Synthese par modelisation physique

La synthèse par modèle physique consiste à produire un son à partir de la description physique d'un objet et de la manière dont on va l'agiter. Les techniques de synthèse additive, soustractive, granulaire etc. permettent de créer des sons de toutes pièces, à partir, éventuellement d'une décomposition (analyse), mais surtout d'une recomposition (synthèse) des différents éléments "sonores", qui composent le son que l'on veut entendre.

La synthèse par modèle physique fonctionne dans l'autre sens : on donne les caractéristiques physiques de l'objet que l'on veut "entendre", dimensions, densité et souvent d'autres paramètres, de même les caractéristiques de l'objet qui va l'agiter : si c'est un marteau, par exemple, ses dimensions et sa densité, toujours, mais aussi la distance de laquelle il part, à quelle vitesse, et si le mouvement est constant, absorbé ou accéléré. Les premiers résultats ressemblent souvent aux débuts d'un instrumentiste, comme l'apprenti flûtiste qui n'arrive pas à sortir son premier son parce qu'il n'a pas trouvé la position (assez précise) pour mettre en vibration l'air qu'il souffle contre l'embouchure.

Cette idée est très ancienne dans l'histoire de la synthèse sonore (qui ne l'est pas beaucoup), mais les solutions pratiques sont finalement assez peu nombreuses.

En effet, si l'on cherche à décrire, avec les outils de la physique, l'intégralité des paramètres qui interviennent dans la formation du son d'un violoncelle, de la force du bras qui tient l'archet jusqu'à la manière dont sont filées les cordes, on arrive très vite à une quantité de paramètres totalement inutilisable pour la majorité des musiciens (même si le problème est très intéressant du point de vue de la physique).

Il existe plusieurs méthodes de synthèse par modèle physique, chacune utilisant un paradigme différent pour décrire de manière, sinon simple, du moins à peu près utilisable, des objets vibrants à destination musicale.

La synthèse modale utilise des modèles simples (corde, plaque ...) combinés entre eux. Toute la complexité est masquée par le modèle, et on en contrôle les paramètres de manière relativement simple (suivant l'interface dont on dispose). Ce type d'approche est toutefois limitée aux modèles existants (leur création et est réservée aux spécialistes) et ce n'est pas une approche pensée pour l'interaction, même si la puissance des machines permet d'utiliser de plus en plus de techniques en temps réel.

Le guide d'ondes numérique inventé par Julius Orion Smith en 1985 permet de modéliser des cordes et des tuyaux. L'algorithme a été conçu en utilisant des outils mathématiques adaptés au calcul par ordinateur et est donc très rapide à calculer, en permettant l'utilisation dans des synthétiseurs : le VL-1 de Yamaha est ainsi le premier synthétiseur à proposer d'utiliser des modèles physiques pour générer des sons grâce à cette technique.

L'algorithme de Karplus-Strong est un modèle de corde pincée très efficace qui résout en particulier le problème de l'attaque et de l'apparition progressive des harmoniques dans les premiers instants de l'émission de la note. Le site de Julius O. Smith héberge quelques exemples sonores.

La modélisation physique particulaire représente les objets physiques comme des assemblages de masses ponctuelles répondant aux lois de Newton et interagissant. Initiée par l'ACROE, cette méthode a par la suite été mise en œuvre par d'autres centres de recherche, en particulier à l'Université de York (Cymatic, Tao).

Ces diverses méthodes de formalisations d'objets vibrants sont d'un accès plutôt difficile au musicien habitué à contrôler le son de son instrument par les mouvements de ses doigts, de sa bouche et les variations de son souffle. L'apprentissage et la manière dont on trouve un son particulier est souvent le fait d'une expérience intuitive difficile quand on manipule des outils très abstraits. Certains laboratoires comme l'ACROE développent des outils permettant l'interaction forte d'un humain avec des modèles physiques en couplant des systèmes de capture de geste à retour d'efforts à des outils de génération de son en temps réel. On recrée ainsi complètement un modèle virtuel d'instrument.

Logiciels

• Modalys.
• CORDIS - ANIMA
• GENESIS (s'appuie sur le formalisme CORDIS - ANIMA)
• STK

Voir aussi

• (en) Karplus-Strong string synthesis.

Liens externes

• [1], Un mémoire de maîtrise donnant une bonne vision d'ensemble de l'utilisation musicale des modéles physiques. L'annexe 2 contient beaucoup d'exemples musicaux.