2012年8月29日水曜日

波形メモリ音源(VGS)

拙作「SHOT04 - NOKOGI Rider」で採用している波形メモリ音源VGSについて、解説します。
まず、VGSという音源は、物理的には実在しません。
私の脳内で設計し、それをソフトウェア・エミュレーションする方式で、「SHOT04 - NOKOGI Rider」に搭載しました。

基本スペック:
・周波数: 22050Hz固定
・ビットレート: 16bit固定
・チャネル: モノラル固定
・同時発音: 6声
・音色数: 4(三角波、ノコギリ波、矩形波、ノイズ)
・声部別エンベロープ
・ピッチダウン(※ピッチアップは不要だったので未実装)
・声部別ボリューム
・マスターボリューム
・自動マスターボリューム制御(主にフェードアウト用途)

ちなみに、分解率=周波数という方式を採用。つまり、22050fpsです。
厳密には、処理周期は100ms間隔(10fps)ですが、オペレーションは22050fpsのフレーム間隔で出せます。
つまり、音の長さの最小は、だいたい45μ秒(1μ秒=100万分の1秒)程度の間隔になります。
テンポ120の場合、32768分音符がだいたい61μ秒になるので、「テンポ120の65536分音符よりちょっと長く、32768分音符よりちょっと短い」という感じです。

・・・少し分かり難いですね。
もう少し分かり易く例えるなら、報道によると東京証券取引所では、次期売買システムの取引性能を「1件あたり1ms以下にする(1秒間に1000件以上の取引ができるようにする)」らしいですが、そのシステムで「1回の取引をしている間に22回ぐらい音符を鳴らすことができる」という感じです。

一見すると誰得機能ですが、かなり重要な機能です。東証の方は誰が得するのか理解に苦しみますが。
この分解性能の粒度によって、音楽の表現性能が劇的に変わります。
この辺りのことは、音源本体(ハードウェア=エミュレータ)ではなく音源ドライバの役回りですが。

もちろん、音源ドライバも自作しました。
音源ドライバ仕様は、固定長のオペレーションで発音指示や待機指示をしたりする感じです。
昔のアーケードゲームとかだと、Z80で組むのが一般的。

VGSの場合、「何処からがハード仕様で、何処からがドライバ仕様なのか」がかなり曖昧ですが。
一応、一般的な区分は、「オペレーションを送るプログラム」がドライバで、「オペレーションを処理する部分(プログラム)」がハードウェア(エミュレータ)という風になります。
VGSの場合、ハードも論理的な存在だから、境界線が曖昧になります。
全てが論理的であれば、境界線の存在自体、ナンセンスだったりします。

そして、オペレーションの集まりが曲データになります。
ただ、オペレーションをずらずら並べて曲データを作るのが面倒なので、独自のMMLコンパイラ(MMLで書いたものをオペレーション集合に変換するプログラム)も作りました。

例えば、「SHOT04 - NOKOGI Rider」の「STAGE 1」のMMLは以下のような感じ。
$Brass \s600 \e22050 @1 %80
$Harp \s1000 \e1500 @0 %50
$Bass \s10   \e200 @2 %50
$Sq \s600 \e22050 @2 %75
$Sq2 \s6000 \e22050 @1 %80
$Hue \s5000 \e22050 @2 %80
$Osi \s22050 \e10000 @2 %80
$Ou \s500 \e5000 @1 %50

$B  \s10 \e1000 p-128 @0 %10 v35 o3
$S  \s1  \e1000 p-128 @3 %20 v20 o4

#-----------------------------------------------------------------------------
# Bass
#-----------------------------------------------------------------------------

Ch0 t172 m8 v12 (Bass) o3l16 |
Ch0 d8ddd8ddd8ddd8dd c8ccc8ccc8ccc8cc < b-8b-b-b-8b-b-b-8b-b-b-8b-b- a8aaa8aa aa>a<a>g<a>f<a
Ch0 l8 gggg gggg dddd dde-f gggg gggg ggrg16g16 gggg
Ch0 gggg gggg ff>f<f ff>f<f gg>g<g g16g16g>g<g g16g16g>g<g l16 <ffggaab-b-
Ch0 > crcccrcccrcccrcc drdddrdddrdddrdd grgggrgggrgggrgg frfffrfffrfffrff
Ch0 crcccrcccrcccrcc grgggrgggrgggrgg <g4.a4.b-4^2 l8 gg>g<g
Ch0 > l16 c8c4ccc8c8>c8<cc < g8g4ggg8g8>g8<gg f8f4fff8f8>f8<f8 > d8d8>d8<ddd8d8>d8<dd
Ch0 c8cc>c8<ccc8cc>c8<cc d8dd>d8<dd dd>d<d>c<db-d grgggrgggrgggrgg d8d4ddd4f+4
Ch0 l8 > dd>d<d4d>d<d < gg>g<g4g>g<g > cc>c<c4c>c<c dd>d<dcc>c<c
Ch0 dd4d16d16dd>d<d cc>c<c cc>c<c < aa>a<a4a>a<a aa>a<a4 a>a<a
Ch0 l8 > dd>d<d4d>d<d < gg>g<g4g>g<g > cc>c<c4c>c<c dd>d<dcc>c<c
Ch0 dd>d<d4d>d<d < aa>a<a4a>a<a > dd>d<d4d>d<d dd>d<d4ddd

#-----------------------------------------------------------------------------
# Melody
#-----------------------------------------------------------------------------

$Me1 r1r1r1r1 d2rdc<b- a2f4a4 g1^2r2 > d2rdc<b- >c2<a4>f4 d1^2r2
$Me2 e-2re-fg f2d4f4 g2rgab- a2g4f4 g2>c2< b-4a4g4a4 b-4.>c4.d4^2.r4
$Me3 (Sq) < e-2re-dc d2<b-2> c2rc<b-a g4b->d8^2 e-2re-fg f2d2 b-2rb-ag f+4a>c4.d4
$Me4 < a4gf8^2 b-4ag8^2 e4fg4efg a4.g16f16g4e4 d2ref4 g2rg>c4< a1^2.r4
$Me5 a4gf8^2 b-4ag8^2 e4fg4efg a4.g16f16g4e4 d2rdefec4<a4.>e4 d2.^16 l32 ef ga b->c d1

Ch1 v13 (Brass) \s3000 o5l8  (Me1)(Me2)  (Me3) (Brass) v-- (Me4)(Me5) v++
Ch2 v12 (Brass) \s6000 o4l8 <(Me1)(Me2)> (Me3) (Hue) > v- (Me4)(Me5)< v+

#-----------------------------------------------------------------------------
# Side-A
#-----------------------------------------------------------------------------
Ch3 v10(Ou)o4l16
Ch3 a>dfa<  v- a>dfa<  v- a>dfa<  v- a>dfa<  v+++
Ch3 g>ce-g< v- g>ce-g< v- g>ce-g< v- g>ce-g< v+++
Ch3 fb->df< v- fb->df< v- fb->df< v- fb->df< v+++
Ch3 < fa>cf v- a>cfa v- fc<af v- c<afc v+++

Ch3  grgr8.gggrgr8.gr
Ch3   drdr8.dddrdr8.dr
Ch3 (Sq) \s1000 > g4.fe-d2 <  @1 b-2g4b-4
Ch3 @2l8 b-2rb->cd f2rfa>c
Ch3 @1l16 \s50 g>d<db-<b->g<g>d<db-<b->g<g>d<db- \s1000
Ch3 @2g4.fga4b-4
Ch3 l2>ce-d<ab->dc1 <<g>cdg b-4.>c4.d4^2.r4
Ch3 (Ou)l8 e->e-ce-<g>e-ce- < d>d<b->d<g>d<b->d< c>c<a>c<f>c<a>c< gb->dg<gb->dg
Ch3 l16 c>c<g>c<e->c<g>c< c>c<g>c<e->c<g>c<
Ch3 < a>afadafa<a>afadafa<
Ch3 b->b-gb-db-gb-< b->b-gb-db-gb-<
Ch3 < df+a>c df+a>c df+a>c df+a>c

#-----------------------------------------------------------------------------
# Side-B
#-----------------------------------------------------------------------------
Ch4 v12\s100\e1000@2%65o5l1 # dc<b-a


Ch4 l32 v2  d>d< v+ d>d< v+ d>d< v+ d>d< d>d< v+ d>d< v+ d>d< v+ d>d< v+ d>d< v- d>d< v- d>d< v- d>d< d>d< v- d>d< v- d>d< v- d>d<
Ch4 l32 v2  c>c< v+ c>c< v+ c>c< v+ c>c< c>c< v+ c>c< v+ c>c< v+ c>c< v+ c>c< v- c>c< v- c>c< v- c>c< c>c< v- c>c< v- c>c< v- c>c<
Ch4 l32 v2< b->b-< v+ b->b-< v+ b->b-< v+ b->b-< b->b-< v+ b->b-< v+ b->b-< v+ b->b-< v+ b->b-< v- b->b-< v- b->b-< v- b->b-< b->b-< v- b->b-< v- b->b-< v- b->b-<
Ch4 l32 v2  a>a< v+ a>a< v+ a>a< v+ a>a< a>a< v+ a>a< v+ a>a< v+ a>a< v+ a>a< v- a>a< v- a>a< v- a>a< a>a< v- a>a< v- a>a< v- a>a<

Ch4 v9(Sq)l8 \s4000 v9 b-2rb-ag f2rfdf g1 d4.e-16f16g4b-4
Ch4 g2rgab- >c2.f4d1^2r2 l16
Ch4 \s1000 c<b->c4r8c2
Ch4 <a4.b->cd4f4
Ch4 g4.fe-d4<b-4 f2r2
Ch4 < g2>c2d2g2 >d2.^16l32 e-fgab->c d1 l8
Ch4 < v-- r32 e-2re-dc d2<b-2> c2rc<b-a g4b->d8^2 e-2re-fg f2d2 b-2rb-ag f+4a>c4.d8.^32 v++

#-----------------------------------------------------------------------------
# Side-A+B(C part)
#-----------------------------------------------------------------------------
$SI1 l8(Ou) dfa>d< dfa>d< dgb->d< dgb->d< ceg>c< ceg>c< <a>dfagec<g a>afadafa c>c<g>c<e>c<g>c< dfa>d< dfa>d< dfa>d< dfa>d<
$SI2        dfa>d< dfa>d< dgb->d< dgb->d< ceg>c< ceg>c< <a>dfagec<g d>d<a>d<f>d<a>d< c>c<a>c<e>c<a>c< dfa>d<dfa>d< dfa>dfa>d

Ch3 o4    v++ (SI1) (SI2) f8 v--
Ch4 o4    r16 (SI1) (SI2) f16

#-----------------------------------------------------------------------------
# Drums
#-----------------------------------------------------------------------------
Ch5 l4 (B) cccc cccc cccc ccc8 (S)c8c8c16c16
Ch5 l16 (B) c4 (S)c8.(B)c c8cc (S)c4
Ch5 l16 (B) c4 (S)c8.(B)c c8cc (S)c8c8
Ch5 l16 (B) c4 (S)c8.(B)c c8cc (S)c4
Ch5 l16 (B) c4 (S)c8.(B)c c8cc (S)cccc
Ch5 l16 (B) c4 (S)c8.(B)c c8cc (S)c4
Ch5 l16 (B) c4 (S)c8.(B)c c8cc (S)c8c8
Ch5 l16 (B) c4 (S)c8.(B)c c8cc (S)c4
Ch5 l16 (B) c8 (S)ff (B) c8 (S)e-e- (B) c8 (S)d-d- (B) c8 (S)<bb>

Ch5 l16 (B) c4 (S)c8.(B)c c8cc (S)c4
Ch5 l16 (B) c4 (S)c8.(B)c c8cc (S)c8c8
Ch5 l16 (B) c4 (S)c8.(B)c c8cc (S)c4
Ch5 l16 (B) c4 (S)c8.(B)c c8cc (S)cccc
Ch5 (B) c2c2 (S)c8(B)c8c8 (S)c8(B)c8c8 (S)c8(B)c8
Ch5 (S) f4.d4.<b-4> (B)r2c8(S)c8c8cc

Ch5 l16 (B) c4 (S)c8.(B)c c8cc (S)c4
Ch5 l16 (B) c4 (S)c8.(B)c c8cc (S)c8c8
Ch5 l16 (B) c4 (S)c8.(B)c c8cc (S)c4
Ch5 l16 (B) c4 (S)c8.(B)c c8cc (S)cccc

Ch5 l8 (B)c(S)c(B)c(S)c(B)c(S)c(B)c(S)c
Ch5 l8 (B)c(S)c16c16(B)c(S)c(B)c(S)c16c16(B)c(S)c
Ch5 l8 (B)c(S)c(B)c(S)c(B)c(S)c(B)c(S)c
Ch5 l16 (B)c8(S)c8c8cc cccc cccc

Ch5 l8(B) cc(S)c(B)c4c(S)c(B)c cc(S)c(B)c4c(S)c(B)c cc(S)c(B)c4c(S)c(B)c cc(S)c(B)c4c(S)cc
Ch5 l8(B) cc(S)c(B)c4c(S)c(B)c cc(S)c(B)c4c(S)c(B)c cc(S)c(B)c4c(S)c(B)c cc(S)c(B)c4(S)ccc
Ch5 l8(B) cc(S)c(B)c4c(S)c(B)c cc(S)c(B)c4c(S)c(B)c cc(S)c(B)c4c(S)c(B)c cc(S)c(B)c4c(S)cc
Ch5 l8(B) cc(S)c(B)c4c(S)c(B)c cc(S)c(B)c4c(S)c(B)c cc(S)c(B)c4c(S)c(B)c cc(S)c(B)c (S)cccc16c16
特殊な命令は、主にエンベロープ関連の以下3つぐらいで、あとは標準的な仕様だと思います。
・「\s」スタート・エンベロープ(音を鳴らし始めてからMAX音量になるまでの時間)
・「\e」エンド・エンベロープ(音を止めてから音量0に減るまでの時間)
・「%」キーオフ・タイミング(%50で4分音符を鳴らせば、8分のタイミングでキーオフ指令を出して、そこからエンド・エンベロープによる減衰が始まります)

音色数は少ないのですが、エンベロープさえ弄れれば表現の幅は無限大です。
だから、音色数はもっとも基本的な三角波、ノコギリ波、矩形波(+ノイズ)だけでも、割と困りません。
フレキシブルな波形変化については、波形メモリ音源やPSG音源の単音では不可能な部分(FM音源じゃないとできない特徴)ですが。一応、複数チャネルを使って音を重ねれば、多少の変化は得られます。

ただし、あまり重ねすぎると汚くなりますが。
絵の具と同じです。
だから、同時発生数を敢えて6声に制限しました。
6声ぐらいが一番キレイ。


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