Historiaa musiikillisten äänten fysikaalisesta mallintamisesta



Samankaltaiset tiedostot
Pianon äänten parametrinen synteesi

Kohti uuden sukupolven digitaalipianoja

Fysikaaliseen mallinnukseen pohjautuva äänisynteesi

PIANON ÄÄNEN ANALYYSI JA SYNTEESI. Heidi-Maria Lehtonen, Jukka Rauhala, Vesa Välimäki

2 CEMBALON TOIMINTAPERIAATE JA OMINAISUUKSIA

SGN-4200 Digitaalinen audio

T DSP: GSM codec

Äänen eteneminen ja heijastuminen

Organization of (Simultaneous) Spectral Components

KOLMIULOTTEISEN TILAN AKUSTIIKAN MALLINTAMINEN KAKSIULOTTEISIA AALTOJOHTOVERKKOJA KÄYTTÄEN

Digitaalinen signaalinkäsittely Kuvankäsittely

SGN-4200 Digitaalinen Audio Harjoitustyö-info

4.2 Akustista fonetiikkaa

SOITANNOLLINEN ÄÄNENMUODOSTUS FYSIKAALISELLA VIULUMALLILLA SORMITUSTEN NÄKÖKULMASTA

Mono- ja stereoääni Stereoääni

Digitaalinen audio

YLEISTÄ TIETOA SOITONOPISKELUSTA

2. kierros. 2. Lähipäivä

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Ääni, akustiikka Lähdemateriaali: Rossing. (1990). The science of sound. Luvut 2-4, 23.

Päällekkäisäänitys Audacityllä

VIRTUAALIANALOGIASYNTEESIN LYHYT HISTORIA 1 JOHDANTO

Ääni, akustiikka. 1 Johdanto. 2.2 Energia ja vaimeneminen (1) 2 Värähtelevät järjestelmät

Radioamatöörikurssi 2015

Teknillinen korkeakoulu, Akustiikan ja äänenkäsittelytekniikan laboratorio PL 3000, TKK, Espoo

Säätötekniikan matematiikan verkkokurssi, Matlab tehtäviä ja vastauksia

TL5503 DSK, laboraatiot (1.5 op) Suodatus 2 (ver 1.0) Jyrki Laitinen

5 Akustiikan peruskäsitteitä

f k = 440 x 2 (k 69)/12 (demoaa yllä Äänen väri Johdanto

THE audio feature: MFCC. Mel Frequency Cepstral Coefficients

Pv Pvm Aika Kurssin koodi ja nimi Sali Tentti/Vk Viikko

ÄÄNEKKÄÄMMÄN KANTELEEN MALLINTAMINEN ELEMENTTIME- NETELMÄLLÄ

Soitinvalintaopas. Hyvinkäänkatu 1, HYVINKÄÄ, puh ,

ELEC-C5210 Satunnaisprosessit tietoliikenteessä

Parempaa äänenvaimennusta simuloinnilla ja optimoinnilla

ELEC-C Sovellettu digitaalinen signaalinkäsittely. Äänisignaalien näytteenotto ja kvantisointi Dither Oskillaattorit Digitaalinen suodatus

Puheen akustiikan perusteita Mitä puhe on? 2.luento. Äänet, resonanssi ja spektrit. Äänen tuotto ja eteneminen. Puhe äänenä

Radioamatöörikurssi 2013

3 Ääni ja kuulo. Ihmiskorva aistii paineen vaihteluita, joten yleensä äänestä puhuttaessa määritellään ääniaalto paineen vaihteluiden kautta.

YLEISTÄ TIETOA SOITONOPISKELUSTA

KAIKUPEDAALIN VAIKUTUKSET PIANON ÄÄNEEN: ANALYYSI JA SYNTEESI 1 JOHDANTO 2 ÄÄNITYKSET JA SIGNAALIANALYYSI

Puheen akustiikan perusteita

Binauraalinen äänentoisto kaiuttimilla

Rikstone RT Käyttöohje

Åbo Akademi klo Mietta Lennes Nykykielten laitos Helsingin yliopisto

= vaimenevan värähdysliikkeen taajuus)

PUTKIJÄRJESTELMÄSSÄ ETENEVÄN PAINEVAIHTELUN MALLINNUS HYBRIDIMENETELMÄLLÄ 1 JOHDANTO 2 HYBRIDIMENETELMÄN MATEMAATTINEN ESITYS

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Systeemianalyysin laboratorio. Mat Systeemien Identifiointi. 4. harjoitus

Luento 11: Periodinen liike

Useita oskillaattoreita yleinen tarkastelu

REUNAEHTOJEN TOTEUTUSTAPOJA AALTOJOHTOVERKOSSA

ÄÄNEKKÄÄMMÄN KANTELEEN SUUNNITTELU JA ANALYYSI 1 JOHDANTO

YLEINEN AALTOLIIKEOPPI

Dynaamiset regressiomallit

Tieteen ja tutkimusalan opintoihin hyväksyttävät opintojaksot ovat (taulukossa A= aineopinnot, S=syventävät opinnot, J = jatko-opinnot):

Signaalinkäsittely Musiikin sisältöanalyysi Rumpujen nuotinnos Muotoanalyysi Yhteenveto. Lectio praecursoria

Parametristen mallien identifiointiprosessi

Säätötekniikan ja signaalinkäsittelyn työkurssi

Spektri- ja signaalianalysaattorit

Tiistai klo Jari Eerola

SWEPT SINE MITTAUSTEKNIIKKA (NOR121 ANALYSAATTORILLA)

ÄÄNTÄ VAHVISTAVAT OLOSUHDETEKIJÄT. Erkki Björk. Kuopion yliopisto PL 1627, Kuopion 1 JOHDANTO

Käyttöohje. 1/DOC-RS15C Fi A

Luento 13: Periodinen liike

Vahvistimet ja lineaaripiirit. Operaatiovahvistin

Y Yhtälöparista ratkaistiin vuorotellen siirtofunktiot laittamalla muut tulot nollaan. = K K K M. s 2 3s 2 KK P

Kuva 1. Mallinnettavan kuormaajan ohjaamo.

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

Matemaattisesta mallintamisesta

Tehtävä 1. Vaihtoehtotehtävät.

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

Dynamiikan hallinta Lähde: Zölzer. Digital audio signal processing. Wiley & Sons, Zölzer (ed.) DAFX Digital Audio Effects. Wiley & Sons, 2002.

Radioamatöörikurssi 2017

Kon Simuloinnin Rakentaminen Janne Ojala

Muuntavat analogisen signaalin digitaaliseksi Vertaa sisääntulevaa signaalia referenssijännitteeseen Sarja- tai rinnakkaismuotoinen Tyypilliset

Radioamatöörikurssi 2014

SIIRTOMATRIISIN JA ÄÄNENERISTÄVYYDEN MITTAUS 1 JOHDANTO. Heikki Isomoisio 1, Jukka Tanttari 1, Esa Nousiainen 2, Ville Veijanen 2

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

Mekanismisynteesi. Kari Tammi, Tommi Lintilä (Janne Ojalan kalvojen pohjalta)

Värähdysliikkeet. q + f (q, q, t) = 0. q + f (q, q) = F (t) missä nopeusriippuvuus kuvaa vaimenemista ja F (t) on ulkoinen pakkovoima.

Luento 14: Periodinen liike, osa 2. Vaimennettu värähtely Pakkovärähtely Resonanssi F t F r

Mu2 MONIÄÄNINEN SUOMI, jaksoissa 2, 3 ja 5 Mikä on suomalaista musiikkia, millaista musiikkia Suomessa on tehty ja harrastettu joskus

Avid Pro Tools Äänityksen perusteet. Petri Myllys 2013 / Taideyliopisto, Sibelius-Akatemia tp48 Äänitekniikan perusteet

ÄÄNISYNTEESI TYÖKONESIMULAATTOREISSA

Kuulohavainnon perusteet

2 KLAVIKORDIN TOIMINTAPERIAATE JA AKUSTIIKKA

Puhesynteesi. Martti Vainio. 11. huhtikuuta 2003

Luento 15: Ääniaallot, osa 2

Missä mennään. systeemi. identifiointi. mallikandidaatti. validointi. malli. (fysikaalinen) mallintaminen. mallin mallin käyttötarkoitus, reunaehdot

Dynaamiset regressiomallit

16 Ääni ja kuuleminen

Connexx 6 Siemens-kuulokojeiden sovitusohjelma.

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

KIELEN PITKITTÄISTEN VÄRÄHTELYJEN HAVAITSEMINEN PIANON ÄÄNESSÄ 1 JOHDANTO 2 KUUNTELUKOKEET

KOTELON ÄÄNENERISTYKSEN VIBROAKUSTINEN MALLINNUS ELEMENTTIMENETELMÄLLÄ

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

Kimppu-suodatus-menetelmä

Integrointialgoritmit molekyylidynamiikassa

Laskuharjoitus 2 ( ): Tehtävien vastauksia

HUONEAKUSTIIKAN MALLINNUS VIRTUAALISELLA AALTOKENT- TÄSYNTEESILLÄ 1 JOHDANTO 2 VIRTUAALISEN AALTOKENTTÄSYNTEESIN TEORIA

Transkriptio:

Äänilähteiden fysikaalinen mallintaminen uusin äänisynteesimetodi simuloi soittimen äänentuottomekanismia käyttö musiikillisissa äänissä: -jäljitellään olemassaolevia akustisia instrumentteja -mahdollistaa myös mielikuvituksellisten "soittimien äänittämisen joissakin instrumenteissa on saavutettu erittäin hyvä äänenlaatu (kieli- ja puhallinsoittimet) auttaa ymmärtämään soittimien toimintaa (mitkä piirteet äänessä ovat tärkeitä, mikä saa äänen kuullostamaan hyvältä) T.V. 22.8.2001 1/23 Historiaa musiikillisten äänten fysikaalisesta mallintamisesta -Pythagoras tutkiskeli jo 500 ekr. jousen värähtelyä 2/23

Malleissa usein kolme osaa: 1. heräte 2. resonaattori 3. säteilijä 3/23 Fysikaaliset mallit voidaan jakaa 5 kategoriaan 1. source-filter mallit (esim. puheenkoodauksessa käytössä) -tulkinnanvaraista, onko tämä fysikaalinen malli -joissakin instrumenteissa on mahdollista erottaa heräte ja suodatin -usein vuorovaikutus soittimessa on kuitenkin monimutkaisempi, esim. puhallinsoittimissa tarvitaan takaisinkytkentä resonaattorista 2. osittaisdifferentiaaliyhtälöiden numeerinen ratkaisu 3. värähtelevät massa-jousi verkot 4. modal synthesis 5. waveguide synthesis 4/23

Osittaisdifferentiaaliyhtälöiden numeerinen ratkaisu ensimmäinen yritys mallintaa musikaalista ääntä 1971 (Hiller and Ruiz), laskennallisesti kovin raskasjärjestelmä, edes nykyisilliä tietokoneilla ei pystyisi reaaliaikaisuuteen ratkaistaan järjestelmää kuvaavat aaltoyhtälöt rajallisessa määrässä pisteitä => differentiaaliyhtälöt, jotka kuvaavat järjestelmää koten hyvin voi kuvitella, dimensioiden kasvaessa tarvittavien pisteiden määrä kasvaa nopeasti => soveltuu parhaiten 1D-värähtelijöihin (voidaan toteuttaa reaaliajassa) esim. kitaran rungon mallintaminen ei onnistu. digital waveduideen liittyen on kehitetty "verkkoja" 2D-ja 3Dsysteemeille, jotka toteuttavat saman asian jos parametrit ovat oikein, saadaan erittäin tarkasta reaalimaailmaa vastaava systeemi=> parametrit vastaavat fysikaalisia parametria (jäykkyys, 5/23 vaimennus). Parametrit voidaan saada joko analysoimalla soitinta tai signaaleja. 6/23

Mallintaminen massa-jousi-systeemillä 1970-luvun lopulla ja 80-luvun alku yksinkertaisuuden vuoksi liike rajoitettu yhteen dimensioon (myöhemmin myös 2D ja 3D -jutskia) 7/23 Modal synthesis 1991 IRCAM, Pariisi Perustuu moodien (eri taajuuksien) mallintamiseen kullakin taajuudella on oma vaimennuskerroin sekä dimensiot. hyviä puolia: parametrit voidaan analysoida mille tahansa instrumentille tekemällä mittauksia (tarkka heräte ja mikrofoni), ja yksinkertaisille soittimille (jousi) myös analyyttisessa muodossa. 8/23

Digital waveguide tärkein fysikaalinen mallinnusmenetelmä idea: ideaaliselle 1D-värähtelijälle (homogeeninen väliaine, ei vaimenna) kaksi vastakkaisiin suuntiin menevää viivelinjaa vastaavat aaltoyhtälöitä digitaalisia malleja, jotka käyttäytyvät kuten fysikaaliset systeemit viivelinja + y(n,k) viivelinja 9/23 sopii erityisen hyvin 1D-resonaattorien mallintamiseen (värähtelevä jousi, akustinen putki, ohut putki). käytettiin ensin kaiunnan mallintamiseen (Smith 85) ja sen jälkeen puhaltimien ja jousisoittimien mallintamiseen (Smith 86) 10/23

Karplus-Strong model waveguiden edeltäjä, 1983 viivelinja+alipäästösuodatin (loop filter) viivelinja alustetaan valkoisella kohinalla toiminta vastaa kampasuodatinta => tietyt taajuudet vaimenevat hitaasti, signaalista tulee jaksollinen ja sillä on aistittava perustaajuus z -M loop filter output 11/23 jos suodattimen vahvistus on alle 1 kaikilla taajuuksilla, ääni vaimenee ja sammuu lopulta jos suodatin on jotain muuta kuin all-pass, eri taajuudet vaimenevat eri nopeuksilla perustaajuus riippuu viivelinjasta, f 0 = ------------------, missä 0.5 vastaa loop M + 0.5 filtterin viivettä. koska viivelinja voi olla vai kokonaislukuja pitkä, mitä tahansa perustaajuutta ei voida tuottaa (huono juttu!) f s Waveduige (taas) ensimmäinen waveguide model käytettiin klarinetin syntetisoinnissa (Smith 86) 12/23

kaksi yhtä "pitkää" viivelinjaa jotka kuvaavat aaltokomponenttien etenemistä molempiin suuntiin putkessa. Viivelinjan pituus vastaa suoraan klarinetin putken pituutta: f s l L = ------ (L=viive, l=putken toiminnallinen pituus, c=äänen nopeus) (taas c ongelmia kokonaislukuviiveestä). input excitation model z -L z -L reflection model output 13/23 heijastusmalli kuvaa heijastusta ja säteilyä putken päässä, sen ulostulosta otetaan siis myös klarinetin ulostulo. Herätemalli mallintaa kielen ja suukappaleen toimintaa (epälineaarinen). lisäyksiä myöhemmin: *soittajan huulten mallintaminen massa-jousi -värähtelijällä *reikien mallin lisääminen (samaa menetelmää käytetty mm. rummuissa) Näppäillyn kielen malli: heräte + output FD delay loop filter 14/23

-kolme osaa: 1. loop filter (eri taajuuksien erilainen vaimeneminen) 2. delay line 3. fractional delay filter (poistaa perustaajuuksien kvantisointiongelman) -toteutaan interpoloimalla (kolmannen tai neljännen asteen lagrange interpolointisuodatin on riittävä) tai all-pass-suodattimella -loop filter on yksinkertisimmillaan one-pole suodatin H( z) g 1 + a 1 = ---------------------- 1 + a 1 z 1 g=decay rate (0<g<1) a 1 =frequency dependent decay (-1<a 1 <0) 15/23 malli on itse asiassa korkean asteen IIR-suodatin parametrien estimointi: 1. äänitettyä kitaran soittoa kaiuttomassa tilassa 2. signaalin analyysi (esim. FFT) 3. parametrien estimointi 4. herätesignaalit joko -käänteissuodatuksella -tai poistamalla harmoniset komponentit äänitetyistä signaaleista +ekvalisointi 16/23

Soittimen rungon mallintaminen esim. akustinen kitara runko on myös kompleksinen värähtelevä järjestelmä: vaste vastaa n. 400 asteen IIR-suodatinta (aika hankala juttu) ratkaisu: oletetaan kielen ja rungon mallit lineaarisiksi ja vaihdetaan niiden järjestystä ja yhdistetään herätteeseen impulssi heräte string body E(z) S(z) B(z) output B(z) E(z) S(z) heräte S(z) 17/23 2D- ja 3D-waveguide-verkot laajentamalla tavallinen digital waveguide kaksi- tai kolmeulotteiseksi verkoksi pystytään mallintamaan monimutkaisempien otusten värähtelyjä esim. kalvot, lautaset, gongit, huoneakustiikka waveguide-tutkimus keskittyy herätteen ja värähtelen systeemin välisten epälilneaarisuuksien mallintamiseen muunlaisten resonaattorien mallintaminen (esim. kartio) säteilyn mallintaminen 18/23

2D-waveguiden yksi solu: z -1 z -1 z -1 z -1 z -1 z -1 z -1 z -1 19/23 Fysikaalisen mallinnuksen käyttö virtuaalisissa instrumenteissa on olemassa kaupallisia syntetisaattoreita, jotka perustuvat fysikaaliseen mallinnukseen (mm. Yamaha VL-1, Korg Prophecy) tulevaisuudessa mahdollistaa luonnollisemman äänenlaadun sekä tarkemman äänen kontrolloinnin mistä kontrollisignaalit? mahdollistaa sellaisen soittimen soittamisen jota ei ole olemassakaan antiikkisten soittimien äänen "restaurointi" mallintamalla soitin mallipohjainen musiikin koodaus: ei talleteta ääntä vaan fysikaalisen mallin parametrit sekä soittajan "soittamat" kontrolliparametrit virtuaalitodellisuus 20/23

Lähteet [1] V. Välimäki and T. Takala, "Virtual musical instruments-natural sound using physical models," Organised Sound, vol. 1, no. 2, pp. 75-86, Oct. 1996. [2] Tolonen T., Välimäki V. and Karjalainen M., Evaluation of Modern Sound Synthesis Methods, Report 48, HUT, Department of Electrical and Communications Engineering, Laboratory of Acoustics and Audio Signal Processing, Espoo, Mar 1998. Available at http://www.acoustics.hut.fi/~ttolonen/sound_synth_report.html [3] Välimäki V., Physics-based Sound Synthesis, HUT, Laboratory of Acoustics and Audio Signal Processing, lecture notes, /share/argh/klap/ HUT_ASP/asp-9-physical-modeling.pdf 21/23 Harjoitustehtävä Laajennetaan edellisen luennon (M. Vihola: Sound Synthesis Methods) harjoitustehtävän Karplus-Strong-algoritmia (s. 11) tuottamaan entistä paremmankuuloista ääntä. Algoritmia parannetaan käyttämällä parempaa loopfiltteriä sekä lisäämällä soittimien rungon vaikutus. 1. Vaihda keskiarvottavan loop filterin tilalle one-pole suodatin (s.15). Kokeile parametrien g ja a 1 vaikutusta ääneen. 2. Mallinna rungon vaikutusta LPC:n avulla. Analysoi pätkästä oikeaa kitarasignaalia (esim. /share/speechdat/klap/guitar/) LPC-kertoimet ja suodata syntetisoitu signaali niillä: a=lpc(alkup(indeksit),order);out=filter(1,a,y); Mistä kohtaa alkuperäistä signaalia LPC-kertoimet kannattaa analysoida? 22/23

Ainakin itse sain näillä konsteilla varsin aidon kuuloisen signaalin: /share/argh/tuomasv/synth_guitar.wav Palauta koodit ja kommentit löydetyistä toimista parametreistä osoitteeseen tuomasv@cs.tut.fi. Jos satut saamaan aikaan jännän kuuloisia ääniä niin tallenna ne ja pistä linkki maililla; niistä ei saa bonuspisteitä mutta hyvän mielen minulle. :) 23/23