WAVファイルを生成する

　「バイナリファイルを解析するスクリプト例」にて、WAVファイルの形式について解説し、ファイル構造を解析するスクリプトを組みました。ここでは、WAVファイルを生成してみようと思います。
　例題として、基準周波数440[Hz]の「ラ」の音を1[s]程再生するWAVファイルを作ってみたいと思います。

WAVファイルのフォーマット

　"fmt "チャンクに指定するフォーマットの項目については、「バイナリファイルを解析するスクリプト例」で解説済みです。

識別子	サイズ	意味
wFormatTag	2	WAVEデータの種類(形式)
nChannels	2	チャンネル数：モノラル＝１、ステレオ＝２
nSamplesPerSec	4	サンプリングレート(周波数)［Hz］
nAvgBytesPerSec	4	データレート［バイト／ｓ］
nBlockAlign	2	ブロックサイズ
wBitsPerSample	2	１サンプル当たりのビット数
cbSize	2	拡張データサイズ

　まず、どのようなフォーマットにするか？1つ１つ決めていきます。

wFormatTag

ここは、Microsoft PCM形式を示す1を設定します。
他にもいろいろな形式がありますが、作者は良く知りません（１＾＾；）。
PCM形式だと、音を波として捉え、波形表示した時の波形をそのまま数値として記録します。
従って、「ラ」の音を奏でるためには、440Hzのsin波を数値に置き換えて記録すればOKのはずです。

nChannels

モノラルかステレオか？単一の音を奏でるだけですので、モノラルで良いでしょう。

nSamplesPerSec

標本化定理と言うのがあって、サンプリングレート÷2までの周波数までしか再現できないんでしたね？
元の定理は逆か……。「最大周波数の2倍以上の周波数でサンプリングすれば、再現できる」
「ラ」の音は440Hzですので、2倍の880Hzあれば十分なんでしょうか？
まあここは、よく使われる44.1kHzを使っておきましょうか？

このサンプリングレートは音楽CDなどで使われていて、人間の可聴域の上限とされるおよそ20kHzから導かれた数値とされています。
nSamplesPerSecの単位は[Hz]なので、数値としては44100を指定します。

nAvgBytesPerSec

ここは1秒間のデータ量をバイト数で示します。下で決定するnBlockAlignによって変化します。
wBitsPerSample＝8ビットを使うつもりですので、以下の値となります。

nAvgBytesPerSec＝nSamplesPerSec×nBlockAlign

nBlockAlign

この値はnChannels、wBitsPerSampleを使って計算します。

nBlockAlign＝nChannels×wBitsPerSample÷8
整数値なので、万一、小数点以下が出てくるようなら、切り上げ、でしょうね……。
そういうデータ(例えば、wBitsPerSample=11ビットとか……)が許されているのかどうか？わかりませんが……。

wBitsPerSample

PCM形式を選択しましたので、波形を数値化する時の数値のビット数です。
通常は8ビットまたは16ビットのいずれかを使います。
今回は440Hzのsin波なので、8ビットで良いかと思います。

cbSize

今回は使いませんので、データ領域としても省略します。
"fmt "チャンクのデータサイズの所に、cbSize分の2バイトを含まない数値＝16バイトを指定しておけば、省略できます。

データの書き出し手続き

　Olive+のスクリプト言語MODELAでは、fopenという命令を使ってファイル入出力を実行することが可能です。
　バイナリデータの書き出しには、fputb命令が使えます。この命令では、0～255の整数値を1バイトデータとして書き出すことができます。
　ただ、一々1バイトのデータに分解して書き出すのは手間なので、いくつか簡略化する手続きを作っておきます。
　まずは、"RIFF"、"data"などのIDの書き出しを行う手続きです。

　　procedure　fput_id　fptr, $$wav_id
　　{
　　　　// 4文字のIDを書き出す
　　　　var　dat;
　　　　macro　chr;
　　　　// 1文字目
　　　　substr　chr=$(wav_id),1,1;
　　　　chr2num　dat=$(chr);
　　　　fputb　fptr,dat;
　　　　// 2文字目
　　　　substr　chr=$(wav_id),2,1;
　　　　chr2num　dat=$(chr);
　　　　fputb　fptr,dat;
　　　　// 3文字目
　　　　substr　chr=$(wav_id),3,1;
　　　　chr2num　dat=$(chr);
　　　　fputb　fptr,dat;
　　　　// 4文字目
　　　　substr　chr=$(wav_id),4,1;
　　　　chr2num　dat=$(chr);
　　　　fputb　fptr,dat;
　　}

　IDを文字列として受け取り($$wav_id)、substr命令で1文字づつ取り出しながら、chr2num命令でASCIIコード番号に変換して書き出しています。
　これで、例えば"RIFF"というIDを書きだしたい時は、以下の様にすればOKとなります。

　　fput_id　fptr, "RIFF";

　さらに、インテル系のOSなので、32ビットや16ビットの数値を書き出す時は、リトルエンディアンとなります。32ビットの整数値を書き出す手続きを以下のように定義しておきます。

　　procedure　fput_int　fptr, idat
　　{
　　　　// 32ビットの整数値をリトルエンディアンで書き出す
　　　　var　dat;
　　　　// 1バイト目
　　　　dat=@@(idat&0xff);
　　　　idat=@@(idat>>8);
　　　　fputb　fptr,dat;
　　　　// 2バイト目
　　　　dat=@@(idat&0xff);
　　　　idat=@@(idat>>8);
　　　　fputb　fptr,dat;
　　　　// 3バイト目
　　　　dat=@@(idat&0xff);
　　　　idat=@@(idat>>8);
　　　　fputb　fptr,dat;
　　　　// 4バイト目
　　　　dat=@@(idat&0xff);
　　　　idat=@@(idat>>8);
　　　　fputb　fptr,dat;
　　}

　リトルエンディアンですので、下位バイトから順に書き出します。書き出した後で、元のデータを8ビット右シフトして次のバイトに臨みます。「@@(～)」は、カッコ内を符号無整数として計算する、「バイナリ演算部」です。バイナリ演算部の内部では、演算子の機能が変化していて、ビット毎のAND演算(&)や右シフト演算(>>)を使って処理しています。
　同様に、16ビット整数値の書き出し手続きfput_shortも作ってあります。

データの生成

　肝心なデータですが、440Hzのsin波です。WAVファイルに記録する1つ分の波高データは、nSamplesPerSecという周波数でサンプリングされたもの、と言う解釈です。逆に言うと、1つの波高データは、1÷nSamplesPerSec[s]期間の代表データ、という事になります。
　つまり、1[s]で一周(2π)するsin波は、以下の通りです。

　　sin(2π×ｘ÷nSamplesPerSec)

　ｘを0～nSamplesPerSec－1まで変化させてグラフを書くと、1周期分のsin波となります。かつ、この1周期は1[s]に相当しているので、このsin波は1[Hz]です。440[Hz]のsin波は、1[s]の間に440回振動すれば良いので、以下となります。

　　sin(2π×ｘ÷nSamplesPerSec×440)

　sin関数は-1～1の値を取りますが、WAVの波高データは0～255(wBitsPerSample＝8ビットの場合)ですので、sin波も、中央の128を中心として振動させます。結果、以下の様なスクリプトになります。

　　// 「ラ」の音の波形を生成する。
　　var　idx;
　　var　dat;
　　idx=0;
　　while (idx<nAvgBytesPerSec)
　　{
　　　　dat=(sin (2*PI*idx/nSamplesPerSec*wav_freq) + 1)/2*256;
　　　　clip　dat=0,255;
　　　　fputb　fout,dat;

　　　　// 継続
　　　　idx=idx + 1;
　　}

完成スクリプト

　完成したスクリプトとWAVファイルです。

Olive+スクリプト	make_wav.olv
出力されるWAVファイル	make_wav.wav

　Cで作った時は一瞬でした(実行時間)が、スクリプトだとノロいです……。まあ、仕方ないですね……。その代わりにスクリプトは、手軽にテキストエディタだけでプログラミングできたり、本格的に他のプログラミング言語を使うほどでもない場合などに便利に使えるのが利点ですので、使い分けましょう。

　出来上がったWAVファイルの先頭部分をダンプしてみた結果がこちら。

　期待通りのsin波になっていることが確認できました。