Рис. 5. Перспективное изображение, построенное с использованием точки схода лучей

    Синтез  звука 

    Синтез  звука - процесс генерации звука, представленного в виде дискретного  сигнала. Для синтеза звука используются:

• метод таблиц волн, воспроизводящий заранее записанные в виде дискретных сигналов фрагменты звучания различных инструментов;
• метод частотной модуляции, осуществляющий синтез с помощью нескольких генераторов синусоидальных частот.

    Основные  термины синтеза  звука

    Одноголосным  или монофоническим синтезатором называется синтезатор, способный воспроизводить в каждый момент времени только одну ноту, то есть на таком синтезаторе вы не возьмёте аккорд. Вернее, вы его возьмёте, но звучать будет лишь одна из нот аккорда. Как правило, ноты будут чередоваться, например у вас есть несколько аккордов в разных тональностях, из которых составлена мелодия или какой-то пад (pad).

    Многоголосный или полифонический синтезатор способен играть несколько нот одновременно (не больше, чем количество его голосов) в каждый момент времени. Поясняю: если у вас, например, есть 8-ми голосый синтезатор, то одновременно он сможет воспроизводить не более восьми нот одного тембра. Многотембральный синтезатор способен играть сразу несколько нот с различными тембрами.

    Аддитивный  метод синтеза

    Самым первым методом синтеза был аддитивный метод (от английского add – складывать). Этот метод основан на сложении волн нескольких генераторов. Метод базируется на теореме Фурье, заключается она в том, что любое периодическое колебание можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний различной частоты и амплитуды.

    Этот  метод применяется во всех ныне существующих синтезаторах, у которых больше одного генератора волны. Если в качестве исходных используются синусоидальные колебания  с кратными частотами (отличающиеся в целое число раз) и при  этом амплитуды могут быть различны, то такой вид синтеза называется гармоническим (этот термин соответствует гармонической гамме, в которой частоты одноимённых нот соседних октав различаются вдвое.

    Другой  разновидностью аддитивного синтеза  является регистровый синтез. В этом случае в качестве исходных волн используются колебания более сложных форм, например треугольные или прямые.

    Субтрактивный метод синтеза

    Если  дословно перевести с английского, то получится "вычитательный метод" (от subtract - вычитать). Суть этого метода заключается в том, что новый тембр получается путём изменения (вычитания) составляющих в спектре первоначального колебания. Этот процесс происходит как бы в два этапа. Сначала формируются основные колебания, главное требование к первоначальному колебанию сводится к тому, чтобы изначально оно (колебание) имело как можно более развитый тембр, то есть множество спектральных составляющих. Например, тембр синусоидальной волны прост и невыразителен, а спектр, скажем, пилообразной волны, уже более яркий (надеюсь, понятно, о чём я говорю).

    На  втором этапе с помощью частотных  фильтров из первоначального колебания  выделяют частотные составляющие, соответствующие  имитируемому инструменту. Основными  инструментами синтеза при этом методе служат управляемые фильтры: резонансный (полосовой) - с измененяемым положением (основной частотой срабатывания) и шириной полосы пропускания (band) и фильтр нижних частот (ФНЧ) - с изменяемой частотой среза (cutoff).

    Достоинство этого метода в достаточно простой  реализации и в широком диапазоне синтезируемых звуков. Главный недостаток в том, что при синтезе звуков со сложным спектром приходится использовать большое количество фильтров.

    Как правило, и аддитивный, и субтрактивный  методы мирно уживаются и дополняют  друг друга.

    FM – синтез звука

    Является  одним из последних достижений в  области синтеза звука. Для его  реализации нужны значительно более  мощные микропроцессоры, нежели при  субтрактивном или аддитивном методах. Впервые синтезатор такого типа был  создан Р. Мугом в 1964 году. Его основой стал генератор, управляемый напряжением, способный формировать сигналы прямоугольной, пилообразной и синусоидальной формы. Различные варианты соединения таких генераторов, а также последующее сложение их выходных сигналов дало возможность получать огромное количество новых «электронных» звуков.

    Такой метод синтеза получил название FM –аддитивный синтез. Метод основан  на частотной модуляции (Frequency Modulation). Научное определение звучит примерно так: изменение частоты сигнала  по закону некоторого управляющего напряжения.

    При FM – синтезе звук с необходимым  тембром производится на основе нескольких генераторов звуковых частот при  их взаимной модуляции. Совокупность генератора и схемы, управляющей этим генератором, принято называть оператором (operator). В связке двух операторов тот, который непосредственно воспроизводит звучание, называется носителем (carrier), а тот, который модулирует волну – модулятором (modulator).

    Схема соединения двух и более операторов называется алгоритмом (algorithm). Схема соединения операторов, и настройки каждого оператора (частота, амплитуда и закон их изменения во времени) определяют тембр звучания.

    В цепочке последовательно соединённых  операторов последний из них является носителем (источником звука), а остальные – модуляторами. Сигнал с выхода оператора может поступать на вход его модуляции по частоте. В этом случае говорят, что оператор охвачен обратной связью (feedback).

    Уровень обратной связи можно регулировать. Чем выше уровень обратной связи, тем более сложный спектр приобретает синтезируемый сигнал.

    Это лишь базовые сведения по FM-синтезу. Сам процесс - очень сложный и  его описание заняло бы несколько  десятков страниц текста. Объяснить  теоретически, каким именно образом  происходит синтез звука данным методом, довольно сложно, поэтому смотрим примеры. Все сигналы сформированы в программе Sonic Foundry Sound Forge 6.0 с помощью встроенного FM-синтезатора.

    

    

    Если  использовать алгоритм носитель –  синусоида, модулятор – треугольная  волна, то получится следующее:

    

    Наглядно  видно, как сильно изменяется волна, если использовать всего два оператора! Попробуем использовать два оператора  с синусоидальной волной и один с  треугольной волной. Алгоритм выберем  такой: синусоиды сложены аддитивным методом и сумма промодулирована треугольной волной (при сложении двух волн одинаковой формы с одинаковой частотой и амплитудой, происходит удвоение амплитуды).

    Получается  следующее:

    

    Главный минус этого метода в том, что качество получаемого тембра напрямую зависит от быстродействия компьютера. Например, концертный рояль воспроизводит около 4500 различимых на слух тембров, выходит, что при синтезе рояля, синтезатору придётся просчитывать 4500 различных тембров по очень сложному алгоритму. Естественно, это повлечёт за собой огромные затраты системных ресурсов, а если их не будет хватать, то некоторые тембры попросту не будут успевать синтезироваться, причём зависимость эта прямо пропорциональна!

    Иными словами, один и тот же алгоритм синтеза может давать различные тембры на различных по скорости компьютерах.

    Волновой  синтез звука

    Этим  термином (сокращенный перевод англоязычного Wavetable Synthesis - синтез по методу "волновой таблицы"), пользуются, как правило, компьютерщики, музыканты чаще употребляют другой термин - Sample Playback (воспроизведение сэмплов). Идея метода очень проста: в памяти синтезатора хранятся (в цифровой форме) фрагменты записи звуков реальных инструментов (сэмплы). В ответ на нажатие клавиши синтезатор проигрывает сэмпл. Изменение высоты тона достигается увеличением или уменьшением скорости проигрывания (подобно тому, как повышается высота звука при увеличении скорости прокрутки магнитофонной ленты). Звук, получаемый таким методом, зачастую трудно отличить от натурального звучания инструмента. Ничего удивительного в этом нет - вы действительно слышите запись звука реального инструмента. Этот метод является сегодня наиболее распространенным. На нем основаны подавляющее большинство выпускаемых сегодня цифровых синтезаторов (в том числе и встроенных в звуковые платы).

    Метод физического моделирования

    Этот  метод синтеза на данный момент мало распространён (читай - вообще не распространён), потому что требует огромных объёмов  вычислений. В его основу положен принцип моделирования всех физических процессов, происходящих внутри реального музыкального инструмента. Например, это может быть скрипка или гитара. Учитывается материал, из которого сделан корпус, материал струны, учитываются все преломления, поглощения, искажения, происходящие со звуком, всевозможные эффекты резонанса и т.д. Прикидываете, какой объём информации надо перемалывать, причём делать это надо с минимальной задержкой. Сегодняшние компьютеры попросту не могут обрабатывать подобные объёмы данных с нужной скоростью. Поэтому время этого метода ещё не пришло. Для желающих поэкспериментировать советую установить синтезатор физического моделирования TassMan.

    Оцифрованное  видео

    За  последние несколько лет своего бурного развития цифрового видео успело обзавестись множеством новых примочек и методов обработки. Это цифровое искусство доступно любому простому смертному, имеющему в своем распоряжении домашний компьютер. Как же достойно ковать на компьютере "важнейшее из искусств" без нечеловеческих затрат сил и денег?

    Перед тем как начать разбираться в  тонких понятиях видео, выясним принципы передачи видеоизображения на экран, так  как это прямо относится к  пониманию основных видеоформатов  изображения. Исторически сложилось  так, что видео базируется на передаче сигнала на электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) - старую добрую, но несмотря на это наиболее распространенную основу телевизоров и мониторов, которой не мешают существовать множество других конструкций, призванных к тому же делу.

    Принцип формирования изображения ЭЛТ идеально подходит для черно-белой картинки, но для передачи цветной нужно более сложное устройство.

    ЭЛТ выпускает на волю три электронных  луча, каждый из которых имеет свой цвет: красный (R), зеленый (G) и синий (B). Они формируют на экране цвета, по-разному сочетаясь друг с другом. Три размещенные рядом точки, образованные определенным сочетанием лучей, настолько малы, что человеческий глаз воспринимает три эти точки как одну определенного цвета.

    Для перехода луча на следующую строку необходим обратный ход луча, поэтому изображение в классических моделях ЭЛТ-телевизоров формируется чересстрочно: вначале луч проходит нечетные строки изображения, а при втором ходе – четные. Таким образом получается полный кадр. Пробег луча по строкам называют строчной разверткой (ее частота в разных странах равна 50 или 60 Гц, у нас - 50 Гц).

    В современных мониторах и цифровых телевизорах электронный луч  формирует изображение полностью  и не разбивает его на поля, то есть строки выводятся последовательно за один проход. Такие кадры называются прогрессивными. Чересстрочное формирование применялось в первых моделях мониторов и в классических телевизорах.

    Только  если картинки сменяются с частотой 24 кадра в секунду, человек воспринимает их как фильм - так последовательность кадров превращается в видео.

    Аналоговый  и цифровой сигнал

    Аналоговый  сигнал - сигнал, величина которого непрерывно изменяется во времени. Аналоговый сигнал обеспечивает передачу данных путем  непрерывного изменения во времени  своей амплитуды, частоты или фазы. Аналоговые сигналы естественным образом передают речь, музыку и изображения. Для использования аналоговых сигналов в системах и сетях осуществляется квантование и аналого-дискретное преобразование.

    Цифровой  сигнал - дискретный сигнал, имеющий конечное число значений. Обычно сигналы, передаваемые через дискретные каналы, имеют два или три значения. Использование сигналов с тремя значениями обеспечивает синхронизацию передачи.

    Идея  аналогово-цифрового преобразования основана на дискретизации – разделении непрерывного сигнала на бесконечно малые части и на записи в цифровом виде величины соответствующих частей аналогового сигнала. При этом аналоговый сигнал как бы сглаживается и становится менее подверженным искажениям, менее зависимым от аппаратной реализации воспроизведения, появляется возможность практически любой его обработки на цифровой аппаратуре, которая теперь сводится только к программным задачам. А с цифрами на компьютере можно вытворять уже что угодно.