본 논문에서 제안한 줄 없는 기타는 크게 레이저 현과 프렛, 음 합성 알고리듬과 프로세서로 구성된다. 레이저 현은 레이저 모듈과 포토다이오드를 이용하여 스트로크와 아르페지오를 표현할 수 있도록 하였고, 프렛은 전압 분배기를 이용하여 구현하였다. 몸통은 물리적 모델링합성법을 이용하였기 때문에 줄 없는 기차에는 울림통의 역학을 하는 물리적인 몸통이 없다. 제안한 기타의 프렛은 실제 프렛을 동일하게 표현할 수 있어 기존의 코드 글러브를 이용한 로드 표현뿐 아니라 실제 기타와 같은 솔로 연주도 가능하다. 해머링 온, 풀링 오프, 슬라이딩과 같이 프렛 변화가 있는 연주음은 전압 분배기로부터 받은 프렛의 정보를 파라미터로 사용하여 합성한다. 연구법에 따른 음의 피치 변화는 디지털 도파관 모델에서 파동의 전파 속도 변화로 표현하였다. 이 합성 모델은 동일 프렛에서 현의 장력을 변화시켜 연주하는 비브라토 음도 합성 할 수 있다. 레이저 현과 프렛으로부터 받아들인 정보를 합성 알고리듬의 파라미터로 변환하여 기타 음을 생성하고 이를 실시간으로 출력할 수 있도록 TMS320F2812를 사용하였다. 웹에 공개한 동영상에는 제안한 알고리듬과 인터페이스를 이용하여 실시간으로 합성한 '아리랑' 연주를 볼 수 있다. 제안한 알고리듬이 피치 변화를 표현하는 기타 솔로 연주법에 효과적이고 줄 없는 기타로 실시간 연주가 가능함을 확인할 수 있다.
본 논문에서 제안한 줄 없는 기타는 크게 레이저 현과 프렛, 음 합성 알고리듬과 프로세서로 구성된다. 레이저 현은 레이저 모듈과 포토다이오드를 이용하여 스트로크와 아르페지오를 표현할 수 있도록 하였고, 프렛은 전압 분배기를 이용하여 구현하였다. 몸통은 물리적 모델링 합성법을 이용하였기 때문에 줄 없는 기차에는 울림통의 역학을 하는 물리적인 몸통이 없다. 제안한 기타의 프렛은 실제 프렛을 동일하게 표현할 수 있어 기존의 코드 글러브를 이용한 로드 표현뿐 아니라 실제 기타와 같은 솔로 연주도 가능하다. 해머링 온, 풀링 오프, 슬라이딩과 같이 프렛 변화가 있는 연주음은 전압 분배기로부터 받은 프렛의 정보를 파라미터로 사용하여 합성한다. 연구법에 따른 음의 피치 변화는 디지털 도파관 모델에서 파동의 전파 속도 변화로 표현하였다. 이 합성 모델은 동일 프렛에서 현의 장력을 변화시켜 연주하는 비브라토 음도 합성 할 수 있다. 레이저 현과 프렛으로부터 받아들인 정보를 합성 알고리듬의 파라미터로 변환하여 기타 음을 생성하고 이를 실시간으로 출력할 수 있도록 TMS320F2812를 사용하였다. 웹에 공개한 동영상에는 제안한 알고리듬과 인터페이스를 이용하여 실시간으로 합성한 '아리랑' 연주를 볼 수 있다. 제안한 알고리듬이 피치 변화를 표현하는 기타 솔로 연주법에 효과적이고 줄 없는 기타로 실시간 연주가 가능함을 확인할 수 있다.
This paper describes the non-stringed guitar composed of laser strings, frets, sound synthesis algorithm and a processor. The laser strings that can depict stroke and playing arpeggios comprise laser modules and photo diodes. Frets are implemented by voltage divider. The guitar body does not need to...
This paper describes the non-stringed guitar composed of laser strings, frets, sound synthesis algorithm and a processor. The laser strings that can depict stroke and playing arpeggios comprise laser modules and photo diodes. Frets are implemented by voltage divider. The guitar body does not need to implement physically because commuted waveguide synthesis is used. The proposed frets enable; players to represent all of chords by the chord glove as well as guitar solo. Sliding, hammering-on and pulling-off sounds are synthesized by using parameters from the voltage divider. Because the pitch shifting corresponds to the time-varying propagation speed in the digital waveguide model, the proposed model can synthesize vibrato as well. After transformation of signals from the laser strings and frets into parameters for synthesis algorithm, the digital signal processor, TMS320F2812, performs the real-time synthesis algorithm and communicates with the DAC. The demonstration movieclip available via the Internet shows one to play a song, 'Arirang', synthesized by proposed algorithm and interfaces in real-time. Consequently, we can conclude that the proposed synthesis algorithm is efficient in guitar solo and there is no problem to play the non-stringed guitar in real-time.
This paper describes the non-stringed guitar composed of laser strings, frets, sound synthesis algorithm and a processor. The laser strings that can depict stroke and playing arpeggios comprise laser modules and photo diodes. Frets are implemented by voltage divider. The guitar body does not need to implement physically because commuted waveguide synthesis is used. The proposed frets enable; players to represent all of chords by the chord glove as well as guitar solo. Sliding, hammering-on and pulling-off sounds are synthesized by using parameters from the voltage divider. Because the pitch shifting corresponds to the time-varying propagation speed in the digital waveguide model, the proposed model can synthesize vibrato as well. After transformation of signals from the laser strings and frets into parameters for synthesis algorithm, the digital signal processor, TMS320F2812, performs the real-time synthesis algorithm and communicates with the DAC. The demonstration movieclip available via the Internet shows one to play a song, 'Arirang', synthesized by proposed algorithm and interfaces in real-time. Consequently, we can conclude that the proposed synthesis algorithm is efficient in guitar solo and there is no problem to play the non-stringed guitar in real-time.
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문제 정의
프렛은 전압분배기로 구현한다. 기타 소리를 합성하기 위해 전파 속도가 변하는 디지털 도파관 모델을 제안한다. 이 모든 인터페이스와 알고리듬 수행은 TMS320F2812 디지털 신호처리기를 이용하여 처리하였다.
본 논문에서는 전파 속도가 변하는 디지털 도파관 모델을 제안하고 TMS320F2812로 알고리듬을 수행하는 줄 없는 기타를 제안하였다. 데모 동영상에서 보았듯이 제안한 줄 없는 기타는 실시간 연주가 가능하고 해머링 온, 풀링 오프, 슬라이딩과 같은 기타 솔로 연주법을 표현할 수 있었다.
본 논문에서는 전파 속도가 변하는 디지털 도파관 모델을 제안하고 TnS320F2812로 알고리듬을 수행하는 줄 없는 기타를 제안하였다.
즉, 기타의 현은 소리 발생과 연주법 표현에 직접적인 관련이 있다. 본 논문에서는 현의 교체와 조율 등의 번거롭고 어렵기까지 한 과정을 없애기 위해 기타의 현을 레이저 모듈로 대체하였다. 이로써 스트로크와 관련된 간단한 연주법을 표현하고, 프렛을 설계하여 원하는 피치를 발생시킬 수 있도록 하였다.
연주자의 연주 행위를 인지하여 햅틱으로 발전시킨 문화 컨텐츠와 관련하여 본 논문에서는 줄 없는 기타를 소개한다. 제안한 기타의 줄은 레이저 현으로 표현하고.
현악기에서 현을 없앤 것은 획기적인 발상의 전환이라고 생각하지만 해결해야할 많은 문제들을 남겼다. 지금부터 줄 없는 기타의 한계와 이를 극복할 방안에 대해 토의하고자 한다.
가설 설정
Laakso외 3명은 미소 지연 필터 (fractional delay filter)를 사용하였다 [12], 시간에 따라 가변적인 전파속도를 갖는 디지털 도파관 모델을 설명하기위해 오른쪽으로 이동하는 파동, # 만을 고려해 본다. 왼쪽으로 이동하는 파동에도 동일하게 적용할 수 있으며 손실이 없다고 가정한다. 초기 분포가 # 으로 주 어졌을 때 # 이고 관측 지점이 k인 곳에서의 출력은 # 이고, n=2인 경우 # 이다.
제안 방법
이로써 스트로크와 관련된 간단한 연주법을 표현하고, 프렛을 설계하여 원하는 피치를 발생시킬 수 있도록 하였다. 기타의 소리는 물리적 모델링을 이용하여 합성하였고, 줄 없는 기타의 모든 인터페이스와 관련된 신호 처리 및 합성 알고리듬 수행은 범용 프로세서를 이용하여 처리하였다.
레이저 현 (laser string)은 연주자가 기타의 현을 퉁기는 것을 표현하기 위한 것으로 레이저 모듈과 포토다이오드 (photodiode) 한 쌍이 하나의 기타 현을 표현한다 [9]. 레이저 모듈에서 발생한 레이저 신호를 맞은편 포토다이오드가 항상 감지할 수 있도록 각각을 배치하고, 레이저 신호의 감지 여부에 따라 현의 퉁김 여부를 판단한다. 그림 1은 레이저 모듈과 포토다이오드를 이용하여 구현한 레이저 현의 모습이다.
본 논문에서 제안한 줄 없는 기타를 이용하여 경기 아리랑을 연주하였다. 경기 아리랑의 '아라리요' 부분에는 슬라이딩과 해머링 온 앤 풀링 오프를, '나를 버리고 부분에는 슬라이딩으로 처리하였다.
본 논문에서는 기타 음의 주파수 의존적 감쇠를 표현하기 위해 [⑸에서 제안한 1차 루프 필터를 사용하였고 식 ⑸의 미소지연을 처리하기 위해 1차 라그랑주 보간기(lagrange interpolator) [12]를 사용하였다.
본 논문에서는 입력 전압 #을 TMS320F2812DSP의 입출력 전압과 동일한 3.3V를, 참조 저항 R0는 20 kΩ을 사용하여 5개의 프렛을 구현하였다.
본 논문에서는 입력 전압 %“을 TMS320F2812DSP2] 입출력 전압과 동일한 3.3V를, 참조 저항 %는 20 0을 사용하여 5개의 프렛을 구현하였다.
16채널의 ADC중 6채널은 레이저 현에 다른 6채널은 프렛에 할당하였다. 이 프로세서는 주변장치와의 통신을 위해 RS-232, SCI, SPI, CAN등의 통신을 지원하는데 본 논문에서는 DAC와의 통신을 위해 SPI 통신을 시용하였다. 그리고 CCS (Code Composer Studio)을 이용하여 프로그램하고 동시에 프로그램을 DSP에 적재할 수 있으며 결과를 시뮬레이션 해 볼 수 있는데, 프로그램을 프로세서에 다운로드하기 위해서는 JTAG 에뮬레이터가 필요하다.
이 프로세서는 주변장치와의 통신을 위해 RS-232, SCI, SPI, CAN등의 통신을 지원하는데 본 논문에서는 DAC와의 통신을 위해 SPI 통신을 시용흐卜였다.
본 논문에서는 현의 교체와 조율 등의 번거롭고 어렵기까지 한 과정을 없애기 위해 기타의 현을 레이저 모듈로 대체하였다. 이로써 스트로크와 관련된 간단한 연주법을 표현하고, 프렛을 설계하여 원하는 피치를 발생시킬 수 있도록 하였다. 기타의 소리는 물리적 모델링을 이용하여 합성하였고, 줄 없는 기타의 모든 인터페이스와 관련된 신호 처리 및 합성 알고리듬 수행은 범용 프로세서를 이용하여 처리하였다.
연주자의 연주 행위를 인지하여 햅틱으로 발전시킨 문화 컨텐츠와 관련하여 본 논문에서는 줄 없는 기타를 소개한다. 제안한 기타의 줄은 레이저 현으로 표현하고. 프렛은 전압분배기로 구현한다.
줄 없는 기타의 레이저 현과 전압 분배기를 이용한 프렛은 연주자의 연주법과 각 현의 피치를 표현할 수 있도 록 구현하였다. 기타 6줄에 대한 포토다이오드로부터의 신호와 프렛 신호, 총 12채널에 대한 아날로그 신호를 음 합성 알고리듬에 맞게 디지털 값으로 변환시키는 ADC기능과 이 값을 이용하여 음 합성 알고리듬을 주어진 시간 내에 정확하게 구동시키는 역할은 TMS320F2812가 수행한다.
합성 알고리듬이 주어진 시간 안에 정확하게 수행되어야 하기 때문이다 6줄을 동시에 퉁겼을 경우에 대해 제안한 알고리듬을 TMS320F2812S 처리였더니 최소 60 佛의 짧지 않은 알고리듬 수행시간이 필요하였다.
합성 알고리듬과 프로세서는 같이 고려하여야 하는데. 합성 알고리듬이 주어진 시간 안에 정확하게 수행되어야 하기 때문이다 6줄을 동시에 퉁겼을 경우에 대해 제안한 알고리듬을 TMS320F2812로 처리였더니 최소 60 #의 짧지 않은 알고리듬 수행시간이 필요하였다. 이는 내부적으로 샘플링 주파수가 16.
대상 데이터
이러한 과정이 수행되기 위해서는 일차적으로 레이저 현과 프렛에서 측정한 전압을 디지털 값으로 변환하는 ADC (analog to digital converter)가 필요하다. 본 논문에서는 16채널의 12 bit 분해능을 가진 ADC를 내장하고 150 MHz의 처리속도를 가진 디지털 신호처리 프로세서 TMS320F2812를 사용하였다 [16]. 16채널의 ADC중 6채널은 레이저 현에 다른 6채널은 프렛에 할당하였다.
본 논문에서는 16채닐의 12 bit 분해능을 가진 ADC를 내장하고 150 MHz의 처리 속도를 가진 디지털 신호처리 프로세서 TMS320F2812믈 사용하였다 [的.
이론/모형
본 논문에서는 기타 음의 주파수 의존적 감쇠를 표현하기 위해 [⑸에서 제안한 1차 루프 필터를 사용하였고 식 ⑸의 미소지연을 처리하기 위해 1차 라그랑주 보간기(lagrange interpolator) [12]를 사용하였다.
기타 소리를 합성하기 위해 전파 속도가 변하는 디지털 도파관 모델을 제안한다. 이 모든 인터페이스와 알고리듬 수행은 TMS320F2812 디지털 신호처리기를 이용하여 처리하였다. 줄 없는 기타로 연주한 '아리랑'에는 제안한 합성 알고리듬을 이용한 슬라이딩과 헤머링 온과 같은 기타 솔로 연주법을 포함하고 있다.
줄 없는 기타의 초기 모델에서는 기타 코드 (chord)를 표현하기위하여 코드 글러브 (chord glove)를 사용하였다 [9]. 이 경우 코드 글러브로 표현할 수 있는 코드의 종류와 기타 솔로 연주법에 한계가 있었으나, 실제 기타와 같은 프렛의 구현으로 자유로운 기타 코드의 표현이 가능할 뿐만 아니라 슬라이딩 (sliding), 해머링 온 앤 풀링 오프 (hammering-on and pulling-off)와 같은 기타 솔로 연주법이 가능하게 되었다.
성능/효과
본 논문에서는 전파 속도가 변하는 디지털 도파관 모델을 제안하고 TMS320F2812로 알고리듬을 수행하는 줄 없는 기타를 제안하였다. 데모 동영상에서 보았듯이 제안한 줄 없는 기타는 실시간 연주가 가능하고 해머링 온, 풀링 오프, 슬라이딩과 같은 기타 솔로 연주법을 표현할 수 있었다. 또한 레이저 현과 프렛과 같은 새로운 인터페이스를 이용한 전자 악기 개발에 대한 가능성을 보여주었다.
데모 동영상에서 보았듯이 제안한 줄 없는 기타는 실시간 연주가 가능하고 해머링 온, 풀링 오프, 슬라이딩과 같은 기타 솔로 연주법을 표현할 수 있었다. 또한 레이저 현과 프렛과 같은 새로운 인터페이스를 이용한 전자 악기 개발에 대한 가능성을 보여주었다. 향후, 실제 기타의 사실적 표현을 시작으로 다른 악기로의 확장 개발, 초보자도 손쉽게 연주할 수 있는 사용자 편의의 모델을 개발하여야 할 것이다.
본 논문에 사용된 합성 알고리듬은 기타의 몸통 특성을 여 기 신호에 포함시 켜 사용하는 대체 합성법 (commuted synthesis) [1 기을 기반으로 구현된 것이므로 합성된 신호는 기타 음색을 표현하는데 문제가 없으며, 합성의 초점은 피치가 변하는 음을 합성 할 수 있는가와 각 연주법의 특징을 잘 표현할 수 있는가에 맞춰져 있다.
본 논문에 사용된 합성 알고리듬은 기타의 몸통 특성을 여기 신호에 포함시켜 사용하는 대체 합성법 (commuted synthesis) [17]을 기반으로 구현된 것이므로 합성된 신호는 기타 음색을 표현하는데 문제가 없으며, 합성의 초점은 피치가 변하는 음을 합성 할 수 있는가와 각 연주법의 특징을 잘 표현할 수 있는가에 맞춰져 있다.
후속연구
하지만 그림 2에서와 같이 'Hold' 이 후에 바로 현이 퉁겨지는 현재의 레이저 현으로는 현을 뮤트 (mute)시키거나 커팅(cutting)하는 등의 연주법을 표현하지 못하는 단점이 있다. 또한 실제 현을 퉁기는 느낌을 표현할 수 없는데, 이를 위해서는 다양한 연주법을 표현할 별도의 컨트롤러를 개발하거나 레이저 현을 다른 형태로 바꾸어야 할 것이다.
향후, 실제 기타의 사실적 표현을 시작으로 다른 악기로의 확장 개발, 초보자도 손쉽게 연주할 수 있는 사용자 편의의 모델을 개발하여야 할 것이다. 또한 연주자의 오감과 감성을 표현할 수 있는 햅틱 (haptic) 기반의 인터페이스 개발도 병행하여야 할 것이다.
또한 레이저 현과 프렛과 같은 새로운 인터페이스를 이용한 전자 악기 개발에 대한 가능성을 보여주었다. 향후, 실제 기타의 사실적 표현을 시작으로 다른 악기로의 확장 개발, 초보자도 손쉽게 연주할 수 있는 사용자 편의의 모델을 개발하여야 할 것이다. 또한 연주자의 오감과 감성을 표현할 수 있는 햅틱 (haptic) 기반의 인터페이스 개발도 병행하여야 할 것이다.
참고문헌 (19)
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조상진, 오훈, 정의필, "장력 변조 모델을 이용한 합성음의 피치변환 구현," 한국음향학회 학술발표대회 논문집, 25권, 1(s)호, 381-384쪽, 2005
V. Vaimaki, J. Huopaniemi, M. Karjalainen, and Z. Janosy, "Physical Modeling of Plucked string Instruments with Appli-cation to Real-Time Sound Synthesis," J. Audio Eng. Soc., vol. 44, no. 5, pp. 331-353, 1996
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