PROGRAMOWO-SPRZĘTOWE STEROWANIE BŁĘDAMI INTONACYJNYMI WYBRANYCH INSTRUMENTÓW ORKIESTRY W KSZTAŁCENIU SŁUCHU A software-hardware control of intonation errors for chosen orchestra instruments in ear training Marek Pluta Katedra Mechaniki i Wibroakustyki Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie SUMMARY This article describes an attempt to create a new kind of computer program for ear training a program, that simulates an intonation problem in orchestra, commonly found in conductor s practice. First, a brief description of problem is given. Then, follows more detailed description of program s goal. Next, solutions for particular problems, that occurred during program creation process are described. Final paragraph shows current situation, and ways of improving program in the nearest future. 1. WSTĘP Zastosowanie komputerów do przetwarzania i odtwarzania dźwięku stwarza nowe możliwości w obszarze dydaktyki muzycznej. Jedną z najistotniejszych jej dziedzin jest kształcenie słuchu przyszłych muzyków. Wykształcenie dobrego słuchu jest kluczowe zwłaszcza dla dyrygentów i instrumentalistów, wskazane jest więc, aby w pierwszej kolejności opracować programy komputerowe wspomagające zajęcia kształcenia słuchu na tych kierunkach. Punktem wyjścia stała się próba stworzenia symulacji jednego, dobrze określonego problemu związanego ze słuchem muzycznym. Wybrano zagadnienie intonacji w grupie dętej orkiestry symfonicznej. Problem ten nie jest poruszany w ramach tradycyjnych zajęć, wykorzystujących jedynie fortepian lub przygotowane wcześniej nagrania. Jest natomiast bardzo istotny w pracy artystycznej dyrygentów oraz muzyków orkiestrowych. Jego wprowadzenie do dydaktyki stało się możliwe dopiero dzięki zastosowaniu techniki komputerowej. Stworzony program ma na celu zasymulowanie sytuacji, w której na przykład podczas próby orkiestry jeden, lub kilku muzyków gra nieczysto. Zadaniem dyrygenta jest identyfikacja tych instrumentów spośród całej orkiestry, w których grze występują błędy intonacyjne. Konieczne jest przy tym określenie rodzaju błędu intonacyjnego: czy dźwięk był zagrany za wysoko, czy za nisko i jak duża była wielkość odstrojenia. Cały ten proces powinien nastąpić po jednokrotnym przesłuchaniu błędnego fragmentu. Zadaniem
instrumentalistów jest słuchanie w trakcie gry pozostałej części orkiestry i dostosowywanie swojej intonacji do pozostałych ( strojenie ). Opisany problem wymaga uzyskania na komputerze jakości dźwięku porównywalnej z nagraniem tak, aby użytkownik programu miał wrażenie słuchania rzeczywistej orkiestry. Zastosowanie syntezy typu FM (Frequency Modulation) lub wavetable do generowania dźwięku jest w tej sytuacji niewskazane jakość dźwięku uzyskiwanego przy ich pomocy jest zbyt niska. Najlepszym wyjściem jest użycie samplera z dobrymi próbkami instrumentów. To rozwiązuje problem jakości brzmienia pojedynczych dźwięków. Pozostaje jednak problem interpretacji muzycznej utwory wykonywane przez nawet najlepszy sampler grane są mechanicznie, czyli bez drobnych zmian tempa, artykulacji i dynamiki praktycznie niemożliwych do zapisania, a niezwykle ważnych w odbiorze muzyki. Użycie przygotowanego wcześniej cyfrowego nagrania rzeczywistej orkiestry mogłoby rozwiązać ten problem, z drugiej jednak strony ograniczyłoby znacznie liczbę przykładów możliwe byłoby jedynie odtworzenie przygotowanych wcześniej fragmentów wraz z nagranymi na stałe błędami. Postanowiono połączyć zalety obydwu technik swobodę kształtowania dźwięku w trakcie jego odtwarzania możliwą do uzyskania w samplerze, z realizmem rzeczywistego nagrania orkiestry, poprzez jednoczesne odtwarzanie nagranych wcześniej ścieżek audio wraz ze ścieżkami MIDI (Musical Instrument Digital Interface) dla wybranych instrumentów, odtwarzanymi przez sampler. Cyfrowe nagranie nie zawiera błędów intonacyjnych. Są one każdorazowo losowo generowane przez komputer i wprowadzane do ścieżek MIDI. W ten sposób z jednego nagrania można uzyskać dużą liczbę przykładów. Nieco większa baza nagrań daje w praktyce nieograniczoną ich liczbę. Kontrola intonacji Ścieżka MIDI instrument dęty 1 Ścieżka MIDI instrument dęty 2 Ścieżka MIDI instrument dęty 3 Nagranie audio orkiestra symfoniczna Rysunek 1. Elementy przykładu odtwarzanego przez program czas
2. CEL PROGRAMU Zakres problemów poruszanych w programie został ustalony przy aktywnej współpracy osób prowadzących zajęcia kształcenia słuchu, co pozwoliło znaleźć obszar, który dotychczas nie był poruszany, a którego wprowadzenie do programu zajęć byłoby cenne. Ćwiczenia polegające na rozpoznawaniu błędów intonacyjnych są rodzajem symulacji, a zatem elementem dotychczas nieobecnym w programie zajęć, jednocześnie pozwalającym studentom dyrygentury przygotować się do przyszłej pracy artystycznej. Wybór spośród całej orkiestry symfonicznej jedynie grupy instrumentów dętych miał dwie podstawy: - jest to grupa instrumentów, w której błędy te występują najczęściej, a zarazem są najtrudniejsze do skorygowania, - spośród obecnie dostępnych dla samplerów próbek instrumentów, próbki instrumentów dętych brzmią w sposób najbardziej zbliżony do instrumentów akustycznych; jakość próbek instrumentów smyczkowych jest niewystarczająca ich zastosowanie powodowałoby pogorszenie poczucia realizmu brzmieniowego. We wszystkich ćwiczeniach prezentowanych przez przygotowany program komputerowy odtwarzany jest wybrany lub wylosowany fragment utworu muzycznego. Fragment ten składa się ze ścieżki audio, zawierającej nagranie orkiestry symfonicznej oraz z jednej lub trzech ścieżek MIDI, odtwarzanych przez sampler. Ze względu na to, że nie ma możliwości manipulacji partiami pojedynczych instrumentów w gotowym nagraniu orkiestry, ścieżka audio zawiera jedynie poprawnie, a zatem czysto zagrane partie. Dzięki temu, że jest to nagranie dokonane przez żywych muzyków, zachowane zostają wszystkie cechy powodujące, że muzyka jest odbierana jako autentyczna, a nie jest wynikiem syntezy. Ścieżki MIDI są tych cech pozbawione, ale w przeciwieństwie do nagrania pozwalają na manipulację poszczególnymi dźwiękami, a dokładniej ich intonacją. Zastosowanie w samplerze wysokiej jakości próbek instrumentów powoduje, że przykład jest słyszany jako całość rozróżnienie równocześnie prezentowanych ścieżek MIDI i nagrania audio jest niezwykle trudne. Tym trudniejsze, im lepsze próbki instrumentów zostaną zastosowane. Brak interpretacji muzycznej w ścieżkach MIDI nie jest w tym połączeniu słyszalny. Dzięki wymienionym cechom uzyskiwana jest symulacja, której brzmienie jest z jednej strony bardzo zbliżone do rzeczywistej orkiestry, a z drugiej strony stwarza możliwość kontrolowania i kształtowania partii wybranych instrumentów. Błędy intonacyjne prezentowane w programie dzielą się na dwie główne kategorie. Pierwsza z nich to odstrojenia o wielkość stałą w czasie. Wybrany instrument od początku do końca prezentowanego fragmentu gra za nisko, bądź za wysoko. Możliwe są dwa stopnie odstrojenia: - o 1/24 oktawy (interwał ćwierćtonu), - o 1/48 oktawy (1/8 tonu). Każde z nich może nastąpić w górę, lub w dół. W systemie równomiernie temperowanym są to odpowiednio: - pomnożenie lub podzielenie wyjściowej częstotliwości dźwięku o 24 2, - pomnożenie lub podzielenie wyjściowej częstotliwości dźwięku o 48 2. Każdy z instrumentów ma więc pięć możliwości: zagrać czysto, lub nieczysto w któryś z podanych sposobów. W najtrudniejszym przypadku trzech odstrajanych instrumentów stwarza to 125 możliwych odpowiedzi. Wybór takich a nie innych stopni podyktowany jest praktyką muzyczną inne są powody powstania małych błędów intonacyjnych, rzędu 1/8 tonu, a inne dużych ćwierćtonowych. Odmienne są też problemy w ich usłyszeniu. Dyrygent powinien móc je rozróżnić. Błędy większe niż ćwierćtonowe nie są już błędami intonacyjnymi, lecz tekstowymi i jako takie nie zostały umieszczone w programie.
Druga kategoria błędów intonacyjnych obejmuje odstrojenia zmieniające się w różny sposób w czasie odtwarzania przykładu. Podzielono ją na trzy poziomy trudności, z których każdy kolejny wprowadza dodatkowe parametry opisujące zmiany intonacji: - na pierwszym poziomie należy określić stopień odstrojenia na początku i na końcu przykładu odstrojenie w trakcie zmienia się w sposób liniowy pomiędzy tymi dwiema wartościami, - na drugim poziomie oprócz stopnia odstrojenia na początku i na końcu należy również podać sposób zmiany intonacji w trakcie oprócz liniowego możliwe jest kilka innych, spotykanych w praktyce muzycznej, przykładowo szybka zmiana na początku, albo pod koniec prezentowanego fragmentu muzycznego, - najwyższy poziom trudności wymaga podania stopnia odstrojenia w czterech punktach prezentowanego przykładu pomiędzy tymi punktami intonacja zmienia się w sposób liniowy. We wszystkich przypadkach, w których wymagane jest podanie stopnia odstrojenia, może on wynosić tak jak w pierwszej kategorii błędów ćwierćton lub 1/8 tonu w obydwu kierunkach. Program posiada dwa tryby pracy: dydaktykę oraz test. W pierwszym to użytkownik ustala sposób, w jaki wybrane instrumenty zostaną odstrojone, a następnie ma możliwość wielokrotnego wysłuchania zdefiniowanych przez siebie błędów intonacyjnych. W drugim odstrojenie jest losowane przez program, a zadaniem użytkownika jest jego identyfikacja. 3. REALIZACJA SYNCHRONIZACJI I BŁĘDÓW INTONACYJNYCH Tworzony program komputerowy wymagał opracowania metody jednoczesnego odtwarzania ścieżki audio i kilku ścieżek MIDI, z możliwością kontroli w dowolnej chwili czasowej wysokości dźwięków w tych ostatnich, celem wprowadzania błędów intonacyjnych. Problemem okazała się synchronizacja. Nawet w przypadku, gdy czasy trwania ścieżek MIDI oraz audio były równe, a ścieżki uruchomiono jednocześnie, zdarzało się, że synchronizacja w trakcie była tracona, co psuło efekt realizmu brzmieniowego. Wynika to stąd, że do odtwarzania ścieżki audio używany jest inny mechanizm niż do odtwarzania ścieżek MIDI. Mogło więc zdarzyć się, że w odtwarzaniu jednej ścieżki następowała krótka przerwa (zwłaszcza na wolniejszym komputerze), podczas gry w drugiej ona nie wystąpiła. Nawet niewielka różnica czasowa pomiędzy ścieżkami audio i MIDI była zauważalna. Po kilku próbach zdecydowano się na metodę, w której synchronizacja pomiędzy audio i MIDI następuje na każdej nucie, a nie tylko na początku fragmentu. Nawet w przypadku wystąpienia różnicy czasowej pomiędzy ścieżkami, jest ona korygowana na początku najbliższej nuty. Opracowana metoda wykorzystuje fakt, że w trakcie odtwarzania ścieżki audio możliwe jest odczytanie znacznika położenia w nagraniu. Konieczna jest jednak odpowiednia konstrukcja ścieżek MIDI. Zamiast wartości rytmicznych, bądź też czasów trwania kolejnych dźwięków, muszą one zawierać położenia w pliku audio, od których rozpoczynają się kolejne nuty. Poza położeniem określającym czas wystąpienia dźwięku t, na dane dla samplera składają się następujące parametry: wysokość dźwięku w, jego dynamika (głośność) g oraz artykulacja a. Znaczenie poszczególnych parametrów jest następujące: - t jest numerem próbki (przy próbkowaniu 44,1 khz nagrania mają jakość płyty CD-audio) od której w nagraniu audio zaczyna się dany dźwięk, - w jest wysokością zdefiniowaną zgodnie ze standardem MIDI, - g określa relatywną dynamikę pojedynczej nuty (dynamika odniesienia dla całej ścieżki zapisana jest w innym miejscu), - a jest numerem próbki instrumentu, której należy użyć do zagrania danego
dźwięku, przy czym dla każdego instrumentu używane jest kilka różnych próbek, zawierających różne typy artykulacji (staccato, legato, itp.). Można powiedzieć, że dźwięki MIDI są wyzwalane, gdy znacznik w ścieżce audio osiągnie odpowiednie położenie. Pomiędzy tymi położeniami dźwięki brzmią i wówczas istnieje możliwość ingerencji w ich intonację. Służy temu kontroler pitch-bender, powodujący chwilową zmianę wysokości dźwięku MIDI o zadany interwał. Może to nastąpić: - jednorazowo na początku dźwięku dla przykładów ze stałym odstrojeniem, - w pętli dla przykładów ze zmiennym w czasie odstrojeniem gdzie małe zmiany zostają obliczane i następują w każdym przebiegu pętli, sprawiając wrażenie zmiany ciągłej. Nagranie audio t 1 t 2 t 3 t n Ścieżka MIDI t 1 w 1, g 1, a 1 t 2 w 2, g 2, a 2 t 3 w 3, g 3, a 3 t n w n, g n, a n Błędy intonacyjne generowane przez program Rysunek 2. Metoda synchronizacji ścieżki MIDI z nagraniem audio Program został przeznaczony do współpracy z samplerem i wysokiej jakości próbkami instrumentów, jednak przewidziano również możliwość pracy z dowolnym syntezatorem zgodnym ze standardem General-MIDI. Odbywa się to kosztem realizmu brzmieniowego w standardzie General-MIDI nie ma możliwości wprowadzenia zróżnicowanej artykulacji. Wybór trybu dokonywany jest z poziomu okna konfiguracyjnego programu. 4. PODSUMOWANIE Dotychczasowe prace koncentrowały się wokół skonstruowania samego programu należało rozwiązać problem synchronizacji i znaleźć sposób realizacji odstrajania ścieżek MIDI. Stworzone w tym celu mechanizmy funkcjonują zgodnie z oczekiwaniami, a program znajduje się na etapie testów. Do testów programu powstała jedynie niewielka liczba przykładów muzycznych, przede wszystkim ze względu na czasochłonny proces ich
przygotowania. Obecnie, gdy program działa i jest w fazie dalszych testów, konieczne jest stworzenie większej bazy przykładów. Dalszy rozwój musi podążyć przede wszystkim w dwóch kierunkach: - rozszerzania bazy przykładów muzycznych o kolejne epoki i kompozytorów, - dalszych testów programu, poszukiwania błędów oraz implementacji poprawek i usprawnień. Równocześnie należy poszukiwać jak najlepszych próbek instrumentów do samplera tak, aby możliwe stało się dołączanie do przykładów coraz to nowych instrumentów. W oprogramowaniu dydaktycznym bardzo dużą rolę odgrywa interfejs użytkownika. Istotne więc wydają się prace nad jego ciągłym udoskonalaniem, zgodnie z sugestiami użytkowników. W dalszej perspektywie na podstawie skonstruowanego programu możliwe stanie się opracowanie większego zestawu symulacji, obejmujących m. in. zagadnienia rytmiczne i tekstowe. LITERATURA 1. DOBROWOLSKA-MARUCHA D., Kształcenie słuchu muzycznego jako element kształcenia realizatorów nagrań, VI Sympozjum Reżyserii i Inżynierii Dźwięku, 26-28 października, Warszawa 1995 2. DROBNER M., Instrumentoznawstwo i akustyka, Państwowe Wydawnictwo Muzyczne, Kraków 1997 3. JORASZ U., Wykłady z psychoakustyki, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań 1998 4. MOORE B., Wprowadzenie do psychologii słyszenia, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Poznań 1999 5. OZIMEK E., Dźwięk i jego percepcja. Aspekty fizyczne i psychoakustyczne, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Poznań 2002 6. RAKOWSKI A., Badanie słuchu absolutnego [W:] Problemy współczesnej akustyki. IPPT PAN, Warszawa 1991 7. RAKOWSKI A., Wysokość dźwięku jako materiał fonologiczny języka muzycznego, Muzyka 43, 7-24, 1998 8. RAKOWSKI A. (red.), Studia nad wysokością i barwą dźwięku, Wydawnictwo Akademii Muzycznej im. F. Chopina, Warszawa 1999 9. TARGOŃSKA I., Kształcenie słuchu muzycznego reżyserów dźwięku, VI Sympozjum Reżyserii i Inżynierii Dźwięku, 26-28 października, Warszawa 1995