Advanced algorithms for audio quality improvement in musical keyboards instruments
Andrea Primavera · Università Politecnica delle Marche (Università Politecnica delle Marche) · 2013
La tecnologia è lo strumento che ha permesso alla musica di svilupparsi nel tempo garantendo agli artisti sempre più ampie possibilità di comunicazione e di espressione. L’evoluzione scientifica che ha determinato la costruzione di pianoforti o violini, oggi, grazie alle tecniche di processamento del segnale digitale, permette la realizzazione di nuovi strumenti e nuove forme musicali. Ad un contesto prettamente artigianale si affianca quindi l’attività ingegneristica volta a modificare i mezzi di espressione musicale adattandoli all’odierno contesto socio culturale. A partire dagli anni ‘70 il contributo del progresso alla tecnologia ha permesso, attraverso l'ingegneria del suono e le tecniche di processamento del segnale digitale, di riprodurre artificialmente molti effetti sonori, utilizzabili in ogni forma di espressione musicale. Da allora, la creazione e la recente diffusione di sistemi commerciali embedded ad elevata capacità computazionale ha gettato le basi per lo sviluppo di prodotti commerciali innovativi, caratterizzati da elevata qualità sonora, espressività e realismo. In questo lavoro, l’attenzione è focalizzata sulle tecniche di processamento che aumentano la qualità del segnale audio negli effetti sonori più comunemente impiegati in strumenti musicali elettronici tenendo in considerazione la fattibilità implementativa degli algoritmi proposti nel rispetto dei vincoli progettuali e dei limiti computazionali disponibili.Tra gli effetti audio, il riverbero è sicuramente il più utilizzato da sempre. Tipicamente prodotto utilizzando strutture ricorsive (i.e., filtri IIR), che non sempre garantiscono un'elevata qualità dell'effetto sonoro simulato, nuovi sistemi per la riverberazione artificiale basati su tecniche di convoluzione veloce, stanno affiancando gli approcci tradizionali. Partendo da questa considerazione, è stata proposta un'implementazione efficiente di un algoritmo per il calcolo veloce dell'operazione di convoluzione applicata ad un sistema embedded. E' stata presentata inoltre una tecnica per la riduzione del carico computazionale richiesto sfruttando espedienti psicoacustici basati sulla valutazione di energy decay relief e dell'absolute threshold of hearing. Infine sono state proposte alcune tecniche per l'approssimazione dell'operazione di convoluzione con strutture ricorsive a basso costo computazionale. Sebbene l'operazione di convoluzione permetta l'esatta riproduzione di un sistema lineare, la maggior parte degli effetti audio è composta da sistemi non lineari (i.e. compressori, distorsori, amplificatori). Per questo motivo l'attività di studio ha coinvolto anche le tecniche più utilizzate per l’emulazione di sistemi non lineari, basate su un approccio black box. In particolare, oltre ad una tecnica per l’approssimazione dell’operazione di convoluzione dinamica sfruttando la principal component analysis, il cui obiettivo è quello di ridurre il carico computazionale della convoluzione senza alterare la qualità del segnale audio percepito, è stato proposto un algoritmo adattivo per l’identificazione di sistemi non lineari utilizzando funzioni ortogonali. Al fine di fornire una maggiore flessibilità all’espressione artistica dei musicisti, lo studio ha interessato anche le principali tecniche di audio morphing che permettono di combinare due o più segnali audio per creare nuovi suoni acusticamente interessanti. Questo studio ha condotto allo sviluppo di un algoritmo per il morphing di segnali audio di natura percussiva basato su preprocessamento dei campioni originali nel dominio della frequenza e successiva elaborazione nel dominio del tempo mediante interpolazione lineare. Infine, sono state trattate le tecniche di equalizzazione per il miglioramento della qualità del segnale riprodotto da un sistema audio. Tali approcci permettono di migliorare la qualità audio di un sistema compensando l'effetto di equalizzazione introdotto da una stanza. In particolare, sono stati proposti due algoritmi di equalizzazione adattativa a fase minima e un algoritmo di equalizzazione a fase mista considerando note le risposte all'impulso dell'ambiente da equalizzare. Al fine di verificare l'adeguatezza dei sistemi proposti, sono stati condotti degli esperimenti su segnali acquisiti in condizioni reali.