Основы звукового синтеза

Цифровой синтез звука и обработка звука появились в конце 1950-х годов как результат параллельной работы по синтезу речи. Многие из ранних методов, таких как аддитивный синтез, основанный на использовании сумм синусоидальных тонов или осцилляторов, FM-синтез, в котором используются цепочки таких осцилляторов в качестве модуляторов, и волновой синтез, использующий сохраненные таблицы данных, считываемых с переменной скоростью, стали краеугольными камнями современного синтеза [1, с. 29].

Звуки, создаваемые таким образом, доминируют в современном звуковом ландшафте – они знакомы каждому, у кого есть персональный компьютер или мобильный телефон. В то же время они, несомненно, являются эвристическими подходами к синтезу, мотивированными соображениями восприятия и эффективности, для таких алгоритмов нет строгой базовой физической интерпретации.

Эти трудности противоречат фундаментальным целям многих художников и музыкантов – иметь под рукой гибкую систему генерации звука, простую в использовании, интуитивно понятную и генерирующую звук, основанную на опыте человека в акустическом мире. Одним из ответов на первую трудность было включение записанного аудиоматериала, или сэмплирования.

Сэмплирование несмотря на то, что оно очень успешно имитирует определенные инструменты (например, фортепиано), создает целый ряд новых проблем: резко возрастает потребность в памяти, необходимой для захвата всего диапазона звучания инструмента, а также возникает трудность отвлечения от характера этих записанных фрагментов. Вторая трудность гораздо сложнее поддается решению, пользователь может столкнуться с установкой сотен или тысяч параметров, имеющих неясное значение для восприятия [5, с. 34].

Столкнувшись с такими трудностями, музыкант или звукорежиссер могут быть вынуждены отступить к «базовым» конфигурациям – и, как следствие, значительно ограничить потенциал этих методов.

Преимущества таких подходов к синтезу очевидны: концептуальная простота и эффективность, такие преимущества лежат в основе постоянного превосходства таких методов в современных пакетах программного обеспечения для синтеза. Несмотря на свою эффективность, эти методы обладают двумя основными недостатками:

• -    качество звука: выход неизменно синтетический, и ему не хватает изменчивости

и интересной непредсказуемости акусти- емого звука, вероятно, не под силу даже чески создаваемого звука.

• -    пользовательский контроль: необходимость указания набора входных данных, которые могут быть очень большими или иметь неясное значение для восприятия.

Совершенно иной подход к синтезу обеспечивается применением физических моделей [3, с. 25] музыкальных компонентов, таких как струны, такты, пластины, мембраны, акустические трубки.

Синтез физического моделирования, после периода «инкубации», появился в 1980-х годах и с тех пор доминирует в исследовательской среде по синтезу звука, и, как упоминалось ранее, непосредственно решает проблемы контроля и качества звука. Выход звука при физическом моделировании имеет естественный характер и в лучшем случае демонстрирует всю тонкость акустически произведенного звука с огромным потенциалом, выходящим за рамки того, что возможно с существующими инструментами, где музыкант ограничен только воображением и, конечно же, вычислительными ресурсами.

Аспект управления также очень четко проработан, инструменты определяются геометрическими и материальными пара- метрами, их немного, и они воспроизводятся путем отправки физически значимых сигналов [4, с. 244].

Это не означает, что пользовательское управление физической моделью легкое, но этому можно научиться, во многом так же, как человек учится играть на акустическом инструменте. Напротив, научиться настраивать амплитуды, частоты и фазы тысячи осцилляторов для получения жела- самому проницательному и преданному делу музыканту.

Самые ранние примеры синтеза физического моделирования относятся к 1960-м годам. А. Келли и Р. Лохбаум разработали модель голосового тракта, основанную на соединенных акустических трубках, для выполнения вокального синтеза в 1962 году. Б. Руис, а позже М. Хиллер использовал конечно-разностную модель вибрирующей струны для генерации тонов щипковых и ударных струн еще в 1969 году [2, с. 155].

В 1980-х годах появились различные четкие рамки. Среди наиболее важных были цифровые волноводы и модальный синтез. С появлением большей вычислительной мощности появилась возможность вы- полнять синтез для относительно сложных систем в режиме реального времени или почти в режиме реального времени.

Цифровые волноводы, разработанные в CCRMA в Стэнфордском университете, используют простые и эффективные структуры линий задержки для моделирования распространения волн в таких объектах, как струны и акустические трубки. Впоследствии волноводы были запатенто- ваны и коммерциализированы корпорацией Yamaha и представляют собой наиболее успешное на сегодняшний день применение методов синтеза физического моделирования.

С развитием компьютерных технологий люди научились синтезировать звуки, а также организовывать их в музыкальные композиции, используя различные программные комплексы и алгоритмы.