Гранулярный синтез – одно из недавних изобретений для обработки звука. Эта технология родилась из техники сэмплирования и алгоритмов сдвига высоты тона, её вполне можно использовать для создания неповторимых звуковых образов. Мы коротко расскажем о сути метода и о некоторых виртуальных инструментах, в которых он реализован.

Краткий курс истории

Большинство виртуальных синтезаторов основаны на методе субтрактивного аналогового синтеза звука. Генерация звука в них начинается с какой-либо простой (но богатой гармониками) волны – например, «пилы» или «прямоугольника» с последующей её обработкой фильтрами, осцилляторами LFO и изменением огибающей (ADSR).

Причины широкого распространения субтрактивного метода синтеза исторические и практические. Исторические причины в том, что самые первые синтезаторы Moog и ARP сорок лет назад были основаны именно на этой технологии.

Практические заключаются в том, что музыканты привыкли к этой доступной в освоении технике и с лёгкостью переключились с «железных» аналоговых синтезаторов на их программные версии. К тому же субтрактивный синтез, реализованный в vst-инструментах, не требует больших вычислительных мощностей компьютера.

Менее распространённый вид синтеза звука – это частотная модуляция (FM-синтез). Он впервые был реализован в самом начале 1980-х компанией Yamaha в инструментах серии DX. Суть метода в том, что новые звуки получаются из комбинаций нескольких синусоид.

Несмотря на то, что FM-синтезаторы в «железной» версии были значительно дешевле аналоговых, сразу же возникли проблемы: FM-синтез в освоении сложнее, чем аналоговый, в нём труднее получить прогнозируемый результат, в «железной» версии звучание FM-синтезаторов отличалось неприятными металлическими призвуками. Поэтому и в программных версиях FM-синтезаторы значительно уступают по своей численности аналоговым.

И, наконец, третий вид синтеза звука, на котором основан гранулярный синтез – это сэмплирование. Хотя сэмплирование – это скорее запись и обработка готовых звуков, а не их синтез «с нуля», как в первых двух случаях. Vst-инструменты на основе гранулярного синтеза можно сегодня встретить почти во всех компьютерных редакторах звука, а плагин Melodyne, популярный для исправления проблемного вокала, целиком основан на этой технологии.

Технология гранулярного синтеза

… Вас никогда не удивляло то, как в компьютере можно изменять звуковые файлы? Например, растянуть звук по длине, не меняя при этом его высоту. Нормальные законы физики здесь не действуют: если вы замедлите скорость вращения магнитофонной плёнки вдвое, то её звучание сдвинется вниз на октаву.

Посмотрите на рисунок внизу. Это фрагмент женского вокала, записанный в редакторе Pro Tools и сильно увеличенный в масштабе, звук «у» в окончании слова «you» («ты»).

На верхнем рисунке это фрагмент обычного слова. Можно заметить, что звук состоит из нескольких (на рисунке – из двух) повторяющихся отрезков.

На среднем рисунке этот же фрагмент растянут в длину плагином Time Stretch без изменения высоты тона. Алгоритм плагина пересчитал повторяющиеся фазы волны (фрагменты) и вставил их в нужном месте.

В третьем рисунке показан изначальный звук, сдвинутый плагином Pitch Shift на семь полутонов вверх. Рисунок фрагментов-фаз при этом почти не изменился. Первоначальная волна расширена в горизонтальном масштабе, чтобы можно было видеть изменение тона, но алгоритм работы плагина тот же самый – пересчёт волны и вставка повторяющихся отрезков в нужных частях.

Этот алгоритм работает потому, что хотя мы слышим различные звуки, но в сильно увеличенном масштабе видно, что они состоят из периодически повторяющихся волновых форм с плавными переходами между ними. Именно эти повторяющиеся периоды вырезает компьютерный плагин, вставляет в нужное место и задаёт плавный переход между новым и старыми фрагментами.

Теперь попробуйте очень медленно вслух или мысленно произнести своё имя. Оно будет состоять из ряда нескольких звуков. Представим себе, что каждый звук в вашем имени – это отдельный сэмпл. Можно мысленно поместить эти отдельные сэмплы на соседние клавиши синтезатора, и при последовательном нажатии на них будет звучать ваше имя.

Теперь представим себе, что ваше имя разложено не на 5-7 соседних клавиш, а на 1000. Чтобы синтезатор правильно его «произнёс», мы должны очень быстро нажать последовательно все эти 1000 клавиш. Таким образом звучание вашего имени оказалось нарезанным на 1000 последовательных мини-сэмплов. Пусть они называются «гранулами» (grain).

А теперь представим себе, что какие-то из этих клавиш-минисэмплов мы будем наживать быстрее, а какие-то – медленнее. Какие-то оставим без изменений, а какие-то обработаем эффектами. Или будем нажимать клавиши не последовательно, а в ином порядке.

Тогда звучание вашего имени будет совершенно необычным и чем сильнее обрабатывать каждую клавишу-гранулу-минисэмпл, тем дальше от оригинала будет отдаляться звучание. А чтобы переходы между клавишами-гранулами не были заметны, мы их сгладим – примерно так, как делали при изменении звучания слова в первом примере.

В этом и заключается технология гранулярного синтез. Резюме: изначальный звук (сэмпл) разрезается на множество микроскопических фрагментов-гранул, которые затем обрабатываются различным образом, воспроизводятся в ином порядке или с различной скоростью. Длина каждой гранулы составляет от одной десятой до одной сотой секунды (от 10 до 100 миллисекунд).

«Стыки» между гранулами сглаживаются для того, чтобы избежать щелчков. Это программное сглаживание называется “smoothing”. Так из первоначального звукового фрагмента можно получить совершенно новые тембры.

Если программа воспроизводит все гранулы исходного звукового фрагмента последовательно без всяких обработок, то вы слышите неизменный исходный фрагмент. Но в зависимости от особенностей конкретного vst-инструмента гранулы могут воспроизводиться с любого места сэмпла.

Программные инструменты на основе гранулярного синтеза

Их не так много, как виртуальных аналоговых синтезаторов, но каждый из них достоин внимания.
Сэмплер Intakt фирмы Native Instruments имеет в своём составе функцию гранулярного синтеза. Это кнопка под названием Time Machine. С её помощью можно изменять скорость воспроизведения загруженного сэмпла. Но основные манипуляции выполняются функцией Grain Size («размер гранул»). Grain Size определяет размер гранул, на которые вы режете исходный звуковой фрагмент.

На рисунке: функции гранулярного синтеза в сэмплере Intakt.

Особенность Intakt ещё и в том, что с его помощью удобно обрабатывать звуки ударных. В отличие от остальных инструментов звучание отдельного сэмпла барабанов и перкуссии очень короткое. Если мы попытаемся нарезать сэмпл ударных на гранулы в других плагинах и затем виртуально растянуть его, то на стыках гранул наверняка будут слышны щелчки.

Для того, чтобы этого избежать Intakt режет сэмпл на гранулы различных размеров, перед этим просчитывая разницу в волновых формах каждого участка, а затем определяя оптимальные размеры гранул.

Нечто похожее есть в редакторе Ableton Live, там функции гранулярного синтеза задаются кнопками Beats, Tones и Textures:

Плагины Melodyne или Intakt применяют гранулярный синтез к уже готовым звуковым файлам. Но есть инструмент, в котором реализована более полная, синтезаторная схема работы со звуком.

Это Malström.

Синтезатор Malström является составной частью редактора Reason. В Malström нельзя загрузить готовый сэмпл, но инструмент генерирует первоначальный звук из сотни волновых форм. Для этого в нём имеются привычные осцилляторы-генераторы.

Слайдер Index задаёт стартовую точку, с которой начнётся воспроизведение звука, а контролер Motion определяет скорость перехода между гранулами. Кнопка Shift отвечает за характеристики гармоник звука, а octave, semi и cent сдвигают высоту тона соответственно с шагом в октаву, полутон и цент (1/100 полутона).

На рисунке: обработка в Malström исходного пресета AmbientChord2, заданного в осцилляторе А.

Если эти регуляторы выставлены в нулевую позицию, то Malström ведёт себя как обычный синтезатор. Но функции гранулярного синтеза позволяют этому инструменту быть очень гибким и создавать звуки, которые невозможно получить на других инструментах. На сегодняшний день Malström – один из лучших инструментов, в котором реализован гранулярный синтез.

Очень достойно представлены функции гранулярного синтеза в сэмплере Kontakt фирмы Native Instruments. В отличие от Malström в Kontakt не предусмотрена генерация волновых форм. Но готовые сэмплы в нём можно резать на гранулы при помощи функции Grain Size и задавать параметр сглаживания гранул Smooth, получая совершенно необычное звучание первоначальных сэмплов. Эти функции доступны в режиме Time Machine

На рисунке: сэмплер Kontakt.

В синтезаторе Absynth функции гранулярного синтеза присутствуют в регуляторах Density (dens) – он задаёт число гранул и Size – размер гранул:

Реализовать технологию гранулярного синтеза позволяет и программа Reaktor. В ней можно построить синтезатор, похожий на Malström или воспользоваться готовыми инструментами Triptonizer и Travelizer (см. рисунок внизу).

Большое координатное X/Y-поле справа задаёт начало воспроизведения сэмпла и размер гранул. Текущая позиция воспроизведения и размер гранул (Length) показываются между двух вертикальных линий в самом верхнем окне с видом основного сэмпла.

На панели слева графически представлены модуляции высоты тона и функции сглаживания стыков гранул. В отличие от Malström и Kontakt здесь предусмотрен модуль Grain Cloud («облако гранул») с регулятором Distance. Он задаёт скорость переключения между гранулами при их воспроизведении. Регуляторы Jitter позволяют внести элемент случайности в параметры Pitch, Position, Length, Distance и Pan.

Travelizer – очень мощный инструмент обработки сэмплов, достойный серьёзного изучения.

На схеме – устройство инструмента Travelizer: во внутреннем окне слева выбор исходного сэмпла, в основном окне – виртуальные пути для его обработки.

Все рассмотренные виртуальные инструменты работают в основном с готовыми сэмплами, которые загружены в них перед обработкой. Но есть плагины, способные при помощи гранулярного синтеза трансформировать звучание «на лету», в режиме реального времени.

Это программы Spektral Delay, KTGranulator и плагины Pluggo. Самый интересный и «продвинутый» из этих плагинов - Spektral Delay, но в «живых» выступлениях он может «тормозить» на слабых компьютерах.

Гранулярный синтез – одно из недавних изобретений в обработке звука. Если вам стало скучно с аналоговыми Мугами и Коргами, если вы не знаете, чего бы ещё этакого сотворить с вашими сэмплами – попробуйте гранулярный синтез. Получите массу впечатлений и творческих идей.

Вадим Михайлов

По материалам журнала
Sound On Sound (Великобритания)