Методы синтеза звуков. Синтезаторы и сэмплеры.
В результате развития цифровой техники произошел естественный переход от аналоговых к цифровым формирователям колебаний, способным генерировать сигналы произвольной формы. Сами формирователи могут быть реализованы как аппаратно, так и программно, а форма генерируемого сигнала в виде цифрового алгоритма управления формирователями хранится в запоминающем устройстве. Возможность использования большого числа формирователей (порядка нескольких десятков), которые имеют независимое управление частотой колебаний и огибающей амплитуды (размаха колебаний) сигналов, для синтеза каждого голоса музыкального инструмента позволила говорить о переходе на качественно новый по сравнению с аналоговыми синтезаторами уровень. Описанный принцип синтеза звуков с некоторыми модернизациями применяется и в синтезаторах звуковых карт. Кроме того, синтезаторы большей части звуковых карт устроены проще и, в связи с этим, обладают меньшими возможностями по сравнению с "начинкой" электронных музыкальных синтезаторов.
Итак, при FM-методе синтез звука с необходимым тембром производится на основе использования нескольких генераторов звуковых частот при их взаимной модуляции. Совокупность генератора и схемы, управляющей этим генератором, принято называть оператором. Схема соединения операторов и параметры каждого оператора (частота, амплитуда и закон их изменения во времени) определяют тембр звучания. Количество операторов определяет максимальное число синтезируемых тембров. В звуковых картах используется как двухоператорный, так и четырехоператорный синтез. Виртуальные синтезаторы позволяют реализовать значительно более сложные алгоритмы синтеза.
В операторе следует выделять два структурных элемента: частотный модулятор и генератор огибающей. Частотный модулятор определяет высоту тона, а генератор огибающей определяет относительно медленное изменение амплитуды колебания во времени и, тем самым, тембр звука. Звуковые колебания, формируемые различными музыкальными инструментами, имеют различные огибающие. Однако любую огибающую можно условно расчленить на несколько характерных фаз, которые принято называть: attack (атака), decay (спад), sustain (поддержка), release (освобождение). Пояснением сказанного служит рис. 1.11.
Рис. 1.11. Четыре фазы огибающей сигнала
Например, при нажатии на клавишу фортепиано, действительно, сначала амплитуда колебаний быстро возрастает до максимального значения, затем несколько спадает, потом в течение некоторого времени остается практически постоянной и, наконец, колебания медленно затухают.
В более совершенных синтезаторах элементарный процесс извлечения звука состоит не из четырех, а из шести фаз (рис. 1.12). Это позволяет получить большее сходство синтезируемого звучания и его естественного образца.
Неоспоримое достоинство FM-синтеза состоит в том, что на его основе можно получить несчетное количество "электронных" тембров. Немаловажно также то обстоятельство, что не требуется заранее записывать и хранить в памяти синтезируемые звуки. Достаточно хранить алгоритм их синтеза.
Рис. 1.12. Шесть фаз огибающей сигнала
Метод частотно-модуляционного синтеза развивается и широко используется. Накоплено большое количество алгоритмов синтеза оригинальных звучаний. В принципе, как мы уже и говорили, для этого метода нет невозможного.
Вопрос заключается только в том, ценой каких аппаратурных затрат достигается желаемый результат. Но, в соответствии с законами развития, сильная сторона метода со временем превратилась в свою противоположность. Сила метода состоит в том, что любой звук может быть получен модуляцией частоты генератора. Слабость метода заключается в том, что для синтеза любого звучания используется только генератор и только его частотная модуляция, причем процесс синтеза во времени совмещен с процессом исполнения музыки. Почти одно и то же заключено в этих двух фразах – да не совсем. Выходит, что возможности синтеза ограничиваются не только сложностью аппаратурной реализации, но и сложностью алгоритма управления синтезатором в реальном времени. Поясним эту мысль. Для точного воспроизведения звучания какого-то традиционного музыкального инструмента, во-первых, требуется значительное число модулируемых генераторов. Во-вторых, управлять их частотой следует по очень сложному алгоритму, ибо только таковой в состоянии учесть малейшие оттенки звучания, присущие именно данному инструменту. Например, концертный рояль воспроизводит около 4.5 тысяч различимых на слух тембров. Алгоритм должен успевать считываться, вычисляться и передаваться, словом, выполняться компьютером. А генераторы должны успевать его отрабатывать. Поэтому качество синтеза ограничивается также и быстродействием компьютера.
Технические возможности микропроцессорной системы управления не в такой степени сказывались бы на качестве звука, если бы его синтез производился не в реальном времени, а заранее, если бы результаты синтеза сохранялись и использовались при исполнении музыки. Правда, тогда пришлось бы отказаться и от привычного FM-синтезатора. Так оно, в общем, и произошло.