Vector phaseshaping synthesis of harmonic musical instrument tones

Vector Phaseshaping (VPS) is an extension of the Phase Distortion (PD) synthesis method. VPS proved to be an interesting technique for creating a variety of non-realistic synthetic sounds, but the possibility of producing musical instrument tones has not been studied until now. This thesis investigates the potential of VPS in producing realistic acoustic musical instrument tones. Only one inflection point is used to alter the phase of a single sinusoidal oscillator and modulation at audio-rate is not taken under consideration. As a consequence, only harmonic sounds can be produced. An analysis/synthesis procedure is developed with the purpose of extracting the parameters necessary to represent the sound in a flexible and compact way. The core stage of the strategy consists of comparing the spectrum of a monophonic reference tone with a collection of representative spectra produced with VPS; the “best match” is the VPS spectrum that minimizes a relative-amplitude spectral error, defined as the RMS error of the difference in magnitude of the first harmonics. The comparison is executed only at some points of the reference tone, so that the synthetic tone is described by a small number of parameters. The procedure is supported by a method for synthesizing the residual signal of the reference tone, which is a simplified version of the Spectral Modeling Synthesis (SMS) technique. VPS provides a compact and flexible representation of a musical tone, which makes it a suitable tool for parametric audio coding and for other applications where the bit-rate available is limited. The parametric description of the sound using VPS is also well-suited for performing some simple transformations. The pitch can be easily scaled within a large frequency range and the temporal evolution of the tone can be altered quite freely.

Vector Phaseshaping (VPS) è un’estensione del metodo di sintesi del suono noto come Phase Distortion (PD). La tecnica di sintesi VPS è in grado di creare una varietà interessante di suoni sintetici non realistici, ma la possibilità di generare suoni di strumenti musicali acustici non è stata ancora studiata. Questa tesi vuole indagare le potenzialità del VPS nel sintetizzare suoni realistici di strumenti musicali. Un solo punto di flesso è stato impiegato per alterare la fase di un singolo oscillatore sinusoidale, mentre nessun tipo di modulazione in banda audio è stato preso in considerazione. Per questo motivo, soltanto suoni armonici possono essere generati. Una procedura di analisi/sintesi è stata sviluppata con l’intento di estrarre i parametri necessari a rappresentare il suono in maniera compatta e flessibile. La fase centrale della strategia consiste nel confrontare lo spettro di un tono monofonico di riferimento con una collezione di spettri prodotti mediante VPS; lo spettro VPS selezionato è quello che minimizza una funzione di errore, definita come l’errore RMS della distanza in ampiezza delle prime armoniche. Il confronto viene effettuato solo per alcuni punti del segnale di riferimento, così che il suono sintetizzato è descritto da un numero limitato di parametri. La procedura è affiancata da un metodo per la sintesi del segnale residuo, ovvero il contenuto non armonico del suono, il quale è una versione semplificata del metodo noto come Spectral Modeling Synthesis (SMS). La tecnica VPS offre una rappresentazione compatta e flessibile di un tono musicale che la rende adatta ad essere utilizzata nei sistemi di parametric audio coding e in quelle applicazioni audio dove il bit-rate disponibile è ridotto. La descrizione parametrica del suono mediante VPS si presta ad alcune semplici trasformazioni. L’altezza (pitch) può essere scalata facilmente in un intervallo di frequenze ampio ed è possibile alterare l’evoluzione nel tempo del suono abbastanza liberamente.