Modelovanie zvuku - módová dekompozícia

(Sound Modelling - Modal Decomposition)

© Ing. Radovan Konečný - radkon, 2010-2011

!!! Projekt je nahradený novším projektom Simulátor úderových nástrojov !!!

Tento projekt je jedným z komponentov môjho virtuálneho hudobného štúdia.

Cieľom projektu bolo vytvoriť zvukové modely pomocou metódy módovej dekompozície (modal decomposition). V posledných rokoch sa táto metóda dostala „na svetlo“ vďaka niekoľkým komerčným produktom, ktoré dokážu modelovaním zvuku dosť hodnoverne napodobniť rôzne hudobné nástroje (vrátane klavíra). Táto metóda je v porovnaní s inou metódou (napríklad digital waveguide - DWG) síce oveľa náročnejšia na výkon výpočtovej techniky, no výsledok je oveľa uspokojivejší než v prípade metód ako DWG. Vďaka výkonným počítačom je v dnešnej dobe použiteľná aj na tvorbu zvuku v reálnom čase, i keď stále sú jej limity dané výkonom počítača.

Princíp metódy spočíva v skladaní harmonických alebo neharmonických zložiek, ktorých každá má definovanú svoju vlastnú obálku hlasitosti a zmenu frekvencie v čase. V praxi sa za obálku zvykne považovať logaritmicky klesajúca amplitúda (bežne označovaná Decay), čiže jeden parameter. Takto je možné vytvoriť zvuk, ktorého harmonické alebo neharmonické zložky strácajú svoju amplitúdu svojou vlastnou rýchlosťou (vyššie frekvencie tíchnu zväčša rýchlejšie než nižšie frekvencie). V prípade primitívnych nástrojov takáto obálka (t.j. len Decay) postačí, pri iných (napr. organ) zasa nie. Z tohto dôvodu som sa rozhodol zovšeobecniť obálku na ľubovoľný tvar a takisto tvar funkcie, ktorá určuje frekvenciu harmonickej zložky v čase.

V ideálnom prípade napríklad strunového hudobného nástroja sú frekvenčné zložky harmonické a platí, že frekvencia vyšších zložiek je násobkom základnej frekvencie, ktorá určuje výšku tónu. V prípade niektorých nástrojov alebo perkusií toto pravidlo už neplatí a zvuk môže obsahovať prakticky ľubovoľné frekvencie bez jednoduchých matematických pravidiel. Ide o neharmonické zložky (aj keď tento názov nie je zrovna najsprávnejší). Typickým príkladom môže byť zvuk zvonu, kde frekvencie jeho zložiek sú dané tvarom, rozmermi a materiálom zvonu. Každá z vibrácií zvonu pritom vytvára takmer sínusový signál.

Hlavnou časťou projektu je program, ktorý dokáže prehrávať takéto modely.
Druhou časťou sú algoritmy a programy, ktoré vytvoria vhodný model.

Ako čas ukázal, veľa - predovšetkým úderových nástrojov - si vystačí s jednoduchšími možnosťami prehrávača modelov (a tu platí jednoduchší = rýchlejší) a práve preto som vytvoril nový projekt: Simulátor úderových nástrojov. Ten rovnako využíva modelovanie pomocou módovej dekompozície.

Jadro programu na prehrávanie je prakticky hotové (v jazyku Java), takisto formát súboru, ktorý uchováva model.

Stiahnutie programu - prehrávača modelov: už nie je k dispozícii na stiahnutie

Program spolupracuje s MIDI a NetSound. Taktiež podporuje ASIO zvukové zariadenia (menšie oneskorenie).
Prehrávač má prednastavenú polyfóniu 32 hlasov a k dispozícii je 300 oscilátorov. Tieto hodnoty bude možné v budúcnosti samozrejme meniť. Ak hlas potrebuje viac oscilátorov, vytvorí sa potrebný počet oscilátorov (pre polyfónne hranie to zatiaľ neplatí).

Pár mojich prvých modelov:

Súbory modelov už nie sú k dispozícii na stiahnutie.