DE19500751C2

DE19500751C2 - Verfahren zum Erkennen eines Tonbeginns bei geschlagenen oder gezupften Musikinstrumenten

Info

Publication number: DE19500751C2
Application number: DE19500751A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl Phys Szalay
Original assignee: Blue Chip Music GmbH; Yamaha Corp
Current assignee: Blue Chip Music GmbH; Yamaha Corp
Priority date: 1995-01-12
Filing date: 1995-01-12
Publication date: 1999-07-08
Anticipated expiration: 2015-01-13
Also published as: KR100189797B1; EP0722160A3; EP0722160A2; EP0722160B1; US5710387A; JPH096340A; KR960030071A; JP2840819B2; DE69613157T2; DE69613157D1; DE19500751A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Tonbeginns bei geschlagenen oder gezupften Musikinstru menten.

In der Anfangszeit der synthetischen Ton- oder Klang erzeugung verwendete man hauptsächlich Tastenmusikin strumente, bei denen jeder Taste ein klar definierter Ton zugewiesen war. Mit dem Drücken der Taste stand nicht nur die Tonhöheninformation zur Verfügung, son dern auch die Information über den Beginn eines Tones.

Die Beschränkung auf Tastenmusikinstrumente ist jedoch unbefriedigend, weil hierdurch der Kreis der Spieler, die die synthetische Klangerzeugung nutzen können, stark eingeschränkt wird. Man versucht daher seit eini ger Zeit, die Möglichkeiten der synthetischen Klanger zeugung auch bei anderen Musikinstrumenten zu nutzen, beispielsweise bei Gitarren, Bässen oder anderen ge schlagenen oder gezupften Musikinstrumenten, bei denen der Ton durch das Anschlagen oder Anzupfen einer Saite erzeugt wird. Im Grunde genommen ist man hierbei aber nicht auf Saiteninstrumente beschränkt. Das gleiche Problem stellt sich auch beim Schlagzeug und bei allen anderen Instrumenten, bei denen eine Anregung durch einen relativ kurzen Impuls erfolgt und eine Variation des Tones durch Verändern des schwingungsfähigen Gebil des, beispielsweise der Saitenlänge, oder des Angriffs ortes der Anregung bewirkt werden kann. Die folgenden Erläuterungen werden der Einfachheit halber anhand ei ner Gitarre vorgenommen, wobei das Verfahren nicht auf Gitarren beschränkt ist.

Bei Gitarren kann man beispielsweise die Tonhöhe durch Verändern der Länge der angeregten Saite verändern. Auf den Klang kann man beispielsweise dadurch Einfluß neh men, daß man die Saite entweder näher am Bund oder nä her an der Brücke anschlägt. Sobald die Saite schwingt, kann man versuchen, die benötigten Informationen zu gewinnen, um sie synthetisch weiterverarbeiten zu kön nen. Zur Ermittlung der benötigten Informationen sind eine Reihe von Verfahren bekannt. Alle Verfahren setzen aber voraus, daß der Anregungsbeginn, d. h. der Beginn des Tones, mit ausreichender Zuverlässigkeit festge stellt wird, damit der Tonerkennungsalgorithmus über haupt in Gang gesetzt werden kann.

Die einfachste Möglichkeit, einen Tonbeginn festzustel len, ist, zu überprüfen, ob das Tonsignal einen be stimmten Schwellwert überschreitet. Sobald der Schwell wert überschritten ist, kann man auf den Beginn eines Tones schließen. Diese Vorgehensweise reicht jedoch in vielen Fällen nicht aus. Ein Gitarrist möchte (auch in der modernen Pop- und Rockmusik) einen gewissen dynami schen Bereich zur Verfügung haben, d. h. er möchte sehr laut und auch sehr leise spielen können. Während beim lauten Spielen der Schwellwert überschritten werden wird, kann es sein, daß bei sehr leisen Tönen der Schwellwert nicht erreicht wird. Der Gitarrist regt dann zwar die Saite an. Wenn aber kein Tonbeginn fest gestellt wird, erfolgt auch keine weitere Verarbeitung, so daß letztendlich kein Ton hörbar ist. Ein weiterer Problemfall ist, daß beim sehr schnellen Spielen die Amplitude des Tonsignals oft nicht mehr unter den Schwellwert zurückfällt, so daß die neuen Anregungen der Saite gar nicht ermittelt und ausgewertet werden können. Setzt man den Schwellwert zu niedrig an, kann es zu einem Übersprechen von benachbarten Saiten kom men, so daß ein Tonbeginn ermittelt wird, obwohl die Saite gar nicht angeschlagen oder angezupft worden ist, was ebenfalls zu einer fehlerhaften Auswertung führt. Weiterhin ergeben sich Probleme, wenn der Gitarrist ein Plektron verwendet, dieses aber nicht genau mit der Spitze an der Saite ansetzt, sondern etwas flacher über die Saite zieht. In diesem Fall ergeben sich vor dem eigentlichen Ton schon gewisse "Voranregungen", die zwar ebenfalls periodisch sind und in der Regel ein bis zwei Oktaven höher als der gewünschte Ton, aber eben nicht den eigentlichen Ton betreffen, sondern zu früh auftauchen.

Wenn man nun den Schwellwert sehr niedrig ansetzt, um auch leise Töne sicher erkennbar zu machen, ergeben sich gerade in den letzten beiden Problemfällen falsche Signale, die in den nachfolgenden Auswertealgorithmen nur mit Mühe wieder beseitigt werden können. Setzt man umgekehrt den Schwellwert zu hoch an, schränkt man den Dynamikbereich für den Gitarrenspieler ein.

US 5 121 669 beschreibt ein elektronisches Saitenin strument am Beispiel einer Gitarre. Es sollen Tonhöhen und Einhüllende erkannt werden. Um das Vorhandenseins eines Tones zu erkennen, wird der Signalpegel des Ton signals mit einem Schwellwert verglichen. Für die Ein hüllende müssen Daten durch ein A/D-Wandler bereitge stellt werden. Solange die Saite ruht, gibt es auch keine entsprechenden Daten. Die Tonbeginn-Erkennung hängt also mit dem Ausgangssignal des A/D-Wandlers zu sammen. Unabhängig davon ermittelt man aufgrund der später vorliegenden Einhüllenden-Information das Maxi mum der Einhüllenden und erzeugt damit ein "Key-on"- Signal. Wenn sich später nur noch wenige Datenwerte (≦ 2) am Ausgang des A/D-Wandlers finden, wird ein Zeitgeber gestartet und nach Ablauf der vom Zeitgeber vorgegebenen Zeit ein "Key-off"-Signal erzeugt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tonbe ginn in einem großen Dynamikbereich zuverlässig zu er mitteln.

Hierzu wird ein Verfahren zum Erkennen eines Tonbeginns bei geschlagenen oder gezupften Musikinstrumenten ange geben, bei dem aus einem Tonsignal eine Hüllkurven- Folgefunktion gebildet wird, indem ein Betragsmaximum des Tonsignals ermittelt wird, die Hüllkurven-Folge funktion auf dieses Betragsmaximum gesetzt wird und von diesem in vorgegebener Weise abklingt, bis das Tonsi gnal wieder größer wird als die Hüllkurven-Folgefunk tion, wobei in diesem Fall die Hüllkurven-Folgefunktion dem Tonsignal bis zum Erreichen des Maximalwerts folgt, wobei eine Vergleichsgröße aus einem aktuellen Wert der Hüllkurven-Folgefunktion und einem einem früheren Wert entsprechenden Vorgängerwert gebildet wird und ein Ton beginn an einem Zeitpunkt festgelegt wird, an dem die Vergleichsgröße einen Schwellwert überschreitet.

Man wertet also nicht mehr die Amplitude des Tonsignals an sich aus. Vielmehr bildet man zunächst ein aus dem Tonsignal abgeleitetes Signal, nämlich die Hüllkurven- Folgefunktion. Bei praktisch allen geschlagenen oder gezupften Musikinstrumenten klingt der einmal angeregte Ton mit der Zeit ab. Dementsprechend vermindert sich die Amplitude des Tonsignales und die Werte der Hüll kurven-Folgefunktion nehmen mit der Zeit ab. Aufgrund des Oberwellengehaltes, den die meisten Töne haben, ist dieses Abklingen aber nicht in allen Fällen stetig. Vielmehr lassen sich insbesondere am Anfang eines Tones gewisse Überschwingungen beobachten, die zu einem tem porären Vergrößern der Amplitude führen. Nachdem die Hüllkurven-Folgefunktion möglichst einfach realisiert werden können soll, wird man hier ebenfalls eine gewis se Welligkeit beobachten, die von Zeit zu Zeit zu einem Ansteigen der Amplitude führt. Zu Beginn eines neuen Tones ist dieser Anstieg jedoch besonders stark. Durch einen Vergleich des aktuellen Wertes der Hüllkurven- Folgefunktion mit einem früheren Wert (oder einem dem früheren Wert entsprechenden Vorgängerwert) kann man nun diesen Anstieg erfassen. Der Vergleich kann hierbei durch Differenzbildung oder durch Quotientenbildung er folgen, wobei man bei beiden Vorgehensweisen als Ergeb nis eine sogenannte "Vergleichsgröße" gewinnen kann. Sobald diese Vergleichsgröße größer ist als ein Schwellwert, wird ein Tonbeginn detektiert. Alle ande ren Signaländerungen, auch solche, die zu einer vor übergehenden Vergrößerung der Amplitude führen, werden ausgesondert. Da nun nicht mehr die Amplitude an sich ausgewertet wird, sondern ein Amplitudensprung oder ein Amplitudenverhältnis wird es möglich, den Tonbeginn weitgehend unabhängig von seiner Lautstärke festzustel len. Die Hüllkurven-Folgefunktion läßt sich beispiels weise an den Ausgangsklemmen eines Kondensators fest stellen, der parallel zu einem Gleichrichter geschaltet ist. Natürlich läßt sich eine derartige Hüllkurven-Fol gefunktion auch auf relativ einfache Weise numerisch oder digital erzeugen.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß überprüft wird, ob die Hüllkurven-Folgefunktion noch weiter ansteigt, ins besondere vor dem Schwellwertvergleich. Hiermit wird die Genauigkeit der Tonbeginnerfassung verbessert. Als Tonbeginn wird vielfach das Erreichen des Maximums der ersten Schwingung nach dem Anzupfen betrachtet. Dieser Maximalwert ist auch noch in der Hüllkurven-Folgefunk tion erkennbar. Der Anstieg setzt jedoch schon kurzzei tig früher ein. Mit dieser Art der Auswertung verwendet man praktisch drei Zeitpunkte, nämlich einen in der Vergangenheit, einen aktuellen und einen in der Zu kunft. Wenn man feststellt, daß der aktuelle Wert der Hüllkurven-Folgefunktion der größte von den drei Werten ist, hat man das Maximum erreicht. In diesem Fall kann man den Tonbeginn festlegen. Wenn der zukünftige Wert noch größer als der aktuelle Wert ist, weiß man, daß der Tonbeginn kurz bevorsteht, er aber noch nicht er reicht worden ist. Natürlich kann man nicht in die Zu kunft sehen. Bei einer technischen Realisierung wird man daher ausgehend vom realen aktuellen Wert den letz ten und den vorletzten Wert der Hüllkurve-Folgefunktion betrachten und den letzten Wert für das vorliegende Verfahren als aktuellen Wert, den vorletzten als letz ten und den real aktuellen als zukünftigen Wert verwen den. Dadurch hinkt zwar die Auswertung um einen kleinen Zeitbereich hinter der aktuellen Tonerzeugung hinter her. Es handelt sich hierbei aber nur um wenige Milli sekunden, die nicht weiter ins Gewicht fallen, weil die meisten der nachfolgenden Auswertealgorithmen ohnehin noch mehr Zeit benötigen.

Bevorzugterweise wird der Vergleichswert in zeitlich gleichbleibenden Abschnitten ermittelt. Man kann sich hierbei auf eine Differenzbildung beschränken, weil es nur auf das Verhältnis der einzelnen Vergleichswerte untereinander ankommt, nicht jedoch auf absolute Werte.

Mit Vorteil wird aus der Hüllkurven-Folgefunktion eine Minimalwertfunktion gebildet und der Vergleichswert aus der Hüllkurven-Folgefunktion und der Minimalwertfunkti on gebildet. Wenn man nur Werte auf der Hüllkurven- Folgefunktion miteinander vergleicht, kann es unter un günstigen Umständen vorkommen, daß man bei entsprechen den Abständen zwischen den einzelnen Zeitpunkten Werte ermittelt, die sich nicht nennenswert voneinander un terscheiden, beispielsweise wenn der Zeitabstand zwi schen zwei Werten zu klein ist. Wenn andererseits die zeitlichen Abstände zwischen einzelnen Werten zu groß sind, kann es vorkommen, daß ein Anstieg bei einer schnellen Tonfolge nicht erkannt wird. Die Minimalwert funktion spiegelt nun die wirkliche Energie der schwin genden Saite wieder, ohne durch Signalspitzen gestört zu werden. Wenn man nun die Minimalwertfunktion zur Bildung des Vergleichswerts verwendet, beispielsweise eine Differenz aus einem Wert der Hüllkurven-Folgefunk tion und einem Wert der Minimalwertfunktion bildet, ist man sicher, daß man den Anstieg der Hüllkurven-Folge funktion auf jeden Fall richtig erfassen kann. Die Mi nimalwertfunktion kann beispielsweise dadurch gebildet werden, daß ihr Anfangswert mit der der Hüllkurven-Fol gefunktion gleich gesetzt wird. Wenn der Wert der Hüll kurven-Folgefunktion unter diesen Wert sinkt, wird der Wert der Minimalwertfunktion entsprechend vermindert. Ansonsten bleibt er konstant. Wenn ein Tonbeginn fest gestellt wird, wird der Wert der Minimalwertfunktion wieder auf den Wert der Hüllkurven-Folgefunktion zu diesem Zeitpunkt hochgesetzt.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß der Vergleichswert aus Werten der Hüllkurven-Folgefunktion und der Mini malwertfunktion gebildet wird, die zum gleichen Zeit punkt gelten. Dies vereinfacht die Verwaltung der ein zelnen Werte ganz beträchtlich. Man spart sich eine komplizierte Indexierung der einzelnen Werte. Mit Hilfe der Minimalwertfunktion wird der kleinste Signalwert vor einem neuen Tonbeginn festgestellt, ohne daß man dessen Zeitpunkt gesondert ermitteln muß.

Die Erkenntnis, daß die Minimalwertfunktion nur beim Beginn eines neuen Tones ansteigen kann und eine rela tiv glatte Funktion ist, die ihre Werte nicht schnell ändern kann, kann man sich weiter dadurch vorteilhaft zu nutze machen, daß die Minimalwertfunktion in zeit lich um ein Vielfaches größeren Abständen als die Werte der Hüllkurven-Folgefunktion ermittelt werden. Hier durch spart man sich wiederum Rechen- bzw. Auswerte zeit.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Hüllkurven- Folgefunktion expotentiell abklingt. Ein derartiges Verhalten läßt sich digital sehr einfach durch zwei Operationen realisieren, nämlich einmal durch einen Vergleich und zum anderen durch die Verminderung des Wertes um einen Bruchteil seines Wertes. Wenn der Ver gleich ergibt, daß die tatsächliche Amplitude des Ton signals größer ist als die Hüllkurven-Folgefunktion, wird die tatsächliche Amplitude als Hüllkurven-Folge funktion verwendet. Ist dies nicht der Fall, wird die Hüllkurven-Folgefunktion um einen kleinen Wert dekre mentiert. Das Dekrement kann man durch eine "shift right" Operation bilden, d. h. Verschieben der Bits nach rechts um eine vorbestimmte Stellenzahl, was einer Di vision durch eine Potenz zur Zahl 2 entspricht, bei spielsweise 1/128... 1/512. Die eigentliche Dekremen tierung erfolgt dann durch eine Differenzbildung.

Vorzugsweise wird das Tonsignal vor dem Bilden der Hüllkurven-Folgefunktion einer Vollwellengleichrichtung unterworfen. In diesem Fall stehen nicht nur die posi tiven, sondern auch die negativen Amplitudenwerte als Informationsquelle zur Verfügung.

In einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Schwellwert in Abhängigkeit vom Tonsignal dynamisch verändert wird. Zwar ist durch den Übergang von der Amplitude des Tonsignals auf einen Vergleichswert der Hüllkurven-Folgefunktion schon eine Vergrößerung des Dynamikbereiches eingetreten. Man kann diesen Dynamikbereich aber noch weiter vergrößern, in dem man den Schwellwert in Abhängigkeit vom Tonsignal, insbesondere in Abhängigkeit von dessen Amplitude, ver ändert. So kann man beispielsweise den Schwellwert bei sehr leisem Spiel verringern und bei sehr lautem Spiel erhöhen.

Hierbei ist von Vorteil, daß der Schwellwert einen An teil mit konstantem Wert als Minimalwert aufweist. Die ser Minimalwert hält den Einfluß von Störungen in einer Spielpause gering.

Vorzugsweise wird ein veränderlicher Anteil des Schwellwertes durch eine Abklingfunktion gebildet, die von einem Wert abklingt, der bei der Erfassung des vor angehenden Tonbeginns auf die Amplitude der Hüllkurven- Folgefunktion oder eines dazu proportionalen Wertes gesetzt wird. Bei einer Lautstärkesteigerung wird der Schwellwert damit sofort hochgesetzt oder vergrößert. Bei einer Lautstärkeverminderung dauert es zwar eine gewisse Zeit, bis der Schwellwert so klein ist, daß auch leisere Signale zuverlässig erfaßt werden können. Dies kann man jedoch ohne weiteres in Kauf nehmen, weil es musikalisch zwar problemlos möglich ist, plötzlich von pianissimo auf fortissimo zu wechseln, der umge kehrte Weg von fortissimo zu pianissimo jedoch musika lisch und vom Gefühl des Zuhörers her immer eine gewis se Zeit benötigt.

Vorteilhafterweise klingt die Abklingfunktion in einem Bereich von 200 bis 600 ms auf die Hälfte ihres Wertes ab. Bei der Wahl eines derartigen Abklingverhaltens wird der Übergang von laut nach leise noch als annehm bar empfunden.

In einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung wird eine Filterhüllkurven-Folgefunktion und eine Filtermi nimalwertfunktion aus einem tiefpassgefilterten Tonsi gnal gebildet. Ein derartiges Filtersignal gibt eine "geglättete" Lautstärke der Gitarrensaite wieder. Die Abschneidefrequenz des Tiefpassfilters ist hierbei etwa das Dreifache der Grundfrequenz der Saite. Mit derarti gen gefilterten Funktionen lassen sich weitere Effekte erzielen, die weiter unter besprochen werden.

Hierbei ist es besonders bevorzugt, daß zunächst eine positive und eine negative Hüllkurven-Folgefunktion gebildet und die Filterhüllkurven-Folgefunktion aus der Summe der positiven und negativen Hüllkurven-Folgefunk tionen gebildet wird. Während bei der Hüllkurven-Folge funktion eine Vollwellengleichrichtung verwenden kann, ist es bei der Filterhüllkurven-Folgefunktion günsti ger, wenn man Werte verwendet, die ein Spitzen-Spitzen- Signal wiedergeben. Auf diese Weise schließt man den Einfluß von Gleichstromverschiebungen (offset) aus. Derartige Verschiebungen ergeben sich beispielsweise bei einem sogenannten "hammer-on" auf der Gitarre, d. h. einem Wechsel zu einem höheren Bund der Gitarre ohne erneutes Anschlagen der Saite. Bei einem derartigen Wechsel wird nämlich die Saite näher an den Aufnehmer gebracht, was bei einem elektromagnetischen Aufnehmer beispielsweise zu einer asymmetrischen Verschiebung des Tonsignals führt. Da die Filterhüllkurven-Folgefunktion aber ein Ausdruck für den Abstand der Spitzen des ge filterten Tonsignales voneinander ist, spielt diese Gleichstromverschiebung keine Rolle.

Vorteilhafterweise läßt sich aus der Filterhüllkurven- Folgefunktion in entsprechender Art ein Vergleichswert ermitteln, wobei ein Tonbeginn nur dann festgestellt wird, wenn die Filterhüllkurven-Folgefunktion ebenfalls einen signifikanten Anstieg zeigt. Hierdurch schließt man auch Störungen aus, die sich beispielsweise dadurch ergeben können, daß kurz nach dem Anschlagen der Saite die Finger der linken Hand von der Saite abgehoben wer den. In diesem Fall wird nämlich der Saite eine "ver tikale" Schwingung vermittelt, d. h. eine Schwingung in Richtung auf den Gitarrenkörper zu. Diese Schwingung führt zu dünnen Spitzen mit hoher Amplitude in dem Ton signal, das, wenn es in der Abklingphase mit niedrigem Obertongehalt ist, ansonsten relativ "rund" ist. Der artige Störungen werden relativ einfach mit der Filter hüllkurven-Folgefunktion ausgeschlossen.

Ein weiterer Anwendungsbereich der Hüllkurven-Folge funktion ist die Feststellung eines Tonendes, das vor zugsweise dann festgestellt wird, wenn der Wert der Filterhüllkurven-Folgefunktion kleiner als der Wert der Filterminimalwertfunktion oder eines dazu proportiona len Wertes an einem zeitlich um einen vorbestimmten Abstand zurückliegenden Punkt ist. Man kann zwar das Tonende auf einfache Art und Weise dadurch feststellen, daß das Tonsignal unter einen vorbestimmten Schwellwert fällt. Mit diesem Vorgehen kann man allerdings kein Staccatospiel wiedergeben. Ein derartiges Staccato wird vielfach dadurch erzeugt, daß die Finger der linken Hand etwas von der Saite abgehoben werden. Auch dieses Verhalten führt zu einer Veränderung der Entfernung der Saite vom Aufnehmer mit den zuvor diskutierten Effek ten. Durch die Verwendung der Filterhüllkurven-Folge funktion bzw. ihrer entsprechenden Filterminimalwert funktion lassen sich die auftretenden Probleme weitge hend beseitigen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich nung beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 den Verlauf eines Tonsignals,

Fig. 2 das gleichgerichtete Tonsignal,

Fig. 3 ein Hüllkurven-Folgesignal und

Fig. 4 eine Minimalwertfunktion.

Fig. 1 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Tonsignales, das von einer schwingenden Gitarrensaite nach dem An zupfen oder Anschlagen erzeugt wird. Die folgende Be schreibung wird anhand einer einzelnen Gitarrensaite vorgenommen. In Wirklichkeit wird das Verfahren aber für alle Saiten einer Gitarre durchgeführt, wobei ge wisse Verfahrensschritte für alle Saiten gemeinsam ver wendet werden können.

Das in Fig. 1 dargestellte Tonsignal wird zunächst gleichgerichtet und zwar mit einer Vollwellengleich richtung. Der resultierende Signalverlauf ist in Fig. 2 dargestellt.

Aus dem in Fig. 2 dargestellten Signalverlauf wird eine Hüllkurven-Folgefunktion gebildet, die in Fig. 3 zu sehen ist. Eine derartige Hüllkurven-Folgefunktion läßt sich relativ einfach erzeugen. Die Anfangswerte der Hüllkurven-Folgefunktion stimmen mit den Anfangswerten des gleichgerichteten Tonsignals überein. Solange das Tonsignal ansteigt, also der aktuelle Wert größer als der letzte oder vorherige Wert ist, wird der Wert der Hüllkurven-Folgefunktion auf den Wert des Tonsignals gesetzt. Ist dies nicht der Fall, wird der Wert der Hüllkurven-Folgefunktion vermindert. Die Verminderung kann dadurch erfolgen, daß der letzte Wert der Hüllkur ven-Folgefunktion mit einem konstanten Faktor < 1 multi pliziert wird. Um eine Fließkommaoperation zu vermei den, kann man den letzten Wert der Hüllkurven-Folge funktion aber auch um einen Bruchteil davon ver kleinern, wobei dieser Bruchteil durch eine "shift right" Operation (dargestellt durch "<< x", wobei x die Anzahl der Stellen angibt, um die verschoben wird) er zeugt werden kann. Hierbei werden die Bits der binären Darstellung des entsprechenden Wertes um eine bestimmte Anzahl von Stellen nach rechts verschoben, was einer Division durch eine Potenz zu 2 entspricht, also bei spielsweise 1/128... 1/512. Dadurch klingt die Hüll kurven-Folgefunktion zwischen zwei Spitzenwerten des Tonsignals expotentiell ab. Natürlich muß die digitale Darstellung der einzelnen Werte eine entsprechende Bit- Breite aufweisen, damit die "shift right"-Operation im gewünschten Umfang möglich ist.

In Fig. 4 ist eine Minimalwertfunktion der Hüllkurven- Folgefunktion dargestellt. Diese Minimalwertfunktion wird dadurch gebildet, daß ihr Startwert auf den Start wert der Hüllkurven-Folgefunktion gesetzt wird. Die Minimalwertfunktion wird danach nur noch verändert, wenn der Wert der Hüllkurven-Folgefunktion unter den Wert der Minimalwertfunktion sinkt. In diesem Fall wird der Wert der Minimalwertfunktion auf den kleineren Wert gesetzt.

Wenn man den aktuellen Wert des Tonsignals, der in der Regel als Abtastwert vorliegt, als AMP bezeichnet, den aktuellen Wert der Hüllkurven-Folgefunktion als ENV und den aktuellen Wert der Minimalwertfunktion als ENVMIN, dann läßt sich dieser Sachverhalt folgendermaßen dar stellen

IF AMP < ENV
ENV = AMP
ELSE IF AMP < - ENV
ENV = - AMP
(dies entspricht der Vollwellengleichrichtung)
ELSE
ENV = ENV - ENV << 9
IF ENV < ENVMIN
ENVMIN = ENV
END IF.

Aus den Werten der Hüllkurven-Folgefunktion und der Minimalwertfunktion wird nun ein Vergleichswert VW er mittelt nach folgendem Zusammenhang

VW = ENV - C1 × ENVMIN

C1 ist hierbei eine Konstante, die in der Nähe von 2 liegt. Statt einer Differenz kann man auch einen Quo tienten bilden.

Anhand dieses Vergleichswertes kann man nun eine Aus sage darüber treffen, ob es sich um den Beginn des To nes oder um einen anderen Anstieg der Hüllkurven-Fol gefunktion handelt. Hierzu wird der Vergleichswert ver glichen mit einem Schwellwert, der sich aus zwei Teilen zusammensetzt. Zum einen hat der Schwellwert einen re lativ kleinen, konstanten Anteil THR. Zum anderen ent hält der Schwellwert einen dynamisch veränderbaren An teil CTRENV, der durch eine Abklingfunktion beschrieben wird. Die Abklingfunktion klingt exponentiell ab. Ihr Startwert wird beim Erkennen eines Tonbeginns auf den Wert der Hüllkurven-Folgefunktion gesetzt und zwar ohne größere zeitliche Verzögerung, d. h. spätestens mit dem nächsten Taktschritt. Ansonsten wird CTRENV in vorbe stimmten zeitlichen Abständen dekrementiert nach fol gender Maßgabe

CTRENV = CTRENV - CTRENV << C2

wobei C2 so gewählt wird, daß CTRENV innerhalb eines Bereichs von 200 bis 600 msec auf die Hälfte ihres Wer tes absinkt. Die Dekrementierung erfolgt bei Taktzeiten von 10 kHz etwa alle 26 msec. Diese Funktion wird auch als Steuerhüllkurve bezeichnet. Es ist erkennbar, daß bei einer Änderung der Lautstärke von leise auf laut, also bei einer starken Anregung der Saite, der Start wert von CTRENV unmittelbar hochgesetzt wird, so daß die Anpassung an laute Töne sehr schnell erfolgt. Wenn nach einem lauten Anschlag ein leiser Anschlag folgt, wird die Empfindlichkeit erst mit einer gewissen zeit lichen Verzögerung herabgesetzt, nämlich innerhalb des oben genannten Bereiches von wenigen hundert Millise kunden. Diese Verzögerung ist jedoch ohne weiteres to lerierbar, weil sie relativ klein ist und eine musika lische Darbietung zwar sehr rasche Sprünge von sehr leise auf laut beinhalten kann, beim Übergang von laut auf leise jedoch immer ein gewisser "fließender" Über gang zu beobachten ist. Man nimmt an, daß dies mit den physiologischen Eigenschaften des menschlichen Ohres zusammenhängt.

Aus diesen beiden Anteilen bildet man den dynamischen Schwellwert

DYNTHR = THR + C3 × CTRENV,

wobei C3 eine weitere Konstante in der Nähe von 1 ist.

Ein Tonbeginn kann detektiert werden, wenn gilt

VW < DYNTHR.

oder anders ausgedrückt

ENV < C1 × ENVMIN + THR + C3 × CTRENV.

Es ist leicht erkennbar, daß bei dieser Vorgehensweise der Tonbeginn in einem relativ großen Dynamikbereich zuverlässig festgestellt werden kann, weil sich einzel ne Größen im Lauf des Spiels dynamisch ändern. Die Ge samtänderung des Ausdrucks auf der rechten Seite er folgt allerdings nicht proportional mit der Lautstärke. Bei leiseren Tönen wird der Anteil von THR und CTRENV stärker ins Gewicht fallen.

Im vorliegenden Verfahren wird vor diesem Vergleich noch überprüft, ob die Hüllkurven-Folgefunktion noch steigt oder nicht. Wenn sie noch steigt, d. h. sich ihre Werte vergrößern, wird dieser Vergleich nicht durchgeführt.

Mit dieser Vorgehensweise läßt sich der Beginn eines Tones mit großer Zuverlässigkeit erkennen. Allerdings können sich unter ungünstigen Umständen in bestimmten Situationen Fehler ergeben. Ein typischer Fall ist das sogenannte "hammer on", wenn der Spieler bei schwingen der Saite die Saite verkürzt, also mit dem Finger zu einem höheren Bund rutscht oder die Saite an diesem höheren Bund niederdrückt. In diesem Fall wird die Sai te nämlich dem Aufnehmer, der in der Regel als elektro magnetischer Aufnehmer ausgebildet ist, stärker angenä hert, so daß sich eine Signaländerung ergibt, ohne daß diese Änderung durch ein Anreißen oder Anschlagen der Saite bewirkt worden wäre. Um auch derartige Fehlinfor mationen zuverlässig ausschließen zu können, wird das Tonsignal zusätzlich zunächst einmal tiefpassgefiltert, wobei ein Tiefpassfilter verwendet wird, dessen Ab schneidefrequenz etwa dreimal größer als die Grundfre quenz der Saite ist. Der aktuelle Wert dieses gefilter ten Tonsignals wird mit FAMP bezeichnet. Hieraus ge winnt man ein positives Hüllkurven-Folgesignal PFENV und ein negatives Hüllkurven-Folgesignal NFENV. Aus der Summe der Werte dieser beiden Hüllkurven-Folgesignale wird dann das Filterhüllkurven-Folgesignal FENV gebil det, was man formal folgendermaßen notieren kann:

IF FAMP < PFENV
PFENV = FAMP
ELSE IF FAMP < - NFENV
NFENV = - FAMP
ELSE
PFENV = CF × PFENV
NFENV = CF × NFENV
ENDIF
FENV = PFENV + NFENV

wobei CF ein konstanter Faktor ist.

Aus dieser Filterhüllkurven-Folgefunktion wird eine Filterminimalwertfunktion FENVMIN nach folgender Vor schrift gebildet

IF FENV < FENVMIN
FENVMIN = FENV
ENDIF

Die Berechnung von FENVMIN muß nicht bei jedem Abtast wert erfolgen. Es reicht aus, sie beispielsweise jeden 128. Abtastwert durchzuführen.

Anhand der beiden letztgenannten Funktionen läßt sich ein weiteres Entscheidungskriterium konstruieren, ob es sich um einen Tonbeginn oder nicht handelt. Hierzu ver folgt man in mehreren aufeinanderfolgenden Zeitscheiben den Verlauf von FENVMIN. Hierbei wird der kleinste Wert von zwei aufeinanderfolgenden Zeitscheiben verwendet. Wenn dieser Wert, den wir TMP_- FENVMIN nennen wollen, oder ein dazu proportionaler Wert, kleiner ist als FENV, dann wird der Beginn eines Tones festgestellt. Hierbei trägt man dem Umstand Rechnung, daß bei be stimmten Spielbedingungen, beispielsweise dem oben ge nannten "hammer-on" oder auch dem Loslassen einer Saite unmittelbar nach dem Anreißen, Störsignale auftreten, die zwar eine große Amplitude, aber nur eine kleine Breite haben. Durch die Filterhüllkurven-Folgefunktion werden derartige Störungen eliminiert.

Die Filterhüllkurven-Folgefunktion kann man auch ver wenden, um das Ende eines Tones zu erfassen. Für das Ende eines Tones gibt es zunächst einmal die Möglich keit, abzuwarten, bis die Amplitude des Tonsignals oder die Hüllkurven-Folgefunktion einen bestimmten Schwell wert unterschritten hat. Hierdurch läßt sich aber ein Staccato-Spiel nicht zuverlässig wiedergeben. Die Töne werden dann zwar staccato gespielt. Dies kann aber nicht unmittelbar erkannt werden. Wenn man allerdings Werte der Filterminimalwertfunktion mit vorbestimmten Abständen miteinander vergleicht, stellt man rasch fest, ob es sich um Staccato-Spiel oder nicht handelt. Wenn beispielsweise gilt

C4 × FENV < FENVMIN3

Dann ist der Ton beendet und zwar durch ein Staccato- Spiel. FENVMIN3 ist hierbei der Wert von FENVMIN etwa 32 bis 45 msec. zuvor. C4 ist eine Konstante mit einem typischen Wert von 15/4.

Claims

1. Verfahren zum Erkennen eines Tonbeginns bei ge schlagenen oder gezupften Musikinstrumenten, bei dem aus einem Tonsignal eine Hüllkurven-Folgefunk tion gebildet wird, indem ein Betragsmaximum des Tonsignals ermittelt wird, die Hüllkurven-Folge funktion auf dieses Betragsmaximum gesetzt wird und von diesem in vorgegebener Weise abklingt, bis das Tonsignal wieder größer wird als die Hüllkurven- Folgefunktion, wobei in diesem Fall die Hüllkur ven-Folgefunktion dem Tonsignal bis zum Erreichen des Maximalwerts folgt, wobei eine Vergleichsgröße aus einem aktuellen Wert der Hüllkurven-Folgefunk tion und einem einem früheren Wert entsprechenden Vorgängerwert gebildet wird und ein Tonbeginn an einem Zeitpunkt festgelegt wird, an dem die Ver gleichsgröße einen Schwellwert überschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß überprüft wird, ob die Hüllkurven-Folgefunktion noch weiter ansteigt, insbesondere vor dem Schwell wertvergleich.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Vergleichswert in zeitlich gleichbleibenden Abschnitten ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Hüllkurven-Folgefunk tion eine Minimalwertfunktion, die die Energie der schwingenden Saite widerspiegelt, gebildet wird und der Vergleichswert aus der Hüllkurven-Folgefunktion und der Minimalwertfunktion gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichswert aus Werten der Hüllkurven- Folgefunktion und der Minimalwertfunktion gebildet wird, die zum gleichen Zeitpunkt gelten.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß Werte der Minimalwertfunktion in zeitlich um ein Vielfaches größeren Abständen als die Werte der Hüllkurven-Folgefunktion ermittelt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllkurven-Folgefunktion exponentiell abklingt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Tonsignal vor dem Bilden der Hüllkurven-Folgefunktion einer Vollwel lengleichrichtung unterworfen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert in Abhängigkeit vom Tonsignal dynamisch verändert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert einen Anteil mit konstantem Wert als Minimalwert aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn zeichnet, daß ein veränderlicher Anteil des Schwellwertes durch eine vorgegebene Abklingfunkti on gebildet wird, die von einem Wert abklingt, der bei der Erfassung des vorangehenden Tonbeginns auf die Amplitude der Hüllkurven-Folgefunktion oder ei nes dazu proportionalen Wertes gesetzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abklingfunktion in einem Bereich von 200 bis 600 ms auf die Hälfte ihres Wertes abklingt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß eine Filterhüllkurven- Folgefunktion und eine Filterminimalwertfunktion aus einem tiefpassgefilterten Tonsignal gebildet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine positive und eine negative Hüll kurven-Folgefunktion gebildet und die Filterhüll kurven-Folgefunktion aus der Summe der positiven und negativen Hüllkurven-Folgefunktionen gebildet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn zeichnet, daß aus der Filterhüllkurven-Folgefunk tion in entsprechender Art ein Vergleichswert er mittelt wird, wobei ein Tonbeginn nur dann festge stellt wird, wenn die Filterhüllkurven-Folgefunk tion ebenfalls einen signifikanten Anstieg zeigt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, da durch gekennzeichnet, daß ein Tonende festgestellt wird, wenn der Wert der Filterhüllkurven-Folgefunk tion kleiner als der Wert der Filterminimalwert funktion oder eines dazu proportionalen Wertes an einem zeitlich um einen vorbestimmten Abstand zu rückliegenden Punkt ist.