sintesis akustik menggunakan filter digital

Seminar Nasional Teknologi Informasi & Komunikasi Terapan 2011 (Semantik 2011)
ISBN 979-26-0255-0
SINTESIS AKUSTIK MENGGUNAKAN FILTER DIGITAL
Ida Widihastuti
Jurusan Teknik Informatika , Universitas Islam Sultan Agung Semarang
ABSTRAK
Di Indonesia, belum banyak penelitian yang mengembangkan konsep sound recognition. Penelitian
berkisar pada konsep pengaturan frekuensi yang diambil dari sound card PC, untuk selanjutnya dapat
digunakan untuk membentuk lagu baru. Namun sinyal yang dihasilkan masih berupa suara DTMF atau
sirine. Penelitian terdahulu belum ada yang mengungkap suara buatan per-not, dari setiap alat musik,
misalnya not piano atau gitar. Untuk mendapatkan suara gitar atau piano, nada-nada DTMF harus diolah
terlebih dahulu, sehingga membentuk efek filter digital resonansi ataupun efek filter digital getar. Untuk
mewujudkannya, dibutuhkan penelitian yang mampu memanipulasi sinyal not suara alat musik, yang
mempunyai isyarat suara yang mendekati kesamaan dengan sinyal asli. Metode yang diterapkan adalah
menggunakan filter digital dan pengefek filter digitalan untuk mendapatkan spektrum yang senada dengan
spektrum dari nada aslinya. Efek filter digital yang digunakan adalah reverberator, vibrato, delay dan
echo. Dengan menggunakan filter digital, frekuensi center terletak pada 100 Hz dan bandwidth 90 Hz.
Terdapat kenaikan bandwidth 130 % dari penelitian sebelumnya.
Kata kunci: Sintesis Suara Akustik, Filter Digital, Bandwith
1. PENDAHULUAN
Manipulasi sinyal suara, sudah mulai berkembang sejalan dengan perkembangan dunia musik dan layar
lebar. Namun setelah ditemukannya sintesis suara, metode ini menjadi rujukan untuk aplikasi elektronik
lain, seperti kunci otomatis dengan suara digital, kompresi suara, pengiriman pesan melalui media suara,
pengubahan sound to text dan deteksi suara. Sinyal suara merupakan sinyal yang dapat dimanipulasi. Sound
recognition telah dikembangkan oleh banyak peneliti didunia, diantaranya adalah Lawrence R Rabiner (1).
Lawrence telah meneliti speech, vowel dan sound recognition (2)(3)(4)(5)(6). Lawrence masih
memanipulasi sinyal suara dari kumpulan suara aslinya. Biasanya digunakan untuk manipulasi lagu
ataupun dubbing suara pada rumah produksi.
Di Indonesia, penelitian tentang sound recognition dikembangkan oleh seorang dosen Undip Semarang,
Achmad Hidayatno, namun masih berkisar speech processing, pengubahan sound to text dan deteksi suara .
Untuk penelitian tentang sound, dilakukan oleh mahasiswa ITS, Devi dyah (7), penelitian berkisar tentang
pembuatan composer lagu yang berbasis DSP. Dyah, dengan menggunakan bahasa pemrograman visual
C++, menjelaskan tentang konsep pengaturan frekuensi yang diambil dari sound card PC, untuk selanjutnya
dapat digunakan untuk membentuk lagu baru. Namun sinyal yang dihasilkan masih berupa suara DTMF
atau sirine.
Penelitian terdahulu belum ada yang mengungkap suara buatan per-not, dari setiap alat musik, misalnya not
piano atau gitar. Untuk mendapatkan suara gitar atau piano, nada-nada DTMF harus diolah terlebih dahulu,
sehingga membentuk efek filter digital resonansi ataupun efek filter digital getar. Untuk mewujudkannya,
dibutuhkan penelitian yang mampu memanipulasi sinyal not suara alat musik, yang mempunyai isyarat
suara yang mendekati kesamaan dengan sinyal asli.
2. TUJUAN
Tujuan dari diadakannya penelitian ini adalah untuk menemukan metode baru dalam melakukan sintesis
suara digital dan membuat perangkat lunak yang memudahkan dalam proses aransement lagu atau
pencarian nada. Metode yang diterapkan adalah menggunakan filter digital dan pengefek filter digitalan
untuk mendapatkan spektrum yang senada dengan spektrum dari nada aslinya. Efek filter digital yang
digunakan adalah reverberator, vibrato, delay dan echo.
Seminar Nasional Teknologi Informasi & Komunikasi Terapan 2011 (Semantik 2011)
ISBN 979-26-0255-0
3. METODE PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan berdasarkan tugas mata kuliah sinyal dan sistem yang dikembangkan lebih jauh,
justru setelah mata kuliah tersebut berakhir. Penelitian dilakukan selama 3 bulan, yaitu pada bulan
Desember 2010 sampai Februari 2011 di Laboratorium Komputer Fakultas Teknik. Alat yang digunakan
adalah recorder, piano dan gitar. Perangkat lunak yang digunakan adalah berupa pemrograman berbasis
GUI dari Matlab 7.3.0 R2006. Tipe file input yang digunakan sebagai pembanding sintesis suara
menggunakan tipe wav, begitu juga dengan tipe file output.
3.1 Analisis Permasalahan
PERMASALAHAN INTERNAL
· Not masih berupa nada DTMF
· Memori yang besar untuk
proses pelacakan nada
· Kesulitan dalam melakukan
penggabungan nada
PERMASALAHAN EKSTERNAL
DAMPAK PERMASALAHAN
· Lagu yang dihasilkan, masih
berupa monoponik, bukanlah
poliponik
· Memori yang besar
menyebabkan proses deteksi
nadanya semakin lama
· Penelitian Sound Recognizing
masih sedikit
· Penelitian berkutat pada vowel
dan speech to text
SINTESIS SUARA AKUSTIK
MENGGUNAKAN FILTER
DIGITAL SEBAGAI SOLUSI
PENGURANGAN
PENGGUNAAN RUANG
MEMORI PADA PENGOLAH
SUARA
OPTIMASI
· Menggunakan metode filter
digital
· Efek diberikan pada tiap not
dan setiap gabungan nada
· Efek yang digunakan berupa
Reverberator, delay, chorus,
flanging, echo dan vibrato
HASIL
· Waktu deteksi yang lebih cepat
· Proses aransement lagu
menjadi mudah
· Hemat ruang memori
Gambar 1. Diagram analisis permasalahan
3.2. Analisis Kebutuhan
1 Implementasi software aplikasi menggunakan MATLAB Versi R2006b, di mana memanfaatkan
algoritma filter digital yang telah ada.
2 Alat yang digunakan adalah recorder, piano dan gitar.
3 Sintesis suara dilakukan pada suara gitar dan piano.
4 Variasi frekuensi yang diproses menggunakan 186 not.
5 Metode dan algoritma yang digunakan pada proses sintesis suara, menggunakan pengefek filter
digitalan not tunggal dan pengefek filter digitalan gabungan.
6 Suara yang dideteksi yaitu kemudian disimpan dalam format .wav.
3.3 Rancangan Penelitian
A
PREPOSESING
PENGUJIAN
Record not asli
Penggabungan
Susun not guitar dan piano
Sintesis Not
Penentuan frekuensi not
tunggal
Pemilihan efek gabungan
Penggabungan not tunggal
Pembangkitan not tunggal
Pengefekan
UJI DATA
Pengujian spektrum dan plot
not asli
Ambil Not
A
Pengujian spektrum dan plot
not sintesis
Pengujian spektrum dan plot
not asli dan not sintesis
Gambar 2. Diagram Alir Perancangan
Seminar Nasional Teknologi Informasi & Komunikasi Terapan 2011 (Semantik 2011)
ISBN 979-26-0255-0
Berikut ini adalah tampilan GUI dari program sintesis suara yang dikembangkan berbasis filter digital.
Gambar 3. Tampilan GUI dari Program
Penyusunan sintesis suara, awalnya berdasarkan pada variasi frekuensi yang diperoleh dari variasi rumus
trigonometri. Frekuensi awal dimulai pada frekuensi 440 Hz, kemudian variasi frekuensi dilakukan dengan
rumus 440 x 2n/12. Berikut ini adalah daftar variasi not yang digunakan.
Tabel 1. Sampel Variasi Not Piano Sintesis
D R M F S L T D R M F S L T D R M F S L T D R M F S L T D
O E I A O A I O E I A O A I O E I A O A I O E I A O A I O
3
3
2
4
4
1
2
2
4
5
1
6
2
4
3
2
1
2
4
3
2
4
2
4
3
2
7
2
4
2
3
0
2
4
4
3
2
2
4
4
3
6
2
4
5
4
0
2
4
3
4
5
2
4
1
5
3
4
8
2
4
3
5
1
2
4
1
7
2 4 4 5 3 3 3 2 4 4 5 3 3
5 5 6 6 6 7 7 7 8 8 9 9 9
1 3 6 8
3 7 1 6 9 2 5 7 1 5 0 3 6
2 2 2 2
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
4 4 4 4
4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
5 1 6 1 2
2 7 2 8 1 3
1 1 1 1 1 2 7 1 9 5 4 3 5
2
3
4
3 9 1 1 3
5 7 7 5 5 1
2
2
2
2
2
8 4 3 2 3 8 1 8 4 3 2 3 8 1 8
8
4 8 1 8
8
4 8 1
4
4
4
4
4
Dari variasi diatas didapatkan variasi frekuensi not baru, yaitu A=440 Hz, A#=466,16 Hz, B=493,88 Hz,
C= 523,25 Hz, C#=554,36 Hz, D=587,33 Hz, D#=622,25 Hz, E=659,25 Hz, F= 698,45 Hz, F#=739,98 Hz,
G=783,99 Hz dan G#=830,6 Hz. Sedangkan untuk gitar, variasi disusun berdasarkan rumus
sin(2*pi*Frekuensi*(0:0.000125:0.5)). Berikut ini adalah controh sample variasi not guitar sintesis:
Not A pada String 6 = sin(2*pi*55*(0:0.000125:0.5));
Not A pada String 5 = sin(2*pi*110*(0:0.000125:0.5));
Not A pada String 4 = sin(2*pi*220*(0:0.000125:0.5));
Not A pada String 3 = sin(2*pi*440*(0:0.000125:0.5));
Not A pada String 2 = sin(2*pi*880*(0:0.000125:0.5));
Not A pada String 1 = sin(2*pi*1760*(0:0.000125:0.5));
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian dilakukan dengan membandingkan antara spektrum not frekuensi awal dengan spektrum not
setelah di sintesis.
1800
3000
1600
2500
1400
1200
2000
1000
1500
800
600
1000
400
500
200
0
1
10
2
10
(a)
3
10
4
10
0
1
10
2
3
10
10
4
10
(b)
Gambar 4. Perbandingan antara :(a) Spektrum not frekuensi awal, (b) Spektrum not frekuensi setelah di sintesis
Seminar Nasional Teknologi Informasi & Komunikasi Terapan 2011 (Semantik 2011)
ISBN 979-26-0255-0
Not tunggal dengan frekuensi nada DTMF hanya menghasilkan satu spektrum sinyal, sedangkan not
tunggal yang telah ditambah dengan efek filter digital mempunyai lebih dari satu spektrum sinyal.
1
0.8
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0
-0.2
-0.2
-0.4
-0.4
-0.6
-0.6
-0.8
-0.8
-1
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
4
x 10
(a)
(b)
Gambar 5. Perbandingan antara :(a) Plot not frekuensi awal, (b) Plot not frekuensi setelah di sintesis
Not tunggal mempunyai amplitude yang sama. Hal ini sesuai dengan hasil penelitian yang dilakukan
mahasiswa ITS, Devi (7). Sedangkan not tunggal yang telah ditambah dengan efek filter digital mempunyai
amplitude yang bervariasi. Untuk gitar dan piano, keduanya merupakan alat musik petik yang sangat
terpengaruh oleh harmonisasi dan resonansi, sehingga suara yang terdengar seperti bergetar dan lama-lama
memelan dan hilang.
0.8
0.6
200
0.4
150
0.2
0
100
-0.2
50
-0.4
-0.6
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
1
10
2
3
10
10
4
10
4
x 10
(a)
(b)
1
1200
0.8
1000
0.6
0.4
800
0.2
600
0
-0.2
400
-0.4
200
-0.6
-0.8
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
1
10
2
10
3
10
4
10
4
x 10
(c)
(d)
Gambar 6. Perbandingan antara :(a) Plot not frekuensi gabungan awal, (b) Spektrum not frekuensi
gabungan awal , (c) Plot not frekuensi gabungan setelah di sintesis, (d) Spektrum not frekuensi gabungan
setelah di sintesis
Pada penelitian ini, terdapat perbedaan respon frekuensi yang dihasilkan pada penelitian Lawrence.
Perbedaanya adalah sebagai berikut.
Seminar Nasional Teknologi Informasi & Komunikasi Terapan 2011 (Semantik 2011)
ISBN 979-26-0255-0
(c)
(d)
Gambar 7. Perbandingan antara :(a) Respon frekuensi filter single formant Lawrence, (b) Respon frekuensi
filter Digital
Pada filter Lawrence, frekuensi center terletak pada 500 Hz dengan bandwidth 60 Hz, sedangkan pada filter
digital, frekuensi center terletak pada 100 Hz dan bandwidth 90 Hz. Dari grafik diatas dapat disimpulkan,
bahwa filter digital mempunyai bandwith yang lebih besar daripada filter Lawrence, sehingga mampu
menampung lebih banyak variasi not.
5. KESIMPULAN
Telah dihasilkan sebuah sintesis suara dari suara gitar dan piano, spektrum yang dihasilkan
senada dengan aslinya, dan programnya mampu melakukan penggabungan not sintesis nada
tunggal, menjadi kumpulan nada, sehingga memudahkan untuk melakukan penggubahan nada,
komposer lagu ataupun hanya ingin melihat nada saja. Dengan rancangan filter digital yang
sesuai, didapatkan bandwith yang lebih besar daripada penelitian sebelumnya.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Ratnawati Linda,
“Pembuatan 10 Channel Digital Audio Equalizer dan Digital
Audio Effects Berbasis Perangkat Lunak” , Proyek Akhir PENS-ITS. 2004
[2] http://wiryana.pandu.org/artikel/dsp_02/
[3] http://en.wikipedia.org/wki/Composer
[4] Bima Sena ayu Dewantara, “Pelatihan Digital Signal Processing”, PENS – ITS.004
[5] Dwinardani Shinta, “Perangkat Lunak Untuk kompresi Audio Dengan Differential PCM”, Proyek
Akhir PENS-ITS. 2005
[6] Syarif Iwan, Sigit Riyanto, Helen Afrida, Sa’adah Umi, Muso Toru, “Pemrograman 2 (Pemrograman
C)” .PENS-ITS.2001
[7] http://library.thinkquest.org/18160/frequency.htm
[8] Lynn Ashley, “Equally Tempered Scale”, http://ashley.net/music/notefreq.htm, 2001
[9] Ds. Soewito M, “Teknik Termudah Menulis dan Membaca Not Balok”, Bogor.1993