Modelagem Física – nova era na síntese sonora

Por | 10 de setembro de 1994

Embora a tecnologia eletrônica tenha se esforçado muito para oferecer instrumentos musicais com recursos comparáveis aos dos instrumentos acústicos, ainda há uma boa distância entre eles, principalmente quando se trata de expressividade.

É bem verdade que a popularização da tecnologia e sua aceitação por profissionais não se deu à-toa, pois os instrumentos eletrônicos também têm seus pontos fortes, como a praticidade: é melhor, mais prático e mais barato, por exemplo, usar um módulo eletrônico de piano do que ter de microfonar um piano acústico, se este último não estiver afinado e a captação não for bem feita. Além disso, o instrumento eletrônico também tem a grande vantagem de poder criar sons jamais obtidos, o que o torna mais um instrumento musical, e não apenas um equipamento que serve para simular ou copiar o que já existe. Mas, em certos aspectos, a tecnologia ainda não conseguiu oferecer recursos suficientes que possam colocar os instrumentos eletrônicos em mesmo nível de comparação com seus ancestrais acústicos.

Sonoridade

Os instrumentos eletrônicos ainda são incapazes de produzir ou reproduzir os sons dos instrumentos acústicos. Essa dificuldade – ou quase impossibilidade – deve-se, basicamente, a características inerentes aos próprios processos ora usados para gerar os sons.

Os sintetizadores antigos, que usavam osciladores eletrônicos analógicos e só podiam gerar senóides, ondas triangulares, quadradas e pulsos, embora tenham trazido novos timbres para o cenário musical, jamais poderiam substituir um piano – como ele o é – ou qualquer outro instrumento acústico. Processos científicos de síntese aditiva (usando osciladores) chegaram um pouco mais perto, mas também não se viabilizaram, devido a problemas relacionados ao custo para a sua implementação e a complexidade para o controle do processo.

O grande salto foi dado pelos samplers, que podem fazer amostras digitais de sons naturais e reproduzi-los com grande fidelidade. Esses instrumentos se tornaram bastante populares, graças à redução do custo dos microprocessadores e dispositivos de armazenamento (memórias digitais). Hoje, quase todos os instrumentos musicais eletrônicos usam amostras digitais, quer sejam samplers (nos quais o músico pode criar suas próprias amostras) ou simplesmente sample-players (nos quais as amostras já vêm prontas).

No entanto, os samplers e sample-players sofrem do mesmo mal intrínseco: as amostras existentes representam o som em determinada situação, estaticamente, não preservando as nuanças e variações dinâmicas que acontecem durante a produção do som. Essa amostra estática muitas vezes é melhorada quando são usados filtros variáveis, que simulam aquelas nuanças sem, no entanto, conseguir um resultado perfeito. Além disso, em instrumentos acústicos, como o piano, por exemplo, quando se produzem duas notas há mais do que somente duas notas individuais sendo produzidas, mas sim uma interação delas através do meio físico de ressonância (cordas, tampo, etc). Nenhum desses fatores pode ser obtido com perfeição em um sampler e, embora alguns instrumentos usem mais do que uma amostra para cada nota, ainda assim a tecnologia eletrônica só consegue uma falsificação do som real.

Expressividade e controle

Um outro aspecto bastante importante em um instrumento musical é a sua capacidade de controle sobre o som. Sem isso, o instrumento torna-se um dispositivo estático, de pouca aplicação artística, onde as alterações e, muitas vezes, a sutileza com que elas são conseguidas, são o ponto mais importante para o artista.

Os instrumentos acústicos passaram por centenas de anos de desenvolvimento até chegarem ao ponto em que chegaram. E com eles evoluiu a técnica de como tocá-los e extrair o máximo em termos de nuanças.

Os sintetizadores começaram com poucos recursos, pois eram monofônicos e usavam teclados sem sensibilidade, mas já ofereciam alguns meios de controle interessantes, como pedais que podiam controlar diversos parâmetros do som, e outros dispositivos, como as rodas de pitch e modulation. Na maioria dos casos, entretanto, eram adaptações ou tentativas de adaptações de recursos que, em instrumentos acústicos, são facilmente obtidos apenas pelos dedos. Depois vieram os teclados sensitivos, a maior polifonia e o controle MIDI, mas, na realidade, até hoje é impossível a um músico obter em um instrumento eletrônico os efeitos de expressividade como os que um bom guitarrista consegue facilmente em sua guitarra, ou um violinista em seu violino.

Physical modeling

De olho nesses detalhes é que algumas pessoas – cientistas e músicos – vêm pesquisando já há algum tempo um processo em que se possam parametrizar todos os detalhes existentes na produção dos sons, para então recriá-los, com total fidelidade. Pelo que sabemos, as pesquisas nesse sentido vêm sendo feitas desde antes dos anos 70, mas até bem pouco tempo esbarravam em problemas ligados às limitações de processamento dos computadores.

Essa tecnologia é chamada de Physical Modeling (modelagem física), e consiste basicamente em se desenvolver algoritmos que descrevam todas as características sonoras e de execução de instrumentos acústicos, considerando, evidentemente, o aspecto dinâmico, isto é, o comportamento ao longo do tempo em que o som ocorre.

Graças aos crescentes aperfeiçoamentos dos computadores e, principalmente, por causa do aumento de poder e velocidade de processamento, começou a se tornar viável o desenvolvimento de algoritmos para a modelagem física de instrumentos musicais.

É sabido que qualquer evento físico pode ser descrito por uma equação matemática, mesmo se o evento se altera constantemente no tempo. A idéia parece bastante simples, mas o grande problema é realmente implementar o processamento de tais equações de forma que elas possam produzir algum resultado externo, isto é, gerar sons em tempo-real. Tomando o exemplo de uma corda vibrando, poderíamos pensar inicialmente que seu comportamento é simplesmente um movimento harmônico (oscilação) amortecido (pois vai diminuindo, até silenciar). Entretanto, durante todo o movimento da corda, diversos outros fatores influem sobre o processo, como a deformação da corda (que se estica e encolhe periodicamente), a interação dela com seus pontos de apoio e muitos outros parâmetros, que aqui não teríamos espaço para enumerar.

Para recriar matematicamente o comportamento de um instrumento musical, os cientistas e especialistas no assunto dividem o modelo em partes, sendo cada uma delas tratada separadamente por equações (que também levam em conta as interações com as demais partes) que depois são combinadas em um algoritmo final, descrevendo o comportamento do conjunto como um todo. No caso de um violino, por exemplo, são descritas em fórmulas matemáticas as características individuais do arco, das cordas, do corpo e da ponte do instrumento, a partir das quais é possível construir a situação real do instrumento sendo tocado. Se as equações e o algoritmo estiverem certos, um computador poderá simular com perfeição o comportamento daquele instrumento. Pode-se então usar algum dispositivo externo (um comando MIDI, por exemplo) para disparar o processo, e uma vez que o som está definido matematicamente, basta convertê-lo para o mundo real, transformando-o em som audível.

Pelo que foi dito até agora, podemos entender que a modelagem física seria capaz de criar a sonoridade original de um instrumento. Entretanto, em um instrumento real, o processo não se resume apenas a um disparo do som, pois há uma série de intervenções do músico sobre o instrumento, que alteram o processo original, e que precisam ser permitidas e computadas pelo algoritmo.

Muitas formas de controle já existem, e outras também vêm sendo pesquisadas e poderão estar disponíveis brevemente. Mas como a indústria musical não pode abandonar certos padrões universais, como teclados, MIDI e outros dispositivos, as implementações que têm surgido utilizam os recursos convencionais, como pedais, key velocity, aftertouch, breath control. Embora tais recursos venham sendo usados há anos, a diferença é que sua atuação nos instrumentos baseados em modelagem física se dá em parâmetros jamais acessíveis ao instrumentista. Mas o preço desse novo potencial de sonoridade e controlabilidade é o tempo e o empenho que os músicos terão que despender para desenvolver as novas técnicas para os novos instrumentos.

A Yamaha sai na frente

Na corrida tecnológica, a Yamaha tem sido reconhecida por seus investimentos nas pesquisas de novos processos. Assim foi com o legendário DX7, fruto de um esforço industrial que viabilizou a produção de um instrumento incomum para a sua época, e que, sem qualquer sombra de dúvida, tornou-se um divisor de águas para a tecnologia de instrumentos musicais.

O DX7 utilizava modulação de freqüência (FM) para produzir formas-de-onda inusitadas e de composição harmônica extremamente rica. Além disso, devido à estrutura como os operadores FM podiam ser configurados, era possível ao músico obter timbres cujas características sonoras (em particular, o timbre) fossem alteradas por meio de diversos parâmetros, dentre eles a intensidade da nota (key velocity). Isso colocou o DX7 em posição de destaque, pela gama de nuanças timbrais que podiam ser obtidas pela expressividade dos dedos do músico. Devido à dificuldade de se criar com realismo alguns timbres convencionais, como o piano acústico, por exemplo, a tecnologia FM (DX7 e seus descendentes) foi perdendo terreno para os instrumentos sample-players, mas muitos músicos ainda preservam seu velho DX, pois muitas sonoridades e nuanças de expressividade jamais puderam ser conseguidos com outros instrumentos.

yamaha_vl1Agora, a Yamaha aposta na síntese por physical modeling, e já apresentou um primeiro modelo de instrumento que utiliza esse processo. Trata-se do VL1 Virtual Acoustic Synthesizer, apresentado com grande entusiasmo no último NAMM Show, em janeiro, nos EUA, que possui um teclado de 49 teclas, com sensibilidade a key velocity e aftertouch. Dentre os parâmetros usados na programação de seus sons, há alguns convencionais, já conhecido pela maioria dos músicos, como pitch e amplitude, e mais outros totalmente novos para sintesistas, como embouchure, absortion e throat formant.

Basicamente, a estrutura do VL1 é formada por dois elementos, cada um contendo três blocos. O primeiro bloco, chamado de Instrument, é a peça-chave do processo e define o timbre ou característica fundamental do som a ser produzido. Ele utiliza conceitos encontrados nos instrumentos acústicos convencionais e é constituído por um tipo de driver (reed, mouthpiece, bow) e um tipo de resonant system (tube, air column, string), sendo possível compor qualquer combinação desses elementos. No segundo bloco, Controllers, estão os parâmetros que determinam a controlabilidade do som, como a embocadura, a pressão do sopro e a velocidade do arco. Ao todo são 14 parâmetros desses (pressure, embouchure, pitch, vibrato, tonguing, amplitude, scream, breath noise, etc), que podem ser programados para serem controlados por pedais, alavanca de modulation e breath control. O terceiro e último bloco contém os Modifiers, que atuam diretamente sobre o bloco Instrument, alterando-o. São cinco seções disponíveis: harmonic enhancer, dynamic filter, frequency equalizer, impulse expander e resonator.

Com essa estrutura, a Yamaha garante que é possível obter simulações extremamente realistas das situações observadas nos instrumentos acústicos, pois pode-se controlar com perfeição e precisão parâmetros muito mais expressivos do que o que normalmente é conseguido na maioria dos sintetizadores atuais, que só oferecem controle – com restrições – sobre amplitude, pitch e composição harmônica. Além disso, no VL1 pode-se obter interações entre duas ou mais notas executadas em seqüência, como ocorre na maioria dos instrumentos acústicos.

Entretanto, se para tocar o VL1 já é necessário um aprendizado que dê a habilidade necessária para tirar proveito dos novos recursos de expressividade e seus efeitos, programá-lo então será ainda uma tarefa restrita àqueles que estão podendo acompanhar de perto o desenvolvimento dessa nova tecnologia.

O VL1, infelizmente, ainda não pode ser considerado um instrumento popular, como foi o DX7, pois, apesar de sua extraordinária capacidade sonora, possui uma polifonia bastante restrita (2 vozes) e um preço bastante alto (US$ 5.000). Mas é uma realidade, e coloca a Yamaha mais uma vez na frente da corrida da tecnologia.

Sound Morphing: uma proposta interessante

Embora não utilize exatamente o conceito de modelagem física, o novo módulo multitimbral Morpheus, da E-mu Systems (EUA), é capaz de oferecer timbres extremamente interessantes, com graus de controlabilidade e expressividade muito grandes.

emu_morpheusA estrutura das vozes do Morpheus seg e o modelo convencional usado pela maioria dos instrumentos sample-players atuais, com um oscilador (que reproduz amostras digitais – waves), um filtro (que altera a composição harmônica – coloração – do som inicial) e um amplificador (que controla a amplitude dinâmica do timbre). A grande diferença, entretanto, está na forma que o filtro pode atuar sobre o som original, gerado pelo oscilador.

O filtro do Morpheus – chamado de z-plane filter – é na realidade um conjunto de filtros passa-faixa, cada um atuando em uma fatia do espectro, que podem ser configurados de maneiras diferentes e independentes. Além disso, esse filtro (ou conjunto de filtros) pode alterar sua configuração em tempo-real, por meio de algum parâmetro (pedal, por exemplo). Como a quantidade de configurações possíveis é imensamente grande, a E-mu criou cerca de 200 e colocou-as na memória do instrumento. Cada uma delas produz formantes, naturais ou não, que podem levar tanto a sonoridades bastante realistas quanto a timbres extremamente sintéticos e impressionantes.

Mas as qualidades do Morpheus não param por aí. O z-plane filter pode passar de uma configuração (formante) para outra, em tempo-real sob o controle do músico (por meio de um pedal, alavanca de modulação, etc), de forma que é possível fazer um som se transformar em outro gradualmente (inclusive de trás para a frente). Esse processo, chamado pela E-mu de morphing, faz com o som algo parecido com o que já se vê há algum tempo em efeitos visuais criados por computação gráfica, em que uma imagem se transforma em outra.

O Morpheus é um instrumento que pode produzir sons pouco usuais, e por isso certamente não será usado de forma tão popular, até que se descubram todas as suas possibilidades. Mas é uma proposta bastante interessante, que oferece recursos novos e impressionantes de controle e expressividade, a um preço ainda convencional.

Este artigo foi publicado na internet em 1997

Copyright ©1994 Miguel Ratton