physics-base-synth

物理ベース・シンセサイザー（Karplus–Strong）の Phase 4b (Phase 4a + ピアノ音色 / Stretching all-pass + Hammer model) 対応版。Rust + WebAssembly + Svelte 5 (SvelteKit) で実装。

動作環境

• 推奨ブラウザ: Chrome / Edge 最新版（Chromium 系）
  • Web MIDI と AudioWorklet は secure context (HTTPS / localhost) 必須
  • Firefox 126+ で Web MIDI 対応
  • iOS Safari は HTTPS 配信下でのみ動作（StartButton のユーザージェスチャ必須）
• Rust stable 1.83+ (target: wasm32-unknown-unknown)
• Node.js 24+ (GitHub Pages Workflow も Node 24 で実行)
• pnpm 9+ (corepack 経由)

セットアップ

rustup target add wasm32-unknown-unknown
corepack enable
corepack prepare pnpm@latest --activate
pnpm install

開発

pnpm dev

http://localhost:5173/ を開いて「▶ Start Audio」をクリック → A〜L キーで発音。

主なスクリプト

アーキテクチャ概要 (Phase 4a)

Svelte UI (main thread) ── MessagePort ─→ AudioWorkletProcessor
   PresetSelector / ModWheel                │ FFI (C ABI、wasm-bindgen 不使用)
   LfoSection (rate/waveform/3 depth)        ▼
   VoiceMeter / PolyphonyToggle          wasm-audio (cdylib)
   PickPosition / BodyWet スライダー       18 関数 + memory export
   WebMIDI CC handler (CC#1/7/64/123)        + synth_apply_instrument
   Pitch Bend                                + synth_lfo_set_rate / waveform / depth
                                             ▼
                                        dsp-core (rlib)
                                        Engine + Lfo + mod_wheel + lfo_*_depth
                                        VoicePool<8> / KarplusStrong (Thiran allpass)
                                        ModalBodyResonator (M=8、楽器 7 種切替)
                                        LossFilter / SoftClip / SustainState / HoldStack
                                        FractionalDelay (Thiran) / NoteAllocator
                                        SmoothedValue / XorShift32 / ParamDescriptor (生成)
                                        InstrumentKind enum + body_modes_for_instrument

詳細は仕様書 (docs/specs/) を参照:

• Phase 1 (MVP): docs/specs/2026-05-06-001-mvp/
• Phase 2 (polyphony / fractional delay / ParamDescriptor): docs/specs/2026-05-07-002-phase2/
• Phase 3 (Body Resonator / Extended KS / MIDI CC / Voice Meter): docs/specs/2026-05-07-003-phase3/
• Phase 4a (LFO / Mod Wheel / Preset / 多楽器 6 種 / wasm-opt -O3): docs/specs/2026-05-08-004-phase4a/
• Phase 4b (ピアノ音色 / Stretching all-pass + Hammer model + Modal Body Piano + __synthDev.measureProcessTime + .gitattributes LF 統一): docs/specs/2026-05-09-005-phase4b/

Phase 3 で追加された機能

• Modal Body Resonator (D30/D31/D32): M=8 並列 bandpass biquad で楽器ボディ共鳴。stereo は左右係数 ±5%。
• Extended Karplus–Strong:
  • One-zero loss filter (D33): (1+ρ·z⁻¹)/(1+ρ)、note_on 時に周波数依存式で算出
  • Pick position 励振 shaping (D34): note_on 内で noise[n] − noise[n−K] を in-place 適用
• Thiran allpass (D36 案 D 採用): KarplusStrong の補間を LagrangeCoeffs から ThiranCoeffs 単一型に解消。A4 で 0.0002% 級のピッチ精度（Lagrange 0.89% → Thiran 0.0002% = ~4000× 改善）。C8 は damping=0.9999 では loop gain<1 で物理的に自己発振せず、ignore 継続。
• Brightness 群遅延補正 (D37): Thiran 採用後も brightness LPF (1-b)/b 群遅延は残るため note_on 時に adjusted_length = raw_len - τ_g で補正。
• Soft clip (D43): 区間関数型 |x| ≤ 0.95 で完全 linear、|x| > 0.95 で rational mapping、|x| → ∞ で ±1.0 に厳密漸近。
• MIDI CC (D38/D38b/D40):
  • CC#7 Channel Volume: OutputGain と直交 (final = output_gain × channel_volume)
  • CC#64 Sustain Pedal: Poly mode のみ defer、Mono は Phase 2 既存挙動継承
  • CC#123 All Notes Off: 全 voice + hold_stack + sustain_state を reset
  • Pitch Bend (±2 半音): SmoothedValue 5ms tau で滑らか遷移
• Voice State (D41): 33 byte 共有メモリ (active mask + 8 振幅 LE f32) を 1024 sample stride で UI に push、VoiceMeter で表示。
• mono / poly トグル (D42): ヘッダー直下の正式 UI（dev-only __synthDev.setMode も維持）。

自己検証手順

Phase 1 (F1〜F9): 単音動作

Phase 1 README を参照。実機検証は持ち越し継続。

Phase 2 (F10〜F25): polyphony / pitch / size

Phase 2 06 章 を参照。実機検証は持ち越し継続。

Phase 3 (F26〜F38b): Body / Extended KS / MIDI CC / Voice Meter / サイズ

dsp-core ユニットテスト一覧

cargo test -p dsp-core で 120 件パス + 1 件 ignored (Phase 3 既存 93 + Phase 4a 新規 27):

• Phase 1 既存 + Phase 2 拡張 (40 件): silence_when_inactive / energy_rises_after_note_on / decay_with_low_damping / length_matches_freq / no_allocation_in_process / paramid_roundtrip / damping_preserved_across_note_on / engine_processes_block_without_panic / midi_to_freq_a4 / poly_mode_independent_voices / setparam_clamps_out_of_range / note_on_first_block_nonzero / hold_stack 系 / voice_pool 系 / note_allocator 系
• fractional_delay (10 件): Lagrange 4 件 + set_fractional + Thiran 関連 6 件
• modal_body_biquad / modal_body (9 件): 単体 / aggregate
• loss_filter (4 件)
• karplus_strong_pick (5 件)
• soft_clip (6 件)
• pitch_bend (4 件)
• sustain (6 件)
• midi_cc (11 件: Phase 3 9 件 + Phase 4a Mod Wheel 2 件)
• pitch_accuracy (5 PASS, 1 IGNORED): A1/A2/A4/C6 + long_term_stability + (#[ignore] C8、damping<1 で物理限界)
• Phase 4a 新規:
  • lfo (8 件): sine/triangle range / zero_at_init / period / rate_smoothing / waveform_switch / no_alloc / phase_wrap
  • lfo_destinations (6 件): test_mod_wheel_zero_disables_lfo (Phase 3 互換最重要) / one_full_lfo / Pitch/Brightness/Volume modulation / no_alloc
  • instrument (7 件): changes_modal_coeffs / releases_voices / clears_sustain / resets_modal_state / no_alloc / stereo_spread_per_instrument / default_matches_phase3
  • modal_body Phase 4a 拡張 (3 件): set_instrument_changes_coeffs / clears_state / default_matches_phase3
  • karplus_strong excitation_tests (4 件): pick_min_beta / node_at_beta_half / attenuates_kth_harmonic / k_zero_branch (Phase 3 既存 4 件を unit test mod へ移動)
  • no_alloc (1 件): test_no_allocation_with_lfo_and_instrument (LFO + 楽器切替時の capacity 不変)
  • dsp_core (release ビルドのみ): test_engine_process_block_timing_phase4a (8 voice + LFO + Mod Wheel + Pitch Bend + CC#7 で < 1.7 ms)

クレート構成

Phase 3 で解消された Phase 2 の課題

• ✅ 音色のリアリティ: Modal Body Resonator (M=8 ボディ共鳴) + Extended KS で「弦音だけでは安っぽい」から脱却
• ✅ A4 ピッチ精度 0.89% → 0.0002%: Thiran allpass (案 D) で約 4000× 改善
• ✅ MIDI 表現力: Pitch Bend / Channel Volume / Sustain Pedal 対応
• ✅ mono/poly トグル UI 正式化 (Phase 2 では dev-only)
• ✅ Voice Meter UI (Phase 2 では internal API のみ)

Phase 4a で追加された機能

• wasm-opt -O3 統合 (D45): scripts/copy-wasm.mjs に Binaryen 製 wasm-opt を組み込み。release ビルドで --strip-debug + 全最適化 pass。WASM gzip 27.78 → 18.42 KB に圧縮。
• excitation_snapshot cfg(test) 化 (D45): production binary から完全除外、関連 test を unit test mod に移動して件数保持。
• 多楽器プリセット 6 種 (D52/D54): Default + Guitar Classical / Ukulele / Mandolin / Bass / Guitar Steel / Sitar。各楽器に固有の BODY_MODES_<INSTRUMENT>_L/R 8 mode + STEREO_SPREAD_<INSTRUMENT>。Default kind の係数は Phase 3 既存値の完全 alias で後方互換を保証。
• グローバル LFO (D46/D47/D48): Engine 内 1 個。波形 Sine / Triangle、レンジ 0.1〜8.0 Hz、SmoothedValue tau=0.05s で rate 平滑化。Pitch / Brightness / Volume の 3 destinations を独立 depth で制御。Engine 側で pitch_factor = exp2(...) を 1 回計算して全 voice に fan-out (per voice exp2 を回避、+15 演算/sample)。
• Mod Wheel (CC#1, D49): Engine::handle_midi_cc の CC#1 分岐を有効化。mod_wheel: SmoothedValue (tau=0.05s) を全 LFO destination depth の master 乗数として保持。Mod Wheel = 0 で LFO 効果ゼロ → Phase 3 互換動作と完全一致 (test_mod_wheel_zero_disables_lfo で機械保証)。
• Engine::apply_instrument(kind) (D52/D53): 楽器切替で pool.all_notes_off() → hold_stack.clear() → sustain_state.reset() → current_instrument 更新 → modal_body.set_instrument(kind, sample_rate)。即時 release (fade-out なし)、UI で「楽器を切り替えると現在の音は止まります」を告知。
• C ABI 4 関数追加: synth_apply_instrument / synth_lfo_set_rate / synth_lfo_set_waveform / synth_lfo_set_depth。Phase 3 既存 14 関数 + memory export = 15 → Phase 4a で 18 関数 + memory = 19 required exports。
• プリセット保存・ロード (D50/D51): localStorage v1 schema (physbase.preset.v1.*)、Factory Preset 7 種 + User Preset 最大 32 件。isValidPresetV1 で schema レベル一括バリデーション (型 / 値域 / NaN / Infinity / 空名 / name.length > 64 / 未知 enum)、Factory 名衝突 / User 上限は store-specific で別途チェック。
• PresetSelector / ModWheel / LfoSection UI: optgroup で Factory / User を分離、Save / Delete ボタン (Factory 削除 disabled)、onMount で last preset 復元。

Phase 4a 検証項目 (F38b + F39〜F47)

Phase 4b で追加された機能

Note: Piano 音色の聴感は KS ベースの構造的限界で「弦楽器寄り」になります。 仕様書策定時から想定された制約で、Karplus–Strong ループ自体が弦のシミュレーションであること、Hammer model が impulse + 1pole LPF の近似であること、複数弦 (1-3 弦/note) と sympathetic resonance が未実装であることが原因です。本物のピアノ音色は Phase 4c で Multi-string + Hertz law hammer (Boutillon) + Sympathetic resonance + Soundboard モード増 (M=16) 等の構造拡張で追求する候補です。詳細は docs/retrospective/2026-05-09-005-phase4b.md §5 / §7。

• ピアノ音色 (D56-D62): 8 番目の楽器 InstrumentKind::Piano = 7 を追加。
  • Stretching all-pass cascade (D57/D58/D59): M=8 段の 1 次 allpass を KS ループに直列、Rauhala-Välimäki 2006 closed-form で a1 を算出。Piano inharmonicity_b = 7.5e-4 (A4 基準) で stiff string の f_n = n·f_0·√(1+B·n²) を再現。
  • Hammer model (D61): note_on の buffer 初期化を pluck/hammer で分岐。Piano は Commuted impulse + velocity-dependent 1pole IIR LPF (cutoff = lerp(800Hz, 4000Hz, velocity)) で felt hammer を近似。
  • Piano Modal Body 係数 (D62): Conklin 1996 の grand piano soundboard 第 1 モード = 55Hz、stereo_spread = 0.05、M=8 (BODY_MODES_PIANO_L/R)。
  • Factory Preset Piano: damping=0.998 / brightness=0.55 / outputGain=0.7 / pickPosition=0.13 / bodyWet=0.4。LFO depth 全 0 (標準ピアノは vibrato なし)。
• Phase 4a 互換性のバイト一致保証 (D67): dispersion_active = false の Phase 4a 既存 7 楽器では process_sample で cascade を skip し、thiran.process(self.buffer[read_z]) の Phase 4a 経路と完全一致。test_dispersion_disabled_matches_phase4a で Phase 4a HEAD (commit dfa81c3) との出力 256 frame × 2ch を ε=1e-6 でバイト一致確認。
• __synthDev.measureProcessTime (D66): dev-only F38b 計測自動化スクリプト。AudioWorklet 側で performance.now() の差分を取り Float32Array(4096) リングバッファ (約 10.92 秒分) に self time を蓄積、stopTimingCapture で main へ集約。if (DEV_MODE) ガード + --define:DEV_MODE=true/false + --minify-syntax で production tree-shake。
• .gitattributes LF 統一 (D65): * text=auto eol=lf + 主要拡張子の eol=lf を明示、Phase 4a で頻発した CRLF/LF 戦争を断つ。

Phase 4b 検証項目 (F48〜F58)

Phase 4c への申し送り (別計画扱い)

• C8 ピッチ自己発振: damping=1.0 自己発振モード or FFT-based estimator
• Pick position の fractional 化 + 連続変更
• Look-ahead limiter (5 ms 遅延型、soft clip より透明)
• WASM SIMD (target-feature=+simd128) — Safari/Firefox 対応再評価
• LFO 波形拡張 (S&H / Square / Sawtooth)
• LFO destinations 拡張 (Pick / Damping / BodyWet)
• 楽器切替の fade-out / cross-fade (D63 改訂で Phase 4b 撤回、PendingInstrumentChange 状態機械で本実装)
• Cross-tab preset 同期 (storage event)
• Preset JSON ファイル import / export
• Mono + Sustain の本実装
• 複数 Piano 機種プリセット (Grand / Upright / Honkytonk)
• Hammer Hardness UI 露出
• Sustain × Sympathetic resonance
• Piano 高次モード (M=16)
• Hertz law hammer (Boutillon)

ライセンス

未定（開発段階）。