Введение

Во времена, когда объемы жестких дисков измерялись десятками мегабайт, а частоты процессоров – десятками мегагерц, о цифровой музыке на ПК не было и речи. Поэтому во всех играх 80-х и начала 90-х для воспроизведения музыки (а часто и звука тоже) использовался именно MIDI-синтез. Что же это такое, и почему на разных звуковых картах одна и та же мелодия звучит совершенно по-разному? В этой небольшой заметке мы рассмотрим эти вопросы, а вы сможете сами услышать разницу между различными звуковыми картами при проигрывании MIDI-музыки из хорошо знакомых вам игр.

Что такое MIDI

MIDI – это технический стандарт, который описывает протокол, цифровой интерфейс и коннекторы и позволяет объединяться и взаимодействовать друг с другом множеству различных музыкальных инструментов, компьютеров и контроллеров. Он появился в 1982 году в качестве единого стандарта для цифрового программного управления синтезаторами и фактически использовался для передачи данных о нажатых клавишах и положении органов управления на электронном музыкальном инструменте к аппаратуре, отвечавшей за синтез и воспроизведение звука.

Интерфейс MIDI позволяет определять нотную запись, тон и скорость и контролировать сигналы для таких параметров, как громкость, вибрато, стереопозиция звука и вступление. Также он отвечает за тактование сигналов, которые задают и синхронизируют музыкальный темп между различными устройствами. Все эти данные могут передаваться по кабелю на другое устройство или записываться на программный или аппаратный секвенсор для дальнейшей обработки или воспроизведения.

Отсюда становится ясно, что музыкальный MIDI-файл на жестком диске компьютера – это своего рода контейнер, содержащий в себе набор нот и инструментов и определяющий различные параметры воспроизведения, что кардинально отличает его от привычного нам файла цифрового аудио (MP3,WAV, FLAC и др.), который представляет собой запись цифрового сигнала (синусоиды) с определенной частотой дискретизации. При этом итоговое звучание MIDI определяется именно синтезатором, которых существует два типа: FM (Frequency Modulation) – синтез на основе частотной модуляции, и WaveTable – синтез на основе таблиц волн. Рассмотрим их подробнее.

MIDI-синтезаторы

FM – это более старый и простой стандарт, который нашел широкое распространение в звуковых картах для PC после появления моделей AdLib (представлена на рисунке выше) и Creative Sound Blaster. FM-синтез выполняется при помощи генераторов сигнала со взаимной модуляцией, причем каждый из них обладает схемой управления для частоты и амплитуды и образует основную единицу сигнала – так называемый оператор. Наиболее известные FM-синтезаторы это, конечно, двухоператорный Yamaha YM3812 OPL2 (FM Operator Type-L) и четырехоператорный Yamaha YMF262 OPL3. Тембр звучания при FM-синтезе определяется алгоритмом соединения операторов, их частотой, амплитудой и законом изменения этих параметров по времени, тогда как общее число тембров зависит от количества операторов и механизма управления ими.

OPL2 способен генерировать 9-канальный звук, где на каждый канал приходится по два генератора синусоидальных колебаний. Пилообразный сигнал здесь получается отключением одной четверти синусоиды, но также генераторы OPL2 могут отключать или инвертировать целый полупериод.

OPL3 представляет собой улучшенный вариант OPL2. Он обладает вдвое большим числом каналов (18 против 9) и умеет генерировать еще четыре формы сигнала: синусоиду иного вида, горбатую синусоиду, квадратные волны и логарифмические пилообразные волны.

Основное достоинство FM, из-за чего он стал так популярен, – отсутствие необходимости записывать сэмплы заранее и хранить их в памяти звуковой карты. В 80-е и 90-е годы оперативная память стоила очень дорого, поэтому генерация «на лету» позволяла удешевить звуковые карты и сделать их более доступными для аудитории. Также FM-синтез несмотря на свою простоту можно использовать для получения большого числа различных звуков, которые будут звучать одинаково на всех звуковых картах, оборудованных таким же или совместимым синтезатором.

Основной недостаток FM хорошо определяется на слух – это «электронность» получаемых голосов, очень грубо имитирующих реальные музыкальные инструменты. Вдобавок реализовать механизм тонкого управления операторами в FM достаточно сложно, поэтому в звуковых картах мы слышим упрощенную версию с меньшим диапазоном звуков.

Кардинально иной подход предлагает WT-синтез. Здесь звуковая карта воспроизводит заранее записанные цифровые звуки, называемые сэмплами, которые хранятся в памяти (128 мелодических и 37 удаpных инстpументов). Сами инструменты составляются из фрагментов под разные диапазоны нот, и при воспроизведении эти фрагменты проходят дополнительную обработку, вроде модуляции и фильтрования. Причем ради экономии памяти для инструментов с длительным звучанием обычно записываются только начало, конец и малая часть середины сэмпла, а затем середина зацикливается на определенное время для получения нужной длины. Высота звука регулируется простым изменением скорости воспроизведения сэмпла.

Отличительная особенность многих звуковых карт с WT-синтезаторами – возможность заменить стандартные банки сэмплов своими собственными и таким образом кардинально изменить звучание. В частности подмена банков была очень популярна на звуковых картах Creative AWE и Gravis UltraSound.

Главные достоинства WT – это его теоретическая предельная реалистичность, в главной степени зависящая от банка сэмплов, и простота генерации звука. Недостатки тоже вполне очевидны: потребность в больших объемах памяти для хранения банков и отсутствие повторяемости звука на различных звуковых картах.

Стоит также отметить, что в картах Gravis UltraSound и Creative AWE реализуется простой метод WT-синтеза, когда звук формируется из непрерывных во времени сэмплов, из-за чего атака и затухание всегда звучат с одинаковой длительностью. Произвольная длительность в таком случае может быть только у средней части сэмпла.

Описание участников и методики тестирования

Теперь, когда мы разобрались с основными понятиями, пора переходить к основной части – тестированию воспроизведения MIDI на различных звуковых картах. Участие в тестировании примут:

• Creative Sound Blaster Vibra 16
• Creative AWE32
• Creative AWE64 Gold
• Creative Sound Blaster Live!
• Gravis UltraSound PnP
• Aztec Sound Galaxy Washington 16
• ESS Magique Melodie

Подробные описания и фото можно найти по ссылкам, а основные параметры представлены в таблице:

Здесь собраны как карты с FM-синтезом OPL3, так и с более продвинутым WaveTable.

Описание тестового стенда:

• ЦП: Intel Celeron Tualatin 1.4 ГГц;
• Система охлаждения: Intel Box;
• МП: Gigabyte GA-6VTXE (чипсет VIA Apollo Pro 133T) ;
• ОЗУ: 3 x 128 MB SDRAM 100 МГц;
• Жесткий диск: IDE WD Caviar 80 GB;
• БП: OCZ ZT750 (750W);
• Корпус: открытый стенд собственного изготовления;
• ОС: Windows 98 SE;

Использовалась следующая методика тестирования: на тестовый стенд, работающий под управлением ОС Windows 98, устанавливалась звуковая карта, и сигнал с ее выхода Line-Out подавался на вход Line-In карты ESI Juli@, размещенной во втором компьютере.

Для проигрывания 10 тестовых композиций использовался плеер Winamp, а для записи цифрового сигнала – программа Audacity. Все 10 мелодий писались в единый большой файл формата WAV, затем нормализовывались (приводились к единому уровню громкости) и резались на части при помощи редактора Adobe Audition. Наконец, в целях экономии места WAV-мелодии конвертировались в формат MP3 с битрейтом 320 кбит/сек в программе FormatFactory.

Результаты

Ниже приведены записи для прослушивания в веб-плеере. Также для удобства вы можете скачать архив с мелодиями целиком и загрузить их в свой любимый медиаплеер. Слушать рекомендуется в наушниках.

AWE64 Gold

Battle Isle 2 Theme

Day of the Tentacle — Opening

Doom — e1m1

Duke Nukem 3D — Intro

Lemmings — Level 1

Monkey Island — Intro

Runescape — 08

Space Quest 3 — Introduction

Tyrian 2000 — Asteroid Dance Part 1

WarCraft II — Orc Theme 2

SB Live

Battle Isle 2 Theme

Day of the Tentacle — Opening

Doom — e1m1

Duke Nukem 3D — Intro

Lemmings — Level 1

Monkey Island — Intro

Runescape — 08

Space Quest 3 — Introduction

Tyrian 2000 — Asteroid Dance Part 1

WarCraft II — Orc Theme 2

UltraSound PnP

Battle Isle 2 Theme

Day of the Tentacle — Opening

Doom — e1m1

Duke Nukem 3D — Intro

Lemmings — Level 1

Monkey Island — Intro

Runescape — 08

Space Quest 3 — Introduction

Tyrian 2000 — Asteroid Dance Part 1

WarCraft II — Orc Theme 2

Aztec Washington 16

Battle Isle 2 Theme

Day of the Tentacle — Opening

Doom — e1m1

Duke Nukem 3D — Intro

Lemmings — Level 1

Monkey Island — Intro

Runescape — 08

Space Quest 3 — Introduction

Tyrian 2000 — Asteroid Dance Part 1

WarCraft II — Orc Theme 2

ESS Magique Melodie

Battle Isle 2 Theme

Day of the Tentacle — Opening

Doom — e1m1

Duke Nukem 3D — Intro

Lemmings — Level 1

Monkey Island — Intro

Runescape — 08

Space Quest 3 — Introduction

Tyrian 2000 — Asteroid Dance Part 1

WarCraft II — Orc Theme 2

Выводы

При прослушивании сразу же замечается разница между FM и WT-синтезом. Как бы ни старался OPL3, но звук у него всегда получается очень электронным и неживым. Тем не менее он демонстрирует одно из своих преимуществ – повторяемость звучания на разных звуковых картах. Вряд ли вы сможете отличить на слух ESS от Aztec. Что касается Vibra 16, то у нее почему то оказались инвертированы левый и правый каналы, однако нельзя сказать, что от этого итоговое звучание стало хуже.

Также вы заметите, что звучание AWE32 и AWE64 Gold оказалось практически идентичным, поскольку они используют фактически один и тот же синтезатор. Если взглянуть на частотное представление одной из мелодий в редакторе Audition, то можно найти различия в формах синусоид WAV-файла, однако на слух они не ощущаются.

WarCraft II: зеленая синусоида – AWE32, красная – AWE64 Gold

Если же говорить про различия между GUS, AWE и SB Live, то они слышны совершенно четко. При этом нельзя сказать, что более современная Live, обладающая 64 аппаратными голосами, оказалась безоговорочно лучше. Наоборот, в одних мелодиях она явно переигрывает конкурентов, тогда как в других заведомо уступает им. В этом и суть MIDI: разные синтезаторы демонстрирует разное звучание, и вопрос выбора во многом зависит от личных предпочтений слушателя. Поэтому пусть каждый сам для себя решает, какая карта по его мнению играет MIDI лучше всех, а сегодняшнее тестирование на этом завершается.

При подготовке заметки использовались справочные материалы Евгения Музыченко с сайта ixbt.com.