Основные типы синтеза звука

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

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.

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.

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 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.

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.

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.

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.

“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.

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.

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.

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.

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... :)

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.

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.

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.

Waveshaping позволяет вам применять нелинейные процессы к оригинальному сигналу и таким образом получать самые разнообразные эффекты. К примеру, тот же Korg 01/W превосходно имитирует ф-но, отдельно используя сэмплы реального инструмента, затем применяя к нему цифровые эффекты, симулируя затухание, резонанс, внутреннюю реверберацию инструмента и т.д. Korg Triton/Trinity создает синтетические тембры, используя distortion, overdrive, фильтры, и заставляет их выть feedback’ом почище любой гитары. Использует развитую частично модульную архитектуру патчей,

Прежде всего, это не имеет никакого отношения к звуковым картам с wavetable – в этих картах используется сэмплинг. А таблично-волновой синтез используется в синтезаторах PPG, Waldorf, Korg DW-8000, Ensoniq ESQ-1 и ряде других. PPG и Waldorf понимают под этим набор коротких сэмплов, каждый из которых достаточен для воспроизведения определенного звука, и сменяются они один другим для постепенного изменения тембра звучания – этим достигается динамический (в значении постепенный) контроль над звуком. Korg и Ensoniq используют такие же кусочки сэмплов, но меняют и смешивают их практически постоянно, чем достигают сложных тембров. Korg Wavestation использует разновидность таблично-волнового синтеза (wave sequencing): сравнительно длинные (десятые доли секунды и больше) сэмплы, из которых собирается очень своеобразный звук, не имеющий аналогов.