Master's Thesis

Virtual wind instruments with labium and holes

Final Thesis 5.75 MB Appendix 26.54 kB

Author of thesis: Bc. Václav David

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: MgA. et Mgr. Ondřej Jirásek, Ph.D.

Reviewer: Doc.Ing.MgA. Ondřej Urban, Ph.D.

Abstract:

This thesis deals with the design and implementation of a virtual musical instrument that simulates and sonically expands the group of edge-blown aerophones. Based on a theoretical analysis of the physical principles of sound generation in flutes, a modular architecture utilizing hybrid synthesis is created within the Reaktor 6 environment. The system combines a sampler of real instruments with methods of additive, subtractive, vector, FM, and formant synthesis. The usage of MIDI breath controller is described. The result is a set of pilot presets that demonstrate broad sonic possibilities, ranging from faithful imitations to experimental textures. The functionality of the model and the quality of transients are verified in the conclusion using objective spectral analysis comparing the virtual output with the acoustic reference.

Keywords:

MIDI, breath controller, Reaktor 6, recorder, sampler, sound synthesis, spectral analysis, virtual instrument, wind instruments with labium

Date of defence

11.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Otázky opnenta: Jaké metody syntézy (i v textu neuvedené) by byly vhodné pro simulaci zvuku fléten, především transientů, kdyby nebyly použity vzorky ze sampleru? Jaký je vztah mezi akustickou délkou píšťaly a jednotlivými harmonickými? Která z použitých syntéz je podle Vás potenciálně nejvhodnější z hlediska expresivity pro autonomní simulaci dechových nástrojů s hranou a dírkami? Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Student obhájil diplomovou práci a odpověděl na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Audio Engineering (MPC-AUD)

Specialization

Audio Production and Recording (AUDM-ZVUK)

Composition of Committee

prof. Ing. Kamil Říha, Ph.D. (předseda)
MgA. Michal Indrák, Ph.D. (místopředseda)
MgA. et Mgr. Ondřej Jirásek, Ph.D. (člen)
Ing. Šimon Skvaril (člen)
Mgr. Tomáš Staudek, Ph.D. (člen)

Student měl provést analýzu techniky hry hráčů hrajících na dechové nástroje, jejichž zvuk vzniká lomením vlny o hranu, a zaznamenat kvalitně vzorky tónů nebo i pasáží píšťal či fléten. Akustické vzorky měl doplnit pomocí zvukových syntéz umělými témbry tak, aby vznikly nové inovované barvy, dále vytvořit komunikační rozhraní využívající protokol MIDI, kdy půjdou jednotlivé parametry co nejplynuleji společně ovládat. Zároveň měl namapovat rozhraní pro ovládání virtuálního nástroje, jak přes klaviaturu, tak i pomocí jiných ovladačů.
Student samostatně nahrál vzorky příčné flétny, zobcových fléten, panovy flétny i irské flétny, povedl potřebnou analýzu a metodou samplování sestavil v prostředí Reaktor6 základ pro kombinované rejstříky. Původní přírodní barvy nástrojů dle zadání obohacoval umělými prvky pomocí aditivní i subtraktivní syntézy, pomocí témbrů získaných modulacemi (FM, RM), v programu využil i formantovou a vektorovou syntézu. Syntézy i modulace vytvářel v programu Reaktor6 sám od začátku.
Oceňuji, že se detailně zaměřil na techniky (např. sílu dechu nebo sklon hrany proti ústům), kterými flétnisti v reálném čase řídí a mění flétnové témbry, ať již jde o tranzienty nebo stacionárnější jevy. Analyzoval křivky těchto fyzikálních jevů a přenesl je do nastavení dechového MIDI kontroléru pomocí parametrů dech (Breath), zkousnuti (Bite), zaklonění (Nod) a naklonění (Tilt), které jsou součásti aplikace MIDI Breath Controller. Ne vždy se povedlo nastavit křivky těchto parametrů ideálně, tyto parametry ale i tak výrazně ovlivňují živost VST nástroje. Dechový ovladač potom pomocí MIDI rozhraní namapoval vůči vstupům programu Reaktor6 (leckdy i jeden výstup ovladače k více parametrům).
Práci doplnil deseti reprezentativními presety, kde detailně popsal jejich vnitřní strukturu a ovládání v reálném čase. V některých je přítomnost původních nasamplovaných fléten čitelnější (hlavně v případě panovy flétny), jinde bohužel zaniká (zobcové flétny).
Student dále provedl pomocí spektrálních vzorců v programu Matlab analýzu vlastních flétnových presetů, kde vyhodnotil parametry jako spektrální těžiště, rozpětí a tok, ale i harmonický poměr, subjektivní hlasitost či formantové oblasti (pomocí LPC). Popsal úlohy těchto parametrů v rámci každého rejstříku a jeho zaměření.
Program je funkční, ovladatelný přes rozhraní MIDI. Textová práce je přehledná obsahově i formálně na velice slušné úrovni.
Student musel vymýšlet, a hlavně optimalizovat poměry témbrů v programech sám, k čemuž mu pravděpodobně jen minimálně napomáhala AI.

Otázky k obhajobě:
Nejde přílišné zaklánění hlavy v případě dechového kontroléru a parametru zaklonění (Nod) na úkor klávesové techniky rukou? Points proposed by supervisor: 90

Grade proposed by supervisor: A

Diplomant předložil práci na dané téma v odpovídajícím rozsahu. Nejprve se zabývá teorií aerofonů, jak u nich tón vzniká a jakými parametry a technikami hry je možné jej ovlivňovat. Zde oceňuji přehlednost a úplnost, stejně tak práci s prameny.
V dalším textu se autor zaměřuje na možnosti, jak simulovat zvuk různých fléten pomocí virtuálního (VST) nástroje, pro jehož realizaci si vybral modulární vývojové prostředí NI Reaktor 6. Dle zadání měl být nástroj realizován ve vyšším programovacím jazyce; ačkoli Reaktor 6 není klasický textový programovací jazyk, ale spadá do kategorie vizuálních modulárních programovacích prostředí, lze přesto vybraný programovací postup označit za vhodný a v souladu se zadáním.
V praktické části práce se autor nejprve zabýval nahráváním vzorků fléten, z důvodů problematické simulace transientů – vsadil tedy na zvukové vzorky. Metody samplingu jsou precizně provedeny i v textu popsány. Vzorky fléten se v různých dynamikách a výškách stávají pilířem transientů virtuálního nástroje, ale vlastní těžiště práce spočívá v implementaci různých typů syntéz v reálném čase.
Zde mám dvě praktické připomínky: zaprvé je trochu škoda, že u subtraktivní syntézy nebylo implementováno řízení ořezávací frekvence filtru výškou tónu (číslem MIDI klávesy), případně také generátorem obálky. Zadruhé, použitá aditivní syntéza je statická (bez možnosti ovlivnění úrovně jednotlivých harmonických v čase) a obsahuje jen osm složek. Vzhledem k tomu, že je tento modul spíše doplňkem, nepovažuji to za větší prohřešek.
Klíčem k úspěchu kvalitní imitace charakteru tónu nástrojů dechových je možnost ovlivnění nasazení, dynamiky, výšky a mnoha dalších parametrů. K tomu autor využil s úspěchem dechový kontrolér se čtyřmi různými parametry. Tím se dává statickému pojetí celého virtuálního nástroje větší dynamika a zvuk je obrovsky variabilní, což autor dokládá v praktické ukázce. Vhodným nastavením lze často těžko rozpoznat předlohu od imitace. Z hlediska hudební artikulace a možností hry oceňuji i zapojení dalších kontrolérů, jako je kolečko Modulation, Pitch Bend atd.
Po jazykové stránce je text na slušné úrovni. Občas se nějaká ta chyba najde, někde chybí písmenko nebo je zde také pár drobných překlepů. Nic z toho neubírá na kvalitě textu. Také formální členění a práce se zdroji je v pořádku. Práci doplňuje také analýza programovaných rejstříků v grafické podobě. Text je vhodně doplněn o obrázky a grafy. Topics for thesis defence:
  1. Jaké metody syntézy (i v textu neuvedené) by byly vhodné pro simulaci zvuku fléten, především transientů, kdyby nebyly použity vzorky ze sampleru?
  2. Jaký je vztah mezi akustickou délkou píšťaly a jednotlivými harmonickými?
  3. Která z použitých syntéz je podle Vás potenciálně nejvhodnější z hlediska expresivity pro autonomní simulaci dechových nástrojů s hranou a dírkami?
Points proposed by reviewer: 90

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová