ソフトシンセを作りながら学ぶPythonプログラミング

ソフトシンセを作りながら学ぶ
Pythonプログラミング

2012-09-15
Python Conference JP 2012

Ransui Iso
Strategic Technology R&D / X-Listing Co, Ltd.

Copyright (c) 2011 Ransui Iso, All rights reserved.

おまえ誰よ？

Ransui Iso (磯蘭水)
Work at X-Listing Co, Ltd.
http://www.xlisting.co.jp/

Pythonは1998年から使っています。E-Commerceエンジンやサーチエンジンの開
発、Zopeを用いたWebサイト開発、その他色々を経て、今はネット広告配信シス
テムについての研究開発をしています。最近はCommon Lispでシステム開発をし
ていますが、Pythonもヘビーに使っています。

http://www.facebook.com/ransui

@ransui


まずは音楽を聞いて
心の準備を致しましょう


Johann Sebastian Bach
March 21, 1685 – July 28, 1750


今日お話する内容
●
はじめに色々
●
まずは音を出してみよう
●
音とシンセサイザー
●
ToySynthの中身
●
音から音楽へ
●
音源のカスタマイズ


対象とするレベル
●
Pythonプログラミングの経験
– 午前中のセッション｢Pythonチュートリアル」
– 書籍「はじめてのPython」
– Python公式ドキュメント「Pythonチュートリアル」
全部をクリアしてなくてもOKです

●
プログラミングそのもの
– 練習問題やサンプルプログラム等をいじったことがある
– フルスクラッチで何かを作ったことはあまりない
– ライブラリとかの中身を覗きこんだりはあまりしない


その他注意点など
●
これはハンズオンのセッションです
– セッション時間内に演習時間があります
●
Pythonが実行可能なノートPC等を持っていないと、すごくつまらないです
●
近くの席に座った人同士で教えあって、たのしくプログラミングしましょう
– 必要なプログラムは配布します

●
何故か紛れ込んでいる中〜上級者(モヒカン)の方へ
– ぜひとも周りの人に色々教えてあげてください
– ウロウロ推奨。勝手開発推奨。成果物の見せびらかし＆頒布推奨

●
長時間のセッションなので…
– 休憩時間が時間割とずれることがあります。他のセッションの迷惑にならないよう
に注意してください


Break The ICE


とにかく音を出してみよう


ToySynth
●
以下のURLから入手する
– http://alpa.homeip.net/PyConJP2012/ToySynth.zip
– ダウンロードしたら適当なディレクトリ(フォルダ)に展
開する


演習
●
サンプルを実行してみる
$ python Example01.py
$ python Example01.py

– Example01.py と同じディレクトリに output.wav
というファイルが出来上がっているはず
– 適当なメディアプレーヤーで再生する
– 音は出ましたか？


音とシンセサイザー


音ってなんだ？
●
空気の密度の時間変化
– 粗密波として視覚化するのは面倒なのでグラフを使う


音の3要素
●
音量
– 波の高さ
●
音高
周期
– 波の周波数
●
音色音量

– 波の形

この3つの要素をコントロールできればOK


音を出す装置
●
信号を空気の粗密波に変換する

Analog Amplifier Speaker
Source 微小電圧信号電流信号

微小電圧信号

Digital DAC
Source エンコードされた
数値信号


デジタル化された音
●
サンプリング周波数
– 1秒あたりの分割数
●
量子化
– 振幅方向の分割数

CD音質の場合
– サンプリング周波数 44100Hz
– 量子化ビット数 16bit (65536段階)


PCの場合
●
プログラムから信号を送り込むことができる
1：送り込むデータの形式を設定
Application 2：音声信号を数値データとして送り込む

OS Device
Sound API Driver

データは数値列なのでプログラムで
好き放題作成可能
Output
→ ソフトシンセ！ DAC Amplifier
Terminal


ToySynthの中身


Components.py
●
このファイルに部品が詰まっている
– Oscillator (発振器)
– Amplifier (増幅と減衰)
– Clock (時計)
– Renderer (全体のコントロール)
– Sink (音声データの出力先)
– その他色々


Example01.pyの中身
●
部品の雛形を取り込む
●
部品を生成して接続する
●
音データを作成してファイルに出力する


部品の雛形を取り込む
●
モジュールからクラスをインポートする
from Components import Config
from Components import Config
from Components import SineWaveOscillator
from Components import SineWaveOscillator
from Components import Amplifeir
from Components import Amplifeir
from Components import Clock
from Components import Clock
from Components import Renderer
from Components import Renderer
from Components import WaveFileSink
from Components import WaveFileSink

WaveFile
Sin Amplifier Clock Renderer
Sink

クラスは部品そのものではないので注意


部品の生成と接続
●
クラスからインスタンスを作成する
osc = SineWaveOscillator(frequency=440.0)
osc = SineWaveOscillator(frequency=440.0)
amp = Amplifeir(source=osc, gain=Config.MaxGain, attenuate=1.0)
amp = Amplifeir(source=osc, gain=Config.MaxGain, attenuate=1.0)

プログラムの意味

Sin Amplifier サイン波を生成する発振器を1個生成してoscという
変数から参照できるようにした。作成した発振器の
初期周波数は440Hz

増幅器を1個生成してampという変数から参照できる
amp ようにした。アンプの入力はoscで参照できる発振器
osc Gain: Max
F: 440.0 増幅は最大で、減衰なし。
Att: 1.0

インスタンスが実体を持った機能する部品

Example01.pyでの部品の構成
●
最終的に以下のような構成になっている

amp WaveFile
osc Gain: Max Renderer Sink
F: 440.0 Att: 1.0 Out: output.wav

Clock
End: 44100

インスタンスが実体を持った機能する部品


発振器とアンプ
●
アンプが数値を増幅する

amp
osc Gain: Max Renderer
F: 440.0 Att: 1.0
-1〜1の範囲の input × Gain × Att
実数でデータ
を生成
ここでは16bit量子化の最大限まで増幅
Att は 1.0 なので、減衰は無し

これから先データを重ねあわせたりするときに
正規化されていると何かと便利なのでこうなっている


レンダラと時計
●
音を表現する数値データ生成の中心
get_value(tick)

amp WaveFile
osc Gain: Max Renderer Sink
F: 440.0 Att: 1.0 Out: output.wav

get_value(tick)
Clock
End: 44100

get_value というメソッド(関数)の連鎖がミソ

演習
●
音量・音高
– 音量・音高を変えるにはどこを調整すればいいか。また
調整によってどのように出力が変化するか
●
音色
– Componentsモジュールには
SquareWaveOscillator, SawWaveOscillator,
NoiseGeneratorという正弦波以外の波形を生成する発
振器が含まれている。これを使って音を出してみよ。聴
覚上どのような違いがあるか。


音から音楽へ


楽譜
●
音楽専用プログラミング言語そのもの


Music Macro Language
●
楽譜をコードに置き換える

t120o4l4cdefedcrefgagfe4
t120o4l4cdefedcrefgagfe4
crcrcrcrl8ccddeeffl4edcr
crcrcrcrl8ccddeeffl4edcr

MMLのコマンド
●
発声に関するもの
– 音符：c, d, e, f, g, a, b, r
– 半音：+ で ♯, - で ♭ を表現する (a- → aフラット)
– 音長：音符の後に数値をつける
●
1, 2, 4, 8, 16, 32
●
Lコマンドでデフォルト値を設定できる
●
. で付点を表現できる（a4. → 付点付き4分音符)
– オクターブ
●
Oコマンドで指定する (o4a が 440Hzのラの音)
●
> コマンドで1オクターブUP, < コマンドで1オクターブDown


MMLのコマンド
●
コントロールに関するもの
– Tコマンドテンポの指定
– Vコマンド音量の指定(0〜15までの16段階)
●
使用上の注意
– コマンドは大文字・小文字を区別しない
– MML中にスペースは入れられない
– 字句解析は結構いい加減。落とし穴があるかも。
– タイ、スラー、繰り返し指定、トレモロ、調指定等の高度な
機能は未サポート。基本機能しか無い。
– ということは自分好みに拡張し放題！

演習
●
サンプルプログラムを実行する
– プログラムは Example02.py
– 出力は output.wav
– 聞こえましたか？


Example02の中身
●
音を出す部品の構成
指定されたタイミングで
frequency 属性をセット

WaveFile
osc Sequencer Renderer
Sink

MML
Clock
Compiler 周波数を変更する
タイミングデータ


MMLCompiler
●
MMLをタイミング情報に変換する
– (減衰量, 周波数, 時刻) というタプルのリスト
●
減衰量：Vコマンドによるボリューム指定で決定。0〜1の実数
●
周波数：音符コマンドによる音程によって決定
●
時刻　：指定周波数をどの時点まで発生させるかを指定
音符コマンドの音長によって決定

●
使うときの注意
– MMLコンパイラは処理中に内部情報としてMMLを何処まで読んだか、
現在のオクターブ情報、デフォルトの音長等の情報をコンパイラ内部に
記録しながら動いている。
– 複数のトラックのMMLをコンパイルするときに1個のコンパイラを使い
まわすと旨く動かない。別々にインスタンスを用意して処理するべし。

Sequencerの役割
●
タイミング情報を使って周波数を変化させる
– Rendererからの呼び出しの時に受け取る時刻情報を参照しながら、タイミング
情報をチェックしてターゲットの発振器の周波数を変化させる
– 普通は部品の鎖の先端にある発振器の周波数を変化させ、データは鎖の末尾に
あるものから取り出す。
– ボリューム操作を実現するためにSequencerにはAmplifierが内蔵されている。
通常はSequencerはRendererの直前に接続すれば良い。

Modulator
osc Sequencer Renderer
Etc...

上の図のような関係にならないように注意しないといけない

演習1
●
以下の楽譜を入力して演奏しなさい

音を区切るには明示的に休符をつかわないといけない
自然な感じに聞こえるように工夫してみる

演習2
●
かえるの歌を輪唱させなさい
– Sequencerには複数のトラックを指定できる
●
add_track を使う
●
Sequencerには Mixer が内蔵されているので全トラックの出力が自動的に合成さ
れて出力される
– トラック毎に発振器は別のものを用意する必要がある
– トラックごとにコンパイラも別のものを用意する
●
デフォルトの音長や現在のオクターブなどを記憶しているため
– コンパイルしたタイミング情報はそれぞれ適切なトラックに投入する
– 第2トラックは1小節分遅れてスタートすればOK
●
第1小節は全休符にすればいい
●
第1トラックが先に演奏が終わるけれど……


音源のカスタマイズ


ビブラートっぽい音
●
周波数を周期的に変化させればOK

base_osc = SineWaveOscillator()
base_osc = SineWaveOscillator()
diff_osc = SineWaveOscillator()
diff_osc = SineWaveOscillator()
Frequency diff_osc.frequency=10.0
diff_osc.frequency=10.0
osc Modulator
viv_amp = Amplifeir(
viv_amp = Amplifeir(
    source=diff_osc,
    source=diff_osc,
    gain=2.0,
    gain=2.0,
    Attenuate=1.0)
    Attenuate=1.0)
viv_osc = FrequencyModulator(
viv_osc = FrequencyModulator(
    source=base_osc,
    source=base_osc,
    diff=viv_amp)
    diff=viv_amp)
osc amp
frequency : ビブラートの周期
Ampのgain : ビブラート深さ


DeTune
●
微妙に周波数をずらした音を重ねる
2つの異なる発振器に対して周波数を同時に
frequency
設定できないといけないので、ビブラート
とはちょっと事情が違う。
Track0 Example03.py に実装例がある。
osc
Property という仕組みを使って、属性にア
クセスされた時に get_frequency,
Mixer set_frequencyが自動的に呼ばれるようにで
きる。

osc
Track1

frequency + depth


演習
●
Stereo Chorus を作って使ってみる
frequency

Gate Track0
osc (True, False)

Mixer

osc Inverter Gate
(False, True)
Track1

frequency + depth


演習
●
少し長めの1曲を完成させてみましょう
●
その他の効果音的な部品を作れますか？
– エンベロープ(音量変化)を付ける
– ノイズを使ったパーカッションパートのための音源
– ディレイ・リバーブ
– その他……


Thank you for attending
Happy Hacking with Python!


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