Глава 3

МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Мультимедиа — совокупность программно-аппаратных средств, реализующих интегрированную обработку и представле­ние информации в символьном, звуковом и зрительном виде. Мультимедиа представляет собой объединение несколь­ких способов подачи информации — текст, непод­вижные изображения (рисунки и фотографии), движущиеся изо­бражения (мультипликация и видео) и звук (цифровой и MIDI) в интерактивный продукт.

Появление систем мультимедиа, безусловно, производит большие изменения в таких областях, как образование, компью­терный тренинг, во многих сферах профессиональной деятель­ности, науки, искусства, в компьютерных играх и т. д.

Поскольку технические средства мультимедиа и их характе­ристики более подробно описываются, например, в [25], здесь мы ограничимся рассмотрением некоторых методов представле­ния и обработки информации в таких системах.

3.1. Обработка аудиоинформации

В то время как даже в нецифровых технологиях фото и ви­део в принципе могут быть найдены элементы дискретности (в первом случае зерна пленки и фоточувствительные ячейки иконоскопа или матрица ПЗС, во втором — то же плюс раз­биение изображения на строки), звуковой сигнал в своей осно­ве является чисто аналоговым (если не вдаваться в такие тон­кости, как магнитные домены в чувствительном слое при записи на ленту). Поэтому целесообразно здесь сказать несколько слов о преобразовании звука (ана­лог—код и обратно).

Аналого-цифровое преобразование

Аналого-цифровое (дискретное) преобразование (АЦП) — (ADC — analog-to-digital conversion) — заключается в формиро­вании последовательностей «-разрядных двоичных слов, пред­ставляющих с заданной точностью аналоговые сигналы. В необ­ходимых случаях осуществляется обратное — дискретно-аналого­вое (цифроаналоговое преобразование — ЦАП, DAC^.

Более чем тридцатилетнее развитие теории и практики ЭВМ приводит к вытеснению (в том числе и на бытовом уровне) ана­логовых устройств и сигналов цифровыми. Наиболее популяр­ным примером является несомненно а у диоком пакт-диск (digital audio CD) [25].

В этом случае звуковой сигнал (рис. 3.1) сначала преобразу­ется в дискретную аппроксимацию («многоуровневый ступенча­тый сигнал»), при этом происходит квантование по времени, ко­торое заключается в измерении (sampling) в дискретные момен­ты необходимого параметра аналогового сигнала.

При квантовании по амплитуде каждая ступенька представ­ляется последовательностью бинарных цифровых сигналов. Принятый в настоящее время стандарт CD использует так назы­ваемый «16-разрядный звук с частотой сканирования 44 кГц».

Для рис. 3.1 в переводе на нормальный язык это означает, что «длина ступеньки» (т) равна '/₄₄₁₀₀ с, а «высота ступеньки» (5) составляет '/_{65 536} максимальной громкости сигнала (поскольку 2¹⁶ = 65 536). При этом частотный диапазон воспроизведения со­ставляет 0—22 кГц, а динамический диапазон — 96 децибел (что

Рис. 3.1. Аналоговый сигнал (/) и его дискретная (цифровая) аппроксимация (2) (оцифровка); т — период дискретизации (sampling rate); 5 — уровни квантования

по амплитуде

составляет совершенно недостижимую для магнитной или меха­нической звукозаписи характеристику качества). Необходимо за­метить, что различные звуковые карты могут обеспечить 8- или 16-битные выборки, 8-битные карты позволяют закодировать 256 различных уровней дискретизации звукового сигнала, соот­ветственно 16-битные — 65 536 уровней.

Количество выборок в секунду, т. е. частота дискретизации аналогового звукового сигнала, также может принимать различ­ные значения: 5,5, 11, 22 и 44 кГц. Таким образом, качество зву­ка в дискретной форме может быть очень плохим (качество ра­диотрансляции) при 8 битах и 5,5 кГц и очень высоким (качест­во аудиоСБ) при 16 битах и 44 кГц.

Поскольку компакт-диск — стереосистема, необходимо за­писывать два 16-разрядных слова каждый 44 100 раз в секунду. Это удается в пределах 176,4 Кбайт/с, 10,58 Мбайт/мин или 635 Мбайт/ч. Самый распространенный формат файла цифро­вой звукозаписи на ПК — WAV.

Для записи звука к звуковой плате может быть подключен микрофон или устройство воспроизведения звука (магнитофон, CD-плейер). Для воспроизведения звука к ее выходу могут быть подключены акустические колонки или наушники, а также любая акустическая система (магнитофон, музыкальный центр и т. д.).

Запись и редактирование аудиоматериалов требует большое пространство жесткого диска — при качестве компакт-диска зву­чание 10 мин потребует более чем 100 Мбайт. Чем быстрее диск и подсистема ввода-вывода, тем легче работать с такими боль­шими файлами. Современные жесткие диски и РС1-контролле- ры способны к поддержке передачи не менее 4 Мбайт/с. Необ­ходимы гарантии, чтобы не было никаких прерываний в аудио­потоке. Многие НЖМД делают прерывание, чтобы выполнить тепловую перекатибровку, которое может привести к короткой, но нежелательной паузе в звуке. Некоторые дисководы AV спе­циально проектируются без тепловой перекалибровки, таким об­разом устраняя этот эффект.

Звуковые платы

Звуковая плата ПК содержит несколько аппаратных систем, связанных с производством и сбором аудиоданных, две основ­ные аудиоподсистемы, предназначенные для цифрового «аудио- захвата», синтеза и воспроизведения музыки (рис. 3.2). Истори­чески подсистема синтеза и воспроизведения музыки генерирует звуковые волны одним из двух способов:

• через внутренний синтезатор (например, ЧМ-синтезатор);

• проигрывая оцифрованный (sampled) звук.

Секция цифровой звукозаписи звуковой платы состоит из пары 16-разрядных преобразователей — ЦАП и АЦП и содержит программируемый генератор частоты выборки, синхронизирую­щий преобразователи и управляемый от ЦП. Компьютер переда­ет оцифрованные звуковые данные к преобразователям или об­ратно. Частота преобразования обычно кратна (или составляет часть от) 44,1 кГц.

Большинство плат использует один или более каналов пря­мого доступа к памяти, некоторые платы также обеспечивают прямое цифровое подключение S/PDIF (или SPDIF). Кабель пе­редачи SPDIF (Sony/Philips Digital InterFace — Цифровой Ин­терфейс Sony/Philips) может быть оформлен в двух видах: коак­сиальный и оптический. Входы и выходы коаксиального SPDIF выполнены на разъемах типа RCA. Оптический SPDIF исполь­зует для передачи данных оптический кабель, входы и выходы которого выполнены на разъемах типа Toslink.

Генератор звука, установленный на плате, использует про­цессор цифровых сигналов (Digital Signal Processor — DSP), ко­торый проигрывает требуемые музыкальные ноты, объединяя их считывание из различных областей звуковой таблицы с различ­ными скоростями, чтобы получить требуемую высоту тона. Мак­симальное количество доступных нот связано с мощностью DSP-процессора и называется полифонией платы.

DSP-процессоры используют сложные алгоритмы, чтобы создать эффекты наподобие реверберации, хорового звучания и запаздывания. Реверберация создает впечатление, что инстру­менты играют в больших концертных залах. Хор используется, чтобы создать впечатление, что несколько инструментов играют совместно, тогда как фактически есть только один. Добавление запаздывания к партии гитары, например, может дать эффект пространства и стереозвучания.

Частотная модуляция. Первой широко распространенной технологией, которая используется в звуковых платах, была час­тотная модуляция (ЧМ, Frequency Modulation — FM), разрабо­танная в начале 1970-х гг. Дж. Чоунингом (Стэнфордский уни­верситет).

Синтез с использованием частотной модуля­ции (FM-synthesis) основывается на последовательном и парал­лельном подключении генераторов простых сигналов и их взаи­момодуляции. Схема соединения генераторов и параметры каж­дого сигнала (частота, амплитуда и закон их изменения во времени) определяют тембр звучания, а количество генераторов и степень тонкости управления ими определяет предельное ко­личество синтезируемых тембров. Данный метод очень удобен с точки зрения дешевизны реализации, но при этом требует слож­ного программирования и тонкой настройки. Использовался в большинстве звуковых PC-карт в виде стандартных GM-уст­ройств, а также активно популяризировался фирмой Yamaha и ее модельным рядом синтезаторов GX.

Каждый голос ЧМ-синтезатора требует минимум двух гене­раторов сигнала, обычно называемых «операторами». Различные конструкции ЧМ-синтезатора имеют различные степени управ­ления параметрами оператора. Сложные системы ЧМ могут ис­пользовать 4 или 6 операторов на каждый голос, и операторы могут иметь корректируемые параметры, которые позволяют на­строить скорости нарастания и угасания сигнала.

Yamaha была первой компанией, которая вложила капитал в исследования по теории Чоунинга, что привело к разработке ле­гендарного синтезатора DX7. Специалисты Yamaha скоро поня­ли, что смешивание более широкого диапазона несущих и моду­ляторов позволяет создать более сложные тембры, приводя к бо­лее реалистическим звучащим инструментам. Аппаратные средства их синтезатора OPL3 — фактический стандарт для иг­ровых плат, использует параметры, загруженные программным драйвером, чтобы управлять каскадными генераторами ЧМ, ко­торые создают аналог акустических и электронных музыкальных инструментов.

Хотя системы ЧМ были осуществлены в аналоговом испол­нении на ранних клавиатурных синтезаторах, в дальнейшем вы­полнение синтеза FM было сделано в цифровой форме. Методы синтеза FM очень полезны для того, чтобы создать выразитель­ные новые звуки. Однако если цель синтезирующей системы со­стоит в том, чтобы воспроизвести звук некоторого существую­щего инструмента, это лучше делать в цифровой форме на осно­ве выборок сигналов, как при синтезе с использованием звуковых таблиц (WaveTable Synthesis).

Табличный синтез (WaveTable synthesis или PCM-svnthesis). Здесь используются выборки звуков реальных инструментов — небольших сэмплированных «кусочков» звуковой волны, опре­деленный набор которых позволяет создать звучание инструмен­та, смоделировать интересные звуки. Активно используется в PPG, Waldorf, Korg DW-8000, Ensoniq ESQ-1 и ряде других син­тезаторов.

Выборка — цифровое представление формы звука, произве­денного инструментом. Платы, использующие ISA, обычно со­храняют выборки в ROM. хотя более новые PCI-изделия ис­пользуют основную системную оперативную память ПК, кото­рая загружается при запуске ОС (например, Windows) и может включить новые звуки.

В то время как все звуковые платы ЧМ звучат аналогично, платы звуковых таблиц значительно отличаются по качеству. Ка­чество инструментов определено несколькими факторами:

• качество первоначальной записи;

• частота, на которой выборки были записаны;

• количество выборок, использованных для каждого инстру­мента;

• методы сжатия, использованные для сохранения выборки.

Большинство инструментальных выборок записаны в стан­дарте 16 бит и 44,1 кГц, но многие изготовители сжимают дан­ные так, чтобы больше выборок или инструментов можно было записать в ограниченный объем памяти. Однако сжатие часто приводит к потере динамического диапазона или качества.

Когда аудиокассета воспроизводится слишком быстро или слишком медленно, ее высота звучания меняется, и это справед­ливо также для цифровой звукозаписи. Проигрывание выборки на более высокой скорости, чем ее оригинал, приводит к более высокому воспроизводимому звуку, позволяя инструментам ис­полнять более чем несколько октав. Однако если некоторые тем­бры воспроизводятся быстро, они звучат слишком слабо и тон­ко; аналогично, когда выборка проигрывается слишком медлен­но, она звучит уныло и неестественно. Чтобы преодолеть эти эффекты, изготовители разбивают клавиатуру на несколько об­ластей и применяют различные выборки звуков инструментов в каждой из них.

Каждый инструмент звучит с различным тембром в зависи­мости от стиля игры. Например, при мягкой игре на фортепья­но, не слышен звук молотков, бьющих по струнам. При более интенсивной игре мало того, что этот звук становится более оче­видным, но можно заметить также и изменения тона.

Для каждого инструмента должны быть записаны много вы­борок и их разновидностей, чтобы синтезатор точно воспроизвел соответствующий диапазон звука, а это неизбежно требует боль­шего количества памяти. Типичная звуковая плата может содер­жать до 700 инструментальных выборок в пределах ROM 4 Мбайт. Точное воспроизведение фортепьяно соло, однако, требует от 6 до 10 Мбайт данных, вот почему нет никакого срав­нения между синтезируемым и реальным звуком.

Обновление звуковой таблицы не всегда означает необходи­мость покупать новую звуковую плату. Большинство 16-разряд­ных звуковых плат имеет разъем, который может соединиться с дополнительной платой звуковой таблицы (daughterboard). Каче­ство звучания инструментов, которые такие платы обеспечива­ют, значительно отличается, и это обычно зависит от того, каков объем памяти расположен на плате. Большинство плат содержит между 1-й 4 Мбайт выборок, и предлагает целый ряд цифровых звуковых эффектов.

Другие методы звукового синтеза.

Аддитивный или суммирующий синтез (additive synthesis). Данный метод прекрасно иллюстрируют первые моде­ли от Hammond, которые были основаны на принципе построе­ния звучания реальных органов. В его основе лежит следующая идея — создание сложных гармонически насыщенных звуков из простых изменяющихся синусоидальных волн, различных по ам­плитуде и/или частоте.

Вычитающий синтез (subtractive synthesis). Данный ме­тод противоположен предыдущему. В качестве исходного берет­ся тембрально богатый, насыщенный гармониками звук, а потом в результате сложной фильтрации из него формируется опреде­ленный тембр с характерной тоновой окраской.

Direct Draw. В ряде синтезаторов используются осцилля­торы, генерирующие звуковые волны со стандартными формами (синусоида, прямоугольная, пилообразная и т. п.). В варианте Direct Draw пользователь может самостоятельно рисовать любые формы.

Гранулированный синтез (Granular synthesis). Явля­ется частным случаем таблично-волнового синтеза. Звук форми­руется из коротких сэмплированных фрагментов звуковой вол­ны. В результате взаимодействия частоты их повторения и час­тотных составляющих сэмплированной звуковой формы получается тембрально сложный монотонный звук, который впо­следствии можно обрабатывать методами вычитающего синтези­рования. Одна из первых реатизашш подобного была в програм­ме Ross Bencina AudioMulch.

Сэмпл инг (Sample playback). Данный метод базируется на использовании сэмплированных (записанных) инструментов и воспроизведении их в режиме обычного проигрывателя. Неболь­шие звуковые фрагменты, из которых складывается звучание ин­струмента, загружаются в память (ROM или RAM) и затем вос­производятся.

Р е с и н т е з и р о в а н н ы й PCM (Resynthesized (RS) -— PCM). Этот метод синтеза был введен фирмой Roland и основан на анализе сэмплированного звука и его последующего воссоз­дания аддитивным методом синтеза.

JI и н е й н о - а р и ф м е т и ч е с к и й синтез (Linear/Arith­metic (L/A) synthesis). Этот метод также был введен фирмой Roland в конце 80-х гг., начиная с модели D-50. За основу кон­цепции L/A synthesis было взято смешивание небольшого фраг­мента сэмпла «живого» инструмента (обычно атаки) с синтези­рованной волновой формой. Этот метод позволяет дать нату­ральную звуковую окраску, близкую к реальному звучанию, при этом получается выигрыш в меньшей загрузке аппаратных вы­числительных мощностей. Атака инструмента — это один из са­мых сложных элементов при реализации натуральных звуков в синтезированном виде.

Передовое интегрирование (Advanced Integrated synthesis). Данный метод был впервые представлен в модели Korg М-1. Он использует сэмплированную атаку и другие волно­вые формы, которые впоследствии обрабатываются методами вычитающего синтеза, при этом для получения качественно но­вых звуков дополнительно могут использоваться сложные эф­фект-процессоры.

Синтез переменной архитектуры (VAST — Variable Architecture Synthesis Technology). Разновидность DSP-синтеза, основанная на комбинировании мощных вычисле­ний по формированию пэтчей, включая сэмплированные звуки, добавление сложных эффектов и открытую архитектуру.

Z-Plane synthesis. Данный метод синтезирования явля­ется уникальной разработкой и впервые был представлен в зву­ковом модуле E-mu Systems Morpheus. Его суть состоит в еле- дующем — берутся две волновые формы разных инструментов и одна промежуточная для плавного перетекания от первой ко второй.

Синтез физического моделирования (Physical modeling synthesis). За основу данного метода берется сложная математическая модель, которая полностью описывает форми­рование звука в инструменте. Впервые этот вид синтезирования был представлен в модельном ряде синтезаторов Yamaha VL-1 и VL-7, а теперь используется повсеместно, хотя до полноценного математического повторения реальных физических процессов еще далеко.

Синтез по математической функции (Mathema­tical function synthesis). Также частный случай физического моде­лирования, с помощью которого можно вкладывать математиче­ские функции, объединять их в функциональные блоки, а из них создавать математические алгоритмические модели. Вернее ска­зать, что этот метод является одним из простейших разделов фи­зического моделирования. Он хорошо подходит для эмуляции аналоговых синтезаторов.

Спектральный синтез (Spectral synthesis). Это даже не метод, а скорее способ создания сложных гармонических зву­ков. За основу их построения берется обыкновенная спектро­грамма (графическое представление зависимости частоты от ам­плитуды).

Плата SoundBlaster

В 1998 г. Creative Technology был выпушен удачный образец звуковой платы SoundBlaster Live!, ставший в дальнейшем стан­дартом де-факто.

Версия Platinum 5.1 карты Creative SoundBlaster Live!, кото­рая появилась к концу 2000 г., имела следующие гнезда и соеди­нители (рис. 3.2):

• аналогово-цифровой выход — либо сжатый сигнал в фор­мате Dolby АС-3 SPDIF с 6 каналами для подключения внешних цифровых устройств или динамиков цифровых систем, либо аналоговая система громкоговорителей 5.1;

• линейный вход — соединяется с внешним устройством типа кассетного, цифрового магнитофона, плейера и пр.;

• -Микрофон вход

  - АудиоСР

  Телефонный автоответчик Внешний коннектор

  ровои звук) I /

  ft

  Линейный Линейный (микрофон) (микрофон) вход 2 вход 2 MIDI вход-выход селектор

  Аудиорасширение (цифровой ввод-вывод)

  Линейный выход

  а б

  Рис. 3.2. Схема аудиоплаты The Platinum 5.1 Creative

  Разъемы Оптический SPDIF rqa (цифровой звук)

  Инфракрасный порт

  ЩЩ

  микрофонное гнездо — соединяется с внешним микрофо­ном для ввода голоса;

• линейный выход — соединяется с динамиками или внеш­ним усилителем для аудиовывода или наушниками;

• соединитель джойстика/MIDI — соединяется с джойсти­ком или устройством MIDI; и может быть настроен так, чтобы соединяться с обоими одновременно;

• CD/SPDIF-соединитель — соединяется с выводом SPDIF, расположенным на дисководе DVD или CD-ROM;

• дополнительный аудиовход — соединяется с внутренними аудиоисточниками типа тюнера, MPEG или других подоб­ных плат;

• соединитель аудиоСО — соединяется с аналоговым аудио- выводом на CD-ROM или DVD-ROM, используя кабель аудиоСО;

• соединитель автоответчика — обеспечивает монофониче­скую связь со стандартным голосовым модемом и передает сигналы микрофона к модему.

Аудиорасширение (цифровой ввод-вы вод) — соединяется с цифровой платой ввода-вывода (может распола­гаться в свободной нише накопителя на 5,25", выходящей на пе­реднюю панель компьютера), иногда называемой Live!Drive. Обеспечивает следующие соединения:

• гнездо RCA SPDIF — соединяется с устройствами цифро­вой звукозаписи типа цифровой ленты и мини-дисков;

• гнездо наушников — соединяется с парой высококачест­венных наушников; вывод динамика отключается;

• регулировка уровня наушников — управляет громкостью сигнала наушников;

• второй вход (линейный/микрофонный) — соединяется с высококачественным динамическим микрофоном или ау- диоисточником (электрогитара, цифровое аудио или мини­диск);

• переключатель второго входа (линейный/микрофон);

• соединитель MIDI — соединяется с устройствами MIDI че­рез кабель Mini DIN-Standard DIN;

• инфракрасный порт (сенсор) — позволяет организовать дистанционное управление ПК;

• вспомогательные гнезда RCA — соединяются с оборудова­нием бытовой электроники типа видеомагнитофона, теле­визора или проигрывателя компакт-дисков;

• оптический вход/выход SPDIF — соединяется с устройст­вами цифровой звукозаписи наподобие цифровой ленты или мини-дисков.

Другие изготовители звуковых плат быстро восприняли идею относительно отдельного модуля разъемов ввода-вывода. Было разработано множество разновидностей — одни были размеше­ны в отсеке для накопителей подобно LivelDrive, другие были внешними модулями, некоторые из которых были разработаны, чтобы действовать как концентраторы USB.

Современные аудиокарты поддерживают также ряд стандарт­ных возможностей моделирования, генерации и обработки зву­кового сигнала:

• DirectX — предложенная Microsoft система команд управ­ления позиционированием виртуального звукового источ­ника (модификации — DirectX 3, 5, 6);

• A3D — разработанный в 1997 г. NASA (National Aeronautics and Space Administration) и Aureal для использования в лет­ных тренажерах стандарт генерации таких эффектов, как густой туман или подводные звуки. A3D2 позволяет моде­лировать конфигурацию помещения, в котором раздаются и распространяются звуки, вычисляя до 60 звуковых отра­жений (как в ангаре, так и в колодце);

• ЕАХ (Environmental Audio Extensions) — предложенная Creative Technology в 1998 г. модель добавления ревербера- ций в A3D с учетом звуковых препятствий и поглощения звуков;

• MIDI (Musical Instrument Digital Interface) — протокол, раз­работанный в 1980-х гг., в соответствии с которым коман­ды передаются по стандартному интерфейсу. В Windows MIDI-файлы могут воспроизводиться специальной про­граммой-проигрывателем MIDI-Sequencer. В этой области синтеза звука также имеются свои стандарты. Основным является стандарт МТ-32. разработанный фирмой Roland и названный в соответствии с одноименным модулем генера­ции звуков. Этот стандарт также применяется в звуковых картах LAPC и определяет основные средства для управле­ния расположением инструментов, голосов, а также для де­ления на инструментальные группы (клавишные, ударные и т. д.) (рис. 3.3).

Рис. 3.3. MIDI-ингерфейс

MIDI

Цифровой -интерфейс музыкальных инструментов (Musical Instrument Digital Interface или MIDI) появился в начале 1980-х гг. и был разработан, чтобы обеспечить стандартный интерфейс между пультами управления музыкой (наподобие клавиатур) и звуковыми генераторами (типа синтезаторов и «роботов-барабаншиков»). Кроме того, он первоначально был предназначен для работы через последовательное подключе­ние, аналогичное стыку RS-232 [24. 251. и включал в себя как стандарт передачи информации, так и протокол электрических сигналов.

На уровне электросигналов MIDI представляет полудуп­лексную токовую петлю (5 мА). которая пропускает последо­вательный поток данных по 8 битов на скорости передачи 31,25 килобод.

На уровне передачи информации VIIDI представляет собой что-то вроде языка для того, чтобы описать музыкальные такты и эффекты в реальном масштабе времени. Он обеспечивает со­единение более чем по 16 каналам, позволяя подключить до 16 инструментов MIDI к одному интерфейсу. Некоторые MIDI-интерфейсы имеют 16 выходов, позволяя одновременно обращаться к 256 инструментам.

Интерфейс MIDI передает не звук, а команды, которые вы­полняет устройство-приемник. Инструменты соединяются стан­дартными разъемами 5-DIN. Например, если на клавиатуре на­жата определенная клавиша, то передается команда Note On (включить ноту), которая заставляет принимающее устройство проиграть некоторую музыкальную ноту.

Команда состоит из трех элементов:

• байт состояния (Status Byte);

• номер ноты (Note Number) ;

• значение скорости нажатия клавиши (Velocity Value).

Байт состояния содержит информацию о типе команды

(в этом случае — «включить ноту»), а также на какой канал она должна быть послана (1 — 16).

Номер ноты описывает клавишу, которая была нажата (ска­жем, «ре» Большой Октавы).

Значение скссссгх указывает силу, с которой эта клавиша была нажата. Принимающий инструмент будет исполнять эту ноту, пока не придет команда Note Off (отключить ноту), кото­рая содержит аналогичные данные.

В зависимости от того, какой именно звук проигрывается, синтезаторы по-разному обрабатывают данные Velocity Value. Звук фортепьяно, например, становится громче, если клавиша нажата более сильно, а также изменяются тональные свойства. Профессиональные синтезаторы часто вводят допол­нительные тембры, чтобы подражать звуку молоточков, ударяю­щих по струнам.

Число голосов (MIDI-каналов) или полифония звуковой платы определяет максимальное количество элементарных зву­ков, которые плата может воспроизвести одновременно. Это число иногда указывают в названии звуковой карты, например: SB 16, AWE 64, SB PCI 64. SB PCI 128 и т. д.

Существует несколько разновидностей стандарта MIDI — (£м, GS и т. л. Практически все современные звуковые адаптеры совместимы со стандартом GM (General MIDI — единый или общий MIDI).

Постоянные контроллеры Continuous Controllers (СС) ис­пользуются, чтобы управлять параметрами настройки: уровень звучания, эффекты, панорамирование (позиционирование сте­реозвука) и др. Многие устройства MIDI позволяют установить внутренние параметры для СС (до 128). На этой базе Ассоциа­ция Изготовителей MIDI (MIDI Manufacturers Association — MMA) разработала спецификацию для синтезаторов, известную как General MIDI.

MIDI секвенсоры. Первые приложения MIDI были рассчита­ны на то, чтобы при игре на одной клавиатуре сочетать звуки, произведенные несколькими синтезаторами. Сегодня тем не ме­нее это используется главным образом в секвенсорах, хотя MIDI также применяется и в системах театрального освещения и со­провождения как удобный способ управления множеством про­жекторов и кино (видео) проекторов.

По существу, секвенсор (sequencer) представляет собой циф­ровой магнитофон, который записывает и воспроизводит коман­ды MIDI, а не аудиосигналы. Первые секвенсоры имели неболь­шую память и были способны к запоминанию только от 1 до 2 тыс. музыкальных тактов. С развитием секвенсоров совершен­ствовались и системы MIDI. Не ограничиваясь только проигры­ванием нот в MIDI, изготовители разработали способы управле­ния индивидуальными звуковыми параметрами и встроенными цифровыми эффектами, используя постоянные контроллеры (СС). Большинство программ-секвенсоров — приложения на ос­нове ПК, и имеют возможности корректировать эти параметры, используя графические слайдеры. Более того, имея обширный перечень возможностей редактирования и настройки музыкаль­ных тактов, вовсе не нужно быть опытным исполнителем-вша- вишником, чтобы создавать хорошую музыку.

Использование секвенсоров позволяет удобно редактировать музыкальные фразы и синхронизировать их с фильмом. При этом обеспечиваются экономичные возможности для разработ­чиков мультимедиа, предоставляющие слушателям высококаче­ственный звук. Для записи оцифрованной музыки требуется не менее 10 Мбайт/мин, в то время как данные MIDI требуют толь­ко малую долю от этого.

Сэмплер — синтезатор, у которого для хранения образцов звучания (сэмплов) вместо постоянной памяти (ROM) ис­пользуется оперативная память большого объема (RAM). Поль­зователь перед каждым сеансом работы загружает в память уже готовые звуки, или записывает новые звуки точно так же, как на обычный магнитофон. Впоследствии все эти сэмплы воспроиз­водятся с разной высотой под управлением клавиатуры или сек­венсора. Для изменения высоты тона сэмплов используются та­кие же алгоритмы, как и в программах типа Sound Forge, только они действуют в реальном времени.

При формировании звуков в сэмплерах не используются ал­горитмы компрессии, которые, например, позволяют «упако­вать» в 4 Мбайт ROM 250—400 звуков разного тембра, как это происходит в синтезаторах. Кроме этого, синтезаторы ограниче­ны тем набором звуков, который находится в ROM, а для сэм­плеров выпускается огромное количество библиотек звуков на компакт-дисках, поэтому можно, имея всего лишь одно устрой­ство, практически безгранично расширять его возможности.

Помимо всех перечисленных достоинств, сэмплеры имеют одну очень важную черту — пользователь может создавать звук самостоятельно от первого до последнего шага.

В сэмплере каждый звук создается в нескольких источниках, сигналы которых смешиваются между собой. Каждый такой ис­точник принято называть леером (от англ. layer — слой). Глав­ным элементом любого леера является генератор — именно в нем образуется звук при воспроизведении сэмпла. Иногда гене­ратор сэмплера называют осциллятором. Сэмплы находятся в оперативной памяти устройства и извлекаются оттуда при посту­плении соответствующей команды от программы управления.

Генератор воспроизводит сэмпл с разной высотой, в зависи­мости от поступающей в него команды MIDI Note (MIDI нота). Причем, сэмпл может воспроизводиться как линейно, т. е. от начала до конца, так и зацикливаться. В последнем случае инст­румент звучит ровно столько, сколько времени удерживается в нажатом состоянии клавиша на MIDI-клавиатуре. Помимо из­менения высоты тона, генератор изменяет уровень воспроизво­димого сэмпла в зависимости от сообщения Velocity (Ско­рость нажатия клавиши).

В сэмплере с помощью генератора низкой частоты (LFO — Low Frequency Oscillator) можно менять высоту воспроизведения сэмпла с некоторой периодичностью. Но в отличие от про­граммного FM-синтезатора, частотой колебаний LFO сэмплера можно управлять в реальном времени с помощью MIDI-клавиа- туры.

Амплитудой колебаний LFO можно управлять с помощью генератора огибающей (Envelope Generator), создающего произ­вольную огибающую. Этот метод называется амплитудной моду­ляцией (AM — Amplitude Modulation). Но в любом сэмплере с помощью амплитудной модуляции можно управлять не только параметрами генератора низкой частоты, но и параметрами вос­произведения сэмпла. Например, если указано «время линейной атаки» 1 с, то после нажатия клавиши громкость сэмпла будет линейно возрастать от минимальной громкости к максимальной в течение 1 секунды. Если указывается время затухания (Release) 0,5 с, то после отпускания клавиши сэмпл будет звучать указан­ное время, причем его громкость будет линейно уменьшаться. Естественно, можно «нарисовать» и более сложные огибающие.

К сэмплу, который воспроизводится генератором с разной высотой и уровнем в зависимости от поступающих с клавиатуры команд MIDI Note (MIDI нота) И Velocity (Скорость нажа­тия клавиш), можно применить два вида модуляции: частотную и амплитудную. В первом случае будет периодически меняться высота воспроизводимого сэмпла относительно взятой на кла­виатуре ноты, а во втором — его относительный уровень в тече­ние времени звучания. Если же мы применяем амплитудную модуляцию к генератору низкой частоты, то можем управлять также изменениями амплитуды колебаний высоты в течение времени.

При формировании звука может использоваться от одного до тридцати двух и более лееров, т. е. каждый звук, извлекающийся из инструмента при нажатии клавиш на MIDI-клавиатуре, мо­жет состоять из тридцати двух сэмплов, причем у каждого леера может быть свое место в панораме, своя громкость и своя собст­венная область действия.

Есть два способа распределения лееров. Первый — присвое­ние лееру определенной области на клавиатуре, где он действует. Например, при нажатии клавиши С4 будут воспроизводиться лееры 2, 4 и 5. а при нажатии клавиши С2 — лееры 1. 4 и 5. Вто­рой способ — присвоение каждому слою своей области Velocity (Скорость нажат*= у-.?.зу:-х). и при разной скоро­сти нажатия клавиш будут воспроизводиться разные лееры. Если вы еле касаетесь клавиш, то будут воспроизводиться слои 1 и 4, если же играете максимально экспрессивно, то будут воспроиз­водиться слои 4 и 5. Естественно, первый и второй способы рас­пределения можно совмешать между собой.

Некоторые сэмплеры позволяют составлять несколько сэмп­лов в так называемый мультисэмпл или Keymap — «образ, карта клавиатуры», которые воспроизводятся в одном леере. Каждый сэмпл в мультисэмплс может иметь свою собственную область действия.

Одним и тем же контроллером можно управлять модуляцией как всех, так и только некоторых лееров, причем можно задавать разные допуски модуляции таким образом, что одно и то же из­менение значения будет вызывать разное воздействие.

Эквалайзер. Для управления тембром звука используются эк­валайзеры — программно-аппаратные средства, способные по­нижать или повышать уровень разных частотных полос. При этом понижается или повышается относительный уровень раз­ных гармоник сигнала, в результате чего мы в акустических сис­темах слышим изменение тембра згзука.

Известно два основных типа эквалайзеров — графические и параметрические. Первые отличаются наличием фиксированно­го количества полос: их обычно бывает 15 (можно менять уро­вень каждой ²Д октавы звукового диапазона) или 30 (можно ме­нять уровень каждой '/, октавы звукового диапазона). На любой из полос уровень сигнала может опускаться или подниматься на 10—15 дБ (см. рис. 3.7 — графический 10-полосный эквалайзер Winamp). Параметрические эквалайзеры, в отличие от графиче­ских, могут настраиваться на любую частотную полосу любой ширины и поднимать/опускать ее уровень.

Графические эквалайзеры обычно используются для точной корректировки обшего звучания композиции. Еще одна область их применения — подгонка частотной характеристики контроль­ных акустических систем под акустические условия конкретного помещения.

С помощью параметрических эквалайзеров можно очень точ­но воздействовать на звук. Предположим, записан малый барабан ударной установки. У этого барабана есть специальная пружина, с помощью которой звук делают более «хлестким». Но при непра­вильном расположении микрофона характерный хлопок пружины может «вылезать» на передний план и портить общее звучание. Хорошо, если все можно переписать. А если нет — тогда выручает эквалайзер. Звукорежиссер точно настраивается на частотную по­лосу. в которой лежит хлопок и «вырезает» ее (уменьшает уро­вень). Остается нормальный звук малого барабана.

Точно так же с помощью параметрического эквалайзера можно, например, убирать неприятные гортанные призвуки в голосе вокалиста, подчеркивать щелчок медиатора по струнам гитары или делать тарелки ударной установки более «рассыпча­тыми» и звонкими. Еще одна часто решаемая задача — «разнесе­ние» инструментов по присущим им частотным полосам. На­пример, может оказаться, что при записи электрогитара, игра­ющая риффы (периодически повторяющиеся ритмические фигуры), в самом низком своем регистре перекрывает бас-гита­ру. В результате вместо четкой и хорошо слышимой басовой ли­нии получается невразумительный гул. Звукорежиссер с помо­щью эквалайзера немного убирает низкие частоты на дорожке гитары, освобождая таким образом частотную полосу баса от по­сторонних звуков. После такой корректировки гитара звучит там, где ей положено — на средних частотах, а бас остается в низкочастотном диапазоне.

Единый (общий) стандарт MIDI (General MIDI)

Ввод стандарта MIDI позволял музыкантам создавать аран­жировки, используя любые инструменты MIDI, имевшиеся в на­личии. Но когда созданные файлы проигрывались на другом синтезаторе, не было никакой гарантии, что звучание будет тем же самым, потому что различные изготовители могли назначить инструментам различные номера программ, так что фортепьяно, записанное на одном синтезаторе, может прозвучать как труба на другом и пр.

В сентябре 1991 г. Ассоциация изготовителей MIDI (ММА) и Японский комитет стандартов MIDI (JMSC) положили начало новому этапу в технологии MIDI, приняв стандарт «Общая

Система MIDI, уровень 1» (General MIDI System Le­vel 1 — GM или GM1). Спецификация разработана, чтобы обес­печить необходимый уровень совместимости функционирования инструментов MIDI.

Спецификация налагает ряд требований на совместимые зву- когенерируюшие устройства (клавиатура, звуковой модуль, зву­ковая плата, программные продукты), включая:

• минимум 24 канала («голоса») должно быть доступно одно­временно для звуков мелодии и ударных инструментов, или 16 каналов для мелодии плюс 8 для ударных;

• поддерживаются все 16 каналов MIDI, каждый из которых способен воспроизвести различное число голосов (полифо­ния) или различные инструменты (звук, аккорд, тембр);

• минимум 16 различных тембров может выполняться одно­временно, воспроизводя различные инструменты. Поддер­живается как минимум 128 предварительно настроенных инструментов (номера MIDI-программ), соответствующих Инструментальной карте GM1 (GM1 Instrument Patch Map), и 47 звуков ударных, которые соответствуют Карте ударных GM1 (GM1 Percussion Key Map). Ме­лодический набор состоит из 16 групп инструментов по 8 в каждой группе (фортепиано, органы, струнные, духовые, гитары, и т. п.).

За всеми инструментами были закреплены конкретные но­мера, поэтому мелодия, записанная в GM, будет похоже звучать на разных GM-синтезаторах. GS (General Synthesizer) — стан­дартный набор тембров фирмы Roland, включает дополнительно к General MIDI новые наборы мелодических и ударных инстру­ментов, различные эффекты (скрип двери, звук мотора, крики и т. п.), а также дополнительные способы управления инстру­ментами через MIDI-контроллеры. Многие звуковые карты под­держивают GM по умолчанию, a GS — в порядке расширения.

Стандарт X G (Extended General) фирмы Yamaha включа­ет несколько сотен мелодических и ударных инструментов, при­меняемых профессиональными музыкантами. XG содержит зна­чительно более развитые средства управления синтезом, чем GM и GS. Любой MlDI-канал может быть независимо от дру­гих установлен в режим мелодических или ударных инструмен­тов. Использование стандарта XG позволяет создавать перено­симые MIDI-файлы со звучанием, приближенным к профессио­нальному.