{"id":985,"date":"2019-11-20T18:00:28","date_gmt":"2019-11-20T21:00:28","guid":{"rendered":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/musicologia\/?p=985"},"modified":"2020-01-20T03:00:56","modified_gmt":"2020-01-20T06:00:56","slug":"35","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/musicologia\/2019\/11\/20\/35\/","title":{"rendered":"Avan\u00e7os e caminhos da computa\u00e7\u00e3o musical"},"content":{"rendered":"

ESPECIAL<\/span><\/strong><\/p>\n

Parte 3:<\/strong><\/p>\n

Jos\u00e9 Fornari (Tuti) \u2013 20 de novembro de 2019<\/span><\/p>\n

fornari @ unicamp . br<\/em><\/span><\/p>\n

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No artigo anterior descrevi brevemente os modelos cl\u00e1ssicos de s\u00edntese sonora da segunda metade do s\u00e9culo 20 DC. Do modo como entendo, os processos de s\u00edntese sonora apresentam 3 elementos principais, que eu chamo aqui de: 1) Sonoridade (a facilidade de gerar audio com grande riqueza timbr\u00edstica), 2) Controlabilidade (a facilidade de parametriza\u00e7\u00e3o das vari\u00e1veis do algoritmo da s\u00edntese sonora de modo a permitir gerar com facilidade uma dada sonoridade intensionada a priori), 3) Computabilidade (a facilidade computacional, em termos de processamento e mem\u00f3ria, para realizar a s\u00edntese sonora).<\/p>\n

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Os 3 elementos dos processos de s\u00edntese sonora digital: 1) Controlabilidade, 2) Computabilidade e 3) Sonoridade.<\/p><\/div>\n

A s\u00edntese aditiva (dada pela constru\u00e7\u00e3o de um som complexo atrav\u00e9s da soma de senoides dinamicamente parametrizadas) possui tanto a controlabilidade quanto a sonoridade diretamente proporcionais \u00e0 sua computabilidade (o que na \u00e9poca anterior \u00e0 s\u00edntese FM, era um gargalo em termos computacionais e, hoje em dia, \u00e9 um gargalo em termos de complexidade cognitiva de parametriza\u00e7\u00e3o). A s\u00edntese FM (Frequency Modulation<\/i><\/span>, ou modula\u00e7\u00e3o de frequ\u00eancia) possui alta sonoridade e baixa computabilidade, por\u00e9m sua controlabilidade n\u00e3o \u00e9 intuitiva (dado pelo fato deste processo computacional n\u00e3o ser linear, o que dificulta o design sonoro com um fim est\u00e9tico espec\u00edfico). A s\u00edntese PM (Physical Modeling<\/i><\/span>, ou modelamento f\u00edsico) apresenta grande sonoridade e controlabilidade (j\u00e1 que o algoritmo parte de modelamento computacional do corpo f\u00edsico de um instrumento musical) mas pouca computabilidade (j\u00e1 que estes modelos f\u00edsicos aumentam em complexidade na medida em que mais detalhes do modelamento do instrumento musical original s\u00e3o adicionados).<\/p>\n

Temos assim que, em teoria, a s\u00edntese aditiva permite gerar qualquer sonoridade intencionada, do mesmo modo que poder\u00edamos em teoria gerar qualquer trecho sonoro ou musical (de um discurso \u00e0 uma sinfonia, de um efeito sonoro \u00e0 um som da natureza) com 1 minuto de dura\u00e7\u00e3o, se orden\u00e1ssemos corretamente uma sequ\u00eancia de cerca de 2,6 milh\u00f5es (44100 x 60) de n\u00fameros inteiros, escolhendo adequadamente seus valores, entre \u221232,768 a +32,767 (equivalente aos 16 bits de resolu\u00e7\u00e3o do padr\u00e3o de \u00e1udio digital do CD). Por\u00e9m, apesar desta possibilidade t\u00e9cnica existir (desde os anos 1980), n\u00e3o temos a capacidade cognitiva, ou mesmo recurso de ML (Machine Learning<\/i>, ou aprendizado de m\u00e1quina) capaz de realizar esta tarefa. Do mesmo modo, a s\u00edntese aditiva aumenta em complexidade a cada parcial (representado por uma senoide) acrescentada, a qual deve ser controlada dinamicamente em 3 par\u00e2metros: amplitude, frequ\u00eancia e fase. A s\u00edntese FM valeu-se da capacidade criativa de designers de som que foram intuitivamente criando bancos de dados sonoros e catalogando suas sonoridades. Por\u00e9m esta capacidade chegou a um certo limite cognitivo, onde novas ou mais aperfei\u00e7oadas sonoridade musicais passaram a ser cada vez mais escassas at\u00e9 praticamente n\u00e3o mais ocorrerem. Chegou-se assim a outra constata\u00e7\u00e3o fundamental no universo do som musical. Os ouvintes, em sua imensa maioria, n\u00e3o est\u00e3o interessados em novas e desconhecidas sonoridades de \u00e1udio digital, mas sim em obter atrav\u00e9s de recursos computacionais sonoridades cada vez mais parecidas com aquelas de instrumentos ac\u00fasticos conhecidos, como por exemplo, o som de c\u00e9lebres instrumentos musicais. Deste modo, por exemplo, um teclado musical digital poderia gerar uma sonoridade similar com aquela de um piano de uma famosa e tradicional marca (como um Steinway & Sons, ou um Bosendorfer Imperial) cuja aquisi\u00e7\u00e3o e portabilidade seriam proibitivos para a imensa maioria dos tecladistas. Neste sentido, foi desenvolvida e explorada a s\u00edntese PM, por\u00e9m esta, apesar de apresentar muita controlabilidade, tem sonoridade limitada e, dados os recursos tecnol\u00f3gicos da \u00e9poca, era computacionalmente muito cara.<\/p>\n

A ideia de gravar o som original de um instrumento musical ac\u00fastico e controla-lo atrav\u00e9s de uma interface computacional j\u00e1 tinha sido pensada na d\u00e9cada de 1960. No come\u00e7o dos anos 1970 j\u00e1 existiam implementa\u00e7\u00f5es realizadas. O primeiro destes instrumentos, chamados de “Samplers<\/i>” (amostradores) foi o Mellotron, um teclado musical anal\u00f3gico, que gravava em tape (fita magn\u00e9tica) o som de um instrumento musical, o qual era depois acionado atrav\u00e9s de um teclado eletr\u00f4nico. O primeiro sampler digital foi o EMS (Electronic Music Studio<\/i>) que utilizava 2 processadores computacionais para realizar as opera\u00e7\u00f5es necess\u00e1rias para o \u201csampleamento\u201d (convers\u00e3o anal\u00f3gico digital, edi\u00e7\u00e3o e armazenamento das amostras digitais). Os samplers eram instrumentos muito caros e ainda por cima necessitavam que o usu\u00e1rio tivesse um bom entendimento computacional e de \u00e1udio digital, para que pudesse realizar adequadamente o design sonoro do \u00e1udio que seria utilizado musicalmente, numa performance ou numa grava\u00e7\u00e3o musical.<\/p>\n

A sa\u00edda encontrada por pesquisadores tais como Michael McNabb e Wolfgang Palm, foi ir ao encontro do interesse da imensa maioria dos usu\u00e1rios, que n\u00e3o procuravam novas sonoridades, mas desejavam instrumentos digitais capazes de reproduzir sonoridades conhecidas e estabelecidas no imagin\u00e1rio sonoro dos m\u00fasicos e ouvintes. Com isso, poderia-se reduzir o custo do equipamento computacional, retirando a parte necess\u00e1ria para converter e armazenar novas amostras e assim tamb\u00e9m eliminar o processo de edi\u00e7\u00e3o que estava a cargo dos usu\u00e1rios. A solu\u00e7\u00e3o foi criar instrumentos musicais digitais mais baratoa, j\u00e1 contendo uma lista pr\u00e9-definida de sonoridades pr\u00e9-amostradas e adequadamente editadas, de sons conhecidos (especialmente sons de instrumentos musicais ac\u00fasticos). Isto foi alcan\u00e7ado atrav\u00e9s da utiliza\u00e7\u00e3o de tabelas de leitura na mem\u00f3ria digital do computador (ou instrumento digital); as chamadas Table-lookup<\/i>. Estas tabelas poderiam serlidas e moduladas pelo algoritmo da s\u00edntese, ao inv\u00e9s de calculadas em tempo real. Por exemplo, para gerar uma senoide, ao inv\u00e9s do processador digital calcular, a cada instante de tempo, o valor de uma fun\u00e7\u00e3o seno, tem-se uma tabela com estes valores j\u00e1 pr\u00e9-calculados, os quais s\u00e3o apenas lidos em diferentes velocidades, de acordo com a frequ\u00eancia da senoide que se quer reproduzir, e multiplicados por uma vari\u00e1vel, de acordo com a amplitude desejada na sua reprodu\u00e7\u00e3o. Tem-se ent\u00e3o a possibilidade de fazer o mesmo com formas de onda mais complexas, como s\u00e3o as amostras digitais de sons de instrumentos musicais, que tamb\u00e9m podem ser armazenadas numa tabela de \u201condas\u201d, chamada de \u201cWavetable<\/i>\u201d. Deste processo de desenvolvimento, feito por diversos e independentes pesquisadores, surgiu o conceito de \u201cWavetable synthesis<\/i>\u201d; a s\u00edntese wavetable.<\/p>\n

Em linhas gerais, os sons de instrumentos musicais s\u00e3o compostos por dois tipos de sons, como tamb\u00e9m ocorre na fala humana, que \u00e9 composta por consoantes e vogais. Conforme tratado anteriormente<\/a>, as vogais s\u00e3o sons tonais, aproximadamente peri\u00f3dicos, enquanto que as consoantes s\u00e3o sons percussivos, aperi\u00f3dicos. Uma s\u00edlaba \u00e9 normalmente composta por uma vogal (quase peri\u00f3dica) precedida por uma consoante (aperi\u00f3dica). Do mesmo modo, o som de um instrumento tonal costuma possuir uma fase inicial, chamada de ataque, que a esta se assemelha e cumpre a fun\u00e7\u00e3o identificat\u00f3ria de uma consoante na s\u00edlaba. Este \u00e9 precedido por uma fase posterior, chamada de ciclo, que assemelha e cumpre a fun\u00e7\u00e3o qualitativa de uma vogal. A diferen\u00e7a, por exemplo, entre as s\u00edlabas \u201cba\u201d e \u201cpa\u201d \u00e9 de fato sutil, estando contida praticamente nos primeiros milisegundos do som de ambas as s\u00edlabas, os quais a audi\u00e7\u00e3o humana \u00e9 extremamente eficaz em distinguir.<\/p>\n

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Espectro sonoro (componentes em frequ\u00eancia ao longo do tempo) do \u00e1udio de uma pronuncia da s\u00edlaba “ba<\/strong>” onde se observa \u00e0 esquerda o momento da pronuncia da consoante “b<\/strong>” seguido pela pronuncia da vogal “a<\/strong>“, que \u00e9 aparte tonal deste \u00e1udio.<\/p><\/div>\n

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Espectro sonoro (componentes em frequ\u00eancia ao longo do tempo) do \u00e1udio de uma nota emitida por um trompete (coletado no site www.freesound.org<\/a>) onde tem-se \u00e0 esquerda o ataque (parte ruidosa ou aperi\u00f3dica, similar \u00e0 sonoridade de uma consoante) precedido pelo ciclo (parte tonal, similar \u00e0 sonoridade de uma vogal).<\/p><\/div>\n

Considerando essas duas partes fundamentais de um som tonal, a estrat\u00e9gia da s\u00edntese wavetable, de modo bastante simplificado, \u00e9 amostrar estes dois componentes do som musical tonal. O ataque \u00e9 de r\u00e1pida dura\u00e7\u00e3o (milissegundos) e \u00e9 assim armazenado integralmente. O ciclo \u00e9 bem mais extenso (depende da dura\u00e7\u00e3o da nota) por\u00e9m \u00e9 \u201cquase peri\u00f3dico\u201d, ou seja, se repete de modo similar (por isso, o nome \u201cciclo\u201d).<\/p>\n

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Trecho com 2 milisegundos de dura\u00e7\u00e3o da forma de onda da parte tonal (ciclo) do som amostrado do trompete apresentado na figura anterior.<\/p><\/div>\n

Desse modo, basta armazenar alguns ciclos deste trecho bem curto (ainda mais curto que o ataque) e repeti-los de modo quase peri\u00f3dico, modulados ao longo do tempo por uma envolt\u00f3ria din\u00e2mica que representa os est\u00e1gios mais comuns de uma nota musical. Estes s\u00e3o chamados de ADSR: Ataque, Decaimento (transi\u00e7\u00e3o entre o ataque aperi\u00f3dico e ciclo quase peri\u00f3dico), S (Steady state<\/i>, ou modo estacion\u00e1rio, que \u00e9 o per\u00edodo extenso onde a nota musical est\u00e1 soando) e R (Release<\/em>, ou finaliza\u00e7\u00e3o da nota, quando esta \u00e9 encerrada). Para regi\u00f5es de notas pr\u00f3ximas, o mesmo par de amostras (ataque e ciclo) podem ser usadas, bastando apenas modular ligeiramente a velocidade de leitura, correspondendo \u00e0 varia\u00e7\u00e3o de sua frequ\u00eancia (que corresponde \u00e0 altura musical, ou pitch<\/i>). Para regi\u00f5es distantes, novos pares de amostras devem ser utilizados pois a diferen\u00e7a timbr\u00edstica passa a ser percept\u00edvel (como ocorre quando aceleramos uma grava\u00e7\u00e3o de uma voz grave e esta soa n\u00e3o apenas de modo mais r\u00e1pido, como uma voz fina, mas tamb\u00e9m como uma voz artificial, normalmente c\u00f4mica por ser obviamente diferente de uma voz naturalmente mais fina). Para sons n\u00e3o tonais, como muitos sons percussivos (tambores, pratos, chocalhos) e efeitos sonoros (explos\u00f5es, tiros, gritos), usa-se no processo da s\u00edntese wavetable apenas o ataque, que passa a ser bem maior e representa toda a extens\u00e3o da amostra sonora.<\/p>\n

Com o passar do tempo e o sucessivo avan\u00e7o do desenvolvimento tecnol\u00f3gico, que permitiu a expans\u00e3o do processamento e da mem\u00f3ria computacional, a s\u00edntese wavetable, em n\u00edvel comercial, substituiu completamente a s\u00edntese FM e a PM e at\u00e9 hoje \u00e9 o m\u00e9todo mais utilizado de s\u00edntese sonora digital. De fato, a s\u00edntese wavetable n\u00e3o \u00e9 em si um processo de gera\u00e7\u00e3o sonora mas um m\u00e9todo de acesso e controle din\u00e2mico de amostras de \u00e1udio digital em tempo real que se vale das propriedades do som de instrumentos tonais acima explicadas, onde curtas amostras digitais de pequenos trechos do som real s\u00e3o suficientes para \u201csintetizar\u201d um som conhecido com bem menor esfor\u00e7o computacional e bem maior proximidade perceptual auditiva, muito acima daquela alcan\u00e7ada pelas s\u00ednteses sonoras anteriores, cujos sons podem ser reconstitu\u00eddos e parametrizados em tempo real, pelos par\u00e2metros de articula\u00e7\u00e3o fornecidos por um instrumento musical controlador, como um teclado MIDI (conforme apresentado na primeira parte<\/a> desta s\u00e9rie de artigos); fato este que parecia ser imposs\u00edvel de ser alcan\u00e7ado, mas que os inesperados avan\u00e7os tecnol\u00f3gicos computacionais do final do s\u00e9culo 20 DC acabaram viabilizando, para a surpresa e at\u00e9 quem sabe frustra\u00e7\u00e3o de muitos pioneiros da computa\u00e7\u00e3o musical.<\/p>\n

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Refer\u00eancias:<\/strong><\/p>\n

[] McNabb, Michael. \u201cDreamsong: The Composition\u201d (PDF). Computer Music Journal. 5 (4). Retrieved February 24, 2015. http:\/\/www.mcnabb.com\/music\/pubs\/CMJ_Vol5Num4.pdf<\/p>\n

[] The History of the Electric Keyboard. By Gary Hill ; Updated September 15, 2017. https:\/\/ourpastimes.com\/the-history-of-the-electric-keyboard-12310595.html<\/p>\n

[] Sound synthesis of cymbals including thickness and shape variations.\u00a0http:\/\/perso.ensta-paristech.fr\/~touze\/tapercymbals.html<\/p>\n

[] Freesound https:\/\/freesound.org<\/a> (acessado dia 19 de novembro de 2019)<\/p>\n

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Como citar este artigo:<\/strong><\/p>\n

Jos\u00e9 Fornari. \u201cAvan\u00e7os e caminhos da computa\u00e7\u00e3o musical \u2013 parte 3\u201d. Blogs de Ci\u00eancia da Universidade Estadual de Campinas. ISSN 2526-6187. Data da publica\u00e7\u00e3o: 20 de novembro de 2019. Link: https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/musicologia\/2019\/11\/20\/<\/span>35<\/span>\/<\/span><\/p>\n

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