В контексте синтеза звука, сэмплированием называют типы синтеза, в которых используются предварительно записанные образцы натуральных звуков. Это могут быть звуки акустических музыкальных инструментов, других синтезаторов и любые другие. Сэмплеры — устройства, способные записывать звуки (т.е. сэмплы — «образцы») с помощью микрофона и создавать на их основе собственные патчи (это могут быть как «тембры», так и one-shots — это, например, звуки ударных). Существует также множество инструментов, использующих сэмплирование, как тип синтеза, но не имеющих функции записи сэмплов, их часто называют «ромплерами» — от ROM (Read Only Memory).
Аналоговые и цифровые сэмплеры
Однако, современный сэмплер (или ромплер) устроен намного сложнее, чем просто устройство воспроизведения записанных звуков на разной высоте. Например, при игре на акустических инструментах характер звукоизвлечения влияет не только на динамику (т.е. громкость), но и на тембр звука, в нем могут появляться дополнительные характеристики. У гитары, скажем, при акцентированной атаке появляется характерный «щелчок». Чтобы передать такого рода нюансы, для каждой ноты используется не один сэмпл, а несколько. Они микшируются в разных пропорциях в зависимости от управляющей команды, например, динамики (в MIDI это сообщение velocity – скорость нажатия клавиши), см. рисунок:
Cэмплы могут разбиваться по стадиям ADSR — отдельно атака и спад, отдельно sustain и отдельно затухание (release). Кроме того, сэмплер обычно содержит модули осцилляторов и фильтров, которые позволяют изменять звучание исходного сэмпла до неузнаваемости.
Существуют также различные технологии сэмплирования, которые работают с более или менее короткими отрезками исходных сэмплов, наиболее распространенные: таблично-волновой синтез (Wavetable Synthesis), линейно-арифметический синтез (Linear Arithmetic Synthesis, LA) и гранулярный синтез (англ. Granular synthesis).
Wavetable синтез
В 1980 Вольфганг Палм, основатель компании PPG, разработал т.н. "wavetable-синтез". Идея нового типа синтеза состояла в том, чтобы вместо целых сэмплов использовать их короткие отрезки (в один период), сгруппированные в матрицы, получившие название wavetables.
Первый синтезатор PPG, в котором был реализован этот алгоритм, Wavecomputer 360 (1980 г.) оказался неудачным из-за неинтересного звука и ограниченной полифонии. Однако, модель Wave 2, выпущенная в 1981 году, стала довольно успешной - при цене $10 000, с 1981 по 1987 гг. их было продано около тысячи штук.
В синтезаторе были аналоговые огибающие, LFO и фильтры, но цифровые генераторы. Каждый такой генератор, вместо 5-6 простых волноформ, мог воспроизводить любую из волноформ, содержащихся в 30-ти wavetables, которые представляли собой матрицы 8x8, т.е. по 64 волноформы в каждой. Таким образом, каждый генератор мог воспроизводить 1920 вариантов волноформ.
Важным свойством wavetable-синтеза является то, что цифровая интерполяция между смежными волноформами в матрице позволяет получать плавные и динамические изменения тембра. Эти изменения могут управляться различными способами: LFO, огибающими или изменением значения velocity.
С 1992 термин wavetable стал некорректно (в маркетинговых целях) использоваться в звуковых картах Creative Labs, которые использовали не wavetable-синтез, а обычное воспроизведение сэмплов и FM-синтез.
Линейно-арифметический синтез
Линейно-арифметический синтез (Linear Arithmetic Synthesis, LA) — тип синтеза, основанный на формировании звука путем совмещения семплированной атаки с генерируемой остальной частью сигнала. Технология возникла как попытка компании Roland найти компромисс между качеством сэмплированных звуков, их количеством и необходимым для их хранения объемом памяти, стоимость которой в 80-е гг. прошлого века была заметной частью стоимости всего инструмента.
Решением этой сложной задачи стал Roland D-50 (и звуковой модуль D-550), выпущенный в 1987 году. В нем впервые была применена технология линейно-арифметического синтеза, суть которой сводилась к следующему. В память синтезатора помещалась самая сложная для синтезирования часть любого звука — атака. Поскольку атака составляет очень короткий отрывок семпла, она не занимает много памяти. Вся же остальная составляющая тембра генерировалась стандартными средствами синтеза. При нажатии клавиши инструмента в первые доли секунды из памяти вызывалась волновая форма, а затем она «подхватывалась» генератором. Сформированный таким образом звук мог иметь любую длительность, так как не был зависим от продолжительности записанного семпла. Кроме того, весь сложный тембр в дальнейшем подвергался всем остальным этапам синтеза — фильтрации, обработке процессорами эффектов и так далее.
Гранулярный синтез
Тип синтеза, основанный на воспроизведении коротких (от 1 до 50 мс) отрезков сэмплов. Эти отрезки - гранулы - могут накладываться друг на друга, воспроизводиться с разными скоростями, фазами, с изменением громкости, частоты и любых других параметров. Суть метода заключается в использовании сложных волноформ вместо простых синусоид, пилообразных, прямоугольных и т.п. колебаний.
Аналогичная технология используется в таких эффектах, как time stretching и pitch shifting:
На рисунке вверху — часть обычного слова. Видно, что звук содержит несколько (на рисунке — два) отрезков, которые повторяются.
На рисунке посередине отрезок растянут в длину с помощью плагина Time Stretch без изменения высоты тона. Повторяющиеся периоды волны (гранулы) добавлены в необходимом количестве.
Третий рисунок показывает исходный звук, который был сдвинут с помощью плагина Pitch Shift на семь полутонов вверх. Фрагменты были пересчитаны с пропорциональным увеличением частоты и вставлены в количестве, необходимом для сохранения продолжительности звучания.
Классический пример гранулярного синтезатора - Malström из пакета Reason, он использует предустановленный набор сэмплов в качестве исходных волноформ. Для каждого из осцилляторов с помощью слайдера Index задается начало отрезка, а контроллер Motion задает скорость перехода между гранулами. С помощью регуляторов Shift, Octave, Semi и Cent можно управлять тембром и высотой заданного отрезка. Если выставить все регуляторы в ноль, осциллятор будет просто воспроизводить сэмпл:
Демонстрация гранулярного синтезатора GR-1
Rompler
Rompler (ромплер) — сленговое обозначение, образованное от аббревиатуры ROM (Read Only Memory) и термина Sampler. Ромплерами называют устройства, которые могут воспроизводить семплы, хранящиеся в их памяти (ROM-chips), но не способны их записывать. Единственным преимуществом таких инструментов является более низкая цена. Представителями профессиональных устройств такого рода являются, например, E-mu Proteus и Roland U-20. К этой же категории относятся многочисленные непрофессиональные цифровые клавишные инструменты: все современные модели Casio, Yamaha серии PSR и т.п.