Введение

Цифровой синтез звука
цифровой синтез звука

Синтез с помощью волновых таблиц — это техника звукового синтеза, используемая для создания квазипериодических сигналов, часто применяемых в производстве музыкальных тонов или нот.

Разработка

Волновой синтез был изобретен Максом Мэтьюсом в 1958 году в составе MUSIC II. MUSIC II обеспечивал четырехголосную полифонию и возможность генерировать шестнадцать волновых форм посредством волнового осциллятора.

Хэл Чемберлин обсудил волновой синтез в сентябрьском выпуске журнала Byte в 1977 году. Вольфганг Палм из Palm Products GmbH (PPG) разработал свою версию в конце 1970-х годов и опубликовал ее в 1979 году. С тех пор эта техника использовалась как основной метод синтеза в синтезаторах, созданных PPG и Waldorf Music, и как дополнительный метод синтеза компаниями Ensoniq и Access. В настоящее время она применяется в аппаратных синтезаторах Waldorf Music и в программных синтезаторах для ПК и планшетов, включая приложения, предлагаемые PPG и Waldorf, среди прочих. Независимо от этого, волновой синтез был разработан также Майклом МакНаббом, который использовал его в своей композиции 1978 года Dreamsong.

Принцип

Волновой синтез принципиально основан на периодическом воспроизведении множества произвольных одноцикловых форм волны. В волновом синтезе используется какой-либо метод для изменения или модуляции выбранной формы волны в волновой таблице. Позиция в волновой таблице определяет выбираемую одноцикловую форму волны. Цифровая интерполяция между соседними формами волны позволяет динамически и плавно изменять тембр генерируемого звука. Перемещение по волновой таблице в любом направлении может контролироваться различными способами, например, с помощью LFO, огибающей, чувствительности к нажатию или скорости нажатия. Многие волновые таблицы, используемые в синтезаторах PPG и Ensoniq, могут имитировать методы, применяемые в аналоговых синтезаторах, такие как модуляция ширины импульса, используя ряд прямоугольных волн с различным коэффициентом заполнения. Таким образом, при перемещении по волновой таблице коэффициент заполнения импульсной волны будет казаться изменяющимся со временем. Поскольку ранние волновые синтезаторы Ensoniq имели нерезонансные фильтры (в то время как в PPG Wave использовались аналоговые резонансные фильтры Curtis), некоторые волновые таблицы содержали высокорезонансные формы волны для компенсации этого ограничения фильтров.

Пользовательские волновые таблицы

Создание новых волновых таблиц ранее было сложным процессом, если не поддерживалось специализированными инструментами редактирования и (почти) воспроизведением отредактированных волновых таблиц в реальном времени на синтезаторе. Такие редакторы часто требовали использования дополнительного аппаратного обеспечения, например PPG Waveterm, или были доступны только в дорогих моделях, таких как Waldorf WAVE. Чаще всего, предварительно вычисленные волновые таблицы добавлялись через карты памяти или передавались на синтезатор по MIDI. Сегодня волновые таблицы можно создавать проще с помощью программного обеспечения и прослушивать непосредственно на компьютере. Поскольку все формы волн, используемые в волновом синтезе, являются периодическими, временная и частотная области являются точными эквивалентами друг друга, и обе могут использоваться одновременно для определения форм волн и волновых таблиц.

Практическое применение

Во время воспроизведения производимый звук может быть гармонически изменен путем перемещения в другую точку волновой таблицы, обычно под управлением генератора огибающей или низкочастотного осциллятора, но часто и 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, и именно в этом метод создания звука проявляет себя наилучшим образом. Эта техника особенно полезна для эволюционирующих синтезаторных пэдов, где звук медленно меняется со временем. Часто необходимо прослушивать каждую позицию в волновой таблице и просматривать её, в прямом и обратном направлении, чтобы эффективно её использовать, хотя выбор случайных волновых таблиц, начальных позиций, конечных позиций и направлений сканирования также может приводить к удовлетворительным музыкальным результатам. Важно отметить, что большинство волновых синтезаторов также используют другие методы синтеза для дальнейшего формирования выходной формы волны, такие как субтрактивный синтез (фильтры), фазовая модуляция, частотная модуляция и амплитудная (кольцевая) модуляция.

Синтез таблицы

Синтез табличным поиском (или Wavetable lookup synthesis) — это класс методов синтеза звука, использующих таблицы волновых форм посредством поиска по таблице, что называется техникой "осциллятора табличного поиска". Длина волновых форм или образцов может варьироваться в зависимости от конкретного метода синтеза звука, от одного цикла до нескольких минут.

Терминология

Термин "таблица волновых форм" (или "таблица формы волны" как эквивалент) часто сокращается до "wavetable", и ожидается наличие его производного термина "wavetable-осциллятор" и, возможно, различных операций с волновыми формами. ⇒См. (2), (3)

(2) Алгоритм модификации таблицы волновых форм является простым классом "алгоритмов модификации таблицы волновых форм", известным как цифровой волноводный синтез. (3) Многократный синтез с использованием таблицы волновых форм, который обычно использовался в PPG Wave и известен как сканирование таблицы волновых форм. Позже его стали называть "многократным синтезом с использованием таблицы волновых форм". (4) Сэмплирование. Одновременно, начиная с конца 1970-х годов, сэмплирование с использованием относительно длинных сэмплов вместо одноцикловых волновых форм стало широко распространенным благодаря появлению Fairlight CMI и E-mu Emulator.

Предыстория

По вышеуказанным четырем терминам для классов методов синтеза звука, а именно: (1) синтез на основе волновых таблиц, (2) алгоритм модификации волновых таблиц, (3) многотабличный синтез и (4) сэмплированный синтез, – если бы они использовались для четкого разграничения друг от друга, можно было бы избежать путаницы, но исторически этого не произошло. Начиная с 1990-х годов, ряд влиятельных продуктов сэмплированного синтеза выходили на рынок под торговыми названиями, схожими с «синтезом на основе волновых таблиц» (включая волновые карты Gravis Ultrasound, волновые дочерние платы Creative Wave Blaster и программный волновой синтезатор Microsoft GS), и эта путаница оказала дальнейшее влияние на отраслевые стандарты (включая алгоритмический и волнотабличный синтез структурированного звука MPEG 4, а также опциональное аппаратное ускорение волнотабличного синтеза в AC97). В середине 2000-х годов путаница в терминологии возникла вновь. Подкласс общего синтеза на основе волновых таблиц, а именно многотабличный синтез МакНабба и Палма, часто ошибочно представляется как общий класс всего семейства волнотабличного синтеза. В результате, сложность поддержания согласованности между концепциями и терминологией в условиях стремительного технологического развития заслуживает внимания. По этой причине термин «синтез поиском по таблице» подробно рассматривается в данной статье.