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DSP — オーディオ向けデジタル信号処理

C/C++ でリアルタイムオーディオ DSP アルゴリズムを実装するための包括的なリファレンスです。音楽制作に携わる実践者の知見を 20 年にわたって集めた musicdsp.org のコミュニティアーカイブを基にしています。

このスキルを使う場面

• C/C++ でオーディオフィルター、エフェクト、シンセサイザー、アナライザーを実装する
• processBlock()、process()、またはサンプルごとの DSP ループを記述する
• バイクアッド係数、Moog ラダーフィルター、状態変数フィルターを設計する
• ディレイライン、リバーブ、コンプレッサー、ウェーブシェイパー、ステレオプロセッサーを構築する
• 帯域制限された波形、ノイズ、エンベロープを生成する
• 高速な数学的近似や非正規化数の抑制によってオーディオコードを最適化する

特定のアナログ回路を回路レベルで正確にエミュレートする場合（回路図または SPICE リファレンスに一致させる場合）は、circuit-to-dsp も読み込んでください。測定誤差から構造、ソルバー、積分器、レートを決定します。このスキルでは基本的な構成要素を提供します。

アーキテクチャ

このスキルは、分野別のリファレンスで構成されています。取り組むタスクに応じて、該当するファイルを読んでください。

リファレンス	内容	読む場面
references/filters.md	バイクアッド／RBJ、Moog ラダー、SVF、FIR、DC ブロック、フォルマント、パラメーターの平滑化、クロスオーバー	フィルターの実装全般
references/effects.md	ディレイ、リバーブ、コンプレッサー／リミッター、フェイザー／ワウ、ウェーブシェイパー／ディストーション、ローファイ、ステレオ、畳み込み	オーディオエフェクト全般
references/synthesis.md	オシレーター、帯域制限された波形、FM／PM、DSF、ノイズ、エンベロープ、チェビシェフ・ウェーブシェイピング、LFO	音の生成
references/analysis.md	FFT、DFT、Goertzel、ウォルシュ・アダマール変換、エンベロープ追従、ビート検出、LPC、リミッティング	スペクトル解析、検出
references/utilities.md	高速数学関数（exp、log、sin、sqrt）、補間、クリッピング、非正規化数、ディザリング、MIDI 変換、パラメーターマッピング、ベンチマーク、ロックフリー FIFO	パフォーマンス最適化、変換、オーディオの安全性

実装の原則

以下の原則は、すべての分野に共通して適用されます。

サンプルレートへの対応

係数は必ずサンプルレートから求めてください。44.1 kHz を前提とした値をハードコードしないでください。

// Coefficient from frequency and sample rate
float w0 = 2.0f * M_PI * cutoffHz / sampleRate;

非正規化数の抑制

浮動小数点の非正規化数（ゼロに近いサブノーマル数）は、x86 で CPU を大幅に停滞させます。状態変数にごく小さなオフセットを加えてください。

static constexpr float kDenormal = 1e-24f;
// In process loop:
state += kDenormal;

または、ゼロへのフラッシュを有効にするコンパイラーフラグ（GCC／Clang の -ffast-math）を使うと、CPU レベルで対処できます。

パラメーターの平滑化

フィルター係数やゲイン値を瞬時に変更しないでください。クリックノイズが発生します。1 次ローパスフィルターでパラメーターを平滑化してください。

// Time-based smoothing coefficient
float a = expf(-2.0f * M_PI / (smoothTimeMs * 0.001f * sampleRate));
// Per sample:
smoothedValue = a * smoothedValue + (1.0f - a) * targetValue;

オーディオスレッドの安全性

process コールバックでは、メモリーの確保、ロックの取得、ブロッキングを伴う OS 関数の呼び出しを決して行わないでください。すべてのバッファーを事前に確保し、パラメーター更新にはロックフリーの通信を使い、負荷の高いループ内での仮想関数呼び出しを避けてください。

双一次変換／プリワーピング

多くのデジタルフィルターは、双一次変換によってアナログプロトタイプから導出されます。重要な対応関係は次のとおりです。

w0 = 2 * pi * fc / Fs

高域で精度を高めるには、周波数のプリワーピングを適用してください。

wa = 2 * Fs * tan(w0 / 2)

コード規約

このスキルのコード例では、すべて以下の規約に従って C/C++ を使用します。

• オーディオサンプルには float（32 ビット）、係数の計算には double を使用する
• Hz 単位のサンプルレートには sampleRate または sr を使用する
• π には M_PI を使用する（移植性のため、#ifndef M_PI ... #endif で定義する）
• 処理関数は入力サンプルを受け取り、出力サンプルを返す
• 状態変数はクラスメンバーにする（グローバル変数にはしない）
• 明記されていない限り、すべての周波数は Hz 単位とする