Digital Piano Sampling: Viele Samples machen den Sound

Bei den meisten Digitalpianos kommt Sampling-Technik zum Einsatz. Seit Einführung in den 1980er Jahren wurde das Piano-Sampling weiterentwickelt, um das dynamische Klang- und Spielverhalten eines akustischen Pianos perfekt zu simulieren. Dabei setzt sich ein Piano-Sound aus sehr vielen einzelnen Samples zusammen. Diese Technik nennt sich Multi-Sampling.

Bei heutigen Digitalpianos und insbesondere Software-Pianos setzt sich ein Piano-Sound aus einem gewaltigen Netzwerk einzelner Sampling-Aufnahmen zusammen. Eine ausgeklügelte Scripting-Technik fügt dann im dynamischen Spiel die Einzelteile zu einem spielbaren Klang zusammen.  

Sowohl der der Tonumfang eines Klaviers als auch die immense Klangdynamik und die vielschichtigen Klangdetails ließen sich ohne solches Digital-Piano-Sampling gar nicht authentisch darstellen.

Multisampling ist die einzige Möglichkeit, die technischen Einschränkungen der Sampling-Technik zu umgehen. Bei den hochwertigen Pianosounds wird jeder Halbton gesampelt, was auch Note-by-Note-Sampling genannt wird. Aber dahinter steckt noch viel, viel mehr.

Warum würde Piano-Sampling ohne Multisamples nicht funktionieren?

Ein Sample klingt realistisch, es ist aber lediglich eine Momentaufnahme – vergleichbar mit einem Foto. So gesehen wäre dann ein lebhafter und ausdrucksstarker Klavierklang mit einem Farbfilm in 3D zu vergleichen. Man braucht also viele Momentaufnahmen, aus denen dann ein sich dynamisch verhaltendes Gesamtbild zusammensetzt. Problematisch verhalten sich einzelne Samples bei der Transponierung, denn damit gehen Verzerrungen der Frequenzverhältnisse (1) und des Klangverlaufs (2) einher.

1. Formant-Verschiebung: Wenn man ein einzelnes Sample transponiert werden außer der Tonhöhe auch die klangbildenden Formanten (Frequenzkonstanten) linear mit transponiert. Subjektiv wird dies als mehr oder weniger starke Verzerrung des Grundklanges wahrgenommen. Je weiter das Sample von der ursprünglichen Tonhöhe transponiert abgespielt wird, desto deutlicher kann man diese Klangveränderung wahrnehmen. Ein einzelnes Klaviersample klingt bei der Transponierung nach oben zunehmend nasal und drahtig. 
2. Sampling-Länge variiert:  Neben den Verzerrungen im Frequenzspektrum hat die Transponieren auch Einfluss auf die Länge der Aufnahme, die z.B. bei schneller Wiedergabe verkleinert, bei Verlangsamung vergrößert wird. Auch in der Zeitdomäne kommt es also zu Verzerrungen, die es zu vermeiden gilt, insbesondere trifft dies für einen einen perkussiven Klang wie den Klavierton zu.

Je mehr einzelne Samples verwendet werden, desto weniger Transpositionseffekte. Bei aktuellen hochpreisigen Digitalpianos darf man davon ausgehen, dass sogar jeder einzelne Ton des originalen Instruments durch ein separates Sample repräsentiert wird. Neben der horizontalen Anordnung der einzelnen Samples kommt als vertikale Dimension noch eine Schichtung aus mehreren Multisamples hinzu, um das dynamische Anschlagverhalten des Klaviers abzubilden.

Samples und Dynamik: Velocity Switch

Auch die Darstellung der Klangdynamik ist mit einem einzelnen Sample nur eingeschränkt möglich. Die dramatischen Klangänderungen, die ein Konzertflügel produzieren kann, werden dabei aber nicht berücksichtigt. Daher teilt man hier den Verlauf von pianissimo bis fortissimo in mehrere Velocity-Switch-Sample-Ebenen auf. Jeder einzelne Ton wird also mehrfach in verschiedenen Anschlagstärken aufgenommen.

Je mehr solcher Velocity-Ebenen ein Piano-Sound besitzt, desto eher nimmt man den Klangverlauf bei unterschiedlicher Anschlagdynamik als fließend wahr. Also je feiner die Auflösung, desto authentischer der digitale Klavierklang. Für Laien und Anfänger sind diese Zusammenhänge besonders schwierig einzuschätzen. Gerade in der Einsteiger-Klasse – besonders in der Low-Budget-Klasse – gibt es Instrumente, deren Klavierklang mit sehr wenigen Velocity-Ebenen auskommen müssen. Das Resultat sind sprunghafte Wechsel in der Klangfarbe bei anschlagdynamischem Spiel. Das ist insbesondere bei Anfänger-Digitalpianos ungünstig, denn wie soll man damit vernünftig den dynamischen Klavieranschlag lernen?

Velocity Ebenen ohne Übergänge

Die Klangerzeugungen moderner Digitalpianos geben da kaum Anlass zur Kritik. Denn hier werden neueste Technologien verwendet, die zwischen den Velocity-Ebenen für sanfte Übergänge sorgen. Wie genau die Interpolation zwischen dem unterschiedlichen Obertongehalt der Velocity-Ebenen geschieht, da hat jeder Hersteller sein eigenes Rezept. Es kommen komplexe Filter und auch Physical Modeling zum Einsatz. Als Anwender kann einem das letztendlich egal sein, denn entscheidend ist immer das Resultat: Ein authentisches Spielgefühl dank hochauflösender Umsetzung der Anschlagdynamik.

Lebhafte Sounds durch Round-Robin-Technik

Außer den beiden Faktoren Transposition und Dynamik tritt beim Piano-Sampling noch ein Problem auf: Wie schon eingangs beschrieben ist ein Sample vergleichbar mit einem Foto: Eine Momentaufnahme. Und wird diese ständig wiederholt – z.B. beim Repetieren eines Tons, entlarvt unser Gehör dieses Sample sehr schnell als identischen Klang. Bei einem Klavier aber klingt genau genommen jeder neue Anschlag ein und desselben Tons immer ein wenig anders. Um dieses Verhalten beim Piano-Sampling zu simulieren, wendet man die sogenannte Round-Robin-Technik an. Der Begriff stammt aus der Informatik und beschreibt ein Rundlauf-Verfahren. Beim Piano-Sampling bedeutet das: Von jedem einzelnen Ton und jeder Velocity-Stufe existieren mehrere Samples, die mit jedem neuen Anschlag reihum von der Klangerzeugung abgespielt werden.

Je mehr Samples, desto mehr Speicher! 

Je mehr einzelne Samples verwendet werden, desto weniger Transpositionseffekte – desto mehr Speicherplatz für Samples müssen Hersteller von digitalen Instrumenten einplanen. In den 1990er Jahren ein gewichtiges Argument bei der Entwicklung eines Digitalpianos, bei denen zur festen Speicherung ausnahmslos ROM-Speicher genutzt wurde. Heute ist Speicher längst nicht mehr so teuer wie damals, und außerdem setzt sich vermehrt leistungsfähige Streaming-Technik durch. Mithilfe dieser Technik lassen sich problemlos Gigabyte-starke Sample-Instrumente realisieren.

Vom Sampling bis zum fertigen Piano-Sound

Umfangreiche Sampling-Pianos benötigen eine gewisse Ladezeit, bis sie komplett spielfähig sind. Moderne Sampling-Instrumente können in diesem Bereich viele Gigabytes an Speicherplatz benötigen. Sie werden aus Tausenden von Samples zusammengesetzt. Man könnte hier die einfache Formel ansetzen: Je mehr Klangrealismus, desto mehr Samples. 

Zum Piano-Sampling gehört viel Know-how über das Instrument selber, Recording-Technik und das Engineering. Ein äußerst komplexes Verfahren, in welchen aus den Tausenden von Aufnahmen, die passenden zu einem Sound zusammengesetzt werden wollen. Ganz zu schweigen von der Nachbearbeitung: Vom Schneiden und Optimieren der Samples bis hin zum Mastering des finalen Piano-Sounds vergehen Monate.