Digital sound

To właśnie miało miejsce, gdy w końcu lat osiemdziesiątych przedstawiony został komputer NEXT, który do zebranej publiczności odezwał się ludzkim głosem. Zostało to odebrane jako rzecz niesamowita i wielkiej miary.
Dzisiaj każdy komputer ma wystarczające możliwości, aby "udawać" ludzką mowę, nawet IBM, chociaż bez karty muzycznej robi to na poziomie ZX SPECTRUM, a z kartą na poziomie Atari XL. Jak to się natomiast dzieje, iż jeden komputer odtwarza dźwięk bardziej realistycznie od drugiego, że dźwięki wydawane przez niego przypominają katarynkę albo też kojarzą się z konkretnym instrumentem muzycznym? W tym artykule chciałbym wytłumaczyć zasady tworzenia dźwięku wydawanego przez maszyny cyfrowe.

CO TO JEST DŹWIĘK?
DŹWIĘKIEM NAZYWAMY DRGANIA POWIETRZA. Tak brzmi definicja, z której wywnioskować można, iż dźwięk odtwarzany jest (np. z magnetofonu) za pomocą szybkich ruchów membrany głośnika, co powoduje pożądane drżenie powietrza. I właśnie o te drgania chodzi w historii dźwięku, także cyfrowego.
Na początku drgania te były zapisywane za pomocą wyżłobień w wałku pokrytym warstwą wosku. Drgania były bardzo słabe i próbowano je wzmacniać za pomocą prymitywnej tuby.

KSZTAŁT FALI DŹWIĘKOWEJ
Kształt obwiedni dźwięku jest zbiorem kolejnych impulsów, które są następnie wysyłane do głośnika. A zatem pojedynczy impuls jest wiadomością dla głośnika dotyczącą tego, na jakiej wysokości w danym momencie powinna znajdować się membrana głośnika. Wgłębienia w rowkach na płycie analogowej (gramofonowej) to właśnie ta obwiednia dźwięku (tylko w pomniejszeniu). Za pomocą przetworników elektronicznych, zwanych przetwornikami analogowo-cyfrowymi lub cyfrowo-analogowymi, można zamieniać dźwięk cyfrowy z komputera na sygnał dla np, głośnika (i odwrotnie, z mikrofonu do komputera).
Takim właśnie przetwornikiem jest oscyloskop. Po podłączeniu do niego magnetofonu, radia lub gramofonu, urządzenie to w czasie rzeczywistym pokaże nam wygląd obwiedni aktualnie odtwarzanego dźwięku. Fala jest najczęściej bardzo nieregularna i nic sensownego nie przypomina.

DŹWIĘKI MAŁEJ ATARYNKI
Dlaczego dźwięk, który wydaje Atari, jest tak toporny? Rzeczywista obwiednia dźwięku składa się z fali, natomiast w przypadku małego Atari jest to prostokąt. Otóż wiele komputerów 8-bitowych odtwarza dźwięki za pomocą prymitywnych naśladowań oryginalnej obwiedni dźwięku. Dźwięki takie są bardzo sztuczne w całym tego słowa znaczeniu. Dzięki manipulowaniu kilkoma gotowymi "kawałkami" obwiedni można złożyć cały segment obwiedni. Siłą rzeczy, obwiednia taka będzie dość ograniczona, tym samym nie będzie taka sama jak obwiednia, którą chcemy naśladować. O brzmieniu tego dźwięku nie wspomnę. Jednak nie ma tego złego, co by na dobre nie wyszło. Dzięki takiemu sposobowi odtwarzania dźwięku, możemy zmieścić w pamięci komputera wiele utworów. Na przykładzie Atari XL/XE wiemy, że tak jak w 97% innych komputerów 8-bitowych, ograniczenia pamięci są kolosalne! Tymczasem zapisanie wiernej obwiedni dźwięku wymagałoby niezwykle dużo miejsca, znacznie więcej niż mamy do dyspozycji w naszym komputerze. Zupełnie inaczej sprawa przedstawia się w komputerach 16-bitowych. One z założenia dysponują znacznie większymi pamięciami, w związku z czym dźwięki, odtwarzane na takich komputerach jak Amiga czy ATARI STE - przechowywane w formie kompletnych obwiedni - będą znacznie bardziej realistyczne.
Rozważmy to, o czym dowiedzieliśmy się, na przykładzie małego Atari. Istnieje kilka sposobów na uzyskanie prymitywnej syntezy dźwięku.
Należy do nich instrukcja "SOUND" w Atari BASIC-u o następującej składni:
SOUND ge, cz, ob, gl
przy czym:
ge - numer generatora (0-3)
cz - częstotliwość (0-255)
ob - obwiednia (jest ich do wyboru kilka: 0-15 tylko parzyste)
gl - głośność (0-15)
Zmianę brzmienia dźwięku zapewniają też filtry, jednak w małym Atari ich efektywność nie jest najlepsza.
Ciekawe efekty daje zjawisko zwane dudnieniem. Jest to nałożenie się dwóch podobnych obwiedni dźwięku, w wyniku czego powstaje trzeci, zupełnie odmienny dźwięk. Przy dopasowaniu odpowiednich obwiedni można stworzyć zanik dźwięku. W taki właśnie sposób, za pomocą odpowiednio mocnego dźwięku, o częstotliwości rzędu 5-7 Hz, można zabić np. człowieka, gdy po nałożeniu się danej fali na tę emitowaną przez mózg - następuje zanik procesów życiowych istoty żywej.
Manipulowanie dźwiękami na małym Atari daje nam pole do popisu rzędu kilku milionów różnych dźwięków. Wydaje się, że to dużo. W rzeczywistości jednak, gdybyśmy chcieli naśladować przy jego pomocy przyrodę, nie jest to nawet tysięczna część kropli w morzu potrzeb. Przykładami optymalnego wykorzystania tych możliwości jest muzyka w takich grach, jak: DRACONUS, czy BLINKTS SCARY SHOOL. Ścieżka dźwiękowa w tych grach została zrobiona naprawdę po mistrzowsku.

DIGITALIZACJA
Digitalizacja, czyli proces zamiany rzeczywistego dźwięku na sygnały cyfrowe, jest jedynym sposobem na uzyskanie realistycznego dźwięku. Jednocześnie jest ona możliwa nawet na komputerach 8-bitowych (jedynie długość trwania utworów będzie mocno ograniczona).
Cała idea polega na ominięciu układów, które generują dźwięk. Poprzez "ruszanie" membraną głośnika "na własną rękę" z ogromną prędkością, można uzyskać prawie całą gamę dźwięków słyszalnych. W przykładzie omawianej procedury SOUND należy pominąć wszystkie parametry i manipulować tylko głośnością. Oczywiście BASIC jest za wolny, aby móc sterować głośnikiem z odpowiednią częstotliwością, ale już np. ACTION znakomicie się do tego nadaje. Jak to wygląda w praktyce, możecie zobaczyć w demie "SELF CONTROL".

Małe Atari potrafi odtwarzać dźwięk o głośności od 0 do 15. Wartości te można zapisać za pomocą 4 bitów, mówimy zatem, że dźwięk naszego komputera jest 4-bitowy.

MAMY DUŻO DANYCH
możemy więc ich już słuchać. Aby odtwarzać "sampla", trzeba wiedzieć, z jaką częstotliwością został on "zdigitalizowany". Jeżeli była to częstotliwość np. 30 kHz, to gdy go odtworzymy - np. na małym Atari - z tą samą częstotliwością, zabrzmi bardzo realistycznie. Bardziej realistycznie, niż na słynnym IBM z kartą Sound Blaster, gdyż ta "wyciąga" ledwie 22 kHz, nie wspominając już o samych problemach z digitalizacją.
Oczywiście, mając dane cyfrowe, można z nimi zrobić dużo ciekawych efektów. Możemy je np. odtwarzać od tyłu, albo z jakimś prostym algorytmem, powodującym nakładanie się muzyki przesuniętej w czasie. Można także odtwarzać dźwięk z mniejszą lub większą częstotliwością, wtedy np. z pisku kobiety można uzyskać ryk dzikiego zwierzęcia (rys. 7). W ten sam sposób uzyskujemy z dźwięku np. jednej struny gitary - dźwięk wielu nie istniejących strun. Osiągamy to za pomocą odpowiedniego manipulowania częstotliwością odtwarzania. W taki sposób powstaje muzyka na takich komputerach jak: AMIGA, ATARI ST(E). I właśnie na przykładzie tych komputerów można ją ocenić. Jeśli podobne efekty chcesz usłyszeć na ?małym" Atari - uruchom demo Landscape.

CZY 16-BITOWCE POTRAFIĄ TYLKO TYLE?
Już Atari 520 ST z 1985 roku potrafiło odtwarzać dźwięk 4- lub 6-bitowy, z częstotliwością próbkowania 40 kHz. Kochana ciocia Amiga charakteryzuje się jeszcze większą dynamiką: 8 bitów na każdy z czterech generatorów. Należy zauważyć, iż osiem bitów daje nam do dyspozycji aż 256 różnych kroków membrany głośnika, z możliwością ich ustawiania 24 tys. razy wciągu sekundy.
Natomiast aż do zeszłego roku niepodważalnym uznaniem pod tym względem cieszył się compact disc. Wielu ludzi twierdzi, iż dźwięk odtwarzany za jego pomocą jest aż za bardzo realistyczny. Genialność kompaktu polega na bardzo dużej dynamice i prędkości odtwarzanego nagrania. Odtwarzane dźwięki są 16-bitowe, co daje w rezultacie 65536 różnych położeń membrany głośnika, a na dodatek z częstotliwością 44.1 kHz, czyli 44100 kroków membrany głośnika na sekundę.
Na szczęście technika rozwija się w takim tempie, iż już teraz mamy do dyspozycji komputery, które potrafią odtwarzać dźwięk z podobną jakością: Atari STE (dwa generatory stereo po 8 bitów), Atari Mega STE i Atari TT.
Fenomenem jest nowe dziecko firmy Atari, czyli Atari FALCON. Posiada ono 8 generatorów stereo po 16 bitów odtwarzanych z częstotliwością 50 kHz (lepiej niż w przypadku "kompaktu"). Mówiąc prościej, zawiera 4 szybkie odtwarzacze kompaktowe, wzbogacone o niespotykane możliwości graficzne, i jakaż atrakcyjna cena.

A CO Z ARTYSTAMI?
Już w latach siedemdziesiątych używano komputerów do tworzenia utworów muzycznych. W latach dziewięćdziesiątych jest to w zasadzie normą. W posiadaniu profesjonalnych muzyków często znajduje się małe pudełeczko określane jako "komputer", o możliwościach kilku orkiestr. Należy zwrócić szczególną uwagę na fakt, iż ta orkiestra nie żąda zapłaty, nie męczy się, nie myli, jest do naszych indywidualnych potrzeb (nie trzeba się spieszyć, nie ma ograniczenia czasowego), a jednocześnie - mieści się w małym pokoju i można jej słuchać przez słuchawki.
Wygoda tworzenia muzyki na komputerze jest ogromna. Przyczynia się do tego także bardzo dobre oprogramowanie, szeroko obecnie dostępne za... odpowiednią opłatą (np. Cubase), a to pozwala uzyskiwać efekty, których ogólny zarys starałem się przedstawić w tym artykule. Profesjonalne oprogramowanie muzyczne pozwala na to, by twórca - kompozytor w ogóle nie musiał wiedzieć, że istnieje coś takiego, jak bity, bajty. Program dokonuje automatycznej konwersji dźwięku na postać cyfrową i odwrotnie, bez udziału użytkownika. A czy rzeczywiście można go wykorzystać nie tylko do zabawy. Przykładem na to jest nasze kochane polskie "METRO". Zachęcam do obejrzenia - przekonasz się, jakie profesjonalne możliwości daje nam zwykłe Atari ST(E).

Tomasz Cieślewicz
Atari Magazyn, styczeń-luty 1992