JP3649398B2 - 波形処理方法および装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、波形処理方法および装置に関し、例えば電子楽器などの楽音を発生する装置に適用する楽音波形の分析・合成技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、楽音信号を生成するための、いわゆる波形メモリ音源が知られている。波形メモリ音源では、楽音発生指示に応じて波形メモリから所定の波形データを読み出すことにより楽音信号を生成し出力する。波形メモリから読み出した波形データの音色はディジタルフィルタなどを用いて調整することができる。
【０００３】
また、波形メモリ音源には、自然楽器の楽音を入力して波形データを波形メモリに記録し、その波形データを読み出して楽音生成するものが知られている。例えば、特開２００１−２６５３５０に記載の楽音信号分析・合成方法では、入力した楽音波形を分析して時間軸上で連続している周波数成分（決定論的周波数成分）を分離し、この決定論的周波数成分のみに基づいて決定論的波形データを生成し、原波形データから決定論的波形データを減算してノイズ成分を取り出し、このノイズ成分からノイズ成分波形データを作成する。決定論的波形データからは、アタック部およびループ部の波形データ（周期成分波形データ）を作成する。楽音合成時には、この周期成分波形データとノイズ成分波形データを用いて楽音を合成・出力する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のディジタルフィルタなどを用いて音色を調整する方法では、所望の音色を得るのに不十分な場合がある。例えば、ピアノ波形などで、中域が速く減衰しすぎてやせて聞こえる場合にその減衰を遅らせたい場合があるが、ディジタルフィルタだけではそのような調整はできない。
【０００５】
また、特開２００１−２６５３５０に記載の方法では、自然なノイズ成分の付与は可能だが、記録した波形データを加工できるわけではないので、所望の通りの音色に調整することはできない。
【０００６】
この発明は、上述の従来技術における問題点に鑑み、ユーザが微妙なニュアンスも含めて音色を所望の通りに調整することができるような波形処理方法および装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、原波形データを入力するステップと、入力した原波形データを周波数分析することにより、該原波形データの有する複数の周波数成分の各成分ごとの位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データとを取得するステップと、ユーザの操作に応じて、前記複数の周波数成分のうちの１ないし複数を指定する成分指定データ、処理すべき振幅データの範囲を指定する範囲指定データ、および時間軸方向の伸縮を制御する伸縮制御データを入力するステップと、前記複数の周波数成分のうちの前記成分指定データにより指定された成分の位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データから、前記範囲指定データの指定する範囲を処理対象範囲として抽出するステップと、抽出された処理対象範囲の位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データとを、それぞれ、前記伸縮制御データに基づいて伸縮して出力するとともに、該処理対象範囲外の位相データまたは周波数変化データと振幅変化データについては伸縮せずに出力する波形処理ステップと、前記波形処理ステップから出力された複数の周波数成分の位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データとから、新たな波形データを合成する波形合成ステップとを備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明は、原波形データを入力する手段と、入力した原波形データを周波数分析することにより、該原波形データの有する複数の周波数成分の各成分ごとの位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データとを取得する手段と、ユーザの操作に応じて、前記複数の周波数成分のうちの１ないし複数を指定する成分指定データ、処理すべき振幅データの範囲を指定する範囲指定データ、および時間軸方向の伸縮を制御する伸縮制御データを入力する手段と、前記複数の周波数成分のうちの前記成分指定データにより指定された成分の位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データから、前記範囲指定データの指定する範囲を処理対象範囲として抽出する手段と、抽出された処理対象範囲の位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データとを、それぞれ、前記伸縮制御データに基づいて伸縮して出力するとともに、該処理対象範囲外の位相データまたは周波数変化データと振幅変化データについては伸縮せずに出力する波形処理手段と、前記波形処理手段から出力された複数の周波数成分の位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データとから、新たな波形データを合成する波形合成手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いてこの発明の実施の形態を説明する。
【００１０】
図１は、この発明の実施の形態に係る波形分析・合成システムの全体構成を示す。このシステムは、中央処理装置（ＣＰＵ）１０１、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）１０２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１０３、ドライブ装置１０４、ＭＩＤＩインターフェース１０６、パネルスイッチ１０７、パネル表示器１０８、書込回路１１１、アクセス管理部１１２、波形メモリ１１３、音源１１４、サウンドシステム１１５、およびバスライン１２０を備える。
【００１１】
ＣＰＵ１０１は、このシステムの全体の動作を制御する処理装置である。ＲＯＭ１０２は、ＣＰＵ１０１が実行する各種の制御プログラムおよび定数データなどを格納した不揮発性メモリである。ＲＡＭ１０３は、ＣＰＵ１０１が実行するプログラムのロード領域やワーク領域に使用する揮発性メモリである。ドライブ装置１０４は、ＣＤ−ＲＯＭあるいはハードディスク（ＨＤ）などの外部記憶装置を接続する装置である。ＭＩＤＩインターフェース１０６は、外部のＭＩＤＩ機器と接続するためのインターフェースである。パネルスイッチ１０７は、このシステムの外部パネル上に設けられた各種の操作子である。パネル表示器１０８は、このシステムの外部パネル上に設けられた各種の情報を表示するためのディスプレイである。
【００１２】
書込回路１１１は、外部から入力した波形データを波形メモリ１１３に書き込む処理を行なう回路である。アクセス管理部１１２は、書込回路１１１、ＣＰＵ１０１、および音源１１４からの波形メモリ１１３に対するアクセス要求を調停する制御を行なう。波形メモリ１１３は、外部から入力した波形データを記憶する記憶装置である。音源１１４は、ＣＰＵ１０１の指示に応じて波形メモリ１１３にアクセスし所定の波形データを読み出して楽音信号を生成する。サウンドシステム１１５は、音源１１４から出力される楽音信号に基づいて放音する。
【００１３】
図１のシステムは、鍵盤などを備えた電子楽器として構成してもよいし、汎用のパーソナルコンピュータに音源ボードなどを接続して構成することもできる。
【００１４】
図１のシステムにおいて、パネルスイッチ１０７は、録音スイッチ、分析スイッチ、編集スイッチ、および演奏スイッチなどを含む。ユーザは、これらのスイッチを操作することで、以下のような処理を行なうことができる。
【００１５】
図２は、図１のシステムにおける操作の手順の概要を示す。ステップ２０１で、波形データを用意する。これは、ユーザが録音スイッチなどを操作して指示を与えることにより、外部から入力した楽音の波形データを、書込回路１１１およびアクセス管理部１１２によって波形メモリ１１３に記録する処理である。ステップ２０２で、記録した波形データを分析する。これは、分析スイッチなどを操作することにより、当該波形データを周波数分析する処理である。ステップ２０３で、分析結果に基づいて音源波形を合成する。これは、編集スイッチなどを操作することにより、分析結果を編集し、音源波形を合成して再び波形メモリに書き込む処理である。次にステップ２０４で、合成した音源波形を使用して演奏を行なう。これは、演奏スイッチなどを操作することにより、該音源波形を選択し、入力するＭＩＤＩデータなどに基づいて該音源波形を使用した楽音を生成して放音する処理である。
【００１６】
図３は、図１のシステムによる波形データ合成までの流れを示す。これは図２のステップ２０２および２０３におけるシステムの処理の流れを示す図である。３０１は、ステップ２０１で波形メモリ１１３に記録された波形データを示す。３０６は、合成された新波形データを示す。周波数分析部３０２、加工処理部３０３、ユーザ指示入力部３０４、および波形合成部３０５は、図１のＲＯＭ１０２あるいはＲＡＭ１０３上の所定のプログラムをＣＰＵ１０１が実行することで実現している。
【００１７】
周波数分析部３０２は、原波形データ３０１を入力して、周波数分析を行なう。この周波数分析は、原波形データ３０１に対して、その基音のピッチ周期のほぼ８倍程度の長さの窓関数を用いてＦＦＴ解析を行なうことにより周波数成分を解析するものである。窓関数の位置を時間軸上で少しずつシフトしながら同様の周波数成分の解析を繰り返す。これにより、原波形データ３０１全体に対して時間軸上の周波数成分の変化が得られる。このようにして得られた一連の周波数成分は、時間軸上で連続している成分（決定論的周波数成分）と、それ以外の切れ切れの成分とに分類される。これらの周波数成分のうち決定論的周波数成分のみに基づいて作成した決定論的波形データ（ＳＴＦ成分）は加工処理部３０３に入力する。決定論的周波数成分以外の切れ切れの成分に基づく波形データはResidual成分（残留波形）として波形合成部３０５に入力する。なお、実際の処理では、Residual成分（残留波形）は、原波形データ３０１から上述の決定論的波形データを減算した残余波形から作成する。加工処理部３０３に入力するＳＴＦ成分の波形データは、時間軸上で連続している周波数成分であるから、基音、２倍音、３倍音、…というように基音と各倍音のデータに分かれている。
【００１８】
図８は、自然楽器のピアノの楽音を周波数分析部３０２で分析して取得した分析例を示す。基音と各倍音についての振幅変化データ、すなわち基音と各倍音のエンベロープが得られている。それぞれの倍音のエンベロープのグラフにおいて縦軸は振幅の強さを表す。なお、周波数分析部３０２から加工処理部３０３に入力するのは、図８のような振幅変化データのほか、位相変化データ（周波数変化データと見ることもできる）がある。位相変化データも、基音と各倍音のそれぞれの位相変化データからなる。
【００１９】
図３に戻って、加工処理部３０３は、入力したＳＴＦ成分の波形データをユーザ指示に応じて加工する処理を行なう。ユーザ指示入力部３０４は、ユーザの指示を入力し加工処理部３０３に渡す。特に、この実施形態の加工処理では、周波数成分ごとに振幅変化データと位相変化データの加工を行なうことができる。これにより、例えば「高い倍音ほど早く減衰するような波形にしたい」というような要求にも応えることができ、微妙な音色の調整を行なえる。加工処理部３０３とユーザ指示入力部３０４については、図４で詳述する。
【００２０】
波形合成部３０５は、加工処理部３０３から入力した加工処理後のＳＴＦ成分の波形データと周波数分析部３０２から入力したResidual成分の波形データを合成し、新波形データ３０６を生成する。この合成処理は、加工処理を経た周波数成分ごとの振幅変化データと位相変化データを合成して、演奏時に利用できる形式の波形データとする処理である。新波形データ３０６は、再び波形メモリに格納され、演奏時にはユーザの指示に応じて読み出され楽音生成に利用される。なお、新波形データ３０６の形式は、演奏時に利用できるものであればどのようなものでもよい。例えば、ＳＴＦ成分の波形データとResidual成分の波形データとを別データとして波形メモリに保持しておき、演奏時に混合してもよい。
【００２１】
図４に、ユーザ指示入力部３０４と加工処理部３０３の詳細な構成を示す。ユーザ指示入力部３０４は、処理範囲指定部４０１および伸縮指定部４０２を備える。加工処理部３０３は、処理範囲検出部４１１、振幅変化データ伸縮部４１２、位相変化データ伸縮部４１３を備える。
【００２２】
処理範囲指定部４０１は、加工処理部３０３に入力したＳＴＦ成分の波形データのうち、基音あるいはどの倍音成分の加工を行なうかの指定、およびその成分のどの範囲を加工するかの指定を行なう。伸縮指定部４０２は、処理範囲指定部４０１で指定した処理範囲に対しどの程度の伸縮を行なうかその伸縮比を指定する。
【００２３】
これらの指定部４０１，４０２による指定の仕方は任意の方式でよい。例えば、加工制御する対象の基音あるいは倍音成分の指定は、▲１▼３倍音上といった倍音番号で指定する方法、▲２▼この時間に消えてしまっている倍音といった時間で指定する方法などがある。また、処理範囲（時間的な範囲または位置の範囲）の指定は、▲１▼時間で指定する方法（図９で後述）、▲２▼レベルで指定する方法（図１０で後述）、▲３▼アタックの最大値から倍音が消えるまでというように指定する方法（図１１で後述）などがある。また、これらを指定する際のユーザインターフェースも任意である。処理範囲の指定では、（本システムがマウスなどのポインティングデバイスを備えているのであれば）波形を表示し、マウスなどで処理範囲を指定するようにしてもよい。
【００２４】
処理範囲検出部４１１は、入力したＳＴＦ成分の波形データのうちから処理範囲指定部４０１で指定された成分の指定された処理範囲を検出する。振幅変化データ伸縮部４１２は、入力したＳＴＦ成分の波形データのうち振幅変化データを入力し、処理範囲検出部４１１で検出された処理範囲に対し、伸縮指定部４０２で指定された伸縮比の伸縮加工を実行する。位相変化データ伸縮部４１３は、入力したＳＴＦ成分の波形データのうち位相変化データを入力し、処理範囲検出部４１１で検出された処理範囲に対し、伸縮指定部４０２で指定された伸縮比の伸縮処理を実行する。振幅変化データ伸縮部４１２および位相変化データ伸縮部４１３の出力は、加工後の波形データを示すものとして波形合成部３０５に入力する。
【００２５】
次に、加工処理部３０３およびユーザ指示入力部３０４による加工処理の具体例を説明する。
【００２６】
図９は、処理対象の範囲を時間の範囲で指定する例を示す。９０１は、加工処理を行なう対象としてユーザが指定した周波数成分の波形データ（例えば３倍音の波形データ）を示す。この波形データ９０１に対し、時間位置９１１から９１２というように時間で処理範囲を指定できる。さらに、この処理範囲９１３に対して、伸縮指定部４０２で伸縮比が指定される。
【００２７】
図１０は、処理対象の範囲をレベルの範囲で指定する例を示す。１００１は、加工処理を行なう対象としてユーザが指定した周波数成分の波形データを示す。この波形データ１００１に対し、レベル位置１０１１から１０１２というようにレベルの範囲で処理範囲を指定できる。さらに、この処理範囲１０１３に対して、伸縮指定部４０２で伸縮比が指定される。
【００２８】
図１１は、処理対象の範囲をアタック最大値からこの倍音成分が消えるまでというように指定する例を示す。１１０１は、加工処理を行なう対象としてユーザが指定した周波数成分の波形データを示す。この波形データ１１０１に対し、アタック最大値の位置は１１１１である。また、レベルが０（あるいは所定値以下になった位置でもよい）になる位置は１１１２である。これにより処理範囲１１１３が指定できる。さらに、この処理範囲１１１３に対して、伸縮指定部４０２で伸縮比が指定される。
【００２９】
図１２〜図１４は、図９のように処理範囲を指定した後、加工処理を行なった結果の例を示す。これらの図において、図９と同じ番号は同じものを示す。
【００３０】
図１２は、指定された処理範囲９１３内をリサンプリングすることにより伸縮した例である。１２０３は処理範囲９１３を伸長する範囲を示し、１２０１はその終端位置を示す。原波形９０１のうち処理範囲９１３の部分１２０４は、伸長範囲１２０３まで伸長され、結果として太線で示す波形１２０５のようになる。
【００３１】
図５は、加工処理部３０３の振幅変化データ伸縮部４１２による処理例を示し、特に図１２のようなリサンプリングにより伸縮する処理例を示す。５０１は振幅変化データのサンプル間隔を伸縮する処理である。これにより図１２の処理範囲９１３内の原波形データ１２０４の各サンプルの間隔が伸長され、全体の長さが範囲１２０３に伸長される。５０２はサンプル間隔を伸長した各サンプルを一定間隔でリサンプリング（補間処理）する処理である。このような補間処理を行なうことにより、図１２の原波形１２０４が加工後波形１２０５のように伸長される。
【００３２】
図１３は、伸縮処理を行なった後、所定のオフセットを加算した例を示す。図１２のように伸長を行なった後、オフセット分１３０５を加算し波形データ１３０６のような結果を得ている。
【００３３】
図１４は、さらにディケイを付与した例を示す。加算するオフセット分１４０５は、ディケイ部が付与できるように途中から減衰する曲線としている。これにより、加工後波形１４０６にはディケイ部が付与されている。
【００３４】
図６は、ディケイ付与の処理例を示す。図１４では、ディケイが付与できるような変化カーブを持つオフセット１４０５を加算することによりディケイを付与したが、図６のようにディケイ付与部６０３を設けてもよい。オフセット発生部６０２により発生したオフセットが加算器６０１で入力波形に加算され、その後ディケイ付与部６０３でディケイ部が付与され、図１４の１４０６に示すようなディケイが付与された加工後波形を得る。
【００３５】
図１５は、図４の位相変化データ伸縮部４１３による位相の伸縮の例を示す。１５０１は、原波形データ３０１を分析した結果、ある周波数成分における波形の位相変化データを示す。この位相変化データ１５０１は、原波形の時間長さに応じた時間位置１５１２までのデータである。周波数分析部３０２におけるＦＦＴ分析は基本波のほぼ８周期ほどの長さの時間窓関数を用いて行なうので、原波形にビブラートなどの周波数の変化が含まれる場合は、その周波数の変化が「ゆらぎ」として検出される。そのため、位相変化データ１５０１のようにグラフには「ゆらぎ」が現れている。
【００３６】
いま、図９や図１２で説明したように、指定した周波数成分の指定した処理範囲の波形を時間軸方向に伸長するとする。このとき、その処理範囲の波形の位相変化データが図１５の１５０１であるとする。この位相変化データ１５０１は、時間位置１５１２までしかないので、この波形を伸長する場合には、位相変化データについても伸長した時間位置まで伸長する必要がある。太線１５２２は、処理対象の範囲である時間位置１５１１から１５１２までの位相変化データを、時間位置１５１３まで、伸長したデータを示す。
【００３７】
図７に、リサンプリングによる位相の伸縮の手順の例を示す。ステップ７０１では、元の処理対象範囲の位相変化データ（図１５の位置１５１１から１５１２の範囲の位相変化データ１５０１）を微分する。これは周波数に変換することに相当する。次にステップ７０２で、ステップ７０１で求めた周波数データをリサンプリングにより補間して目的の長さ（図１５の位置１５１３までの長さ）に伸長する。次にステップ７０３で、元の位相の基点（図１５の１５２１）からリサンプルした周波数で積分する。ステップ７０４で、伸長した位相変化データ（図１５の１５２２）を得る。
【００３８】
図１６は、位相変化データの伸縮の別の例を示す。位相変化データ１６０１が、位置１６０２までしかない場合、その直前の所定範囲の位相変化データの傾きを求め、それを延長することにより位置１６０２以降の位相変化データを作成する。原点から位置１６０２までの位相変化データ１６０１の傾きの平均で延長してもよい。
【００３９】
図１７は、ピアノの４倍音のエンベロープをアタックの最大値から倍音が消えるまでの範囲を処理範囲として指定し、伸長した例である。１７０１が原波形、１７０２が伸長した波形である。図１８は、これにディケイ部を付加したものである。１８０１が原波形、１８０２が付与したいディケイ部の基準となるカーブである。このディケイ部のカーブ１８０２にしたがって、伸長したエンベロープを補正した結果が波形１８０３である。
【００４０】
上記実施の形態によれば、記録した楽音波形の周波数成分ごとに、処理範囲を指定して時間軸方向に伸縮する加工を行なうことができるので、微妙な音色の調整を行なうことができる。例えば、ピアノなどの自然楽器の楽音から記録した波形データについて複数の倍音を同じように伸長すると不自然なことが多い。これに対し、高い倍音ほど早く減衰するように加工してやると自然な楽音が得られる。上記実施形態のシステムによれば、倍音の番号に応じて、あるいは周波数が高ければ高いほど、伸長の割合を小さくするように加工することができる。
【００４１】
また、エンベロープを時間軸方向に伸長するとそのディケイが長くなり、それが不自然な場合もある。上記実施形態のシステムでは、ディケイ部を付与することもできるので、ある減衰にしたがって伸長したのち、ディケイ部を付与して、自然な楽音になるようにできる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、記録した楽音波形の周波数成分を指定し、その処理範囲を指定して時間軸方向に伸縮する加工を行なうようにしているので、任意の周波数成分の任意の範囲の時間軸方向に波形を伸縮することができる。これにより、ユーザは、微妙なニュアンスも含めて音色を所望の通りに調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態に係る波形分析・合成システムの全体構成図
【図２】図１のシステムにおける操作の手順の概要図
【図３】波形データ合成までの流れを示す図
【図４】ユーザ指示入力部と加工処理部の詳細な構成図
【図５】リサンプリングにより伸縮する処理例を示す図
【図６】ディケイ付与の処理例を示す図
【図７】リサンプリングによる位相の伸縮の手順の例を示す図
【図８】自然楽器のピアノの楽音を周波数分析部で分析して取得した分析例を示す図
【図９】処理対象の範囲を時間の範囲で指定する例を示す図
【図１０】処理対象の範囲をレベルの範囲で指定する例を示す図
【図１１】処理対象の範囲をアタック最大値からこの倍音成分が消えるまでというように指定する例を示す図
【図１２】指定された処理範囲内をリサンプリングすることにより伸縮した例を示す図
【図１３】伸縮処理を行なった後、所定のオフセットを加算した例を示す図
【図１４】ディケイを付与した例を示す図
【図１５】位相変化データ伸縮部による位相の伸縮の例を示す図
【図１６】位相変化データの伸縮の別の例を示す図
【図１７】ピアノの４倍音のエンベロープをアタックの最大値から倍音が消えるまでの範囲を処理範囲として指定し伸長した例を示す図
【図１８】ディケイ部を付加した例を示す図
【符号の説明】
１０１…中央処理装置（ＣＰＵ）、１０２…リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、１０３…ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、１０４…ドライブ装置、１０６…ＭＩＤＩインターフェース、１０７…パネルスイッチ、１０８…パネル表示器、１１１…書込回路、１１２…アクセス管理部、１１３…波形メモリ、１１４…音源、１１５…サウンドシステム、１２０…バスライン。
【発明の属する技術分野】
この発明は、波形処理方法および装置に関し、例えば電子楽器などの楽音を発生する装置に適用する楽音波形の分析・合成技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、楽音信号を生成するための、いわゆる波形メモリ音源が知られている。波形メモリ音源では、楽音発生指示に応じて波形メモリから所定の波形データを読み出すことにより楽音信号を生成し出力する。波形メモリから読み出した波形データの音色はディジタルフィルタなどを用いて調整することができる。
【０００３】
また、波形メモリ音源には、自然楽器の楽音を入力して波形データを波形メモリに記録し、その波形データを読み出して楽音生成するものが知られている。例えば、特開２００１−２６５３５０に記載の楽音信号分析・合成方法では、入力した楽音波形を分析して時間軸上で連続している周波数成分（決定論的周波数成分）を分離し、この決定論的周波数成分のみに基づいて決定論的波形データを生成し、原波形データから決定論的波形データを減算してノイズ成分を取り出し、このノイズ成分からノイズ成分波形データを作成する。決定論的波形データからは、アタック部およびループ部の波形データ（周期成分波形データ）を作成する。楽音合成時には、この周期成分波形データとノイズ成分波形データを用いて楽音を合成・出力する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のディジタルフィルタなどを用いて音色を調整する方法では、所望の音色を得るのに不十分な場合がある。例えば、ピアノ波形などで、中域が速く減衰しすぎてやせて聞こえる場合にその減衰を遅らせたい場合があるが、ディジタルフィルタだけではそのような調整はできない。
【０００５】
また、特開２００１−２６５３５０に記載の方法では、自然なノイズ成分の付与は可能だが、記録した波形データを加工できるわけではないので、所望の通りの音色に調整することはできない。
【０００６】
この発明は、上述の従来技術における問題点に鑑み、ユーザが微妙なニュアンスも含めて音色を所望の通りに調整することができるような波形処理方法および装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、原波形データを入力するステップと、入力した原波形データを周波数分析することにより、該原波形データの有する複数の周波数成分の各成分ごとの位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データとを取得するステップと、ユーザの操作に応じて、前記複数の周波数成分のうちの１ないし複数を指定する成分指定データ、処理すべき振幅データの範囲を指定する範囲指定データ、および時間軸方向の伸縮を制御する伸縮制御データを入力するステップと、前記複数の周波数成分のうちの前記成分指定データにより指定された成分の位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データから、前記範囲指定データの指定する範囲を処理対象範囲として抽出するステップと、抽出された処理対象範囲の位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データとを、それぞれ、前記伸縮制御データに基づいて伸縮して出力するとともに、該処理対象範囲外の位相データまたは周波数変化データと振幅変化データについては伸縮せずに出力する波形処理ステップと、前記波形処理ステップから出力された複数の周波数成分の位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データとから、新たな波形データを合成する波形合成ステップとを備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明は、原波形データを入力する手段と、入力した原波形データを周波数分析することにより、該原波形データの有する複数の周波数成分の各成分ごとの位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データとを取得する手段と、ユーザの操作に応じて、前記複数の周波数成分のうちの１ないし複数を指定する成分指定データ、処理すべき振幅データの範囲を指定する範囲指定データ、および時間軸方向の伸縮を制御する伸縮制御データを入力する手段と、前記複数の周波数成分のうちの前記成分指定データにより指定された成分の位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データから、前記範囲指定データの指定する範囲を処理対象範囲として抽出する手段と、抽出された処理対象範囲の位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データとを、それぞれ、前記伸縮制御データに基づいて伸縮して出力するとともに、該処理対象範囲外の位相データまたは周波数変化データと振幅変化データについては伸縮せずに出力する波形処理手段と、前記波形処理手段から出力された複数の周波数成分の位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データとから、新たな波形データを合成する波形合成手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いてこの発明の実施の形態を説明する。
【００１０】
図１は、この発明の実施の形態に係る波形分析・合成システムの全体構成を示す。このシステムは、中央処理装置（ＣＰＵ）１０１、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）１０２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１０３、ドライブ装置１０４、ＭＩＤＩインターフェース１０６、パネルスイッチ１０７、パネル表示器１０８、書込回路１１１、アクセス管理部１１２、波形メモリ１１３、音源１１４、サウンドシステム１１５、およびバスライン１２０を備える。
【００１１】
ＣＰＵ１０１は、このシステムの全体の動作を制御する処理装置である。ＲＯＭ１０２は、ＣＰＵ１０１が実行する各種の制御プログラムおよび定数データなどを格納した不揮発性メモリである。ＲＡＭ１０３は、ＣＰＵ１０１が実行するプログラムのロード領域やワーク領域に使用する揮発性メモリである。ドライブ装置１０４は、ＣＤ−ＲＯＭあるいはハードディスク（ＨＤ）などの外部記憶装置を接続する装置である。ＭＩＤＩインターフェース１０６は、外部のＭＩＤＩ機器と接続するためのインターフェースである。パネルスイッチ１０７は、このシステムの外部パネル上に設けられた各種の操作子である。パネル表示器１０８は、このシステムの外部パネル上に設けられた各種の情報を表示するためのディスプレイである。
【００１２】
書込回路１１１は、外部から入力した波形データを波形メモリ１１３に書き込む処理を行なう回路である。アクセス管理部１１２は、書込回路１１１、ＣＰＵ１０１、および音源１１４からの波形メモリ１１３に対するアクセス要求を調停する制御を行なう。波形メモリ１１３は、外部から入力した波形データを記憶する記憶装置である。音源１１４は、ＣＰＵ１０１の指示に応じて波形メモリ１１３にアクセスし所定の波形データを読み出して楽音信号を生成する。サウンドシステム１１５は、音源１１４から出力される楽音信号に基づいて放音する。
【００１３】
図１のシステムは、鍵盤などを備えた電子楽器として構成してもよいし、汎用のパーソナルコンピュータに音源ボードなどを接続して構成することもできる。
【００１４】
図１のシステムにおいて、パネルスイッチ１０７は、録音スイッチ、分析スイッチ、編集スイッチ、および演奏スイッチなどを含む。ユーザは、これらのスイッチを操作することで、以下のような処理を行なうことができる。
【００１５】
図２は、図１のシステムにおける操作の手順の概要を示す。ステップ２０１で、波形データを用意する。これは、ユーザが録音スイッチなどを操作して指示を与えることにより、外部から入力した楽音の波形データを、書込回路１１１およびアクセス管理部１１２によって波形メモリ１１３に記録する処理である。ステップ２０２で、記録した波形データを分析する。これは、分析スイッチなどを操作することにより、当該波形データを周波数分析する処理である。ステップ２０３で、分析結果に基づいて音源波形を合成する。これは、編集スイッチなどを操作することにより、分析結果を編集し、音源波形を合成して再び波形メモリに書き込む処理である。次にステップ２０４で、合成した音源波形を使用して演奏を行なう。これは、演奏スイッチなどを操作することにより、該音源波形を選択し、入力するＭＩＤＩデータなどに基づいて該音源波形を使用した楽音を生成して放音する処理である。
【００１６】
図３は、図１のシステムによる波形データ合成までの流れを示す。これは図２のステップ２０２および２０３におけるシステムの処理の流れを示す図である。３０１は、ステップ２０１で波形メモリ１１３に記録された波形データを示す。３０６は、合成された新波形データを示す。周波数分析部３０２、加工処理部３０３、ユーザ指示入力部３０４、および波形合成部３０５は、図１のＲＯＭ１０２あるいはＲＡＭ１０３上の所定のプログラムをＣＰＵ１０１が実行することで実現している。
【００１７】
周波数分析部３０２は、原波形データ３０１を入力して、周波数分析を行なう。この周波数分析は、原波形データ３０１に対して、その基音のピッチ周期のほぼ８倍程度の長さの窓関数を用いてＦＦＴ解析を行なうことにより周波数成分を解析するものである。窓関数の位置を時間軸上で少しずつシフトしながら同様の周波数成分の解析を繰り返す。これにより、原波形データ３０１全体に対して時間軸上の周波数成分の変化が得られる。このようにして得られた一連の周波数成分は、時間軸上で連続している成分（決定論的周波数成分）と、それ以外の切れ切れの成分とに分類される。これらの周波数成分のうち決定論的周波数成分のみに基づいて作成した決定論的波形データ（ＳＴＦ成分）は加工処理部３０３に入力する。決定論的周波数成分以外の切れ切れの成分に基づく波形データはResidual成分（残留波形）として波形合成部３０５に入力する。なお、実際の処理では、Residual成分（残留波形）は、原波形データ３０１から上述の決定論的波形データを減算した残余波形から作成する。加工処理部３０３に入力するＳＴＦ成分の波形データは、時間軸上で連続している周波数成分であるから、基音、２倍音、３倍音、…というように基音と各倍音のデータに分かれている。
【００１８】
図８は、自然楽器のピアノの楽音を周波数分析部３０２で分析して取得した分析例を示す。基音と各倍音についての振幅変化データ、すなわち基音と各倍音のエンベロープが得られている。それぞれの倍音のエンベロープのグラフにおいて縦軸は振幅の強さを表す。なお、周波数分析部３０２から加工処理部３０３に入力するのは、図８のような振幅変化データのほか、位相変化データ（周波数変化データと見ることもできる）がある。位相変化データも、基音と各倍音のそれぞれの位相変化データからなる。
【００１９】
図３に戻って、加工処理部３０３は、入力したＳＴＦ成分の波形データをユーザ指示に応じて加工する処理を行なう。ユーザ指示入力部３０４は、ユーザの指示を入力し加工処理部３０３に渡す。特に、この実施形態の加工処理では、周波数成分ごとに振幅変化データと位相変化データの加工を行なうことができる。これにより、例えば「高い倍音ほど早く減衰するような波形にしたい」というような要求にも応えることができ、微妙な音色の調整を行なえる。加工処理部３０３とユーザ指示入力部３０４については、図４で詳述する。
【００２０】
波形合成部３０５は、加工処理部３０３から入力した加工処理後のＳＴＦ成分の波形データと周波数分析部３０２から入力したResidual成分の波形データを合成し、新波形データ３０６を生成する。この合成処理は、加工処理を経た周波数成分ごとの振幅変化データと位相変化データを合成して、演奏時に利用できる形式の波形データとする処理である。新波形データ３０６は、再び波形メモリに格納され、演奏時にはユーザの指示に応じて読み出され楽音生成に利用される。なお、新波形データ３０６の形式は、演奏時に利用できるものであればどのようなものでもよい。例えば、ＳＴＦ成分の波形データとResidual成分の波形データとを別データとして波形メモリに保持しておき、演奏時に混合してもよい。
【００２１】
図４に、ユーザ指示入力部３０４と加工処理部３０３の詳細な構成を示す。ユーザ指示入力部３０４は、処理範囲指定部４０１および伸縮指定部４０２を備える。加工処理部３０３は、処理範囲検出部４１１、振幅変化データ伸縮部４１２、位相変化データ伸縮部４１３を備える。
【００２２】
処理範囲指定部４０１は、加工処理部３０３に入力したＳＴＦ成分の波形データのうち、基音あるいはどの倍音成分の加工を行なうかの指定、およびその成分のどの範囲を加工するかの指定を行なう。伸縮指定部４０２は、処理範囲指定部４０１で指定した処理範囲に対しどの程度の伸縮を行なうかその伸縮比を指定する。
【００２３】
これらの指定部４０１，４０２による指定の仕方は任意の方式でよい。例えば、加工制御する対象の基音あるいは倍音成分の指定は、▲１▼３倍音上といった倍音番号で指定する方法、▲２▼この時間に消えてしまっている倍音といった時間で指定する方法などがある。また、処理範囲（時間的な範囲または位置の範囲）の指定は、▲１▼時間で指定する方法（図９で後述）、▲２▼レベルで指定する方法（図１０で後述）、▲３▼アタックの最大値から倍音が消えるまでというように指定する方法（図１１で後述）などがある。また、これらを指定する際のユーザインターフェースも任意である。処理範囲の指定では、（本システムがマウスなどのポインティングデバイスを備えているのであれば）波形を表示し、マウスなどで処理範囲を指定するようにしてもよい。
【００２４】
処理範囲検出部４１１は、入力したＳＴＦ成分の波形データのうちから処理範囲指定部４０１で指定された成分の指定された処理範囲を検出する。振幅変化データ伸縮部４１２は、入力したＳＴＦ成分の波形データのうち振幅変化データを入力し、処理範囲検出部４１１で検出された処理範囲に対し、伸縮指定部４０２で指定された伸縮比の伸縮加工を実行する。位相変化データ伸縮部４１３は、入力したＳＴＦ成分の波形データのうち位相変化データを入力し、処理範囲検出部４１１で検出された処理範囲に対し、伸縮指定部４０２で指定された伸縮比の伸縮処理を実行する。振幅変化データ伸縮部４１２および位相変化データ伸縮部４１３の出力は、加工後の波形データを示すものとして波形合成部３０５に入力する。
【００２５】
次に、加工処理部３０３およびユーザ指示入力部３０４による加工処理の具体例を説明する。
【００２６】
図９は、処理対象の範囲を時間の範囲で指定する例を示す。９０１は、加工処理を行なう対象としてユーザが指定した周波数成分の波形データ（例えば３倍音の波形データ）を示す。この波形データ９０１に対し、時間位置９１１から９１２というように時間で処理範囲を指定できる。さらに、この処理範囲９１３に対して、伸縮指定部４０２で伸縮比が指定される。
【００２７】
図１０は、処理対象の範囲をレベルの範囲で指定する例を示す。１００１は、加工処理を行なう対象としてユーザが指定した周波数成分の波形データを示す。この波形データ１００１に対し、レベル位置１０１１から１０１２というようにレベルの範囲で処理範囲を指定できる。さらに、この処理範囲１０１３に対して、伸縮指定部４０２で伸縮比が指定される。
【００２８】
図１１は、処理対象の範囲をアタック最大値からこの倍音成分が消えるまでというように指定する例を示す。１１０１は、加工処理を行なう対象としてユーザが指定した周波数成分の波形データを示す。この波形データ１１０１に対し、アタック最大値の位置は１１１１である。また、レベルが０（あるいは所定値以下になった位置でもよい）になる位置は１１１２である。これにより処理範囲１１１３が指定できる。さらに、この処理範囲１１１３に対して、伸縮指定部４０２で伸縮比が指定される。
【００２９】
図１２〜図１４は、図９のように処理範囲を指定した後、加工処理を行なった結果の例を示す。これらの図において、図９と同じ番号は同じものを示す。
【００３０】
図１２は、指定された処理範囲９１３内をリサンプリングすることにより伸縮した例である。１２０３は処理範囲９１３を伸長する範囲を示し、１２０１はその終端位置を示す。原波形９０１のうち処理範囲９１３の部分１２０４は、伸長範囲１２０３まで伸長され、結果として太線で示す波形１２０５のようになる。
【００３１】
図５は、加工処理部３０３の振幅変化データ伸縮部４１２による処理例を示し、特に図１２のようなリサンプリングにより伸縮する処理例を示す。５０１は振幅変化データのサンプル間隔を伸縮する処理である。これにより図１２の処理範囲９１３内の原波形データ１２０４の各サンプルの間隔が伸長され、全体の長さが範囲１２０３に伸長される。５０２はサンプル間隔を伸長した各サンプルを一定間隔でリサンプリング（補間処理）する処理である。このような補間処理を行なうことにより、図１２の原波形１２０４が加工後波形１２０５のように伸長される。
【００３２】
図１３は、伸縮処理を行なった後、所定のオフセットを加算した例を示す。図１２のように伸長を行なった後、オフセット分１３０５を加算し波形データ１３０６のような結果を得ている。
【００３３】
図１４は、さらにディケイを付与した例を示す。加算するオフセット分１４０５は、ディケイ部が付与できるように途中から減衰する曲線としている。これにより、加工後波形１４０６にはディケイ部が付与されている。
【００３４】
図６は、ディケイ付与の処理例を示す。図１４では、ディケイが付与できるような変化カーブを持つオフセット１４０５を加算することによりディケイを付与したが、図６のようにディケイ付与部６０３を設けてもよい。オフセット発生部６０２により発生したオフセットが加算器６０１で入力波形に加算され、その後ディケイ付与部６０３でディケイ部が付与され、図１４の１４０６に示すようなディケイが付与された加工後波形を得る。
【００３５】
図１５は、図４の位相変化データ伸縮部４１３による位相の伸縮の例を示す。１５０１は、原波形データ３０１を分析した結果、ある周波数成分における波形の位相変化データを示す。この位相変化データ１５０１は、原波形の時間長さに応じた時間位置１５１２までのデータである。周波数分析部３０２におけるＦＦＴ分析は基本波のほぼ８周期ほどの長さの時間窓関数を用いて行なうので、原波形にビブラートなどの周波数の変化が含まれる場合は、その周波数の変化が「ゆらぎ」として検出される。そのため、位相変化データ１５０１のようにグラフには「ゆらぎ」が現れている。
【００３６】
いま、図９や図１２で説明したように、指定した周波数成分の指定した処理範囲の波形を時間軸方向に伸長するとする。このとき、その処理範囲の波形の位相変化データが図１５の１５０１であるとする。この位相変化データ１５０１は、時間位置１５１２までしかないので、この波形を伸長する場合には、位相変化データについても伸長した時間位置まで伸長する必要がある。太線１５２２は、処理対象の範囲である時間位置１５１１から１５１２までの位相変化データを、時間位置１５１３まで、伸長したデータを示す。
【００３７】
図７に、リサンプリングによる位相の伸縮の手順の例を示す。ステップ７０１では、元の処理対象範囲の位相変化データ（図１５の位置１５１１から１５１２の範囲の位相変化データ１５０１）を微分する。これは周波数に変換することに相当する。次にステップ７０２で、ステップ７０１で求めた周波数データをリサンプリングにより補間して目的の長さ（図１５の位置１５１３までの長さ）に伸長する。次にステップ７０３で、元の位相の基点（図１５の１５２１）からリサンプルした周波数で積分する。ステップ７０４で、伸長した位相変化データ（図１５の１５２２）を得る。
【００３８】
図１６は、位相変化データの伸縮の別の例を示す。位相変化データ１６０１が、位置１６０２までしかない場合、その直前の所定範囲の位相変化データの傾きを求め、それを延長することにより位置１６０２以降の位相変化データを作成する。原点から位置１６０２までの位相変化データ１６０１の傾きの平均で延長してもよい。
【００３９】
図１７は、ピアノの４倍音のエンベロープをアタックの最大値から倍音が消えるまでの範囲を処理範囲として指定し、伸長した例である。１７０１が原波形、１７０２が伸長した波形である。図１８は、これにディケイ部を付加したものである。１８０１が原波形、１８０２が付与したいディケイ部の基準となるカーブである。このディケイ部のカーブ１８０２にしたがって、伸長したエンベロープを補正した結果が波形１８０３である。
【００４０】
上記実施の形態によれば、記録した楽音波形の周波数成分ごとに、処理範囲を指定して時間軸方向に伸縮する加工を行なうことができるので、微妙な音色の調整を行なうことができる。例えば、ピアノなどの自然楽器の楽音から記録した波形データについて複数の倍音を同じように伸長すると不自然なことが多い。これに対し、高い倍音ほど早く減衰するように加工してやると自然な楽音が得られる。上記実施形態のシステムによれば、倍音の番号に応じて、あるいは周波数が高ければ高いほど、伸長の割合を小さくするように加工することができる。
【００４１】
また、エンベロープを時間軸方向に伸長するとそのディケイが長くなり、それが不自然な場合もある。上記実施形態のシステムでは、ディケイ部を付与することもできるので、ある減衰にしたがって伸長したのち、ディケイ部を付与して、自然な楽音になるようにできる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、記録した楽音波形の周波数成分を指定し、その処理範囲を指定して時間軸方向に伸縮する加工を行なうようにしているので、任意の周波数成分の任意の範囲の時間軸方向に波形を伸縮することができる。これにより、ユーザは、微妙なニュアンスも含めて音色を所望の通りに調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態に係る波形分析・合成システムの全体構成図
【図２】図１のシステムにおける操作の手順の概要図
【図３】波形データ合成までの流れを示す図
【図４】ユーザ指示入力部と加工処理部の詳細な構成図
【図５】リサンプリングにより伸縮する処理例を示す図
【図６】ディケイ付与の処理例を示す図
【図７】リサンプリングによる位相の伸縮の手順の例を示す図
【図８】自然楽器のピアノの楽音を周波数分析部で分析して取得した分析例を示す図
【図９】処理対象の範囲を時間の範囲で指定する例を示す図
【図１０】処理対象の範囲をレベルの範囲で指定する例を示す図
【図１１】処理対象の範囲をアタック最大値からこの倍音成分が消えるまでというように指定する例を示す図
【図１２】指定された処理範囲内をリサンプリングすることにより伸縮した例を示す図
【図１３】伸縮処理を行なった後、所定のオフセットを加算した例を示す図
【図１４】ディケイを付与した例を示す図
【図１５】位相変化データ伸縮部による位相の伸縮の例を示す図
【図１６】位相変化データの伸縮の別の例を示す図
【図１７】ピアノの４倍音のエンベロープをアタックの最大値から倍音が消えるまでの範囲を処理範囲として指定し伸長した例を示す図
【図１８】ディケイ部を付加した例を示す図
【符号の説明】
１０１…中央処理装置（ＣＰＵ）、１０２…リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、１０３…ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、１０４…ドライブ装置、１０６…ＭＩＤＩインターフェース、１０７…パネルスイッチ、１０８…パネル表示器、１１１…書込回路、１１２…アクセス管理部、１１３…波形メモリ、１１４…音源、１１５…サウンドシステム、１２０…バスライン。
Claims (2)
- 原波形データを入力するステップと、
入力した原波形データを周波数分析することにより、該原波形データの有する複数の周波数成分の各成分ごとの位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データとを取得するステップと、
ユーザの操作に応じて、前記複数の周波数成分のうちの１ないし複数を指定する成分指定データ、処理すべき振幅データの範囲を指定する範囲指定データ、および時間軸方向の伸縮を制御する伸縮制御データを入力するステップと、
前記複数の周波数成分のうちの前記成分指定データにより指定された成分の位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データから、前記範囲指定データの指定する範囲を処理対象範囲として抽出するステップと、
抽出された処理対象範囲の位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データとを、それぞれ、前記伸縮制御データに基づいて伸縮して出力するとともに、該処理対象範囲外の位相データまたは周波数変化データと振幅変化データについては伸縮せずに出力する波形処理ステップと、
前記波形処理ステップから出力された複数の周波数成分の位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データとから、新たな波形データを合成する波形合成ステップと
を備えたことを特徴とする波形処理方法。 - 原波形データを入力する手段と、
入力した原波形データを周波数分析することにより、該原波形データの有する複数の周波数成分の各成分ごとの位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データとを取得する手段と、
ユーザの操作に応じて、前記複数の周波数成分のうちの１ないし複数を指定する成分指定データ、処理すべき振幅データの範囲を指定する範囲指定データ、および時間軸方向の伸縮を制御する伸縮制御データを入力する手段と、
前記複数の周波数成分のうちの前記成分指定データにより指定された成分の位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データから、前記範囲指定データの指定する範囲を処理対象範囲として抽出する手段と、
抽出された処理対象範囲の位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データとを、それぞれ、前記伸縮制御データに基づいて伸縮して出力するとともに、該処理対象範囲外の位相データまたは周波数変化データと振幅変化データについては伸縮せずに出力する波形処理手段と、
前記波形処理手段から出力された複数の周波数成分の位相変化データまたは周波数変化データと振幅変化データとから、新たな波形データを合成する波形合成手段と
を備えたことを特徴とする波形処理装置。
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