Волновой синтез - Wavetable synthesis

Эта статья о синтезе цифрового звука. Для демонстратора физики плоских волн см. Пульсационный бак.
Не путать с Синтез на основе образцов.

Волновой синтез это синтез звука техника, используемая для создания периодические формы волны. Часто используется при производстве музыкальные тона или заметки, он был разработан Вольфганг Палм из Palm Products GmbH (PPG) в конце 1970-х[1] и опубликовано в 1979 г.[2] и с тех пор используется в качестве основного метода синтеза в синтезаторах, созданных PPG и Waldorf Music и как вспомогательный метод синтеза Ensoniq и Доступ. В настоящее время он используется в аппаратных синтезаторах от Waldorf Music и в программных синтезаторах для ПК и планшетов, в том числе в приложениях, предлагаемых PPG и Waldorf, среди прочих.

Это также независимо разработанные в аналогичных временных рамках Майкла Макнабба, который использовал его в своей композиции 1978 года Песня грез.[3][4]

Принцип

Синтез волновых таблиц в основном основан на периодический воспроизведение произвольного, одноциклового форма волны.[5] В синтезе волновых таблиц используется некоторый метод для изменения или модулировать выбранный сигнал в волновой таблице. Положение в волновой таблице выбирает форму волны одного цикла. Цифровой интерполяция между соседними формами волны позволяет динамически и плавно изменять тембр производимого тона. Размахом волновой таблицы в любом направлении можно управлять разными способами, например, используя LFO, конверт, давление или скорость.

Многие волновые таблицы, используемые в синтезаторах PPG и Ensoniq, могут имитировать методы, используемые аналоговые синтезаторы, например, широтно-импульсная модуляция с использованием ряда квадратные волны разных рабочие циклы. Таким образом, когда волновая таблица развернута, рабочий цикл пульсовой волны будет меняться с течением времени. Поскольку ранние синтезаторы волновых таблиц Ensoniq имели нерезонансные фильтры (синтезаторы PPG Wave использовали аналоговые резонансные фильтры Кертиса), некоторые волновые таблицы содержали сильно резонансные формы волны, чтобы преодолеть это ограничение фильтров.

Путаница с синтезом на основе сэмплов (S&S) и синтезом цифровых волн

В 1992 году с введением Творческие лаборатории Sound Blaster 16 термин "волновая таблица" [6] начали (неправильно) применяться в качестве маркетингового термина к их звуковой карте. Однако эти звуковые карты не использовали никаких форм синтеза волновых таблиц,[7] скорее PCM образцы и FM синтез.S&S (семпл и синтез) и цифровой волновой синтез был основным методом синтеза звука, который использовался в цифровых синтезаторах, начиная с середины 80-х годов с такими синтезаторами, как Sequential Circuits Prophet VS, Korg DW6000 / 8000 (DW, что означает Digital Wave), Roland D50. и Korg M1 до современных синтезаторов.

Ableton рассмотрел некоторую путаницу в статье:[8]

«Подождите, а разве это не просто синтез сэмплов? Давайте остановимся здесь, чтобы разобраться с распространенной путаницей. В то время как синтез сэмплов включает использование статических цифровых сэмплов, синтез волновой таблицы позволяет (необязательно) эволюцию формы волны; , в то время как синтезаторы с волновыми таблицами могут звучать как синтезированные сэмплы, развивающаяся опция (которая включена по умолчанию для большинства классических звуков волновых таблиц) отличает их ".

Часто теперь у них есть дисплеи, показывающие в реальном времени трехмерные графики воспроизводимой волновой таблицы с выделенной текущей волновой формой, что является характерной особенностью, характерной для современных синтезаторов волновых таблиц.

Пользовательские волновые таблицы

Создание новых волновых таблиц ранее было сложным процессом, если не поддерживалось специализированными средствами редактирования и (почти) воспроизведением отредактированных волновых таблиц в реальном времени на синтезаторе. Такие редакторы часто требовали использования дополнительных аппаратных устройств, таких как PPG Waveterm или присутствовали только в дорогих моделях, таких как Вальдорф ВОЛНА. Чаще всего предварительно вычисленные волновые таблицы могут быть добавлены через карты памяти или отправлены на синтезатор через MIDI. Сегодня волновые таблицы проще создавать с помощью программного обеспечения и прослушивать непосредственно на компьютере. Поскольку все формы сигналов, используемые в синтезе волновых таблиц, являются периодическими, область времени и частотная область Представления являются точными эквивалентами друг друга, и оба могут использоваться одновременно для определения форм сигналов и таблиц сигналов.

Практическое использование

Во время воспроизведения воспроизводимый звук можно гармонично изменить, переместившись в другую точку волновой таблицы, обычно под управлением генератор конвертов или низкочастотный генератор но часто любым количеством модуляторов (матричная модуляция). Это изменяет гармонический состав выходной волны в реальном времени, создавая звуки, которые могут имитировать акустические инструменты или быть полностью абстрактными, в чем этот метод создания звука превосходит другие. Техника особенно полезна для развития синтезаторные пэды, где звук медленно меняется со временем.

Часто необходимо «прослушивать» каждую позицию в волновой таблице и сканировать ее вперед и назад, чтобы эффективно использовать ее, хотя выбор случайных волновых таблиц, начальных положений, конечных положений и направлений сканирования также может дать удовлетворительные результаты. музыкальные результаты. Стоит отметить, что большинство синтезаторов волновых таблиц также используют другие методы синтеза для дальнейшего формирования формы выходного сигнала, такие как субтрактивный синтез (фильтры), фазовая модуляция, модуляция частоты и AM (кольцевая) модуляция.

Синтез поиска по таблице

Пример Справочная таблица, где увеличены данные по адресам с 63 по 67.
(на основе рисунка 2.1 на Нельсон 2000 )

На Csound, это называется f-таблица (таблица функций), и используется для различных целей, включая: синтез волновой таблицы-поиска, волнообразный, MIDI отображение заметок и хранение в порядке наборы для питч-класса.[9]

Пример содержания f-таблица наглядно показано: однократный цикл синусоидальная волна.

Синтез поиска по таблице[10] (или Синтез волновой таблицы-поиска[11]) (Дороги 1996 ) это класс синтез звука методы с использованием форма волны таблицы поиск по таблице, называемый техникой "генератора поиска по таблице". Длина волновых форм или сэмплов может варьироваться в зависимости от каждого метода синтеза звука, от одного цикла до нескольких минут.

Терминологии

Период, термин "таблица форм сигналов" (или "таблица формы волны"как эквивалент)" часто сокращается до "волновая таблица",[12] и его производный термин "волновой генератор"[13] кажется почти таким же, как "генератор поиска по таблицеупоминалось выше, хотя слово «волна» (или «форма волны», «форма волны») может подразумевать нюанс однотактной формы волны.

Однако производный термин "волновой синтез"кажется немного сбивающим с толку. При естественном использовании слов его первоначальное значение в основном такое же, как"синтез поиска по таблице",[14][15][13] и, возможно, можно ожидать несколько действий с сигналами,[16] как видно из статьи о Карплюс – Сильный струнный синтез[17] (простейший класс "алгоритм модификации волновой таблицы" известный как цифровой волноводный синтез[18]Затем в конце 1970-х Майкл Макнабб[3][4] и Вольфганг Палм[19] самостоятельно разработать расширение многоволновой таблицы для синтеза поиска по таблице[примечание 1] который обычно использовался на PPG Wave и известен с подметание волнового стола,[20] и позже он был назван "синтез нескольких волновых таблиц" к Хорнер, Бошам и Хакен, 1993 г..[21]Одновременно с конца 1970-х гг. синтез на основе образцов использование относительно длинных выборок вместо сигналов с одним периодом, стало влиятельным благодаря введению Fairlight CMI и Эму Эмулятор.

Фон

По приведенным выше четырем терминологиям для классов методов звукового синтеза, т.е.,

  1. Волновой синтез[13] - исходное, общее значение (то есть синтез поиска по таблице за один цикл).
  2. Синтез множественных волновых таблиц[21] - разработан McNabb и Palm, обычно используется на Волны PPG.
  3. Алгоритм модификации волновой таблицы[18] - в том числе цифровой волноводный синтез.
  4. Синтез на основе образцов

если бы они были надлежащим образом использованы, чтобы различать друг друга, можно было бы избежать путаницы, но, похоже, исторически это провалилось. Не позднее 1990-х годов несколько влиятельных синтез на основе образцов продукты были проданы под торговые наименования аналогично «волновому синтезу» (включая Гравис Ультразвук волновая таблица Creative Wave Blaster таблица волн дочерняя плата, и Программный синтезатор Microsoft GS Wavetable SW ), и эта путаница еще больше повлияла на несколько отраслевых стандартов (включая Структурированный звук MPEG-4 алгоритмический и волновой синтез,[22] и AC97 дополнительный синтезатор таблицы ускорения hw[23]В результате их отскока, самое позднее с середины 2000-х годов, похоже, начинает процветать новая путаница. Просто подкласс обобщенного синтеза волновых таблиц, т.е. Синтез множественных волновых таблиц Макнабба и Палма имеет тенденцию ошибочно упоминаться, как если бы он был исключительно общим классом всего семейства волновых таблиц.[24]

На фоне этих недоразумений, трудности поддержания согласованности между концепциями и терминологией во время быстрого развития технологий, могут быть значительными. И это причина, по которой здесь объясняется эта слегка классическая терминология «синтез поиска по таблицам».

Смотрите также

Примечания

  1. ^ «Множественный волновой синтез» (Хорнер, Бошам и Хакен, 1993 г. ), разработанный Майклом Макнаббом и Вольфганг Палм в конце 1970-х годов это просто один из эффективных методов реализации для реализации динамически изменяющихся форм сигналов с использованием массива однотактных форм сигналов в синтезе поиска по таблице. В этом методе синтеза форма волны может быть анимирована аналогично перевернуть книгу.

Рекомендации

  1. ^ Пальма 2009.
  2. ^ Андресен 1979.
  3. ^ а б Смит III, Юлий О. «Точки зрения на историю цифрового синтеза: систематика методов цифрового синтеза». Стэнфорд, Калифорния: Стэнфордский университет. Получено 24 февраля, 2015.
  4. ^ а б Макнабб, Майкл. "Песня снов: Композиция" (PDF). Компьютерный музыкальный журнал. 5 (4). Получено 24 февраля, 2015.
  5. ^ Бристоу-Джонсон 1996.
  6. ^ https://web.archive.org/web/20120202001938/http://support.creative.com/kb/ShowArticle.aspx?sid=5800
  7. ^ https://www.wikiaudio.org/wavetable-synthesis/
  8. ^ https://www.ableton.com/en/blog/new-wave-depth-look-wavetable/
  9. ^ Нельсон, Джон Кристофер (2000). «2. Понимание и использование процедур Csound's GEN». Книга Csound. Кембридж, Массачусетс, США: MIT Press. С. 65–97. ISBN  0-262-52261-6.
    "Csound использует таблицы поиска для таких разнообразных музыкальных приложений, как синтез волновых таблиц, формирование волн, отображение номеров MIDI-нот и хранение упорядоченных наборов классов высоты звука. Эти функциональные таблицы (f-таблицы) содержат все, от периодических сигналов до произвольных полиномов и случайно сгенерированных значений. Конкретные данные создаются с помощью функций генератора f-таблицы Csound'а, или GEN рутины. ..."
  10. ^ Дороги 1996, п.87, Введение в синтез цифрового звука, "В этой главе описаны основные методы создания цифрового звука. После краткого исторического обзора мы представляем теорию синтез поиска по таблице- ядро ​​большинства алгоритмов синтеза. ..."
  11. ^ Дороги 1996, п.125, Выборочный синтез, "Изменение высоты тона ... вариационная техника, используемая в 'синтез волновой таблицы описано в главе 3."
  12. ^ Аллес, Х.; Джуньо, Пепино ди (Ноябрь 1977 г.). "Однокартовый 64-канальный цифровой синтезатор". Компьютерный музыкальный журнал. 1 (4): 7–9. JSTOR  40731292. Образцы в таблица формы волны ...", "РИСУНОК 1 ... 16 К × 14 БИТ ВОЛНОВЫЙ
  13. ^ а б c Пакетт, Миллер (2002). «Макс в семнадцать» (перепечатка). Компьютерный музыкальный журнал. 26 (4): 31–43. Дои:10.1162/014892602320991356. (HTML версия доступна) "Например, волновой генератор используется в рисунок 1 впервые появился в книге Мэтьюза Музыка II (два, а не одиннадцать) в конце 1950-х. Music II была только одной из длинной последовательности программ MUSIC N, но идея синтеза волновых таблиц оказала повсеместное влияние на всю дисциплину компьютерной музыки."
  14. ^ Буланже, Ричард; Лаццарини, Виктор, ред. (2010-10-22). «3.2.3 Осцилляторы поиска в таблице». Книга по звуковому программированию. Предисловие Макс Мэтьюз. MIT Press. п.335 –336. ISBN  978-0-262-28860-6.
    "В этом разделе ... мы познакомимся с метод поиска по таблице для генерации сигналов. Этот метод еще называют волновой синтез ... / Синтез волновой таблицы - это метод, основанный на чтении данных, которые были сохранены в блоках смежные ячейки памяти компьютера, называется столы. Этот метод синтеза звука был одним из самых первых методов синтеза программного обеспечения, представленных в языках MUSIC I-MUSIC V, разработанных Максом Мэтьюзом в Bell Labs в конце 1950-х - начале 1960-х годов. ... / При синтезе с поиском по таблице достаточно вычислить только один цикл формы сигнала, а затем сохранить этот небольшой набор выборок в таблице, где он служит шаблоном. ..."
    Примечание: в приведенной выше цитате авторы перефразировали заголовок раздела "генераторы поиска по таблице" следующим образом: "метод поиска по таблице", "синтез волновой таблицы" и "синтез поиска по таблице".
  15. ^ Хоскен, Дэн (2012). «Осциллятор». Музыкальные технологии и Project Studio: синтез и сэмплирование. Рутледж. п.72 –73. ISBN  978-1-136-64435-1.
    "В осциллятор генерирует цикл некоторой формы сигнала соответствующее количество раз в секунду для желаемой основной частоты. Это по-разному называется синтезом с фиксированной формой сигнала, синтезом с поиском по таблице или синтезом по таблице."
  16. ^ Каллен, Майкл. «В. Можете ли вы объяснить происхождение волновых таблиц, S&S и векторного синтеза?». Звук на звуке (Февраль 2006 г.). Участник SOS Стив Хауэлл отвечает: Синтез волновых таблиц на самом деле довольно легко понять. На заре синтеза (аналоговые) генераторы обеспечивали ограниченный диапазон форм сигналов, таких как синусоидальный, треугольный, пилообразный и прямоугольный / импульсный, обычно выбираемый с помощью поворотного переключателя. Это дало пользователю удивительно широкий набор основных звуков для игры, особенно когда разные формы сигналов были объединены различными способами.
  17. ^ Карплюс, Кевин; Сильный, Алекс (1983). «Цифровой синтез тембров щипковых струн и ударных» (PDF). Компьютерный музыкальный журнал (опубликовано летом 1983 г.). 7 (2): 45–55. Дои:10.2307/3680062. JSTOR  3680062. Синтез волновой таблицы: Одним из стандартных методов синтеза является волновой синтез алгоритм. ... Техника волнового синтеза очень проста, но в музыкальном плане довольно скучна, поскольку она производит чисто периодические тона. ... Все алгоритмы, описанные в этой статье производить изменение звука, изменяя саму таблицу волн. Проверить значения даты в: | дата публикации = (Помогите)
  18. ^ а б Заявка США 5212334, Юлий О. Смит III, "Цифровая обработка сигналов с использованием закрытых волноводных сетей ", опубликовано 18 мая 1993 г., присвоено Корпорация Yamaha .
    (См. Также статью в Википедии Цифровой волноводный синтез: “Период, термин "цифровой волноводный синтез "был придуман Юлий О. Смит III который помогал в его разработке и в конце концов подал патент. Он представляет собой расширение Карплюс – Стронг алгоритм. Стэндфордский Университет владеет патентными правами на синтез цифровых волноводов и в 1989 г. подписал соглашение о разработке технологии с Ямаха.”)
  19. ^ Андресен, Уве (Palm Productions) (1979). «Новый способ синтеза звука». 62-я конвенция общества звукорежиссеров (AES) (Брюссель, Бельгия).
  20. ^ Sound on Sound & (февраль 2006 г.), "Однако в конце 70-х Вольфганг Палм использовал цифровые осцилляторы «wavetable» в своих новаторских синтезаторах PPG Wave. Вместо трех или четырех форм сигналов генератор с таблицей сигналов может иметь гораздо больше - скажем, 64 - потому что они создаются в цифровом виде и хранятся в `` справочной таблице '' ... Теперь, если формы сигналов разумно расположены, мы можем начать создавать гармоничное движение в звуке. ... вы приближаетесь к чему-то, что мало чем отличается от традиционной развертки фильтра. ..."
  21. ^ а б Хорнер, Эндрю; Beauchamp, Джеймс; Хакен, Липпольд (1993). «Методы множественного волнового синтеза тембров музыкальных инструментов» (PDF). J. Audio Eng. Soc. (опубликовано в мае 1993 г.). 41 (5): 336–356. Синтез множественных волновых таблиц, предмет данной статьи, основан на сумма фиксированных сигналов или периодических базисных функций с изменяющимися во времени весами.
  22. ^ Шайрер, Эрик Д. (Медиа-лаборатория Массачусетского технологического института); Рэй, Ли (Joint E-Mu / Creative Technology Center) (1998). «Алгоритмический синтез и синтез волновых таблиц в стандарте мультимедиа MPEG-4». 105-я конференция Общества инженеров аудио (AES) (Сан-Франциско, Калифорния). CiteSeerX  10.1.1.35.2773. 2.2 Синтез волновой таблицы с помощью SASBF: SASBF формат волновой таблицы-банка имел довольно сложную историю развития. Оригинальная спецификация была предоставлена ​​E-Mu Systems и основана на их формате «SoundFont» [15]. После завершения интеграции этого компонента в эталонное программное обеспечение MPEG-4 Ассоциация производителей MIDI (MMA) обратилась к MPEG с просьбой о совместимости MPEG-4 SASBF с их форматом «Загруженные звуки» [13]. Е-Му согласился, что такая совместимость желательна, и поэтому все стороны согласовали и разработали новый формат.
  23. ^ «1.4 Интеграция AC '97 в систему» (PDF). Спецификация компонентов AC '97 Версия 2.3 Версия 1.0. Корпорация Intel. Апрель 2002. с.11. Рисунок 2. Схема системы AC ‘97: Цифровой контроллер AC ‘97 / Дополнительное ускорение hw / SRC *, микширование *, трехмерное позиционирование *, волновой синтезатор*
  24. ^ Sound on Sound & (февраль 2006 г.), "С тех пор другие синтезаторы в той или иной форме использовали синтез волновых таблиц, и сегодня доступно несколько программных синтезаторов, которые включают возможности синтеза волновых таблиц."
    Примечание: в приведенной выше цитате, конкретный синтез волновых таблиц, разработанный Вольфгангом Пальмом, известный как «синтез множественных волновых таблиц», неоднозначно называется «синтезом волновых таблиц».

Список используемой литературы

внешняя ссылка