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Les champs d’application de la synthèse par modèle physique

La synthèse sonore - 24e partie
  • 17

Terminons aujourd’hui le tour d’horizon des différentes variantes de la synthèse par modélisation physique, et voyons ensuite comment elle a été implémentée.

Accéder à un autre article de la série...

La synthèse par guide donde

Un guide d’onde est un montage mathématique qui tend à modéliser le milieu dans lequel les ondes vont évoluer, souvent une corde ou un tube de métal ou de bois, et qui va donc servir à « guider » l’onde. Un guide d’onde est essentiellement composé d’au moins une ligne dite « à retard ». Il s’agit d’un dispositif virtuel servant à simuler d’une part le temps qu’une onde met pour aller d’un point à un autre, et d’autre part le comportement de ladite onde quand elle atteint l’extrémité de la ligne à retard (simulation de chevalet dans le cas d’une corde virtuelle) ou bien quand elle rencontre une autre ligne à retard (dans le cas d’un réseau de lignes, simulant des environnements plus complexes qu’une corde).

La synthèse sonore

L’exemple le plus classique pour illustrer simplement ce que sont un guide d’onde et une ligne à retard est la simulation du comportement d’une corde de piano. Celle-ci est frappée en son centre par un marteau. Aussitôt, deux vibrations naissent au point d’impact et partent en sens opposés l’une de l’autre le long de la corde, jusqu’à atteindre chacune le chevalet correspondant à la fin de son parcours. Là, une part de l’énergie de l’onde sera absorbée par le chevalet, et l’autre sera renvoyée en retour le long de la corde. Les deux ondes se retrouveront au point d’impact et généreront éventuellement des interférences ou des phénomènes de phase.

Dans l’exemple cité, les lignes à retard simulent le comportement des deux ondes qui partent du point d’impact du marteau, et le guide d’onde est l’ensemble du dispositif simulant la corde de piano.

La synthèse Karplus-Strong

C’est en 1983 qu’apparaît cette forme de synthèse, nommée ainsi d’après ses deux principaux découvreurs et théoriciens. Son mode de fonctionnement emprunte beaucoup aux deux formes de synthèse précédemment citées, la MSW et celle par guide d’onde, et repose sur le principe suivant. Le signal excitateur est envoyé dans une ligne à retard fermée sur elle-même. À chaque tour de boucle, un filtrage passe-bas est effectué, de sorte que les hautes fréquences sont petit à petit atténuées avant de totalement disparaître. Ceci représente le comportement typique d’une corde en vibration, ce qui fait de l’algorithme Karplus-Strong un modèle particulièrement adapté à la reproduction des cordes, et plus spécialement encore à celle des cordes pincées. Mais il se révèle également tout à fait efficace en ce qui concerne la reproduction des tambours. 

Et concrètement… ?

Comme nous l’avons vu, la synthèse par modélisation physique se distingue surtout par sa capacité à recréer les conditions de production et de diffusion d’un signal sonore déjà préalablement connu, tels que le son d’un piano ou celui d’une trompette. C’est donc principalement sur les plates-bandes de la lecture d’échantillons que cette forme de synthèse est venue marcher. Et elle dispose pour cela de deux atouts majeurs.

Le premier est précisément de n’être pas basé sur des échantillons, mais sur des algorithmes. Il devient alors possible de reproduire précisément chaque intention du musicien. Prenons l’exemple d’un paramètre de jeu tel que la vélocité (voir article 12). Dans le meilleur des cas – et largement encore du domaine du fantasme - la lecture d’échantillons utilisera un sample par niveau de vélocité. La synthèse par modélisation physique ne connaît pas ce genre de limitation.

Le second atout – qui découle du premier – est que la synthèse MP permet de dépasser les contraintes physiques des instruments et environnements sonores classiques. Nous pouvons alors créer toutes sortes de « chimères », telles qu'un cor de 25 mètres de long, ou un piano dont les cordes seraient déclenchées par un souffle, par exemple… ou encore des choses bien plus étonnantes. On peut même simuler l’instrumentiste lui-même, sa dextérité, son degré de fatigue, etc.

La synthèse sonore

Comme pour la synthèse FM, nous retrouvons les laboratoires Bell à l’origine des premières applications concrètes de la synthèse par modèles physiques, notamment en faisant interpréter dès les années 60 une chanson par un ordinateur modélisant une voix humaine (ce qui n’est pas sans rappeler une scène particulièrement célèbre du film de Stanley Kubrick, 2001, l’Odyssée de l’Espace).

De nos jours, un certain nombre d’appareils hardware utilisent la modélisation physique. Après avoir promu la synthèse FM dans les années 80 (voir les articles 21 et 22), Yamaha a de nouveau fait preuve d’esprit pionnier en produisant, dans les années 90, les premiers appareils grand public utilisant la modélisation physique, à savoir les VL-1, VP-1 et VL-7. Les autres principales machines basées au moins partiellement sur cette technologie sont les Roland V-Piano, Clavia Nord Modular G2 ou encore les Korg OASYS et Prophecy.

La synthèse sonore

En ce qui concerne les logiciels, outre Modalys évoqué plus haut, nous avons également CORDIS-ANIMA, créé à la fin des années 70 par L’ACROE (Association pour la Création et la Recherche sur les Outils d’Expression). Celui-ci se présente comme un outil « multi-sensoriel », à retour d’effort (comme les joysticks, amis gamers parmi vous…) et proposant de mettre les techniques de modélisation physique aussi bien au service du son (CORDIS) que de l’image (ANIMA).

Dans un domaine plus récent et plus « grand public », nous trouvons notamment le fameux Pianoteq de Modartt, qui permet d’accéder à tous les paramètres de réglage de différents types de pianos acoustiques et électriques, ainsi que Brass d’Arturia pour les instruments à vent. On retrouve également la synthèse par modèles physiques dans une bonne partie des instruments virtuels livrés avec Ableton Live, à savoir Tension, Electric, Collide et Corpus. Et, bien évidemment, elle est représentée au sein des environnements modulaires tels que Reaktor, de Native Instruments, ou encore de la plateforme de développement MAX/MSP de Cycling’74.

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La synthèse par modèle physique
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  • neR
    neR
    Posteur AFfiné
    157 posts au compteur
    Citation de Mekanik Zain :
    @ ElJoMan
    Question alliance synthèse MP et drums, un regard sur DrumSpillage n'est pas du temps perdu !


    Arg! seulement pour Mac... :/
  • Elka21
    Elka21
    AFicionado
    2274 posts au compteur
    Oui, effectivement j'ai confondu Romplers et banques de samples. C'est sur il y a pas photo là. Mais les grosses banques samples, c'est tentant aussi de les comparer avec la MP pour l'imitation de l'acoustique.
    il y a eu beaucoup de posts sur le sujet avec les pianos, à chaque sortie d'une version de pianoteq en général, vais pas en rajouter ;) mais un autre exemple, en jouant avec les couches de vélocité, "Dan Dean Brass" en avait 8 il y a 14 ans sous Gigastudio, on arrivait quand meme à mettre un peu de vie dans des samples de cuivre très réaliste, on pouvait aussi y rajouter des filtres sensible à la vélocité.

    je précise il y a 14 ans car curieusement, la solution de superposer les couches de vélocité qui rend les samples bien jouable en live n'est plus trop suivies par les éditeurs, exception pour les pianos et pas tous . . .
  • Mekanik Zain
    Mekanik Zain
    Je poste, donc je suis
    5482 posts au compteur
    @ ElJoMan
    Question alliance synthèse MP et drums, un regard sur DrumSpillage n'est pas du temps perdu !

    @ Elka21
    Certes, les très grosses banques de samples délivrent des timbres magnifiques mais question souplesse et réactivité au jeu en temps réel, elles sont à la rue ! De plus, elles ne sont réellement exploitables qu'à travers un ordinateur et une STAN ...
    Non, ma critique ne visait que les ROMplers versus les claviers embarquant une synthèse MP et rien d'autre ... :-D
  • ElJoMan
    ElJoMan
    Nouvel AFfilié
    12 posts au compteur
    Super dossier, merci.

    Juste un manque à signaler dans les instruments cités qui utilisent la modulation physique : les WAVEDRUM de Korg.

    Les tous premiers modèles (Original), totalement mythiques, étaient des précurseurs, au début des années 90.

    Même si les 3 nouvelles éditions (Wavedrum X = gris ou noir, Oriental = Bordeaux, Global = bleu) permettent de superposer les modèles physiques avec de la lecture de samples, les volumes des deux systèmes sample/MP sont totalement séparés, donc on peut couper le son des samples et ne jouer qu'avec les algorithmes, qui sont de la "pure MP" il me semble.

    Spécficité tout de même : cette modélisation physique est contrôlée par un signal d'entrée audio (le capteur-micro qui est sur la peau) - combiné à des données qui viennent du capteur piezo en dessous de la peau, pour prendre en compte la pression et/ou le "poids" de la frappe pour intervenir sur le résultat final.
    Résultat final particulièrement vivant, même si c'est plus un outil de création selon moi, que de pure "imitation" - où il fait bien le job aussi.

    La modélisation de percussions étant assez rare en MP (par rapport aux cordes, vents...) cela me paraissait important à signaler.

    D'ailleurs, si des logiciels cités (ou d'autres) sont eux aussi plus spécifiquement axés ou performants sur les percus : je suis preneur des meilleurs conseils à ce sujet.

    Merci Audiofanzine et sa communauté
    (même si je n'y contribue pas bien souvent, et que tous les posts dans le forums ne sont pas tous du "niveau" de celui là - qui commence à devenir pointu !).

    ElJoMan

  • Tchandra78
    Tchandra78
    Posteur AFfolé
    970 posts au compteur
    Merci pour l'article. J'avais découvert un soft basé sur ce principe de synthèse sur le site de Simon Stockhausen, Chromaphone :
    https://www.applied-acoustics.com/chromaphone/overview/
    Je suis fan du résultat personnellement.
    Voici les démos de Stockhausen (cliquez sur 1 des 2 patch, puis "sonic demos") :
    http://www.patchpool.de/aas_chromaphone.html

  • Elka21
    Elka21
    AFicionado
    2274 posts au compteur
    Citation :
    En théorie, et à condition de disposer du temps de calcul adapté, il est possible de synthétiser en MP et cela de manière quasi-parfaite n'importe quel générateur sonore

    En théorie certainement, mais en pratique en 2015, LASS, Vsl, EastWest, VILabs avec son Ravenscroft, Synthogy etc . . . vendent encore pas mal de bibliothèque de samples :lol:
    Et pense pas que leurs acheteurs soient trop sourd . . .
  • Mekanik Zain
    Mekanik Zain
    Je poste, donc je suis
    5482 posts au compteur
    Citation :
    [...] mais la qualité finale utilise peut etre 10, 100,1000 fois plus de calculs [...]


    En théorie, et à condition de disposer du temps de calcul adapté, il est possible de synthétiser en MP et cela de manière quasi-parfaite n'importe quel générateur sonore, voix humaine ou instrument acoustique et même, aussi dérangeant que cela puisse paraitre, des instruments électroniques (analogiques ou numériques) utilisant d'autres types de synthèse.

    Typiquement, ce sont les premières millisecondes du "régime impulsionnel" qui vont consommer le plus gros des calculs car les interactions entre tous les éléments modélisés sont à la fois nombreuses et complexes, instables et chaotiques ... C'est pourquoi on recours aux tables d'ondes (samples) pour amorcer et simplifier les calculs de l'étage "driver" et ce dans l'optique d'un système de synthèse "temps réel" destiné aux musiciens ... La partie résonateur finira le travail en atténuant chacune des fréquences qui compose le timbre original de la note grâce à un système de delays couplés à des filtres ...

    Donc, une synthèse MP, qui utilise des samples pour gagner en crédibilité sonique et en réactivité au jeu de l'instrumentiste, n'a strictement rien à voir avec de la lecture de samples qui caractérise les ROMpleurs fabriqués il y a plus de vingt ans ... Sauf à être sourd comme un pot, l'écart qualitatif entre les deux systèmes est aisément identifiable aussi bien dans l'authenticité des timbres que dans leur expressivité en réponse au jeu de l'instrumentiste ...
  • Elka21
    Elka21
    AFicionado
    2274 posts au compteur
    les deux méthodes existent, mais apparemment la meilleur fidélité est encore à base de samples: http://voxygen.fr/fr/content/la-synthese-vocale
    Deux grandes classes de méthodes existent. Une première approche consiste à déterminer un modèle numérique de l’ensemble des productions vocales d’un locuteur. Les paramètres de ces modèles sont alors utilisés pour générer le signal de parole. Ceci concerne les méthodes de synthèse articulatoire, de synthèse par formants ou encore les récentes techniques de synthèse HMM (Hidden Markov Model). Malgré les efforts de recherche dans ce domaine, ces méthodes paramétriques ne parviennent pas à restituer une parole suffisamment naturelle. La seconde approche procède par juxtaposition de segments de parole préalablement enregistrés. Cette technique dite de synthèse par concaténation est la seule qui permette de produire une parole véritablement naturelle. C’est la voie suivie par Voxygen

    pour moi , la complexité ce joue dans le détail, comme pour les instruments acoustique, on arrive par la synthèse à une bonne approche, mais la qualité finale utilise peut etre 10, 100,1000 fois plus de calculs à condition de trouver aussi les bons algorithme qui gère les vibrations annexes de l'instrument, je veux dire pour un piano,la théorie de la corde en résonnance, ça c'est le plus simple . . .
  • EraTom
    EraTom
    AFicionado
    2282 posts au compteur
    Citation :
    C'est là ou en sont aussi les recherches sur les voix de synthèse il me semble.
    Je n'en sais rien, ça fait 10 que je ne fais plus de veille techno sur ce sujet.
    Par contre, il y a 10, j'ai bossé avec un labo de Bordeaux qui utilisait un modèle AR + sinusoïdes amorties qui sonnait particulièrement naturel alors que c'était 100% de la synthèse. Pour eux l'étape ultime était d'arriver à générer les intonations en fonction du contexte de la phrase de manière automatique...
  • Egill Amüu
    Egill Amüu
    Posteur AFfiné
    166 posts au compteur
    Intéressant mais dommage d'avoir oublié applied acoustic system et en particulier tassman IV pour leur synthé le plus complet
  • Elka21
    Elka21
    AFicionado
    2274 posts au compteur
    Non, mais ce que je sais c'est qu'il sont revenu en arriere sur le tout virtuel pour faire le "SuperNATURAL", un mélange de virtuel et de sampling dans leur derniers modèle.
    Je pense qu'a l'heure actuelle, il est préférable de gérer les samples très finement plutot que de faire de pure modèle mathématique dans le cadre de l'imitation. C'est là ou en sont aussi les recherches sur les voix de synthèse il me semble.
  • EraTom
    EraTom
    AFicionado
    2282 posts au compteur
    Citation :
    c'est si "fameux" que ça la modélisation physique (dans l'imitation de l'acoustique)
    Déjà testé le V Piano de Roland ?
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