原文称其能以固定 125 兆比特每秒承载 64 通道 24 比特 48 千赫兹音频。选用 MADI 而非原生 USB 的理由是把 USB 协议栈委托给外部成熟硬件如 RME MADIFace USB，降低琴内复杂度。代价是需另购接口且引入约 27 采样的接口延迟。

看图路径： 1. 先看橙色域从模数缓冲经子帧组装到 4B5B 编码再进先入先出队列的位宽变化 24 到 32 到 40；2. 再看橙蓝交界的时钟域 crossing，先入先出队列左右两侧时钟不同；3. 最后看蓝色域同步字插入与串行化加反转归零编码的 10 比特同步开销

论文图 5。原论文 Figure 5：“FPGA RTL Overview Diagram with the two clock domains shown in orange and blue.”。

从可见像素看，橙色域包含模数缓冲、子帧组装、4B5B 编码与左侧先入先出，蓝色域包含右侧先入先出、同步插入与串行化，中间虚线为时钟域分界，下方标注帧时钟 48 千赫兹、子帧时钟 3.072 兆赫兹、位时钟 12.288 兆赫兹与发送时钟 125 兆赫兹，箭头上标 24、32、40 与有效就绪握手。这说明位宽膨胀主要来自编码与同步开销，而非音频本身，复现编码时必须严格按此顺序实现，否则接收端无法对齐。

没有神经网络训练时，插件实际计算了什么？

本研究没有训练任何模型，该节需明确说明无训练阶段，实际计算是确定性混音与效果。MADI 接口把 64 通道暴露给计算机，但多数数字音频工作站不支持 64 通道音轨，当前实现仅确认可在 Reaper 中工作，因其允许任意通道数。定制插件 PolyMap Studio 提供两种范式。手动模式下每路可独立使能、电平、反相、声像与可选延迟，允许精细空间控制与实验。虚拟拾音模式下每弦选一个连续位置，若落在两物理拾音之间则按比例混合，可全局联动或独立控制。

初学者可把虚拟位置理解为在两实测点之间做线性插值，而非物理移动拾音器。附加功能包括预设管理、全参数 MIDI 映射与实时多通道频谱分析。因 Nu 胶囊高频嘶声明显，插件做 2 级处理：输入端用滑动平均滤波加噪声门，低于负 55 分贝全刻度静音，至负 32 分贝全刻度以下将滤波与干声混合；输出端用谐振带通滤波塑形兼降噪。原文未给出滑动平均长度、谐振频率与品质因数，属于缺项，不能从效果名称推定参数。

手动模式 × 虚拟拾音模式： 手动模式允许对每个物理拾音通道独立设置使能、电平、反相、声像和延迟，虚拟拾音模式则为每根弦选择一个连续位置并在相邻物理拾音之间按比例混合。两者分工是前者做实验性拼贴，后者做可演奏的等效移动拾音，搭配后兼顾精细控制与演奏直觉。

该节承担的方法职责是构造与推理：构造是通道路由与参数映射，推理是逐采样块的增益、延迟、声像与滤波。不存在梯度、冻结或重置，输出在相同参数与输入下确定，但操作系统缓冲与宿主调度会引入抖动，不应把参数确定性等同于端到端延迟确定。

延迟、噪声与位置分析在什么条件下测得？

实验按问题组织。延迟问题测从拾音到计算机耳机输出的端到端延迟，条件是缓冲 32 采样、采样率 48 千赫兹，对照是同缓冲下的 Presonus Audiobox USB 96。指标方向是越小越可演奏，需同时报告采样数与毫秒数以区分硬件与缓冲贡献。噪声问题测无弦振动时拾音输出，包含拾音器、缓冲与转换总噪声，按通道报告均方根值；另测不给拾音供电时的底噪以分离拾音器贡献。

指标是分贝全刻度，越负越好，但不同通道有差异，需按通道范围而非单值理解。位置分析测拨奏后开放 A 弦频谱，对比最靠琴桥的 A 到最靠琴颈的 H 共 8 条曲线，观察基频与各次谐波峰随位置的变化，用于验证梳状模型。硬件预算方面，琴内为八片模数加 FPGA，琴外为商用 MADI 转 USB，计算机为 Reaper 宿主，未报告中央处理器占用与内存，属于缺项。所有录音示例与插件样本另有公开下载，可用于复听但不应视为受控数据集划分。

延迟与噪声的主结果支持什么判断？

先看延迟。比较问题是：在相同小缓冲下，64 通道琴内数字链是否比常规 2 通道 USB 声卡更慢。公平条件是同数字音频工作站缓冲 32 采样。指标方向是端到端越小越好。下表整理硬件分项与对照，数字保留原文写法。

表前说明：该表回答小缓冲下可演奏性问题，对比对象为实际可运行的 Presonus 设备，非事后最优值，延迟包含操作系统与宿主开销。

表后解释：主收益是 64 通道下端到端仍为 5.4 毫秒，略优于对照的 6.1 毫秒，支持低延迟可用判断。

代价是主导因素仍是宿主缓冲与系统缓冲，琴内硬件仅约 5 采样，MADI 接口另加 27 采样，说明进一步减小缓冲才能降低延迟，但会增加爆音风险，未胜出项是未报告不同缓冲与不同操作系统的曲线，不能推广到所有宿主。 再看噪声。比较问题是总噪声中有多少来自拾音器本身。公平条件是同增益无弦振动。下表整理通道范围与断电底噪。

表前说明：该表回答噪声来源定位问题，指标为负分贝全刻度均方根，越负越好，需按通道范围理解离散性。

表后解释：主要判断是多数噪声在拾音器处进入，断电后底噪降至负 90 分贝全刻度，电源噪声耦合是重要来源；插件用负 55 分贝以下静音与负 32 分贝以下混合滤波缓解嘶声，但会改变弱信号音色，属于音质代价。

限制是仅报告静态空载噪声，未测量演奏时信噪比与误触发率，不应承诺弱奏清晰度得到改善。

改变拾音位置时频谱如何变化？哪些峰不符合单调直觉？

该节相当于位置消融：固定乐器、演奏与拾音型号，只改变纵向采样点，观察频谱。报告显示，未补偿时越远离琴桥输出幅度越大，因弦振幅更大；基频并非幅度最高者；最靠琴颈的 H 在基频与 1 次谐波最高，但随谐波次数升高，峰值位置向琴桥移动；H 在第四谐波明显下陷而第五谐波回升，B 在第五谐波亦有类似下陷。

该模式符合梳状滤波对吉他拾音的建模，可能对应驻波节点落在拾音位置附近。初学者误解是越靠琴颈一定越亮或越响，实际是各次谐波交替起伏，需按谐波分别判断。

梳状滤波 × 驻波节点： 驻波节点指弦上某些谐波振幅恒为零的位置，梳状滤波指因位置采样导致某些谐波被周期性削弱的频谱模型。搭配理由是拾音器在空间上对弦位移采样，落在节点附近的谐波自然衰减，组合意义是用该模型解释为何不同拾音位置的各次谐波峰值会交替起伏。

下图为开放 A 弦拨奏后频谱，先按图例对齐颜色与位置，再逐个谐波比较峰高，有助于把梳状模型从抽象公式落到可见曲线。

看图路径： 1. 先按图例确认 A 为最靠琴桥红色，H 为最靠琴颈白色，共 8 条曲线；2. 再对比基频峰与 1 至 5 次谐波峰在不同颜色曲线上的高低交替；3. 注意白色 H 曲线在基频最高但在第 4 谐波附近明显下陷

论文图 8。原论文 Figure 8：“Spectrum of the open A string right after plucking. Pickup A (red) is closest to the bridge, and Pickup H (white) is closest to the neck.”。

从像素看，横轴为对数频率 20 至约 8000 赫兹，纵轴为幅度分贝，顶部标注基频与 1 至 14 次谐波，底部图例 A 红到 H 白共八色。白色 H 在约 110 赫兹基频最高约负 42 分贝，而红色 A 最低约负 55 分贝；在约 220、330 赫兹处各色差距缩小；在约 550 赫兹附近白色显著下陷形成深谷，黄色 D 反而最高，直观显示节点效应。像素无法精确读出每峰数值，不硬写分贝小数，定量引用以正文描述为准。该分析的边界是单次拨奏单根弦，未报告多次拨奏方差与不同品格位置，不能推广到全指板。

当前系统的边界与未评测项有哪些？

首先是通道与宿主边界：多数工作站不支持 64 通道音轨，仅确认 Reaper 可用，限制了普及。其次是噪声边界：总均方根在负 73 至负 67 分贝全刻度，弱奏与高增益失真下嘶声更明显，依赖噪声门与谐振带通，后者会染色。第三是供电与布线：虽用同轴同时供电省去电池，但仍需一根同轴加外部 MADI 转 USB 盒，不是无线。第四是评价边界：位置分析为单样本频谱观察，无统计检验；应用部分如空间音频、分弦进不同音箱、多拾音延迟反相与分数混合均为可能性列举，未做听感实验或自动指标对比。

第五是复现边界：未报告模拟前端截止频率、滑动平均长度、谐振参数与中央处理器占用，跨宿主延迟曲线缺失。区分直接报告与推测：延迟与噪声值为直接报告；梳状解释为有限解释；创意音色与沉浸感为待验证说法，需补听音与可懂度测试才能断言。

何时值得尝试？复现先做什么？

当研究目标是拾音位置建模、分弦效果或后期重构音色时值得尝试；若只求传统演出音色，64 通道的布线、混音与噪声代价可能超过收益。复现先做三件事。第一，取官方开源仓库的设计文件核对拾音阵列与控制板叠装、八片 CS5308P 时钟与复位，以及 FPGA 的子帧组装、4B5B、时钟域 crossing 与同步插入顺序，资源状态当前可用，可直接下载。第二，用 RME MADIFace USB 类商用接口与 Reaper 搭建 64 通道工程，缓冲先设 32 采样、采样率 48 千赫兹，复测 259 采样即 5.4 毫秒链路，再逐步放宽缓冲观察稳定性。

第三，载入公开音频样本与插件，先在手动模式逐弦开关验证路由，再用虚拟位置滑杆验证相邻混合，最后用噪声门负 55 分贝阈值与输出谐振滤波平衡嘶声与音色。还需补的验证是多通道电平校准、跨片采样 skew 测量、断电底噪负 90 分贝复测，以及多缓冲多系统的延迟表。权重下载不适用，因无学习权重；系统可运行依赖外部 MADI 硬件与 Reaper，不能仅凭代码仓库即认为开箱可用。

一句话收束：它把什么留给了后期，又留下了什么代价？

PolyMap 把每弦 8 个纵向采样点的选择权完整留给后期：录时 64 路同步宽带记录，混时再决定用哪点、混几点的比例、反相与延迟、声像与分弦输出，从而把演奏时的 1 次性档位变为可自动化连续移动的虚拟拾音。支撑这一点的机制链是小尺寸有源胶囊换密度、同步多模数保对齐、FPGA 加 MADI 换单线输出、插件双模式换可用性。证据强度最高的是可演奏延迟与位置相关频谱：5.4 毫秒端到端与 H 在基频最高而在高次谐波交替让位的观察，支持位置可后期重构的物理基础。

主要代价是噪声、复杂度与生态：负 73 至负 67 分贝通道噪声需门与滤波补偿，64 通道混音依赖特定宿主，创意应用仍缺听感验证。对研究生而言，可核对的下一步不是赞美通道数，而是补测信噪比随增益的变化、跨缓冲延迟曲线与多次拨奏的谐波方差，用这些数字决定该系统在自己的音乐与研究任务中是否值得背负 64 通道的重量。

⚖️ 评分明细

评分属于系统判断，不是论文实验结果；八维数值与总分见页首，原始审计记录保留在后端。

• 评分规则：type-aware-v1
• 评分模型：muse-spark-1.3-contributor
• 评分请求协议：openai_responses

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