Počítačová hudba 3 - Zvuková syntéza a tvorba, samply a samplery

5.1 Základy zvukové syntézy
Abychom mohli porozumět, jak generují zvuk syntetizéry, není od věci osvětlit, jak je to s nástroji klasickými. Jak můžeme vidět na obrázku (Obr. 5.1), tón není nic jiného, než periodicky se opakující vlnění vzduchu. Tvar vlny zde znázorňuje součet tří různých frekvencí o různých amplitudách.



Obr. 5.1 – Tvar vlny – Zdroj: acoustics.salford.ac.uk

Podrobíme-li tuto zvukovou vlnu frekvenční (spektrální) analýze (Obrázek 5.2), dostaneme amplitudy všech tří frekvencí plus jejich harmonické frekvence. Harmonické frekvence jsou násobkem frekvence základní. U komorního A. které má hodnotu 440Hz je tedy první harmonickou 880Hz, druhou harmonickou 1760Hz atd. O harmonické frekvence nám při syntéze zvuku půjde především. Jsou to totiž právě harmonické (především ty nejvyšší zvané alikvóty) a rozdílnost jejich amplitud, jež propůjčují zvuku resp. nástroji jeho nezaměnitelnou barvu. Je to ten případ, kdy rozlišíme trubku od houslí i přesto, že oba nástroje hrají stejnou notu. Toto zobrazení je značně zjednodušující, jelikož jsou zobrazeny jen harmonické s nízkým pořadovým číslem (ve skutečném zvuku je jejich počet značně vyšší - pro tón velké C je slyšitelná i 250. harmonická - 16 kHz). Skutečný zvuk není rovněž akordem složeným z harmonických (jak by napovídal tento zápis).



Obr. 5.2 – Frekvenční analýza – acoustics.salford.ac.uk

Klasický hudební nástroj můžeme rozdělit na tři části. Budič zvuku, zdroj zvuku a rezonátor.
Budič zvuku – je ta část, jež rozezvučí nástroj. Jako příklad lze uvést kladívko u piana nebo smyčec u houslí.
Zdroj zvuku – hlavní část hudebního nástroje, jež osciluje a vytváří periodické vlnění, tedy zvuk. U klasické kytary či houslí je touto částí struna.

Rezonátor – právě rezonátor je zodpovědný za produkci zvuku nástroje. Obyčejně jím bývá dutý prostor nebo tělo nástroje. Rezonátor osciluje a zvýrazňuje či tlumí frekvence produkované zdrojem zvuku.
Aby do sebe vše zapadlo, podívejme se na obrázek 5.3. Právě na něm lze pochopit jak taková charakteristická barva zvuku vzniká. Zdroj zvuku vygeneruje tón, kde harmonické frekvence mají více či méně stejnou amplitudu. Tyto amplitudy jsou při průchodu rezonátoru zesíleny, případně utlumeny, čímž nám vznikne nezaměnitelný zvuk hudebního nástroje.



Obr. 5.3 – Tvorba barvy nástroje – Zdroj: acoustics.salford.ac.uk

5.2 Syntetizér
A právě o proces syntézy, jež byl popsán výše se pokouší i syntetizér. Toho se dociluje vícero způsoby. Například použitím aditivní, subtraktivní či frekvenčně modulační syntézy (viz. dále). Pro generování zvuků, tonů využívá soustavu oscilátorů, filtrů, zesilovačů, obálkových generátorů a modulátorů.

5.2.1 Oscilátor
K tomu, abychom mohli vytvořit zvuk, potřebujeme nejdříve prvek, jež nám nějakým způsobem vygeneruje zvukovou vlnu. Jak bylo řečeno výše u kytary je tímto prvkem struna, kdežto u syntetizéru se o to stará oscilátor. Oscilátor je schopen generovat jednoduché vlnové průběhy jako např. pulz, pila, sinusoida či náhodný šum. Kombinací těchto základních vlnových průběhu (Obrázek 5.4) získáváme zvuky komplexnější. Je až překvapivé, kolik různých zvuků se dá kombinací těchto vytvořit. U prvních syntetizérů byl používán elektrický obvod zvaný VCO (Voltage Controlled Oscillator), dnes je však běžnější DCO (Digitally controlled Oscillator). Syntetizér bývá zpravidla osazen větším množstvím oscilátorů. Po kliknutí na obrázek můžete slyšet tóny zahrané rozdílnými vlnovými průběhy (šum, puls, pila).


Obr. 5.4 – Jednoduché vlnové průběhy (sum, puls, pila) – Zdroj: acoustics.salford.ac.uk

Zvuková ukázka Waveformy.mp3

5.2.2 Filtr
Abychom měli při vytváření zvuků ještě větší volnost a možnost variace, používá syntetizér frekvenční filtry. Ty nám slouží k ořezávaní frekvencí. Např. při aplikování filtru na pulzní (obdelníky) průběh se při ořezávání (filtrování) vyšších frekvencí zvuk zjemňuje mění tak svůj charakter. Tato změna je způsobena tím, že filtr ořezává vyšší harmonické, které jsou potřeba k tomu, abychom dostali krásně ostrý pulz (viz. Fourierův rozvoj). Jinými slovy se dá říci, že použití filtru signál zaobluje.

Hodnota, kde filtr začne s ořezáváním frekvencí (například nepustí frekvence vyšší než 1kHz) se nazývá ořezávací frekvence, neboli Cutoff. Filtrů existuje několik typů. Low Pass (LP) – propuští dolní frekvence, High Pass – (HP) propuští horní frekvence a Band Pass (BP) – propouští pouze pásmo v okolí ořezávací frekvence (Obrázek 5.5). Řada filtrů nám také nabízí možnost rezonance (v tomto případě se dá říci zesílení hlasitosti) v bodě ořezávací frekvence, díky čemuž vznikají velmi zajímavé výsledky. Pod obrázky je k náslechu chování jednotlivých druhů filtrů.


Obr. 5.5 – Funkce filtru (LP, HP, BP) – Zdroj: groovecube.com

Zvukové ukázky - LP filter, HP filter, BP filter

5.2.3 Zesilovač
Slouží k zesílení signálu oscilátoru tak, abychom díky rozdílné hlasitosti jednotlivých oscilátorů mohli dosáhnout většího množství zvukových barev.

5.2.4 Obálka
Zaposloucháme-li se do zvuku klasických nástrojů, zjistíme, že jejich hlasitost zvuku v čase má svůj specifický průběh. Nikdy se nestane, že by zvuk okamžitě začal nebo naopak okamžitě skončil. Uveďme si několik příkladů. Zvuk bubnu nastoupí takřka okamžitě a vcelku rychle i skončí. Jinak je tomu však u piána, jež má sice také velice rychlý nástup, zvuk však doznívá značně pomaleji. Dalším ukázkovým příkladem je viola, jejíž fáze nástupu je dlouhá. Toto chování se snaží napodobit i syntetizéry, kterým k tomuto účelu slouží obálka. Nejčastěji je využívána obálka typu ADSR (Obrázek 5.6), jež je odvozena od počátečních písmen fází, jež obsahuje.


Obr. 5.6 – obálka typu ADSR – Zdroj: google.com

• Attack – nástup zvuku
• Decay – první doznívání zvuku
• Sustain – úroveň hlasitosti, dokud je stisknuta klávesa
• Release – doznívání zvuku
O průběh obálky se stará takzvaný obálkový generátor. Obálka se běžně aplikuje i na frekvenci oscilátoru (dle hodnot ADSR mění frekvenci v čase) nebo průběh ořezávací frekvence (dle hodnot ADSR mění míru aplikace filtru na oscilátor).
Pro lepší představu si poslechněte ukázku (Envelope.mp3). V první půlce je to Attack, ehož hodnota je postupně zvyšována a vytváří tak efekt, kdy zvuk nastupuje pozvolněji. V druhé části byly modulovány parametry Sustain a Release.

5.2.5 Modulátor
Další velice důležitou vlastností klasických hudebních nástrojů je tremolo a vibrato. Tremolo je jev/efekt, při kterém se cyklicky mění hlasitost zvuku. Vibrato zase efekt, při kterém se cyklicky mění výška. Oba efekty jsou nejvíce patrné na smyčcových nástrojích. Například viola zní bez vibrata až překvapivě syrově a nemuzikálně.
Tyto dvě vlastnosti klasických hudebních nástrojů v syntetizéru obstarává modulátor neboli LFO (low frequency oscilator), v překladu nízko frekvenční oscilátor. Na rozdíl od běžného oscilátoru však není napojen na zvukový výstup, aby generoval zvuk, ale k modulování jiného parametru zařízení. Budeme-li tedy modulovat frekvenci běžného oscilátoru, získáme výše popsané vibrato. Naopak budeme-li modulovat hlasitost, vytvoříme tremolo efekt. U dobře navržených syntetizérů můžeme modulovat takřka všechno (cutoff, rezonanci atd.). LFO vlna může nabývat mnoha průběhů (pulz, sinus, pila).

Opět je tu pro lepší představu i zvuková ukázka (LFO.mp3). K čistému (tzv. dry, neefektované) signálu je postupně přimíchávána i její modulace, kdy LFO řídí ořezávací frekvenci CutOff syntetizéru. Poté následují hrátky s rychlostí, jakou má byt signál modulován.

5.3 Druhy zvukových syntéz
Hned v úvodu bylo řečeno, že existuje několik základních principů syntézy, se kterými se lze u syntetizérů setkat. Nyní si stručně a značně zjednodušeně vysvětlíme jejich principy.
• Syntéza subtraktivní – (Obrázek 5.7) nejběžnějším typ, který vznikl již na nejstarších analogových syntetizérech (příklad za všechny je legendární MiniMoog). V principu se nejdříve vygeneruje tón, který dostatečně bohatý na harmonické a pomocí filtrů odečteme (odtud slovo subtraktivní) jisté frekvence. Tímto způsobem se získá požadovaný zvuk.


Obr. 5.7 – Princip subtraktivní syntézy – Zdroj: acoustics.salford.ac.uk

• Syntéza aditivní – (Obrázek 5.8) funguje na podobném principu jako syntéza subtraktivní s tím rozdílem, že k vytvoření komplexního tónu používá přidávání/zesilování tónů dalších. Typickým příkladem této syntézy jsou varhany.


Obr. 5.8 – Princip aditivní syntézy – Zdroj: acoustics.salford.ac.uk

• FM syntéza – FM je zkratkou frekvenční modulace. Jako první ji začala používat firma Yamaha (např. dnes již legendární DX-7). Principem FM syntézy je frekvenční modulace signálu z jednoho oscilátoru signálem z druhého. Pomocí složitých matematických funkcí dochází při modulaci ke vzniku nových harmonických frekvencí, které se přidávají k původnímu nosnému signálu. FM syntetizér může obsahovat až desítky oscilátorů, které lze mezi sebou libovolně propojovat.
• Syntéza granulační – pro generování zvuků využívá tzv. granulek. Granulkou je nazýván krátký úsek zvuku (okolo 50 ms). Ty se přehrávají velmi rychle za sebou, takže lidský mozek je vnímá jako spojitý zvuk. Granulky mohou být krátké vlnové průběhy nebo kratičké části vysamplovaných nástrojů.
• Sample-based syntéza – v podstatě se nejedná o syntézu jako takovou, jelikož syntetizéry využívající tento druh syntézy negenerují žádný, nýbrž přehrávají zvukové samply, jež mají v sobě. Jedná se vlastně o obdobu sampleru.
V praxi je možné se setkat ještě s následujícími druhy zvukových syntéz: subharmonická, WaveTable, fyzikální modelování či fázová.

5.4 Hardwarové syntetizéry
Dnes jich již existuje nespočet, které mají své přízvisko "legendární" zcela oprávněně a je proto neproveditelné představit je všechny. Navíc od toho jsou jiná místa na internetu. Zmiňuji se o nich hlavně proto, že ještě nějaký čas potrvá (ne však tak dlouho), kdy se hardwarové přístroje budou pyšnit lepším zvukem, než jejich softwarové protějšky. U kterých tedy zbystřit? Access Virus (Obrázek 5.9) pro svoji hutnost a pevnost na bassech a Clavia Nor Lead pro sexy a lehce cheesy zvuk, Yamaha DX7 pro svůj těžce zaměnitelný zvuk FM syntézy a tisíce dalších.


Obr. 5.9 – Access Virus C – Zdroj: access.de

5.5 Softwarové syntetizéry
S nástupem dostatečně výkonných osobních počítačů, se masivněji začalo i s výrobou ryze softwarově řešených syntetizérů. K dnešnímu datu jich lze napočítat desítky či stovky. I přes relativně krátký čas jejich existence, se mohou pochlubit, stejně jako jejich hardwarovými konkurenti, svými legendami. Namátkou – softwarová verze PRO 53, Z3TA, FM7, Absynth či modulární systém Reaktor. Programy se dají spustit buď jako samostatné aplikace (tzv. StandAlone) nebo pomocí rozhraní VST či DirectX (viz. minulý díl) v hostitelském programu (např. Nuendo, Logic). Bohužel je nutno konstatovat, že softwarové řešení zatím zaostávají v kvalitě zvuku, ale nebude trvat dlouho a tyto rozdíly vymizí. Jednou z prvních vlaštovek je například nový VSTi od Native Instrument Masive. Ale jako v případě všeho může jít o čistě subjektivní dojem.
Přehled aktuálnějších a dobře hodnocených komerčních VSTi syntetizerů:

NI Massive - http://www.native-instruments.com/index.php?id=massive_us
Admiral Poly-Ana Beta - http://www.admiralquality.com/products/
Cakewalk Z3ta - http://www.cakewalk.com/Products/Z3TA/Default.asp
Arturia Minimoog V - http://www.arturia.com/en/minimoog/minimoogv.php

Naštěstí pro nás neplatí, že vše co je zdarma nemůže být stejně dobré či lepší než produkty komerční (viz. mda epiano). Následující linky stojí rozhodně za podívání:

http://www.audiomastermind.com/browse-free_vst_plugins-5886988-1.html
http://www.spacenoah.com/musicsoftware/freevstinstruments.htm
http://www.psynews.org/forums/index.php?showtopic=27403

5.5.1 Modulární systémy
Nejedná se o klasického zástupce softwarových syntetizérů, ale o jakési virtuální stavebnice, jež umožňují si vlastní syntetizér vytvořit. Asi nejznámějším modulárním systémem je nepochybně NI Reaktor (Obrázek 5.10). Krom syntetizéru lze v Reaktoru vytvořit i všemožné ROM playery, samplery, loop-slicery, klasické singálové procesory atd. K dispozici jsou takřka všechny druhy syntéz: subtraktivní, aditivní, wavetable, frekvenční modulaci i granulární. Sestrojit nekomplikovaný analogový syntezátor třeba s vlastnostmi Mini Moogu je vcelku jednoduché. Úspěch složitějších projektů ovšem vyžaduje i značné znalosti akustiky a elektroniky. Tyto systémy nabízejí dosti široké možnosti k experimentování a záleží jen na úsilí, fantazii a schopnostech.


Obr. 5.10 – Native Instruments Reaktor 5 – Zdroj: native-instruments.com

K Reaktoru naštěstí existuje i alternativa zcela zdarma. A to ve formě aplikace Pure Data - http://puredata.org/

6 Sampl a Samplery

6.1 Sampl
Nepředpokládám, že by se našel někdo, kdo zabrousí na Techno.cz a neměl tušení co to sampl je. Snad jen pro jistotu: Samplem může být jakýkoliv vzorek nahraného zvukového materiálu (od samplů jednotlivých bicích nástrojů, přes lidský hlas, po část písničky).

Samotné samplování má své kořeny již v padesátých letech. Masivnější "vykrádání" starých nahrávek však přišlo až s nástupem hip hopu a elektronické hudby, kdy se samplování stalo regulérní součástí tvorby hudby. Příkladem budiž společnosti, jejichž podnikání spočívá v legalizování samplů pro potřeby autorů. Tedy v dohledání původních autorů a vyřízení licenčních práv (více informací k nalezení zde – www.emimusicsample.co.uk). Při samplování, by měl být autor obezřetný, co právě "vykrádá", jelikož vše co se dá poznat, je žalovatelné.

Jelikož i produkování hudby se stalo biznisem v pravém slova smyslu, kde jsou nabízející a poptávající (producenti). Je možné zakoupit sample packy či samplovací cédéčka libovolných stylů. Doby, kdy si producenti museli vytvářet všechny zvuky sami, či poslouchat a samplovat všechno co jim přišlo pod ruku, jsou už dávno pryč. Každý správný fanoušek minimalu si tak může pořídit bicí smyčky Apparata, drum and bassový maniak zase vytvořit hutné bicí jaké dělá Australská partička Pendulun, či… Pak je na každém, jak se získanými samply naloží. Samply lze získat v celé řadě formátů. Pro softwarové použití je nejrozšířenějším formátem WAV(AIFF), audio CD, nebo různé nativní formáty softwarových samplerů (Battery, GigaSampler, Halion atd.). HW samplery používají často pouze svůj vlastní nativní formát (AKAI, Yamaha, EMU atd.). Jednotlivé nativní formáty jsou mezi sebou ve většině případů kompatibilní (např. Kontakt umí číst soubory vytvořené v či pro GigaSampler apod.)

6.1.1 Typy samplů
• Smyčka – přechod z konce samplu na jeho začátek zní plynule a naprosto přirozeně. Může být tedy hrán do nekonečna. Většinou se setkáme s bicími smyčkami či zasmyčkovanými melodiemi. Jsou to právě smyčky, které stály u zrodu taneční hudby a vlastně za ní stojí dodnes. Ukázka. (Sample Loop.mp3)
• One-shot, multisample –nota hudebního nástroje (např. klávesa C klasického piana). Při rychlejším, či pomalejším přehrávání získáme vyšší či nižší tóny (přehraje-li se sampl dvakrát rychleji, tónově bude o oktávu vyšší). Při změně ladění (zrychlení či zpomalení) o více jak tři půltóny však zvuk ztrácí na autenticitě. Při samplování hudebního nástroje, je tedy nutné vzít vždy více vzorků o jiné výšce tónu (doporučuje se právě každý třetí půltón). Je třeba brat v potaz i fakt, že nástroj vyluzuje jiné zvyky při rozdílné intenzitě jeho „spuštění“ (jinak hraje klávesa piána jemně stlačena a jinak při prudkém úhozu). Je tedy vhodné brát jednotlivé tóny vícekrát s rozdílnou intenzitou. Takto nasamplovaný nástroj se pak nazývá multi-sample.
• Klasické – samply u nichž není potřebné ani zasmyčkování, ani rozdílné výšky tónu. Tedy například u vysamplovaných vokálů, častech skladeb či zvukových efektech.

6.2 Sampler
A právě k přehrávání samplů je stvořen sampler. Jedná se tedy o zařízení, které nahrává a přehrává digitální vzorky zvuků. Kvalitnější samplery nabízí i možnost rozsáhlé editace zvuků, jako filtrování, změna obálek, zasmyčkování a spousty dalších. Stejně tak jako u syntetizérů se provádí v hardwarovém či softwarovém provedení.

6.2.1 Hardwarový sampler
Bez nadsázky lze říci, že hardware samplery již mají své nejlepší léta za sebou. Stále mají vlastnosti, jež nebyli dosud překonány (například výtečné filtry a výtečný tlustý zvuk u samplerů firmy Emu), ale v konečném důsledku jsou více a více postradatelné. V jejich neprospěch hovoří především horší uživatelská přívětivost. Nejslavnějšími zástupci jsou především výrobky firem Emu a Akai (Obrázek 6.1).


Obr. 6.1 – Sampler Akai MPC 4000 – Zdroj: akai.com

6.2.2 Softwarový sampler
Co se týče grafického rozhraní, tak jako všude jinde i tu platí, že kolik lidí, tolik chutí. Obecně platí, že pro každého je nejlepší ten, na který si zvykne jako na první. Co však již tak subjektivní není je schopnost samoletu věrně reprodukovat signál. Řeč je především o schopnosti sampleru poradit si s aliasingem (viz. První část seriálu). Ono převzorkování signálu o kterém je řeč se provádí tehdy, kdykoliv zmáčkneme klávesu na keyboardu s jiným, než původním pitchem. Jinak řečeno, vždy když je původní sampl přehráván na jiné rychlosti. Pro ty, kteří to hodlají vzít vážně uvádím následující odkazy s hodně povedenými testy.

15 kHz test - http://www.buzzxp.com/samplers/
Tambourine test - http://www.simonv.com/music/quality/ -

Kombinace předchozích –
http://www.maz-sound.com/index.php?show=mpcs&mpc_id=34&page_id=58
Jasným vítězem se stal freeware produkt sfz od rgc:audia (http://www.rgcaudio.com/sfz.htm). Skvělou reprodukci zaručuje V sampler (http://www.maz-sound.com/index.php?show=product&id=2). Solidních výsledků dosáhl i celkem populární GigaSampler. Celkem neslavně dopadl jeden z obecně nejoblíbenějších Kontakt.

6.2.2.1 Native Instruments Kontakt
Možnost práce jako se Stand-Alone aplikací či pluginem. Struktura instrumentu je po vizuální stránce povedená a všechny funkce jsou přehledně uspořádány. Každý načtený sampl se zobrazuje jako rackový přístroj v pravé části panelu. Sampler též disponuje prohližečem s databázovými funkcemi a virtuální klaviaturou. Každý načtený zvuk lze libovolně efektovat k čemuž nám sampler nabízí širokou škálu efektů. Od reverbů, delayů, filtrů, modulací po různé harmonizační nástroje. Efekty můžeme zapojit dvěma způsoby, buď insertem, který nabízí sedm pozic, nebo sběrnicemi aux send, kterých je celkem osm (více o tom dále). Závěrem lze říci, že Kontakt (Obrázek 6.2) je velmi dobře propracovaný sampler, který má všechno, co má mít a vyhoví i těm nejnáročnějším uživatelům. Neméně fajn je spousta tutoriálů, jež jsou na internetu k dispozici.


Obr. 6.2 – Native Instruments Kontakt 2 – Zdroj: vlastní

6.2.2.2 Další samplery
EXS24 - http://www.apple.com/logicpro/sampler.html
HALion - http://www.steinberg.net/155_1.html
Giga Sampler - http://www.soundonsound.com/sos/dec98/articles/gigasample.143.htm

První díl seriálu o počítačové hudbě najdete zde, druhý díl tady
Pro více informací o autorovi klikněte sem.