¿QUÉ ES ALHO TUNER?
No estoy desafinado. Solo estoy tocando notas microtonales
En la actualidad, muchos aficionados a los instrumentos musicales suelen utilizar recursos computacionales para lograr sus metas. Entre esos recursos se encuentra la Internet, lugar donde obtienen la mayor parte de tutoriales, partituras y tablaturas. Sin embargo suele ocurrir que al momento de la práctica, no se tiene a mano un dispositivo que permita calibrar las frecuencias sonoras propias del instrumento. Este proyecto pretende brindar una solución simple, ergonómica y a la mano a aquellos que buscan no solo la mejora de ejecución, sino que también aquellos que aún no han desarrollado el oído absoluto.
AlHo Tuner brinda todo lo que un músico busque para la máxima precisión en la ejecución de su instrumento. Una afinación rápida, precisa, interactiva y en tiempo real, hacen de este afinador una herramienta particular y altamente recomendada para todo músico aficionado y profesional, que cuenta con una herramienta a la mano y que facilita las operaciones de cálculo. Finalmente, AlHo Tuner no está restringido únicamente a guitarristas, sino que la aplicación está acondicionada a cualquier gama de instrumentos que requieran de precisión milimétrica al momento de temperar la herramienta
La forma clásica de afinar instrumentos se remonta desde el origen de estos, y desde entonces no ha dejado de ser una forma mecanizada: utilizar un estandar sonoro como base para algúna nota a ejecutar, y a partir de este, afinar los intervalos respectivos de los instrumentos. Este método carece de precision y está a merced de cuán absoluto sea el oido de quién afine cual sea el instrumento. Con el avance del Procesamiento Digital de Señales, se ha logrado prescindir de cualquier herramienta calibradora, pues la información ya se encuentra desglosada de forma específica, por lo que solo se requieren ajustes matemáticos para lograr el propósito.
El alma de la afinación digital es la Transformada de Fourier en su forma discreta. Para comprender cómo funciona esto, imagínese que una señal está construida como la suma de otras señales sinusoidales, cada una de distinta frecuencia, amplitud y ángulo. La Transformada de Fourier permite, entre otras cosas, descomponer la señal en estas señales sinusoidales, con el fin de analizar esta señal en otro dominio que solo nuestro oído puede percibir: el dominio de la frecuencia. A partir de este momento, ya se puede dimensionar el area en que se trabajará para lograr el propósito esperado
Sin embargo, sigue existiendo otro problema. La señal de voz es una señal continua, pero para poder realizar los cálculos de esta transformación, debe ser digitalizada a través de un proceso de conversión análoga/digital para finalmente ser procesada. ¿Cómo se puede descomponer esta señal completamente digital en su contenido espectral? La respuesta está en la Transformada Discreta de Fourier. Esta transformada en el dominio discreto, permite realizar toda la labor propuesta al comienzo, pero trabajando con computadores.
¿Y cómo se usa la Transformada Discreta de Fourier para afinar?
La transformada permite obtener una versión muestreada y con algunas características particulares, que mediante algunos ajustes, permiten obtener una representación discreta y precisa del espectro de una señal, como si se tratase del espectro continuo de esta. Conociendo la frecuencia con la que se muestreó la señal de audio y la cantidad de puntos con la que se obtuvo la transformada discreta, se pueden conocer los contenidos en frecuencia de la señal del instrumento. Se sabe que el sonido de un instrumento se diferencia de otro por su timbre, que en esencia es el contenido espectral. Luego las diferentes frecuencias que constituyen el timbre, son simplemente múltiplos de la frecuencia fundamental, que se busca encontrar. Para abordar el problema de la afinación, se debe resolver el simple desafío de encontrar la distancia entre 2 máximos del espectro del instrumento a afinar. Las imágenes muestran las cuerdas 1 y 6 respectivamente, pulsadas desde una guitarra eléctrica, obtenidas directamente desde la aplicación
Librerías que implementan la DFT
Usada en este proyecto
Para grabar un instrumento en un dispositivo como el computador, es necesario comprender el proceso de
conversión análogo/digital. Básicamente consiste en discretizar los niveles de voltaje que el micrófono
del dispositivo percibe, a través de un proceso automático y previamente configurado. Estos valores
discretos en el tiempo pero continuos en el voltaje, deben ser codificados de forma proporcional a los
niveles de voltaje, a través del proceso homónimo, en el cual cada nivel se trunca y luego se representa
como un número binario. Estos números binarios a continuación, son procesados espectralmente como se
mencionó anteriormente
Este proceso depende exclusivamente de los drivers de audio que la máquina posee para la
captura y reproducción de audio. Por ejemplo, para la gran mayoría de los equipos linux, APIs
ofrecidas por ALSA y Pulseaudio son una buena opción. En Windows, frameworks como .NET también
permiten el manejo a nivel bajo de las muestras adquiridas durante el proceso de grabación.
Las características de resolución, frecuencia de muestreo, tamaño del buffer, fueron escogidas
de forma óptima, brindando una precisión y fluidez destacable por sobre otras aplicaciones.
Un ancho de banda de 4 kHz es óptimo para realizar un análisis concluyente y preciso
acerca de la señal que se busca afinar. Así también una resolución de cuantización de 8 bits,
permiten acelerar y optimizar los cálculos para brindar al usuario la fluidez y certeza que busca.
El buffer de audio de 512 bytes permite que la resolución espectral brinde una afinación certera
a quien use AlHo Tuner. La figura de abajo, extraida directamente de la aplicación,
muestra la calidad y rapidéz de grabación que AlHo tiene para brindarle.
Librerías que implementan la DFT
Usada en este proyecto
AlHo Tuner incorpora un afinador de precisión, que permite identificar cada una de las 12 notas de la escala cromática de cada instrumento. La
aplicación brinda un cómodo y preciso ambiente a instrumentos de viento, que pueden lograr potencias de captura que permitan a la aplicación
una afinación eficaz. Para verificar esto, se utilizó el afinador para afinar distintos instrumentos. No obstante no se debe ver reducido a los
instrumentos de prueba, pudiendo extenderse incluso a instrumentos de percusión
La aplicación resulta satisfactoria y robusta para un amplio repertorio de instrumentos, pasando por vientos, cuerdas, e incluso
la voz. La frecuencia de muestreo por defecto, de 8 kHz permite optimizar los recursos de procesamiento de señales, considerando los
instrumentos de timbre mas agudo en el mercado. Por ejemplo una flauta piccollo, uno de los instrumentos mas agudos, puede llegar
hasta los 2100 hertz, suficientes para el buen resultado de la aplicación. En este apartado se muestran 3 de los cientos de instrumentos
que son utilizados a diario y que pueden ser afinados con la aplicación. En futuras versiones, se busca que AlHo Tuner permita indicar
con exactitud, el momento de afinación temperada exacta.
Debido a la necesidad de procesar señales a alta velocidad, es necesario el uso de lenguajes potentes y de bajo nivel que permita un alto
nivel de personalización. Para este proyecto, el lenguaje ideal es C/C++, el cual permite el manejo básico de hardware que brinda C, pero a
su vez permite la potencia de modelado de la orientación a objetos de C++. Esto permite simplificar el manejo de funciones propias de las librerías
FFTW, QCustomPlot y el API de ALSA. A su vez, la existencia de Qt como framework, permite crear un poderoso e interactivo software que reduce
la complejidad de uso y permite una interfaz amigable al usuario. Esta capacidad fue utilizada para crear las clases MicManager y FFTHandler, que
utilizan tanto ALSA como FFTW para permitir un manejo simple pero conciso de las librerías en C. Las clases restantes permiten el procesamiento de señal, graficado,
despliegue de GUI, entre otros, utilizando propiedades básicas de la programación orientada a objetos, existiendo solo referencias entre ellas.
El Diagrama de secuencias muestra la secuencia cíclica que el programa realiza para la captura, procesamiento y despliegue de información relacionada
con la afinación del instrumento en la interfaz gráfica
AlHo Tuner brinda un cómodo afinador ergonómico y práctico para cualquier músico que disponga de un ordenador con Linux como sistema operativo.
Si bien la aplicación puede entregar una experiencia de usuario agradable, durante el desarrollo de la aplicación se deben destacar ciertas virtudes,
dificultades y compromisos
- Virtudes
- Afinación de instrumentos en tiempo real
- Amplia gama de instrumentos que pueden ser utilizados
- Precisión unitaria frecuencial
- Despliegue de frecuencias y señales
- Dificultades
- Migración de aplicación a otros sistemas operativos (Windows o MacOS)
- Uso de detección de peaks rudimentario debido a la complejidad de uno mas completo
- Enriquecimiento visual de interfaz gráfica, compensado con uso de widgets por defecto
- Elección adecuada de graficadora bien documentada (se usó QCustomPlot)
- Bugs
- Barra lateral izquierda de despliegue de cents sin funcionamiento temporal
- Al clickear el cuadro "debug", la ventana cambia de posición
- Mejoras a implementar
- Detección de peaks locales para mejorar precisión de afinación
- Uso de QML para mejorar experiencia visual
- Indicador de temperamento exacto
- Transponedor de escalas
- Afinación en otras frecuencias distintas a LA 440
Los archivos para descargar el afinador se encuentran disponibles en los siguientes enlaces. Para compilar el código fuente, ejecutar "make" y luego
"./AlHoTuner. Para crear la documentación, ejecute "doxygen confPrj". Es indispensable que el usuario tenga instaladas las librerías FFTW y ALSA en su
computador.
Puedes acceder a la documentación pinchando el siguiente enlace
