Цифровой волноводный синтез - Digital waveguide synthesis

Цифровой синтез волновода является синтезом из аудио с помощью цифрового волновода . Цифровые волноводы - это эффективные вычислительные модели физических сред, в которых распространяются акустические волны. По этой причине цифровые волноводы составляют основную часть большинства современных синтезаторов физического моделирования .

Цифровой волновод без потерь реализует дискретную форму решения Даламбера одномерного волнового уравнения как суперпозицию правой волны и левой волны,

${\ Displaystyle у (т, п) = у ^ {+} (тп) + у ^ {-} (т + п)}$

где - правая волна, а - левая волна. Из этого представления можно увидеть, что выборка функции в данный момент и время просто включает в себя суммирование двух задержанных копий ее бегущих волн. Эти бегущие волны будут отражаться от границ, таких как точки подвеса колеблющихся струн или открытые или закрытые концы труб. Следовательно, волны распространяются по замкнутым контурам. ${\ displaystyle y ^ {+}}$${\ displaystyle y ^ {-}}$${\ displaystyle y}$${\ displaystyle m}$${\ displaystyle n}$

Поэтому цифровые модели волноводов содержат цифровые линии задержки для представления геометрии волновода, которые закрываются рекурсией, цифровые фильтры для представления частотно-зависимых потерь и умеренной дисперсии в среде, а также часто нелинейные элементы. Потери, понесенные по всей среде, как правило, консолидируются, чтобы их можно было рассчитать один раз в конце линии задержки, а не много раз на всем протяжении.

Волноводы, такие как акустические трубки, трехмерны, но поскольку их длина часто намного превышает их площадь поперечного сечения, разумно и эффективно с вычислительной точки зрения моделировать их как одномерные волноводы. Мембраны, используемые в барабанах , могут быть смоделированы с использованием двумерных волноводных сеток, а реверберация в трехмерных пространствах может быть смоделирована с использованием трехмерных сеток. Виброфонные штанги, колокольчики , поющие чаши и другие звучащие твердые тела (также называемые идиофонами ) могут быть смоделированы с помощью связанного метода, называемого полосатыми волноводами, где несколько ограниченных по полосе частот цифровых волноводных элементов используются для моделирования сильно дисперсионного поведения волн в твердых телах.

Термин «цифровой волноводный синтез» был придуман Джулиусом О. Смитом III, который помогал в его разработке и в конечном итоге подал патент. Он представляет собой расширение алгоритма Карплюса – Стронга . Стэнфордский университет владел патентными правами на синтез цифровых волноводов и подписал в 1989 году соглашение о разработке этой технологии с Yamaha , однако срок действия многих ранних патентов истек.

Расширение DWG-синтеза струн, сделанное Смитом, - это коммутируемый синтез , в котором возбуждение цифрового волновода содержит как возбуждение струны, так и отклик тела инструмента. Это возможно, потому что цифровой волновод является линейным и делает ненужным моделирование резонансов корпуса инструмента после синтеза выходного сигнала струны, что значительно сокращает количество вычислений, требуемых для убедительного ресинтеза.

Программные реализации прототипов волноводов были выполнены студентами Смита в Synthesis Toolkit (STK).

Первое музыкальное использование цифрового волноводного синтеза было в композиции Дэвида А. Джаффе « Пусть все ваши дети будут акробатами» (1981) , а затем в его «Силиконовой долине» (1982).

Лицензиаты

• Ямаха
  • VL1 (1994) - дорогая клавиатура (около 10 000 долларов)
  • VL1m, VL7 (1994) - тональный модуль и менее дорогая клавиатура соответственно
  • VP1 (прототип) (1994)
  • VL70m (1996) - менее дорогой тональный модуль
  • EX5 (1999) - клавиатура рабочей станции с модулем VL
  • PLG-100VL, PLG-150VL (1999) - сменные карты для различных клавиатур Yamaha, тональных модулей и звуковой карты ПК высокого класса SWG-1000. Тональный модуль MU100R для монтажа в стойку включает два слота PLG, предварительно заполненных PLG-100VL и PLG-100VH (вокальный гармонизатор).
  • Звуковые чипы YMF-724, 744, 754 и 764 для недорогих звуковых карт и материнских плат ПК DS-XG (часть VL работала только в Windows 95, 98, 98SE и ME, и то только при использовании драйверов .VxD , нет. WDM ). Больше не сделал, предположительно из - за конфликта со стандартами AC-97 и AC-99 звуковых карт (которые определяют « волновых таблиц » ( таблицы образцов ) на основе Roland «s XG -competing GS звуковой системы, которая Sondius-XG [средства интеграции Инструменты и команды VL в XG-совместимый поток MIDI вместе с волновыми таблицами инструментов и команд XG] не могут интегрироваться с). MIDI - часть таких звуковых чипов, когда В.Л. был поддержки, была функционально эквивалентна модулем тона MU50 Уровень 1 XG (минус некоторые цифровые эффектами) с большей полифонией (до 64 одновременных нот, по сравнению с 32 для Уровня 1 XG) плюс VL70m (VL добавляет дополнительную ноту полифонии, или, точнее, сольную ноту VL, подкрепленную до 64 нот полифонии части волновой таблицы XG). 724 поддерживал только стереовыход, в то время как другие поддерживали различные конфигурации из четырех и более динамиков. Собственной картой Yamaha, использующей их, была WaveForce-128, но ряд лицензиатов сделали очень недорогие звуковые карты YMF-724, которые продавались в розницу по цене всего 12 долларов на пике популярности технологии. Часть MIDI-синтезатора (как XG, так и VL) микросхем YMF на самом деле была просто аппаратной поддержкой программного синтезатора, который находился в драйвере устройства (например, образцы волновой таблицы XG находились в системной RAM вместе с драйвером [и могли быть легко заменяется или добавляется], а не в ПЗУ звуковой карты). Таким образом, MIDI-синтезатор, особенно при активном использовании VL, потреблял значительно больше мощности процессора, чем мог бы использовать настоящий аппаратный синтезатор, но не столько, сколько чистый программный синтезатор. Ближе к концу своего рыночного периода карты YMF-724 можно было купить совершенно новыми за 12 долларов, что сделало их, безусловно, наименее дорогостоящим средством получения технологии цифровых волноводов Sondius-XG CL. Серия DS-XG также включала YMF-740, но в ней отсутствовал модуль синтеза волновода Sondius-XG VL, но в остальном он был идентичен YMF-744.
  • S-YXG100plus-VL Программный синтезатор для ПК с любой звуковой картой (опять же, часть VL работала только в Windows 95, 98, 98SE и ME: она эмулировала драйвер устройства .VxD MIDI). Аналогично MU50 (без некоторых цифровых эффектов) плюс VL70m. Версия без VL, S-YXG50, работала бы в любой ОС Windows, но не имела физического моделирования и была просто эмулятором волновой таблицы MU50 XG. По сути, это была синтезирующая часть микросхем YMF, полностью реализованная программно, без аппаратной поддержки, обеспечиваемой микросхемами YMF. Требуется несколько более мощный процессор, чем у чипов YMF. Также может использоваться вместе со звуковой картой или материнской платой, оснащенной YMF, для обеспечения до 128 нот волновой полифонии XG и до двух инструментов VL одновременно на достаточно мощных процессорах.
  • S-YXG100plus-PolyVL SoftSynth для мощных на тот момент ПК (например, Pentium III с частотой 333+ МГц ), способный одновременно воспроизводить до восьми нот VL (все другие реализации Yamaha VL, кроме исходных VL1 и VL1m, были ограничены одной, а VL1 / 1m мог бы сделать два), в дополнение к до 64 нотам волновой таблицы XG из части программного синтезатора, эмулирующей MU50. Никогда не продавался в США, но продавался в Японии. Предположительно, гораздо более мощную систему можно было бы создать с помощью современных многоядерных двухъядерных процессоров, но от этой технологии, похоже, отказались. Гипотетически можно было бы также использовать систему набора микросхем YMF для объединения их возможностей на достаточно мощных процессорах.
• Корг
  • Пророчество (1995)
  • Z1 , МОСС-ТРИ (1997)
  • EXB-MOSS (2001)
  • OASYS PCI (1999 г.)
  • OASYS (2005) с некоторыми модулями, например физической моделью защипов STR-1.
  • Kronos (2011) такой же, как OASYS
• Техника
  • WSA1 (1995) PCM + резонатор
• Системы Провидцев
  • Creative WaveSynth (1996) для Creative Labs Sound Blaster AWE64 .
  • Reality (1997) - один из самых ранних профессионального программного синтезатора продуктов Dave Smith команды
• Cakewalk
  • Dimension Pro (2005) - программный синтезатор для OS X и Windows XP .

Ссылки

дальнейшее чтение

• Даниил Левитин (7 мая 1994 г.). «Yamaha VL-1 революционизирует синтезаторную технологию» . Рекламный щит : 102–103.
• Yamaha VL1. Виртуальный акустический синтезатор , Sound on Sound , июль 1994 г.
• Поль Верна (2 августа 1997 г.). «Yamaha и Стэнфорд объединяют усилия. Программа лицензирования предлагает новые технологии» . Рекламный щит : 56.
• Джулиус О. Смит (2008). «Архитектура цифровых волноводов для виртуальных музыкальных инструментов». У Дэвида Хэвлока; Соноко Кувано; Майкл Форлендер (ред.). Справочник по обработке сигналов в акустике . Springer. С. 399–417. ISBN 978-0-387-77698-9.
• Мартин Русс (2008). Звуковой синтез и семплирование . Focal Press. С. 288–289. ISBN 978-0-240-52105-3.
• Брайан Хейвуд (22 ноября 2005 г.) Модельное поведение. Технология, которую использует ваш компьютер для создания звука, обычно основана на воспроизведении аудиосэмпла. Брайан Хейвуд рассматривает альтернативы. , ПК Pro
• Стефан Бильбао (2009). Численный синтез звука: конечно-разностные схемы и моделирование в музыкальной акустике . Джон Уайли и сыновья. С. 11–14. ISBN 978-0-470-51046-9.
• Лутц Траутманн; Рудольф Рабенштейн (2003). Цифровой синтез звука путем физического моделирования с использованием метода функционального преобразования . Springer. С. 77–86. ISBN 978-0-306-47875-8.

внешние ссылки

• Джулиус О. Смит III «Основное введение в синтез цифровых волноводов»
• Домашняя страница волноводного синтеза
• Виртуальные акустические музыкальные инструменты: обзор и обновление
• Моделирование звуков струнных и духовых инструментов - журнал Sound on Sound , сентябрь 1998 г.
• Джордан Рудесс играет на записи Korg Oasys на Youtube . Обратите внимание на использование джойстика для управления эффектом вибрато физической модели защипов.
• Yamaha VL1 с контроллером дыхания против традиционного синтезатора для духовых инструментов