Тим Собакин

Семь нот для компьютера (фрагмент статьи)

Эпоха немых компьютеров миновала! Трудно теперь представить, чтобы ваш верный РС (сиречь Personal Computer) помимо набора текстов, составления таблиц, рисования картинок, игры в преферанс, поджаривания яичницы и прочих полезных дел, не мог бы издавать разнообразные зву-ки. А раз так, неужели нельзя его заставить сыграть, допус-тим, печальный ноктюрн Шопена или ваш собственный жизнеутверждающий опус?
Можно! Вопрос лишь в том, как это сделать. Ответом послужит серия публикаций, предлагаемая вашему вниманию. В них собран далеко не полный, но, надеюсь, полезный объем сведений, которые помогут вам постичь азы компьютерной музыки. Разрозненную информацию на эту увлекательнейшую тему можно, конечно, отыскать в специализированных журналах. Но захочется ли вам копаться в библиотеках? Отдельные же издания только начинают появляться на книжных прилавках и стоят, как правило, недешево.
С другой стороны, многие из нас непрочь в свободное время помузицировать на каком-либо инструменте, будь то гитара, пианино, туба или зурна. А сколько чудесных мелодий роится подчас в голове! Неужели им никогда не суждено воплотиться в реальных звуках? Хорошо бы, в исполнении небольшого оркестра. И что прикажете делать, если ваш ребенок не в силах освоить замысловатый пассаж, что задали в музыкальной школе?
Тут-то и придет на помощь компьютер. Вы почувствуете себя композитором, аранжировщиком, дирижером, исполнителем... Вы научите РС буквально петь нечеловеческим голосом, воплощая самые фантастические музыкальные замыслы, равно как и творческие порывы ваших детей.
Даже если вы далеки от Музыки, не поленитесь установить те программы и проделать те действия, о которых я расскажу. Вскоре вы наверняка убедитесь, что это гораздо увлекательнее (да и поучительнее), чем бестолковая возня со многими компьютерными игрушками.
Да простят меня специалисты за не совсем точные толкования отдельных понятий. Моя цель - доходчиво объяснить рядовому пользователю основы работы со звуком на РС. Кстати, терминология в этой области далеко еще не устоялась. К примеру, слова манипулятор и контроллер обозначают одно и то же. Не будем обращать внимание на такие казусы: все трудности преодолимы - было бы желание!
В музыке, как известно, всего лишь семь основных нот: до, ре, ми, фа, соль, ля, си. Начнем же с первой: ДО-о-о...

ДО сих пор вам казалось, что компьютерная музыка - удел избранных. И чтобы заниматься ею, нужны не только отличный слух и умение хорошо играть на фортепиано, но также крупные средства для приобретения синтезаторов, усилителей, колонок, микрофонов и прочих примочек. Представляю, как вы удивитесь, узнав, что многое уже находится в вашем распоряжении и только ждет той минуты, когда вы окинете его придирчивым оком, а еще лучше - коснетесь трепетными перстами. Итак, окинем, чтобы затем коснуться...

Музыкальные способности Вашего РС

Для создания музыки вполне приемлемого качества вам понадобится компьютер Pentium-100 с объемом оперативной памяти 16 мегабайт под управлением операционной системы Windows 95. Жесткий диск (по кличке HDD) должен вмещать около 1 гигабайта информации, обладая временем доступа не более 10 миллисекунд. Скорость дисковода CD-ROM, чтобы устанавливать музыкальные программы, принципиального значения не имеет. Видеоадаптер тоже может быть практически любым; черно-белый - слишком уж унылое зрелище. Еще потребуется какая-нибудь акустическая система в виде колонок. На худой конец, заурядные наушники избавят Ваших близких от внезапных звуков. Если вы не мыслите музыки без фортепианных клавиш, то заранее позаботьтесь о музыкальной клавиатуре. А те, кто пожелают записывать голос или живые инструменты, пусть приобретут микрофон. Но самое главное во всём этом хозяйстве - звуковая карта, о который мы поговорим чуть позже.
Компьютеры с подобной конфигурацией уже сняты с производства, ибо морально устарели. Но они повсеместно доживают свой быстротечный век, скрашивая пользователям нехитрый досуг. Немало музыкальных приложений сносно работают и на менее мощных системах, однако мы ведем речь о качественном звучании, которое уже привыкли слышать на лазерных дисках. А поскольку развитие и усложнение музыкальных программ напрямую связано с быстродействием и памятью компьютеров, то следует придерживаться означенных минимальных требований.

Наивно полагать, что максимум тут всецело зависит от финансовых возможностей пользователя. Нельзя ведь забывать и про ваши музыкальные способности. Умения виртуозно играть на каком-либо инструменте не потребуется, зато наличие хотя бы первоначального слуха весьма пригодится. И, кстати, далеко не лишними окажутся познания в английском языке. Чтобы читать справочную информацию о музыкальных программах. А про вдохновение и говорить не приходится - как же без него?  

Откуда в компьютере возникает звук?

Именно зеленоватая плата с плоскими черными прямоугольниками, именуемая звуковой картой (синтезатором, звуковым модулем, саундбластером) и превращает РС в музы-кальный инструмент с поистине неограниченными возможностями. Рынок звуковых карт нынче достаточно богат. Да и стоят они тоже по-разному. Что же выбрать?
Для начала вам придется запомнить страшное слово - дискретизация (не путайте с дискредитацией!). Дело в том, что звуки, которые мы слышим ушами, относятся к сигналам аналогового типа. В компьютере же все сигналы представлены в цифровом виде. При записи звука аналоговые сигналы превращаются в цифровые, а при воспроизведении - наоборот: из цифровых в аналоговые. Эти сложные операции вы-полняют соответственно аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи (сокращенно АЦП и ЦАП). Так вот, чтобы сигналы в процессе этих преобразований искажались как можно меньше, частота дискретизации должна быть как можно выше. На компакт-дисках она составляет 44,1 килогерца. Большего и не потребуется. Ведь при перезаписи вашей музыки с выхода звуковой карты на вход бытового магнитофона, качество звучания всё равно ухудшится - одна только аудиопленка шумов добавит!
Есть еще один параметр звуковой карты - (то есть число разрядов упомянутых выше преобразователей сигналов). Не вдаваясь в технические подробности, скажу лишь, что она должна составлять не менее 16 бит на стереоканалах. Иначе у возникнет ощущение, что вы слушаете музыку... по телефону.
Звуковая карта должна обладать важным свойством: возможностью одновременной записи и воспроизведения - техническими словами, поддерживать режим Full Duplex. Это пригодится, если вы захотите наложить "живые" голоса или инструменты через микрофон на уже готовую музыку в РС. Такая необходимость возникает при записи песни. Согласитесь, правильно спеть слова, если вам не слышен аккомпанемент, неимоверно трудно.
Наконец, звуковая карта должна иметь как можно меньший уровень собственных шумов - ну, хотя бы 60 децибелов. Впрочем, этот параметр нелегко проверить, так как производители частенько указывают его заведомо ложным.
Однако, звуковые карты отличаются между собой еще и тем, что в них по-разному реализованы  

Методы синтезирования звуков

Этих принципиально разных методов всего два. На заре развития компьютерный музыки был разработан метод частотной модуляции (или FM-синтез, от англий-ских слов Frequency Modulation). Суть его в том, что один генератор электрических колебаний создает волну определенной формы и частоты. На эту же волну накладываются колебания от другого генератора, которые изменяют во времени, научно выражаясь, модулируют параметры первой волны. В результате и синтезируется звук с необходимыми тембрами. Поскольку схемы соединения генераторов, а также параметры колебаний каждого из них (частота, амплитуда и закон изменения во времени) могут самыми разнообразными, то и количество синтезируемых тембров, равно как всевозможных звуковых эффектов, теоретически не ограничено.
В этом заключается главный плюс FM-синтеза, на основе которого работали первые электро-музыкальные инструменты. Главный его минус в том, что практически нельзя добиться точной имитации живого звука - очень уж много он имеет тонких, едва уловимых оттенков. Потому звучание кажется не совсем естественным, сугубо компьютерным и в настоящее время встречается разве что в музыкальных сопро-вождениях к старым играм.
Второй метод, появившийся в начале восьмидесятых годов, получил название sampling, что в буквальном переводе с английского означает "отбор образцов". Суть этого способа заключается в том, что для синтеза используется заранее записанный фрагмент натурального звука. Такие образцы живого звучания, которые находятся в памяти компьютера, называются сэмплами.
Для экономии памяти сэмплы обычно хранятся в виде отдельных фаз: начало звука, стационарная фаза, завершение звука. При исполнении сэмпла фазы начала и конца звука воспроизводятся без изменений, а стационарная фаза как бы зацикливается на требуемое время (пока, например, нажата клавиша рояля или продолжается дыхание в мундштук трубы). Сюда же могут быть отнесены различные приемы игры, отражающие специфическую динамику звукоизвлечения, как то: игра на рояле с использованием педали - и без нее, сильный удар по струне гитары - и мягкое ее касание. В общем, набор сэмплов слегка напоминает хранящиеся в холодильнике полуфабрикаты, из которых опытный повар... простите, музыкант легко приготовит звуковое блюдо на любой вкус!
Кстати, у последнего метода есть еще другое (хотя и не совсем правильное) название - волновой синтез. А закодированные наборы сэмплов называются волновыми таблицами (по-английски Wave Table). Потому-то о звуковых картах, в которых реализован рассмотренный метод, говорят, что они поддерживают WT-синтез.
Очевидно, WT-синтез выгодно отличается от FM-синтеза тем, что позволяет добиться естественного звучания самых разных музыкальных инструментов, причем высокого качества CD-дисков, и потому получил основное направление в компьютерной музыке. Желательно, впрочем, чтобы звуко-вая на всякий случай поддерживала бы оба метода синтеза звуков. А вдруг вам захочется поиграть в какую-нибудь старенькую компьютерную игрушку?
Итак, звуковая карта с WT-синтезом, обеспечивающая режим Full Duplex, с частотой дискретизации 44,1 кГц и разрешением 16 бит стерео, - как раз "то, что доктор прописал" для домашнего музицирования. К таким, в частности, относятся звуковые карты семейства AWE, начиная с Sound Blaster AWE 32 и лучше. При известной модернизации они могут поддерживать даже стандарт XG.
А что это за зверь, вы узнаете в другой раз...  

Семь нот для компьютера

(продолжение)

Вашему вниманию предлагается цикл популярных статей по основам компьютерной музыки. В статье "ДО" (по названию первой ноты звукоряда) говорилось о требованиях, предъявляемых к персональному компьютеру и звуковой карте. Также рассказывалось о двух основных методах синтезирования звуков в компьютере: об FM-синтезе, основанном на частотной модуляции сигнала и о WT-синтезе, где используются образцы живых звуков, сиречь закодированные наборы сэмплов. Этот метод в основном и применяется в современных звуковых картах.
 Были установлены минимальные требования к компьютеру, позволяющие хоть как-то сносно работать с музыкальными приложениями (под управлением операционной системы Windows 95), а именно: Pentium- 100, с объемом оперативной памяти 16 мегабайт и емкостью жесткого диска около 1 гигабайта, время доступа у которого не более 10 миллисекунд. Звуковая карта - непременно с WT-синтезом - должна обеспечивать режим Full Duplex (то есть возможность записи при одновременном воспроизведении), с частотой дискретизации 44,1 кГц и разрешением 16 бит стерео. В этот раз мы поговорим о форматах, в которых представляются музыкальные данные, о MIDI интерфейсе и о спецификациях GS и XG, о плюсах и минусах виртуальных синтезаторов, а также... В общем, какая там следующая нота после до? Правильно -

РЕшив серьезно заняться компьютерной музыкой, вы наверняка вскоре обнаружите, что те минимальные требования к РС, о которых говорилось выше, мягко говоря, не выдерживают никакой критики. Особенно, если вам вздумается поработать с "живым" звуком (или, научно выражаясь, оцифрованным). Почему же так? Как известно, звук по своей природе относится к аналоговым сигналам. В компьютере он представлен в цифровом виде; эту операцию и выполняет аналого-цифровой преобразователь (АЦП) звуковой карты. Непрерывный сигнал разбивается на очень маленькие порции - отсчеты, во время которых измеряются значения их амплитуд. Чтобы в процессе преобразования не потерять верхние частоты (а человеческое ухо слышит звуки до 20 кГц), количество отсчетов должно быть хотя бы раза в два больше. Отсюда, кстати, и получается необходимая частота дискретизации = 44,1 кГц. То есть амплитуда звукового сигнала измеряется 44100 раз в секунду!
Эти измерения в свою очередь требуют определенной точности - иначе будут утеряны слабые сигналы. Вполне приемлемая точность достигается, если каждое значение амплитуды фиксируется 16-тибитовым числом. Отсюда, кстати, и возникает необходимая величина разрешения звуковой карты = 16 бит (или 2 байта).
Нетрудно теперь подсчитать, что для преобразования одной секунды "живого" звука в цифровой вид потребуется: 44100*16 = 705600 бит, или чуть больше 86 килобайт памяти. Минута звучания уже будет занимать 86*60 = 5160 кб, то есть около 5 мегабайт. При записи стерео сигнала, передаваемого по левому и правому каналам, потребуется 10 мб. И это только на минуту звучания! А если песенка длится в среднем 3-4 минуты? И таких песенок добрая дюжина? Вот и "набегает" порядка 500 мегабайт, что сопоставимо с емкостью CD-ROMа! При таком раскладе половина гигабайтного винчестера запросто может уйти на "живую" музыку.
Отсюда простой вывод: хотите работать с оцифрованным звуком, запасайтесь винчестером емкостью 6-8 гигабайт. Между прочим, такая величина уже становится стандартом. Следует также запомнить, что звуковые файлы на нем чаще всего будут иметь расширение *.wav (очевидно от wave - волна). Забегая вперед, нелишне отметить, что работа с wave-данными, особенно в реальном времени, требует и весьма существенного быстродействия РС. Даже Pentium-200 MMX не всегда успешно справляется с подобными задачами.
Но не всё так печально! Создавать и слушать музыку на компьютере можно и в другом универсальном формате, имеющем расширение *.mid (очевидно от MIDI - ... а впрочем, что это за зверь такой?).
Давайте сперва углубимся в недалекую историю. Появление первых синтезаторов совершило в музыке настоящую революцию. Мало того, что синтезатор мог создавать звуки, которых доселе не существовало в природе, очень скоро он научился имитировать и звучание реальных инструментов. Но подлинное чудо ожидало музыкантов, когда к синтезатору, как любят выражаться детишки, "приделали" запоминающее устройство. Так получился секвенсор.
В чем же его заманчивая прелесть? Все мы когда-нибудь что-нибудь записывали на магнитофон. Ну, записали, допустим, песенку, а что с ней дальше делать?.. Фактически ничего, кроме как жизнерадостно прослушивать с любого места (постепенно замечая, что качество записи неотвратимо ухудшается).
Не то дело с секвенсором. Он точно запомнит не только последовательность всех сыгранных нот (недаром его название происходит от латинского sequentio - порядок, последовательность), но также их длительность, громкость, тембр и даже расположение в звуковом пространстве - так называемую панораму.
Но самое главное: секвенсор позволяет редактировать любую ноту, то есть изменять по желанию все музыкальные свойства звука, перечисленные выше. Кроме того, с его помощью можно добавлять, перемещать, копировать, удалять целые пассажи - в общем, секвенсор оперирует нотами (в физическом смысле звуками) так же гибко и легко, как текстовый редактор обращается с буквами. Прикиньте, смогли бы вы проделать подобные чудеса с магнитофонной лентой, которую только и можно, что разрезать да склеить? То-то!
Разумеется, едва лишь компьютерная техника достигла должного уровня, как программные секвенсоры не заставили себя ждать. В отличие от аппаратных синтезаторов, они оказались многотрековыми. Трек - это отдельная (обозначенная номером или именем) последовательность сообщений типа "Note On - клавиша нажата" или "Note Off - клавиша отпущена", равно как и другие полезные сообщения. Заодно указывается: какая именно клавиша была нажата (высота звука), с какой силой (громкость), как долго она удерживалась (длительность), а также некоторые другие параметры.
Таких треков в программном секвенсоре может быть не один десяток и на каждом из них записывается отдельная партия соответствующего инструмента. Когда они проигрываются вместе, то получается... целый оркестр!!!
Во всем этом великолепии была лишь одна загвоздка: аппаратные синтезаторы выпускались самых разнообразных моделей. Часто получалось так, что секвенция, созданная для одного инструмента, звучала на другом совершенно неузнаваемо. В общем, возникла извечная проблема совместимости синтезаторов как между собой, так и с компьютером. И вот в 1983 году был введен международный стандарт согласования, получивший название MIDI (аббревиатура от Musical Instrument Digital Interface - цифровой интерфейс музыкальных инструментов). Отныне любое уважающее пользователя программное обеспечение обязано поддерживать стандарт MIDI - своего рода эсперанто компьютерной музыки.
Что же собственно он из себя представляет? Музыкальный диапазон этого стандарта весьма обширный и составляет 128 нот, пронумерованных от 0 до 127. Нота до первой октавы, например, соответствует MIDI-ноте под + 60. Ни один реальный инструмент не может похвастаться столь широким диапазоном (у фортепиано, как нетрудно подсчитать, на 40 клавишей меньше)!
Но это не всё. Стандарт MIDI содержит 128 так называемых патчей (от английского термина patch), которые объединены в соответствующие группы. Патч - это некий компьютерный тембр, имитирующий звучание либо реального, либо искусственно созданного инструмента. Патчи группируются по общим признакам: например, духовые инструменты, струнные, различные звуковые эффекты и тому подобное.
Для передачи звуков используются MIDI каналы. Всего их 16 - и они образуют один порт. Причем каналы с номерами от 1 до 9 и от 11 до 16 отведены под мелодические патчи. А по каналу 10 передаются только звуки ударных инструментов (каждая клавиша "отвечает" за свой звук, будь то барабан, тарелка, хлопок в ладоши или экзотическая кабаса - просьба не путать с колбасой).
Наконец, количество одновременно звучащих голосов, а попросту говоря - нот, в каждый момент времени не может превышать 24 (так называемая полифония). В противном случае избыточные голоса отсекаются. Впрочем, этого вполне хватает для любых серьезных музыкальных опусов, ибо одновременно по всем MIDI каналам может быть передано 16*24 = 384 звука! Даже в большом симфоническом оркестре едва ли наберется столько исполнителей.
Всё выше сказанное относится к спецификации GM - аббревиатура General MIDI. Файлы этого универсального формата как раз и отличаются расширением *.mid. Если какая-либо музыкальная программа не поддерживает этот замечательный формат, а позволяет сохранять данные лишь в собственном диковинном формате, отказывайтесь от нее немедленно - ведь тогда вам не удастся продемонстрировать миру результаты своих творческих изысканий!
Хотя вернемся на секунду к wave формату. Не будем забывать, что это все-таки живой звук, наполненный вашим взволнованным дыханием или возникший от виртуозных движений пальцев. Кроме того, оцифрованный звук позволяет производить массу сугубо компьютерных обработок. И при известных навыках в обращении со специальными программами можно легко достичь потрясающих эффектов: превратить тонкий голосок в шаляпинский бас или создать ощущение непринужденного пения под водой.
Обычно после подобных экспериментов возникает смутная мысль, что лучше живого звука всё равно ничего не придумать, и стандарту MIDI пора на заслуженный отдых. Уверяю вас, это поспешное и ошибочное заключение. Следует хотя бы помнить, что в отличие от причудливых примочек возможности редактирования в формате wave более скромные, нежели midi-данных.
Действительно, с течением времени музыкального арсенала GM спецификации стало явно не достаточно для воплощения некоторых музыкальных идей. И тогда известная фирма Roland предложила модифицировать эту спецификацию, расширив наборы как мелодических, так и ударных инструментов. Заодно к ним добавилось немало забавных эффектов, как то: шум дождя, лай собаки, скрип двери и даже биение сердца. Обновленная спецификация получила название GS (General Standard).
Но этим дело тоже не ограничилось: не менее известная фирма Yamaha и вовсе учудила - разработала новую спецификацию XG (очевидно, от eXtended General), которая позволила значительно расширить возможности MIDI. Не вдаваясь в подробности из-за нехватки места, отмечу лишь, что спецификация XG - это отдельная песня, удовольствие для продвинутых компьютерных музыкантов. Быть может, вам удастся когда-нибудь постичь все премудрости и нюансы XG, превратив, допустим, патч банального пианино в некий совершенно неузнаваемый, но бесподобный тембр. Тогда-то и станет сразу понятно, что стандарт MIDI отнюдь "не отдыхает"!
Но, к величайшему сожалению, далеко не все звуковые карты поддерживают спецификации GS и XG. Чтобы устранить это досадное недоразумение, можно подключить к основной звуковой карте дочернюю плату. Так, например, Sound Blaster AWE 32, поддерживающая спецификацию GM, легко расширяется с помощью модуля DB50XG. Но это, в общем-то, дорогое удовольствие.
Есть и другой выход - установка виртуальных синтезаторов. Такие отдельные программы имитируют синтезаторы аппаратные. Яркими представителями этого вида музыкального софта являются Roland VSC-88 и Yamaha S-YXG70 (спецификации GS и XG соответственно). Однако, у виртуальных синтезаторов есть большой минус: при их использовании неизбежно возникает задержка в звучании до 0,5 секунды - даже на быстрых машинах. А значит, игра на клавиатуре в реальном времени становится невозможной! Отсюда вывод: лучше всего обзавестись мощной звуковой картой, которая в идеале поддерживала бы все спецификации.
Упомянув о программах, мы вплотную приблизились к собственно компьютерной музыке, ибо у нас как бы сложились вместе все компоненты, необходимые для занятия этим увлекательнейшим делом: компьютер, звуковая карта и музыкальная программа - эдакое триединство новой технологии в области звука! В настоящее время существует огромное множество самых разных программ, способных превратить бытовой компьютер даже в полноценную студию звукозаписи. О наиболее достойных представителях из мира музыкального софта и пойдет речь в последующих статьях.