Другие методы звукового синтеза.

Аддитивный или суммирующий синтез (additive synthesis). Данный метод прекрасно иллюстрируют первые моде­ли от Hammond, которые были основаны на принципе построе­ния звучания реальных органов. В его основе лежит следующая идея — создание сложных гармонически насыщенных звуков из простых изменяющихся синусоидальных волн, различных по ам­плитуде и/или частоте.

Вычитающий синтез (subtractive synthesis). Данный ме­тод противоположен предыдущему. В качестве исходного берет­ся тембрально богатый, насыщенный гармониками звук, а потом в результате сложной фильтрации из него формируется опреде­ленный тембр с характерной тоновой окраской.

Direct Draw. В ряде синтезаторов используются осцилля­торы, генерирующие звуковые волны со стандартными формами (синусоида, прямоугольная, пилообразная и т. п.). В варианте Uirect Draw пользователь может самостоятельно рисовать любые Формы.

Гранулированный синтез (Granular synthesis). Явля­ется частным случаем таблично-волнового синтеза. Звук формируется из коротких сэмплированных фрагментов звуковой волны. Результате взаимодействия частоты их повторения и частотных составляющих сэмплированной звуковой формы получается тембрально сложный монотонный звук, который впоследствии можно обрабатывать методами вычитающего синтезирования. Одна из первых реализаций подобного была в программе Ross Bencina AudioMulch.

Сэмплинг (Sample playback). Данный метод базируется на использовании сэмплированных (записанных) инструментов и воспроизведении их в режиме обычного проигрывателя. Неболь­шие звуковые фрагменты, из которых складывается звучание инструмента, загружаются в память (ROM или RAM) и затем вос­производятся.

Ресинтезированный PCM (Resynthesized (RS) — PCM). Этот метод синтеза был введен фирмой Roland и основан на анализе сэмплированного звука и его последующего воссоз­дания аддитивным методом синтеза.

Линейно-арифметический синтез (Linear/ Arith­metic (L/A) synthesis). Этот метод также был введен фирмой Roland в конце 80-х гг., начиная с модели D-50. За основу кон­цепции L/A synthesis было взято смешивание небольшого фраг­мента сэмпла «живого» инструмента (обычно атаки) с синтези­рованной волновой формой. Этот метод позволяет дать нату­ральную звуковую окраску, близкую к реальному звучанию, при этом получается выигрыш в меньшей загрузке аппаратных вы­числительных мощностей.

Передовое интегрирование (Advanced Integrated synthesis). Данный метод был впервые представлен в модели Korg M-1. Он использует сэмплированную атаку и другие волно­вые формы, которые впоследствии обрабатываются методами вычитающего синтеза, при этом для получения качественно но­вых звуков дополнительно могут использоваться сложные эф­фект – процессоры.

Синтез переменной архитектуры (VAST — Vari­able Architecture Synthesis Technology). Разновидность DSP-син­теза, основанная на комбинировании мощных вычислений по формированию пэтчей, включая сэмплированные звуки, добав­ление сложных эффектов и открытую архитектуру.

Z-Plane synthesis. Данный метод синтезирования явля­ется уникальной разработкой и впервые был представлен в зву­ковом модуле E-mu Systems Morpheus. Его суть состоит в следующем — берутся две волновые формы разных инструментов и одна промежуточная для плавного перетекания от первой ко второй.

Синтез физического моделирования (Physical deling synthesis). За основу данного метода берется сложная математическая модель, которая полностью описывает формирование звука в инструменте. Впервые этот вид синтезирования был представлен в модельном ряде синтезаторов Yamaha VL-1 и VL-7 а теперь используется повсеместно, хотя до полноценного математического повторения реальных физических процессов еще далеко.

Синтез по математической функции (Mathema­tical function synthesis). Также частный случай физического моде­лирования, с помощью которого можно вкладывать математиче­ские функции, объединять их в функциональные блоки, а из них создавать математические алгоритмические модели. Вернее ска­зать, что этот метод является одним из простейших разделов фи­зического моделирования. Он хорошо подходит для эмуляции аналоговых синтезаторов.

Спектральный синтез (Spectral synthesis). Это даже не метод, а скорее способ создания сложных гармонических зву­ков. За основу их построения берется обыкновенная спектрограмма (графическое представление зависимости частоты от ам­плитуды).

Плата SoundBlaste.

В 1998 г. Creative Technology был выпущен удачный образец звуковой платы SoundBlaster Live!, ставший в дальнейшем стан­дартом де-факто.

Версия Platinum 5.1 карты Creative SoundBlaster Live!, которая появилась к концу 2000 г., имела следующие гнезда и соеди­нители (рис. 3.2):

• аналогово-цифровой выход — либо сжатый сигнал в фор­мате Dolby AC-3 SPDIF с 6 каналами для подключения внешних цифровых устройств или динамиков цифровых систем, либо аналоговая система громкоговорителей 5.1;

• линейный вход — соединяется с внешним устройством типа кассетного, цифрового магнитофона, плейера и пр.; микрофонное гнездо — соединяется с внешним микрофо­ном для ввода голоса;

• линейный выход — соединяется с динамиками или внеш­ним усилителем для аудиовывода или наушниками;

• соединитель джойстика/MIDI — соединяется с джойсти­ком или устройством MIDI; и может быть настроен так, чтобы соединяться с обоими одновременно;

• CD/SPDIF-соединитель — соединяется с выводом SPDIF, расположенным на дисководе DVD или CD-ROM;

• дополнительный аудиовход — соединяется с внутренними аудиоисточниками типа тюнера, MPEG или других подоб­ных плат;

• соединитель аудиоСD — соединяется с аналоговым аудио-выводом на CD-ROM или DVD-ROM, используя кабель аудиоСD;

• соединитель автоответчика — обеспечивает монофониче­скую связь со стандартным голосовым модемом и передает сигналы микрофона к модему.

Аудиорасширение (цифровой ввод-вывод) — соединяется с циф­ровой платой ввода-вывода (может располагаться в свободной нише накопителя на 5,25", выходящей на переднюю панель ком­пьютера), иногда называемой Live!Drive. Обеспечивает следую­щие соединения:

• гнездо RCA SPDIF — соединяется с устройствами цифровой звукозаписи типа цифровой ленты и мини-дисков;

• гнездо наушников — соединяется с парой высококачест­венных наушников; вывод динамика отключается;

• регулировка уровня наушников — управляет громкостью сигнала наушников;

• второй вход (линейный/микрофонный) — соединяется с высококачественным динамическим микрофоном или аудиоисточником (электрогитара, цифровое аудио или мини-диск);

• переключатель второго входа (линейный/микрофон);

• соединитель MIDI — соединяется с устройствами MIDI че­рез кабель Mini DIN-Standard DIN;

• инфракрасный порт (сенсор) — позволяет организовать дистанционное управление ПК;

• вспомогательные гнезда RCA — соединяются с оборудова­нием бытовой электроники типа видеомагнитофона, теле­визора или проигрывателя компакт-дисков;

• оптический вход/выход SPDIF — соединяется с устройст­вами цифровой звукозаписи наподобие цифровой ленты или мини-дисков.

Другие изготовители звуковых плат быстро восприняли идею относительно отдельного модуля разъемов ввода-вывода. Было разработано множество разновидностей — одни были размеще­ны в отсеке для накопителей подобно Live!Drive, другие были внешними модулями, некоторые из которых были разработаны, чтобы действовать как концентраторы USB.

Современные аудиокарты поддерживают также ряд стандарт­ных возможностей моделирования, генерации и обработки зву­кового сигнала:

• DirectX — предложенная Microsoft система команд управ­ления позиционированием виртуального звукового источ­ника (модификации — DirectX 3, 5, 6);

• A3D — разработанный в 1997 г. NASA (National Aeronautics and Space Administration) и Aureal для использования в лет­ных тренажерах стандарт генерации таких эффектов, как густой туман или подводные звуки. A3D2 позволяет моде­лировать конфигурацию помещения, в котором раздаются и распространяются звуки, вычисляя до 60 звуковых отра­жений (как в ангаре, так и в колодце);

• ЕАХ (Environmental Audio Extensions) — предложенная Creative Technology в 1998 г. модель добавления ревербера­ции в A3D с учетом звуковых препятствий и поглощения звуков;

• MIDI (Musical Instrument Digital Interface) — протокол, раз­работанный в 1980-х гг., в соответствии с которым коман­ды передаются по стандартному интерфейсу. В Windows MIDI-файлы могут воспроизводиться специальной про­граммой-проигрывателем MIDI-Sequcncer. В этой области синтеза звука также имеются свои стандарты. Основным является стандарт МТ-32, разработанный фирмой Roland и названный в соответствии с одноименным модулем генера­ции звуков. Этот стандарт также применяется в звуковых картах LAPC и определяет основные средства для управле­ния расположением инструментов, голосов, а также для де­ления на инструментальные группы (клавишные, ударные и т. д.) (рис. 3.3).

MIDI

Цифровой интерфейс музыкальных инструментов (Musical Instrument Digital Interface или MIDI) появился в начале 1980-х гг. и был разработан, чтобы обеспечить стандартный интерфейс между пультами управления музыкой (наподобие клавиатур) и звуковыми генераторами (типа синтезаторов и «роботов-барабанщиков»). Кроме того, он первоначально был предназначен для работы через последовательное подключе­ние, аналогичное стыку RS-232 [24, 25], и включал в себя как стандарт передачи информации, так и протокол электрических сигналов.

На уровне электросигналов MIDI представляет полудуплекс­ную токовую петлю (5 мА), которая пропускает последователь­ный поток данных по 8 битов на скорости передачи 31,25 килобод.

На уровне передачи информации MIDI представляет собой что-то вроде языка для того, чтобы описать музыкальные такты и эффекты в реальном масштабе времени. Он обеспечивает соеди­нение более чем по 16 каналам, позволяя подключить до 16 инст­рументов MIDI к одному интерфейсу. Некоторые MIDI-интерфейсы имеют 16 выходов, позволяя одновременно обращаться к 256 инструментам.

Интерфейс MIDI передает не звук, а команды, которые вы­полняет устройство-приемник. Инструменты соединяются стан­дартными разъемами 5-DIN. Например, если на клавиатуре на­жата определенная клавиша, то передается команда Note On (включить ноту), которая заставляет принимающее устройство проиграть некоторую музыкальную ноту.

Команда состоит из трех элементов:

• байт состояния (Status Byte);

• номер ноты (Note Number);

• значение скорости нажатия клавиши (Velocity Value).

Байт состояния содержит информацию о типе команды

(в этом случае — «включить ноту»), а также на какой канал она должна быть послана (1 —16).

Номер ноты описывает клавишу, которая была нажата (ска­жем, «ре» Большой Октавы).

Значение скорости указывает силу, с которой эта клавиша была нажата. Принимающий инструмент будет исполнять эту ноту, пока не придет команда Note off (отключить ноту), кото­рая содержит аналогичные данные.

В зависимости от того, какой именно звук проигрывается, синтезаторы по-разному обрабатывают данные Velocity Value. Звук фортепьяно, например, становится громче, если клавиша нажата более сильно, а также изменяются тональные свойства. Профессиональные синтезаторы часто вводят дополнительные тембры, чтобы подражать звуку молоточков, ударяю­щих по струнам.

Число голосов (MIDI-каналов) или полифония звуковой платы определяет максимальное количество элементарных зву­ков, которые плата может воспроизвести одновременно. Это число иногда указывают в названии звуковой карты, например-SB 16, AWE 64, SB PCI 64, SB PCI 128 и т. д.

Существует несколько разновидностей стандарта MIDI — 6М, GS и т. д. Практически все современные звуковые адаптеры совместимы со стандартом GM (General MIDI — единый или общий MIDI).

Постоянные контроллеры Continuous Controllers (CC) ис­пользуются, чтобы управлять параметрами настройки: уровень звучания, эффекты, панорамирование (позиционирование сте­реозвука) и др. Многие устройства MIDI позволяют установить внутренние параметры для СС (до 128). На этой базе Ассоциа­ция Изготовителей MIDI (MIDI Manufacturers Association — MMA) разработала спецификацию для синтезаторов, известную как General MIDI.

MIDI секвенсоры. Первые приложения MIDI были рассчита­ны на то, чтобы при игре на одной клавиатуре сочетать звуки, произведенные несколькими синтезаторами. Сегодня тем не ме­нее это используется главным образом в секвенсорах, хотя MIDI также применяется и в системах театрального освещения и со­провождения как удобный способ управления множеством про­жекторов и кино (видео) проекторов.

По существу, секвенсор (sequencer) представляет собой циф­ровой магнитофон, который записывает и воспроизводит коман­ды MIDI, а не аудиосигналы. Первые секвенсоры имели неболь­шую память и были способны к запоминанию только от 1 до 2 тыс. музыкальных тактов. С развитием секвенсоров совершен­ствовались и системы MIDI. He ограничиваясь только проигры­ванием нот в MIDI, изготовители разработали способы управле­ния индивидуальными звуковыми параметрами и встроенными цифровыми эффектами, используя постоянные контроллеры (СС). Большинство программ-секвенсоров — приложения на ос­нове ПК, и имеют возможности корректировать эти параметры, используя графические слайдеры.

Использование секвенсоров позволяет удобно редактировать музыкальные фразы и синхронизировать их с фильмом. При этом обеспечиваются экономичные возможности для разработчиков мультимедиа, предоставляющие слушателям высококачественный звук. Для записи оцифрованной музыки требуется не менее 10 Мбайт/мин, в то время как данные MIDI требуют только малую долю от этого.

Сэмплер — синтезатор, у которого для хранения образцов звучания (сэмплов) вместо постоянной памяти (ROM) используется оперативная память большого объема (RAM). Пользователь перед каждым сеансом работы загружает в память уже готовые звуки, или записывает новые звуки точно так же, как на обычный магнитофон. Впоследствии все эти сэмплы воспроиз­водятся с разной высотой под управлением клавиатуры или сек­венсора. Для изменения высоты тона сэмплов используются та­кие же алгоритмы, как и в программах типа Sound Forge, только они действуют в реальном времени.

При формировании звуков в сэмплерах не используются алгоритмы компрессии, которые, например, позволяют «упако­вать» в 4 Мбайт ROM 250—400 звуков разного тембра, как это происходит в синтезаторах. Кроме этого, синтезаторы ограни­чены тем набором звуков, который находится в ROM, а для сэмплеров выпускается огромное количество библиотек звуков на компакт-дисках, поэтому можно, имея всего лишь одно устройство, практически безгранично расширять его возмож­ности.

Помимо всех перечисленных достоинств, сэмплеры имеют одну очень важную черту — пользователь может создавать звук самостоятельно от первого до последнего шага.

В сэмплере каждый звук создается в нескольких источни­ках, сигналы которых смешиваются между собой. Каждый та­кой источник принято называть леером (от англ. layer — слой). Главным элементом любого леера является генератор — имен­но в нем образуется звук при воспроизведении сэмпла. Иногда генератор сэмплера называют осциллятором. Сэмплы находятся в оперативной памяти устройства и извлекаются оттуда при поступлении соответствующей команды от программы управ­ления.

Генератор воспроизводит сэмпл с разной высотой, в зависи­мости от поступающей в него команды MIDI Note (MIDI нота). Причем, сэмпл может воспроизводиться как линейно, т. е. от чала до конца, так и зацикливаться. В последнем случае инструмент звучит ровно столько, сколько времени удерживается в Жатом состоянии клавиша на MIDI-клавиатуре. Помимо изменения высоты тона, генератор изменяет уровень воспроизво­димого сэмпла в зависимости от сообщения Velocity (ско­рость нажатия клавиши).

В сэмплере с помощью генератора низкой частоты (LFO — Low Frequency Oscillator) можно менять высоту воспроизведения сэмпла с некоторой периодичностью. Но в отличие от про­граммного FM-синтезатора, частотой колебаний LFO сэмплера можно управлять в реальном времени с помощью MIDI-клавиатуры.

Амплитудой колебаний LFO можно управлять с помощью генератора огибающей (Envelope Generator), создающего произ­вольную огибающую. Этот метод называется амплитудной мо­дуляцией (AM — Amplitude Modulation). Но в любом сэмплере с помощью амплитудной модуляции можно управлять не толь­ко параметрами генератора низкой частоты, но и параметрами воспроизведения сэмпла. Например, если указано «время ли­нейной атаки» 1 с, то после нажатия клавиши громкость сэмп­ла будет линейно возрастать от минимальной громкости к мак­симальной в течение 1 секунды. Если указывается время зату­хания (Release) 0,5 с, то после отпускания клавиши сэмпл будет звучать указанное время, причем его громкость будет линейно уменьшаться. Естественно, можно «нарисовать» и более слож­ные огибающие.

К сэмплу, который воспроизводится генератором с разной высотой и уровнем в зависимости от поступающих с клавиатуры команд MIDI Note (MIDI нота) и Velocity (Скорость нажатия клавиш), можно применить два вида модуляции: частотную

и амплитудную. В первом случае будет периодически меняться высота воспроизводимого сэмпла относительно взятой на клавиатуре ноты, а во втором — его относительный уровень в течение времени звучания.

Эквалайзер. Для управления тембром звука используются эк­валайзеры — программно-аппаратные средства, способные по­нижать или повышать уровень разных частотных полос. При этом понижается или повышается относительный уровень раз­ных гармоник сигнала, в результате чего мы в акустических сис­темах слышим изменение тембра звука.

Известно два основных типа эквалайзеров — графические и параметрические. Первые отличаются наличием фиксированно­го количества полос: их обычно бывает 15 (можно менять уровень каждой ²/₃ октавы звукового диапазона) или 30 (можно менять уровень каждой ¹/₃ октавы звукового диапазона). На любой из полос уровень сигнала может опускаться или подниматься на Ю—15 дБ (см. рис. 3.7 — графический 10-полосный эквалайзер Winamp). Параметрические эквалайзеры, в отличие от графиче­ских, могут настраиваться на любую частотную полосу любой ширины и поднимать/опускать ее уровень.