История разработки аудио эффектов с использованием виртуального моделирования электронных схем
Технология физического моделирования, как принято называть программную эмуляцию естественных акустических явлений и электронных схем, предназначенную для использования в музыкальных инструментах и процессорах аудио эффектов, начала свою историю в 1995 году с разработки виртуального акустического синтезатора Yamaha VL1. В то время практически не существовало других электронных музыкальных продуктов, базирующихся на физическом моделировании, и VL1 стал первым в мире коммерчески доступным синтезатором, в котором технология нашла применение. Так как технология использовалась для моделирования акустических явлений, мы стали называть ее “VA синтезом”, где VA обозначает “Виртуальная Акустика”.
K’s Lab или лаборатория К - команда, собранная для разработки тон-генератора для VA - была основана в центре исследований и разработок Yamaha под руководством г-на Тошифуми Кунимото (которого с нежностью звали “доктор К”) в 1987 году. Название K’s Lab на самом деле появилось позднее, но г-н Кунимото был и остается главной движущей силой разработки физического моделирования для музыкальных инструментов и аудио процессинга Yamaha.
VCM технология и эффекты “Vintage Open Deck”
Базирующийся на VCM эффект Vintage Open Deck изначально разрабатывался для цифровых консолей Yamaha.
Когда стартовал проект Open Deck, команда K’s Lab почти закончила разработку нескольких великолепно звучащих компрессоров и эквалайзеров, где VCM технология применялась для программного моделирования физических электронных схем. Команда уже находилась в поиске нового вызова. Возник вопрос об имитации записи на магнитофонную ленту, и последующие непростые дискуссии начали фокусироваться на значительном влиянии, которое магнитофон оказывал на звук аналогового тракта, в который могли входить микрофоны, микшерная консоль и внешний процессор. Учитывая доступные в то время технологии, магнитная лента являлась во многих смыслах “необходимым злом”, без которого невозможно было обойтись в процессе записи нескольких источников звука, не всегда одновременной, и последующего их объединения в окончательный микс.
В то же время искажения и компрессия, характерные для записи на магнитную ленту, значительно обогащали звучание инструментов и вокала, становясь неотъемлемой частью музыки и продакшн-стиля того времени. Даже теперь некоторые звукоинженеры и продюсеры предпочитают “печатать” ритм-треки на аналоговую ленту и затем снова использовать их в DAW (цифровой рабочей станции), чтобы убедительно воспроизвести эту аналоговую ауру.
Конечно, физические явления процесса записи на магнитную ленту были тогда хорошо изучены и учитывались при проектировании и производстве ленточного записывающего и воспроизводящего оборудования. Чтобы точно эмулировать процесс цифровым образом, необходимо использовать технологию VCM и смоделировать характеристики схем, начиная от усилителя секции записи и записывающей головки, свойства самой магнитной ленты, а также характеристики схем от воспроизводящей головки до усилителя воспроизведения с его NAB или схожей эквализацией.
Вот как выглядит процесс аналоговой записи и воспроизведения, который является также блок-схемой нашей VCM Open Deck модели:
«Когда модель готова, начинаются измерения и тестирование. Одной из проблем, с которой пришлось столкнуться, было то, что в то время (примерно в 2002 году) запись с помощью DAW уже стала “мейнстримом” и было трудно найти профессиональные аналоговые магнитофоны в хорошем рабочем состоянии. Также непросто было найти инженеров, достаточно подготовленных для выполнения таких важных процедур как установка угла наклона головок и настройки АЧХ, необходимых для обеспечения оптимальной работы аналоговых записывающих устройств. Нам повезло и мы смогли получить необходимые данные, используя великолепно звучащее аналоговые магнитофоны, находящиеся в идеальном состоянии.»
«Так как усилители записи и воспроизведения в VCM модели являются отдельными компонентами, различные записывающие и воспроизводящие устройства могут легко комбинироваться для большего разнообразия. Мы часто описываем VCM технологию как эмуляцию на “компонентном уровне”, но на самом деле это смесь эмуляции на макро и микро компонентных уровнях. Если могут быть смоделированы характеристики, например, усилителя как единого целого, то макроуровневая компонентная эмуляция достаточна.
Однако, если для достижения желаемого эффекта необходимо смоделировать входящие в схему усилителя отдельные диоды или транзисторы, применяется микроуровневая эмуляция компонентов. Большинство распространенных смоделированных эффектов пытаются моделировать весь эффект целиком на макро уровне, но в K’s Lab мы часто идем глубже и моделируем индивидуальные электронные компоненты на микро уровне, если качество и общая эффективность, которых мы стараемся достичь, требуют этого.»
Разработка была затруднена тем фактом, что намагничивание ленты является достаточно неясным процессом, который трудно измерить и охарактеризовать. Даже с готовой базовой моделью задача встраивания индивидуальных характеристик ленточного магнитофона оказалась сложной. Какие характеристики являются главными для достижения желаемого эффекта и как должны быть реализованы в модели необходимые для получения этих характеристик параметры?
В итоге, эти проблемы были решены путем слияния науки и мастерства, а именно соединением глубоких технических знаний инженеров, специализирующихся в области обработки сигнала, с талантом и вкусом выдающихся звукоинженеров-консультантов. Огромное количество времени было потрачено на настройки и подстройки, пока наконец мы не получили в результате четыре выдающихся комплекта данных, базирующихся на наших профессиональных магнитофонах: Swiss ‘70, Swiss ‘78, Swiss ‘85 и American ‘70. Первоначальной целью было, скорее, воссоздание музыкальной функциональности этих дек, чем воссоздание их точных технических характеристик, поэтому они были настроены таким образом, чтобы ярко проявлялись наиболее желаемые звуковые качества каждой деки.
Давайте рассмотрим в качестве примера частотный отклик:
Как можно увидеть, отклик аккуратно воссоздан с точностью до мельчайших деталей. Заметьте, однако, что Open Deck эффекты моделируют ряд нелинейностей, появляющихся в процессе аналогового ленточного воспроизведения, и показанные здесь данные представляют только одну небольшую часть всего Open Deck эффекта.
Наши усилия получили, в целом, высокую оценку, и Джун Тояма, звукорежиссер, принявший участие в фазе оценки проекта, посчитал возможным сказать, что мы создали "ценную референсную библиотеку для будущих поколений”.
Конечным результатом стали универсальные Vintage Open Deck эффекты, не только обеспечивающие очень ценную для консолидации ритм-треков и других элементов микса реалистичную ленточную компрессию, но и подмагничивание, которое можно сдвигать от стандартных настроек, чтобы управлять также гармоническим содержанием сигнала.
Ещё одной популярной особенностью является возможность комбинировать разные записывающие и воспроизводящие магнитофоны. В студийном производстве записывающее устройство для мастеринга часто отличается от записывающего устройства, используемого для микса. Способность Vintage Open Deck эффектов легко воссоздавать такую среду была высоко оценена продакшн профессионалами и быстро начала применяться.
Серия аддонов на базе технологии VCM была первоначально выпущена в 2004 году как аудио эффекты для цифровой микшерной консоли Yamaha. В серию также входят такие эффекты, как компрессор Comp276 и EQ601, созданные под руководством инженера звукозаписи Шиничи Акагава. Все они высоко ценятся за их выдающуюся музыкальность.
Сотрудничество с Rupert Neve Designs
Точность эмуляции и музыкальность технологии VCM получили в целом высокую оценку пользователей консолей серии DM/O, пользователей консолей PM5D, пользователей консолей M7CL и широкого спектра других конечных потребителей. Но, несмотря на позитивный отклик партнёров и потребителей, команда K’s Lab была полна решимости поставить самую высокую цель для подтверждения технологической и музыкальной ценности своих творений. Вопрос состоял в том... что могло бы стать такой целью?
Одной из очевидных возможностей была эмуляция высоко ценимого и широко признанного аналогового устройства. Однако было бы недостаточно попытаться создать эмуляцию, которую уже создали другие. Это должен был быть “Святой Грааль” эмуляции, в котором ни один производитель еще не добился успеха. После долгих обсуждений были выбраны производимые компанией RND (Rupert Neve Designs) внешние аналоговые процессоры серии Portico. У нас сложилось впечатление, что Руперт Нив был преданным сторонником аналогового аудио и вряд ли согласился бы сотрудничать с производителем цифрового аудио на базе “обычной” технологии цифрового процессинга. Однако, по счастливой случайности, мы получили известие, что приблизительно в это же время г-н Нив начал проявлять интерес к разработке цифровой технологии. Вскоре мы договорились о встрече с Рупертом Нивом в RND.
Мы прибыли в частную резиденцию Нива в один из летних дней 2007 года. Мы не просто хотели продемонстрировать сильное желание доказать состоятельность нашей технологии путем моделирования RND эквалайзера и компрессора, мы выполнили “домашнее задание” и были хорошо подготовлены. К тому времени мы исследовали прошлые и настоящие эквалайзеры как автономного (stand-alone), так и консольного типов, и достигли уровня, который позволял нам точно моделировать практически любой из когда-либо произведенных аналоговых эквалайзеров. То, чем мы в реальности располагали, скорее являлось ноу-хау, чем технологией. В мире просто не существует технологии, включая сэмплинг, способной точно смоделировать все эквалайзеры по щелчку переключателя. Невозможно уловить и воспроизвести все характеристики всех винтажных эквалайзеров, используя только одну программу. Полученный опыт подсказывал нам, что наше ноу-хау должно применяться для индивидуальной оптимизации каждой модели, при этом потребуются большие усилия и много времени.
На встрече в резиденции Нива мы подробно описали ему VCM технологию и её предысторию. В качестве примера типа результатов, которые могут быть достигнуты только при использовании технологии VCM, мы объяснили как команда K’s Lab уже добилась успеха в моделировании характеристик популярного в 60-х и 70-х эквалайзера Neve. Мы также сообщили, что могли точно моделировать цифровым методом тип компрессии с обратной связью, как в компрессоре 33609 и других винтажных компрессорах. Это было достижением, которым мало кто мог похвастаться. Мы упомянули об этом, потому что, исходя из спецификаций Portico 5043, нам казалось, что г-н Нив был сторонником звучания компрессоров с обратной связью. Оказалось, что мы были правы, и Нив действительно высказал на встрече свое неудовлетворение многими современными плагинами, эмулирующими звучание компрессии с обратной связью. Мы также убедились в том, что моделирование является лишь половиной работы, и рассказали, что в K’s Lab мы прилагаем все усилия по подгонке и настройке моделей для достижения максимально музыкального звучания.
Встреча прошла успешно, и наши приготовления принесли плоды. Тем же вечером мы получили известие, что Нив хотел бы сотрудничать с Yamaha и K’s Lab.
Впоследствии мы узнали, что Нив получал предложения от бесчисленных разработчиков и отклонил их все.
Возможность сотрудничать с RND была предоставлена нам, потому что г-н Нив понял, что мы не только обладаем технологией для точной эмуляции измеряемых характеристик аналогового оборудования, но и стремимся также к достижению самого лучшего по возможности звука. Без этого понимания сотрудничество между RND и Yamaha K’s Lab не началось бы.
Моделирование компрессора и эквалайзера
Процесс VCM моделирования в общих чертах может быть разделён на два этапа: воспроизведение функциональности моделируемого эквалайзера или компрессора и добавление звуковых характеристик усилителей, трансформаторов и других участвующих в формировании звука физических элементов. Во многих случаях сначала идет функциональность.
Примечательной особенностью эквалайзерного фильтра Portico 5033 (передаточной функцией) является характерный отклик полочного фильтра Neve.
Одним из значительных достижений Нива в то время было эффективное использование овершута или выброса в области “плеча” кривой полочного фильтра для создания оптимизированного общего отклика.
Тогда Руперт Нив стал пионером в разработке такого типа отклика фильтра, и этот же подход использовался, начиная с раннего 1073 вплоть до эквалайзеров Focusrite ISA. Оригинальная концепция Нива оказала влияние на знаменитую серию SSL 4000 и другие консоли, но нынешние устройства RND Portico с их усовершенствованными современными схемами поднимают достоинства исходного дизайна на новую высоту. В широком смысле идеалом Нива является трапециевидная форма “полки”, к которой можно приблизиться путем тщательного расчета выброса фильтра. Кроме того, выброс неуловимо изменяется в соответствии с частотной настройкой фильтра и оказывает на звук многомерное и сложное влияние. Такой скрупулезный контроль частотного отклика является лишь одним из аспектов гения г-на Нива.
Когда Нива спрашивали, почему фильтр был первоначально разработан таким образом, он отвечал, что тогда, в 60-х, звукоинженеры нуждались в возможности до некоторой степени скорректировать баланс микса после сведения треков на двухдорожечную ленту. Дизайн полочного фильтра эквалайзера позволял исправлять баланс между, например, гитарой, басом и барабанами в стерео миксе. Эта же способность оказалась полезной для коррекции баланса микса и очищения звучания отдельных треков в обстановке современного студийного производства. Базовый проект не устаревает, а создавший его так давно талант заслуживает величайшего уважения.
Теперь, посмотрев на компрессор Portico 5043, мы заметим, что он снабжен уникальным переключателем FB, предназначенным для изменения метода управления гейном (усилением). Компрессор, в основном, состоит из двух секций: секции, определяющей уровень входного сигнала и решающей, насколько необходимо уменьшать гейн, и секции непосредственно уменьшающей гейн или осуществляющей компрессию (сжатие) входного сигнала. Коммуникация между этими двумя секциями происходит либо через схему “feedback” (обратной связи), либо через схему “feed-forward” (прямой связи). В Portico 5043, когда переключатель FB задействован, компрессор функционирует в режиме обратной связи, а когда переключатель выключен, компрессор работает в режиме прямой связи.
Большинство современных компрессоров относятся к типу с прямой связью, в то время как большинство винтажных компрессоров используют обратную связь. Поворотный момент наступил примерно в середине 70-х, когда разработка VCA чипов облегчила применение прямой связи. Компрессор dbx 160 и аналогичные современные устройства относятся к типу компрессоров с прямой связью, а более старые модели, такие как Urei 1176 и Teletronix LA-2A используют в работе обратную связь. Среди многочисленных факторов, вносящих вклад в звучание компрессора, выбор типа управления с обратной или прямой связью оказывает значительное влияние. Компрессоры с прямой связью имеют тенденцию предлагать более естественное и открытое звучание, в то время как компрессоры с обратной связью могут создавать более мощный и напористый звук.
Моделирование усилителей и трансформаторов. Завершение работы над эффектами.
Усилители и трансформаторы, используемые во входных и выходных каскадах Portico 5033 и 5043 являются неотъемлемой частью их звучания и, следовательно, должны быть смоделированы точно. Усилитель и трансформатор остаются в сигнальном тракте даже в случае байпаса EQ или компрессора, что приводит к более музыкальному тону, когда устройства Portico используются просто в качестве линейных усилителей. Звук усилителей и трансформаторов является основой “Neve Sound” (фирменного звука Нива), и эта основа соединяется в Portico 5033 и 5043 с соответствующими музыке эквализацией и компрессией.
Вдобавок к электрическим принципиальным схемам г-н Нив предоставил документацию, которая оказала неоценимую помощь в моделировании усилителей и трансформаторов. Эти документы включали в себя текст, позволивший нам лучше понять его философию разработчика. Это была редкая и ценная возможность проследить его инженерный подход и намерения, а также его непоколебимое упорство в стремлении к “хорошему звуку”.
Инженерный блеск Руперта Нива и его глубокое понимание звука прослеживаются как в усилительных схемах, так и в трансформаторах. Ключевой момент заключается в создании “музыкально звучащих искажений”. Схемы усилителей и трансформаторов изысканно сбалансированы, чтобы обогащать и поддерживать музыку. Усилительные схемы имеют дискретный дизайн с двухтактными выходными каскадами, тщательно сконфигурированными так, чтобы не возникали искажения типа “ступенька” (crossover distortion). Достигнутый “безупречный” звук является превосходным свидетельством обширности знаний и опыта г-на Нива.
Разработчики и производители аудио оборудования редко разрабатывают собственные трансформаторы, и тот факт, что Руперт Нив это делал - а он начал свою карьеру с должности инженера у производителя трансформаторов - является еще одним слагаемым “волшебства” фирменного звучания Нива. Он всегда сам разрабатывал применяемые в устройствах трансформаторы, начиная с первых продуктов компании Neve. Входной и выходной трансформаторы, используемые в устройствах Portico не стали исключением. Важно отметить, что они не являются простой переделкой старых моделей - это совершенно новые трансформаторы, специально разработанные для оптимальной поддержки современного звука. Это же относится к связанным схемам, что позволяет всему блоку музыкально соответствовать времени.
Схемы усилителя, трансформаторы и периферийные схемы, а также баланс между ними являются краеугольным камнем звучания Portico. Г-н Реве описывал это звучание как “обладающее глубиной и перспективой.” Другие упоминают “приятность звучания”, которая так желательна для аналогового оборудования самого высокого класса. Заботливо воспроизводятся все оттенки музыки, включая самые слабые реверберации, а также обстановка, в которой музыка была записана. Г-н Нив уделял большое внимание таким подробностям, когда разрабатывал любое аналоговое устройство, включая серию Portico, и эти мелкие детали составляют суть знаменитого звука Нива.
Все это означало, что нашей самой важной миссией в K’s Lab было не только повторить частотные характеристики, но и достичь той же “приятности звучания” в цифровом формате. Мы направили все наши ресурсы и усилия на реализацию той крайне важной глубины и перспективы Portico в наших моделях усилителей и трансформаторов. Мы начали с использования базовых моделей усилителя и трансформатора, которые мы создавали для других эффектов, но не смогли точно воссоздать звук схем и трансформаторов Portico. Проблема заключалась в том, что на модели повлияли характеристики компонентов и схем, изначально созданных с другим звуковым подходом и предназначенных для реализации тонального характера другого оборудования. Так что мы начали сначала и создали большое количество новых моделей и компонентов, используя технологию VCM и пробуя абсолютно новые методы там, где это было необходимо. Оценивая каждую деталь как с инженерной, так и со звуковой перспективы, мы начали построение модели и улучшение параметров, которые могли эмулировать звук Portico. Бывало, мы создавали прототип, настраивали его, оценивали и возвращались к этапу прототипа, после чего цикл повторялся очень много раз. Более тридцати компонентов были созданы и забракованы в процессе разработки.
В конечном итоге мы добились успеха в создании звука, который был полностью одобрен г-ном Нивом. Непосредственно сравнивая оригинальное аппаратное устройство и модель, Руперт Нив дал следующее письменное заключение:
“Поведение и отклик идентичны. Работа и звуковая сигнатура точно схвачены.”
Руперт Нив — безусловно, легендарная фигура в области профессиональной работы со звуком. Ещё на заре звукозаписи и продюсирования имя Руперта Нива неразрывно ассоциировалось с выдающимся качеством звучания. Звучание аппаратуры, созданной этим подлинным первопроходцем технологий записи, запечатлено на бесчисленном множестве культовых музыкальных альбомов едва ли не всех мыслимых жанров. Продукция, разработанная в Rupert Neve Designs востребована большинством наиболее искушенных профессионалов в области работы со звуком, кинопроизводства и бродкаста.