Управление звуковой картой компьютера

Audio и MIDI

В современных компьютерах можно выделить две наиболее популярные технологии, имеющие отношение к звуку и музыке:

Audio (аудио) - наиболее универсальная технология, представляющая произвольный звук как он есть - в виде цифрового представления исходного звукового колебания или звуковой волны (wave), отчего в ряде случаев она именуется wave-технологией. Позволяет работать со звуками любого вида, любой формы и длительности. Звуковая информация обычно хранится в файлах с расширением WAV.

MIDI - нотно-музыкальная технология, основанная на регистрации событий, происходящих при игре на электронном инструменте, - нажатий клавиш, педалей, воздействий на регуляторы, тумблеры, кнопки и т.п. Последовательность подобных событий образует "электронную партитуру" музыкального произведения - как бы полную программу управления "автоматическим оркестром". Позволяет весьма точно записать достаточно сложное музыкальное произведение, а затем любое число раз исполнить его в точном соответствии с программой. Информация обычно хранится в файлах с расширением MID.

Audio-технология обычно применяется там, где имеется исходный звуковой сигнал, подлежащий обработке, - с ее помощью записывают, обрабатывают и сводят "живые" акустические и голосовые партии, речь, шумы, специальные сигналы и т.п. MIDI-технология снискала себе успех в создании музыкальных произведений "с нуля", посредством только электронных инструментов. При помощи MIDI-системы может быть создан как некий музыкальный каркас, к которому впоследствии будут добавлены голосовые или акустические партии, так и полноценное, законченное музыкальное произведение.

Для применения аудио-технологии достаточно простейшего звукового адаптера, содержащего АЦП и ЦАП - аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. При этом сложность, качество и цена адаптера совершенно не влияет на принципиальные возможности обработки звука - от адаптера зависит лишь общее качество входного и выходного преобразования, а также сервисные возможности (например, быстрое аппаратное сжатие или фильтрование).

Для использования MIDI-технологии, прежде всего, нужен электронный музыкальный инструмент, преобразующий последовательность нот и команд управления в звук - обычный или сразу цифровой. Это может быть клавишный синтезатор, звуковой модуль (тонгенератор, или синтезатор без клавиатуры), музыкальная карта с аппаратным синтезатором или же программный синтезатор - программа, имитирующая работу реального синтезатора. Соответственно, все возможности, доступные в этой технологии, целиком определяются имеющимся набором MIDI-инструментов. (Подробнее об использовании MIDI в соответствующей главе).

В Windows каждая технология представлена своим типом звукового устройства. Устройства могут быть реальными (аппаратные адаптеры) и виртуальными (программы-имитаторы, генераторы, фильтры и т.п.). Общение программ с устройствами происходит посредством аудио - и MIDI-портов, которые появляются в системе после установки соответствующих устройств.

Отдельным случаем аудио-портов являются порты DirectSound. Классический (Wave, MME) аудио-порт не гарантирует предельно быстрого вывода звука - при обмене небольшими фрагментами, за счет буферизации и невысокой частоты обращений к адаптеру, возникают значительные (относительно времени звучания самих фрагментов) задержки. Интерфейс DirectSound, входящий в комплект интерфейсов DirectX, дает возможность работать с адаптером с минимальной буферизацией и накладными расходами, заметно сокращая задержки. Кроме того, в DirectSound несколько программ могут использовать один порт одновременно, что далеко не всегда возможно при работе с Wave-портами.

Классификация программ

Любая программа для работы со звуком на PC использует в той или иной форме одну из этих технологий либо обе сразу. Выделим следующие основные классы программ:

Звуковые процессоры (audio processors)

Системы многоканальной записи и сведения (multitrack recorders)

Звуковые редакторы (audio editors)

Генераторы и анализаторы сигналов (audio generators/analysers)

Виртуальные (программные) синтезаторы (virtual/software synthesizers)

Музыкальные редакторы (music/MIDI editors)

Секвенсоры (sequencers)

Трекеры (trackers)

Нотные редакторы (score editors)

Музыкальные процессоры (music/MIDI processors)

Автокомпозиторы (auto composers)

Автоаккомпаниаторы (auto accompaniment generators, jammers)

Распознаватели нот (score recognition software)

Преобразователи форматов (format convertors)

Считыватели звуковых дорожек с компакт-дисков (CD rippers/grabbers)

Психоакустические компрессоры (psychoacoustic compressors)

Проигрыватели (players)

Системы для радиовещания и дискотек (delivery systems)

Утилиты и управляющие программы (utility/control software)

Многие программы сочетают в себе функции из разных классов: например, звуковые редакторы и секвенсоры нередко предоставляют также возможности процессоров (обработка в реальном времени), а музыкальные процессоры и автокомпозиторы часто имеют функции секвенсора.

1. Звуковые процессоры

Имитируют работу типовых устройств обработки звука, применяемых в студийной работе - усилителей, ограничителей, шумоподавителей, компандеров, эффект-блоков и т.п. Существует три основных типа процессоров:

Нелинейные (off-line) - получают сигнал в виде дискового файла, предварительно записанного другими средствами, и записывают результат обработки в другой дисковый файл.

Сквозные реального времени - получают сигнал непосредственно с аудиопорта и выводят результат в другой порт.

Подключаемые модули (plugins) - получают сигнал от другой программы при помощи специального программного интерфейса (API) и возвращают результат обработки этой же программе. Фактическим стандартом такого интерфейса стал Microsoft DirectX. Модули обычно поддерживают обработку в реальном времени.

Процессоры первого типа разрабатывались достаточно давно, уступая место процессорам второго типа по мере роста мощности компьютеров. После появления системы DirectX популярные процессоры разрабатываются в этом интерфейсе.

Подробнее с работой звуковых процессоров ознакомимся на примере нескольких программ:

1. DSP/FX Virtual Pack

(Разработчик - Power Technology. Последняя выпущенная версия - 6.2)

Программа имеет набор модулей обработки, которые могут использоваться как посредством интерфейса DirectX, так и непосредственно обрабатывать сигнал, полученный из Wave-файла или аудио-порта. Модули могут использоваться также в качестве расширителей системы многоканальной записи SAW и проигрывателя WinAMP.

Алгоритмы перенесены с аппаратной платы эффектов DSP/FX. При наличии в системе плат DSP/FX модули могут использовать процессоры плат; в противном случае вся обработка выполняется программно.

Каждый модуль поддерживает набор пресетов (предустановок) и управление параметрами посредством MIDI-контроллеров.

В состав пакета входят следующие модули обработки:

StudioVerb - параметрический ревербератор с моделированием помещения.

AcousticVerb - еще один тип ревербератора.

Optimizer - мягкий пиковый ограничитель и сглаживатель цифровых шумов (dithering).

Aural Activator - генератор гармоник для восстановления потерянных высокочастотных составляющих.

Stereo Pitch Shifter - модуль стереофонического изменения высоты. Изменяет высоту входного сигнала в соответствии с поступающими MIDI-нотами и перемещением регулятора Pitch Bend. Может использоваться для коррекции неточно выдержанных по высоте нот.

Multi-Tap Delay - имитатор множественных отражений внутри помещения, от реверберации до длительных эхо.

Analog Tape Flanger - имитатор аналогового ленточного фленжера.

Multi-Element Chorus - имитатор хорового эффекта путем моделирования пространственного разделения звука.

Parametric EQ - 8-полосный параметрический эквалайзер.

Auto-Panner - модуль автоматического позиционирования сигнала на стереопанораме.

Tremolo - модуль внесения амплитудного вибрато (тремоло).

Widener - расширитель зоны стереоэффекта.

2. Cylonix Vocoder

(Разработчик - James J. Clark. Последняя выпущенная версия - 2.00).

18-полосный вокодер реального времени.

В основу многополосного вокодера положено то, что, речевой аппарат человека работает по разностному принципу: исходный звук голосовых связок, богатый гармониками, подвергается динамическому управлению - резонансному усилению, амплитудной модуляции и фильтрованию - при прохождении через речевой тракт. Принцип работы такого вокодера состоит в разложении речевого управляющего сигнала (modulator) на заданное количество частотных полос и анализе динамики в каждой полосе. Полученные в результате анализа сигналы с определенной точностью повторяют динамику работы речевого тракта. Эти сигналы управляют банком частотных фильтров, через которые пропускается богатый гармониками несущий сигнал (carrier); в результате на выходе банка образуется "говорящий" несущий сигнал, как если бы звук подобного тембра издавали сами голосовые связки.

Как несущий, так и управляющий сигнал может быть сгенерирован несколькими способами - самой программой, введен с аудио-порта, либо взят из готового Wave-файла.

Вокодер имеет множество параметров: ширина полосы фильтра, пропорции смешивания входных и выходных сигналов, способы распознавания речевых звуков, режим воспроизведения высоты управляющего сигнала, виды отображения управляющих сигналов на банки фильтров. Различные способы отображения - сдвиг на несколько полос, инверсия, перестановка соседних полос и т.п. - позволяют в чрезвычайно широких пределах менять тембр полученного сигнала.

Каждый канал вокодера имеет набор регуляторов - уровень, стереопанорама, время затухания, задержка, время и интенсивность эха, уровень дополнительных искажений.

Возможно также отключение анализа управляющего сигнала - тогда программа работает, как обычный 18-полосный эквалайзер.

2. Системы многоканальной записи и сведения

Предназначены для многодорожечной записи и воспроизведения фонограмм подобно многоканальному магнитофону, а также для оконечного сведения (микширования) многодорожечной фонограммы. Основными функциями являются монтажные операции на дорожках, совмещение звуковых фрагментов, организация плавного перехода одних фрагментов в другие, регулировка громкости и положения на стереопанораме для каждой дорожки, перезапись всей дорожки или ее отдельных фрагментов.

Большинство систем многоканальной записи предназначено для работы в серьезных студийных условиях, поэтому практически все они имеют поддержку удаленного управления (MMC), синхронизации с внешними устройствами (SMPTE). Ряд современных систем поддерживает также синхронизацию с видеороликами.

В многоканальных системах используется преимущественно неразрушающий (non-destructive) монтаж. Это означает, что программа оперирует на многодорожечной панели не с самими звуковыми данными, а лишь со ссылками на их фрагменты (clips). Это заметно уменьшает требования к памяти, ускоряет доступ к данным и вдобавок защищает их от нежелательного изменения.

Подробнее с работой систем многоканальной записи и сведения ознакомимся на примере нескольких программ:

1. DDClip Pro

(Разработчик - SoftLab-NSK Последняя выпущенная версия - 3.01)

Новосибирская система многоканальной записи, монтажа, сведения и компоновки с видеоданными.

Предоставляет до 32 аудиодорожек, одну MIDI-дорожку и две видеодорожки. Каждая дорожка может содержать произвольное количество клипов - звуковых или видеофрагментов, каждый из которых, в свою очередь, является ссылкой на определенный участок исходных данных - аудио, MIDI или видео.

Технология работы в DDClip основана на подборе и совмещении клипов всех трех видов. Для создаваемого ролика заготавливаются все необходимые фрагменты, затем они в нужном порядке расставляются по дорожкам, после чего выполняется точная подгонка, выравнивание, настройка уровней громкости и панорамы, наложение эффектов и окончательное сведение.

На видеодорожках доступны простые операции видеообработки - обрезание кадра, плавные переходы между кадрами. Видеоролики воспроизводятся на любом устройстве с интерфейсом Video for Windows.

Поддерживается дополнительный монитор для вывода видеороликов.

На клипы могут накладываться профили - огибающие громкости и стереобаланса. Также могут быть наложены эффекты реального времени - delay, echo, chorus, phaser, flanger, графический/параметрический эквалайзеры. Несколько эффектов могут быть связаны в цепочку. На весь проект могут быть наложены глобальные (master) эффекты из этого же набора.

Вспомогательное окно Clip Collection (коллекция клипов) является удобным средством для быстрого выбора подходящих клипов и перетаскивания их в нужные места дорожек.

2. n-Track Studio

(Разработчик - Flavio Antonioli Последняя выпущенная версия - 2.0.2).

Система записи, монтажа и сведения с некоторыми функциями MIDI-секвенсора. Возможен разрушающий и неразрушающий монтаж. Количество аудио - и MIDI-дорожек не ограничено. Поддерживаются работа с DirectSound-портами и звуковые форматы до 24 разрядов и 96 кГц.

Имеет раздельные индикаторы уровня записи и воспроизведения, возможность синхронизации с видеороликом (AVI/MPEG), огибающие громкости/панорамы в режиме неразрушающего редактирования, метроном.

Для обработки применяются собственные и DirectX-модули, обработка возможна как при воспроизведении, так и в режиме прямого ввода с порта (live input). В состав встроенных модулей входят Chorus, Vol/Pitch Shift, Echo, Compression, Reverb.

Для просмотра и редактирования MIDI-дорожек имеется окно Piano Roll с несложным интерфейсом и возможностью квантования (quantize).

3. Звуковые редакторы

Объединяют функции цифрового магнитофона, звуковой монтажной станции и набора устройств обработки звука (процессоров). Осуществляют запись, воспроизведение и монтаж (вырезка, вклейка, замена фрагментов фонограммы). Чаще всего имеют набор встроенных и/или подключаемых звуковых процессоров, с помощью которых реализуется сложная обработка записанной фонограммы. Редактор может быть многоканальным, допуская раздельную запись и обработку нескольких звуковых дорожек с последующим их сведением (микшированием). Ряд редакторов предоставляет звуковые процессоры реального времени, а также средства для исследования сигнала - спектроанализаторы, взвешивающие фильтры и статистические функции.

Среди типовых функций звуковых редакторов наиболее общими являются:

Запись и воспроизведение звукового сигнала через аудиопорт звукового адаптера (карты)

Чтение и запись звуковых файлов, преимущественно формата RIFF PCM (WAV), а также других распространенных форматов

Возможность обработки моно - и стереосигнала с разрядностью 8 и 16 и частотой дискретизации до 44 100 Гц (нередко - до 24 разрядов и 96 кГц)

Монтаж сигнала (вырезка, вставка, удаление и размножение фрагментов)

Различные способы выделения рабочего участка (selection) при монтаже с выравниванием (snap) по точкам пересечения нуля (zero crossing), по времени (time), по ритмическим долям (beats)

Пометка точек и фрагментов фонограммы с ведением списка таких пометок, из которого можно быстро перейти к помеченному участку, а также поддержка списка участков проигрывания (play list), с помощью которого можно заменить линейное проигрывание на "рваное"

Основные операции обработки: усиление/ослабление, нормализация (такое масштабирование сигнала, чтобы его амплитуда точно вписалась в заданный диапазон), плавное увеличение/снижение уровня громкости (fade), изменение стереобаланса (pan), сжатие/растяжение динамического диапазона (compress/expand), пороговое пропускание (gate), наложение огибающей (envelope)

Основные виды эффект-обработки: phaser, flanger, reverb, delay, echo, overdrive, distortion, fuzz и т.п.

Специальные операции: частотное фильтрование (filter/EQ), изменение высоты (pitch) сигнала или длительности (stretch) участка фонограммы, ослабление шумов (noise, hiss) и щелчков (clicks, pops), формирование музыкальных звуков из участков фонограммы, спектральный анализ всей фонограммы или ее участка

Преобразование формата сигналов - частоты дискретизации, разрядности отсчета и количества каналов, смешивание стереоканалов в один

Генерация сигналов различной формы и характеристик - как стационарных, так и с изменяющимися во времени параметрами, а также шумов с различным распределением

Доступ к зарегистрированным в системе внешним модулям (plugins) обработки звука в стандарте DirectX/ActiveMovie, которым передается для обработки выделенный участок фонограммы

Синхронизация записи/воспроизведения по MIDI - запуск записи или воспроизведения по внешнему событию, посылка синхронизирующих сообщений другим устройствам (ведущее устройство, master sync), синхронизация по приходящим от других устройств сообщениям (ведомое устройство, slave sync)

Подробнее с работой звуковых редакторов ознакомимся на примере нескольких прграмм:

1. Sound Forge

(Разработчик - Sonic Foundry Последняя выпущенная версия - 4.5c).

Многооконный редактор с поддержкой OLE, видеороликов в формате AVI и дополнительного монитора для их отображения в процессе работы.

При работе с файлами в 16-разрядном формате PCM (WAV) есть возможность открыть файл в режиме непосредственного доступа (Direct mode), без промежуточного копирования. Это заметно ускоряет работу, однако лишает возможности сохранить прежнюю версию файла при аварийном завершении.

Максимально достижимое увеличение - одна точка экрана на один отсчет оцифровки, чего в ряде случаев явно недостаточно для хорошего рассмотрения формы волны.

Автоматическое выравнивание при выделении - по точкам пересечения нуля и временным меткам.

При монтаже удобно пользоваться функциями Preview Cur/Cursor (прослушивание, каким будет результат вырезки, до выполнения самой вырезки) и Pre-roll to Cursor (прослушивание небольшого участка перед курсором).

Поддерживается список помеченных участков (regions) и выборочного проигрывания.

В режиме записи возможно создание "пульта дистанционного управления" - Remote Control. При этом основное окно редактора заменяется на небольшое окно "пульта", находящееся поверх других окон. Эта функция удобна при записи сигнала, формируемого другой программой, либо устройством, управление которым производится из другой программы.

В режиме записи возможен также прямой сброс данных на диск, минуя системный кэш с обратной записью. Это позволяет избавиться от долгих пауз, когда Windows сбрасывает кэш на диск, останавливая при этом все программы, однако работа диска в таком режиме становится весьма напряженной за счет непрерывного позиционирования. Надо сказать, что и при работе через кэш Sound Forge использует диск гораздо более агрессивно, чем большинство других редакторов.

Редактор может работать с внешними семплерами (Akai, E-mu, Kurzweil, Peavey), поддерживающими стандарты MIDI SDS и/или SCSI SMDI. Поддерживается также подготовка семплов для ACID - другой программы Sonic Foundry, предназначенной для создания музыки из готовых фрагментов.

Генератор сигналов выдает простые периодические сигналы и серии DTMF, а также имеет функцию FM Synthesis - частотно-модуляционный операторный синтез, популярный в электронных синтезаторах начала 80-х.

Поддерживаются собственные подключаемые модули. При помощи модуля Batch Converter можно создать последовательность операций обработки, которая затем может быть автоматически применена к одному или нескольким файлам. CD Architect предназначен для формирования и записи звуковых компакт-дисков. Spectrum Analysis служит для спектрального анализа фонограммы, Noise Reduction - для ослабления помех и шумов, Q-Sound - для придания звуку эффекта объемности.

Синхронизация по MIDI возможна в обоих режимах - ведущем и ведомом.

Имеется любительская локализация SF 4.5 на русском языке (переведены тексты меню и сообщений). Качество перевода среднее.

2. WaveLab

(Разработчик - Steinberg. Последняя выпущенная версия - 2.02).

Один из наиболее мощных и удобных современных редакторов. Поддерживает форматы до 24 разрядов и 96 кГц.

Предоставляет все необходимые монтажные операции, нормализацию, преобразования динамики, коррекцию высоты/времени звучания. Операции сложной обработки немногочисленны: трехполосный эквалайзер, гармонайзер на 16 голосов (создает дополнительные гармоники основного голоса), качественный Chorus.

Основное внимание при обработке уделено поддержке модулей реального времени - собственных, DirectX и VST (от Cubase VST). Для управления модулями сделана специальная панель эффектов (Master Section), в которой можно выбрать до шести модулей одновременно. Для модулей WaveLab/VST изображаются панели управления, стилизованные под вид аппаратных стоечных блоков. Панели модулей, а также панели инструментов WaveLab (toolbars) могут находиться в любом месте экрана, а не только в окне редактора.

Имеет функции сравнения двух файлов, генерации тестового сигнала с огибающей, построения трехмерной спектрограммы с показом ее с различных точек зрения.

3. Функция Batch Processor позволяет сформировать алгоритм пакетной обработки набора файлов.

Поддерживает обмен данными с аппаратными семплерами AKAI, Ensoniq, E-mu, Kurzweil, Roland в стандартах SDS/SMDI. Может считывать звуковые дорожки с компакт-дисков. Содержит встроенный CD-рекордер с возможностью задания длительности пауз между дорожками.

Имеет несколько стилей и цветовых палитр интерфейса. После выполнения каждой операции отмечается время, затраченное на операцию, с точностью до миллисекунды, что удобно для оценки эффективности.

4. Генераторы и анализаторы сигналов

Служат для создания и исследования звуковых сигналов. Генераторы создают звуковые сигналы с заданными параметрами - формой, частотой, амплитудой, спектром, динамикой; полученный сигнал может использоваться для проверки и настройки звуковой аппаратуры, модификации музыкальных тембров путем смешивания или модуляции исходного сигнала, создания новых тембров и т.п. Анализаторы выделяют из входного сигнала различную информацию - спектральный состав, соотношения гармоник, динамические характеристики, статистические параметры. Сочетание генератора тестового сигнала, подключенного ко входу звукового тракта, и анализатора, подключенного к его выходу, позволяет изучать поведение тракта при прохождении различных сигналов, а также снимать нужные виды характеристик - амплитудно-частотную, фазо-частотную, динамическую, определять коэффициенты гармоник и интермодуляции и т.п.

Подробнее с работой генераторов и анализаторов сигналов ознакомимся на примере нескольких прграмм:

1. SpectraLab

(Разработчик - Sound Technology Последняя выпущенная версия - 4.32.13).

Чрезвычайно мощная система анализа звуковых сигналов - как в записи, так и в реальном времени. Поддерживает форматы до 24 разрядов, 96 кГц.

Анализ ведется в трех основных режимах: Real Time - обработка и построение графиков в реальном времени по данным, поступающим с аудиопорта; Recorder - то же, с параллельной записью поступающего сигнала; Post-Processing - анализ предварительно записанного Wave-файла.

Результаты анализа динамически представляются в окнах нескольких видов:

Time Series - обычная осциллограмма

Spectrum - спектральный график, непрерывный или полосовой

Phase - изменения фазы сигнала

Spectrogram - график изменения спектра во времени, в котором мгновенные "снимки" спектра сигнала рисуются по вертикали цветными линиями

3D Surface - трехмерная спектрограмма

Все виды окон могут открываться и динамически обновляться одновременно.

Отображаются также скалярные результаты - частота и амплитуда пиков, мощность сигнала, коэффициент гармоник, коэффициент интермодуляции, соотношение сигнал/шум.

Есть генератор тестовых сигналов, также работающий в реальном времени, с помощью которого можно анализировать работу исследуемого звукового тракта.

Программа имеет большое количество параметров, задающих полосы частот и способы анализа, параметры преобразования Фурье, оконных функций, отображаемых графиков и т.п. Вероятно, это - самая мощная система анализа сигнала для PC.

2. Analyser

(Разработчик - Павел Сукорцев Последняя выпущенная версия - 1.1).

Маленькая простая программа для быстрой оценки качества тракта записи-воспроизведения дуплексных звуковых карт. Содержит генератор тестового сигнала и анализатор спектра. Выход карты подключается к ее входу, задействуя ЦАП, АЦП и входные/выходные аналоговые цепи. Отображает в окне график АЧХ тракта.

5. Виртуальные синтезаторы

Являются наиболее популярным у музыкантов видом программ. Имитируют работу музыкального инструмента путем моделирования процессов, происходящих при извлечении звука. Преимущественно используется три основных метода синтеза звука:

Семплерный (sample) или таблично-волновой (wavetable) - создание звука из одного или нескольких заранее записанных фрагментов исходного звучания, с возможной параллельной обработкой сигналов. Наиболее прост технически, не требует больших вычислительных ресурсов, зато требует большого объема памяти для хранения качественных образцов звучания.

Аналоговое моделирование - имитация работы аналогового синтезатора путем математического суммирования, вычитания, модуляции и фильтрации сигналов различной формы, создаваемых также математическим путем. Позволяет с хорошей точностью моделировать популярные клавишные синтезаторы 60-70 годов, бас-станций и ритм-блоков. Не критичен к объемам памяти, однако требует больших вычислительных затрат на математические расчеты.

Физическое моделирование - создание математической модели реального акустического инструмента и получение на ее основе формул звуковых колебаний, создаваемых инструментом. Для полной реализации требует чрезвычайно больших вычислительных мощностей, из-за чего в реальном времени реализуется лишь частично.

По способу функционирования виртуальные синтезаторы можно разделить на две группы:

Генераторы - предназначены главным образом для создания звучаний, преимущественно не в реальном времени, с целью сохранения полученных образцов и последующего использования посредством семплерных или таблично-волновых синтезаторов.

MIDI-синтезаторы - имитируют синтезатор с управлением по MIDI. Создают собственный виртуальный MIDI-порт, отрабатывают получаемые через него MIDI-команды, генерируя на выходе музыкальный звук подобно реальному синтезатору. Работают либо в реальном времени, передавая сформированный звуковой сигнал в аудиопорт, либо опосредованно, записывая его в Wave-файл. Во втором случае называются MIDI Renderer - по аналогии с системами построения движущихся изображений из серии неподвижных кадров.

Подробнее с работой виртуальных синтезаторов ознакомимся на примере нескольких прграмм:

1. Generator

(Разработчик - Native Instruments. Последняя выпущенная версия - 2.0.4).

Чрезвычайно мощный модульный синтезатор. В спектр модулей помимо типичных генераторов, усилителей и микшеров входят инверторы, сумматоры, перемножители, несколько различных типов 1-, 2 - и 4-полюсных фильтров, дифференциатор/интегратор, логарифматор/экспоненциатор, ограничитель, детектор пиков, делитель частоты, фиксатор уровней (sample + hold), модуль квантования по уровню, модули логических операций над управляющими сигналами, сглаживатель и еще несколько модулей со сложными функциями.

Входы и выходы модулей обозначены различными значками, дающими представление об их функциональном назначении. Связывание входов и выходов выполняется простым движением мыши.

Составленная из модулей схема может быть объявлена как новый модуль (макроблок). Структура схемы при этом скрыта, и макроблок изображается лишь стандартным для модуля прямоугольником с названием и обозначениями входов/выходов. Такой подход удобен для создания типовых блоков синтезатора.

Модульная схема может быть снабжена панелью - совокупностью кнопок, ручек, движков и индикаторов, стилизованных под привычные органы управления. В конечном счете, после завершения создания структур, на экране остаются одни панели, которые выглядят как реальные аппараты и смотрятся очень красиво.

Структура с панелью управления называется инструментом. Инструмент опять же может иметь входы и выходы и выступать в качестве модуля. Совокупность инструментов называется ансамблем (ensemble). В комплекте с программой поставляется большое количество схем, макроблоков, панелей, инструментов и их ансамблей.

Всплывающие подсказки при наведении курсора мыши на изображение модуля или панели кратко поясняют суть объекта и правила обращения с ним.

Частота дискретизации звукового сигнала может быть от 22 до 132 кГц. Существует также понятие частоты управления (Control Rate) - с этой частотой процессор синтезатора сканирует схемы, "проталкивая" по ним сигналы. Частота управления задается в пределах от 25 до 1600 Гц.

Положения регуляторов могут быть сохранены (snapshot). Впоследствии можно возвращаться к любому из сохраненных наборов положений, а также восстанавливать нажатием кнопки последний набор.

При всей своей сложности Generator работает достаточно быстро, обеспечивая хороший отклик и стабильность звука. При использовании DirectSound-портов устойчивость повышается.

2. GigaSampler

(Разработчик - Nemesys. Последняя выпущенная версия - 1.6).

Революционная в своем роде программа, наделавшая своим появлением много шума. MIDI-синтезатор реального времени, не требующий полного размещения семплов в ОЗУ - считывание с диска (жесткого, магнитооптического, CD) происходит прямо в процессе проигрывания, что снимает все ограничения на объем инструментов, кроме объема самих дисков (объем одного семпла в инструменте ограничен 4 Гбайт из-за 32-разрядной сетки).

Для достижения наилучших результатов выпущена спецификация GigaSampler Interface (GSIF) - программного интерфейса с аудиопортом, через который GigaSampler обеспечивает минимальные задержки. Этот интерфейс уже реализован в драйверах карт Aardvark Aark, Soundscape Mixtreme, Echo Darla/Gina/Layla, EgoSys WaveTermital, Frontier Dakota.

Благодаря снятию ограничений на объем инструментов и их банков большое внимание уделено схеме отображения отдельных семплов на клавиатуру и уровни интенсивности (sample map). Рекомендуется метод построения инструмента без масштабирования высот семплов, то есть по отдельному семплу на каждую клавишу. Вдобавок введено понятие измерений (dimensions) - своеобразной координатной сетки из пяти различных контроллеров, совокупность значений которых как бы выбирает нужный семпл в пятимерном пространстве. Такая система введена для поддержки инструментов, на которых играют разными способами.

Большие объемы звучаний располагают к тому, чтобы образцы записывались полностью, без искусственного зацикливания и формирования фаз атаки-затухания методом амплитудной модуляции.

Инструмент создается из семплов традиционным путем - раскладкой по клавиатурным зонам (regions), интенсивности и измерениям, а также наслоением друг на друга. Здесь имеются традиционные для аппаратных самплеров средства - частотная и амплитудная модуляция посредством огибающих (два генератора) и LFO (один генератор), фильтрование (срез, полоса, пробка, резонанс).

Звук выводится в 16-,20 - и 24-разрядном формате с частотами дискретизации 32, 44,1 и 48 кГц. Поддерживается до 16 выводных аудиоканалов, между которыми заданным образом распределены входные MIDI-каналы. Есть функция прямой записи звука на диск (Capture).

В комплект входят редакторы семплов (волновых форм и циклов в них) и банков инструментов, а также преобразователь инструментов из формата Akai S1000/S3000, способный считывать "родные" компакт-диски от семплеров Akai.

6. Музыкальные редакторы

В эту группу входят программы, предназначенные для работы с музыкальными партитурами, как правило - в технологии MIDI. Музыкальный редактор обычно имеет дело не с конкретными звучаниями, а лишь с некоторой схемой их создания, которая обычно базируется на различных видах нотной записи, расширенной специфическими средствами управления инструментами.

Секвенсоры предназначены для записи, воспроизведения и редактирования музыкальных MIDI-партитур в нотном и схематическом виде, осуществляют типовые музыкальные операции - транспонирование, изменение темпа, длительности и динамики нот, а также монтаж фрагментов партитуры. Всегда многодорожечные - допускают формирование произведения из множества независимых партий. Большинство современных секвенсоров имеет поддержку аудиотехнологии, позволяя размещать на отдельных дорожках акустические или голосовые партии; окончательное смешивание сигналов при этом выполняется внешними аппаратными (звуковой адаптер, микшерный пульт) или программными (виртуальный синтезатор, многоканальный рекордер) средствами.

Название происходит от термина sequence - последовательность, поскольку первые секвенсоры (тогда еще некомпьютерные) предназначались для записи последовательности MIDI-событий и последующего ее воспроизведения в неизменном виде, и лишь затем к этому добавились функции монтажа и редактирования.

Подробнее с работой секвенсоров ознакомимся на примере следующей прграммы:

Cakewalk Pro Audio

(Разработчик - Twelve Tone Systems. Последняя выпущенная версия - 9).

Наиболее массовый и популярный MIDI-секвенсор с поддержкой аудиодорожек. Имеет удобный и интуитивно понятный интерфейс, широкий спектр необходимых функций редактирования и обработки. Работает с различными видами MIDI - и аудиооборудования, поддерживает частоты дискретизации до 96 кГц и разрядность оцифровки до 24 бит.

Поддерживает до 256 виртуальных дорожек, на каждой из которых может располагаться одна или несколько MIDI-партий либо аудиофрагменты. Секвенсор работает только с одноканальными (монофоническими) аудиоданными, поэтому стереоданные размещаются на двух дорожках. Каждая дорожка имеет набор свойств: название, ссылку на устройство вывода, номер канала, начальную громкость и положение на стереопанораме, номера MIDI-банка и инструмента и т.п.

Существует понятие clip - логически законченный фрагмент дорожки, содержащий партию инструмента, ритмический рисунок или музыкальную фразу; на панели проекта такие фрагменты отображаются различными цветами и могут выбираться/перемещаться простым нажатием и перетаскиванием мышью.

При копировании клипов они могут копироваться вместе со своим содержимым, либо может копироваться только ссылка на исходный клип (linked clips - связанные клипы). Все связанные клипы одной группы ссылаются на один и тот же набор данных, и все изменения в любом из клипов группы фактически происходят в этом наборе.

Система построения управляющих панелей StudioWare дает возможность нарисовать панель нужного вида, снабдить ее органами управления и индикации - кнопками, движками, ручками, переключателями, индикаторами и шкалами, описав механизм действия каждого органа, чтобы затем в режиме реального времени управлять работой секвенсора и синтезаторов при помощи созданной панели. Динамика работы органов управления может быть записана и многократно воспроизведена. В комплекте поставляется несколько готовых панелей управления.

Поддерживается просмотр видеороликов в форматах AVI, MPEG и QuickTime и синхронизация партитуры с кадрами ролика.

В режиме выбора банка и номера MIDI-инструментов работает удобная система поиска.

Средства MIDI-редактирования включают сдвиг, выравнивание по ритмической сетке (quantize), а также обратную операцию "разбрасывания" (groove quantize), транспонирование, растяжение/сжатие времени и нот, мощную операцию Interpolate для масштабирования и преобразования видов MIDI-сообщений. Предусмотрена возможность подключения внешних модулей MIDI-обработки (MIDI Effects, MIDI Plugins). В состав пакета входят модули арпеджиатора, анализатора аккордов, имитатора эффектов echo и delay.

Имеется встроенный редактор аудиофрагментов с возможностью монтажа, усиления/ослабления, нормализации, смешивания, эквалайзера, поиска переходов через нуль, определения темпа, распознавания высоты нот. Поддерживаются подключамые модули в стандарте DirectX, в состав пакета входит набор основных видов обработки.

Функция Mixdown Audio дает возможность свести несколько готовых аудиодорожек в одну, после чего исходные дорожки можно заглушить - это заметно снижает накладные расходы на смешивание в реальном времени.

Поддерживается синхронизация от собственного генератора, генераторов звуковых адаптеров, внешнего источника (SMPTE), а также посылка и прием команд MMC (MIDI Machine Control). Встроенный несложный язык программирования CAL (Cakewalk Application Language) позволяет создавать собственные программы для обработки звуковых данных.

При работе со звуковыми картами семейства AWE (AWE32, SB 32, AWE64, SB Live!) доступно удобное управление банками SoundFont.

Имеется любительская локализация версии 8.01 на русском языке (переведены тексты меню, сообщений и помощи). Качество перевода - среднее.

Трекеры cочетают в себе виртуальный семплерный синтезатор, редактор его инструментов и редактор партитур, позволяя обходиться единственной программой на протяжении всего цикла изготовления композиции. Появились в начале 80-х в любительской среде как альтернатива дорогим и сложным профессиональным синтезаторам и секвенсорам. Благодаря этому имеют специфический способ представления партитуры, основанный на кадрах (pattern), каждый из которых имеет фиксированное количество командных строк (стандартно 64). В каждой строке кадра располагается одна нота или команда изменения параметров звука - высоты, громкости, глубины модуляции, темпа, специфических режимов синтезатора, перехода к другой позиции кадра или другому кадру и т.п. По вертикали кадр делится на каналы, или голоса партитуры, - в каждом канале обычно записывается отдельная партия, однако из-за традиционных особенностей структуры, не допускающих совмещение разных нот в одной позиции, аккорды и многоголосые партии приходится записывать сразу в нескольких каналах. Композиция собирается из последовательности кадров, причем любой кадр может встречаться произвольное количество раз. Способ представления партитуры изначально был ориентирован на ритмичную музыку размера 4/4, что весьма затрудняет работу с "нечетными" размерами.

Композиции, сделанные в трекерах, сохраняются в файлах, называемых модулями. Модуль содержит как партитуру - ноты и команды управления, так и сами звучания инструментов. Это сильно увеличивает объем модуля по сравнению с файлами MIDI-технологии, однако снимает аппаратную зависимость - звучание модуля зависит только от верности его интерпретации трекером или проигрывателем. Наиболее распространенные типы модулей - MOD, STM, S3M, XM, IT, ULT.

Интерфейс большинства трекеров изобилует собственными терминами, отличными от традиционно принятых в системах звукосинтеза, шестнадцатеричными числами, техническими подробностями и прочей неподходящей для обыкновенного музыканта атрибутикой. Трекеры весьма популярны в среде молодежного музыкального андерграунда - на них легко, быстро и практически без финансовых затрат получаются модные ритмичные композиции в стилях techno, rave, trance, trip-hop и им подобных.

Большая часть трекеров сделана под DOS, для работы на маломощных (286-486) компьютерах.

Подробнее с работой трекеров ознакомимся на примере нескольких прграмм:

1. Fast Tracker

(Разработчик - Triton (Vogue & Mr. H). Последняя выпущенная версия - 2.08).

Достаточно мощный трекер под DOS с красивым графическим интерфейсом и управлением мышью. Собственный тип модулей - XM, воспринимает модули типа MOD, STM, S3M и файлы описания инструментов Gravis Ultrasound (PAT).

Инструменты FT могут быть многослойными, сочетая до 16 8 - или 16-разрядных семплов с частотой дискретизации до 44,1 кГц, каждый из которых имеет собственные огибающие амплитуды и панорамы, а также частотный модулятор (вибрато). Каждая огибающая может быть зациклена, образуя своеобразный амплитудный или панорамный LFO. Количество инструментов - до 128. Редактор семплов и инструментов имеет удобный интерфейс с графическим представлением огибающих.

В редакторе семплов есть интересная функция Morph, делающая плавный переход от одного звучания к другому.

Трекер (как, впрочем, и большинство других) оптимизирован под звуковую карту Gravis Ultrasound, однако неплохое звучание получается и на SB16-совместимых картах. Остальные карты трекер может использовать только в 8-разрядном режиме. Поддерживается также прямой ЦАП на LPT-портах (Soundplayer, Covox) и традиционный PC Speaker.

При работе с картами GUS и SB16 поддерживается MIDI-клавиатура.

Звучание модуля может быть записано непосредственно в Wav-файл, без передачи звуковому адаптеру и промежуточных преобразований.

2. Modplug Tracker

(Разработчик - Olivier Lapicque. Последняя выпущенная версия - 1.09).

Редактор семплов с функциями нормализации, усиления, передискретизации, переворачивания. Редактор инструментов поддерживает все возможности модулей MOD, S3M, XM и IT. В режиме IT доступны случайные вариации громкости и панорамы, а также резонансные фильтры.

Встроенный проигрыватель, как в и Modplug Player, имеет функции Bass Expand, Reverb, ProLogic Surround, 6-полосный эквалайзер.

Ноты вводятся либо с клавиатуры компьютера, как в традиционных трекерах, либо со внешней MIDI-клавиатуры. Может быть загружен MIDI-файл с заданным отображением раскладки его инструментов на инструменты трекера. При помощи виртуального MIDI-кабеля трекер может быть использован в качестве программного MIDI-синтезатора.

Нотный редактор подобен секвенсору - многие из них также могут записывать и воспроизводить MIDI-партитуры, однако основной задачей нотного редактора является подготовка партитуры к печати и изданию. Благодаря этому в нотных редакторах существуют лишь минимальные средства работы с MIDI-сообщениями, необходимые лишь для записи и воспроизведения. Остальные функции ориентированы на работу с нотным текстом - ввод нот, аккордов, расположение партий на нотных станах, снабжение их нужными музыкальными знаками и т.п. Результатом работы в нотном редакторе является правильно и красиво напечатанная нотная партитура.

Подробнее с работой нотных редакторов ознакомимся на примере следующей программы:

Finale 2000

(Разработчик - Coda Music Technology. Последняя выпущенная версия - 2000).

Профессиональный нотный редактор. Предоставляет три способа ввода нот и аккордов: Simple Entry - с клавиатуры компьютера или мышью, Speedy Entry - с MIDI-клавиатуры с заданной постоянной ритмикой, HyperScribe - путем игры на MIDI-клавиатуре в реальном времени или импорта MIDI-файла, ритмические параметры определяются автоматически. Возможна запись игры двумя руками с автоматическим разделением на партии левой/правой руки. Введенные ноты могут быть квантованы (quantization).

Рядом с нотами могут быть помещены тексты вокальных партий (lyrics).

Нотный текст отображается в двух видах: Scroll - непрерывные партии слева направо с прокруткой, и Page - заготовки страниц с указанным расположением партий и возможностью его изменения. Расположение по умолчанию определяется шаблоном; в поставке есть шаблоны партитур разных стилей и применений (ансамблевые, оркестровые, церковные и т.п.).

Возможен импорт файлов Encore и MIDIScan.

Для удобства работы с данными введена слойная структура: на странице может быть до 4 слоев по 2 голоса в каждом. При переключении слоев панели инструментов ввода меняют цвет.

Специальные знаки - лиги, скобки, знаки крещендо/диминуендо, реприз и т.п. - изображаются и перемещаются как графические объекты. Некоторые из фигур снабжены манипуляторами (handles), которыми, зацепляя их мышью можно менять размер и форму фигуры.

Для любого такта может быть создана копия со ссылкой (mirror). Подобная копия не содержит данных, отображая содержимое основного такта. Можно задать выборочный показ нот в копии такта.

Могут быть созданы "плавающие" пояснительные такты, не звучащие при контрольном проигрывании. Такие такты могут быть помещены в любое место страницы.

Возможна различная трансляция энгармонических тональностей - с выбором в пользу диезов, бемолей либо заданным образом.

Большие партитуры могут печататься на несколько листов, которые затем склеиваются в один большой лист (tiling pages).

Наряду с печатью партитуры возможно ее преобразование в PostScript - кодированный "сценарий" построения изображения - наподобие компиляции исходного текста компьютерной программы. Файлы PostScript предназначены для распространения - их можно просмотреть и напечатать, однако из них нельзя однозначно воссоздать структуру партитуры с разделением на партии, знаки, текст, специальные пометки и т.п.

7. Музыкальные процессоры

Служат для обработки музыкальных партий в формате MIDI - внесения исполнительских нюансов, изменения стиля исполнения, "оживления" композиции. Обнаружено, что естественность имитации звучания акустических инструментов зависит не столько от точности повторения самого тембра, сколько от особенностей игры, присущей данному инструменту: для гитары это способ щипка, подтяжка струн, пальцевое вибрато, для скрипки - сила нажатия смычком на струны, динамика движения смычка и то же пальцевое вибрато, для духовых - характерное изменение громкости по ходу музыкальной фразы и т.п. Процессоры работают обычно с готовой партитурой, построенной "математически точно" - все ноты стоят в точности на своих местах, нюансы изменения высоты и громкости отсутствуют.

Подробнее с работой музыкальных процессоров ознакомимся на примере нескольких программ:

1. Style Enhancer

(Разработчик - NTONYX. Последняя выпущенная версия - 2.1).

Первый интеллектуальный MIDI-процессор, разработанный в Новосибирской Государственной консерватории.

Фактически процессор выполняет моделирование исполнения (performance modelling) - имитирует приемы, которыми музыкант воздействует на реальный инструмент. Работа процессора основана на понятии стиля - совокупности характерных приемов воздействия на инструмент, используемых музыкантами в игре на различных инструментах. Каждый стиль характеризует особенности исполнения различных музыкальных фраз, типичные акценты на каких-либо элементах музыки, нюансы ритма, интенсивности, варьирования различных параметров звука.

Просматривая исходный MIDI-файл, SE распознает в нем объекты (objects) - аккорды, музыкальные фразы, ритмические рисунки, громкостные или высотные ходы. К каждому объекту по заданной схеме применяется правило (rule), описывающее параметры объекта, которые нужно изменить, и величины этих изменений. Например, правило может указывать небольшое смещение нот во времени относительно ритмических долей, изменение интенсивности звучания по ходу фразы, вставку команд изменения высоты (pitch bend) для имитации глиссандо, вибрато или подтяжек.

Совокупность правил, применимых к партии отдельного инструмента, и образует стиль. В составе SE поставляется набор готовых стилей - гитарные, скрипичные, фортепианные, духовые и т.п. Показательно, что при обработке партии, скажем, скрипичным стилем и проигрывании ее звуком другого инструмента, похожего по динамике, возникает ощущение, что играет все-таки скрипка. Очевидно, для человеческого восприятия особенности звучания инструмента оказываются важнее, нежели предельно точное воссоздание его тембра.

Для наиболее эффективной работы процессора исходный файл может быть "выровнен" или отквантован - все ноты выставлены по ритмической сетке и их интенсивности (velocity) приведены в одинаковое значение. Это позволит SE более точно распознать и правильно обработать объекты.

Процессор предоставляет ряд монтажных и управляющих функций секвенсора для "тонких" манипуляций с исходными и результирующими MIDI-партитурами.

2. Pattern Variator

(Разработчик - NTONYX. Последняя выпущенная версия - 1.0).

Другой музыкальный процессор NTONYX. Предназначен для внесения в готовые MIDI-композиции динамического изменения параметров звучания - громкости, модуляции, панорамы, плавных и дискретных изменений высоты, характеристик фильтров и эффектов, и т.п. Особенно эффективен при обработке музыки, в которой основную нагрузку несет тембрально-динамическая, а не мелодико-гармоническая сторона.

Исходная композиция вводится (импортируется) в формате MIDI, результат сохраняется в специфическом формате PV. Традиционные секвенсорные операции редактирования самих MIDI-дорожек не поддерживаются - целью процессора является только управление параметрами. Параметром может быть любая MIDI-переменная - интенсивность ноты (velocity), темп, длительность ноты, интервал между нотами, значение любого из контроллеров. На каждую MIDI-дорожку может быть наложен собственный набор изменяющихся параметров, который именуется моделью (pattern).

Способ внесения динамических параметров заключается в наложении на композицию графика изменения каждого из них. Графики создаются из участков, каждым из которых может быть либо прямая линия, либо гладкая кривая заданной кривизны. График задает изменение параметра относительно среднего значения, которое указывается в свойствах параметра. В свойствах указывается также масштаб изменения, что усиливает или ослабляет амплитуду изменения, заданную графиком.

Кроме изменяющихся параметров, имеются три функции трансформации нот: переворот по вертикали (высоте), переворот по горизонтали (времени) и подстановку, когда для каждой ноты октавы может быть задано повышение или понижение.

Процессор предлагает очень интересную и чрезвычайно мощную функцию - растягивание модели на несколько повторений (циклов) партии. Это приводит к различному звучанию партии внутри каждого цикла. Убирание до нуля параметра громкости эквивалентно глушению дорожки и пропаданию этой партии из общего звучания. Таким образом, создавая заранее "болванку" с различными партиями - вступления, проигрыша, различных ритмических и басовых рисунков, а затем рисуя для них графики громкости и остальных параметров, можно прямо в PV создавать различные композиции и варьировать их звучание.

8. Автокомпозиторы

Пользуясь различными приемами, автоматически создают элементы музыкального творчества - мелодический или гармонический рисунок, либо готовую композицию, составленную из типовых схем и фрагментов. Служат для быстрого создания заготовок композиций, а не особо требовательным пользователям - и конечного продукта.

Подробнее с работой автокомпозиторов ознакомимся на примере следующей программы:

Koan Pro

(Разработчик - SSEYO. Последняя выпущенная версия - 2.2).

Интересная программа для создания фоновой музыки. Идея заключается в группировке голосов (voices) различных типов, каждый из которых либо исполняет заданную партию, либо импровизирует под управлением программы (иначе говоря, программа в некотором роде сочиняет музыкальные шаблоны).

Каждый тип голоса имеет свое назначение: Rhytmic - ритмический рисунок заданного типа; Ambient - "тянущиеся" звуки, типичные для электронной музыки (может быть подставлен Wave-файл); Follows - голос-повторитель, повторяющий движение другого заданного голоса, с задержкой и смещением по высоте; RepeatBar - голос, периодически играющий фразу на основе прошлой сыгранной им же фразы; FixedPattern - фраза фиксированного вида; Listening - голос, "слушающий" остальные голоса и играющий на этой основе - например преобразующий ноты в аккорды.