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淺析MIDI音樂中的波表合成技術20世紀80年代初,電腦音樂迎來了第一個真正的繁榮時期,越來越多的人開始接觸電腦,其中更不乏音樂愛好者。隨著音效卡技術的不斷發展,從硬音效卡時代到現在的多媒體音效卡,在音效卡技術中占有重要位置的波表合成技術,也隨著計算機的發展一刻也沒有停下來。在了解波表合成技術前,必須先了解MIDI的幾個初步概念。音樂概念
現在越來越多的電腦愛好者、音樂愛好者都經常接觸到音效卡以及MIDI,那么，什麼是MIDI?尤其是近幾年多媒體技術的突飛猛進,MIDI作為多媒體的一個重要組成部分,被炒得沸沸揚揚,幾乎達到了婦孺皆知的地步。而大家也已經把這種接口技術當作了電腦音樂的代名詞。1.1 MIDI的概念
MIDI是Musical Instrument Digital Inter-face的簡稱，即“音樂設備數字接口”，它是由Se-quential Circuits公司大衛·史密斯提出來的。並在1982 年的國際樂器製造者協會的會議上通過。1983年MIDI協定1.0版本正式制定出來。它是一種電子樂器之間以及電子樂器與電腦之間統一交流協定。廣義上的MIDI是電子合成器、電腦音樂的統稱，包括協定、設備等相關的含義，而我們通常所說的MIDI是指“電腦音樂”，或者說以MIDI為擴展名的音樂檔案，已與原來的意思相差甚遠。
1.2 MIDI的三種音源標準
由於早期的MIDI設備在樂器的音色排列上沒有統一的標準，造成不同型號的設備回放同一首樂曲時也會出現音色偏差。為了彌補這一不足，便出現了GS、GM和XG這類音色排列方式的標準。最早出台的是由業界大名鼎鼎的ROLAND公司制定並推出的。ROLAND是日本非常出名的電子樂器廠商，其生產開發的電子鍵盤、MIDI音源以及軟波表都享有盛譽。所以GS頗具權威性，它完整的定義了128種樂器的統一排列方式，並規定了MIDI設備的最大複音數不可少於24個等詳盡的規範。
GM標準則是在GS的基礎上，加以適當簡化而成的。由於它比較符合眾多中小廠商的口味，一時間成為了業界廣泛接受的標準。在電子樂器方面惟一可與ROLAND 相匹敵的YAMAHA公司也不甘示弱，於1994年制定出自己的標準——XG。與GM、GS相比XG提供了更為強勁的功能和一流的擴展能力，並且完全兼容以上兩大標準。而且憑藉YAMAHA公司在電腦音效卡方面的優勢，使得XG在PC上有著廣闊的用戶群。
1.3 MIDI的工作原理
MIDI檔案格式的樂曲都只占很小的空間，但它是怎樣產生的呢？首先，大家都知道任何聲音都有其波形，如果我們把某種聲音的波形記錄下來，就可以正確反映這個聲音的實際效果。WAVE檔案就是這種形式。它在任何一台電腦上回放都是一樣的，而且效果非常真實，但其檔案比較大，一般一首4分鐘左右的樂器要耗40MB左右的磁碟空間。而MIDI檔案本身只是一堆數位訊號而已，不包含任何聲音信息，我們或者可以把它理解成為一種描述性的“音樂語言”，只要將所要演奏的樂曲信息表述下來就可以了。例如“在某一時刻，使用什麼樂器，以什麼音符開始，以什麼音調結束，加上什麼伴奏”等等，這些信息所占用的幾十KB空間對於如今大容量的硬碟來說，只不過是滄海一粟而已。如此小的容量非常適合在網路媒體上傳播。不過MIDI也有一個致命的缺點，因為不同的聲音卡，不同的音源或不同的合成手段播放的結果會完全不一樣。在了解了MIDI音樂的概念之後，接下來就開始進入影響MIDI音樂發展的關鍵技術——音效卡的合成引擎。
合成引擎
2.1 MIDI的合成技術MIDI檔案是一種對樂曲的描述，本身不包括可供回放的聲音信息，電腦音樂要被音效卡播放出來，就需要通過形形色色的合成引擎了。目前套用的最為廣泛的MIDI合成引擎是FM合成和波表合成。
(1)FM合成
FM是"頻率調變"的英文縮寫。多用於以前的ISA音效卡，它運用聲音振盪的原理對MIDI進行合成處理。但由於技術本身的局限，加上這類音效卡採用的大多數為廉價的YAMAHA OPL系列晶片，效果自然很差，而波表合成則要好得多。
(2)波表合成
也正是因為FM合成技術的差強人意，才有了本文的主角——波表合成。波表合成的英文名稱為“WAVE TABLE”，從字面上翻譯來看就是“波形表格”的意思。它是採用一稱之為“波表查找”技術來產生MIDI音樂。具體方式是將聲音的數字樣本儲存在固定的區域，然後根據MIDI命令取出相應的樣本將它還原回放。例如用真實樂器的數字錄音技術，把大提琴、小提琴、鋼琴、鼓等各種實際樂器的數位化聲音存儲在唯讀存儲器（ROM）中，在產生MIDI音樂時再以存儲的波表中找出進行合成。它與FM的最大區別就在於FM通過對簡單正弦波的線性控制來模仿音樂樂器和特殊效果，而波表採用真實的聲音樣本進行還原回放，因而採用波表合成的MIDI音樂聽上去更接近自然，更具真實感，而FM合成MIDI音樂多帶有人工合成的色彩。雖然波表合成的原理我們可以簡單地描述成對真實樣本的回放，但實際上其中有很多細節卻是極其複雜的過程。總之，波表合成的本質是對採樣聲音的調製。對採樣聲音進行調製的過程是動態地改變音頻信號的某個參數的過程，這些參數包括：音量（振幅調製或震音）、音高（調頻或顫音）以及濾波器截止頻率。調製的作用是實時控制參數，使聲音產生變化，因而不需添加更多的樣本也能得到豐富的聲音效果，以起到節省記憶體的目的。
2.2 波表的技術指標
（1）音色庫容量
由於波表合成技術是將真實樂器的音樂採樣錄製下來再進行合成處理的，所以要想獲得滿意的效果是有條件的，波表的音色庫要足夠大，這樣才能容納更多更好的音色樣本。波表越大，音色採樣就越真實，效果就越好。例如一般1MB的波表每種音色只能被分配到10K左右的空間，而2MB波表則可以獲得比它大一倍的空間，效果自然也好了許多。專業音效卡的波表音色庫可高達32MB以上（例如創新SB live！系列）。不過4MB音色庫已經足夠，況且就“肉耳”而言很難分辨出4MB與8MB之間的區別。
（2）複音數
所謂的“複音”是指MIDI樂曲在1秒鐘內發出的最大聲音數目。波表支持的複音數如果太小，一些比較複雜的MIDI樂曲在合成時就會出現某些聲部被丟失的情況，直接會影響到播放效果。複音有“硬體支持複音”和“軟體支持複音”之分。所謂“硬體支持複音”是指所有複音數都是由音效卡晶片生成，而“軟體支持複音”則是在“硬體支持複音”的基礎上以軟體合成的方法，加大複音值，但這是由CPU來帶動的。例如SB Live!，它的複音數達到了前所未有的256位，而軟體複音則可高達1024位，這在一般情況下的意義是不大的，64位複音幾乎已接近MIDI樂曲所用複音的極限了。MIDI樂曲使用的複音數都沒有超過32 位，所以音色丟失的現象很少發生。不過從這個側面可以反映出波表合成技術的發展速度。
（3）特殊效果
大容量的波表和高複音數支持給MIDI提供了良好的表現空間。但要想達到近乎真實的樂器臨場演奏效果，還需要一些錦上添花的修飾，所以大部分波表提供了一些特殊效果的支持。一般這些效果在GS、GM或XG上都能獲得很好的支持。
發展與前景
ISA音效卡的出現，將計算機帶進了多媒體時代，當時音效卡的MIDI合成主要以FM為主。第一款出現在國內市場上的波表音效卡是音效卡之你創新公司出品的SB AWE32。其實現形式是通過板載ROM來存放1MB的音色庫，再依靠音效卡自己的波表合成技術進行合成，就是所謂的“硬波表”。由於在音效卡上整合高性能的波表合成晶片及ROM或RAM會導致音效卡的成本昂貴，使它在一段時期內限制了它的普及，直到1998年PC1音效卡的問世，才為波表音效卡的平民化帶來了一次小小的革命，其關鍵是DLS技術的套用。DLS全稱為“Down Landable Sample”，意思是“可下載音色樣本庫”。其工作原理是將原先存放在音效卡板載ROM的波表音色樣本以檔案形式存在於系統硬碟中，再傳輸到音效卡的波表合成晶片上加以處理合成。基於此原理而產生的Sound Font技術，是創新公司的子公司E-MU指定的採樣音色庫技術，根據這一技術編制的擴展名為“sbk”和“sf2”的檔案就是用於MIDI樂曲的音色庫檔案。PCI音效卡使Sound Font技術獲得了巨大的生命力，它使用戶不必為了獲得滿意的MIDI合成效果而去購買載有大量ROM或RAM的價格昂貴的ISA音效卡。而用戶所需要做的就是選擇合適的音色庫載入到記憶體中去，從而以很低的成本中獲得足夠大的音色庫。
隨著“奔騰”級晶片的普及，以往只能由音效晶片來完成的工作也交給CPU來處理了，這就是現在的稱之為“Realtek AC’97”的軟音效卡（註：Realtek AC’97實際上只是一種標準，並無軟硬之分，很多硬音效卡符合Realtek AC’97標準），由於省去了音效晶片，使得音效卡的成本降到了最低，目前CPU動輒GHZ，軟音效卡占用的資源對它來說可謂是微不足道。
既然有了“軟音效卡”，也就有了“軟波表”，軟波表是利用CPU的強大運算能力，把原本由波表合成卡的工作一併完成，從而達到波表音效卡的效果。軟波表的最大的優點就是它完全免費，其缺點是需要占用大量的系統資源，只有高速CPU才能使軟波表達到較好的MIDI回放效果。而硬體波表合成技術沒有這樣的要求，無論是在任何系統上，即使是486，都能還原出令人滿意的MIDI效果。遺憾的是，軟波表現在普遍存在音色庫過小的弊端，即使是最新的“YAMAHA SYXG-100”，也只有2MB的音色庫，使得某些樂器採樣失真。
相信在今後很長的一段時間裡，波表合成技術仍是音效卡的一項重要功能，經過多年的發展，現有的波表合成技術已經比較完善了，要想再進一步提升效果，接近專業MIDI合成器的水準，只能從真實度方面下手：更複雜、更擬真的波表數據。另一方面，一種稱之為“物理模擬合成”的新技術已向波表合成技術提出挑戰，他可以賦以固化的波表音色以新的生命力。無論怎么樣，可以肯定的一點是，技術發展的腳步永遠不會停止，神奇、迷人的MIDI也會延續更加動人的鏇律。
