Multi-Core Processor for Real-Time Sound Synthesis of Gayageum
Ji-Won Choi, Sang-Jin Cho, Cheol Hong Kim, Jong-Myon Kim, Ui-Pil Chong · The KIPS Transactions PartA · 2011
물리적 모델링은 실제 악기음과 유사한 고음질의 음을 합성하는 방법으로 많은 연구가 진행되어 왔다. 그러나 물리적 모델링은 악기의 소리를 합성할 때 필요한 수많은 파라미터들을 동시에 계산해야 하기 때문에 동시 발음수가 높은 악기의 경우 실시간 처리에 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 전통 현악기인 가야금의 음 합성 알고리즘을 실시간으로 처리 가능한 단일 명령어 다중 데이터(Single Instruction Multiple Data, SIMD) 방식의 멀티코어 프로세서를 제안한다. 제안하는 SIMD기반 멀티코어 프로세서는 가야금의 12개현을 제어하기 위해 12개의 프로세싱 엘리먼트(Processing Element, PE)로 구성되어 있다. 각각의 프로세싱 엘리먼트는 해당되는 가야금 현을 모델링하며, 각 현의 여기신호와 파라미터를 음 합성 병렬 알고리즘의 입력으로 받아 동시에 12개 현의 합성된 음을 실시간으로 생성할 수 있다. 표본화 비율을 44.1kHz로 설정하고 16비트 양자화 데이터의 음을 합성한 모의실험 결과, 제안한 SIMD기반 멀티코어 프로세서를 이용한 합성음은 원음과 매우 유사하였으며, 상용 프로세서(TI TMS320C6416, ARM926EJ-S, ARM1020E)보다 실행 시간에서 5.6~11.4배, 에너지 효율에서 553~1,424배의 향상을 보였다. Physical modeling has been widely used for sound synthesis since it synthesizes high quality sound which is similar to real-sound for musical instruments. However, physical modeling requires a lot of parameters to synthesize a large number of sounds simultaneously for the musical instrument, preventing its real-time processing. To solve this problem, this paper proposes a single instruction, multiple data (SIMD) based multi-core processor that supports real-time processing of sound synthesis of gayageum which is a representative Korean traditional musical instrument. The proposed SIMD-base multi-core processor consists of 12 processing elements (PE) to control 12 strings of gayageum in which each PE supports modeling of the corresponding string. The proposed SIMD-based multi-core processor can generate synthesized sounds of 12 strings simultaneously after receiving excitation signals and parameters of each string as an input. Experimental results using a sampling reate 44.1 kHz and 16 bits quantization show that synthesis sound using the proposed multi-core processor was very similar to the original sound. In addition, the proposed multi-core processor outperforms commercial processors(TI's TMS320C6416, ARM926EJ-S, ARM1020E) in terms of execution time ( $5.6{\sim}11.4{\times}$ better) and energy efficiency (about $553{\sim}1,424{\times}$ better).