PAV - P5: síntesis musical polifónica

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Como entrega deberá realizar un pull request con el contenido de su copia del repositorio. Recuerde que los ficheros entregados deberán estar en condiciones de ser ejecutados con sólo ejecutar:

  make release

A modo de memoria de la práctica, complete, en este mismo documento y usando el formato markdown, los ejercicios indicados.

Ejercicios.

Envolvente ADSR.

Tomando como modelo un instrumento sencillo (puede usar el InstrumentDumb), genere cuatro instrumentos que permitan visualizar el funcionamiento de la curva ADSR.

• Un instrumento con una envolvente ADSR genérica, para el que se aprecie con claridad cada uno de sus parámetros: ataque (A), caída (D), mantenimiento (S) y liberación (R).
• Un instrumento percusivo, como una guitarra o un piano, en el que el sonido tenga un ataque rápido, no haya mantenimiemto y el sonido se apague lentamente.
  • Para un instrumento de este tipo, tenemos dos situaciones posibles:
    • El intérprete mantiene la nota pulsada hasta su completa extinción.
    • El intérprete da por finalizada la nota antes de su completa extinción, iniciándose una disminución rápida del sonido hasta su finalización.
  • Debera representar en esta memoria ambos posibles finales de la nota.
• Un instrumento plano, como los de cuerdas frotadas (violines y semejantes) o algunos de viento. En ellos, el ataque es relativamente rápido hasta alcanzar el nivel de mantenimiento (sin sobrecarga), y la liberación también es bastante rápida.

Para los cuatro casos, deberá incluir una gráfica en la que se visualice claramente la curva ADSR. Deberá añadir la información necesaria para su correcta interpretación, aunque esa información puede reducirse a colocar etiquetas y títulos adecuados en la propia gráfica (se valorará positivamente esta alternativa).

Instrumentos Dumb y Seno.

Implemente el instrumento Seno tomando como modelo el InstrumentDumb. La señal deberá formarse mediante búsqueda de los valores en una tabla.

• Incluya, a continuación, el código del fichero seno.cpp con los métodos de la clase Seno.

/* Cada vez que el programa encuentra un comando MIDI en el fichero score, 
invoca al método command() de la clase, que toma por argumentos los campos del fichero score, 
esto es: el comando, la nota y la velocidad. */
void Seno::command(long cmd, long note, long vel) {
    // Si el comando es NoteOn (9), el método declara activo al instrumento
  if (cmd == 9) {		//'Key' pressed: attack begins
    bActive = true;
    adsr.start();
    F0 = (440*pow(2,((float)note - 69.0)/12.0));
		index = 0; // contador, para recorrer la tabla
    salto = (F0*tbl.size())/SamplingRate; 
	  A = vel / 127.; //amplitud
  }
  else if (cmd == 8) {	//'Key' released: sustain ends, release begins
    adsr.stop();
  }
  else if (cmd == 0) {	//Sound extinguished without waiting for release to end
    adsr.end();
  }
}

// síntesis de la señal
const vector<float> & Seno::synthesize() {
  // la curva ADSR ya ha llegado a su final
  if (not adsr.active()) {
    x.assign(x.size(), 0); //asignamos a la señal sintetizada el valor de 0
    bActive = false; //marcamos nota como inactiva
    return x;
  }
  // Si ya ha sido marcada como inactiva
  else if (not bActive)
    return x;

  // Si la nota está activa, el método realiza la síntesis
  for (unsigned int i=0; i<x.size(); ++i) {
    x[i] = A * tbl[index];
    index += salto;
    while (index >= tbl.size())
      index -= tbl.size();
  }
  adsr(x); //apply envelope to x and update internal status of ADSR

  return x;
}

• Explique qué método se ha seguido para asignar un valor a la señal a partir de los contenidos en la tabla, e incluya una gráfica en la que se vean claramente (use pelotitas en lugar de líneas) los valores de la tabla y los de la señal generada.

  Cogiendo como modelo InstrumentDumb, hemos tenido que hacer las siguientes modificaciones:

  • En el método synthesize:

    Ahora no recorremos la tabla de una muestra en una, sino que depende de un salto para que implemente la nota correcta (explicado justo abajo). Si este salto es mayor que el tamaño de la tabla, le restamos este valor (un periodo de la señal). Para que haga las operaciones correctamente, hemos tenido que cambiar la variable index a float en seno.h.

  • En el método command:

    En InstrumentDumb reproducía todos los sonido como si fueran la misma nota. Para que lo haga correctamente, tenemos que calcular la frecuencia fundamental (f0), que sacamos del enunciado de la práctica (p13):

    Note=69+12·log2(f0/440)

    Calculamos f0 para posteriormente calcular el salto mencionado en el punto anterior, a partir de la siguiente fórmula:

    F0= (fm*salto)/N Donde fm es la frecuencia de muestreo (SamplingRate) y N es el número de muestras de un periodo de señal, que al mismo tiempo, es el tamaño de la tabla (x.size()).

• Si ha implementado la síntesis por tabla almacenada en fichero externo, incluya a continuación el código del método command().

Efectos sonoros.

• Incluya dos gráficas en las que se vean, claramente, el efecto del trémolo y el vibrato sobre una señal sinusoidal. Deberá explicar detalladamente cómo se manifiestan los parámetros del efecto (frecuencia e índice de modulación) en la señal generada (se valorará que la explicación esté contenida en las propias gráficas, sin necesidad de literatura).
• Si ha generado algún efecto por su cuenta, explique en qué consiste, cómo lo ha implementado y qué resultado ha producido. Incluya, en el directorio work/ejemplos, los ficheros necesarios para apreciar el efecto, e indique, a continuación, la orden necesaria para generar los ficheros de audio usando el programa synth.

Síntesis FM.

Construya un instrumento basado en síntesis FM, siguiendo las explicaciones contenidas en el enunciado y el artículo de John M. Chowning. El instrumento usará como parámetros básicos los números N1 y N2, y el índice de modulación I, que deberá venir expresado en semitonos.

• Use el instrumento para generar un vibrato de parámetros razonables e incluya una gráfica en la que se vea, claramente, la correspondencia entre los valores N1, N2 e I con la señal obtenida.
• Use el instrumento para generar un sonido tipo clarinete y otro tipo campana. Tome los parámetros del sonido (N1, N2 e I) y de la envolvente ADSR del citado artículo. Con estos sonidos, genere sendas escalas diatónicas (fichero doremi.sco) y ponga el resultado en los ficheros work/doremi/clarinete.wav y work/doremi/campana.work.
  • También puede colgar en el directorio work/doremi otras escalas usando sonidos interesantes. Por ejemplo, violines, pianos, percusiones, espadas láser de la Guerra de las Galaxias, etc.

Orquestación usando el programa synth.

Use el programa synth para generar canciones a partir de su partitura MIDI. Como mínimo, deberá incluir la orquestación de la canción You've got a friend in me (fichero ToyStory_A_Friend_in_me.sco) del genial Randy Newman.

• En este (lamentable) arreglo, la pista 1 corresponde al instrumento solista (puede ser un piano, flautas, violines, etc.), y la 2 al bajo (bajo eléctrico, contrabajo, tuba, etc.).
• Coloque el resultado, junto con los ficheros necesarios para generarlo, en el directorio work/music.
• Indique, a continuación, la orden necesaria para generar la señal (suponiendo que todos los archivos necesarios están en direcotorio indicado).

También puede orquestar otros temas más complejos, como la banda sonora de Hawaii5-0 o el villacinco de John Lennon Happy Xmas (War Is Over) (fichero The_Christmas_Song_Lennon.sco), o cualquier otra canción de su agrado o composición. Se valorará la riqueza instrumental, su modelado y el resultado final.

• Coloque los ficheros generados, junto a sus ficheros score, instruments y efffects, en el directorio work/music.
• Indique, a continuación, la orden necesaria para generar cada una de las señales usando los distintos ficheros.