Jahresarchiv Mai 7, 2024

VonLukas Körfer

Wellenfeldsynthese mit OM-SoX

Abstract: Dieses Abschlussprojekt entstand zum Ende des Wintersemesters 2023/24 im Rahmen der Lehrveranstaltung „Symbolische Klangverarbeitung und Analyse/Synthese“ des MA Musikinformatik. Hierbei wurde in dem Programm OpenMusic mithilfe der Library OM-SoX und des Verfahrens der Wellenfeldsynthese eine Anwendung zur Klangverräumlichung erarbeitet. 

Verantwortliche: Lukas Körfer

Wellenfeldsynthese

Bei der Wellenfeldsynthese (kurz: WFS) handelt es sich um das Verräumlichen von virtuellen Klangquellen mithilfe eines Loudspeaker-Arrays. Bei dieser fortschrittlichen Audiotechnologie wird also versucht, Klänge so zu reproduzieren, dass sie den Eindruck erwecken, dass sie von einer bestimmten Position im Raum kommen. Das gelingt durch die Erzeugung eines Wellenfeldes, welches aus einer Vielzahl von einzelnen Schallquellen besteht, die in einer Art synchronisiert werden, so dass eine kohärente Schallwelle entsteht, mit welcher es möglich sein soll, eine virtuelle Klangquelle im Raum lokalisieren zu können. 

 

Zum besseren Verständnis der Funktionsweise von WFS kann man sich dem Thema über das physikalische Phänomen von Interferenzmusterbildung hinter einem Hindernis mit Öffnungen nähern. Wenn eine Welle auf einen oder mehrere Schlitze trifft, wird sie durch die Öffnungen hindurchgebeugt und breitet sich hinter dem Hindernis aus. Dies führt zur Bildung eines Musters von Welleninterferenz auf der anderen Seite des Hindernisses. In ähnlicher Weise nutzt die Wellenfeldsynthese ein Array von Lautsprechern, um eine kohärente Schallwelle zu erzeugen. Dafür muss eine präzise Berechnung und Steuerung der Phasen- und Amplitudenverhältnisse der Schallwellen, die von jedem einzelnen Lautsprecher ausgehen, vorgenommen werden. Diese Berechnungen sind abhängig von den Abständen jedes einzelnen Lautsprechers im Array relativ zur Position im Raum der jeweiligen virtuellen Klangquelle. 

Projektbeschreibung

Für dieses Projekt sollte nun ein Programm entstehen, mit dem allgemeinen Ziel, durch gewissen Einfluss und Anpassungen eines Anwenders letztendlich eine Mehrkanal-Audiodatei zu erhalten, die zur Wellenfeldsynthese mit einem Loudspeaker-Array verwendet werden kann. Dafür musste zunächst konzipiert werden, welche Parameter vom Anwender des Programms gesetzt und beeinflusst werden sollen.

User-Input

 

Neben der Audiofile, welche zur Verräumlichung verwendet werden sollte, muss durch den Anwender einerseits gewisse Angaben zum Loudspeaker-Array und andererseits die Position oder Positionen einer oder mehrerer virtueller Klangquellen relativ zum Loudspeaker-Array angegeben werden. Um eine möglichst einfache und intuitive Konfiguration des Programms zu ermöglichen, habe ich mich dazu entschieden, dafür hauptsächlich ein Picture-Objekt zu verwenden, in welchem der Aufbau aufgezeichnet werden kann. Durch das Zeichnen eines Rechtecks können die Positionen der Loudspeaker und mit Kreisen die der virtuellen Klangquellen angegeben werden. Es kann dabei ein oder mehrere Kreise gezeichnet werden, wobei jeder Kreis eine Klangquelle repräsentiert. Die Angabe der Loudspeaker ist durch zwei unterschiedliche Weisen möglich. Wenn nur ein einziges Rechteck im Picture-Objekt gezeichnet ist, so stellt dieses den Bereich eines Loudspeaker-Arrays dar. Um im nächsten Schritt des Programms die konkreten Positionen der einzelnen Loudspeaker ermitteln zu können, sind ihr zusätzlich noch zwei weitere Angaben nötig. Das ist zum einen die Länge des Loudspeaker-Arrays in Metern; damit wird gleichzeitig der Maßstab für den kompletten gezeichneten Aufbau beeinflusst. Und zum anderen muss die Anzahl der Loudspeaker im gezeichneten Bereich angegeben werden. Sobald mehr als ein Rechteck vom Anwender angegeben sind, steht jedes einzelne Rechteck für einen individuellen Loudspeaker. Um bei dieser Variante einen Maßstab für den gezeichneten Aufbau festlegen zu können – was vorher mit der Angabe der Länge des Loudspeaker-Arrays möglich war – kann nun die Breite / Höhe vom Bereich des kompletten Picture-Objekts angegeben werden. Mit der ersten Variante, dass das Loudspeaker-Array lediglich mit einem Rechteck gezeichnet werden kann, wird zwar die Anwendung deutlich unkomplizierter, setzt allerdings auch voraus, dass die Loudspeaker linear und mit einem gleichmäßigen Abstand zueinander aufgebaut sind.

Distanzen berechnen

 

Nach dem Auslesen aller Grafiken des Picture-Objekts müssen diese für die Weiterverarbeitung in Rechteck und Kreise aufgeteilt werden. Falls nur ein Rechteck gefunden wird, kann mit der Position und Dimension des Rechtecks und der beiden Angaben zu Länge und Anzahl des Loudspeaker-Arrays, zunächst die Position jedes einzelnen Loudspeakers innerhalb des Arrays in Metern ermittelt werden. Wenn es mehrere Rechtecke sind, ist dieser Schritt nicht nötig und es werden einfach die Mittelpunkte aller angegebenen Rechtecke ermittelt. Daraufhin ist es möglich im selben Maßstab mit einer weiteren Lisp-Funktion den euklidischen Abstand von allen Quellen zu jedem einzelnen Loudspeaker zu berechnen. Hierbei ist zu beachten, dass alle Grafiken, die in dem Picture-Objekt vom Anwender gezeichnet wurden und nicht einem Rechteck oder einem Kreis entsprechen ignoriert und für die weiteren Berechnungen nicht berücksichtigt werden. Da für die Applikation beliebig viele virtuelle Klangquellen angegeben werden können, werden in diesem Schritt auch alle Kreise erfasst, die im Picture-Objekt existieren, wobei die Reihenfolge irrelevant ist.

Klangverarbeitung

 

Im nächsten Abschnitt des Programms wird die Klangverarbeitung umgesetzt. Dabei wird grundlegend mit der vom Anwender angegebenen Sound-Datei zusammen mit den zuvor berechneten Distanzen eine Mehrkanaldatei erzeugt, welche für das vorgesehene Loudspeaker-Array verwendet werden kann. Dieser Prozess passiert in einem verschachtelten OM-Loop mit zwei Ebenen.

 

In der ersten Ebene wird zunächst über jedes Element innerhalb der Distanz-Liste iteriert. Dabei entspricht jedes dieser Elemente einer Liste, die zu einer virtuellen Klangquelle gehört, welche deren Distanzen zu jedem Loudspeaker beinhaltet. Bevor der Prozess in die zweite Ebene des Loops geht, werden in einer Lisp-Funktion weitere Berechnungen anhand der aktuellen Distanz-Liste angestellt.

In dieser Funktion wird über jede Distanz iteriert und jeweils die Zeitverzögerung, Lautstärkeabnahme und eine Cutoff-Frequenz für einen Lowpass Filter zur Berechnung der Luftabsorption hoher Frequenzen ermittelt und in einer Liste gesammelt. Mit dem Ergebnis dieser Lisp-Funktion geht es im nächsten Schritt in die zweite Ebene der Schleife.

 

Hier wird für den jeweiligen berechneten Wert den jeweiligen SoX-Effect angewendet; SoX-Level für Lautstärkeabnahme, SoX-Lowpass für die Luftabsorption und SoX-Pad für die Zeitverzögerung. Dabei wird für jede Iteration die entstandene Audiodatei abgespeichert. Jede der drei Listen besitzt so viele Werte, wie zuvor berechnete Distanzen der aktuellen Klangquelle zu den Speakern. Also steht jede in diesem Loop gespeicherte Audiodatei für einen Kanal der späteren Mehrkanaldatei für die aktuellen Klangquelle.

Die Mehrkanaldatei kann nun im nächsten Schritt in der ersten Ebene mit SoX-Merge erstellt und am Ende des Loops zwischengespeichert werden. Dieser Prozess wiederholt sich für alle restlichen virtuellen Klangquellen (sofern vorhanden) und werden als Ausgabe dieses oberen Loops gesammelt. Alle Mehrkanaldateien der jeweiligen Klangquellen werden daraufhin mit einem SoX-Mix zusammengeführt.

Wenn vom Anwender nur eine virtuelle Klangquelle angegeben wird, besteht die Ausgabe des äußersten Loops nur aus einer einzelnen Mehrkanaldatei für diese eine Quelle. In diesem Fall wird das SoX-Mix nicht benötigt und es würde sogar bei der Evaluation des Programms zu einem Fehler führen, wenn der Input des SoX-Mix nur aus einer Audiodatei bestünde. Mit dem OM-If wird daher die Verwendung des SoX-Mix umgangen, sobald die Ausgabe des Patchers, in welchem die Distanzen ermittelt werden, nur aus einer Liste besteht, was bedeutet, dass im Picture-Objekt nur ein Kreis für eine virtuelle Klangquelle gezeichnet wurde.

Abschließend kann mit dem SoX-Pad je nach Präferenz zusätzlich der Mehrkanaldatei Stille hinzugefügt werden, falls die gewählte Audiodatei beispielsweise besonders kurz ist. Gleichzeitig wird die finale Mehrkanaldatei in Outfile als „wfsOutFile.wav“ gespeichert.

VonMarlon Schumacher

S3D Audio Production Competition 2024

The Institute of Electronic Music and Acoustics (IEM) calls for students‘ works to be submitted to Europe’s Eighth 3D Audio Production Competition that is going to be hosted at IEM in Graz, with vdtORF musikprotokoll, and Sounding Future as partners.

The event is going to be hosted at IEM in Graz, with vdtORF musikprotokoll, and Sounding Future as partners. The call is issued for the three production/composition categories:

  1. Contemporary / Computer music
  2. Audio drama / Documentary / Soundscapes
  3. Music recording / Studio production.

I am glad to be serving again as artistic jury member.

Please consider contributing!


More detailed information can be found in the pdf below as well as under this link to the official call by the Austrian National Broadcast Organization ORF.

2024_student3daudioproductioncompetition_extended

 

 

VonFlorian Simon

Interspaces – Akusmatische Studie mit OM-SoX

Interspaces („Zwischenräume“) stellt Klänge der menschlichen Zivilisation solchen aus der Natur gegenüber. Es werden vier Paare aus Feldaufnahmen vorgestellt, die nach dem Prinzip eines Vocoders gemäß des Spektrums eines Ausschnittes des Gegenstücks gefiltert werden.

Verantwortliche: Florian Simon

Interspaces zeigt folgende vier Paare (Format: Gesamtaufnahme – Quelle des Spektrums):

  1. Zwitschernde Küstenseeschwalben – Von Menschen gerufener Vokal „E“
    Lebendiger Markt, sprechende und rufende Menschen – Ruf der Küstenseeschwalbe

  2. Plätschern eines Flusses – Beschleunigendes Auto
    Hauptverkehrsstraße – Rauschen eines Flusses

  3. Waldkulisse, Blätterrauschen und Vögel – Zughorn
    Bahnhofshalle – Zwitschern eines Singvogels

  4. Gewitter – Klirren von Besteck
    Betrieb in einer Restaurantküche – Donner

Die Feldaufnahmen stammen dabei aus der Bibliothek FreeToUseSounds.

Interspaces nutzt eine gleichseitig oktogonale Lautsprecheranordnung, wobei die beiden Kanäle des Ausgangsmaterials jeweils an gegenüberliegenden Punkten im Array platziert werden. Die zwei Aufnahmen eines Paares sind zudem standardmäßig um 90 Grad zueinander versetzt, sodass vier Klangquellen wahrgenommen werden können.

Jede Aufnahme wird in mehrere Abschnitte von in einem bestimmten Rahmen zufälliger Größe unterteilt und in wiederum randomisierter Reihenfolge mit kurzen Crossfades wieder konkateniert. Die Anzahl der Abschnitte wird mit jedem Aufnahmepaar größer: 4, 9, 16 und zuletzt 23. Mit jedem neuen Abschnitt „wandern“ die beiden Klangquellen zudem im Array um 0,25 Kanäle in eine bestimmte Richtung. Da zwar die Anzahl der Abschnitte für beide Aufnahmen eines Paares dieselbe ist, nicht aber die Position der Schnitte, entstehen Abweichungen von der Basis eines 90-Grad-Abstands sowie eine größere klangliche Vielfalt. Interspaces ist als Installation konzipiert, um eine freie Erkundung der Stereofelder zu ermöglichen.

Interspaces entstand in OpenMusic mithilfe von Funktionen aus der Bibliothek OM-SoX. Das zugrunde liegende Programm besteht aus zwei Teilen. Der erste dient der Herstellung der manipulierten Aufnahmen durch Spektralanalyse (sox-dft), Zerlegung des Ausgangsmaterials in bis zu 4096 Frequenzbänder (sox-sinc), Anpassung deren Lautstärkepegel gemäß des generierten Spektrums (sox-level) und erneutes Zusammensetzen (sox-mix).

Der zweite Programmteil nutzt den Synthesepatch einer Maquette, um für jede der acht generierten Audiodateien die Unterteilung in Abschnitte (sox-trim) sowie deren Spatialisierung (sox-remix) und letztendliche Aneinanderreihung (sox-splice) zu regeln und schlussendlich die fertigen Blöcke zeitlich zu organisieren (sox-pad und sox-mix). Beim letzten Schritt muss die durch die Crossfades eingesparte Zeit berücksichtigt und vom Onset-Wert/x-Position in der Maquette abgezogen werden.

Audio (binaural auf Stereo gemischt):

Alex Player - Best audio player
 

Leider bringt diese Vocoder-Methode den Nachteil mit sich, dass die einzelnen Frequenzbänder zunächst sehr leise sind und deshalb durch das Applizieren des Gains und die finale Normalisierung Artefakte in Form von Rauschen entstehen. Im Gegenzug kommt es zu Clipping, wenn bestimmte Frequenzen gerade in beiden Quellaufnahmen stark vertreten sind. Senkt man die Gain-Werte entsprechend um dies zu vermeiden sind leisere Abschnitte im Resultat je nach Größe der Dynamikdifferenz womöglich kaum mehr hörbar. Das Rauschen lässt sich durch die Wahl höherer Gain-Werte leicht beseitigen, verstärkt damit aber das Clipping-Problem. Bei obiger Version von Interspaces wurde für alle acht Audioclips jeweils der beste Kompromiss zwischen beiden Effekten gesucht.


 

VonAlexander Vozian

Co-Creative Melody Generator: Visual Live-Coding with OM and Supercollider

Abstract: Der Co-Creative Melody Generator ist ein System für zeitgleiches Live-Coding mit SuperCollider und OpenMusic. Während in OpenMusic die Musik auf Notenebene gestaltet wird, ist SuperCollider für die Klangerzeugung zuständig. Die Kommunikation läuft durch Austausch von Nachrichten im Open-Sound-Control Protokoll per Abfrage durch User oder automatisiert.

Verantwortliche: Alexander Vozian

Überblick:

Die Zielsetzung für das Projekt war Integration von OpenMusic (OM) in einen Live Coding Workflow. Meine erste Idee dazu war es, SuperCollider (SC) für die Klangerzeugung zu verwenden und das Setzen der Noten auf OM auszulagern. Das heißt, man kann in SC live coden und OM als Hilfstool benutzen. In der Erarbeitung wurde aber klar, dass der OM-Patch während der Soundausgabe parallel verändert werden kann. Solange das Klang erzeugende Element nicht unterbrochen wird, kann Live Coding auch in OM stattfinden. Beispielsweise ist es möglich, die Auswahl an “Instrumenten”, in dem Fall SC Synths, vorzubereiten und diese komplett in OM zu steuern. Ein anderer kooperativerer Ansatz wäre, die zwei Programme, SC und OM, auf zwei Live Codende aufzuteilen. Zum Beispiel könnte eine Person in SC die Klanggestaltung übernehmen, während eine andere in OM diese Klänge in Zeit setzt. 

OM kümmert sich um die Generierung der Noten und SC um die Klangsynthese. Diese kommunizieren über das Open Sound Control  (OSC) Protokoll. Der User (Live Codende) schickt in SC eine Anfrage per OSC-Message an den OM-Patch. Die Message enthält Parameter für die Generierung einer Melodie, in dem Fall für eine Markov Analyse und Synthese. Die Message besteht aus:

  • der maximalen Anzahl von Noten,
  • die maximale Länge eines Loops in ms,
  • die Unter- und Obergrenze des zu analysierenden Ausgangsmaterials in ms
  • Auswahl des Ausgangsmaterials.

Das Ausgangsmaterial sind etwa 1 min lange Midi Dateien.

Quellen der Midi Dateien: bitmidi.com

Nach der Synthese schickt OM automatisch eine Message mit der Anzahl der generierten Noten, der Länge der Melodie in ms, einer Liste von Frequenzen und einer Liste von Onsets. Diese werden genutzt, um die Synths in SC zu steuern.

Bei jeder Evaluierung wird Notenmaterial analysiert und eine Liste von Frequenzen und Onsets synthetisiert und dann ausgegeben.

Für die Generierung der Noten werden etwa 1 min lange Midi-Dateien verwendet. Die Pitches und die Durations der Noten werden unabhängig voneinander mit Markov Funktionen erster Ordnung der OM-Alea Bibliothek analysiert, synthetisiert und per osc-send abgeschickt. Dadurch entstehen Tonfolgen, die in den Originaldateien nicht vorkommen. (Im Patch wird sichergestellt, dass die Liste der Pitches und die der Durations gleich lang ist.) Die Eingabeargumente sind bereits oben beschrieben.

Eine OSC-Message von OM zu SC besteht aus folgenden Daten:

  • OSC Key als Identifikator,
  • Gesamtzahl der Noten,
  • Länge der Melodie in Millisekunden,
  • Liste der Frequenzen,
  • Liste der Onsets.

Die Gesamtzahl der Noten wird in dem Fall nur für die Navigation durch die unformatierte OSC Message. Die Länge der Melodie wird benötigt, um den Zeitpunkt zu bestimmen, zu welchem die nächste Melodie angefragt wird. Die Liste der Frequenzen und die der Onsets wird erst in SC zusammengesetzt.

Die osc-send Funktion ist dabei in dem Patch markov_firstorder_osc_send. Um den Patch automatisch auszuführen, wenn eine OSC-Message ankommt, sind alle Teile des übergeordneten Patches auf reactive mode gestellt. Die list Funktion kann erst evaluiert werden, wenn alle Formen ein Ergebnis liefern, das heißt, wenn die Markov-Synthese abgeschlossen und osc-send ausgeführt wurde.

Das Ergebnis ist eine Art Server, der beim Eingang einer Anfrage aus SC automatisch eine Melodie zurückschickt.

In SC wird eine neue Instanz von OSCdef erzeugt, die die erhaltenen Parameter in globale Variablen speichert. Ein Synth(\t1) wird definiert, der von Patterns gespielt werden kann. Die Pfuncn Funktion interpretiert die globalen Variablen ~freq und ~dur als Funktionen und fragt diese damit ständig neu ab. Die Pseq Funktion setzt diese in eine Sequenz um, die von Pbind in als Pattern umgesetzt wird. Somit bildet der erste Parameter von ~freq mit dem ersten Parameter von ~dur die erste Note der Melodie. Die Pdef Funktion erstellt eine Instanz, die während der Laufzeit verändert werden kann. Damit wird auch sicher gestellt, dass ein laufender Loop erst nach Ende einer Melodie eine neue spielt.

Um eine neue Melodie, einen neuen Loop, anzufragen, reicht es, eine OSC-Message mit den entsprechenden Parametern zu schicken. Um diesen Prozess zu automatisieren, benötigt man ein die Funktion Tdef. 

Genauso wie das Ausführen eines Codeblocks in SC direkt Einfluss auf den Klang nehmen kann und somit richtig eingebettet werden muss, muss die Evaluierung eines Patches zur richtigen Zeit erfolgen. Im Falle des MWE wäre nicht der Klang unterbrochen, sondern das Metrum. 

Tdef(\om) berechnet zuerst die Zeitdauer, mit der das Senden der OSC-Message verzögert wird. Die Wartezeit ist abhängig von der Gesamtlänge des Loops und der Anzahl der Loops, welche man innerhalb des Tdef setzen kann. Dabei wird sichergestellt, dass der vorhandene Loop immer zu Ende gespielt wird, bevor die Parameter für einen neue Melodie ankommen.

Der Code zu OM und SC findet sich über diesen Link.

Abschließend noch folgendes Klangbeispiel zum Projekt:

Es wird ausschließlich die maximale Länge eines Loops und die Tonanzahl verändert. Das Ausgangsmaterial wird an zwei Stellen ausgewechselt. Es fängt an mit „Mario“, wechselt bei etwa 1:39 zu „Pokemon“ und bei 2:24 zu „Tetris“. Im Beispiel wird bewusst nichts am Klang des Instruments verändert (einfache Saw-Wave), um einen Fokus auf die Wechsel des Notenmaterials zu setzen.

Mario – Main Theme Overworld:


Pokemon – Battle (vs Wild Pokémon):


Tetris Theme:


Ergebnis:

Quellen der Midi Dateien: bitmidi.com