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2011/09/24

數位音樂科技概論 (Concepts of Digital Music Technology)


我對於『數位科技』在音樂上的應用一直很有興趣,不過這範圍很廣,所以做了一些整理。


記得以前念計蓋 (計算機概論) 時,老師開宗明義就說:『計概就是隨便蓋』。所以現在是從事 IT 工作的我,經過這麼多年了,我也來隨便蓋一下 XDDDD

現今 IT 演進 (2011) 下可能大概有這些:從最基礎的 01 數位邏輯概念、數字系統、計算機組織、資料結構、演算法、作業系統、編譯器、關聯式資料庫、資訊安全、密碼學、Unix 系統、多媒體、網際網路與通訊協定、RFC、圖學、系統分析、程式語言 (組合、靜態、動態、4GL)、物件導向、人工智慧、專家系統、分散式系統、行動運算、人肉搜索、正妹辨識 ......... @#$%^&*...................   隨便蓋咩。數學的部分 (離散、機率、微積分) 先不提。

相信很多人修完之後對於計算機的感覺都是:

From: 赤壁


音樂科技概論 (或者說數位音樂概論) 如果要隨便蓋,我想可能需要包含以下的範圍:
  • 基礎聲學 (Acoustic)
  • MIDI 原理與應用
  • 合成器原理與應用
  • 數位訊號處理器 (Digital Signal Processing, DSP) 
  • 數位工作站與錄音室設計
  • 麥克風與錄音原理
  • 混音 (Mixing)、與母帶後期處理 (Mastering)
  • 效果器:濾波器、放大器、噪音處理
僅整理我略知的一些東西,如有不正確或者誤導讀者的,還請前輩不令指教。



基礎聲學 (Acoustic)

主要就是以物理學角度來認識『聲音』這種能量形式、各種特性等。像是聲音的基礎三要素:頻率、振幅、波型;其他範圍有:聲音的傳達介質、聲音的種類(純音、樂音、噪音)、音壓、聲波的傳遞方式(反射、折射、繞射、吸收、都卜勒效應)、音場、音樂的聲音定義 ... 等物理現象。


特別提一下都卜勒效應 (Doppler Effect),如果聲波產生者接收者其中之一處於移動狀態,那麼接收者可能會聽到比原本音調較高或較低。

這種現象在騎車聽音樂時就可以感覺的到,只要耳機沒有帶好、風跑到耳朵裡,在超過一定的速度之後,就會發現歌曲的音調 (Key) 改變。因為聲音產生者 (隨身聽) 和接收者 (機車駕駛) 都處於移動狀態。

另外一個常見的例子就是高速移動中的救護車、警車,警報聲會因為高速遠離或者接近,接收者會感覺警報聲的音調變高或者變低。

都卜勒效應不只發生在聲音,其他像是光學、醫學都有相關的應用。



MIDI 原理與應用

MIDI 其實包含很多範圍,這邊指的原理是 MIDI Protocol 而言。包含 MIDI Message、Sequencer、SMF、GM 等範圍。

『MIDI 代表音樂上的可能與不可能』這句話是我國中時第一次接觸到 MIDI 的感覺。

現在所有的數位科技產品都因為 MIDI 當初制定的彈性,使得這個已經被定義快三十年 (1982) 的通訊協定依舊沿用至今。

簡單的說,目前數位科技產品,軟硬體都架構於 MIDI Protocol,沒有它,合成器無法透過電腦軟體來編曲、軟體音源無法有如此的彈性、吉他效果器無法用電腦來調 Tone、無法自行設計控制器、就沒有 DJ 那種矩陣控制器、也沒有各式各樣的煙火配合音樂的特效控制。

它的重要性就如同現今網際網路通訊協定:TCP/IP 的地位一樣。


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合成器原理與應用

合成器 (Synthesizer) 的聲音基礎產生元件,主要有幾個主要的部分:
  1. OSC (Oscillator, 震盪器):負責產生聲音的基礎元素, 通常至少會有正弦波、方波、三角波。OSC 是最原始的聲音產生器,除了前述的波型,另外可以用取樣 (Sampling) 的方式代替。
  2. ADSR: 是 Attack、Decay、Sustain、Release 的縮寫。除了 Sustain 之外,其他都是用來控制波型的基礎時間參數,而 Sustain 是控制 Level。
  3. Filter (濾波器): 主要過濾聲音頻率,基本的有 LPF (Low Pass Filter, 低通)、HPF (High Pass Filter, 高通)、BPF (Band Pass Filter, 帶通)、BRF (Band Reject Filter, 帶拒) 四種。
  4. LFO (Low Frequency OSC, 低頻震盪器):簡單說就是用來控制某一種效果的週期時間,讓原始音色有一個基礎的音色律動,通常會搭配效果器 (FX) 。
  5. FX (Effect, 效果器):包含一般常見的 OD、DS、Modulation、EQ .... 等
  6. Amp (放大器):經過 ADSR、Filter、FX 處理之後,通常會需要做訊號的放大處理。

這些部分是產生聲音的單元,也是合成器要理解的原理。這些名詞在琴上面都會出現,所以想創造自己的音色,最好稍微了解一下這些概念。


數位合成器 (Digital Synthesis) 的種類,依照聲音產生的方式 / 技術,常見的有以下幾種:

  1. Additive Synthesis (加法合成器):依照傅立葉分析的基本概念,任何波型都可以由數個正弦波組成。加法合成器正是以這樣的概念為主。

    當代討論:加法合成器

  2. Subtractive Synthesis (減法合成器):和加法合成器比起來,就是相反的邏輯。拿一個已知的 Tone,做篩檢 (Filter),然後產生新的音色。

  3. FM (Frequency Modulation Synthesis): 由史丹佛大學教授 John Chowning 開發設計的技術,後來授權給 Yamaha,這項技術最有名的就是 Yamaha DX-7 這台琴。後來變成 GM 音色中鍵盤群組中的 E. Piano-1。

    因為 FM 的音色非常的迷人,80 年代有很多樂團的抒情歌曲,都是用他做的。像是 Europe - Carrie 的鍵盤部分 (Youtube Demo)。到今天所有的音源軟體廠商都會提供 FM 的相關音色,甚至專門取樣 DX-7 ,像是 Native Instrument 出的 FM8

  4. Physical Modeling Synthesis (物理模型合成器):以 『擬真』為目的,利用數學演算法,模擬出真實樂器的音色波型、噪音部分。

    著名的產品像是 Yamaha VL 系列,聽聽 Eric Clapton 演唱會上的這段演出:Wonderful Tonight (Youtube) ,間奏 (04:05) 鍵盤手用的就是 Breath Controller + VL,做出非常像是 Saxophone 般的演奏。

    另外就是吉他音箱模擬 (Amplifier Simulator) 的技術,像是 Line6 POD、HD 系列、Roland VG 系列等,都有他們各自獨門的技術。

  5. Wavetable Synthesis (波型表合成器):這也是目前市場合成器的大宗產品。概念很簡單,就是把聲音取樣後,放到記憶體,依照取樣的多寡,就會有對應的品質。軟硬體均有很多選擇。

    相關概念參閱:『取樣基本概念』的介紹

合成器的觀念與應用大概是這樣,而這些東西都必須仰賴一個非常重要的技術:DSP。所以合成器的發展也相對帶出 DSP 的研發。



數位訊號處理器 (Digital Signal Processing, DSP)

延續合成器的段落介紹,數位合成器的每一個元件都仰賴 DSP 的運算。

其實不只是合成器,現今所有的數位技術都非常仰賴 DSP 的運算,將真實世界不管是電壓訊號、還是電流訊號,轉換成電腦能夠看的懂得格式、甚至用來作即時運算。

特別在音樂製作的混音階段,就會需要很強大的 DSP 運算功能。像是 DSP 大廠 Universal Audio 的 UAD 系列,就是 DSP 硬體的代表。現在的 PC 運算能力越來越強,所以軟體 DSP 也是非常多樣化的,像是 Waves 出的 Diamond 。



數位工作站與錄音室設計

"Digital Audio System" 大致描述了數位工作站的基本架構和觀念。



效果器:過載、濾波器、放大器、噪音處理

效果器 (Effect, FX) 如果都是數位式,其實都是屬於 DSP 的範圍。品質由 D/A 來決定。

當然類比效果器就另當別論。不過因為類比電路較為複雜、而且穩定性差,所以通常造價都不匪。但是類比卻又具備『更自然』的特性,所以還是有很多玩家很堅持使用類比效果器,吉他手尤其如此。當然,Keyboard 也有所謂的類比琴,Roland Jupoter 8MonimoogKorg MS-20 是一個很經典的代表之一。



※ 版權所有,謝絕轉載,請尊重著作權法 ※



看我鬼扯這麼多,其實跟一開頭提到的計概一樣,我也只是:




有一段時間,我在工作之餘研究了 MIDI Protocol,主要目的就是想設計一個人工智慧作曲的演算法。那段時間我寫的這篇文字:『調、調式與轉調』其實就是在描述基本的 MIDI Spec.


從以前玩 MIDI 開始,那時候做了很多 B 版 Kala 的 Cover,經過哪樣的訓練,所以我習慣聽歌的方式是這樣的:
  • 這首歌用到什麼樂器、音色、效果
  • 節奏型態
  • 主要律動是啥
  • 段落的配置以及情緒的轉折、起伏
在音源機很貴、而且沒有效果器的年代,有些效果是自己做出來的。

後來開始玩錄音、混音、合成器、效果器 ... 等數位音樂製作相關,同時,也間接地玩了一些模擬技術 (Modeling) 相關的產品,包含模擬音源 (True Piano)、吉他模擬 (Roland VG System、Line6 POD series)。

之後自己工作之餘研究 MIDI Protocol ,寫了 MIDI 的簡單控制程式,同時研讀一些聲學物理概念、PA 理論、DSP (訊號處理器) 等。一路走來接觸了整個音樂從最基本的聲音物理現象,一直到商業的製作,然後到工程領域的概念 ... 等。

對於『數位音樂』一直有著莫名的喜好,同時也不時的在用各種方式探索,或者實驗。雖然沒有啥成績,但是到也樂在其中 XDD


會寫這篇,是因為得知台灣 交通大學 - 聲音與音樂創意科技碩士學位學程 (SMIT) 的存在。

以前念電機系了時候,跟教授說要做吉他效果器,但是系上卻沒有相關領域的教授,他們懂 TCP/IP,但是卻不知道啥是 MIDI Message (其實當時我以為這是常識,即使到現在遇到有在玩數位音樂的人,我還是這麼認為),所以常常牛頭不對馬嘴。一直以來台灣沒有這方面的系所。後來發現清大有  (MIR) 實驗室 ,不過研究的內容比較不是我興趣的部份。(其實應該是考不上 XD)

直到最近看到朋友介紹 交大 - 聲音與音樂創意科技碩士學位學程,很興奮。不過礙於年紀和現實面的考量 (出路, 這個系所在國內的發展),我還是抱持觀察的態度。不過對於數位音樂,我還是自得其樂 XDD~~~~


延伸閱讀 (站內):
  1. 概述『和聲分析』演算法
  2. 基礎聲學與數位音樂製作
  3. Digital Audio System
  4. 聊聊 MIDI Guitar
  5. Breath Controller 吹管控制器
  6. Graph Tech - Ghost Pickup System (吉他模擬系統)

參考資料/延伸閱讀 (站外):
  1. Music Technology Workbook: Key concepts and practical projects
  2. 清華大學 - 多媒體資訊檢索實驗室 (MIR)
  3. 交通大學 - 聲音與音樂創意科技碩士學位學程 (SMIT)
  4. 聲學 Acoustic (Wiki)
  5. 都卜勒效應 (Doppler Effect)

更新紀錄:
  1. 20110924: 初版

1 則留言 :

  1. 我大學畢業論文就是做的這個“研究了 MIDI Protocol,主要目的就是想設計一個人工智慧作曲的演算法。”

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