Theory and practice of physical modeling for musical sound transformations: an instrumental approach to digital audio effects based on the CORDIS-ANIMA system

Abstract

This thesis proposes the use of physical modeling as a mean of designing musical sound transformations under the concept of instrumental interaction. We were seeking for a physical modeling paradigm that permits straightforwardly the exploration for new sonic possibilities based on sound transformation techniques. Hence the present essay is clearly oriented and devoted to musical creation. This work provides new results and new discussions in musical signal processing and in the design of digital audio effects. The novelty is the introduction of the instrumental gesture in the audio signal processing algorithms. The same concept has been applied to Frequency Modulation (FM) synthesis algorithm. Concretely the novel outcomes and the contribution of this study are: Some theoretical aspects concerning the exploit of physical modeling for musical sound transformations. The proposition of a simple modular system architecture for the design of physical audio effect models based on a common visual block type programming environment. The representation of CORDIS-ANIMA (CA) system by a number of helpful mathematical formalisms. The redesign/re-definition of several well-known digital audio effects using CA system: filters, delay based effects, distortions, amplitude modifiers. Especially in filter synthesis by CA networks, an algorithm has been applied which is based on the Cauer realization of electrical circuits. The redesign/re-definition of FM synthesis using CA system.

Η παρούσα διατριβή προτείνει την χρήση των τεχνικών φυσικής μοντελοποίησης για την σχεδίαση αλγορίθμων ψηφιακής επεξεργασίας ήχου προορισμένων για μουσική δημιουργία. Η βασική ιδέα στην οποία στηρίχτηκε είναι η παρουσίαση ενός νέου και καινοτομικού τρόπου ελέγχου αλγορίθμων επεξεργασίας ήχου βασισμένου στο πρότυπο αλληλεπίδρασης με τον όρο: αλληλεπίδραση οργάνου (instrumental interaction). Αναζητήθηκε ένας φορμαλισμός φυσικής μοντελοποίησης ο οποίος να επιτρέπει άμεσα την έρευνα για νέα ηχοχρώματα μέσω τεχνικών επεξεργασία ήχου. Συνεπώς η παρούσα έρευνα έχει σαφέστατο μουσικό προσανατολισμό. Η εργασία παρέχει νέα αποτελέσματα και θέτει νέα ερωτήματα σχετικά με τη επεξεργασία ήχου για μουσική δημιουργία και για την σχεδίαση ψηφιακών ακουστικών εφφέ (digital audio effects). Καινοτομία αποτελεί η εισαγωγή χειρονομιών οργάνου (instrumental gesture) για τον έλεγχο των αλγόριθμων επεξεργασίας ήχου. Η ίδια ιδέα εφαρμόστηκε και στον αλγόριθμο σύνθεσης ήχου διαμόρφωσης κατά συχνότητα FM (frequency modulation). Συγκεκριμένα τα πρωτότυπα αποτελέσματα και η συμβολή αυτής της έρευνας είναι: Ορισμένα θεωρητικά πορίσματα που αφορούν την έρευνα σχετικά με την χρήση των τεχνικών φυσικής μοντελοποίησης για την σχεδίαση αλγορίθμων ψηφιακής επεξεργασίας ήχου προορισμένων για μουσική δημιουργία. Η πρόταση μιας απλής αρθρωτής αρχιτεκτονικής για τον σχεδιασμό φυσικών μοντέλων ψηφιακών ακουστικών εφφέ, βασισμένης σε ένα κοινότυπο γραφικό περιβάλλον προγραμματισμού μπλοκ τύπου. Η αναπαράσταση του συστήματος CORDIS-ANIMA και η σύγκρισή του με άλλους χρήσιμους φορμαλισμούς μοντελοποίησης. Ο σχεδιασμός και η προσομοίωση διαφόρων γνωστών εφφέ με το σύστημα CORDIS-ANIMA: φίλτρα, εφφέ βασισμένα σε γραμμές καθυστέρησης, παραμορφώσεις καθώς και εφφέ που επηρεάζουν την δυναμική του ήχου. Ιδιαίτερα σημαντική συμβολή είναι η χρήση της τεχνικής Cauer για τη σύνθεση φίλτρων CORDIS-ANIMA. Ο σχεδιασμός και η προσομοίωση της σύνθεσης FM με το σύστημα CORDIS-ANIMA.