Ruby x Arduinoでシンセサイザーを作ってみた #hmrk01

ruby-arduino-synth.md

Ruby x Arduinoでシンセサイザーを作ってみた

• 2015/03/28 浜松Ruby会議01

• Hamamatsu.rb 石垣 良

デモ（Rubyシンセ）

• http://risgk.github.io/ruby-arduino-synth/ruby-arduino-synth-op.mp3

Thank you for listening!

• ご清聴ありがとうございました

本日の発表では

• マイコンボード「Arduino」用シンセサイザーのプロトタイプとして

• Rubyでソフトシンセを作った経験についてお話しします

自己紹介

• 石垣 良 @risgk

• Hamamatsu.rbメンバー

• 組込みソフトウェア開発の仕事

• Rubyは小さなプログラムを書くのに使用（経験10年とか言えない...）

いま、電子工作・DIYが熱い！

• Maker Faireは世界100か所、53万人（2013年、Miniを含む）

• FabLabという市民工房の広がり（2014年　FabLab浜松オープン）

• 2014年　勤務先でクラブ活動「Yara:Makers（やらめいかー）」が開始

• http://yaramakers.tumblr.com/

• 注：遠州弁「やらまいか」は「一緒にやろう」「やってやろう」の意味

さて、私は何を作ろうか？

• Arduino Unoを使いたい（流行っている、一度触ってみたい）

• Rubyを使いたい（好きだから）

• シンセサイザーを作ろう（過去にDTM経験、「音楽のまち」浜松にいる）

• Yara:Makersのモットー：「手段のためなら、目的を選ばない。」

「Arduino（アルデュイーノ）」とは？

• オープンソースの電子工作プラットフォーム

• 豊富なライブラリがあり、誰でもインタラクティブなデバイスが作れる

• C++ライクな「Arduino言語」でプログラミング

• 基本となるマイコンボードが「Arduino Uno」（約3000円）

Arduino Unoのスペック

• CPU：Atmel AVR 16 MHz（8ビットCPU）

• ROM：32 KB、RAM：2 KB

• AVRはZ80などよりは遥かに強力（例：8ビット乗算器の搭載）

• PWM出力で1ビット・オーディオが再生可能

• しかし、mrubyを動かすのは、かなり難しそう...

Rubyでプロトタイピングするのはどうか？

• Arduinoの実機上で試行錯誤するのは効率が悪い

• Rubyで音響プログラミングの実験ができる（WAVファイルを出力）

• RubyはArduino用のコード生成にも役立つ

やってみた

• Rubyでソフトシンセを開発（リアルタイム再生はJRuby、Windows専用）

• Arduino Unoに移植（C++のインライン展開機能を多用）

• Ruby版とArduino版で「だいたい」同じ音が出せた

• JavaScriptとWeb MIDI APIを使って、音色エディターを作成

完成品（Digital Synth VRA8）のスペック

• https://github.com/risgk/DigitalSynthVRA8

• サンプリングレート：15625 Hz、量子化ビット数：8、モノ（単音）

• MIDI入力：gem unimidi／USBシリアル 38400 bps

• オーディオ出力：gem win32-sound／PWM出力

• 出力には、Java Sound APIやPortAudioを使えばよかったかも

アナログシンセサイザーの仕組み

• VCO（電圧制御オシレーター）：基本波形を生成、音の高さを変化

• VCF（電圧制御フィルター）：音色を変化

• VCA（電圧制御アンプ）：音量を変化

• EG（エンベロープジェネレーター）：音量や音色を時間変化（ADSR）

• LFO（低周波数オシレーター）：ビブラートなどの変調に使用

VRA8の構成

                      [EG]
                       :
                       +........+
[VCO 1]-+              :        :
        |              V        V
[VCO 2]-+->[Mixer]--->[VCF]--->[VCA]--->
        |
[VCO 3]-+

• LFOは存在しない

• 複数のVCOから「厚い音」や「デチューン効果」が得られる

synth.rb より

 class Synth
   def clock
     level = $mixer.clock($vco_1.clock, $vco_2.clock,
                          $vco_3.clock)
     eg_output = $eg.clock
     level = $vcf.clock(level, eg_output)
     level = $vca.clock(level, eg_output)
   end
 end

• サンプリング周期（15625分の1秒）毎に呼ばれるメソッド

• コードを一部編集して引用（以下も同様）

generate_wave_table.rb より

def generate_wave_table_sawtooth(max)
  generate_wave_table(max, "sawtooth", 1.0) do |n, k|
    (2.0 / Math::PI) * Math::sin((2.0 * Math::PI) *
    ((n + 0.5) / 256.0) * k) / k
  end
end

• 倍音成分（正弦波）を加算して、ノコギリ波などを一周期分合成

• 音の高さによって、最大倍音を制限（エイリアスノイズ対策）

wave_table.rb より

$wave_table_sawtooth_m63 = [
   +38,  +87,  +89,  +73,  +71,  +80,  +80,  +73,
   ...
   -73,  -80,  -80,  -71,  -73,  -89,  -87,  -38,
]

$wave_tables_sawtooth = [
  $wave_table_sawtooth_m63,
  ...
  $wave_table_sawtooth_m3,
]

• 波形テーブルはそれぞれ256バイト（8ビット×256サンプル）

vco.rb より

    @phase += @freq
    @phase &= 0xFFFF
    ...
    curr_index = high_byte(@phase)
    ...
    curr_data = wave_table[curr_index]
    ...
      level = high_byte((curr_data * curr_weight) +
                        (next_data * next_weight))

• 高音ほど高周波数、速く再生（周波数テーブル参照、ピッチベンド非対応）

• 位相の値を使って、波形テーブルの「現在」と「次」のデータを線形補間

vcf.rb より

    tmp = -(a2_over_a0 * @y2);
    tmp += b2_over_a0 * x0;
    tmp += (b2_over_a0 << 1) * @x1;
    tmp += b2_over_a0 * @x2;
    tmp += a1_over_a0_i * @y1;

• たった5回の乗算でローパスフィルターを実現（不安定なところはある）

• http://www.musicdsp.org/files/Audio-EQ-Cookbook.txt

vca.rb と VCA.h より

  # Ruby
  def clock(a, k)
    high_byte(a * (k << 1))
  end

  // Arduino (C++)
  static int8_t clock(int8_t a, uint8_t k)
  {
    return highByte(a * (uint8_t) (k << (uint8_t) 1));
  }

デモ（Rubyシンセのリアルタイム再生）

• ChromeからJRuby上のソフトシンセに、仮想MIDIでデータ送信

• 音が途切れないように、バッファサイズを調整（発音遅延の原因...）

• なお、Arduino版は発音遅延が非常に短く、音が途切れない

まとめ・感想

• 組込みソフトウェア開発でもRubyは役立つ

• 音響プログラミングは面白い（Rubyでのリアルタイム処理は大変だけど）

• あまりRubyらしくないコードになってしまった（移植を意識しすぎた）

• RubyとC++のダブルメンテが必要になってしまった（仕方ないところもある）

エンディング

• http://risgk.github.io/ruby-arduino-synth/ruby-arduino-synth-ed.mp3

• Rubyを使った「アルゴリズム作曲」の実験より

• https://github.com/risgk/algorithmic-composition-trial/blob/master/trial-4.rb

Enjoy programming and making!

ご清聴ありがとうございました

YouTube動画はコチラ：https://www.youtube.com/watch?v=zEVbrzIquTk&index=11&list=PL5zvpY1TVrr9XW8-DrrxKzPptbAfJTm9Q