2017年3月1日 星期三

揭開Roland數位鋼琴音色的奧秘 -- SuperNATURAL Piano音色技術

SuperNATURAL音色,是Roland當前最頂尖的電子樂器發聲引擎,推出後迅速獲得全球音樂人的高度好評。


而以SuperNATURAL技術為基底,所開發出的鋼琴音源技術,就稱為SuperNATURAL Piano。


為了讓您更了解SuperNATURAL Piano技術對數位鋼琴音色帶來的重要突破,以下我們會先說明電子樂器界關於模擬真實樂器的技術與瓶頸。


數位鋼琴的音色來源:「取樣(sample)」


現今電子樂器模擬真實樂器的音色,都是來自於「取樣」。

取樣:錄下真實樂器的聲音,
做為電子樂器的音色。

以數位鋼琴而言,研發人員先把真實鋼琴錄音起來,也就是製作出鋼琴音色的「取樣(sample)」。這些「取樣」儲存在數位鋼琴的記憶體中,彈奏時就觸發出這些「取樣」的聲音。
把真實鋼琴的聲音取樣下來,存到記憶體中。彈奏時觸發記憶體中的取樣,重現真實鋼琴的聲音

迷思:取樣(錄音)品質做得好,
數位鋼琴的音色就能逼真。


在很多人的觀念中,認為只要採用高品質的錄音技術,錄下最高傳真的鋼琴音色做為取樣,數位鋼琴的聲音應該就能相當逼真。
在高傳真音響設備的邏輯中,這個理論是對的。

但樂器並不是音響設備。

逼真的取樣,是讓數位鋼琴擁有優質音色的必要條件,但不是唯一的關鍵條件。
樂器是要與活生生的演奏者互動,在當下詮釋出樂音的無限可能。絕不是只靠完美的錄音取樣加上高傳真喇叭,就能這麼單純的打造出完美樂器。

一台鋼琴的聲音,不是只有一種音色


既然談到「取樣」,就必須對於「音色」做更狹義的定義。

一種音色 = 一種聲音波形


因為一個「取樣」,只是一種聲音波形的記錄。

那麼一台真實鋼琴能表現出來的聲音,光靠一個高品質錄音下來的「取樣」,就能全部重現嗎?
在物理學中,把同一個聲波改變頻率,能產生出不同音高;改變振幅,能產生大小聲的變化。以前的數位鋼琴(或現在的低價琴),的確是用這種方式,來產生出88鍵音域、以及有強弱感的鋼琴音色。

改變頻率產生音高變化;改變振幅產生音量大小變化。但是真實鋼琴的聲響,不是這麼簡單的物理公式。

但鋼琴家演奏出生命力躍動的樂曲,每個音符都隨著情感波動所帶出的音色變化,您覺得可能只用一個取樣聲波、加上一兩條物理公式,就能全部描述出來嗎?

真正的事實是: 

一個「取樣」,只是樂器單一事件的重現

音樂,卻是無限多變化事件的組合


一個「取樣」錄製得再逼真,也只是樂器單一事件的重現 – 演奏者用某個力度(與技法)彈奏出某單一音符(note)的聲音記錄。
但是彈奏一首鋼琴曲,卻是一連串不同條件下所引發的事件 – 不同的音高、不同的力度、和弦音的組成變化、踏板的運用,這些不同的條件都會引發出各自微妙差異的事件,也就是不一樣的音色。

各種彈奏狀況造成鋼琴音色的改變

一台真實鋼琴蘊含
無限多種音色的可能性


分析不同音高的鋼琴聲波,就會輕易發現每個波型彼此還是有細微的差異,絕非只是單純同一個聲波的頻率增減而已。
而彈奏鋼琴強弱音時的聲響變化,也絕對不只有音量變大變小這麼簡單。您應該聽得出來,彈弱音時,不僅音量較小,音色也較悶較柔;彈強音時,也不僅音量變大,音色也變得更加尖亮。

豐沛的旋律與演奏表情
讓鋼琴的每一個音
都是不同的聲音波型變化


因為有無限多種音色的可能性,彈奏出來的音樂才能是活的,才能細膩的反應出演奏者的情感。假設真實鋼琴的聲響,如果都只是同一種聲音波型頻率與振幅的變化,恐怕鋼琴反而變成一種聲音單調呆板的乏味樂器!

取樣技術的瓶頸:取樣次數有限,鋼琴的音色卻是無限


既然一個「取樣」,只是一種音色(聲音波形);所以若想要完整重現真實鋼琴所有可能的音色,最直白的方式就是:做更多次的「取樣」:
鋼琴有88個琴鍵,所以至少每個琴鍵的音色,都各自要做一次取樣。這是目前在數位鋼琴界已經普遍實現的做法,叫做88鍵多重取樣。
註:以前的數位鋼琴、或是現在的低價琴,因為記憶體效能與成本的限制,無法每一個琴鍵都做取樣。
88鍵多重取樣:每個鋼琴琴鍵的聲音都要取樣下來

即使是同一個琴鍵,光做一次取樣也不夠。先前提過強弱音的音色各自不同,所以也應該對強弱不同的音再分別取樣。
但真實鋼琴上,手指力道只要有一點點改變,就都會反應在鋼琴音色上。從pp到ff之間,強弱音的可能性可以說是無限多,要做多少次取樣才能面面俱到?
即使數位鋼琴研發人員,真的瘋狂錄製了無數個鋼琴取樣資料,但數位鋼琴又該準備多大的記憶體,才能把這些取樣資料都儲存起來?記憶體的成本,又會讓數位鋼琴的價格膨脹到多高?
除了音高、強弱之外,其他還有和弦音共鳴,踏板使用…等等的因素,也會造成鋼琴音色的改變。很明顯要靠增加取樣次數來涵蓋這一切鋼琴音色的可能性,是完全不切實際的。

SuperNATURAL Piano:突破取樣技術的瓶頸


SuperNATURAL Piano卻突破了取樣技術的瓶頸。即使記憶體、鋼琴取樣資料有限,Roland數位鋼琴的音色,也能忠實反應出演奏者無限多種細微的表情變化。
簡而言之,就是從「取樣」的思維,轉移到「運算」 -- 讓數位鋼琴的各種演奏表情音色變化,用運算來彌補取樣的不足。
當然絕對不是用物理學中頻率或振幅的簡單公式來運算。要完美的運算出真實鋼琴所有可能的音色表現,先決條件就是要徹底分析真實鋼琴所有的機制,以及各元件之間的交互影響行為。
這就不能不提到Roland V-Piano。如果沒有V-Piano的成功,SuperNATURAL Piano技術就無法實現。

V-Piano
鋼琴行為數位模型的極致科技


Roland V-Piano,是全球業界唯一完全不採用「取樣」,完美模擬真實鋼琴表現的數位鋼琴。

Roland V-Piano

從彈下琴鍵的那一刻起,V-Piano的高速處理器就在瞬息間進行大量運算:琴槌氈頭敲擊琴弦瞬間會產生的什麼振動,琴弦振動會傳導到鋼琴其他哪些元件,琴體內會與各元件的振動又會造成哪些共鳴,最後會產生出什麼樣的琴音….
為了實現這一切運算,Roland耗了數年的時間徹底分析真實鋼琴,將所有的鋼琴元件、元件間的交互反應,建構成數位化的模組,也就是鋼琴全面的「樂器行為模型(Behavior Modeling)」。這在數位鋼琴界是獨一無二的成就。
雖然本身不製作真實鋼琴,但透過V-Piano的研發經驗,讓Roland對真實鋼琴的理解程度達到驚人的成果 --- 尤其是聲音在鋼琴內連鎖反應的完全解密,恐怕連傳統鋼琴製造者也自嘆不如。

 V-Piano促成SuperNATURAL Piano的誕生


雖然V-Piano已經商品化,但由於技術成本非常高,使得它的價格尚難以被市場普遍接受。
但歸功於開發V-Piano所獲得的知識,讓Roland得以在取樣技術的基礎上,納入部分V-Piano的鋼琴行為模組,兩者互補融合,開發出成本較低的SuperNATURAL Piano音色引擎 -- 甚至到今天,SuperNATURAL Piano已全面運用在Roland全系列的數位鋼琴中。即使是最入門款的Roland鋼琴用戶,也一樣能享用這數位鋼琴界最高的音色科技。

SuperNATURAL Piano是在2010年推出,也是全世界第一個能彌補取樣技術不足的數位鋼琴音色技術。一年之後,其他各品牌也趕著陸續開發出自己的技術,好讓自家產品也能跟Roland數位鋼琴一樣,彌補以往「取樣」沒辦法涵蓋的音色空缺。
看起來其他品牌似乎也做到了。但仔細分析他們的鋼琴音色,所謂的彌補,其實不過是利用等化器(EQ)這類音訊處理器,將音色元素按比例插入中間值而處理出的聲音;只有Roland的SuperNATURAL Piano,才是真正依據鋼琴的物理機制,確實運算出真實鋼琴應該有的反應。

SuperNATURAL Piano的重要特色


1. 不分段無縫的強弱表情變化。
2. 更寬廣的表情動態範圍。
3. 不同演奏狀況下產生的樂器共鳴變化。
4. 自然的衰減音。

1. 不分段、無縫的強弱表情變化
一般數位鋼琴對於強弱表情不同音色的變化,採用的是分段取樣手法,例如從極弱音到極強音之間,分四段取樣,然後依據彈奏者的力度,讓數位鋼琴決定要發出哪種力道的取樣音色。
但如果很仔細的彈奏一段較長的漸強(或漸弱)樂句,這種分段取樣會讓演奏者聽到不自然的音色轉折。因為強弱音間的音色是分段變化,而不是漸進式的變化。
強弱音的分段取樣:會造成強弱音間不自然的音色轉折

而SuperNATURAL Piano音色,讓強弱音之間的音色,能忠實的隨著彈奏力度,產生細膩的變化,在漸強(或漸弱)演奏中,演奏者聽到的是平滑無縫的自然轉折。
真實鋼琴與Roland的SuperNATURAL鋼琴音源,是強弱表現不分段的無縫變化

※ 想了解更多詳情,可參考這篇文章→「Roland數位鋼琴的規格與技術。《音色篇》彈奏力度與音色變化的對應

2. 寬廣的動態範圍(Dynamic Range)
所謂鋼琴的動態範圍(dynamic range),就是彈奏最弱音與最強音,在音色/音量上的差別有多大。
動態範圍越大的樂器,可以說是具有越大的表情張力,而且對音樂表情變化的掌控能更細緻。
Roland SuperNATURAL Piano技術既然強調無縫不分段的強弱音色變化,勢必也考慮到演奏者可能彈出的最弱音與最強音;這讓Roland數位鋼琴具有比他牌產品更寬廣的動態範圍,甚至也超越傳統直立式鋼琴,達到與真實平台鋼琴相近的境界。

3. 各種演奏情況下的泛音變化
踩踏踏板,彈奏和弦音,都會讓真實鋼琴內部的機件狀態隨時變化,引發出豐富多變的共鳴聲響。
像是琴弦共鳴(String Resonance),這是開放琴弦*之間的共鳴效應。88鍵的鋼琴,開放琴弦可能的排列組合方式有上萬種,隨著彈奏的過程也在快速變換,每一瞬間都會產生微妙的琴弦共鳴變化。SuperNATURAL鋼琴音色技術將這些變化都計算進去,讓Roland數位鋼琴也能傳達出真實豐富的泛音共鳴。
*開放琴弦:彈下琴鍵時,該琴鍵的制音器(damper)會離開琴弦,此時的該音的琴弦就呈現開放狀態,除了自身的振動之外,也同時受到其他琴弦的振動影響誘發共鳴。
鋼琴的制音器(damper)。被彈奏的琴鍵,制音器會離開琴弦,讓琴弦呈現開放狀態
4. 自然的衰減音(Decay)
衰減音(Decay),是彈下琴鍵到放開之前,鋼琴逐漸轉弱消散的聲音。
而「取樣」技術的瓶頸之一,就是無法處理出自然的衰減音。
一般數位鋼琴處理衰減音的方式,是擷取取樣的後半段聲波,讓聲波不斷快速反覆,並逐漸減弱音量,至手指放開琴鍵時停下來。
由於是固定聲波的快速不斷循環,會造成如同電子蜂鳴器般嗡嗡作響的感覺,尤其是彈奏和弦時,多個固定聲波的衰減音混在一起,容易造成駐波(共振)效應,製造出多餘的刺耳共鳴音。這些都不可能是真實鋼琴會存在的現象。
一般數位鋼琴的衰減音是固定的聲波循環(紅色區域),造成衰減音不自然
真實鋼琴的聲音會在琴體內產生不規則的反彈共鳴,隨時都在影響琴弦的振動行為,因此真實鋼琴的衰減音,絕對不是固定聲波的反覆循環 -- 不只是單純的音量逐漸減弱,連音色也仍然持續變化直到完全消散。
Roland當然也沒有忽略鋼琴衰減音的細節!SuperNATURAL Piano克服了這個「取樣」技術的瓶頸,重現真實鋼琴的自然衰減音現象。下次您演奏Roland數位鋼琴時,可以試著彈一個和弦長音,仔細聆聽比其他品牌都更自然的琴聲餘韻。
※ 更多分析鋼琴衰減音的細節,請參考這篇文章 → 「Roland數位鋼琴的規格與技術。《音色篇》自然衰減音(decay)的處理


進化版的SuperNATURAL Piano
→ SuperNATURAL Piano Modeling


2016年,Roland推出SuperNATURAL Piano的進化版本技術:SuperNATURAL Piano Modeling。
並從2016年發表的HP系列與LX系列數位鋼琴開始,Roland將陸續把進化版的鋼琴音色引擎,置入中高階產品中。
與前一版本比較,進化版最大的改進點,是發聲數進化到無限多!

【最大同時發聲數(Max. polyphony)比較】
SuperNATURAL Piano:128
進化版SuperNATURAL Piano Modeling:「無限」 (限於選用鋼琴類音色時)


最大同時發聲數:最多能同時發出幾個音


對於電子樂器而言,彈奏一個音符,就是讓一個取樣發聲。彈奏和弦,就是讓多個取樣同時發聲。如果再加上延音踏板,演奏時會動輒就讓數十個取樣同時發聲。
大家都知道處理器的效能再快,也是有極限的。也就是說數位鋼琴能同時發出的取樣音數量,一定也會有個上限,這個上限就是所謂的最大同時發聲數
最大同時發聲數如果不足的話,就會出現吃音現象。尤其踩住延音踏板時彈奏,就更容易感覺得出來:最早彈奏的音,容易在還沒放開踏板時就提前消失。
所以在評估數位鋼琴的性能時,最大同時發聲數也是重要的參考規格之一。發聲數越多,就越能保留鋼琴聲響的細節。

無限大同時發聲數
全面保留所有鋼琴演奏的細節


進化版SuperNATURAL Piano Modeling的無限最大發聲數,意味著用Roland數位鋼琴演奏,將確保能全面保留住您所有演奏的細節!無論您演奏的是多複雜的樂句、如何的長時間使用踏板,Roland數位鋼琴都不會流失任何一個您所詮釋出的琴音。

※ 釋疑:一台鋼琴只有88鍵,為什麼最大發聲數需要超過88個,甚至無限?
現今數位鋼琴技術的發展,進化到即使只彈奏一個琴鍵,發出的取樣音數量可能不只一個。為了求鋼琴表現的逼真,可能還會加入琴槌雜音的取樣、琴弦共鳴音...等等的取樣。因此,演奏數位鋼琴所吃掉的發聲數,超過88個的狀況是常見並且合理的。

選擇鋼琴,除了比較音色觸鍵之外,更要比較「表情力」


SuperNATURAL Piano鋼琴音色技術,讓數位鋼琴的音色發揮力,完全達到與真實鋼琴相同的寬廣與細膩。
但只有音色完美還不夠。是否也能讓演奏者隨心所欲的發揮這些音色,「觸鍵」仍是不可或缺的要素之一。
所謂的觸鍵不僅僅是單純的琴鍵輕重差異而已。鋼琴家指尖彈下的力道、技法,是否能精確反應出對的音色,讓演奏者順暢傳遞音樂表情 – 也就是「音色」與「觸鍵」是否能環環相扣,就是一台鋼琴的「表情力(expressivity)」。
最後,請再衍伸閱讀以下文章,將幫助您對Roland數位鋼琴獲得更完整的認識!

衍伸閱讀:「選購數位鋼琴,現在應該要著重「表情力(expressivity)」的比較!

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