JP3832051B2 - 楽音合成装置及び楽音合成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子楽器の音源として用いられる楽音合成装置に関し、特に楽器音をデジタルサンプリングすることによって得られた波形データに対し、非線形変換を施して音色を加工する楽音合成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の装置として、メモリに記憶された楽音データを発音指示に応じて読み出し、読み出したデータに対して、テーブルに記憶された非線形変換特性を作用させ、波形形状を変形させ音色を変化させる楽音合成装置が開示されている（例えば、特開昭６１−１１０１９９号公報）。
【０００３】
以下、図面を参照しながら上述したような従来の楽音合成装置について説明する。
【０００４】
図９は従来の楽音合成装置のブロック図である。９１は予めピアノ等の楽器音をデジタルサンプリングすることによって得られた波形データを記憶する波形メモリ、９２は発音開始フラグＫＯＮの発生時以降にシステムクロックＳＣＫ（サンプリング周波数に対応する速度で発生するクロック）の発生タイミングに同期して、波形メモリ９１に記憶された波形データを読み出し出力する読み出し回路、９３は読み出された波形データの振幅値をアドレス値として、予め記憶された非線形変換特性値を読み出す非線形変換テーブルである。なお、読み出し回路９２は簡単なカウンタ回路を用いて構成できるので説明を省略する。
【０００５】
図１０は非線形変換テーブル９３の変換特性図である。横軸ｘはテーブルアドレス値、縦軸ｙは変換特性値である。
【０００６】
図１１は波形メモリ９１に記憶されたピアノ音の振幅周波数スペクトルを示す図であり、横軸に周波数、縦軸に振幅レベルを示している。また、図１２は合成音データの振幅周波数スペクトルを示す図である。
【０００７】
以上のように構成された従来の楽音合成装置について動作説明をする。まず打鍵等の発音指示に応じて、発音開始フラグＫＯＮが値１となり読み出し回路９２は、波形メモリ９１の０番地から順に、システムクロックＳＣＫの周期に同期して波形データを読み出す。この時、打鍵された鍵盤の音高位置に応じたピッチデータが読み出し回路９２に送出され、読み出し回路９２はピッチデータに応じた読み出しステップ幅で波形メモリ９１をアドレッシングするので、ピッチデータに応じた音高の波形データが発生される。この波形データは非線形変換テーブル９３にアドレス値として入力され、図１０に示す変換特性値が読み出される。ここで、非線形変換テーブル９３に１次特性（縦軸をｙ、横軸をｘとした場合、ｙ＝ｘとなる特性）が記憶されている場合、アドレス値として入力された波形データはそのままスルーで出力されることとなる。また、図１０に示すような非線形特性、即ちアドレス値（入力レベル）が大きくなるにつれて、次第に飽和する特性の場合、入力された波形データの振幅周波数スペクトルの奇数次倍音が増幅されるような変換を受けることになる。即ち、図１１に示した振幅周波数スペクトルが、図１２に示したような振幅周波数スペクトルに変換される。このように、非線形変換テーブル９３に記憶する変換特性の形状に合わせて、音色を変化させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の楽音合成装置では、波形メモリ９１には、ピアノ等の楽器音をデジタルサンプリングされたものがそのまま記憶されているため、例えば、ピアノ音を録音するときに含まれてくる、暗騒音や残響音などの非周期的な成分（周期性の非常に弱い成分も含む）まで、波形メモリ９１に含まれることになる。これらの非周期成分は、合成時にそのまま再現されると、音の定位感など、いわゆる音像のリアリティに反映する有意味な成分であるが、一旦、非線形変換テーブル等によってその形状が変形されてしまうと、聴感上意味をもたないノイズ成分になってしまう。一方、ピアノの弦振動などの倍音構造をもつ成分、即ち周期成分は、非線形テーブル９３による波形形状の変形により、もともと存在していた倍音成分の特定成分（例えば奇数次成分）が増幅／減衰されることによって新たな倍音構造をもった波形に変化するので、ノイズが発生することなく波形形状が変化することとなる。このように、従来の楽音合成装置では、非周期成分に対しても波形形状の変形がなされていた為、ノイズの多い音色になってしまうという問題点を有していた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決するために、本発明は、楽器音から少なくとも定常的な非周期成分を除いた成分に対応する波形データを記憶した第１の記憶手段と、楽器音中の定常的な非周期成分に対応する波形データを記憶した第２の記憶手段と、第１の記憶手段及び第２の記憶手段に記憶された波形データを読み出す読み出し手段と、第１の記憶手段から読みだされた周期波形の波形形状を変化させる非線形変換手段と、非線形変換手段の変換出力と第２の記憶手段から読み出された波形データとの混合処理を行う混合手段とを備え、第１の記憶手段から読み出された波形データ、即ち周期波形のみに非線形変換手段における波形形状の変形処理がなされ、周期波形の倍音構造が変化し、これに第２の記憶手段から読み出された波形データ、即ち非周期波形（例えば、ピアノなどの楽音を録音するときに一緒に録音される暗騒音や残響音などであり、音の定位感など、いわゆる音像のリアリティに関する有意味な成分）を混合し、所望の合成音を得ることとなる。従って、非周期成分の波形形状を変化させた結果得られる無意味な波形（ノイズ）を合成音に混入させることなく所望の合成音を合成することとなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、ピアノなどの楽器音の周期波形と非周期波形をそれぞれ記憶した第１の波形メモリ及び第２の波形メモリと、発音指示及びピッチデータに応じてそれらに記憶された波形データを読み出す読み出し回路と、第１の波形メモリから読み出された周期波形の波形形状の変形を行う非線形変換手段と、非線形変換手段の変換出力と第２の波形メモリから読み出された非周期波形との加算を行う加算器とを備え、打鍵等の発音指示があった時、読み出し回路がピッチデータに応じた読み出しステップで第１の波形メモリから周期波形を読み出した後、非線形変換器において波形形状の変形処理がなされ、周期波形の倍音構造が変化した周期波形が得られる。そして、加算器におけて、この周期波形と、第２の波形メモリから読み出された非周期波形（例えば、ピアノなどの楽音を録音するときに一緒に録音される暗騒音や残響音などであり、音の定位感など、いわゆる音像のリアリティに関する有意味な成分）とが加算され、所望の合成音を得ることとなる。
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、特に説明のない限り従来と同様の構成要件には同一符号を付し、説明を省略する。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における楽音合成装置の構成を示すブロック図である。図１において、１１はピアノ等の楽器音をデジタルサンプリングすることによって得られた楽音の周期成分に相当する波形データを予め記憶する波形メモリ、１２は同楽音の非周期成分に相当する波形データを予め記憶する波形メモリ、１３は非線形変換テーブル９３の変換結果と波形メモリ１２から読み出された波形データ（非周期波形）との加算を行う加算器である。その他のブロックは従来の楽音合成装置と同様である。
【００１３】
図２は、楽音を周期成分と非周期成分に分離するアルゴリズムを示すブロック図である。周期成分とは、ピアノの弦の振動などの周期性（倍音構造）を有する成分であり、一方、非周期成分とは、ハンマー音や残響成分、あるいは録音時の暗騒音といった、周期性のない、あるいは周期性の非常に弱い成分のことである。図２において、２１は波形メモリ９１から読み出された楽音波形の振幅レベルを減衰させる乗算器、２２は同楽音波形の基本周期（音高に相当）に対応する遅延時間分データを遅延させる遅延器、２３は遅延器２２の出力レベルを減衰させる乗算器、２４は乗算器２１の出力と乗算器２３の出力を加算する加算器である。２５は乗算器２１，２３、遅延器２２、加算器２４からなる巡回型コムフィルタであり、２６，２７も同様の巡回型コムフィルタである。２８は同楽音波形から乗算器３０の出力である周期成分を減算する減算器、２９は波形メモリ９１から楽音波形を読み出す読み出し回路、３０は巡回型コムフィルタ２７の出力レベルを調整する乗算器である。なお、巡回型コムフィルタ２５，２６，２７の回路構成は同一である。また巡回型コムフィルタ２６，２７の間に、同様の巡回型コムフィルタが複数段挿入されているものとする。
【００１４】
図３は巡回型コムフィルタ２５の伝達特性図である。なお、共振峰のレベルＡは乗算器２３の乗算係数ａに、またレベルＢは乗算器２１の乗算係数ｂに対応する。また、周波数ｆ0は、波形メモリ９１から読み出される楽音波形の基本周期に対応する周波数である。
【００１５】
図４は、ピアノ原音の周期成分の振幅周波数スペクトルを示すグラフであり、図５は、ピアノ原音の非周期成分の振幅周波数スペクトルを示すグラフであり、図６は、本実施の形態における楽音合成装置及び楽音合成方法によって出力される合成音データの振幅周波数スペクトルを示すグラフである。
【００１６】
以上のように構成された楽音合成装置について動作説明をする。まず、予め図２に示す方法等で、楽音を周期成分と非周期成分に分離し、それぞれに対応する波形データを波形メモリ１１，１２に記憶しておくものとする。なお、分離についての詳細説明については、実施の形態２で述べる。鍵盤の打鍵等による発音指示により発音開始フラグＫＯＮが発生し、その発生タイミングを起点として読み出し回路９２は波形メモリ１１、１２のアドレッシングを開始する。アドレス更新でのステップ幅はピッチデータに対応し、システムクロックＳＣＫ（サンプリング周期に対応するクロック）の周期に同期してアドレスの更新を行う。波形メモリ１１からは楽音の周期成分に対応する波形データが読み出される。その波形データの振幅周波数スペクトルは図４に示すようなノイズフロアー成分のない、即ち倍音のみで構成される波形データである。そして非線形変換テーブル９３において、波形形状の変形が行われ、従来の楽音合成装置のように、奇数次倍音が増幅された周期波形が得られる。一方波形メモリ１２からは楽音の非周期成分に対応する波形データが読み出される。その波形データの振幅周波数スペクトルは図５に示すようなノイズフロアー成分だけの波形データである。この波形データは加算器１３に送出され、非線形変換テーブル９３の出力との加算が行われ、図６に示す振幅周波数スペクトルの合成音データが得られる。
【００１７】
以上のように、本実施の形態によれば、図６に示す振幅周波数スペクトルの合成音データが得られ、図１１に示すピアノ音とを比較すると、ノイズフロアーの成分は変化せず、倍音構造のみが変化することとなる。即ち、ピアノなどの楽音を録音するときに一緒に録音される暗騒音や残響音といった、音の定位感などの音像のリアリティに関する有意味な成分（波形形状を変形すると無意味なノイズ成分に変化するもの）は非線形変換テーブル９３による波形形状の変形を受けず、そのままの波形が合成音データに反映されることとなり、聴感上好ましい音色変化（倍音構造のみの変化）を実現することができる。
【００１８】
なお、非線形変換テーブル９３は図１０に示す変換特性のみならず、任意の変換特性をもたせてもよい。また、ピアノのハンマー音のような過渡的な（比較的短時間の）非周期成分は、非線形変換による波形形状の変形を行っても、ノイズの発生時間が極めて短時間なので、波形メモリ１１が記憶する周期成分側に含ませるようにしてもさしつかえない。また、楽音は、いわゆる楽器音の全てをデジタルサンプリングしたものだけではなく、例えば、定常的な波形区間をルーピングしたり、あるいはサンプルを間引きしたりといった、いわゆる圧縮したものであっても構わない。また、音量の時間減衰情報は、波形メモリ１１，１２内の波形に含ませてもよいし、また、加算器１３の後段などにいわゆるエンベロープを乗算する乗算器などを介挿して実現するようにしてもよい。また、非線形変換手段は、非線形変換テーブル９３のようなテーブル参照タイプのみならず、非線形演算による非線形処理としてもよい。また、読み出し回路９２は波形メモリ１１，１２を同時にしかも同じアドレス値でアドレッシングするが、それぞれの波形メモリに独立した読み出し回路を備えるようにしてもよい。
【００１９】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図７は、本発明の実施の形態２による楽音合成装置の構成を示すブロック図である。図７において、７１は波形合成及び波形分離処理の両者を行うプロセッサ、７２は波形データおよび非線形変換テーブル値を記憶するＲＯＭ（読み出し専用メモリ）、７３は波形データを記憶するＲＡＭ（読み書きメモリ）である。
【００２１】
以上のように構成された楽音合成装置について動作説明をする。プロセッサ７１は内部演算の処理アルゴリズムを内部のメモリ等に記憶したプログラマブルなプロセッサであり、例えばＤＳＰ（Digital Signal Processer）やＣＰＵ（Central Processing Unit）である。プロセッサ７１は実施の形態１で説明した波形合成、即ち、図１に示す回路が行う処理をプログラマブルに実行するとともに、実施の形態１で説明した波形分離（実施の形態１では前処理工程であったもの）、即ち図２のアルゴリズムをプログラマブルに実行するものである。まず、音色指示データが指示されることにより、ＲＯＭ７２に記憶された、複数種類の楽音のうちの１種類（例えばピアノ音）が選択されて、プロセッサ７１に読み込まれる。そして図２に示す楽音の分離処理がなされ、分離結果である周期成分と非周期成分のそれぞれに対応する波形データが抽出され、ＲＡＭ７３に一時記憶される。その後、発音開始フラグＫＯＮの発生タイミングを起点として、ＲＡＭ７３に記憶された波形データが読み出され、実施の形態１の図１で説明した動作と同じ動作をプロセッサ７１内部で実行する。ここで、図２，３を用いて、楽音の分離処理について説明する。
【００２２】
まず、波形メモリ９１に記憶された楽音は読み出し回路２９によって読み出され、巡回型コムフィルタ２５，２６，２７によってフィルタリングされる。このフィルタリングにおける伝達特性が図３に示す特性である。巡回型コムフィルタ２５における入力ゲインａ（乗算器２１における乗算係数）と図３のレベルＡとの関係は、Ａ(dB)＝６×ＬＯＧ2｛１／（１−ａ）｝である。また帰還ゲインｂ（乗算器２１における乗算係数）と図３のレベルＢとの関係は、Ｂ(dB)＝６×ＬＯＧ2ｂである。
【００２３】
ここで、入力ゲインａと帰還ゲインｂは巡回型コムフィルタ２５，２６，２７で共通の値をとるものとし、直列接続する巡回型コムフィルタの総数をｎとすると、巡回型コムフィルタ２５，２６，２７で構成されるフィルタの伝達特性のピーク部分（共振峰）のレベル（Ａｎとする）とディップ部分のレベル（Ｂｎ）はそれぞれ、Ａｎ(dB)＝６×ｎ×ＬＯＧ2｛１／（１−ａ）｝、Ｂｎ(dB)＝６×ｎ×ＬＯＧ2ｂで表すことができる。
【００２４】
このＡｎ、Ｂｎに従う伝達特性でフィルタリングすることにより、周期成分（倍音成分）を抜き取ることができる。そして乗算器３０により、巡回型コムフィルタ２７の振幅レベルを波形メモリ９１から読み出される楽音の振幅レベルに概等しくなるように調整し、減算器２８で減算することにより、非周期成分も抜き取ることができ、結果として、周期成分と非周期成分を分離することができる。
【００２５】
なお、各巡回型コムフィルタで乗算係数ａ，ｂの値を異ならせてもよい。また、巡回型コムフィルタの総数は任意の段数であってもよい。
【００２６】
以上のように、本実施の形態によれば、プロセッサ７１が実施の形態１の図１で説明した合成処理と、図２で説明した分離処理を行うので、予め、楽音の周期成分と非周期成分のそれぞれに対応した波形データを準備するまでもなく、一般的に市販されているようなサンプルデータ（楽音をデジタルサンプリングした波形データやそれらを圧縮処理した波形データ）を用いて、実施の形態１と同様に、非線形変換による副次的ノイズを発生させることなく、聴感上好ましい音色変化（倍音構造のみの変化）を実現することができる。
【００２７】
なお、非線形変換テーブルはＲＯＭ７２内に予め記憶させるのではなく、初期設定時等に外部からＲＡＭ７３内に書き込むようにしてもよい。またＲＯＭ７２やＲＡＭ７３はプロセッサ７１の外付け回路ではなく、プロセッサ７１の内部メモリを使用してもよい。
【００２８】
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３による楽音合成方法を示すフローチャートである。このフローチャートの処理内容について説明する。なお、このフローチャートは、パソコンや大型コンピュータなどのプログラマブルプロセッッサを搭載した装置などを用いて簡単に実現できるものであり、処理の流れは実施の形態２と同様である。まず、音色の選択指示があった後、波形をリードする。ここでいう波形とは、実施の形態１，２で扱った、例えばピアノ音などをデジタルサンプリングした波形である。次に巡回型コムフィルタなどのフィルタリング処理によりこの波形を周期波形と非周期波形に分離し、記憶させる。以上が分析処理である。
【００２９】
次に合成開始指示があった後、分析処理で導出された周期波形をリードし、非線形変換がなされる。そして変換後の波形と、分析処理で導出された非周期波形とのミックスがなされ所望の合成音データの１サンプル点を求めることができる。そして、この合成処理を、分析処理で導出された周期波形あるいは非周期波形の全サンプル点について実行し、所望の合成音データの全てを導出することとなる。
【００３０】
以上のように、本実施の形態によれば、非線形変換による副次的ノイズを発生させることなく、非線形変換の変換特性に応じた音色を自由につくることができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、以下に記載されるような効果を奏する。
【００３２】
読み出し手段が、第１の記憶手段に記憶された楽音の周期成分（楽器音から少なくとも定常的な非周期成分を除いた成分）に対応する波形データと、第２の記憶手段に記憶された楽音の非周期成分（主に楽器音中の定常的な非周期成分）に対応する波形データを読み出し、非線形手段が第１の記憶手段から読み出された波形データの波形形状を変化させ、混合手段が非線形変換手段の変換出力と第２の記憶手段から読み出された波形データとの混合処理を行うようにしたので、楽音中の周期成分が非線形変換手段によって波形形状が変形（倍音構造の変化）を受けるとともに、楽音に含まれる非周期成分、即ち録音時の暗騒音や残響音といった、音の定位感などの音像のリアリティに関する有意味な成分（波形形状を変形すると無意味なノイズ成分に変化するもの）は非線形変換手段による波形形状の変形を受けず、そのままの波形が合成音データに反映されることとなり、聴感上好ましい音色変化（倍音構造のみの変化）を実現することができる。
【００３３】
また、選択手段が、第１の記憶手段に記憶された複数の楽器音に対応する複数の波形データのうち少なくとも１種類の波形データを選択し、読み出し手段が選択手段により選択された波形データを読み出し、分離手段が読み出された波形データを少なくとも定常的な非周期成分とそれ以外の成分にそれぞれ対応する少なくとも２種類の波形データ（非周期波形データと周期波形データ）に分離し第２の記憶手段に一時記憶させ、第２の読み出し手段が、周期波形データと非周期波形データを読み出し、非線形手段が第２の記憶手段から読み出されたうちの周期波形データの波形形状を変化させ、混合手段が非線形変換手段の変換出力と第２の記憶手段から読み出されたうちの非周期波形データとの混合処理を行うようにしたので、一般的に市販されているようなサンプルデータ（楽音をデジタルサンプリングした波形データやそれらを圧縮処理した波形データ）を用いて、非線形変換による副次的ノイズを発生させることなく、聴感上好ましい音色変化（倍音構造のみの変化）を実現することができる。
【００３４】
また、デジタルサンプリングされた楽音を定常的な非周期成分とそれ以外の成分にそれぞれ対応する少なくとも２種類の波形データ（非周期波形データと周期波形データ）とに分離し、それぞれの波形データを記憶させ、記憶されたそれぞれの波形データを読み出し、読み出された周期波形データに対して非線形変換処理を施し、非線形変換処理によって得られた波形データと非周期波形データとを混合し、所望の合成音を合成するようにしたので、楽音中の周期成分が非線形変換処理によって波形形状が変形（倍音構造の変化）を受けるとともに、楽音に含まれる非周期成分、即ち録音時の暗騒音や残響音といった、音の定位感などの音像のリアリティに関する有意味な成分（波形形状を変形すると無意味なノイズ成分に変化するもの）は非線形変換手段による波形形状の変形を受けず、そのままの波形が合成音データに反映されることとなり、聴感上好ましい音色を作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による楽音合成装置の構成を示すブロック図
【図２】同楽音合成装置の各波形メモリが記憶すべき周期波形，非周期波形の抽出方法を示すブロック図
【図３】同楽音合成装置の巡回型コムフィルタの伝達特性図
【図４】同楽音合成装置のピアノ音の周期成分の振幅周波数スペクトルを示す図
【図５】同楽音合成装置のピアノ音の非周期成分の振幅周波数スペクトルを示す図
【図６】同楽音合成装置が出力する合成音データの振幅周波数スペクトルを示す図
【図７】本発明の実施の形態２による楽音合成装置の構成を示すブロック図
【図８】本発明の実施の形態３による楽音合成方法を示すフローチャート
【図９】従来の楽音合成装置のブロック図
【図１０】同楽音合成装置における非線形変換テーブルの変換特性図
【図１１】同楽音合成装置のピアノ音の振幅周波数スペクトルを示す図
【図１２】同楽音合成装置の合成音データの振幅周波数スペクトルを示す図
【符号の説明】
１１，１２ 波形メモリ
１３，２４ 加算器
２１，２３，３０ 乗算器
２５，２６，２７ 巡回型コムフィルタ
２８ 減算器
９２ 読み出し回路
９３ 非線形変換テーブル
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子楽器の音源として用いられる楽音合成装置に関し、特に楽器音をデジタルサンプリングすることによって得られた波形データに対し、非線形変換を施して音色を加工する楽音合成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の装置として、メモリに記憶された楽音データを発音指示に応じて読み出し、読み出したデータに対して、テーブルに記憶された非線形変換特性を作用させ、波形形状を変形させ音色を変化させる楽音合成装置が開示されている（例えば、特開昭６１−１１０１９９号公報）。
【０００３】
以下、図面を参照しながら上述したような従来の楽音合成装置について説明する。
【０００４】
図９は従来の楽音合成装置のブロック図である。９１は予めピアノ等の楽器音をデジタルサンプリングすることによって得られた波形データを記憶する波形メモリ、９２は発音開始フラグＫＯＮの発生時以降にシステムクロックＳＣＫ（サンプリング周波数に対応する速度で発生するクロック）の発生タイミングに同期して、波形メモリ９１に記憶された波形データを読み出し出力する読み出し回路、９３は読み出された波形データの振幅値をアドレス値として、予め記憶された非線形変換特性値を読み出す非線形変換テーブルである。なお、読み出し回路９２は簡単なカウンタ回路を用いて構成できるので説明を省略する。
【０００５】
図１０は非線形変換テーブル９３の変換特性図である。横軸ｘはテーブルアドレス値、縦軸ｙは変換特性値である。
【０００６】
図１１は波形メモリ９１に記憶されたピアノ音の振幅周波数スペクトルを示す図であり、横軸に周波数、縦軸に振幅レベルを示している。また、図１２は合成音データの振幅周波数スペクトルを示す図である。
【０００７】
以上のように構成された従来の楽音合成装置について動作説明をする。まず打鍵等の発音指示に応じて、発音開始フラグＫＯＮが値１となり読み出し回路９２は、波形メモリ９１の０番地から順に、システムクロックＳＣＫの周期に同期して波形データを読み出す。この時、打鍵された鍵盤の音高位置に応じたピッチデータが読み出し回路９２に送出され、読み出し回路９２はピッチデータに応じた読み出しステップ幅で波形メモリ９１をアドレッシングするので、ピッチデータに応じた音高の波形データが発生される。この波形データは非線形変換テーブル９３にアドレス値として入力され、図１０に示す変換特性値が読み出される。ここで、非線形変換テーブル９３に１次特性（縦軸をｙ、横軸をｘとした場合、ｙ＝ｘとなる特性）が記憶されている場合、アドレス値として入力された波形データはそのままスルーで出力されることとなる。また、図１０に示すような非線形特性、即ちアドレス値（入力レベル）が大きくなるにつれて、次第に飽和する特性の場合、入力された波形データの振幅周波数スペクトルの奇数次倍音が増幅されるような変換を受けることになる。即ち、図１１に示した振幅周波数スペクトルが、図１２に示したような振幅周波数スペクトルに変換される。このように、非線形変換テーブル９３に記憶する変換特性の形状に合わせて、音色を変化させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の楽音合成装置では、波形メモリ９１には、ピアノ等の楽器音をデジタルサンプリングされたものがそのまま記憶されているため、例えば、ピアノ音を録音するときに含まれてくる、暗騒音や残響音などの非周期的な成分（周期性の非常に弱い成分も含む）まで、波形メモリ９１に含まれることになる。これらの非周期成分は、合成時にそのまま再現されると、音の定位感など、いわゆる音像のリアリティに反映する有意味な成分であるが、一旦、非線形変換テーブル等によってその形状が変形されてしまうと、聴感上意味をもたないノイズ成分になってしまう。一方、ピアノの弦振動などの倍音構造をもつ成分、即ち周期成分は、非線形テーブル９３による波形形状の変形により、もともと存在していた倍音成分の特定成分（例えば奇数次成分）が増幅／減衰されることによって新たな倍音構造をもった波形に変化するので、ノイズが発生することなく波形形状が変化することとなる。このように、従来の楽音合成装置では、非周期成分に対しても波形形状の変形がなされていた為、ノイズの多い音色になってしまうという問題点を有していた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決するために、本発明は、楽器音から少なくとも定常的な非周期成分を除いた成分に対応する波形データを記憶した第１の記憶手段と、楽器音中の定常的な非周期成分に対応する波形データを記憶した第２の記憶手段と、第１の記憶手段及び第２の記憶手段に記憶された波形データを読み出す読み出し手段と、第１の記憶手段から読みだされた周期波形の波形形状を変化させる非線形変換手段と、非線形変換手段の変換出力と第２の記憶手段から読み出された波形データとの混合処理を行う混合手段とを備え、第１の記憶手段から読み出された波形データ、即ち周期波形のみに非線形変換手段における波形形状の変形処理がなされ、周期波形の倍音構造が変化し、これに第２の記憶手段から読み出された波形データ、即ち非周期波形（例えば、ピアノなどの楽音を録音するときに一緒に録音される暗騒音や残響音などであり、音の定位感など、いわゆる音像のリアリティに関する有意味な成分）を混合し、所望の合成音を得ることとなる。従って、非周期成分の波形形状を変化させた結果得られる無意味な波形（ノイズ）を合成音に混入させることなく所望の合成音を合成することとなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、ピアノなどの楽器音の周期波形と非周期波形をそれぞれ記憶した第１の波形メモリ及び第２の波形メモリと、発音指示及びピッチデータに応じてそれらに記憶された波形データを読み出す読み出し回路と、第１の波形メモリから読み出された周期波形の波形形状の変形を行う非線形変換手段と、非線形変換手段の変換出力と第２の波形メモリから読み出された非周期波形との加算を行う加算器とを備え、打鍵等の発音指示があった時、読み出し回路がピッチデータに応じた読み出しステップで第１の波形メモリから周期波形を読み出した後、非線形変換器において波形形状の変形処理がなされ、周期波形の倍音構造が変化した周期波形が得られる。そして、加算器におけて、この周期波形と、第２の波形メモリから読み出された非周期波形（例えば、ピアノなどの楽音を録音するときに一緒に録音される暗騒音や残響音などであり、音の定位感など、いわゆる音像のリアリティに関する有意味な成分）とが加算され、所望の合成音を得ることとなる。
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、特に説明のない限り従来と同様の構成要件には同一符号を付し、説明を省略する。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における楽音合成装置の構成を示すブロック図である。図１において、１１はピアノ等の楽器音をデジタルサンプリングすることによって得られた楽音の周期成分に相当する波形データを予め記憶する波形メモリ、１２は同楽音の非周期成分に相当する波形データを予め記憶する波形メモリ、１３は非線形変換テーブル９３の変換結果と波形メモリ１２から読み出された波形データ（非周期波形）との加算を行う加算器である。その他のブロックは従来の楽音合成装置と同様である。
【００１３】
図２は、楽音を周期成分と非周期成分に分離するアルゴリズムを示すブロック図である。周期成分とは、ピアノの弦の振動などの周期性（倍音構造）を有する成分であり、一方、非周期成分とは、ハンマー音や残響成分、あるいは録音時の暗騒音といった、周期性のない、あるいは周期性の非常に弱い成分のことである。図２において、２１は波形メモリ９１から読み出された楽音波形の振幅レベルを減衰させる乗算器、２２は同楽音波形の基本周期（音高に相当）に対応する遅延時間分データを遅延させる遅延器、２３は遅延器２２の出力レベルを減衰させる乗算器、２４は乗算器２１の出力と乗算器２３の出力を加算する加算器である。２５は乗算器２１，２３、遅延器２２、加算器２４からなる巡回型コムフィルタであり、２６，２７も同様の巡回型コムフィルタである。２８は同楽音波形から乗算器３０の出力である周期成分を減算する減算器、２９は波形メモリ９１から楽音波形を読み出す読み出し回路、３０は巡回型コムフィルタ２７の出力レベルを調整する乗算器である。なお、巡回型コムフィルタ２５，２６，２７の回路構成は同一である。また巡回型コムフィルタ２６，２７の間に、同様の巡回型コムフィルタが複数段挿入されているものとする。
【００１４】
図３は巡回型コムフィルタ２５の伝達特性図である。なお、共振峰のレベルＡは乗算器２３の乗算係数ａに、またレベルＢは乗算器２１の乗算係数ｂに対応する。また、周波数ｆ0は、波形メモリ９１から読み出される楽音波形の基本周期に対応する周波数である。
【００１５】
図４は、ピアノ原音の周期成分の振幅周波数スペクトルを示すグラフであり、図５は、ピアノ原音の非周期成分の振幅周波数スペクトルを示すグラフであり、図６は、本実施の形態における楽音合成装置及び楽音合成方法によって出力される合成音データの振幅周波数スペクトルを示すグラフである。
【００１６】
以上のように構成された楽音合成装置について動作説明をする。まず、予め図２に示す方法等で、楽音を周期成分と非周期成分に分離し、それぞれに対応する波形データを波形メモリ１１，１２に記憶しておくものとする。なお、分離についての詳細説明については、実施の形態２で述べる。鍵盤の打鍵等による発音指示により発音開始フラグＫＯＮが発生し、その発生タイミングを起点として読み出し回路９２は波形メモリ１１、１２のアドレッシングを開始する。アドレス更新でのステップ幅はピッチデータに対応し、システムクロックＳＣＫ（サンプリング周期に対応するクロック）の周期に同期してアドレスの更新を行う。波形メモリ１１からは楽音の周期成分に対応する波形データが読み出される。その波形データの振幅周波数スペクトルは図４に示すようなノイズフロアー成分のない、即ち倍音のみで構成される波形データである。そして非線形変換テーブル９３において、波形形状の変形が行われ、従来の楽音合成装置のように、奇数次倍音が増幅された周期波形が得られる。一方波形メモリ１２からは楽音の非周期成分に対応する波形データが読み出される。その波形データの振幅周波数スペクトルは図５に示すようなノイズフロアー成分だけの波形データである。この波形データは加算器１３に送出され、非線形変換テーブル９３の出力との加算が行われ、図６に示す振幅周波数スペクトルの合成音データが得られる。
【００１７】
以上のように、本実施の形態によれば、図６に示す振幅周波数スペクトルの合成音データが得られ、図１１に示すピアノ音とを比較すると、ノイズフロアーの成分は変化せず、倍音構造のみが変化することとなる。即ち、ピアノなどの楽音を録音するときに一緒に録音される暗騒音や残響音といった、音の定位感などの音像のリアリティに関する有意味な成分（波形形状を変形すると無意味なノイズ成分に変化するもの）は非線形変換テーブル９３による波形形状の変形を受けず、そのままの波形が合成音データに反映されることとなり、聴感上好ましい音色変化（倍音構造のみの変化）を実現することができる。
【００１８】
なお、非線形変換テーブル９３は図１０に示す変換特性のみならず、任意の変換特性をもたせてもよい。また、ピアノのハンマー音のような過渡的な（比較的短時間の）非周期成分は、非線形変換による波形形状の変形を行っても、ノイズの発生時間が極めて短時間なので、波形メモリ１１が記憶する周期成分側に含ませるようにしてもさしつかえない。また、楽音は、いわゆる楽器音の全てをデジタルサンプリングしたものだけではなく、例えば、定常的な波形区間をルーピングしたり、あるいはサンプルを間引きしたりといった、いわゆる圧縮したものであっても構わない。また、音量の時間減衰情報は、波形メモリ１１，１２内の波形に含ませてもよいし、また、加算器１３の後段などにいわゆるエンベロープを乗算する乗算器などを介挿して実現するようにしてもよい。また、非線形変換手段は、非線形変換テーブル９３のようなテーブル参照タイプのみならず、非線形演算による非線形処理としてもよい。また、読み出し回路９２は波形メモリ１１，１２を同時にしかも同じアドレス値でアドレッシングするが、それぞれの波形メモリに独立した読み出し回路を備えるようにしてもよい。
【００１９】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図７は、本発明の実施の形態２による楽音合成装置の構成を示すブロック図である。図７において、７１は波形合成及び波形分離処理の両者を行うプロセッサ、７２は波形データおよび非線形変換テーブル値を記憶するＲＯＭ（読み出し専用メモリ）、７３は波形データを記憶するＲＡＭ（読み書きメモリ）である。
【００２１】
以上のように構成された楽音合成装置について動作説明をする。プロセッサ７１は内部演算の処理アルゴリズムを内部のメモリ等に記憶したプログラマブルなプロセッサであり、例えばＤＳＰ（Digital Signal Processer）やＣＰＵ（Central Processing Unit）である。プロセッサ７１は実施の形態１で説明した波形合成、即ち、図１に示す回路が行う処理をプログラマブルに実行するとともに、実施の形態１で説明した波形分離（実施の形態１では前処理工程であったもの）、即ち図２のアルゴリズムをプログラマブルに実行するものである。まず、音色指示データが指示されることにより、ＲＯＭ７２に記憶された、複数種類の楽音のうちの１種類（例えばピアノ音）が選択されて、プロセッサ７１に読み込まれる。そして図２に示す楽音の分離処理がなされ、分離結果である周期成分と非周期成分のそれぞれに対応する波形データが抽出され、ＲＡＭ７３に一時記憶される。その後、発音開始フラグＫＯＮの発生タイミングを起点として、ＲＡＭ７３に記憶された波形データが読み出され、実施の形態１の図１で説明した動作と同じ動作をプロセッサ７１内部で実行する。ここで、図２，３を用いて、楽音の分離処理について説明する。
【００２２】
まず、波形メモリ９１に記憶された楽音は読み出し回路２９によって読み出され、巡回型コムフィルタ２５，２６，２７によってフィルタリングされる。このフィルタリングにおける伝達特性が図３に示す特性である。巡回型コムフィルタ２５における入力ゲインａ（乗算器２１における乗算係数）と図３のレベルＡとの関係は、Ａ(dB)＝６×ＬＯＧ2｛１／（１−ａ）｝である。また帰還ゲインｂ（乗算器２１における乗算係数）と図３のレベルＢとの関係は、Ｂ(dB)＝６×ＬＯＧ2ｂである。
【００２３】
ここで、入力ゲインａと帰還ゲインｂは巡回型コムフィルタ２５，２６，２７で共通の値をとるものとし、直列接続する巡回型コムフィルタの総数をｎとすると、巡回型コムフィルタ２５，２６，２７で構成されるフィルタの伝達特性のピーク部分（共振峰）のレベル（Ａｎとする）とディップ部分のレベル（Ｂｎ）はそれぞれ、Ａｎ(dB)＝６×ｎ×ＬＯＧ2｛１／（１−ａ）｝、Ｂｎ(dB)＝６×ｎ×ＬＯＧ2ｂで表すことができる。
【００２４】
このＡｎ、Ｂｎに従う伝達特性でフィルタリングすることにより、周期成分（倍音成分）を抜き取ることができる。そして乗算器３０により、巡回型コムフィルタ２７の振幅レベルを波形メモリ９１から読み出される楽音の振幅レベルに概等しくなるように調整し、減算器２８で減算することにより、非周期成分も抜き取ることができ、結果として、周期成分と非周期成分を分離することができる。
【００２５】
なお、各巡回型コムフィルタで乗算係数ａ，ｂの値を異ならせてもよい。また、巡回型コムフィルタの総数は任意の段数であってもよい。
【００２６】
以上のように、本実施の形態によれば、プロセッサ７１が実施の形態１の図１で説明した合成処理と、図２で説明した分離処理を行うので、予め、楽音の周期成分と非周期成分のそれぞれに対応した波形データを準備するまでもなく、一般的に市販されているようなサンプルデータ（楽音をデジタルサンプリングした波形データやそれらを圧縮処理した波形データ）を用いて、実施の形態１と同様に、非線形変換による副次的ノイズを発生させることなく、聴感上好ましい音色変化（倍音構造のみの変化）を実現することができる。
【００２７】
なお、非線形変換テーブルはＲＯＭ７２内に予め記憶させるのではなく、初期設定時等に外部からＲＡＭ７３内に書き込むようにしてもよい。またＲＯＭ７２やＲＡＭ７３はプロセッサ７１の外付け回路ではなく、プロセッサ７１の内部メモリを使用してもよい。
【００２８】
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３による楽音合成方法を示すフローチャートである。このフローチャートの処理内容について説明する。なお、このフローチャートは、パソコンや大型コンピュータなどのプログラマブルプロセッッサを搭載した装置などを用いて簡単に実現できるものであり、処理の流れは実施の形態２と同様である。まず、音色の選択指示があった後、波形をリードする。ここでいう波形とは、実施の形態１，２で扱った、例えばピアノ音などをデジタルサンプリングした波形である。次に巡回型コムフィルタなどのフィルタリング処理によりこの波形を周期波形と非周期波形に分離し、記憶させる。以上が分析処理である。
【００２９】
次に合成開始指示があった後、分析処理で導出された周期波形をリードし、非線形変換がなされる。そして変換後の波形と、分析処理で導出された非周期波形とのミックスがなされ所望の合成音データの１サンプル点を求めることができる。そして、この合成処理を、分析処理で導出された周期波形あるいは非周期波形の全サンプル点について実行し、所望の合成音データの全てを導出することとなる。
【００３０】
以上のように、本実施の形態によれば、非線形変換による副次的ノイズを発生させることなく、非線形変換の変換特性に応じた音色を自由につくることができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、以下に記載されるような効果を奏する。
【００３２】
読み出し手段が、第１の記憶手段に記憶された楽音の周期成分（楽器音から少なくとも定常的な非周期成分を除いた成分）に対応する波形データと、第２の記憶手段に記憶された楽音の非周期成分（主に楽器音中の定常的な非周期成分）に対応する波形データを読み出し、非線形手段が第１の記憶手段から読み出された波形データの波形形状を変化させ、混合手段が非線形変換手段の変換出力と第２の記憶手段から読み出された波形データとの混合処理を行うようにしたので、楽音中の周期成分が非線形変換手段によって波形形状が変形（倍音構造の変化）を受けるとともに、楽音に含まれる非周期成分、即ち録音時の暗騒音や残響音といった、音の定位感などの音像のリアリティに関する有意味な成分（波形形状を変形すると無意味なノイズ成分に変化するもの）は非線形変換手段による波形形状の変形を受けず、そのままの波形が合成音データに反映されることとなり、聴感上好ましい音色変化（倍音構造のみの変化）を実現することができる。
【００３３】
また、選択手段が、第１の記憶手段に記憶された複数の楽器音に対応する複数の波形データのうち少なくとも１種類の波形データを選択し、読み出し手段が選択手段により選択された波形データを読み出し、分離手段が読み出された波形データを少なくとも定常的な非周期成分とそれ以外の成分にそれぞれ対応する少なくとも２種類の波形データ（非周期波形データと周期波形データ）に分離し第２の記憶手段に一時記憶させ、第２の読み出し手段が、周期波形データと非周期波形データを読み出し、非線形手段が第２の記憶手段から読み出されたうちの周期波形データの波形形状を変化させ、混合手段が非線形変換手段の変換出力と第２の記憶手段から読み出されたうちの非周期波形データとの混合処理を行うようにしたので、一般的に市販されているようなサンプルデータ（楽音をデジタルサンプリングした波形データやそれらを圧縮処理した波形データ）を用いて、非線形変換による副次的ノイズを発生させることなく、聴感上好ましい音色変化（倍音構造のみの変化）を実現することができる。
【００３４】
また、デジタルサンプリングされた楽音を定常的な非周期成分とそれ以外の成分にそれぞれ対応する少なくとも２種類の波形データ（非周期波形データと周期波形データ）とに分離し、それぞれの波形データを記憶させ、記憶されたそれぞれの波形データを読み出し、読み出された周期波形データに対して非線形変換処理を施し、非線形変換処理によって得られた波形データと非周期波形データとを混合し、所望の合成音を合成するようにしたので、楽音中の周期成分が非線形変換処理によって波形形状が変形（倍音構造の変化）を受けるとともに、楽音に含まれる非周期成分、即ち録音時の暗騒音や残響音といった、音の定位感などの音像のリアリティに関する有意味な成分（波形形状を変形すると無意味なノイズ成分に変化するもの）は非線形変換手段による波形形状の変形を受けず、そのままの波形が合成音データに反映されることとなり、聴感上好ましい音色を作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による楽音合成装置の構成を示すブロック図
【図２】同楽音合成装置の各波形メモリが記憶すべき周期波形，非周期波形の抽出方法を示すブロック図
【図３】同楽音合成装置の巡回型コムフィルタの伝達特性図
【図４】同楽音合成装置のピアノ音の周期成分の振幅周波数スペクトルを示す図
【図５】同楽音合成装置のピアノ音の非周期成分の振幅周波数スペクトルを示す図
【図６】同楽音合成装置が出力する合成音データの振幅周波数スペクトルを示す図
【図７】本発明の実施の形態２による楽音合成装置の構成を示すブロック図
【図８】本発明の実施の形態３による楽音合成方法を示すフローチャート
【図９】従来の楽音合成装置のブロック図
【図１０】同楽音合成装置における非線形変換テーブルの変換特性図
【図１１】同楽音合成装置のピアノ音の振幅周波数スペクトルを示す図
【図１２】同楽音合成装置の合成音データの振幅周波数スペクトルを示す図
【符号の説明】
１１，１２ 波形メモリ
１３，２４ 加算器
２１，２３，３０ 乗算器
２５，２６，２７ 巡回型コムフィルタ
２８ 減算器
９２ 読み出し回路
９３ 非線形変換テーブル
Claims (3)
- 楽器音から少なくとも定常的な非周期成分を除いた成分に対応する波形データを記憶した第１の記憶手段と、楽器音中の定常的な非周期成分に対応する波形データを記憶した第２の記憶手段と、前記第１の記憶手段及び前記第２の記憶手段に記憶された波形データを読み出す読み出し手段と、前記第１の記憶手段から読みだされた波形データの波形形状を非線形変換処理を施すことにより変化させる非線形変換手段と、前記非線形変換手段の変換出力と前記第２の記憶手段から読み出された波形データとの混合処理を行う混合手段とを備えた楽音合成装置。
- 複数の楽器音に対応する複数の波形データを記憶する第１の記憶手段と、前記複数の波形データのうち少なくとも１種類の波形データを選択する選択手段と、前記選択手段により選択された波形データを読み出す第１の読み出し手段と、読み出された波形データを少なくとも定常的な非周期成分とそれ以外の成分にそれぞれ対応する少なくとも２種類の非周期波形データと周期波形データとに分離する分離手段と、前記分離手段によって生成された少なくとも２種類の波形データを一時記憶する第２の記憶手段と、発音開始を指示する発音開始指示手段と、前記発音開始指示手段の発音開始指示に応じて前記第２の記憶手段に記憶された少なくとも２種類の波形データを読み出す第２の読み出し手段と、前記第２の記憶手段から読み出された前記周期波形データに対して非線形変換を行う非線形変換手段と、前記非線形変換手段の変換出力と前記第２の記憶手段から読み出された前記非周期波形データとの混合処理を行う混合手段とを備えた楽音合成装置。
- デジタルサンプリングされた楽音を定常的な非周期成分とそれ以外の成分にそれぞれ対応する少なくとも２種類の非周期波形データと周期波形データとに分離し、それぞれの波形データを記憶させ、記憶されたそれぞれの波形データを読み出し、読み出された前記周期波形データに対して非線形変換処理を施し、前記非線形変換処理によって得られた波形データと前記非周期波形データとを混合し、所望の合成音を合成することを特徴とする楽音合成方法。
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