Advanced algorithms for audio quality improvement in musical keyboards instruments

Technology is the tool that has allowed music to develop over time, and has ensured artists have ever-growing possibilities of communication and expression. The scientific development, which led to the construction of pianos and violins, today, thanks to digital signal processing techniques, is allowing the creation of new tools and new musical forms. On this basis, engineering activity now works hand in hand with traditional craft aiming to modify the means of musical expression adapting them to today’s socio-cultural context. Since the 70s, the progress of technology has allowed, through sound engineering and digital signal processing techniques, the artificial reproduction of many sound effects that can be used in all forms of musical expression. Since then, the development and the recent deployment of commercial embedded systems at high computational power, pave the ways for the development of new innovative commercial products, characterized by high sound quality, expressiveness and realism. In this work, the focus is on the signal processing techniques used to increase the audio quality of the most used digital audio effects employed in electronic musical instruments also taking into account the feasibility of the proposed algorithms’ implementation in accordance with the design constraints and the available computational limits.Among the audio effects, one of the most used is definitely artificial reverberation. A great deal of research has been devoted in the last decades to improve the performance of digital artificial reverberators. Thanks to the progress of technology the traditional techniques composed of recursive structures (i.e., IIR filters) are accompanied by new approaches based on fast convolution techniques and hybrid reverberator structures. On this basis, an efficient real-time implementation of a fast convolution algorithm has been proposed taking into account an embedded system. Moreover, a technique for reducing the computational load required by this operation, using psychoacoustic expedients, has been presented considering a joint assessment of energy decay relief and the absolute threshold of hearing. Finally, some techniques for the approximation of the convolution operation with recursive structures at low computational cost, have been suggested. Although the convolution operation allows the exact reproduction of a linear system, it is important to consider that most of the audio effects are nonlinear systems (i.e., compressors, distortion, amplifiers). For this reason, the most commonly used techniques for the emulation of nonlinear systems based on a black box approach have been studied and analyzed. In particular, a technique for the approximation of the dynamic convolution operation by exploiting the principal component analysis has been proposed. Using this procedure it is possible to reduce the cost of dynamic convolution without lowering the perceived audio quality. An adaptive algorithm for the identification of nonlinear systems using orthogonal functions has also been presented. In order to provide greater flexibility and major artistic expression to musicians, several audio morphing techniques have been analyzed. In particular, this procedure makes possible to combine two or more audio signals in order to create new sounds that are acoustically interesting. This study has led to the development of an audio morphing algorithm for percussive hybrid sound generation. The main features of the presented approach are preprocessing of the audio references performed in the frequency domain and time domain linear interpolation to execute the morphing. Finally, equalization techniques for improving the quality of sound reproduction systems by compensating the room transfer function have been taken into account. In particular, two algorithms for adaptive minimum-phase equalization and a mixed-phase equalization technique have been proposed. In order to verify the suitability of the proposed systems, experiments on a realistic scenario have been carried out.

La tecnologia è lo strumento che ha permesso alla musica di svilupparsi nel tempo garantendo agli artisti sempre più ampie possibilità di comunicazione e di espressione. L’evoluzione scientifica che ha determinato la costruzione di pianoforti o violini, oggi, grazie alle tecniche di processamento del segnale digitale, permette la realizzazione di nuovi strumenti e nuove forme musicali. Ad un contesto prettamente artigianale si affianca quindi l’attività ingegneristica volta a modificare i mezzi di espressione musicale adattandoli all’odierno contesto socio culturale. A partire dagli anni ‘70 il contributo del progresso alla tecnologia ha permesso, attraverso l'ingegneria del suono e le tecniche di processamento del segnale digitale, di riprodurre artificialmente molti effetti sonori, utilizzabili in ogni forma di espressione musicale. Da allora, la creazione e la recente diffusione di sistemi commerciali embedded ad elevata capacità computazionale ha gettato le basi per lo sviluppo di prodotti commerciali innovativi, caratterizzati da elevata qualità sonora, espressività e realismo. In questo lavoro, l’attenzione è focalizzata sulle tecniche di processamento che aumentano la qualità del segnale audio negli effetti sonori più comunemente impiegati in strumenti musicali elettronici tenendo in considerazione la fattibilità implementativa degli algoritmi proposti nel rispetto dei vincoli progettuali e dei limiti computazionali disponibili.Tra gli effetti audio, il riverbero è sicuramente il più utilizzato da sempre. Tipicamente prodotto utilizzando strutture ricorsive (i.e., filtri IIR), che non sempre garantiscono un'elevata qualità dell'effetto sonoro simulato, nuovi sistemi per la riverberazione artificiale basati su tecniche di convoluzione veloce, stanno affiancando gli approcci tradizionali. Partendo da questa considerazione, è stata proposta un'implementazione efficiente di un algoritmo per il calcolo veloce dell'operazione di convoluzione applicata ad un sistema embedded. E' stata presentata inoltre una tecnica per la riduzione del carico computazionale richiesto sfruttando espedienti psicoacustici basati sulla valutazione di energy decay relief e dell'absolute threshold of hearing. Infine sono state proposte alcune tecniche per l'approssimazione dell'operazione di convoluzione con strutture ricorsive a basso costo computazionale. Sebbene l'operazione di convoluzione permetta l'esatta riproduzione di un sistema lineare, la maggior parte degli effetti audio è composta da sistemi non lineari (i.e. compressori, distorsori, amplificatori). Per questo motivo l'attività di studio ha coinvolto anche le tecniche più utilizzate per l’emulazione di sistemi non lineari, basate su un approccio black box. In particolare, oltre ad una tecnica per l’approssimazione dell’operazione di convoluzione dinamica sfruttando la principal component analysis, il cui obiettivo è quello di ridurre il carico computazionale della convoluzione senza alterare la qualità del segnale audio percepito, è stato proposto un algoritmo adattivo per l’identificazione di sistemi non lineari utilizzando funzioni ortogonali. Al fine di fornire una maggiore flessibilità all’espressione artistica dei musicisti, lo studio ha interessato anche le principali tecniche di audio morphing che permettono di combinare due o più segnali audio per creare nuovi suoni acusticamente interessanti. Questo studio ha condotto allo sviluppo di un algoritmo per il morphing di segnali audio di natura percussiva basato su preprocessamento dei campioni originali nel dominio della frequenza e successiva elaborazione nel dominio del tempo mediante interpolazione lineare. Infine, sono state trattate le tecniche di equalizzazione per il miglioramento della qualità del segnale riprodotto da un sistema audio. Tali approcci permettono di migliorare la qualità audio di un sistema compensando l'effetto di equalizzazione introdotto da una stanza. In particolare, sono stati proposti due algoritmi di equalizzazione adattativa a fase minima e un algoritmo di equalizzazione a fase mista considerando note le risposte all'impulso dell'ambiente da equalizzare. Al fine di verificare l'adeguatezza dei sistemi proposti, sono stati condotti degli esperimenti su segnali acquisiti in condizioni reali.