Pythonで音声波形を操作して、チップチューン音楽、いわゆる8bit音楽をつくっていきます。
チップチューン
ファミコンなどに内蔵されている、制約の多い音源チップによって作られる音楽のことをチップチューンと呼びます。ファミコンのcpuが8bitであったことから、8bit音楽とも呼ばれます。
ファミコンではPSGという種類の音源チップが使われていました。PSG音源では、いくつかの主要な音を組み合わせて音を作り出します。ファミコンでは、次の3種類の音を組み合わせて音を作り出しています。
矩形波
Square Wave
くけいは（たんけいはじゃないよ）。矩形は長方形という意味です。以下のような波で表します。
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こんな音です。
矩形波ではデューティー比（疎密の比率）が1:1となっていますが、当然この比率が変わった音も存在します。それらを含めて一般的にパルス波と呼んだりもします。
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三角波
Triangle Wave
以下のような三角形の波です。
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三角形の形を変えた音も存在します。それらも三角波と呼びます。中でも直角三角形を連ねた以下のような波はノコギリ波 (Sawtooth Wave) と呼ばれます。
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ホワイトノイズ
White Noise
Official髭男dismの楽曲: Official髭男dism - ホワイトノイズ [Official Video] - YouTube
というのは冗談で、ザーっというノイズ音。正規分布や一様分布に従ったサンプルを生成することで作れます。
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Pythonで音を作る
実際に波形を作ってみましょう。
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as pltまずはsin波を作ります。最も基本的な音です。純音とも呼ばれます。
まず以下の値を設定します。
sr: サンプリングレートsec: 秒数freq: 周波数
sr = 44100
sec = 1.
freq = 440.次に、時間軸（0からsecまでを1/srずつ刻む配列）を作ります。
t = np.arange(0, sec, 1/sr)最後に、指定した周波数で振動する（1秒あたりfreq回振動する）sin波を作ります。
y = np.sin(2 * np.pi * freq * t)
plt.figure(figsize=(8, 3))
plt.plot(t, y)
plt.xlim(0, 0.02)Loading image...
きれいな波ができました。これを音声ファイルに変換してみましょう。
import soundfile as sf
sf.write('sin.wav', y, sr)こんな音です。
ちなみに、IPython Notebookでは配列を直接音として埋め込むことができます。
import IPython.display as ipd
ipd.Audio(y, rate=sr)さて、他の波形も作ってみましょう。といっても、関数を変えるだけです。
scipy.signalに主要な波形が実装されているので、それを使います。
import scipy as sp
square = sp.signal.square(2 * np.pi * freq * t) # 矩形波
triangle = sp.signal.sawtooth(2 * np.pi * freq * t, width=0.5) # 三角波これで完了です。先のものと同じ波形。
fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(2, 1, figsize=(8, 4))
ax1.plot(t, square, label='square')
ax1.set_xlim(0, 0.02)
ax1.legend()
ax2.plot(t, triangle, label='triangle')
ax2.set_xlim(0, 0.02)
ax2.legend()
fig.tight_layout()Loading image...
音も先で示した通りです。
Pythonで音楽を作る
ではいよいよ音楽を作っていきます。
先ほどは音の高さを周波数で指定していましたが、それらを一つ一つ指定するのは面倒です。そこで、音階を数値で指定することとします。
音階にはMIDIノートナンバーを割り当てます。半音上がるごとに1ずつ増えていく整数値で、例えばC4（ピアノでいう真ん中のド）は60です。
次に、音階と周波数の対応を定義します。ここでは基準としてA4を440Hzとします。
ある音の周波数を2倍にすると、それは1オクターブ上の音になります。オクターブという関係はここから定義されています。この関係を利用して、音階と周波数の対応を次のように定義できます。
はMIDIノートナンバーです。440は基準としたA4の周波数、69はA4のMIDIノートナンバー、12は1オクターブの音階の数です。
実装して確認してみましょう。
def get_freq(n):
return 440 * 2 ** ((n-69)/12)
n_A4 = 69
n_A5 = 69 + 12
print(get_freq(n_A4))
print(get_freq(n_A5))440.0
880.0ちゃんとになりましたね。
では、音階を適当に入力してメロディを作ってみましょう。
melody = [60, 62, 64, 65, 67]
sec = 1.
sr = 44100
t = np.arange(0, sec, 1/sr)
y = np.array([])
for n in melody:
freq = get_freq(n)
y = np.append(y, np.sin(2 * np.pi * freq * t))
ipd.Audio(y, rate=sr)できましたね。
別のメロディも作ってみましょう。音とその長さをタプルで与えます。また波形も変えてみます。
melody = [
(79, 0.3), (75, 0.3), (70, 0.3), (75, 0.3), (77, 0.3), (82, 0.6),
(70, 0.3), (77, 0.3), (79, 0.3), (77, 0.3), (70, 0.3), (75, 0.6)
]
sr = 44100
y = np.array([])
for n, sec in melody:
freq = get_freq(n)
t = np.arange(0, sec, 1/sr)
y = np.append(y, sp.signal.square(2 * np.pi * freq * t))
ipd.Audio(y, rate=sr)聞き慣れた音楽が出来上がりました。
次は和音を作ってみましょう。和音とは複数の音が同時に鳴る音です。単純に複数の波を足すだけで作れます。
sr = 44100
sec = 1.
n1, n2, n3 = 60, 64, 67
t = np.arange(0, sec, 1/sr)
y = np.zeros_like(t)
for n in [n1, n2, n3]:
freq = get_freq(n)
y += np.sin(2 * np.pi * freq * t)
plt.figure(figsize=(8, 3))
plt.plot(t, y)
plt.xlim(0, 0.05)
ipd.Audio(y, rate=sr)Loading image...
Cメジャーの和音が作れました。
Pythonでチップチューンを作る
では、これまでの内容を活用してチップチューン音楽を作っていきます。
まずは曲を打ち込むのですが、先ほどのようにMIDIノートナンバーと長さを手動で入力するのは面倒なので、MIDIファイルを読み込めるようにします。music21というライブラリを使います。
import music21 as m21では作っていきましょう。ドラクエの序曲を打ち込みました。
まずはMIDIの読み込みといくつかの設定です。ファミコンに倣い、2つの矩形波と1つの三角波を使います。
path = 'midi/jokyoku.mid'
midi = m21.converter.parse(path)
sr = 44100
bpm = 120
waveforms = [
sp.signal.square, # 矩形波
sp.signal.square, # 矩形波
lambda t: sp.signal.sawtooth(t, width=0.5), # 三角波
]次に音を作っていきます。
tracks = []
for part, waveform in zip(midi[1:], waveforms): # metadata以外の全トラック
y_track = np.array([])
for event in part.flatten().notesAndRests: # トラック内の音符と休符
ql = event.quarterLength # 長さ (4分音符)
sec = 60 / bpm * ql # 長さ (秒)
t = np.arange(0, sec, 1/sr) # 時間軸
if isinstance(event, m21.note.Rest): # 休符
y_note = np.zeros_like(t) # 音
else: # 音符
y_note = np.zeros_like(t)
for pitch in event.pitches: # 和音を構成する全ての音
freq = get_freq(pitch.midi) # 周波数
# freq = pitch.frequency # これでもいい
y_note += waveform(2 * np.pi * freq * t) # 音
y_track = np.append(y_track, y_note) # 音を追加
tracks.append(y_track) # トラックを追加
# 全部足す
y = np.zeros_like(max(tracks, key=len))
for y_track in tracks:
y[:len(y_track)] += y_track
ipd.Audio(y, rate=sr)できました。スピーカーによってはベースの音（三角波）が小さく感じるかもしれません。
別の曲も作ってみましょう。
ここでmunotesというライブラリを導入します。音符の波形を簡単に扱えるライブラリです。私が作りました。
import munotes as mnこんな感じで音を生成できます。
note = mn.Note("C4")
note.play("square")Loading image...
では作っていきましょう。今度はポケモン金銀のチャンピオン戦です。
今回はエンベロープを指定してみます。エンベロープとは音の立ち上がりや減衰の形を表すものです。
envelope_square = mn.Envelope(
attack=0.01, decay=0.1, sustain=0.5, release=0.3,
trans_orders={
'decay': 2,
'release': 2,
}
)
note = mn.Note("C4")
y = note.render(envelope=envelope_square)
plt.figure(figsize=(8, 3))
plt.plot(y)Loading image...
できました。こんな音です。
音がフェードアウトしている部分は分かりやすいと思います。
これを矩形波に適用して音を作ります。
path = 'midi/pokemon.mid'
bpm = 195
waveforms = ["square", "square", "triangle"]
envelopes = [
envelope_square,
envelope_square,
mn.Envelope(attack=0.01, release=0.02)
]
amps = [1., 0.5, 1.]midi = m21.converter.parse(path)
stream = mn.Stream([], unit='ql', bpm=bpm)
for part, waveform, envelope, amp in zip(midi[1:], waveforms, envelopes, amps):
track = mn.Track([], waveform=waveform, envelope=envelope, amp=amp)
for event in part.flatten().notesAndRests:
ql = event.quarterLength
if isinstance(event, m21.note.Rest):
track.append(mn.Rest(duration=ql))
else:
notes = mn.Notes(
[note.midi for note in event.pitches],
duration=ql
)
track.append(notes)
stream.append(track)
stream.play()コードが少しシンプルになりましたね。音もいい感じです。
オワリ
以上です。ノイズとかも足していきたいですね。
ソースコードや使用したMIDIファイルはこちら: misya11p/python-chiptune