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MIDI的背后——波表合成技术的发展

2004-02-11 eNet&Ciweek

  一、ISA时代的波表合成
  ISA声卡可谓将计算机带进了多媒体时代,当时声卡的MIDI合成主要是以FM为主。第一款出现在国内市场上的波表声卡是声卡之父创新公司出品的SB AWE32,其实现形式是通过板载ROM来存放1MB的音色库,再依靠声卡自己的波表合成芯片进行合成,也就是我们经常提到的“硬波表”,它让人们首次见识到MIDI音乐的神奇力量,之后推出的SB AWE64更是将波表容量扩大到了4MB。它使用EMU8000音效芯片,并通过CREATIVE WAVE SYNTH/WG这个软件处理器实现了64位复音的支持(即32位“硬件支持复音”+32位“软件支持复音”),在各方面表现都极其出色,但它接近2000元的售价也令普通人望而却步。除了把波表合成的音色样本保存在ROM内,有些声卡还会提供足够多的专用RAM区域供用户自由扩充样本数据。此类声卡的MIDI音色可根据用户需要作灵活改变,同时用户也可以在此类声卡上定制自己的音色库。

  由于在声卡上整合高性能的波表合成芯片及ROM/RAM会导致声卡的制造成本高昂,因此一些厂商便采用了一种折衷的办法:在普通FM声卡上增加一个波表扩展接口“WAVEBLASTER”而不集成ROM,当用户日后需要感受波表效果时,只需购买一块对应的载有音色库的波表子卡与母卡(原有声卡)接驳即可。由于子卡只带有波表功能,本身并不能单独使用,而且售价也不便宜,因此这种“升级”的做法只是在MIDI发烧友中流行,并没有形成气候。

  二、PCI时代的波表合成──DLS技术带来的革命
  ISA波表声卡的高昂售价,使得波表合成技术难以普及,直到1998年PCI声卡的问世,才为波表声卡的平民化带来了一次小小的革命,其关键在于DLS技术的运用。DLS全称为“DownLoadable Sample”,意为“可音色样本库”。大家应该都知道PCI总线有32bit 33MHz的时钟频率,理论上的最高传输速率达到每秒133MB,而ISA总线为8.33MB, 两者相差十几倍!因此,声卡所需的Wavetable音色样本可以先存放在系统内存中,再传送到声卡上的波表合成芯片加以处理合成,那么原先ISA声卡上所需的昂贵的专用ROM和RAM在PCI声卡上就可以省下来,从而降低成本,解决了以前ISA声卡中的最大矛盾──存储空间与硬件成本之间的冲突。

  PCI声卡的音色样本先是以文件形式存放在硬盘上,所以只要厂商推出新的音色文件就可以随时升级,而播放MIDI的效果立即就可以得到改善,这点也是PCI声卡的一个诱人之处。需要注意的是,DLS技术只是把原本在声卡上的ROM和RAM以系统内存来取代而已,PCI声卡在播放MIDI时,还是要通过声卡上的波表合成芯片来完成的,这与下文提到的软波表合成是有区别的,大家不要混淆了。PCI声卡的时代一直延续到现在,当中出现了不少高性能的音效处理芯片,如创新公司在最新的Audigy2声卡中采用的EMU10K102数字信号处理器,把波表的合成效果推向了更高的层次。

  另外值得一提的还有Sound Font技术,它是创新公司的子公司E-MU制定的采样音色库技术,根据这一技术编制的扩展名为“sbk”、“sf2”的文件就是用于合成MIDI乐曲的音色库文件。其中,扩展名为“sf2”的文件是2.0版本的音色库文件。SoundFont技术的推出使得用户可以根据自己的需要在声卡的RAM或系统内存中加载所需的音色库,从而根据MIDI文件合成所希望的MIDI乐曲。PCI声卡的诞生使SoundFont获得了巨大的生命力,它使得用户不必为了获得满意的MIDI合成效果而去购买载有大量ROM和RAM的价格昂贵的ISA声卡。而用户所需做的就是选择合适的音色库加载到内存当中去,从而以很低的成本获得足够大的音色库。

  
  三、免费万岁──软声卡时代的波表合成技术
  随着“奔腾”的芯进驻千家万户,以往只能由音效芯片干的活儿也可以交给CPU来处理了,这就是现在很多人称之为“AC'97”的软声卡(AC'97实际上只是一种标准,并无软硬之分,很多硬声卡也符合AC'97标准,不过这不属本文讨论的范围)。

  由于省去了音效芯片,使得声卡的成本降到了最低,目前市面上几乎每款主板都带有软声卡,毕竟它占用的那点资源对于今天动辄GHz的CPU来说是微不足道的。

  既然有软声卡,大家很自然会想到一定也有软波表吧。没错,不过软波表并不是在软声卡诞生之后才出现的,早在ISA声卡时代软波表就已经有了。简单地说,软波表就是利用CPU强大的运算处理能力,把原本由声卡上的波表合成芯片完成的工作交给CPU替代完成。只要你的CPU够劲,就能达到波表声卡的效果。

  软波表最大的优点在于它几乎是免费的!有了软波表合成器,即使在几十块一张的FM合成声卡也能享受到近似于硬件波表合成方式所营造出来的MIDI音响效果。其缺点在于软波表需以耗费大量的系统资源为代价,只有高速CPU才能使软波表达到较好的MIDI回放效果,而硬件波表合成则没有这样的要求。无论在何种系统上(即使是486),硬件波表合成都有出色的表现。

  令人遗憾的是,软波表普遍存在音色库过小的弊病,即使是最新的YAMAHA SYXG-100也只有2MB的音色库,使得某些乐器采样失真,估计这是厂商故意为之,不然如果人人都用软波表的话,那谁还来买那天价般的专业级硬波表啊?!

  四、波表合成技术的前景
  相信在今后一段很长的时间里,波表合成仍是声卡的一项重要功能。经过多年的发展,现有的波表合成技术已经比较完善了,要想进一步提升效果,接近专业MIDI合成器的水准,只能从真实度方面入手:更复杂、更拟真的波表数据。另一方面,一种称之为“物理模型合成”的新技术已向波表合成提出挑战,它可以赋予固化的波表音色以新的生命力,其中一些有效的合成手段,已被一些厂商所接受。无论怎样,总之可以肯定的是,技术发展的脚步永远不会停止,神奇的MIDI也会延续更加动人的旋律!



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