Tanszéki hallgatói témák

 

 


 
Orgonasípok hangjának jelmodell alapú szintézise
 
Önálló laboratóriumi munka,
TDK-dolgozat (Kari TDK I. díj, országos TDK 3. díj)
és diplomaterv (kiváló minősítés, AES Magyar tagozat és az OPAKFI egyesületek diplomaterv-pályázatának I. díja)
1998-1999
 
Készítette: Márkus János, konzulens: dr. Sujbert László
 

 
TARTALOMJEGYZÉK
 
 

Bevezetés
Előzmények
A jelmodell
Analízis
Szintézis
Eredmények
Demonstrációs anyagok
Érdekesebb linkek
A császári református templom orgonája



 
BEVEZETÉS
 
A Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszéken néhány éve a Digitális jelfeldolgozás laboratóriumban folyik zenei hangok szintézisével és modellezésével kapcsolatos kutatás. A laborban az alapfelszerelések mellett (PC-k, jelgenerátorok, oszcilloszkópok, spektrumanalizátor, stb.) több fejlesztőkészlet is található, amelyen dolgozni lehet. Ilyen például az Analog Devices cég ADSP2181-es processzort tartalmazó kártyája, a Motorola 56000 család PC-be illeszthető kártyája, illetve néhány "Easy Kit" a Texas Instruments-től.
 
Emellett a laborban leginkább használt program a MatLab, amellyel egyszerűen és hatékonyan valósíthatók meg jelfeldolgozási algoritmusok.
 
Ilyen körülmények között, ezekkel az eszközökkel kezdődött el az orgonahang szintézisével kapcsolatos kutatás is, először az Önálló laboratórium tárgy keretén belül.
 
 

 
ELŐZMÉNYEK
 
Zenész - és talán zenész-villamosmérnök - körökben ismert, hogy manapság a szintetizátorok, a digitális hangszerek az ún. PCM hangszintézist használják akusztikus hangszerek hangjának visszaadására. Ennek az eljárásnak a lényege az, hogy a modellezendő hangszer hangját digitálisan rögzítik, periódusosságát kihasználva tömörítik ("loopolják"), majd szükség esetén a tárolt hangmintát újra megszólaltatják. Ez a fajta modellezés - a reklám szerint - tökéletesen visszaadja egy hangszer hangját, a hang tárolása miatt azonban ez a módszer nem támogatja a hangszer nem-determinisztikus paramétereit leírását és visszaadását (zaj, véletlen jelenségek, modulációk).
 
Erre a problémára tökéletes megoldást adna a hangszer fizikai modellje, amely nem a hangszer hangját tárolja, hanem magának a hangszernek a paramétereit (méret, hossz, anyag, stb.). A hangszer működését differenciálegyenletekkel leírva, a paraméterek segítségével a fizikai rendszer válasza, a hang kiszámolható. A módszer problémája az, hogy nagyon nehéz megtalálni azt a modellt, amely kielégítően pontos, ugyanakkor gazdaságosan megvalósítható.
 
 

 
A JELMODELL
 
Kompromisszumot jelenthet a számításigény és a hangminőség között a jelmodell alapú szintézis, amely a hangszer hangjának - mind determinisztikus, mind pedig sztochasztikus - tulajdonságait vizsgálja és az ezen vizsgálatokból nyert paraméterek segítségével modellezi a hangot.
 
Mivel a hangszerek többsége - és így az orgona is - közel periodikus hangot generál, a modellezés során a periodikus jelek diszkrét idejű modelljéből indultunk ki.
 
Más megközelítésben a kutatás elsődleges kérdése az volt, hogy vajon lehetséges-e a klasszikus, Fourier-sorfejtésen alapuló (ún. additív) szintézis felhasználásával, illetve annak megfelelő kiegészítésével (modulációk, zajgenerátokok, szűrők) jó minőségű zenei hangot generálni.
 
A vizsgálatok során végül a szintézis generátor-részét egy speciális zajgenerátorral egészítettük ki, az egyes generátorok eltérő berezgési és lecsengési paramétereit pedig burkológenerátorokkal modelleztük. Ezt szemlélteti a következő ábra is.
 

A jelmodell alkalmazása hangszermodellezésre

 
 

 
ANALÍZIS
 
Az orgonasípok hangjának jelmodell-paramétereit igazi orgonákon végzett mérések feldolgozásával állítottuk be. Több orgonát is megmértünk, és az elemzések kiértékelés során így be tudtuk állítani, hogy melyek azok a hangparaméterek, amelyeket gondosan, illetve melyek azok, amelyeket kevésbé gondosan kell megvalósítani.
 

A mért orgonák
A császári református templom orgonája A naszályi református templom orgonája A tatai református templom orgonája
Császár Naszály Tata

 
A paraméterek feldolgozásával sikerült mind a determinisztikus, mind pedig a nem-determinisztikus jelenségeket is jellemezni (az orgonasípoknál a harmonikus komponensek mellett főként a levegő keltette zaj analízisére helyeztük a fő hangsúlyt). A teljes analízis folyamat látható a következő ábrán.
 

Analízis

 
 

 
SZINTÉZIS
 
A mért adatok alapján a jelmodell alapú szintézist többféleképpen is megvalósítottuk. Az önálló laboratóriumi munka során egy Motorola 56001-es processzorra készült egy program, a nagy számítási igény miatt később áttértünk az ADSP2181-es processzorra. "Erőforrás-korlátozás" nélküli implementáció is készült a MatLab program felhasználásával, természetesen ez utóbbi nem valós időben működik, cserébe viszont tetszőleges MIDI-fájl átalakítható vele WAVE-fájllá.
 
A szintézis blokkvázlata látható a következő ábrán.
 

Szintézis

 
 

 
EREDMÉNYEK
 
A modell használhatóságát - a következő fejezetben mellékelt hanganyagokon túl - két ábrával szeretnénk szemléltetni. Mind a kettő MatLab segítségével készült, az egyik egy síp és modellje spektrumát hasonlítja össze, a másik pedig a berezgési tranzieseket.
 

Eredeti bourdon síp és modelljének spektruma
Eredeti bourdon síp és modelljének berezgési tranziensei

 
 

 
DEMONSTRÁCIÓS ANYAGOK
 
A következő linkeken néhány példát találunk, amelyeken hallhatunk egy eredeti templomi orgona-felvételt, néhány, MatLab segítségével készített szimulációs anyagot, valamint DSP-processzoron valós időben lejátszott korál-részletet is.
 
A fájlok mp3 formátumban vannak, a könnyebb letölthetőség érdekében.
 
Amennyiben a téma jobban érdekel, vagy hasonló dolgot szeretnél csinálni, illetve továbbfejlesztési ötleteid vannak, írjál e-mailt: markus@mit.bme.hu.
 
 

 
ÉRDEKESEBB LINKEK A TÉMÁVAL KAPCSOLATBAN
 
Digitális orgonákat gyártó cégek
Szintéziskutatással foglalkozó egyetemek
 

Utolsó módosítás: 2004. május 11.
Fényképek (c) Márkus János, MIT

 

© 2010-2018 BME MIT | Hibajelentés | Használati útmutató