PAV - P5: síntesis musical polifónica

Obtenga su copia del repositorio de la práctica accediendo a Práctica 5 y pulsando sobre el botón Fork situado en la esquina superior derecha. A continuación, siga las instrucciones de la Práctica 2 para crear una rama con el apellido de los integrantes del grupo de prácticas, dar de alta al resto de integrantes como colaboradores del proyecto y crear la copias locales del repositorio.

Como entrega deberá realizar un pull request con el contenido de su copia del repositorio. Recuerde que los ficheros entregados deberán estar en condiciones de ser ejecutados con sólo ejecutar:

  make release

A modo de memoria de la práctica, complete, en este mismo documento y usando el formato markdown, los ejercicios indicados.

Ejercicios.

Envolvente ADSR.

Se han creado cuatro instrumentos que implementan la envolvente ADSR, todos ellos clonando InstrumentDumb pero con distintos parámetros y nombres de clase. Cada instrumento hereda de Instrument y utiliza EnvelopeADSR para la generación de la envolvente temporal.

Instrumento	ADSR_A	ADSR_D	ADSR_S	ADSR_R	Descripción
InstrumentDumb	0.002	0.1	0.0	0.05	Percusivo simple
InstrumentClar	0.1	0.3	0.5	0.4	ADSR genérica — todas las fases visibles
InstrumentPerc	0.001	0.5	0.0	1.0	Percusivo — ataque muy rápido, sin mantenimiento
InstrumentPlano	0.01	0.0	0.8	0.05	Plano — ataque rápido, alto sostenido, liberación rápida

Las curvas ADSR se generan mediante la clase EnvelopeADSR, que construye vectores de amplitud para las fases de attack y release:

// EnvelopeADSR::set()
n_attack  = (int)(0.5 + t_attack * SamplingRate);
n_decay   = (int)(0.5 + t_decay * SamplingRate);
n_pressed = n_attack + n_decay;
n_released = (int)(0.5 + t_release * SamplingRate);
// attack[0..n_attack-1]: rampa 0→1
// attack[n_attack..n_pressed-1]: rampa 1→S
// release[0..n_released-1]: rampa 1→0

Los ficheros de configuración utilizados son:

• work/clar.orc: 1 InstrumentClar ADSR_A=0.1; ADSR_D=0.3; ADSR_S=0.5; ADSR_R=0.4; N=40;
• work/perc.orc: 1 InstrumentPerc ADSR_A=0.001; ADSR_D=0.5; ADSR_S=0; ADSR_R=1.0; N=40;
• work/plano.orc: 1 InstrumentPlano ADSR_A=0.01; ADSR_D=0; ADSR_S=0.8; ADSR_R=0.05; N=40;

Interpretación de las gráficas:

1. ADSR Genérica (InstrumentClar): Se aprecian claramente las cuatro fases. Tras el ataque de 0.1 s, la caída de 0.3 s hasta el mantenimiento en 0.5. El NoteOff (línea roja discontinua) se produce en t=0.8 s, iniciando la liberación de 0.4 s.

2. Percusivo — mantenido hasta extinción (InstrumentPerc): Ataque casi instantáneo (0.001 s), seguido de una caída de 0.5 s hasta S=0. El intérprete mantiene la nota pulsada durante toda la extinción: el NoteOff se produce cuando el sonido ya ha desaparecido.

3. Percusivo — liberación anticipada (InstrumentPerc): Mismos parámetros ADSR, pero el intérprete suelta la tecla en t=0.2 s (flecha roja), cuando aún hay sonido en la fase de caída. Se inicia entonces la liberación desde el nivel actual, produciendo una disminución más abrupta.

4. Plano (InstrumentPlano): Ataque rápido (0.01 s), sin caída (D=0), sostenido alto (S=0.8) y liberación rápida (0.05 s). Tras el NoteOff en t=0.8 s, la amplitud cae a cero casi instantáneamente.

Generación de los ficheros de audio:

synth clar.orc clar_adsr.sco work/clar_adsr.wav
synth perc.orc perc_held.sco work/perc_held.wav        # mantenido hasta extinción
synth perc.orc perc_release.sco work/perc_early.wav     # liberación anticipada
synth plano.orc plano_adsr.sco work/plano_adsr.wav

Instrumentos Dumb y Seno.

Se ha implementado el instrumento InstrumentSeno partiendo de InstrumentDumb. La principal diferencia es que InstrumentSeno utiliza interpolación lineal para recorrer la tabla de ondas, eliminando la distorsión armónica que produce el redondeo al entero más próximo (nearest-neighbor) del InstrumentDumb.

Método de acceso a la tabla:

En lugar de redondear la fase al entero más cercano:

// InstrumentDumb: nearest-neighbor
x[i] = A * tbl[(int) phase + 0.5];

InstrumentSeno interpola linealmente entre las dos muestras adyacentes:

// InstrumentSeno: interpolación lineal
unsigned int idx0 = (unsigned int) phase;
unsigned int idx1 = idx0 + 1;
if (idx1 >= tbl.size())
  idx1 = 0;
float frac = phase - idx0;
x[i] = A * (tbl[idx0] + frac * (tbl[idx1] - tbl[idx0]));

De esta forma, cuando phase cae entre dos índices enteros (p. ej., phase=3.7), se toma el 70% de la muestra 4 y el 30% de la muestra 3, en lugar de redondear siempre a la muestra 4. Esto elimina los escalones en la señal y produce un senoide limpio incluso con tablas pequeñas (N=40).

Cálculo de la frecuencia fundamental:

La frecuencia de la nota se obtiene a partir del número de nota MIDI (note, siendo el La4=440 Hz el valor 69):

f0 = 440 × 2^{(note - 69) / 12}

La step de avance por la tabla es:

step = f0 × tbl.size() / SamplingRate

Generación de la tabla:

Se almacena un ciclo completo de seno en tbl[] de tamaño N (configurable vía el parámetro del .orc, por defecto N=40).

En la gráfica se muestran: los valores discretos de la tabla (puntos rojos), la señal generada a 44100 Hz (línea azul continua), y la sinusoide ideal (línea verde discontinua). Se aprecia cómo el muestreo a 44.1 kHz proporciona una reconstrucción prácticamente exacta del seno deseado.

Ficheros de configuración:

• work/seno.orc: 1 InstrumentSeno ADSR_A=0.02; ADSR_D=0.3; ADSR_S=0.6; ADSR_R=0.2; N=40;

Uso:

synth seno.orc seno_doremi.sco work/seno_doremi.wav    # Escala de do
synth seno.orc doremi.sco work/seno_doremi2.wav         # Escala con InstrumentSeno

Efectos sonoros.

Se han implementado dos efectos: trémolo (modulación de amplitud) y vibrato (modulación de frecuencia). Ambos heredan de la clase base Effect y se registran en la factoría effects/effect.cpp.

Trémolo:

El trémolo modifica periódicamente la amplitud de la señal según la fórmula:

x_r[n] = x_i[n] × (1 + A × cos(2π × F_m × n)) / (1 + A)

donde F_m = f_m / f_s es la frecuencia discreta de modulación, A la profundidad (0 ≤ |A| < 1), y f_s = 44100 Hz la frecuencia de muestreo.

Parámetros configurables desde el fichero effects:

• A: profundidad de la modulación (0.0 — 1.0; por defecto 0.5)
• fm: frecuencia de modulación en Hz (por defecto 10 Hz)

Vibrato:

El vibrato modifica periódicamente la afinación de la nota. Se implementa con un búfer circular para garantizar la causalidad: la fase de modulación se define como

fase_sen[n+1] = fase_sen[n] + 1 - I × sin(2π × f_m × t)

donde I es la profundidad en semitonos (convertida internamente a desplazamiento lineal: I_lin = 1 - 2^{-I/12}) y f_m la frecuencia de modulación. Al usar una función moduladora cuya integral es siempre negativa (el seno con signo negativo), se evita el acceso a muestras futuras, manteniendo la causalidad del sistema.

Parámetros configurables desde el fichero effects:

• I: profundidad en semitonos (por defecto 1.0)
• fm: frecuencia de modulación en Hz (por defecto 10 Hz)

Ficheros de prueba:

• work/effects_tremolo.orc: define trémolo (efecto 1, A=0.5, fm=5 Hz)
• work/effects_vibrato.orc: define vibrato (efecto 1, I=1 semitono, fm=5 Hz)
• work/tremolo_test.sco: nota A4 sostenida ~3 s; trémolo activo entre t≈1 s y t≈2 s
• work/vibrato_test.sco: nota A4 sostenida ~3 s; vibrato activo entre t≈1 s y t≈2 s
• work/tremolo_doremi.sco: escala diatónica C4–C5 con trémolo permanente
• work/vibrato_doremi.sco: escala diatónica C4–C5 con vibrato permanente

Gráficas:

La gráfica superior muestra la señal portadora (440 Hz, A4) modulada en amplitud por un trémolo con A=0.5 y fm=5 Hz. La envolvente (línea roja discontinua) sigue la variación periódica (1 + A·cos(2π·fm·t))/(1 + A) que escala la amplitud instantánea. En la gráfica inferior se superpone la señal sin trémolo para apreciar el efecto sobre la amplitud.

La gráfica superior compara la señal con y sin vibrato (I=1 semitono, fm=5 Hz). El desplazamiento de fase relativo evidencia la fluctuación periódica de la frecuencia instantánea. La gráfica inferior muestra la frecuencia instantánea oscilando alrededor de la frecuencia base (440 Hz) con una desviación de aproximadamente ±20 Hz.

Generación de las señales de prueba:

# Nota sostenida con trémolo (activo en la parte central)
synth -e work/effects_tremolo.orc work/seno.orc work/tremolo_test.sco work/tremolo_test.wav

# Nota sostenida con vibrato (activo en la parte central)
synth -e work/effects_vibrato.orc work/seno.orc work/vibrato_test.sco work/vibrato_test.wav

# Escala diatónica con trémolo
synth -e work/effects_tremolo.orc work/seno.orc work/tremolo_doremi.sco work/tremolo_doremi.wav

# Escala diatónica con vibrato
synth -e work/effects_vibrato.orc work/seno.orc work/vibrato_doremi.sco work/vibrato_doremi.wav

# Regenerar las gráficas
python3 work/gen_effects_plot.py

Estructura de control de efectos desde el score (.sco):

Los efectos se activan y desactivan mediante el evento 12:

ticks  12  channel  effect_number  command

• command = 0: elimina el efecto del canal
• command ≠ 0: asigna el efecto al canal y ejecuta effect->command(command)

Por ejemplo, en tremolo_test.sco:

0    9    1    69    100     # NoteOn A4
240  12   1    1     1       # Activar trémolo (t≈1 s)
240  12   1    1     0       # Desactivar trémolo (t≈2 s)
240  8    1    69    100     # NoteOff

Síntesis FM.

Construya un instrumento de síntesis FM, según las explicaciones contenidas en el enunciado y el artículo de John M. Chowning. El instrumento usará como parámetros básicos los números N1 y N2, y el índice de modulación I, que deberá venir expresado en semitonos.

• Use el instrumento para generar un vibrato de parámetros razonables e incluya una gráfica en la que se vea, claramente, la correspondencia entre los valores N1, N2 e I con la señal obtenida.
• Use el instrumento para generar un sonido tipo clarinete y otro tipo campana. Tome los parámetros del sonido (N1, N2 e I) y de la envolvente ADSR del citado artículo. Con estos sonidos, genere sendas escalas diatónicas (fichero doremi.sco) y ponga el resultado en los ficheros work/doremi/clarinete.wav y work/doremi/campana.work.
  • También puede colgar en el directorio work/doremi otras escalas usando sonidos interesantes. Por ejemplo, violines, pianos, percusiones, espadas láser de la Guerra de las Galaxias, etc.

Orquestación usando el programa synth.

Use el programa synth para generar canciones a partir de su partitura MIDI. Como mínimo, deberá incluir la orquestación de la canción You've got a friend in me (fichero ToyStory_A_Friend_in_me.sco) del genial Randy Newman.

• En este triste arreglo, la pista 1 corresponde al instrumento solista (puede ser un piano, flauta, violín, etc.), y la 2 al bajo (bajo eléctrico, contrabajo, tuba, etc.).
• Coloque el resultado, junto con los ficheros necesarios para generarlo, en el directorio work/music.
• Indique, a continuación, la orden necesaria para generar la señal (suponiendo que todos los archivos necesarios están en el directorio indicado).

También puede orquestar otros temas más complejos, como la banda sonora de Hawaii5-0 o el villacinco de John Lennon Happy Xmas (War Is Over) (fichero The_Christmas_Song_Lennon.sco), o cualquier otra canción de su agrado o composición. Se valorará la riqueza instrumental, su modelado y el resultado final.

• Coloque los ficheros generados, junto a sus ficheros score, instruments y efffects, en el directorio work/music.
• Indique, a continuación, la orden necesaria para generar cada una de las señales usando los distintos ficheros.

NOTA:

No olvide escuchar el resultado generado y comprobar que no se producen ruidos extraños o distorsiones. Sobre todo, tenga en cuenta la salud auditiva de quien será encargado de corregir su trabajo.