Вокодер: устройство синтеза речи

Вокодер или кодировщик голоса - это устройство синтеза речи. Вокодер, который изначально был предназначен для коммуникационных нужд, нашел применение и приобрел популярность в электронной музыке, позволяя имитировать человеческий голос. Доводилось слышать роботизированный голос в музыкальных композициях? Это был именно он, вокодер. Но обо всём по порядку.

Попытки создания вокодера относятся к концу двадцатых годов прошлого века и связаны они с именем инженера корпорации Bell Labs Гомером Дадли. Задача была непростая – с помощью электронных устройств сымитировать человеческую речь, но не просто путем синтезирования конечных звуков, а именно воспроизводя процесс создания речи, благодаря речевому аппарату человека. Патент на изобретение был получен Дадли в 1937 году.

Только в 1939 году Bell Labs представила на суд общественности Нью-Йорка и Сан-Франциско устройство, предназначенное для синтеза речи и названное VODER (Voice Operating Demonstrator), которое произносило фразу «Good afternoon, radio audience!».

Новинка объединяла в себе два переключаемых осциллятора и шумогенератор, который служил источником звукового сигнала. Состоящий из десятиполосных фильтров вокальный тракт управлялся клавиатурой (чувствительной к силе нажатия). Высоту звука можно было регулировать с помощью ножной педали, а дополнительные клавиши были предназначены для генерации таких звуков и их комбинаций, как «P», «D», «J», «JAW», «CH».

Уникальное устройство VODER требовало таких же уникальных умений от пользователя, поэтому демонстраторов приходилось долго (в течение нескольких месяцев) обучать работе с ним. Стоит также отметить, что вес устройства составлял несколько тонн.

Со временем вокодер претерпел технические преобразования, уменьшив свой вес, увеличив скорость кодирования (до 2400 бит в секунду в 1961 году), приобретя новые компоненты. В 1961 году был выпущен HY-2 - последний промышленный вокодер, который использовался в защищённых системах связи.

Вокодер впервые был использован для создания музыки в 1959 году в Германии. Случилось это благодаря синтезатору SIEMENS SYNTHESIZER, способным преобразовывать звук в речь, а также одному из первых вокодеров MOOG (1968 г.), который был создан специально для работы в музыкальной сфере.

Немецкий музыкальный коллектив KRAFTWERK, который внес заметный вклад в развитие электронной музыки, собрал свой вокодер для музыкальных экспериментов и применял его в своем творчестве. Именно эти ребята популяризировали использование вокодера и донесли свои эксперименты до широкого круга слушателей, которые можно услышать, например, в их альбоме «Trans-Europe Express». Также в одноименной композиции можно четко услышать тот эффект, которого позволяет достичь вокодер, если вдруг вы не понимаете о чем идет речь.

Принцип работы вокодера

Несмотря на почти 80-летнюю историю существования, принцип работы современного вокодера почти не изменился и основан на той же схеме голосового преобразователя, что и VODER.

Вокодер использует в работе два источника звука: оператор (исходный звуковой сигнал) и модулятор (сигнал с другими гармоническими характеристиками, формирующими звук оператора). Проходя сквозь особый «банк фильтров», анализирующий сигнал модулятора и разделяющий его на частотные диапазоны, к каждой полосе звука применяется определенный фильтр, причем точка среза каждого фильтра находится точно по центру каждого диапазона в сигнале модулятора. То есть, в каждом диапазоне фильтрация сигнала происходит в центре.

Далее подаваемый на модулятор сигнал-оператор проходит через фильтры. Вокодер регулирует (повышает или понижает) точку среза каждого фильтра в зависимости от гармоник и обертонов сигнала модулятора.

Слишком сложно? Попробуем объяснить на простом примере, проведя аналогию с речевым аппаратом человека и механизмами звукоизвлечения. Голос человека формируется тоже с помощью сигналов операторов и модуляторов. Поток воздуха выходит из лёгких, а затем попадает в пространство между вибрирующими голосовыми связками – так создается исходный сигнал-оператор. Параллельно описанному процессу происходит вибрация оставшейся части голосового аппарата, она-то и производит сигнал-модулятор, характеристики которого будут отличаться от сигнала-оператора и непосредственно влиять на его звучание.

Выходя изо рта, оба сигнала накладываются друг на друга, и собеседник слышит звук, который является результатом влияния модулятора на оператор. Уникальные характеристики голоса, такие как высота, глубина, тембр, формирует именно модулятор.

По очень схожим принципам работает и вокодер: исходный сигнал подвергается изменениям со стороны дополнительного сигнала и его характеристик. Важно понимать, что для вокодера любой сигнал может быть оператором или модулятором, даже одновременно. Чаще всего в роли оператора используются синтезированные звуки, тогда как голос выступает в роли модулятора.

В качестве музыкального эффекта вокодер помогает перенести свойства одного сигнала (модулятора) на другой (носитель или оператор). Чаще всего в качестве модулятора выступает голос человека, а в качестве носителя — сигнал от музыкального инструмента. В итоге можно услышать «говорящий» или «поющий» музыкальный инструмент. Также сигналом-модулятором могут служить гитара, клавишные инструменты, барабаны и так далее. Используя различные модуляторы и операторы, можно получать очень интересные звуковые эффекты, такие как, например, говорящее фортепиано, барабаны со звуком гитары, скрипка, звучащая как ксилофон и многие другие.

Параметры вокодера

Несмотря на различных производителей и модели, вокодеры имеют схожие настраиваемые параметры, которые могут отличаться лишь названиями, это касается и аппаратных, и VST-вокодеров. Что же это за параметры?

Количество полос (Bands) – параметр, отвечающий за активность нарезки сигнала на диапазоны. Положением регулятора задается число диапазонов, на которые модулятор будет разделять сигнал. Аппаратные вокодеры имеют ограниченное число диапазонов, виртуальные – нет.

Форманта (Formant, Shift) - изменение ширины нарезанных частотных диапазонов для фильтрации: чем шире диапазон, тем ярче сигнал на выходе, чем уже – тем более глубокий и мутный. Чаще всего данный параметр используют для настройки вокодера под женские и мужские голоса, этим можно объяснить тот факт, что в некоторых моделях данный параметр называется «Gender».

Неголосовые звуки (Unvoiced) – это звуки, называемые также взрывными, которые не имеют непосредственного отношения к голосу, а появляются при прохождении потока воздуха через сомкнутые губы. К таким звукам можно отнести произношение звуков «б» и «п». Особенность этих звуков том, что, не имея высоты, они воспринимаются вокодером как шум и не только не подвергаются обработке, но и полностью игнорируются им. Чтобы избежать пропуска взрывных звуков в словах, используют вышеназванный параметр. С помощью генератора шума, который воспроизводит сигнал, звук корректируется, таким образом, неголосовые звуки остаются на месте, и речь после обработки вокодером звучит правильно.

От аппаратных к виртуальным

Аппаратные вокодеры встретить сейчас не так-то просто, их снимают с продажи, заменяя программными продуктами. Из реальных устройств можно отметить, например, аналоговый синтезатор BEHRINGER VOCODER VC340. Он позволяет подключать микрофон и обрабатывать голос разнообразными эффектами в стиле 80-х, когда вокодер активно использовали не только в музыкальной индустрии, но и в кинематографе, компьютерных играх и т.д. Синтезатор имеет оригинальные аналоговые схемы, позволяющие воссоздать классические звуки вокодера.

Более компактным устройством, ориентированным на гитаристов, является педаль эффектов BOSS VO-1, помогающая придать гитаре «человечность» в виде голоса. Играть на гитаре и одновременно петь в микрофон, а в итоге получить целый спектр электронных голосов, когда гитара поет, говорит и даже плачет, – вот на что способна эта миниатюрная педаль! Расширение тембральных возможностей гитары за счет своего голоса: различные режимы позволяют смоделировать разнообразные электронно-голосовые тембры.

С развитием компьютерных технологий всё большую популярность стали приобретать виртуальные вокодеры, которые реализованы в виде VST-плагинов, что легко объясняется большей гибкостью в настройке, а значит и более широкими возможностями. Для использования виртуальных вокодеров необходима программа-хост, в роли которой может выступать любая виртуальная студия, которая поддерживает технологию VST. Данная программа дает возможность подключать вокодер, а также выбрать несущие и модулирующие сигналы (сигналы, идущие от микрофона, инструментов, синтезатора и т.д.). К таким программам можно отнести, например, программы Cakewalk SONAR, Steinberg Cubase или Fruity Loops Studio.

Рассмотрим наиболее распространенные программные вокодеры.

Cyclonix Vocoder v 2.0

Несмотря на то, что программа далеко не новая, она позволяет достичь хороших и интересных результатов, особенно если ваша цель –получение резких звуков, напоминающих голос робота.

Достоинства:

• Небольшой размер - 0.5 Мб.

• Наличие эквалайзера

• Наличие синтезатора несущего сигнала.

• Возможность обработки непосредственно входящего звука и ранее записанных WAV-файлов.

Prosoniq Orange Vocoder

Достоинство: наличие встроенного 8-голосного синтезатора, который обеспечивает мягкий и как бы воздушный звук.

Недостаток: данный программный вокодер не позволит использовать внешний источник сигнала в роли сигнала-оператора.

AKAI D.C. Vocoder

Достоинства:

• Наличие 50-полосного графического эквалайзера.

• Наличие спектроанализатора.

• Очень хорошие алгоритмы, что вообще характерно для программ AKAI.

• Наличие встроенного 6-голосного синтезатора

• Возможность управлять синтезатором по MIDI.

• VST.

Недостаток: минимальное количество настроек.

Native Instruments Vokator

Достоинства:

• Наличие 1024-х частотных полос, фильтров, модуляции, огибающих, степ-секвенсора.

• Возможность гранулярного синтеза.

• Синхронизация LFO и огибающих с темпом.

• Наличие модулей динамической обработки, морфинга.

• Очень функциональный вокодер за небольшие деньги.

• Standalone / VST.

Можно также отметить следующие бесплатные плагины: G200kg Vocov Vocoder, EVM Synths Syncoder 32, ну, и самый функциональный бесплатный плагин JS-Synthese JS-Endorphin.

Советы начинающим

Во-первых, сигнал-оператор должен иметь богатые обертона, так влияние модулятора будет более заметно, и результирующий звук порадует вас восхитительными эффектами.

Во-вторых, поэкспериментируйте для начала с сигналами, имеющими пилообразную форму звуковой волны (saw), так как они отличаются большей насыщенностью. Также стоит попробовать компрессировать или сатурировать сигнал-оператор перед тем как направить его в вокодер, это поможет усилить эффект от прохождения сигнала через банк фильтров.

В-третьих, хотя можно поставить этот пункт и на первое место, важно правильно использовать голос в качестве модулятора. Что значит правильно? Правильно – значит максимально четко, внятно, медленно и даже «на распев» проговаривая все звуки, доведя до идеала артикуляцию и дикцию, иначе есть высокие шансы получить электронную «кашу» на выходе. Не забывайте и о таких характеристиках звука, как тембр и глубина, отодвинув на задний план его высоту.

Экспериментируйте в своем творчестве, вокодер подходит для этого как нельзя лучше!