Методы синтеза звуков. Синтезаторы и сэмплеры.
Сэмплеры
В конце семидесятых годов прошлого века был создан цифровой музыкальный инструмент, в котором реализован принципиально иной подход к синтезу музыки, получивший название "sampling". Буквально это слово означает отбор образцов. Суть этого способа состоит в том, что для синтеза звука используются сгенерированные не в реальном времени, а заранее фрагменты, хранящиеся в памяти инструмента. В частности (и чаще всего), эти фрагменты могут быть получены путем записи в цифровой форме натуральных звуков. Синтезаторы, в которых воплощен такой принцип, называются сэмплерами, а образцы звучания – сэмплами. Процесс записи сэмплов принято называть оцифровкой или сэмплированием. В целях экономии необходимой памяти сэмплы могут храниться в виде нескольких фрагментов: фрагмента начала звука, фрагмента стационарной фазы и фрагмента завершения звука. Фазы начала и завершения звука (вспомним рис. 1.11) при исполнении воспроизводятся без изменений, а стационарная фаза "зацикливается" на время нажатия клавиши.
Конечно же, сэмплы, записанные с помощью микрофонов, расположенных, например, вблизи рояля, до того, как оказаться в памяти синтезатора, подвергаются нескольким процедурам обработки. Запись очищают от посторонних звуков, подчеркивают стереоэффект и производят частотную коррекцию. В принципе существуют и аппаратура, и программное обеспечение, позволяющие отредактировать заготовку сэмпла, а то и вовсе сконструировать звучание по своему усмотрению.
Для одного и того же инструмента могут быть записаны сэмплы, относящиеся к различным приемам игры и соответствующие различной динамике звукоизвлечения, например: игра на рояле с использованием педали – и без нее, сильный удар по клавише – и мягкое касание. При воспроизведении различные динамические оттенки исполнения получают комбинированием этих сэмплов в различной пропорции.
У рассматриваемого метода есть еще и другое название – волновой синтез. Закодированные наборы образцов хранимых звуков называют волновыми таблицами (Wave Table). О звуковых картах, реализующих рассматриваемый метод синтеза, говорят, что они поддерживают режим Wave Table (WT).
Одна из основных проблем волнового синтеза состоит в том, что для хранения голосов инструментов требуется запоминающее устройство очень большого объема. Если бы задача решалась "в лоб", т. е. запоминалось бы звучание каждой ноты инструмента, то проблема, скорее всего, и по сей день оставалась бы неразрешимой. Значительного сокращения необходимой памяти достигают за счет того, что запоминается звучание немногих нот (в пределе – одной). Формирование звучания остальных нот происходит путем изменения скорости воспроизведения сэмпла в той степени, каково отношение частоты извлекаемой ноты к частоте ноты, хранящейся в памяти.
Как с помощью одного музыкального тона синтезатор получает другой? Допустим, исходный сэмпл оцифрован на частоте 44.1 кГц. Теперь, если мы будем воспроизводить его на удвоенной частоте дискретизации 88.2 кГц, т. е. вдвое быстрее, высота звука возрастет на октаву. Если же воспроизводить сигнал на пониженной частоте дискретизации, то высота звука соответственно уменьшится. Таким образом, если воспроизводить сэмпл на измененной соответствующим образом частоте дискретизации, в принципе можно получить звук любой высоты.
Однако такой подход содержит неприятный момент. Одновременно со смещением величины тактовой частоты и высоты звука будет изменяться длительность атаки и скорость затухания сигнала. Так, если мы удвоим тактовую частоту, то наряду с удвоением высоты звука в два раза уменьшится общее время звучания сигнала (так как он будет проигрываться в два раза быстрее). Отсюда вдвое сократится длительность атаки, и вдвое возрастет скорость затухания звука. Это вызовет искажение общего впечатления о звуке. Тембр воспроизводимого сигнала заденут и более серьезные изменения.
В реальном музыкальном инструменте при изменении высоты звука форма амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) излучающих звук поверхностей, местоположение на оси частот, величина ее максимумов и провалов механических и акустических резонансов обычно не изменяются. А вот при изменении скорости воспроизведения оцифрованного сигнала вместе с частотой основного тона изменится и форма АЧХ (растянется или сожмется, максимумы и минимумы сместятся по оси частот). Конечно, это сильно исказит звук. Кроме того, в некоторых музыкальных инструментах (пианино, гитара и т. д.) звуки разной частоты формируются с помощью различающихся механически элементов конструкции (струны с оплеткой и без нее; несколько струн, настроенных в унисон). В этом случае звук, полученный с помощью удвоения скорости воспроизведения оцифрованного сигнала, может изначально не соответствовать реальному на октаву более высокому звуку.
Поэтому в WT-синтезаторах применяется несколько другой способ изменения высоты звука. Оцифровывается несколько разных по высоте сигналов (сэмплов) реального музыкального инструмента, перекрывающих весь его частотный диапазон. Шаг по частоте должен быть достаточно мал, чтобы изменения тембра, связанные с конструктивными особенностями инструмента, при смещении частоты основного тона с помощью варьирования частоты дискретизации не были заметны на слух.
В недорогих устройствах считается достаточной оцифровка через половину октавы. При генерации звука определенной высоты WT-синтезатор определяет, в каком частотном диапазоне находится звук, и использует соответствующие сэмплы из своей таблицы, корректируя их частоту основного тона точно до требуемой высоты, виртуально подстраивая частоту дискретизации. Под виртуальностью подразумевается следующее. Частота дискретизации выходного сигнала жестко стабилизирована кварцевым генератором (например, 44.1 кГц). Звук музыкального инструмента также дискредитирован на частоте 44.1 кГц. Для изменения высоты тона надо выбирать отсчеты сигнала из таблицы с частотой, немного отличной от 44.1 кГц, а подавать на ЦАП с частотой, точно равной 44.1 кГц. Это полностью аналогично изменению частоты дискретизации данных и, естественно, будет восприниматься слухом как изменение высоты основного тона сигнала.
Кроме того, синтез звучания некоторых музыкальных инструментов становится более реалистичным и выразительным при одновременном воспроизведении нескольких сэмплов. То есть звук инструмента может генерироваться WT-синтезатором путем наложения звучания нескольких сэмплов.
С помощью специальных программ-редакторов можно изменить (подкорректировать) содержание любого произвольного слоя, изменяя форму волны, высоту тона сэмпла, включить использование обычных или управляемых генераторами фильтров и т. д. Таким образом можно добиться самого необычного звучания.
Поскольку качество звучания звуковой карты с WT-синтезатором напрямую зависит от качества звучания образцов инструментов, хранящихся в памяти карты, желательно иметь сэмплы высокого качества (с высоким разрешением записи), что в свою очередь приводит к росту объема банка инструментов.