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空川英継
今回は自動演奏ピアノの演奏情報の符号化と記録（エンコード）／再生（デコード）について、テレミュージック符号＊の符号化の考え方を例に解説する。 この符号は実用的にMIDIに対応することも検証されている。 音の強さ、ペダル表現等の演奏情報については、物理量を正規化し、ロジカル値とすることによって、特定の楽器に片寄らない表現とすることが望ましい。 ここでは表現パラメータのうち、音の強さとラウドペダル、ソフトペダル、ソステヌートペダルについてその機能と符号化の考え方について解説する。 1.音の強さの表現 1.1. ピアノにおける音の強さ ピアノの打鍵動作に基づく弦振動の音の強さはおおよそ右図のようになっている。すなわち、通常のピアノ演奏で使用される音の強さの範囲では音の強さ（dB表現）とハンマーが弦を打つ速度（打弦速度）の対数値は線形であり、音の強さ（dB）＝1og（VH／Vo）（ただしVHは打弦速度、Voは常数）と表現できる。（以下この範囲を線形領域と呼ぶ。） また、打弦速度の線形領域は、グランドピアノ第85鍵の実測値を例に取れば、約0・23m／secから約7・85m／secまでの範囲であり、1鍵についてのダイナミックレンジは約30dBとなっている。 しかし、通常の演奏では殆ど使用されることが無いような、打弦速度の微小な領域や逆に過大な領域では、アクションメカニズムや発音機構に固有な特性に起因してこの線形関係からずれてくる。 即ち、打弦速度の微小な領域におけるハーフ打鍵繰作（鍵盤ストロークの途中で打弦）では急速に打弦音の強さが弱まることによって、線形領域での比例係数の約1・6倍の傾きとなり、また過大な領域ではハンマーから弦、さらに響板へのエネルギー伝達効率が低下するとともに響板系そのものの発音レベルの飽和によって線形領域に対して約0・85倍の傾きになっている。
1.2. 音の強さの符号化 音の強さの符号化を考える場合、このようなピアノにおける音の強さの特性に基づいて規格として一般化することが必要である。 そこで、線形関係を表すのに音の強さR（dB）を、ハンマーの打弦速度ｒに対して正規化して表現する。すなわち、線形領域での打弦速度の最小値を標準最小値（s）とし、最大値を標準最大値（u）としたとき、 とする。（ここでr＝SのときR＝−1、r＝uのときR＝1となる） これを符号化するにあたっては、標準最小値と標準最大値の間を100分割して符号化する。さらに打弦速度のダイナミックレンジを実測値に基づき20・log（u／s）＝30dBと規定する。この場合1ステップあたり0・3dB程度となり人間の耳のほぼ検知限以下にできることになる。 次に、標準最小値以下の弱音および標準最大値以上の強音をも拡張して表現できるようにするために線形領域の両端部に符号拡張領域を設けることとする。 この場合、符号拡張領域に対応する打弦動作は通常の演奏においては出現頻度が極めて低く、かつ分解能が線形領域に比べて小さくても良いことを考慮し、線形領域に対して1／2に圧縮して表現すれば充分である。 したがって、ここでNを伝送する音の強さを符号化したものとし、以上の関係をまとめて図示すれば以下のようになる。
1．3 再生側での音の強さの再現性 再生側では、以上のように符号化された音強符号を入力として、これを内部信号レベルに変換し、符号化時のレベルの音として忠実に再生されなければならない。 まず自動演奏ピアノでの再生例を示す。自動演賽ピアノにおいては、入力された音強符号に対応してハンマーの打弦速度の大きさを制御している。また人力（音強符号）と内部信号レベルは線形となっているので入力された符号を複雑に変換することなく容易に利用できる。 また自動演奏ピアノで再生された音響信号レベルの実測値（dB）の例を次に示す。 ここで強音域と弱音域において入力に対して音響レベルが飽和しているのは、再生時のハンマーを駆動するアクチュエータなどに特性上の眼界があるためであるが、これは使用部品の技術レベルの向上などによっていずれ改良され得るものである。特に弱音域の再生には鍵盤駆動の位置制御技術が必要となる
次に電子ピアノでの再生の例を示す。 MIDI電子ピアノではアコースティツクピアノの特性を摸するため、入力された符号に対して、内部信号は下図点線で示す値に変換された後、アンプ、スピーカーを通して放音されるようになっている。 したがって、音強符号が正規化され一般化されていることによって、入力される音強符号に対応したレベルに出力音を設定することは容易になっている。
2 ラウドペダルの表現 2．1 ラウドペダルの機能 ラウドペダル（右ペダル）は、演奏中適宜、曲想に応じ演奏者の意思で音の響きを豊かにしたり音量感を増加させたりするために使われる。 具体的には、演奏者自身のラウドペダルの踏み込みにより弦に対する全てのダンバーの接触度を変化させ、ピアノ打弦音の自然減衰に対する減衰率を制御することにより実現している。このときペダル可動範囲は、減衰率を実際に変化制御できる有効踏みしろ（約8mm）とその両側にそれぞれ機構上の遊びしろを合わせ、全部で約15mmとなっている。また有効踏みしろの範囲ではペダルの効果は連続的である。
2．2 ラウドペダルの符号化 このようなラウドペダルの作用効果の特性に基づいて最も適切な符号化方法を考慮する必要がある。 この場合、符号化は踏み込み量を対象として行うのが最も合理的であり、まず有効踏みしろの範囲での踏み込み量を正規化して表現する。 すなわちこの範囲での下限値を効果最小値（s）、上限値を効果最大値（u）としたとき制御値（r）の正規化値（R）を、 とする。（すなわちr＝SのときR＝−1、r＝uのときR＝1となる） さらにこれを符号化するに当たっては、ハーフペダル領域での分解能も充分となるように考慮し、効果最小値と効果最大値の間を均等に16分割して符号化する。 次に、自動演奏ピアノでは、遊びしろでのペダル繰作は実際の音への効果は少ないが、実際のピアノ演奏においては有効踏みしろへ入るまでの予備動作としては必須なものであり、この部分も拡張して符号化を行う必要がある。ただし音への効果は少ないので機械系制御のための情報としての分解能は有効踏みしろ領域の1／2に圧縮しても充分である。 すなわち、機械系のペダルを全く踏まない基底状態の制御値を無動作値（w）とし、機械系のペダルを限界まで踏み込んだ状態の制御値を全動作値（t）とした場合制御値（r）の正規化値（R）は （ ｕ＜ r ） とし、 （ r ＜ s ） とする。 したがって、ここでNを制御強度を符号化したものとし、以上の関係をまとめて図示すれば以下のようになる。
2・3 再生側でのラウドペダルの再現性 再生側では、以上のように符号化されたラウドペダルの制御強度符号を入力として、これを再生装置固有の内部符号に変換し、所望の効果を再現するよう再生装置を制御しなければならない。 まず自動演奏ピアノでの再生例を示す。 既存の自動演奏ピアノでは8段階の減衰制御値を持つものが多い。この場合、図６のように制御強度符号の−8から8までの０を含む17段階の値に対して適宜対応させることができる。 また、その他の減衰制御値を持つ自動演賽ピアノについても符号の割り当ては容易であり、一般的には最大16段階のものから最小2段階（ON／OFF）しかないものまでそれぞれ対応させることが可能である。 また、―8と8の外側の値に対してはペダル遊びしろでの機械系の駆動制御に利用することかできる。これらの制御により、ペダル機構を駆動制御すると共に所望のダンバーの減衰特性を再生することが可能である。 次にMIDI電子ピアノでの再生例を示す。 既存の電子ピアノの中には−8〜8の17段階に対して、8段階の減衰制御値を割当て再生することができるものがあるが、一般には最大16段階から最小2段階（ON／OFF）での対応が可能である。 機械系のペダル動作を伴わない電子ピアノにあっては有効踏みしろ領域の外側の符号は利用しない。 3 ソフトペダルの表現 3・1 ソフトペダルの機能 ソフトペタル（左ペダル）は、演奏中、曲想に応じ演奏者の意志で音量、音色の変化を得るために使われる。 これをピアノにおいてはソフトペダルの踏み込みにより弦上でのハンマー打弦相対位置を制御することにより打弦本数を変化させて実現している。このときペダル可動範囲は、ハンマーが実際に移動する有効踏みしろ（約12mm）とその両側にそれぞれ機構上の遊びしろを合わせ、全部で約15mmとなっている。 ピアノの弦は音域毎に1本張、2本張、3本張が併設されており、有効踏みしろに入って約60％の位置で3本弦のうち1本がハンマーからはずれ（ここで1／3ポイントと呼ぶ）、更に約90％位置で2本弦のうち1本がはずれる（1／2ポイントと呼ぶ）ように設定され、この2点では特に効果の変化が大きくなっている。
3．2 ソフトペダルの符号化 このようなソフトペダルの作用効果（ハンマーシフト効果）の特性に基づいて最も適切な符号化方法を考慮する必要がある。 この場合符号化は、踏み込み量を対象として行うのが最も合理的であり、まず有効踏みしろの範囲での踏み込み量を正規化して表現する。 すなわちこの範囲での下限値を効果最小値（s）、上限値を効果最大値（ｕ）としたとき制御値（r）の正規化値（R）を、 とする。（すなわちr＝SのときR＝一1、r＝uのときR＝1となる） さらにこれを符号化するにあたっては、1／3ポイント、1／2ポイントを充分再現できるように考慮し、効果最小値と効果最大値の間を均等に16分割して符号化する。このうち制御強度符号が2の時を1／3ポイントに、制御強度符号が7の時を1／2ポイントに設定する。 次に、自動演奏ピアノのために、遊びしろでのペダル繰作は実際の音への効果は少ないが、実際のピアノ演奏においては有効踏みしろへ入るまでの予備動作としては必須なものであり、この部分も拡張して符号化を行う必要がある。ただし、音への効果は少ないので機械系制御のための情報としての分解能は有効踏みしろ領域の1／2に圧縮しても充分である。 すなわち、機械系のペダルを全く踏まない基底状態の制御値を無動作値（w）とし、機械系のペダルを限界まで踏み込んだ状態の制御値を全動作値（t）とした場合制御値（r）の正規化値（R）は （ ｕ＜ r ） とし、 （ r ＜ s ） とする。 したがって、ここでNを制御傾度を符号化したものとし、以上の関係をまとめて図示すれば以下のようになる。 3・3 再生側でのソフトペダルの再現性 再生側では、以上のように符号化されたソフトペダルの制御強度符号を入力として、これを受信装置固有の内部符号に変換し所望の効果を再現するよう再生装置を制御する。 まず自動演奏ピアノでの再生例を示す。既存の自動演奏ピアノでは16段階のハンマーシフト効果値を持つものが多い。この場合、図８のように制御強度符号の−8から8までの0を含む17段階の値に対して適宜対応させることができる。 またその他の効果値を持つ自動演奉ピアノについても符号の割り当ては容易であり、一般的には最大16段階のものから最小2段階（ON／OFF）しかないものまでそれぞれ対応させることが可能である。（実際、殆どのアップライトピアノのソフトペダルはハンマーの打弦距離をコントロールする方式であり、2段階とそれ以上の多段階に対応するものとがある。）また、−8と8の外側の値に対しては、ペダル遊びしろの機械系の駆動制御のためにこれを対応させることができる。これらの制御値に対して、1／2ポイントと1／3ポイントを絞正してペダル機構を駆動制御すると共に所望のハンマーシフト効果を再生する。 次にMIDI電子ピアノでの再生例を示す。既存の電子ピアノの中には−8〜8の17段階に対して、8段階のハンマーシフト効果値を割当て再生することができるものがある。 一般的には最大16段階から最小2段階（ON／OFF）での対応が可能である。機械系のペダル繰作を伴わない電子ピアノにあっては有効踏みしろ領域の外側の符号は利用しない。 4 ソステヌートペダルの表現 4．1 ソステヌートペダルの機能 ソステヌートペダル（中央ペダル）は、演奏中、曲想に応じ演賽者の意志で特定の音のみを長く響かせる効果を得るために使われる。（sostenuto（伊）；音の長さを充分に保って） これをピアノにおいては、打弦中にソステヌートペダルが踏み込まれると、鍵盤戻り後もその鍵に対応するダンパーを開放状態に保持することにより弦振動を自然減衰させることにより実現している。 ソステヌートペダルの場合、ペダル可動範囲の中央付近にのみ効果点が存在する。 4．2 ソステヌートペダルの符号化 このようなソステヌートペダルの作用効果の特性に基づいて最も適切な符号化方法を考慮する必要がある。 この場合も符号化は、踏み込み量を対象として行うのが合理的である。すなわち、Nを制御強度を符号化したものとすると、下図のように踏み込み量（R）に対して関係付ける。
4．3 再生時のソステヌートペダルの再現性 ソステヌートペダルにも駆動系を設けて直接駆動するようにすることは容易であるが、ソステヌートペダルは演奏情報を処理することにより、ペダルのON時にキーONしている音高についてはペダルO F FまでキーONを持続させることによりペダルによるソステヌート効果と等価な効果（疑似ソステヌート効果）を得ることができる。自動演奏ピアノで駆動系で行う場合は、−1と0をO F FとO Nに対応させ、その外側の値に対しては、ペダル遊びしろの駆動制御のためにこれを対応させることができる。 また、MIDI電子ピアノに於いても同様に穎似ソステヌート効果を実現しており容易に再現できる。 ここで紹介したピアノの演奏情報の符号化は テレミュージック信号規格として、符号系の妥当性及び機能の確認実験と伝送特性の確認実験を行って符号形とシステムの実用性が検証されている。［放送技術開発協議会,“衛星放送によるデータ放送に関する技術的条件”,Ｊｕｎ．１９９５］ 次回は ＊テレミュージック |