Elektroniczne instrumenty muzyczne SAMPLING, SYNTEZA SAMPLINGOWA i metody pokrewne

Transkrypt

1 Elektroniczne instrumenty muzyczne SAMPLING, SYNTEZA SAMPLINGOWA i metody pokrewne Sampling Sampling jest to metoda wytwarzania dźwięków muzycznych poprzez odtwarzanie nagranych próbek (sample) brzmienia. Nagrane próbki są poddawane prostemu przetwarzaniu transpozycja, zapętlanie, efekty brzmieniowe, filtracja, obwiednie. Za pomocą samplingu możemy zrobić instrument muzyczny z dowolnego istniejącego dźwięku. Nie jest to synteza dźwięku dźwięk nie jest tworzony (budowany), lecz posługujemy się nagraniami rzeczywistych dźwięków.

2 Sampler Sampler elektroniczny instrument muzyczny, posiadający następujące możliwości: wprowadzanie próbek dźwięku z zewnątrz do pamięci urządzenia (nagrywanie), tworzenie instrumentów z próbek, odtwarzanie zapisanych próbek dźwięku, z możliwością prostego ich przetwarzania Klasyczne samplery nie posiadają zwykle pamięci stałej z gotowymi próbkami dźwięku. Sampling próbkowanie danego brzmienia. Typy samplerów Samodzielne urządzenia najczęściej moduły montowane w rackach, sterowane za pomoca MIDI (brak klawiatury) Instrumenty z klawiaturą (samodzielne) Instrumenty łączące sampling z metodami syntezy dźwięku (np. virtual analog) Samplery programowe (softwaresampler) wykorzystują komputery osobiste

3 Tryby pracy samplera Sampler pracuje w trzech trybach: nagrywanie (record) wprowadzanie próbek do samplera edycja i zapis (edit/store) ustalenie parametrów próbek, zapętlanie, zapisanie ich w pamięci odtwarzanie (replay) granie jak na instrumencie: odczyt próbek z pamięci, transpozycja, ew. dodatkowe przetwarzanie (efekty) Próbki dźwiękowe Próbka dźwiękowa ( sampla"; ang. sample): dźwięk zapisany cyfrowo ( zdigitizowany ) próbka (jeden przykład) możliwości danego źródła dźwięku (np. dźwięk instrumentu muzycznego o jednej wysokości, zagrany z daną artykulacją). Należy odróżniać pojęcia próbka dźwiękowa i próbka sygnału (wartość sygnału cyfrowego).

4 Próbki dźwiękowe Próbki dźwięku mogą pochodzić z następujących źródeł: nagrywanie przez mikrofon (konwersja A/C) wejście liniowe (podłączanie urządzeń) karty pamięci (zapis/odczyt) płyty CD/DVD, Internet gotowe banki brzmień pliki na dysku komputera (WAV, MP3) Edycja próbek dźwięku Próbka dźwięku wgrana do samplera poddawana jest obróbce (edycji): ustalenie początku i końca próbki ( przycinanie, trimming) zapętlanie (looping) który fragment ma być odtwarzany w kółko ustalenie zakresu transpozycji które klawisze mają odtwarzać próbkę dodatkowe efekty (filtry, pogłosy, nałożenie obwiedni, itp.)

5 Zapętlanie Zapętlanie próbki dźwięku (looping) umożliwia powtarzanie wybranego fragmentu próbki. Stosuje się je głównie w celu wydłużenia dźwięku, najczęściej po to aby próbka była odtwarzana aż do zwolnienia klawisza. Parametry pętli: punkt początkowy i końcowy lub: punkt początkowy i długość rodzaj pętli (kierunek odtwarzania) liczba powtórzeń (najczęściej: do zwolnienia klawisza) Pętla jednokierunkowa W pętli jednokierunkowej następuje przeskok od końca pętli do jej początku. Pętla jednokierunkowa może wprowadzać zniekształcenia dźwięku (skoki amplitudy powodujące trzaski). Dobrze nadaje się do dźwięków pseudookresowych.

6 Pętla dwukierunkowa W pętli dwukierunkowej po dojściu do końca pętli, zapętlony fragment jest odtwarzany od tyłu. Ten typ pętli może powodować, że dźwięk brzmi nienaturalnie. Mogą wystąpić zniekształcenia fazowe. Nadaje się do krótkich fragmentów. Pętla z przenikaniem Pętla z przenikaniem (cross-fade) jest podobna do pętli jednokierunkowej. Przy przejściu końcowy i początkowy odcinek pętli nakładane są na siebie. Uzyskuje się bardziej płynne przejście dźwięku.

7 Zniekształcenia pętli Podczas doboru punktu początkowego i końcowego pętli należy zapewnić na obu końcach pętli: jednakowy poziom zbliżone nachylenie obwiedni amplitudowej W przypadku pętli dwukierunkowej jako punkty zapętlenia dobiera się zwykle lokalne maksima sygnału. W przypadku pętli jednokierunkowej okres sygnału (powtarzający się fragment). Np. zapętlenie w miejscu przejścia przez zero. W praktyce, punkty zapętlenia ustala się metodą prób i błędów ( na słuch ). Przykład zapętlenia Próbka i zapętlony fragment

8 Zapętlenie próbek w praktyce W praktyce, jeżeli próbka jest zapętlana, zapisuje się w pamięci fragment zawierający: transjent początkowy AD (istotny dla brzmienia dźwięku), kawałek fazy S zapętlony okres stanu ustalonego. Fazę wybrzmiewania symuluje się ściszając fazę stanu ustalonego za pomocą obwiedni. Transpozycja próbek Nagrana próbka brzmienia ma ustaloną wysokość. Przypisujemy ją do odpowiedniego klawisza. Jak uzyskać dźwięki o różnych wysokościach (dla całego zakresu klawiatury)? Rozwiązanie oczywiste nagrać próbkę dla każdego klawisza osobno. Ale problemy: trudność nagrania tak dużego zbioru próbek o idealnie dobranych wysokościach, kłopotliwe zestrojenie takiego instrumentu w samplerze, duża zajętość pamięci.

9 Transpozycja próbek Drugie rozwiązanie: nagrywamy jedną próbkę, przypisujemy do klawisza bazowego (root key), wyższe i niższe dźwięki uzyskujemy metodą transpozycji, przez interpolację (przepróbkowanie resampling). Problemy: próbki nie są okresowe, tak jak to miało miejsce w syntezie tablicowej przepróbkowanie powoduje zmianę skali czasu (skrócenie lub wydłużenie próbki) Interpolacja Interpolacja pozwala uzyskać wartości sygnału leżące pomiędzy próbkami. Ustalenie współczynnika przepróbkowania (np. 3 półtony w górę wsp. równy /2 ). Obliczenie kroku odczytu próbek z pamięci zwykle liczba ułamkowa. Interpolacja wartości próbki (jak w metodzie tablicowej) liniowa prosta i mało dokładna bardziej złożone wielomianowa, sinc

10 Zniekształcenia czasowe Ponieważ nie cały sygnał z tablicy jest zapętlany, dokonując zmiany wysokości dźwięku przez przepróbkowanie wprowadzamy zniekształcenia czasowe: transpozycja w górę (podwyższenie) - dźwięk ulega skróceniu transpozycja w dół (obniżenie) - dźwięk się wydłuża Problem jest bardziej wyraźny gdy próbka nie jest zapętlana. Zatem w praktyce zakres transpozycji nie powodujący słyszalnych zniekształceń jest mały. Obejście problemu zniekształceń Częściowe obejście problemu zniekształceń czasowych: nagranie jednej próbki i przekształcenie jej w trybie offline (na komputerze) w dźwięki o innych wysokościach, dokonując transpozycji bez zmiany skali czasu. Przykładowe algorytmy: PSOLA (algorytm do przetwarzania mowy) resynteza addytywna Nadal pozostają problemy dużej zajętości pamięci i zestrojenia instrumentu.

11 Multi-sampling Trzecie rozwiązanie, stosowane w praktyce: multi-sampling ( wielopróbkowanie ): nagrywa się kilka próbek danego brzmienia o różnych wysokościach (o ile to możliwe, jeśli nie, musimy je sami przekształcić komputerowo) każdą z próbek przypisuje się do odpowiedniego klawisza bazowego pomiędzy klawiszami bazowymi transpozycja przez przepróbkowanie Jest to rozsądny kompromis między podejściami nr 1 i 2. Multi-sampling Przykład multisamplingu: key note klawisz bazowy, nie ma transpozycji zakres (split) - dla których wysokości dźwięku ma być dokonywana transpozycja

12 Multi-sampling Ile próbek musimy nagrać? To zależy od charakteru dźwięku, tzn. jak bardzo możemy go przepróbkować. Praktyczna rada: nagrać próbkę w środku skali, dokonać jej transpozycji, sprawdzić w jakim zakresie nie wprowadza nieakceptowalnych zniekształceń brzmienia, na zewnątrz tego zakresu nagrać kolejne próbki i powtórzyć proces. Więcej próbek stosuje się zwykle w środkowym zakresie skali (częściej wykorzystywanym), mniej na krańcach skali. Multi-sampling Dobór liczby próbek dla zakresu klawiatury powinien uwzględniać właściwości próbkowanego dźwięku. Należy określić zakres, w którym transpozycja nie wprowadza zniekształceń. Więcej próbek stosuje się w środkowym zakresie skali (częściej wykorzystywanym), mniej na krańcach skali. Należy zwrócić uwagę na zakres dźwięków wytwarzanych przez nagrywany instrument.

13 Uwarstwianie (multi-layering) Uwarstwianie (multi-layering) umożliwia zastosowanie pokrywających się zakresów klawiatury dla różnych próbek dźwięku. Dzięki temu przy naciśnięciu klawisza odgrywana może być więcej niż jedna próbka dźwięku. Uwarstwianie pozwala na tworzenie bardziej złożonych brzmień na podstawie prostych próbek dźwiękowych, np. grę kilku instrumentów naraz. Multi-sampling i multi-layering są często stosowane jednocześnie. Multi-sampling i multi-layering multi-sampling multi-layering multi-sampling + multi-layering

14 Instrument Instrumentem w samplerze nazywamy zbiór próbek jednego brzmienia, o różnych wysokościach. Próbka (sample) jest przypisana do klawisza bazowego (root key). Split zakres klawiszy odtwarzających daną próbkę (z transpozycją poza klawisz bazowy). Zbiór splitów pokrywający szerszy zakres klawiatury tworzy instrument. Dodatkowo mogą występować zestawy (presets) jeden lub więcej instrumentów przypisanych do całej klawiatury. Bank Bankiem nazywamy zbiór presetów, instrumentów i próbek, które wczytywane są do pamięci samplera. Inaczej mówiąc, w danej chwili mamy do dyspozycji wszystkie instrumenty zapisane w aktualnie wczytanym banku. Jeżeli chcemy mieć instrument z innego banku, musimy wczytać ten bank do pamięci, usuwając bieżący.

15 SoundFont Sposób zapisu danych w banku (np. do pliku) zależy od samplera, jednak zwykle organizacja jest podobna do przedstawionej wcześniej. SoundFont (SF2) jeden z częściej używanych standardów zapisu banków samplera. Struktura banku: warstwa zestawu (presetlevel) muzyk wybiera jeden z zestawów do grania w danej chwili warstwa instrumentu (instrument level) warstwa próbek (sample level) Struktura banku SoundFont

16 Zestawy instrumentów Zestawy stanowią grupę instrumentów. Typy zestawów: melodyczne (melodic) dla próbek dźwięków o ustalonej wysokości, jeden instrument obejmuje pewien zakres klawiszy perkusyjne (percussive) dla próbek dźwięków perkusyjnych o nieokreślonej wysokości, do każdego z klawiszy przypisana jest jedna próbka dźwięku innego instrumentu Przetwarzanie sygnału w samplerze W prostszych samplerach przetwarzanie dźwięku ogranicza się do dodania efektów brzmieniowych (pogłos, chorus, itp.). Nowoczesne samplery programowe oferują zwykle więcej możliwości przetwarzania dźwięku. Dźwięk wytworzony przez sampler może być poddany dalszemu przetwarzaniu, np. za pomocą filtrów i układów modulujących (LFO).

17 Problem braku artykulacji w samplerach Próbki samplera brzmią zawsze tak samo nie ma artykulacji. Próba zróżnicowania brzmienia wykorzystanie informacji velocity o sile naciskania klawisza: sterowanie głośnością (mocniej głośniej) filtracja sterowanie częstotliwością graniczną (np. mocniej więcej składowych) bardziej zaawansowane modulacja obwiedni sterującej głośnością lub filtracją Są to jednak półśrodki. Historia samplerów Za pierwsze samplery można uznać urządzenia umożliwiające zapis i odtwarzanie dźwięku przy użyciu zapętlonej taśmy magnetofonowej. 1976: ComputerMusicMediolan - pierwszy sampler cyfrowy, monofoniczny 1979: FairlightCMI - polifoniczny, duże możliwości, wysoki koszt (25 000$) Synclavier - rywal Fairlighta, dodano sampling 1981: E-mu Emulator - prosty sampler 8-bitowy, niższy koszt (9995$)

18 Historia samplerów Fairlight CMI (1979) E-mu Emulator II (1984) Historia samplerów 1986: Akai S900 pierwszy sampler dostępny dla szerszego grona użytkowników; 12 bitów, RAM 750 kb 1988: Akai S1000 najpopularniejszy sampler w tamtym czasie, duże możliwości przetwarzania, 16 bit Hz stereo, RAM 32 MB, przetwarzanie 24 bit

19 Samplery programowe Samplery programowe (software samplers) programy komputerowe; prostsza obsługa, duże możliwości przetwarzania, możliwość obróbki próbek przy pomocy edytorów dźwięku. Wybrane współczesne samplery programowe: GigaStudio (Tascam) Kontakt (Native Instruments) FL Studio (Fruity Loops) VSampler (Speedsoft) Kontakt - sampler programowy

20 Sampling w kartach dźwiękowych PC W kartach dźwiękowych dla komputerów PC z serii SoundBlaster 32 i wyższych (Audigy) zastąpiono syntezę FM próbkami dźwiękowymi. Wykorzystywano to głównie w grach komputerowych. Producent nazwał to (niepoprawnie) wavetable. Karty te miały możliwość tworzenia własnych banków próbek (format SF2). Obecnie tę samą funkcjonalność uzyskuje się w pełni programowo, przez DirectX Syntezator SW Microsoft GS Wave (praktycznie nie wykorzystywany). Synteza samplingowa Na rynku pojawiły się również instrumenty, które odgrywały próbki zapisane w pamięci stałej, bez możliwości wprowadzania własnych próbek. Stosuje się tu różne nazwy: synteza samplingowa (sample-base synthesis) synteza PCM (PCM synthesis) czasem nieprawidłowo nazywa się to metodą tablicową (wavetable) instrument taki czasem nazywa się ROMpler Nie są to samplery i (wbrew nazwie) to nadal nie jest synteza dźwięku.

21 Możliwości syntezy samplingowej Możliwości syntezatora samplingowego w zakresie generowania dźwięków ograniczają się do wyboru próbki z zapisanego zestawu dźwięków, często jest to tylko podstawowy zbiór standardu General MIDI (128 brzmień). Układy przetwarzania dźwięku są bardzo ograniczone (proste efekty). Zatem możliwości takich instrumentów to w praktyce jedynie odczytywanie sygnałów z pamięci, zmiana ich wysokości (transpozycja) i wysyłanie na wyjście. Przykłady ROMplerów Roland U-20 / U-220 (1989) Wiele tanich instrumentów na rynku (electronic keyboards) to właśnie instrumenty samplingowe.

22 Sampler a syntezator samplingowy Syntezator samplingowy (ROMpler): brzmienia zapisane przez producenta nie ma możliwości dodawania ani edycji próbek (tylko pamięć stała ROM) Sampler: rozbudowane możliwości wprowadzania i edycji własnych próbek dźwięku i tworzenia banków brzmień klasyczne samplery nie miały pamięci ROM z fabrycznymi próbkami, współczesne samplery sprzętowe czasami ją mają Metoda tablicowa a sampling Synteza tablicowa (wavetable): w tablicy zapisane są okresy prostych sygnałów (ograniczenia pamięci), są one zapętlane w całości sygnały są przetwarzane (filtracja, modulacja) sygnał wyjściowy jest generowany w czasie rzeczywistym, a nie po prostu odtwarzany Sampling i synteza samplingowa: pełne próbki dźwiękowe zapisywane w pamięci zapętlanie tylko wybranych fragmentów uproszczone przetwarzanie (modulacja)

23 Współczesne instrumenty klawiszowe Obecnie dostępne na rynku elektroniczne instrumenty muzyczne często łączą klika funkcji: sampling wprowadzanie własnych brzmień próbki instrumentów w pamięci ROM synteza, najczęściej cyfrowa subtraktywna ( virtualanalog synthesis ), czasami rozszerzona o syntezę tablicową zaawansowane możliwości przetwarzania dźwięku (modulacja, łączenie brzmień) Współczesne instrumenty klawiszowe Clavia Nord Stage 2 (2011) Piano section próbki różnych fortepianów i pianin Organ section synteza organów, modelowanie fizyczne Synthsection synteza subtraktywna, tablicowa, FM (3-op) oraz samplingowa

24 Samplery zalety Zalety: możliwość wiernego naśladowania istniejących brzmień, np. instrumentów muzycznych możliwość wprowadzania własnych próbek nowatorskie możliwości brzmieniowe (lata 90.) mała złożoność obliczeniowa prostota obsługi w przypadku programowych samplerów Samplery wady Wady: ograniczenie do istniejących brzmień małe możliwości kształtowania brzmienia nagranych próbek, np. brak artykulacji wymagane pamięci o dużej pojemności prostota obsługi powoduje często ograniczenie kreatywności użytkowników (korzystanie z gotowych szablonów ) tak naprawdę, nie ma tu syntezy dźwięku, jest to tylko cyfrowy magnetofon

25 Trackery Trackery (trackers) są programowymi sekwencerami umożliwiającymi odgrywanie zapisanych w pliku krótkich próbek dźwiękowych oraz dodawanie efektów. Nadają się do tworzenia prostej muzyki z powtarzającymi się sekwencjami dźwięków. Pierwsze trackery powstały dla komputerów domowych, np. Commodore Amiga (1987). Tracker łączy w sobie funkcje: samplera (próbki dźwiękowe, b. krótkie), sekwencera (sterowanie odtwarzaniem próbek) Trackery Z próbek dźwiękowych układane są wzorce (patterns) sekwencje próbek. Wzorzec składa się z 64 linii (lines) Każda linia zawiera po jednej nucie (note) dla każdego głosu (kanału) Każda nuta zawiera informację o: wybranym instrumencie lub próbce, wysokości dźwięku, głośności dźwięku, użytych efektach i ich parametrach.

26 Trackery Możliwości trackerów: Transpozycja próbek Zapętlanie próbek Filtracja, modulacja, sterowanie amplitudą Efekty brzmieniowe Wzorce są układane w sekwencje tworzące dany utwór muzyczny, Wzorce często się powtarzają. W pliku trackera zawarte są wszystkie Przykłady trackerów Najbardziej znane trackery (i formaty plików): Soundtracker, Protracker, Noisetracker (MOD) - oryginalny format Amigi Composer 669 (669) - pierwszy tracker na PC ScreamTracker (S3M) FastTracker (XM) ImpulseTracker (IT) MadTracker - Windows Renoise ModPlug Tracker / OpenMPT

27 Fasttracker (Amiga) Trackery z syntezą dźwięku Obecnie, poza klasycznymi trackerami, spotyka się również wirtualne instrumenty, w których: sposób sterowania jest taki jak w trackerach (sekwencje, wzorce, itp.), zamiast odgrywania próbek dźwięku stosuje się blokowy algorytm syntezy, który generuje dźwięki w czasie rzeczywistym, można również grać na takim instrumencie za pomocą klawiatury MIDI. Najbardziej znane programy tego typu: Renoise (komercyjny) Psycle (darmowy)

28 Psycle - algorytm syntezy Psycle sekwencer (tracker)

29 Literatura Martin Russ: SoundSynthesisandSampling. Focal Press, Oxford S. de Furia, J. Scacciaferro: The Sampling Book. Third Earth Publishing Inc., Pompton Lakes Wikipedia (wersja angielska) Creative Vienna plik pomocy do programu Program Viena: Program Psycle: psycle.pastnotecut.org Program OpenMPT: openmpt.org