Основные типы синтеза звука

Основные типы синтеза звука

Владимир Завгородний

 

Современные (и несовременные) синтезаторы  используют целый набор способов для синтеза звука. Перед вами достаточно точная классификация, которая, впрочем, имеет, в основном, теоретическую  ценность. Она нужна для того, чтобы вы понимали внутреннюю механику процесса, без которой невозможно эффективное использование технологии. Я старался быть понятным, часто в ущерб глубине освещения – если вам недостаточно этой информации, вам придется разбираться самим (я не знаю всего, хотя и хочу, чтобы вы так думали). Во всех случаях, я старался давать краткую и развернутую характеристики, приводить примеры синтезаторов, которые его используют (добавьте к этому ваш компьютер, музыкальные программы которого используют самые разные типы синтеза, и почти никогда не ограничиваются каким-то конкретным).

Помните: эта информация по определению неполная и часто неточная. (Кроме того: я встречал много программ, которые используют уникальные методы синтеза, особенно если это касается физического/математического моделирования. Reality работает по неизвестным алгоритмам; Virtual Waves включает несколько вообще неизвестных мне принципов; малоизвестные дешевые shareware и freeware программы иногда просто шокировали меня своими возможностями.)

Содержание:

Additive synthesis 
Cellular automata 
Direct Draw 
FM-synthesis 
VAST sintesis 
Formant synthesis 
Granular synthesis 
Mathematical function synthesis 
Phase distortion 
Physical modelling 
Sample playback 
Spectral synthesis 
Substractive synthesis 
Vector synthesis 
Wave Sequencing 
Waveshaping 
Wavetable synthesis

Additive synthesis (Аддитивный синтез)

Что это: практическое применение теории звука.  
Где это: в аналоговых (модульных) синтезаторах, в аддитивных синтезаторах Kawai.  
Зачем это: чтобы разнообразить аналоговый синтез.

Метод, строго противоположный синтезу  субстрактивному. Известен с давнейших  времен и применялся при конструировании органов. Основанный на теоретических работах математика и физика Фурье (Fourier), он предполагает, что для получения любого звука достаточно смешать необходимое (или бесконечное) количество синусоидальных (в случае синтеза Фурье) колебаний с определенной высотой и громкостью. Очень сложен для реализации, из-за необходимости отдельного контроля громкости и высоты каждой гармоники, которых даже несложный тембр насчитывает десятки.

Cellular automata

Что это: сложный и малопонятный математический алгоритм, частный случай физического моделирования.  
Где это: в специальных програмах, напр. Virtual Waves.  
Зачем это: понятия не имею! :)

Совершенно абстрактный способ синтеза. Принцип его действия практически  никак не комментирован, но выглядит это как двоичный набор данных и четырехбитные матрицы превращения – каждой матрице соответствует другая. Таким образом, устанавливаются законы превращения данных. На основе этих установок синтезируется звук – от монотонного модулированного сигнала до зацикленного, напоминающего неудачный loop с биением.

Direct Draw

Что это: физическое редактирование профиля волны.  
Где это: в дорогих цифровых синтезаторах; в любой программе-редакторе.  
Зачем это: чтобы физически редактировать профиль волны.

Наиболее простой для объяснения пользователям компьютера вид синтеза.

Он предельно прост. Вы просто берете и рисуете профиль волны в  программе, для этого приспособленной. Хотите – рисуете плавное подобие  синусоиды, хотите – пилообразный сигнал, а хотите – как попало водите мышой или lightpen’ом и получаете что угодно – от сложномодулированного сигнала до шума. Возможности неограничены, применять – довольно сложно.

FM-synthesis (FM-синтез)

Что это: разновидность аналогового синтеза.  
Где это: в аналоговых (модульных) синтезаторах, в инструментах Yamaha DX и им подобных, в вашей самой первой звуковой карточке (чип OPL3).  
Зачем это: цифровая имитация - чтобы сочетать дешевизну и среднего качества звук.

FM синтез заключается в последовательном  и параллельном подключении генераторов простых сигналов и их взаимомодуляции (FM – частотная модуляция). Существовал со времен первых синтезаторов как элемент звукосинтеза, безрезультатно развивался фирмой Synclavier. Популяризован был синтезаторами Yamaha DX, которые представили полный GM-банк своеобразных тембров, иногда убедительно имитирующих реальные инструменты (в первую очередь – вся металлическая хроматическая перкуссия, электрические органы и пиано, синтетические), да еще и позволяющие немного изменять звук в реальном времени, да еще и по приемлемой цене. Сложен для программирования, но дает интересные результаты.

VAST-синтез

Что это: уникальный тип синтеза, основанный на самых разнообразных способах обработки как готового звука, так и его промежуточных элементов.  
Где это: только и исключительно в синтезаторах Kurzweil.  
Зачем это: чтобы получить серьезный звук и возможность его редактирования.

Поскольку я никогда не видел  синтезатора Kurzweil, а тем более  не работал с ним, то судить могу о нем только теоретически. Этот тип синтеза основан на сложной внутренней архитектуре Kurzweil’а и его впечатляющей производительности (Kurzweil интегрирует до 8 очень мощных DSP). Частично модульная структура патчей позволяет редактировать их чуть ли не до бесконечности, а продвинутые цифровые эффекты – применять множество линейных и нелинейных эффектов к любому элементу патча. Такой подход требует фундаментальных познаний в звуке, а еще – компьютера в дополнение к небольшому LCD, зато позволяет добиваться очень и очень впечатляющих результатов.

Formant synthesis (Синтез по формантам)

Что это: разновидность аддитивного синтеза, и в то же время – частный случай физического моделирования.  
Где это: в специальных програмах, напр. Virtual Waves.  
Зачем это: надо. :)

Разновидность аддитивного синтеза, основанная на законах функционирования речевого аппарата. Путем контроля отдельных формант, позволяет имитировать звуки речи; как результат получаем довольно механический звук, сильно напоминающий звучание вокодера.

Granular synthesis (Гранулярный синтез)

Что это: абстрактная концепция, частный случай таблично-волнового синтеза.  
Где это: в экспериментальных аппаратах.  
Зачем это: а почему бы и нет? :)

Гранулярный синтез – это развивающееся  направление, существующее в надежде  на грядущие результаты. В нем используются последовательности коротких сэмплов; настолько коротких, что результатом является сложный монотонный звук, богатый гармониками. Скорее всего, этот тип синтеза будет оставаться неприкладным до тех пор, пока кто-нибудь не напишет под ним GM-банк, или хотя бы пару десятков готовых инструментов. С другой стороны, выходной сигнал гранулярного синтеза может быть эффективно использован как материал для субстрактивного.

Mathematical function synthesis (Синтез по математической  функции)

Что это: частный случай физического моделирования.  
Где это: в специальных програмах, напр. Virtual Waves.  
Зачем это: для синтеза базовых звуковых волн. :)

“Внутренность” физического моделирования. При помощи простых (синус, косинус, парабола) или сложных (составных) математических формул образуется профиль волны. На самом деле, практически не имеет реального применения, за исключением того случая, когда вы хотите имитировать процесс аналогового синтеза с нуля и желаете контролировать каждый элемент.

Phase distortion (Фазовая модуляция)

Что это: взаимопревращения синусоидального сигнала и простого сигнала, богатого гармониками.  
Где это: в Casio серии CZ.  
Зачем это: чтобы добиться среднего качества звука наиминимальными затратами средств.

Фазовая модуляция использовалась в чистом виде в синтезаторах Casio серии CZ. Ее сутью является превращение гармонически богатых сигналов (квадратный, пульсовый, пилообразный) в синусоиду и обратно. С точки зрения технологов Casio, это должно напоминать какие-то реальные звуки. Иногда это оказывается так. Но на практике такой синтез практически не используется из-за своих крайне ограниченных возможностей.

Physical (mathematical) modelling  
(Физическое (математическое) моделирование)

Что это: цифровая имитация реальных акустических и аналоговых процессов.  
Где это: в дорогих современных синтезаторах и во всех программных эмуляциях.  
Зачем это: чтобы цифровыми способами добиваться реального звука.

Синтез, при котором при помощи цифровых технологий имитируются реальные физические процессы, происходящие в инструменте или аналоговых устройствах.

Во всех случаях это происходит путем применения определенных алгоритмов моделирования, которые абсолютно  невозможно создать в домашних условиях. :) (Как вариант, процесс может частично основываться на других данных, напр. наборе замеров для воссоздания реверберации или аналогового искажения и т.д.) Эти алгоритмы очень сложны для реализации, так же, как и сложны сами физические процессы, но дают наиболее эффективное соотношение убедительности звучания и возможностей контроля.

Одной областью физического моделирования  является имитация реальных инструментов – напр. алгоритм Karplus-Strong для имитации колебаний струны. Пока что это  – развивающаяся технология, имеющая отдельные аппаратные реализации – например, Yamaha VL-1.

Другой областью применения физического  моделирования являются цифровые эффект-процессоры и виртуальные синтезаторы, которые  програмно или аппаратно имитируют  аналоговые и акустические процессы – реверберацию помещений, перегрузки усилителей, искажения микрофонов, аналоговые синтезаторы и так далее. Все виртуальные синтезаторы и программные эффекты используют физическое моделирование, как и некоторые аппаратные – Roland JD-8000, Clavia Nord Lead. Наиболее преуспела в этом программа Reality, которая использует целый набор алгоритмов для синтеза звука колоколов, духовых инструментов, струнных, смычковых и т.д. – к сожалению, без каких-либо указаний на конкретные алгоритмы.

Наконец, третьей, самой таинственной и загадочной, областью физического (хотя здесь будет уместнее вариант “математический”) синтеза, являются экспериментальные технологии синтеза звука. Они фокусируются не на желаемом результате, а на самом процессе, очевидно, подразумевая, что была бы технология – а что-нибудь сделать можно. Это такие вещи как ‘cellular automata’ и синтез по формантам в его цифровых реализациях.

Sample playback (Сэмплинг, PCM synthesis, AI2 synthesis)

Что это: воспроизведение предварительно записанных образцов звуков.  
Где это: практически во всех современных синтезаторах и звуковых картах.  
Зачем это: чтобы цифровыми способами добиваться реального звука.

Сэмплинг – единственный из видов  синтеза, в котором звук не создается, но воспроизводится.

Сэмплерные синтезаторы хранят образцы звуков в памяти и воспроизводят их с нужной высотой и громкостью, используя контроль амплитуды сигнала, тембра и т. д. Один из наиболее реалистичных способов воспроизведения реальных звуков, достаточно прост и дешев, но очень сильно ограничен в возможностях изменения готовых пресетов.

Spectral synthesis (Спектральный синтез)

Что это: процесс, обратный спектральному анализу.  
Где это: в специальных програмах, напр. Virtual Waves.  
Зачем это: позволяет экспериментальным путем получать неожиданные результаты, либо воссоздавать звук по спектрограмме.

Если вы видели спектрограмму, то это  будет просто. На спектрограмме показан  звук в графическом представлении: яркость или цвет указывают на силу колебаний, одна из координат –  на их высоту, другая – ось времени.

Спектральный синтез повторяет  этот процесс задом наперед: из имеющегося изображения синтезируется звук по тем же законам. Как уже было сказано, это может быть использовано для воссоздания звука по имеющемуся изображению спектрограммы. С другой стороны, никто не мешает вам провести несколько линий и посмотреть, что из этого получится... :)

Subtractive synthesis (Субстрактивный синтез)

Что это: практическое применение теории звука.  
Где это: в аналоговых (модульных) синтезаторах.  
Зачем это: раньше иначе не умели; сейчас используют по традиции.

На субстрактивном синтезе основаны аналоговые и гибридные синтезаторы, его используют программные эмуляции и некоторые сэмплеры (для повышения  естественности звучания). Именно субстрактивный синтез дает “аналоговый звук”, любимый многими за плотное, упругое, или наоборот, рыхлое звучание. Принцип его прост: берется сигнал, богатый обертонами (прямоугольный, треугольный или пилообразный; с регуляцией pulse width – ширины колебания; иногда – несколько перемноженных сигналов для сложного тембра), затем он пропускается через фильтр, который оставляет только часть спектра, вычитая некоторое количество гармоник. В сэмплерах фильтрация применяется для подчеркивания той или иной части спектра, как клинический случай эквалайзера. Это позволяет динамически изменять звук, или достигать необычных эффектов.

Vector synthesis (Векторный синтез)

Что это: принцип управления отдельными элементами патча. 
Где это: в дорогих и мощных синтезаторах. 
Зачем это: чтобы достичь выразительности игры и возможности контроля в реальном времени.

Векторный синтез – это принцип  управления отдельными элементами патча, традиционно выделяемый как отдельный  тип синтеза. К синтезатору вместо (или в дополнение) к модуляторам  прилагается джойстик. Вы программируете его (или пользуетесь фабричными установками) для управления фильтрами, громкостью генераторов, эффектами – чем угодно. Каждое движение джойстика приводит к немедленному изменению тембра, позволяя добиваться действительно выразительного звучания.

Wave Sequencing

Что это: частный случай таблично-волнового синтеза, с развитыми возможностями контроля каждого элемента индивидуально. 
Где это: в Korg Wavestation. 
Зачем это: чтобы развить таблично-волновой синтез до абсурда.

Насколько я понимаю, Wave Sequencing был популяризован синтезаторами Wavestation в основном за счет очень качественно сделанных фабричных пресетов. Он сродни технологиями PPG и Waldorf, но путем управления длиной, высотой тона и громкостью каждого элемента, позволяет добиваться качественно других результатов; одним из характерных признаков будет создание тембров с внутренним ритмом, что-то вроде ‘jungle’ или ‘drum-and-bass’ в синтезе.