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MIDI的背后──剖析波表合成技术

2004-02-11 eNet&Ciweek

  一、让人着迷的MIDI
  随着硬声卡时代的衰落,许多人对声卡的关注越来越少了。可在声卡技术中占有重要位置的波表合成技术,它的发展脚步却一刻也没有停下来。在重新走进这神奇技术的殿堂之前,让我们先了解一下其最终产物──MIDI的几个基本知识。

  1.MIDI是什么
  MIDI是Musical Instrument Digital Interface的简称,即“音乐设备数字接口”。它是由美国Sequential Circuits公司的大卫·史密斯提出,并在1982年的国际乐器制造者协会的会议上通过。1983年MIDI协议 1.0版本正式制定出来,它是一种电子乐器之间以及电子乐器与电脑之间的统一交流协议。广义上的MIDI是电子合成器、电脑音乐的统称,包括协议、设备等等相关的含义,而我们平常所说的MIDI则只是指“电脑音乐”,或者说是以MID为扩展名的音乐文件,已与原来的意思相差甚远

  2.MIDI的三种音源标准
  GS、GM和XG是MIDI的三种音源标准。为什么会有这样的区分呢?这是由于早期的MIDI设备在乐器的音色排列上没有统一的标准,造成不同型号的设备回放同一首乐曲时也会出现音色偏差。为了弥补这一不足,日本的 ROLAND(罗兰)公司在1990年制定出了所谓的GS标准。GS标准规定了MIDI设备的最大复音数不得少于24个,鼓、镲等打击乐器位于一组单独排列,128种乐器音色有统一的排列方式等,还具有音色编辑和音色选择的强大功能。在GS规定里最为重要的就是128种乐器的统一排列方式,它使得我们在GS标准的设备上做出的MIDI,拿到另外一台支持同样标准的设备上都能够正常播放。

  可是GS标准过于复杂,很多MIDI制造商都没有全盘接受这个标准,而是把它稍作改变。于是,在GS标准诞生的一年后,GM标准就出台了。GM标准的全称是“通用MIDI标准系统第一级”(General MIDI System Level1) ,它是在GS的标准上,把GS标准中重要的音色编辑和音色选择部分去掉了,而在音色排列方面基本上还是沿袭了GS标准的排列方法,在名称上也做了无关紧要的修改。这种简化使得众多的MIDI设备制造商很容易做出支持此标准的MIDI设备,因此大受欢迎,成为了世界上第一个通用的MIDI音源标准。

  XG则是在电子乐器方面久负盛名的YAMAHA公司于1994年推出的标准。其最大的特色是在兼容GM的基础上作了大幅度的扩展,加入了很多非常实用的功能,而且YAMAHA完全开放了XG产品的系统码、扩展控制器的控制范围,力争做到XG标准的MIDI作品可以在任何XG音源上正确回放。凭借YAMAHA公司在电脑声卡方面的优势和强劲的宣传攻势,XG标准在PC上有着众多的用户群。

  3. MIDI是怎样“炼”成的
  相信大家都惊叹MIDI文件对乐曲的“瘦身”效果,但你知道它是怎样“炼”成的吗?我们知道任何声音都有其波形。如果我们把某种声音的波形记录下来,就可以正确地反映这个声音的实际效果。WAVE文件就是这种形式。它在任何一台电脑上回放都是一样的,并且效果很真实,但生成的文件较大,一般一首4分钟左右的乐曲就要耗费40MB左右的磁盘空间。而MIDI之所以“神奇”,就是采用了一种与WAVE截然不同的形式。MIDI文件本身只是一堆数字信号而已,不包含任何声音信息,我们或者可以把它理解为一种描述性的“音乐语言”,只要将所要演奏的乐曲信息表述下来就可以了。例如“在某一时刻,使用什么乐器,以什么音符开始,以什么音调结束,加上什么伴奏”等等,这些信息所占用的几十KB空间对于如今大容量的硬盘来说只是沧海一粟罢了。如此苗条的身段使得MIDI很适合在网络上传播,例如作为网页的背景音乐。不过MIDI也有缺点,因为不同声卡、不同合成手段或不同音源的音色是完全不同的,所以相同的MIDI文件在不同的设备上播放结果会完全不一样。

  
  二、MIDI的合成引擎
  既然MIDI文件只是一种对乐曲的描述,本身不包含任何可供回放的声音信息,那么一首首动听的电脑音乐又是如何被我们的声卡播放出来的呢?这就要通过形形色色的合成引擎了。下面大家马上就可深入了解到波表合成技术了。目前应用最为广泛的MIDI合成引擎是FM合成与波表合成。

  1.FM合成
  FM是“频率调变”的英文缩写,它是由美国斯坦福大学教授John Chowning于上世纪70年代发明的。这项专利后来被日本Yamaha公司买下,该公司的OPL系列合成芯片成为了FM合成技术的工业标准。直到现在,市场上很多FM合成声卡还都采用OPL技术。FM合成的原理是根据傅立叶级数来的,也就是说任何一种波动信号都可被分解为若干个频率不同的正弦波,因此一种乐器的声音可以由多个正弦波来合成。FM合成器所要做的事情就是利用若干个正弦波合成某种乐器的声音。那么所谓的若干个正弦波究竟是多少个呢?由于FM合成器的内部结构比较复杂,其内部包含有诸多信号发生器、振荡器、运算器等逻辑部件。受成本限制,目前最好的FM合成器OPL3也只能提供4个正弦波来合成声音而且复音数只有24个。这也就是大多数声卡的MIDI音效令人失望的原因。

  2.波表合成
  正因为FM合成的差强人意,才有了本文的主角──波表合成。波表的英文名称为“WAVE TABLE”,从字面翻译就是“波形表格”的意思。它是采用一种称之为“波表查找”技术来产生MIDI音乐,具体方式是将声音的数字化样本储存在固定的区域,然后根据MIDI命令取出相应的样本将它还原并回放。例如采用真实乐器的数字录制技术,把大提琴、小提琴、钢琴、鼓等各种实际乐器的数字化声音存储在只读存储器(ROM)中,在产生MIDI音乐时再从存储的波表中找出进行合成。

  它与FM的最大区别就在于FM通过对简单正弦波的线性控制来模仿音乐乐器和特殊效果,而波表采用真实的声音样本进行回放,因此采用波表合成的MIDI音乐听上去更接近自然、更具真实感,而FM合成的MIDI音乐则多带有人工合成的色彩。虽然波表合成的原理我们可以简单地描述成对真实声音样本的回放,但实际上其中有很多细节却是极其复杂的过程。总之,波表合成的本质是对采样声音的调制。对采样声音进行调制的过程是动态地改变音频信号的某个参数的过程,这些参数包括:音量(振幅调制或震音)、音高(调频或颤音)以及滤波器截止频率。调制的作用是实时地控制参数,使声音产生变化,因此不需添加更多的样本也能得到丰富的声音效果,以起到节省内存的目的。

  三、波表的几个技术指标
  1.音色库容量
  由于波表合成技术是将真实乐器的音色采样录制下来再进行合成处理的,所以要想获得满意的效果是有条件的,就是波表的音色库要足够大,这样才能容纳更多更好的音色样本。波表越大,音色采样就越真实,效果就越好。例如一般1MB的波表每种音色只能被分配到10KB左右的空间,而2MB波表则可以获得比它大一倍的空间,效果自然也会好得多;专业声卡的波表库可高达32MB以上(例如创新SB Live!系列)。不过4MB音色库所能达到的效果已经不错了,如果不是用于专业用途,4MB音色库已经足够。况且就“肉耳”而言是很难分辨出4MB音色库与8MB音色库之间的区别的。

  2.复音数
  所谓“复音”是指MIDI乐曲在一秒钟内发出的最大声音数目。波表支持的复音值如果太小,一些比较复杂的MIDI乐曲在合成时就会出现某些声部被丢失的情况,直接影响到播放效果。复音有“硬件支持复音”和“软件支持复音”之分。所谓“硬件支持复音”是指所有的复音数都由声卡芯片生成,而“软件支持复音”则是在“硬件复音”的基础上以软件合成的方法,加大复音数,但这是需要CPU来带动的。例如SB Live!它的复音数达到了前所未有的256位,而软件复音则可高达1024位!或许你会问,用得着这么大的复音数吗?的确,这在一般情况下是意义不大的,64位复音几乎已接近一般人耳朵的极限,况且目前大多数MIDI乐曲使用的复音数都没有超过32位,所以音色丢失的现象很少发生。不过从这个侧面却可反映出波表合成技术的发展速度。

  3. 特殊效果
  大容量的波表和高复音数的支持给MIDI提供了良好的表现空间。但要想达到近乎真实乐器的演奏临场效果,还需要一些锦上添花的修饰,所以大部分波表提供了一些特殊效果的支持。其中主要包括:回馈、和声、变化三种。一般这些效果都能获得支持。


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