В данной статье рассматриваются и оцениваются некоторые современные подходы к синтезу звука. В работе сравниваются такие аспект, как программная имплементация, звук и практичность. На основе результатов исследования сделано предложение по выбору наиболее подходящего метода с точки зрения программной реализации и имплементации.
Ключевые слова :синтез звука, цифровая обработка сигналов, музыкальная акустика, компьютерная музыка.
Музыка является неотъемлемой частью человеческой жизни и играет в ней особую роль. Из-за технологического прогресса данный вид искусства претерпел значительные изменения за последние годы. На сегодняшний день создание музыки не ограничивается отсутствием музыкальных инструментов и познаний в области музыки, так как написание “промышленной” музыки в основном сводится к созданию музыкальных паттернов в программных секвенсорах с использованием генераторов цифрового звука, имитирующих существующие инструменты или звуки. Таким образом, любой желающий может попробовать себя в этом виде искусства при условии наличия персонального вычислительного устройства. В представленной статье описаны различные подходы к цифровой генерации звука в целом, а также проведен их сравнительный анализ.
Процесс генерации звука с помощью компьютера без использования акустического источника называется цифровым синтезом. В цифровом аудио звуковая волна аудиосигнала обычно кодируется в виде числовых отсчетов в непрерывной последовательности, описывающих функцию давления желаемого звука. В итоге числовые отсчеты преобразуются в ступени напряжения с помощью ЦАП, а затем сглаживаются в непрерывный сигнал с помощью фильтра нижних частот. Колебания напряжения в сигнале представляют собой колебания желаемого изменения звукового давления. Когда этот сигнал подается на усилитель или динамик, то он становится акустическим сигналом, который ведет себя как любой другой звук.
Существует множество различных методов синтеза. Для анализа были выбраны методы, являющиеся репрезентативными примерами методов своего класса.
Аддитивный синтез — это метод, при котором составная форма волны формируется путем суммирования синусоидальных составляющих, например гармоник тона, для получения звука. При аддитивном синтезе используются простые элементы, такие как синусоидальная, квадратная, треугольная и пилообразная волна, сложенные вместе в соответствии с законом суперпозиции или синтезом Фурье для создания уникальных звуковых частот [1]. В аддитивном синтезе для каждого синусоидального осциллятора необходимы три функции управления: амплитуда, частота и фаза каждого компонента. Во многих случаях фаза не учитывается и используются только функции амплитуды и частоты. Основными недостатками аддитивного синтеза являются огромное количество задействованных данных и потребность в большом количестве осцилляторов. Метод дает наилучшие результаты при применении к гармоническим или почти гармоническим сигналам, где присутствует небольшой шум.
Синтез на основе семплирования — это форма аудио синтеза, которую можно противопоставить либо вычитающему, либо аддитивному синтезу. Принципиальное различие синтеза на основе семплов заключается в том, что исходные формы волны представляют собой семплы звуков или инструментов, а не основные формы волны, такие как синусоидальные и пилообразные волны, используемые в других типах синтеза [2]. Синтез на основе семплирования обычно использует сигналы в несколько секунд. Сам синтез очень эффективен для реализации. В своей простейшей форме он состоит только из одного поиска в таблице и обновления указателя для каждого выходного семпла, однако требуемый объем памяти огромен.
Синтез с частотной модуляцией — это фундаментальный метод цифрового синтеза звука, использующий нелинейную осциллирующую функцию. Структуру естественных звуков относительно сложно достичь с помощью линейных методов, таких как аддитивный синтез. Cложные звуковые спектры могут быть получены с помощью всего двух синусоидальных осцилляторов. Синтез частотной модуляции основан на идее использования одного типа волны, называемой модулятором, для модуляции другой волны, называемой несущей. Данный метод и другие нелинейные подходы включают добавление боковых полос частот, таких как в частотной, амплитудной и кольцевой модуляции.
Гранулярный синтез — последовательная генерация звуковых гранул. Каждая гранула — это ультракороткая частица звука длиной в 10–100 миллисекунд. Звук получается в результате быстрого взаимодействия частоты повторения и частотных составляющих гранул, который далее может быть отфильтрован и сформирован огибающей методами вычитающего синтеза. Гранулярный синтез очень сложен в управлении и даёт совершенно неожиданные результаты. Основная идея состоит в том, чтобы взять записанный семпл и разделить его на мелкие части длительностью от 1 до 100 миллисекунд. Затем с этими частями можно работать независимо с помощью сдвига высоты тона, реверсирования, изменения порядка и других методов [3].
Еще одним методом генерации звука является физическое моделирование звука. Данный способ представляет собой совокупность методов синтеза звука, в которых форма волны генерируемого звука вычисляется при помощи математической модели, состоящей из набора уравнений и алгоритмов для симуляции физического источника звука, обычно музыкального инструмента. Такая модель состоит из упрощённых законов физики, определяющих способ получения звука, и обычно содержит несколько параметров, одни из которых описывают физические свойства материалов и размеры инструмента, другие — изменяются со временем и описывают взаимодействие с инструментом [4].
Методы звукового синтеза, представленные в статье, были разработаны для различных типов задач синтеза. Таким образом, нецелесообразно сравнивать эти методы друг с другом, поскольку критерии оценки, независимо от того, насколько тщательно они выбраны, будут благоприятствовать некоторым из методов. Оценка заключается в том, чтобы дать ответ относительно того, какой метод лучше всего подходит для программной реализации с целью синтеза в реальном времени. В соответствии с таблицей 1 приведен сравнительный анализ методов синтеза.
Таблица 1
Сравнительный анализ методов синтеза
|
Аддитивный синтез |
Синтез частотной модуляции |
Синтез на основе семплирования |
Гранулярный синтез |
Физическое моделирование |
||
|
Практичность |
||||||
|
Интуитивность |
средняя |
низкая |
- |
низкая |
средняя |
|
|
Ощутимость |
низкая |
высокая |
- |
низкая |
низкая |
|
|
Физические показатели |
низкие |
низкие |
- |
низкая |
высокие |
|
|
Звук |
||||||
|
Устойчивость |
- |
низкая |
средняя |
высокая |
высокая |
|
|
Обобщенность |
средняя |
высокая |
высокая |
высокая |
высокая |
|
|
Программная имплементация |
||||||
|
Вычислительные затраты |
средние |
низкие |
низкие |
средние |
высокие |
|
|
Задержка |
низкая |
низкая |
низкая |
низкая |
высокие |
|
|
Пригодность параллельной обработки |
средняя |
- |
средняя |
средняя |
высокая |
|
Под интуитивностью подразумевается, что параметр управления cответствует музыкальному атрибуту. Благодаря интуитивно понятным параметрам пользователь может легко научиться управлять синтетическим инструментом.
Существенное изменение параметра должно быть ощутимым, чтобы параметр был значимым, в связи с тем, что большое количество параметров в системе синтеза делает их менее значимыми.
Физические показатели придают синтетическому инструменту поведение реального инструмента. Они соответствуют величине, с которой игрок настоящего инструмента знаком, например, длине струны смычка, материалу из которого изготовлен инструмент, давлению воздуха в духовом инструменте и так далее.
Устойчивость звука определяется тем, насколько хорошо сохраняется идентичность звука при изменении параметров.
Критерий обобщённости указывает насколько хорошо метод синтеза подходит для решения различных задач синтеза.
Вычислительные затраты оцениваются как низкие, если один или несколько экземпляров метода могут легко работать в реальном времени на относительно недорогом процессоре, средними, если только один экземпляр метода может работать в реальном времени на ПК или рабочей станции, и высокими, если реализация в реальном времени невозможна без специального оборудования или мощного суперкомпьютера.
В системах синтеза в реальном времени всегда будет присутствовать задержка, так как система должна быть причинно-следственной, чтобы ее можно было реализовать. Задержка является проблемой, особенно с методами, которые используют блочные вычисления. Высокая задержка означает, что система будет иметь задержку в десятки, сотни или более миллисекунд. Средняя задержка означает, что при отсутствии дополнительных накладных расходов, вызванных, например, операционной системой, задержка не будет замечена. Низкая задержка означает, что метод допускает некоторые изменяющиеся накладные расходы.
Пригодность для параллельной обработки может быть важным фактором в определенных ситуациях. В данном контексте предполагается, что доступна быстрая связь между параллельными процессами. Система будет оценена как высокая по пригодности для параллельной обработки, если ее можно легко разделить на несколько процессов так, чтобы обмен данными между процессами происходил приблизительно на уровне частоты дискретизации системы. Средняя оценка дается, если система может быть разделена на два процесса, взаимодействующих на уровне частоты дискретизации, или если выгодно распределить вычисления на более высоком уровне связи. Пригодность метода будет низкой, если распараллеливание обработки дает мало преимуществ.
По результатам аналитического сравнения можно сделать вывод о том, что наиболее простым с точки зрения программной реализации и имплементации является метод синтеза частотной модуляции. Данный тип синтеза звука требует относительно небольшого объема памяти, обладает низкой задержкой и вычислительной стоимостью, что делает его привлекательным для целей синтеза в реальном времени.
Литература:
- Introduction to Additive Synthesis. — Текст: электронный //: [сайт]. — URL: https://www.soundonsound.com/techniques/introduction-additive-synthesis (дата обращения: 08.11.2021).
- Sample-based synthesis. — Текст: электронный //: [сайт]. — URL: https://support.apple.com/ru-ru/guide/logicpro/lgsife418f0c/mac (дата обращения: 08.11.2021).
- Гранулярный синтез. — Текст: электронный //: [сайт]. — URL: https://fierymusic.ru/rabota-so-zvukom/sintez-zvuka/granulyarnyi-sintez (дата обращения: 9.11.2021).
- Physical Modelling Synthesis. — Текст: электронный //: [сайт]. — URL: https://www.soundonsound.com/techniques/physical-modelling-synthesis-explained (дата обращения: 9.11.2021).
