Компьютерная работа с музыкой и звуком превратилась в массовое увлечение. Тысячи людей, которые еще несколько лет назад не могли реализовать свой талант и даже не мечтали о том, чтобы попытаться превратить придуманные ими мелодии в полнозвучные музыкальные произведения, теперь получили в свое распоряжение мощный инструмент, имя которому - звуковая карта. Если отвлечься от деталей и сосредоточиться на принципиально важных элементах, то можно сказать, что звуковая карта включает в себя MIDI-интерфейс, синтезатор, аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи (АЦП и ЦАП).
Им-то и посвящена данная статья.
MIDI
История массового применения компьютера в музыке началась около 20 лет назад, когда по инициативе нескольких известных фирм был разработан стандартный интерфейс цифровых музыкальных инструментов MIDI. В результате оказались однозначно определены структура сигналов, схемы соединения инструментов, порядок обмена данными между ними.
Основная идея MIDI проста и гениальна: по проводам передается не сам звуковой сигнал, а только закодированная в виде числа команда синтезатору: воспроизвести определенный звук. Это позволило значительно упростить управление синтезом звуков, а, значит, и удешевить аппаратуру. Например, музыкант получил возможность играть на дюжине синтезаторов с помощью одной клавиатуры. Все действия исполнителя кодируются, превращаясь в MIDI-сообщения. Их удобно хранить в памяти (они занимают очень мало места), редактировать и воспроизводить с помощью специальных устройств (а в дальнейшем и программ) - секвенсоров.
Новинка была оценена по достоинству. Инструменты, не оснащенные интерфейсом MIDI, постепенно "вымерли". Наступила эпоха MIDI.
Со временем был стандартизирован не только перечень MIDI-сообщений, но и набор обязательных MIDI-инструментов или, как еще говорят, - патчей, тембров, звуков. Стандарт General MIDI (GM) требует, чтобы синтезатор был способен воспроизводить звучание рояля, гитары, скрипки..., а в общей сложности 128 мелодических инструментов и наборов ударных. Вскоре фирма Roland фактически заставила своим примером остальных изготовителей принять ее стандарт. Звуковые карты и синтезаторы стандарта Roland GS первыми стали поддерживать несколько банков тембров и два звуковых эффекта (реверберацию и хорус).
Сейчас наибольшими потенциальными возможностями обладают звуковые карты, соответствующие стандарту Yamaha XG. В них предусмотрено расширенное управление параметрами синтеза звука, а кроме реверберации и хоруса имеется третий эффект - вариация. XG-звуковые карты, это даже не персональный оркестр, а оркестр оркестров. Например, одна из наименее дорогих звуковых карт Yamaha DB50XG синтезирует голоса около полутысячи различных мелодических инструментов.
Синтезатор
Итак, команды синтезатору передаются с помощью интерфейса MIDI. В ответ на команду синтезатор должен сформировать звук с определенной высотой и тембром.
Существует несколько методов синтеза звука. Некоторые из них хороши только в сложных и дорогих синтезаторах, а их упрощенные модификации, реализованные в звуковых картах, годятся лишь для озвучивания старых компьютерных игр. В музыкальном творчестве можно применять звуковые карты, синтезаторы которых построены на основе волновых таблиц (Wave Table).
Принцип действия таких синтезаторов заключается в следующем. В памяти хранятся оцифрованные образцы звуков музыкального инструмента - сэмплы. Причем, хранятся сэмплы не всех, а только некоторых нот. К тому же каждый звук разделен на характерные фазы, например: атака, поддержка, затухание, а каждая фаза представлена коротким фрагментом.
Сделано это для уменьшения объема необходимой памяти. В состав синтезатора входит осциллятор - устройство, которое способно собрать из фрагментов цельный звук и воспроизвести его с необходимой скоростью (а значит и высотой). Далее сигнал пропускают через модуляторы, получая вибрато, фильтры, формируя необходимую тембровую окраску, и эффект-процессор, реализуя реверберацию, хорус и другие эффекты. В заключение цифровой поток поступает на вход цифро-аналогового преобразователя синтезатора. В результате его работы мы слышим синтезированный звук.
Качество синтеза во многом зависит от способа сжатия реального звука в сэмпл. Прекрасно звучат сэмплеры фирм Akai, E-Mu. Но они очень дороги. Популярность звуковых карт фирм Yamaha и Creative не в последнюю очередь объясняется тем, что этими фирмами найдены форматы хранения сэмплов, позволяющие получить достаточно высокое качество звука при невысокой стоимости "железа".
Сэмплы могут храниться либо в постоянном запоминающем устройстве (например, Yamaha DB50XG), либо в оперативной памяти (например, SB Live!). Во втором случае синтезатор обладает большей гибкостью в вопросе смены тембров. Ведь звуки можно подгружать в оперативную память с дисков. Скажем, SB Live! работает со звуками в формате SoundFont. Приобретение дисков с банками этих звуков сейчас не составляет абсолютно никакого труда.
На основе хранящихся в памяти сэмплов вы можете создавать совершенно новые и необычные звуки. Можно, например, у звука фортепиано увеличить время атаки, и это будет уже что-то вроде очень большой скрипки.
Даже простейший GM-синтезатор позволяет управлять несколькими параметрами синтеза. Для этого могут использоваться и органы управления, расположенные на MIDI-клавиатуре, и виртуальные панели.
В качестве примера на рисунках представлены виртуальные панели управления GM- и GS-синтезаторами, входящие в комплект поставки программы Cakewalk Pro Audio. Даже по количеству регуляторов можно судить, какой из синтезаторов позволяет получить более разнообразное звучание. Вглядевшись, вы, наверное, сможете увидеть, что на панели GS-синтезатором имеются дополнительные виртуальные ручки, предназначенные для управления глубиной эффектов, параметрами модуляции, формой огибающей, фильтрами. Пытаться демонстрировать вид панели управления XG-синтезатором нет смысла. На ней размещается более 100 элементов, и разглядеть их на журнальном рисунке было бы очень трудно.
Панель управления GM-синтезатором
Панель управления GS-синтезатором
В составе лучших звуковых редакторов имеются средства для формирования основы сэмплов из любых звуков. Например, запишите мяуканье своей любимой кошки, далее с помощью звукового редактора Cool Edit Pro вырежьте из фонограммы и разметьте будущий сэмпл. Затем, воспользовавшись программой Vienna SoundFont Studio, сделайте раскладку сэмпла по клавиатуре. После этого можете, нажимая на клавиши, мяукать сколько вам угодно в любой тональности. Хотите - сочините свой концерт для кошки с оркестром, хотите - переосмысливайте классику.
ЦАП и АЦП
Синтезатор и интерфейс MIDI - это два из трех китов, на которых держится работа звуковой карты. Третий кит - цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователи.
Для того чтобы записать с микрофона в память компьютера звуковой сигнал, необходимо предварительно преобразовать его из аналоговой формы в цифровую. После этого с помощью специальных программ - звуковых редакторов - с оцифрованным звуком можно делать все, что угодно. Завершив обработку, цифры нужно вновь преобразовать в звук.
Качество преобразования звука в цифры и обратно, в первую очередь, зависит от разрядности представления данных и частоты взятия отсчетов (частоты сэмплирования). На аудио-CD оцифрованный звук представлен 16-ю двоичными разрядами при частоте сэмплирования 44,1 кГц.
Такие параметры обеспечиваются практически всеми звуковыми картами. Но некоторые звуковые карты и все современные звуковые редакторы способны работать с 24- и даже 32-битным звуком при частоте сэмплирования до 96 кГц. Столь высокую точность представления
данных нельзя считать излишней. Она позволяет избежать накопления ошибок вычислений при многократной реализации сложных алгоритмов обработки звука.
АЦП и ЦАП нужны не только для записи звука от внешнего источника и его воспроизведения. В качестве аппаратной составляющей они могут использоваться в виртуальных синтезаторах (об одном из них рассказывается в предыдущей статье рубрики). Ведь современные компьютеры обладают столь высоким быстродействием, что на них можно программным путем синтезировать звук. Конечно, на самом деле при этом получается последовательность чисел, которую требуется еще преобразовать в звук. А это - прямая задача ЦАП.
Подробную информацию об интерфейсе MIDI вы найдете в книге Рабин Д. М. "Музыка и компьютер: настольная студия", а об управлении XG-синтезаторами - в книге Петелин Р.Ю., Петелин Ю.В. "Аранжировка музыки на PC".
