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空川英継 今回から章を改めて｢デジタル楽器の誕生と進化｣について解説する。 はじめに 半導体はここ数十年の間に集積度を高め、コンピュータやデジタル信号処理の技術が応用できるようになって、その恩恵は様々な分野に浸透している。電子楽器も例外ではなく、1980年代初頭よりデジタル化・コンピュータ化が進み、音質や機能が大幅に進化した。現在では100音以上の発音数・数千種類の音色を持ち、残響付加などの効果器なども装備するまでになっている。一方その演奏性や機能面において、自然楽器の演奏性能に迫るものも現出しており、その多機能さから自然楽器の代用というよりはむしろそれを凌駕するものとなっている。またメディア性を持って用途も多様化している。21世紀になった現在、デジタル楽器はさらなる進化を遂げつつある。 Ⅰ．デジタル楽器誕生の背景 次に挙げる4つの技術の進歩によるところが大きいといえよう （１） デジタル音源の進歩
＝＝図１ デジタル音源の進化 1980年代から2000年代にかけて電子楽器は大幅に変貌した。その音源技術の進化の経緯を図1に示す。図の下方には第1章と第2章で見てきた、ピアノの進化の過程と消音楽器・減音楽器の誕生の経緯をまとめて併記してみた。デジタル音源の進化の過程と良く連動していることが覗える。その産物として本章の主題のデジタル楽器として電子型ピアノが誕生している。 いろいろな方式の試作や検討が行われた中でFM方式が電子オルガンの主な音源方式として採用され、電子オルガンのデジタル化が推進されたのであるが、純粋に技術的な要因だけでなく開発関係者の熱意といったものも方式を決定する要因となった。FM方式を実際の電子楽器へ適用するにはフイードバックFMなど周辺技術の発明が必要であり、それがあって初めて実用化されたのである。 デジタルフィルタもFM音源だけでは作ることのできないスペクトル形状（人声など）を実現するために導入された。任意の特性を作ることができるように音声で用いられていたARフィルタを採用した。次世代のシステムではARMAに改良されている。当時の回路技術では積和計算が困難であったのでシリアル演算を用いている。また遅延の段数を2段にすることによって低域の特性をカバーしている。 FM方式では打楽器音を作るのが難しい為にPCM方式の開発も検討されていた。1980年代初頭にアメリカでPCMの電子ドラムマシンが発表された。電子オルガンにも採用することになり急遽LSIが開発された。当時はメモリ容量も小さくビット数も使えなかったので非線形の量子化やプリエンファシスなどを用いてノイズを低減させた。この時点ではまだPCMでピッチを変える技術はまだ成熟していなかった。 このとき開発された電子オルガンにはデジタル残響付加装置も装備しており、オールデジタル化が実現された。次の世代ではPCMもピアノ音などに用いられるようになった。この時点でもまだ回路の規模的に波形の補間演算が実現できなかった。そのためピッチの変化はサンプリング周波数を変化させる方法で行った。この方式をピッチ同期方式と呼んでいる。連続的にはサンプリング周波数を変化させることはできないので、800kHz程度の速いサンプリング周波数で量子化された値に変化させていた。こうすると他のFM音源などと整合性がとれないので、インタフェースのLSIを作成してサンプリング周波数をそろえることを行っていた。 音源技術の利用はマルチメディア分野・通信分野に広がり、そのための規格も作られている。小規模な電子楽器でも主にコストの面から1つに固定されていた音源方式が並存できるようになり、FM方式／PCM方式／物理モデル方式／その他の方式の特徴を生かして混合して使える様なシステムになっている。音作りのノウハウもできて音質／表現力が今まで以上に上がってきている。それだけではなく弾く人のテンポに合わせて自動的に伴奏をつけたりという具合に単に弾く楽器の枠にとらわれない発展をした。 一方コンピュータの方はCPUの処理能力が上がりソフトウェアで音源を実現できるようになった。ソフトウェアシーケンサもMIDIデータだけではなく波形処理も可能となり、ソフトウェア音源と合わせてマスタリングまで含めた音楽制作がコンピュータだけでできるようになっている。さらに映像との融合も進んでいる。 （２） デジタル信号処理の進歩 現在主流であるPCM音源の概略のブロック図を図2に示す。1音を発音する単位を発音チャンネルと言い、チャンネル毎に時分割多重演算を行って回路規模を削減している。音源開発では方式開発だけでなくこのようなシステム構成の開発も重要なテーマであった。 ＝＝図２ PCM音源のブロック図 半導体の集積度が向上したといっても無尽蔵に回路を搭載できない。どの部分を削るかがLSIの仕様を決める上での重要な鍵である。システムが1つのLSIに収まりきらず複数個のLSIに分割する場合もあった。 波形演算部は楽音波形を発生させる部分であって、制御インタフェースからの情報を受け、位相計算・振幅計算・波形補間・フィルタ演算などを行う。このような回路構成は音源方式によって異なっている。たとえば物理モデル方式では色々な演算を能率的に行うことができるようにDSP構造になっている。 （３） 通信技術の進歩 MIDIやUSBの規格が整備されて、データの通信や他の楽器やコンピュータとの通信のインタフェースとして楽器の機能を多機能なものにしている。特にUSBでは高速なデータ転送を可能にするUSB2.0に対応した高性能オーディオ・インターフェースも提供されており、パソコンとの間に高音質のオーディオ入出力を実現している。 （４） 素形材技術の進歩 素形材技術の進歩によってどんな形状の部材も加工が可能となって楽器の形態やデザインも多様化している。素材に形が与えられたものと定義される素形材は型による形状転写という製造法であり、３D-CADで設計された形状は適材を使って精度良く成形することができる。これにより精密で高性能な部材の加工が可能となるだけでなく、軽量小型で人に優しい形状の外観のデザインも実現され、個性的で機能的な形態の楽器も誕生している。 Ⅱ．デジタル楽器の特徴と分類 （１） 楽器の演奏系の仕組みとデジタル楽器の特徴
＝＝図３ 楽器の演奏系モデル 一般に楽器の演奏系モデルは図3のように表される。自然楽器の演奏系モデルでは各モジュールの構成があいまいで奏法入力によりそれらをコントロールするのが難しく、演奏性を奥深いものにしている。これに対してデジタル楽器の特徴は、ハード構成において、先ずはこの系の楽器本体内で発音源としてデジタル音源を使っていることである。共鳴体の効果をデジタル信号処理してつけたり、大容量化したメモリに共鳴効果も含めた多様な音源データを持たせたりしているものもある。また入力装置はそれぞれの楽器の奏法に対応するものに進化している。そこにはインタフェースの形態や入力信号のセンサーとその信号処理技術の工夫が見られる。放射体は通常のスピーカーによる音放射であるが、共鳴体の効果を付加するものもある。そして音響信号出力のポートを有している。一方でその演奏性や機能面において、自然楽器の演奏性能に迫るものも出てきており、その多機能さから特定の用途分野においては自然楽器の代用というよりはむしろそれを凌駕するものとなっている。またメディア性を持って用途も多様化して来ている。 こうして楽器の演奏系モデルとしてデジタル楽器の特徴をみてくるとデジタル楽器は｢デジタル音源を搭載、インタフェースからの奏法入力に応じてデジタル信号処理と通信・制御により音響信号処理して音放射する多機能な楽器｣と定義できよう。 （２） デジタル楽器の分類 現在誕生しているデジタル楽器をその性能と機能の軸で分類してみると図４のようになる。機能の面では使われ方において代用楽器とエンタテイメントに２分し、性能の面では演奏性と音色に特徴をもつものに分けている。
＝＝図４ デジタル楽器の分類 デジタル楽器は機能と性能がますます革新され進化されるであろう。現在MAX・MSPなど自分の電子楽器を容易に作ることができる環境ができてきた。メーカでは利潤に結びつかないと製品化できないが、研究試作段階ではそれまでにない色々な演奏入力方法、あるいは単なるスピーカーによらない音の放射方法なども試されている。今までの様にアコースティツク楽器の物まねでなく、デジタル楽器の音質／表現力を向上させて、楽器の演奏系モデルとしてその機能・性能においてアイデンティティのある楽器に進化させていくことである。 (以上で、図1,２とその説明は 日音講演論文集’03.9｢電子楽器音源方式の開発｣より抜粋引用させて頂いた。) 次回から順次 ・ 電子ドラム、電子アコーデオン ・ 電子型ピアノ、F.R.ピアノ、電子パイプオルガン ・ 電子オルガン、デジタルピアノ、デジタルシンセ ・ 電子ギター、電子管楽器、ロール式電子ピアノ について、そのシステム構成と機能・性能の特徴を解説する。 |