Modeler vs Profiler ?!

NUX AMP ACADEMY vs IK TONE X

Stomp-box Modeler

https://monkcustom.blogspot.com/2022/01/AmpAcademy.html

之前我們?cè)?022年3月份，寫(xiě)過(guò)一篇橫向?qū)Ρ鹊腟tomp-box Modeler，介紹了市面上常見(jiàn)的產(chǎn)品，如NUX Amp Academy、Strymon Iridium、Walrus ACS1、Atomic Ampli-Firebox、BOSS IR-200等等。

而主打Plug-In軟體的IK Multimedia也在AmpliTube的基礎(chǔ)上，推出Stomp-box Modeler: TONE X。 TONE X採(cǎi)用的算法是類(lèi)似QC的AI建模，源自跟KEMPER系出同門(mén)的『黑盒算法』。

IK TONE X vs NUX Amp Academy

理解大家沒(méi)有耐心看一堆文字?jǐn)⑹?，所以我們直接上主菜，音色?duì)比。

這邊我們挑選幾個(gè)有共同音箱模型的Reference來(lái)做對(duì)比。(搭載一樣的IR檔。)

Amp Modeling & IR

在說(shuō)明Modeler與Profiler之前，我們先來(lái)講述一下Amp Modeling跟IR之間的區(qū)別，我發(fā)現(xiàn)有許多人對(duì)於這兩者之間的定義有所混淆。

我們?cè)谥形恼f(shuō)到的『音箱模擬』指的就是『Amp Modeling』，也就是針對(duì)『音箱』來(lái)做建模的動(dòng)作。後面我們會(huì)講述到Modeling的方法。

而IR其實(shí)是近幾年用來(lái)實(shí)現(xiàn)Cab Sim的一種方法，在之前的文章有提到過(guò)，近年因?yàn)镈SP運(yùn)算力上來(lái)了，所以早期採(cǎi)用濾波器做Cab Sim的方法就改由IR卷積取代了。 所以IR指的是『箱體模擬』，並非『音箱模擬』。

Amp Modeling: Modeler & Profiler

音箱模擬，顧名思義就是要去『模擬』音箱，那麼我們得先來(lái)看一下，我們要去模擬什麼樣的音箱。

首先我們理解到我們要模擬的對(duì)象『Electric Guitar Amps』有很重要的特性，那就是帶有『失真』信號(hào)。即使是我們認(rèn)為的Cleanish類(lèi)別音箱，其實(shí)相較於Acoustic Guitar Amp 或者 PA系統(tǒng)，還是帶有失真特性。

而我們所說(shuō)的Electric Guitar Amp往往指的就是Tube Amp。 因?yàn)榧謧兿矏?ài)真空管音箱那“溫暖且肥厚的音色”以及“充滿生命力的失真”。

而電吉他音箱主要形成音色的部分在前端的PRE-AMP，這部分也是主要失真特性的來(lái)源。 所以在Digitech 、Zoom、Line 6這三個(gè)經(jīng)典綜效老牌（2005~2010主力綜效品牌）在當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展下，採(cǎi)取了『Waveshaper』的建模方式。 這種建模方式的好處是，工程師不用理解真空管電路的工作原理。（小編為1983年生，在大學(xué)時(shí)期的Smith電子學(xué)聖經(jīng)本早就沒(méi)有“真空管”了，當(dāng)時(shí)電子行業(yè)也早已經(jīng)是半導(dǎo)體為主流了。）

這是Preamp的最後一級(jí)，旨在驅(qū)動(dòng)效果環(huán)路，也是第一個(gè)出現(xiàn)失真的Preamp級(jí)。 該設(shè)計(jì)類(lèi)似於 Mesa Boogie MK I 中的Preamp失真級(jí)。

陰極電阻器被完全旁路，以防止負(fù)反饋降低三極管電路的豐富非線性行為。 R1 和 R2 形成分壓器，以將大約 100V 峰值的最大板電壓擺幅降低到大約半伏峰值的最大影響發(fā)送擺幅。

根據(jù) 12AX7 計(jì)算器，柵極偏壓在非常溫暖的 -1V。

隨著輸入信號(hào)的增加，上游電阻網(wǎng)絡(luò)上的電網(wǎng)電流的影響會(huì)壓縮正向電網(wǎng)電壓擺幅。 輸入信號(hào)的負(fù)擺幅不受限制。 嚴(yán)重的不對(duì)稱(chēng)性會(huì)產(chǎn)生大量的二次諧波失真，這種失真會(huì)提前達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)並持續(xù)到負(fù)電網(wǎng)電壓擺幅達(dá)到大約 -3V。 此時(shí)，峰峰值板電壓擺幅幾乎達(dá)到極限。

當(dāng)負(fù)柵極電壓擺幅超過(guò)-3.5V時(shí)，正極板電壓擺幅從溫和壓縮轉(zhuǎn)變?yōu)榧眲∠鞑ā?輸出波形變得更加對(duì)稱(chēng)，三次諧波失真開(kāi)始占主導(dǎo)地位。 超過(guò)該點(diǎn)，輸出信號(hào)達(dá)到最大值 - 它無(wú)法響應(yīng)輸入信號(hào)幅度的進(jìn)一步增加。

Traditional Waveshapers

傳統(tǒng)上，電吉他音箱的非線性行為是通過(guò)『Waveshaper』來(lái)建模的，它將輸出描述為輸入的函數(shù)。 例如，這是 Line 6 專(zhuān)利中包含的波形整形器。

對(duì)於線性電路，傳遞函數(shù)是一條直線。 Line 6 Waveshaper在正負(fù)輸入擺幅的極端情況下顯示壓縮。 它還描繪了不對(duì)稱(chēng)失真，因?yàn)檎妷簲[幅的曲線不是負(fù)擺幅曲線的鏡像。

聊到這裡，估計(jì)非工科的朋友已經(jīng)暈倒了，所以我們就此打住，關(guān)於Waveshaper建模，後期有更多改進(jìn)方法如“採(cǎi)用高通濾波器來(lái)捕捉耦合電容器 CG 的低頻行為“。

以及 “Cubic Spline Interpolation of the Transfer Function“、”A Digital High-Pass Filter to Emulate the Coupling Capacitor“ 等作法。

The origin of Modeler

在2000年時(shí)，Line 6發(fā)表PDO，由於主打Amp Modeling的概念，從此綜合效果器就有了新的名詞定義～Modeler。

Black Box & White Box

2007年，F(xiàn)ractal Audio發(fā)表Axe-Fx，採(cǎi)用ADI的SHARC，運(yùn)算力足夠?qū)崿F(xiàn)『IR卷積』以及『白盒算法』。

2010年，Kemper發(fā)表Profiler，採(cǎi)用『黑合算法』建模。(讓我們稱(chēng)之為Profiling。)

Black-Box

https://en.wikipedia.org/wiki/Black-box_testing

黑盒算法建立的基礎(chǔ)在於系統(tǒng)自身信息不可知，而在只有輸入輸出關(guān)係的情況下獲得系統(tǒng)的傳遞特性的方法。

一般來(lái)說(shuō)，工程師不需要程式代碼應(yīng)用、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和編程知識(shí)的具體知識(shí)。 測(cè)試人員知道軟體應(yīng)該做什麼，但不知道它是如何做的。 例如，測(cè)試人員知道特定的輸入返回特定的、不變的輸出，但不知道軟體首先如何產(chǎn)生輸出。

黑盒算法是在對(duì)實(shí)體音箱或者效果器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)未知的前提下，憑藉信號(hào)輸入/輸出的關(guān)係來(lái)猜測(cè)整個(gè)機(jī)器的工作狀態(tài)，當(dāng)猜測(cè)的正確率達(dá)到一定程度時(shí)（例如高於98%）即認(rèn)為實(shí)現(xiàn)這個(gè)音箱的音色。

黑盒算法的優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)運(yùn)算力的要求不高，一般來(lái)說(shuō)黑盒算法使用簡(jiǎn)單的通用結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)音色的模擬。在相同的算力下黑盒算法通?？梢垣@得不錯(cuò)的精度。他的主要缺點(diǎn)在於無(wú)法應(yīng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)構(gòu)變化時(shí)的音色實(shí)時(shí)改變。例如，音箱和效果器都有音量，高中低音，增益等調(diào)節(jié)旋鈕，在黑盒算法建立模型的時(shí)候需要固定上述旋鈕於一個(gè)位置，然後測(cè)試信號(hào)的輸入輸出特性，求得模型的參數(shù)。一旦旋鈕的位置變化了，這個(gè)模型應(yīng)對(duì)新系統(tǒng)的關(guān)係也就不成立了。所以這個(gè)方法適合作為一種拍照方法，把當(dāng)前音箱的音色固定的採(cǎi)集下來(lái)使用。

White-Box

https://en.wikipedia.org/wiki/White-box_testing

白盒算法就是打開(kāi)一臺(tái)設(shè)備的外殼，看裡面用了什麼元件，元件怎麼連接的，然後用一套數(shù)學(xué)方程來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)器的工作狀態(tài)。

白盒測(cè)試的基本過(guò)程要求測(cè)試人員對(duì)被測(cè)試的源代碼有深入的了解。 程式員必須對(duì)應(yīng)用程式有深入的了解，才能知道要?jiǎng)?chuàng)建什麼類(lèi)型的測(cè)試用例，以便運(yùn)用每一條可見(jiàn)的路徑進(jìn)行測(cè)試。 一旦理解了源代碼，就可以對(duì)其進(jìn)行分析以創(chuàng)建測(cè)試用例。

在選擇建立虛擬設(shè)備時(shí)首先要確定使用什麼物理系統(tǒng)作為基本的條件約束，對(duì)於電子網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)僅需遵循牛頓定律，和克希霍夫電壓、電流定律即可：

上述定律可滿足一般阻容電路網(wǎng)絡(luò)的表述，如果需要引入磁場(chǎng)元件諸如變壓器，電感線圈等元件還可引入法拉第電磁定律：

通過(guò)上面的四個(gè)定律可以描述任意複雜的電路拓?fù)?，由於這這種對(duì)系統(tǒng)的表述方式不摻雜任何人為的影響，可獲取十分自然的信號(hào)響應(yīng)，這正是白盒算法的魅力所在。

下面我們通過(guò)兩個(gè)例子來(lái)解釋如何實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)求解，下圖是一個(gè)經(jīng)典的話放EQ的中頻電路，電路包含電阻、電容、電感三種線性元器件：

我知道，到此已經(jīng)很難再講下去了，我們直接說(shuō)白盒算法的特點(diǎn)。

白盒算法的優(yōu)勢(shì)是可以完全的反映模擬設(shè)備的所有特性，包括設(shè)備的調(diào)節(jié)旋鈕，電源，溫度等參數(shù)對(duì)音色的影響等。他還可實(shí)現(xiàn)和模擬設(shè)備相同的動(dòng)態(tài)反映（樂(lè)手所說(shuō)的手感）和高度逼真的音色。他的主要缺點(diǎn)是：

1. 要為每一個(gè)模擬設(shè)備建立單獨(dú)的數(shù)學(xué)模型，例如：電子管，晶體管，運(yùn)算放大器，電阻，電容，電感，變壓器等元件，以及模擬設(shè)備的電路是如何連接的，因此工作量十分巨大。

?2. 需要設(shè)計(jì)者俱有非常深層次的模電設(shè)計(jì)理論知識(shí)才能重現(xiàn)原型機(jī)的音色。?

3. 需要大量的DSP算力來(lái)達(dá)到模型的高精確度。

面的圖片就是NUX品牌採(cǎi)用『白盒算法』建模的程式網(wǎng)路結(jié)構(gòu)。

The definition of Modeler & Profiler

由前面的介紹，我們可以了解Amp Modeler可分為 Modeler與Profiler。 這邊我們?cè)傺a(bǔ)充一個(gè)新的做法，那就是『AI類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)路』。

2020年，Neural DSP發(fā)表Quad Cortex，採(cǎi)用的就是AI算法，AI算法是基於『黑盒算法』的延伸，一樣無(wú)需知道系統(tǒng)內(nèi)容，量測(cè)輸入、輸出信號(hào)的關(guān)係。 AI在於，不需要測(cè)試人員進(jìn)行測(cè)試，而是自主測(cè)試，並且根據(jù)假設(shè)的系統(tǒng)方程進(jìn)行訓(xùn)練來(lái)獲得最逼近reference輸出結(jié)果的方程式。

而最近IK所推出的TONE X也是基於AI。（IK稱(chēng)為MACHINE MODELING。）

總結(jié)上述，Amp Modeler分為Modeler與Profiler，其中Modeler的技術(shù)又分成Waveshaper與White-box。 Profiler的技術(shù)分為Black-box與AI。

1. Waveshaper: 如LINE6、 ZOOM、 Strymon Iridium、 Walrus ACS-1、 BOSS IR-200, …etc.

採(cǎi)用Waveshaper的考量是，工程師不需要具備真空管電路數(shù)學(xué)模型的知識(shí)背景與工作原理，建立的Amp Model數(shù)學(xué)模型較簡(jiǎn)單，不耗費(fèi)DSP運(yùn)算力。?

但缺點(diǎn)就是無(wú)法還原真空管音箱的負(fù)反饋與動(dòng)態(tài)響應(yīng)，進(jìn)而影響手感。 最明顯的就是當(dāng)你外接『過(guò)載效果器』時(shí)，聲音會(huì)被壓縮，縮掉。無(wú)法像真實(shí)音箱承受大信號(hào)。

2. White-box: 如Fractal、 NUX。

如前面所提到，白盒算法考驗(yàn)著工程師要對(duì)系統(tǒng)（也就是真空管音箱電路）有高度的知識(shí)背景，且Programmer也要理解系統(tǒng)物理建模的數(shù)學(xué)模型。 再者每一層級(jí)的電路都需要進(jìn)行量測(cè)校正，所以需要拆解原型機(jī)來(lái)做驗(yàn)證，建模的過(guò)程相當(dāng)耗時(shí)。

但對(duì)樂(lè)手來(lái)說(shuō)，最重要的是White-box是可以最接近真空管音箱的『手感反饋』與『過(guò)載信號(hào)承受性』，以及轉(zhuǎn)動(dòng)EQ旋鈕時(shí)的『混沌現(xiàn)象』。

3. Black-box: 如Kemper、 Mooer。

建模速度快，所以品牌方或者第三方，都可以進(jìn)行Profiling，並且分享Profile檔案。（Amp Model） 但Profile缺點(diǎn)就是靜態(tài)參數(shù)，當(dāng)你轉(zhuǎn)動(dòng)EQ時(shí)，會(huì)跟reference有所差異，且你會(huì)發(fā)現(xiàn)雖然整體頻響跟原型機(jī)很像，但是彈奏手感都是定型的，即使你換了不同Amp Model。 當(dāng)你外接過(guò)載效果器時(shí)，聲音也會(huì)產(chǎn)生不自然的壓縮。

4. AI: 如Neural QC、 IK ToneX。

建模速度最快，其內(nèi)建通用模型，AI自主訓(xùn)練擬合曲線方程，Profile的過(guò)程傳統(tǒng)黑盒子簡(jiǎn)單。 整體頻率響應(yīng)可以比傳統(tǒng)Profiler精準(zhǔn)，但目前的AI Profiling時(shí)間還是相當(dāng)長(zhǎng)，如Neural QC約要40分鐘，一般用戶(hù)還是很少使用這個(gè)功能。 另外跟黑盒子算法一樣的缺點(diǎn)：彈奏手感都是定型的，即使你換了不同Amp Model。 當(dāng)你外接過(guò)載效果器時(shí)，聲音也會(huì)產(chǎn)生不自然的壓縮。

Conclusion & My 2 cents

現(xiàn)代吉他手選擇Modeler的機(jī)會(huì)越來(lái)越高，因?yàn)檠莩鰰r(shí)遇到Amp-less（無(wú)音箱）的場(chǎng)景越來(lái)越多。 喜歡單顆效果器組盤(pán)的吉他手會(huì)選擇Stomp-box Modeler類(lèi)型來(lái)搭配自己喜愛(ài)的單顆效果器，尤其是『Overdrive』與『Distortion』。?

所以，如果你的考量是以live gigs為主，那麼挑選『白盒算法』為基底的NUX Amp Academy 將會(huì)是一個(gè)好選擇。 如前所述，『白盒算法』擁有近似真空管音箱的『Negative Feedback』、『良好的彈奏手感反饋』、『優(yōu)異的動(dòng)態(tài)範(fàn)圍』、『過(guò)載效果信號(hào)承受性』。 此外產(chǎn)品本身帶有可獨(dú)立切換IR開(kāi)關(guān)的XLR輸出及1/4”(6.35mm)輸出，搭配OTG可以在現(xiàn)場(chǎng)使用手機(jī)進(jìn)行深度調(diào)參，Send/Return外接post efx。 但缺點(diǎn)是沒(méi)有傳統(tǒng)MIDI口或者3.5mm MIDI口，如果要使用MIDI踏板的話還需要使用帶有USB HOST的MIDI控制器。

反之，如果你以家裡宅錄為主，希望有比較多的Amp Model，或者第三方做好的音色預(yù)設(shè)，那麼Profiler會(huì)是你的選擇。 畢竟宅錄，對(duì)於手感上的要求度會(huì)低一些，且錄進(jìn)去後使用DAW外掛其他效果來(lái)修飾音軌是很常見(jiàn)的使用場(chǎng)景，就無(wú)須考慮『過(guò)載效果信號(hào)承受性』。且Profiler聽(tīng)覺(jué)上更像『成音』的音色。（像是唱片裡錄製好的吉他音色。） 而最近市場(chǎng)上討論度最高的平價(jià)Profiler，當(dāng)屬I(mǎi)K ToneX。 小編的使用體驗(yàn)上，覺(jué)得可惜的部分就是編輯預(yù)設(shè)的介面跟邏輯跟一般的綜合效果器差異很大。 機(jī)器本身只有LED屏，顯示的信息量少，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)參不友善。 此外沒(méi)有Send/Return來(lái)外接post efx。 如果你要Capture其他reference的話，還需要另購(gòu)ToneX Capture。

註記：如果你已經(jīng)買(mǎi)了IK ToneX，對(duì)於編輯音色不太熟悉，可以參考這個(gè)教學(xué)影片。

回顧一下，我所謂的『過(guò)載信號(hào)兼容性』。

IK ToneX vs NUX Amp Academy | Twin Reverb

IK ToneX vs NUX Amp Academy | Super Reverb

Neural Quad Cortex vs NUX Amp Academy

NUX Amp Academy vs LINE6 HX-STOMP

Drive Pedal Headroom & Response Test | Strymon Iridium VS NUX Amp Academy

相信聽(tīng)完以上的對(duì)比後，大家應(yīng)該更理解我所謂的『彈奏手感 Playability』、『動(dòng)態(tài)範(fàn)圍 Dynamic Range』、『過(guò)載信號(hào)兼容性 Overdrive Signal Compatibility』。

青菜蘿蔔各有所好，愛(ài)其所擇，擇其所愛(ài)～ 錢(qián)沒(méi)有不見(jiàn)，只是變成你喜歡的樣子！

感蝦支持～