MIDI音乐中的波表合成技术

MIDI音乐中的波表合成技术
编辑   2007-09-30 12:00
1 MIDI音乐的概念
现在越来越多的电脑爱好者、音乐爱好者都经常接触到声卡以及MIDI,那么，什么是MIDI?尤其是近几年多媒体技术的突飞猛进,MIDI作为多媒体的一个重要组成部分,被炒得沸沸扬扬,几乎达到了妇孺皆知的地步。而大家也已经把这种接口技术当作了电脑音乐的代名词。
1.1 MIDI的概念
MIDI是Musical Instrument Digital Interface的简称，即“音乐设备数字接口”，它是由Sequential Circuits公司大卫·史密斯提出来的。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、设备等相关的含义，而我们通常所说的MIDI是指“电脑音乐”，或者说以MIDI为扩展名的音乐文件，已与原来的意思相差甚远。
1.2 MIDI的三种音源标准
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，便出现了GS、GM和XG这类音色排列方式的标准。最早出台的是由业界大名鼎鼎的ROLAND公司制定并推出的。ROLAND是日本非常出名的电子乐器厂商，其生产开发的电子键盘、MIDI音源以及软波表都享有盛誉。所以GS颇具权威性，它完整的定义了128种乐器的统一排列方式，并规定了MIDI设备的最大复音数不可少于24个等详尽的规范。
GM标准则是在GS的基础上，加以适当简化而成的。由于它比较符合众多中小厂商的口味，一时间成为了业界广泛接受的标准。在电子乐器方面惟一可与ROLAND 相匹敌的YAMAHA公司也不甘示弱，于1994年制定出自己的标准——XG。与GM、GS相比XG提供了更为强劲的功能和一流的扩展能力，并且完全兼容以上两大标准。而且凭借YAMAHA公司在电脑声卡方面的优势，使得XG在PC上有着广阔的用户群。
1.3 MIDI的工作原理
MIDI文件格式的乐曲都只占很小的空间，但它是怎样产生的呢？首先，大家都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，而且效果非常真实，但其文件比较大，一般一首4分钟左右的乐器要耗40MB左右的磁盘空间。而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成为一种描述性的“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，只不过是沧海一粟而已。如此小的容量非常适合在网络媒体上传播。不过MIDI也有一个致命的缺点，因为不同的声音卡，不同的音源或不同的合成手段播放的结果会完全不一样。在了解了MIDI音乐的概念之后，接下来就开始进入影响MIDI音乐发展的关键技术——声卡的合成引擎。
2 MIDI的合成引擎
2.1 MIDI的合成技术
MIDI文件是一种对乐曲的描述，本身不包括可供回放的声音信息，电脑音乐要被声卡播放出来，就需要通过形形色色的合成引擎了。目前应用的最为广泛的MIDI合成引擎是FM合成和波表合成。
(1)FM合成
FM是"频率调变"的英文缩写。多用于以前的ISA声卡，它运用声音振荡的原理对MIDI进行合成处理。但由于技术本身的局限，加上这类声卡采用的大多数为廉价的YAMAHA OPL系列芯片，效果自然很差，而波表合成则要好得多。
(2)波表合成
也正是因为FM合成技术的差强人意，才有了本文的主角——波表合成。波表合成的英文名称为“WAVE TABLE”，从字面上翻译来看就是“波形表格”的意思。它是采用一称之为“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回放。例如用真实乐器的数字录音技术，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（ROW）中，在产生MIDI音乐时再以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还原回放，因而采用波表合成的MIDI音乐听上去更接近自然，更具真实感，而FM合成MIDI音乐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。调制的作用是实时控制参数，使声音产生变化，因而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。
2.2 波表的技术指标
（1）音色库容量
由于波表合成技术是将真实乐器的音乐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，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10K左右的空间，而2MB波表则可以获得比它大一倍的空间，效果自然也好了许多。专业声卡的波表音色库可高达32MB以上（例如创新SB live！系列）。不过4MB音色库已经足够，况且就“肉耳”而言很难分辨出4MB与8MB之间的区别。
（2）复音数
所谓的“复音”是指MIDI乐曲在1秒钟内发出的最大声音数目。波表支持的复音数如果太小，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，直接会影响到播放效果。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”是指所有复音数都是由声卡芯片生成，而“软件支持复音”则是在“硬件支持复音”的基础上以软件合成的方法，加大复音值，但这是由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，这在一般情况下的意义是不大的，64位复音几乎已接近MIDI乐曲所用复音的极限了。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。不过从这个侧面可以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支持给MIDI提供了良好的表现空间。但要想达到近乎真实的乐器临场演奏效果，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。一般这些效果在GS、GM或XG上都能获得很好的支持。
3 波表合成技术的发展与前景
ISA声卡的出现，将计算机带进了多媒体时代，当时声卡的MIDI合成主要以FM为主。第一款出现在国内市场上的波表声卡是声卡之你创新公司出品的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技术进行合成，就是所谓的“硬波表”。由于在声卡上整合高性能的波表合成芯片及ROM或RAM会导致声卡的成本昂贵，使它在一段时期内限制了它的普及，直到1998年PC1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，其关键是DLS技术的应用。DLS全称为“Down Landable Sample”，意思是“可下载音色样本库”。其工作原理是将原先存放在声卡板载ROM的波表音色样本以文件形式存在于系统硬盘中，再传输到声卡的波表合成芯片上加以处理合成。
基于此原理而产生的Sound Font技术，是创新公司的子公司E-MU指定的采样音色库技术，根据这一技术编制的扩展名为“sbk”和“sf2”的文件就是用于MIDI乐曲的音色库文件。PCI声卡使Sound Font技术获得了巨大的生命力，它使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或RAM的价格昂贵的ISA声卡。而用户所需要做的就是选择合适的音色库加载到内存中去，从而以很低的成本中获得足够大的音色库。
随着“奔腾”级芯片的普及，以往只能由音效芯片来完成的工作也交给CPU来处理了，这就是现在的称之为“AC’97”的软声卡（注：AC’97实际上只是一种标准，并无软硬之分，很多硬声卡符合AC’97标准），由于省去了音效芯片，使得声卡的成本降到了最低，目前CPU动辄GHZ，软声卡占用的资源对它来说可谓是微不足道。
既然有了“软声卡”，也就有了“软波表”，软波表是利用CPU的强大运算能力，把原本由波表合成卡的工作一并完成，从而达到波表声卡的效果。软波表的最大的优点就是它完全免费，其缺点是需要占用大量的系统资源，只有高速CPU才能使软波表达到较好的MIDI回放效果。而硬件波表合成技术没有这样的要求，无论是在任何系统上，即使是486，都能还原出令人满意的MIDI效果。遗憾的是，软波表现在普遍存在音色库过小的弊端，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。
相信在今后很长的一段时间里，波表合成技术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，要想再进一步提升效果，接近专业MIDI合成器的水准，只能从真实度方面下手：更复杂、更拟真的波表数据。另一方面，一种称之为“物理模拟合成”的新技术已向波表合成技术提出挑战，他可以赋以固化的波表音色以新的生命力。无论怎么样，可以肯定的一点是，技术发展的脚步永远不会停止，神奇、迷人的MIDI也会延续更加动人的旋律。