Nuty z genów

Tworzenie muzyki od zawsze było dla człowieka jednym z podstawowych sposobów ekspresji. Zarówno dla australijskich Aborygenów, afrykańskich wojowników czy celtyckich śpiewaków nie istniała żadna alternatywa mogąca zastąpić ilustrowanie ludzkiego życia tworzonymi przez siebie dźwiękami - aż do dziś...

Tworzenie muzyki od zawsze było dla człowieka jednym z podstawowych sposobów ekspresji. Zarówno dla australijskich Aborygenów, afrykańskich wojowników czy celtyckich śpiewaków nie istniała żadna alternatywa mogąca zastąpić ilustrowanie ludzkiego życia tworzonymi przez siebie dźwiękami - aż do dziś...

Pracujący dla Sony w prestiżowym Computer Science Laboratory w Paryżu naukowiec brazylijskiego pochodzenia i jednocześnie kompozytor Eduardo Reck Miranda próbuje nauczyć komputer komponowania własnej muzyki. Jego pomysł, nazwany muzykologią ewolucyjną, polega na stworzeniu wirtualnej orkiestry, składającej się z małych programowych agentów dobierających dźwięki miłe dla uszu. Interesujący, choć jednocześnie niepokojący wydaje się fakt, że Miranda nie szczędzi pochwał swojemu systemowi i regularnie akompaniuje mu przy fortepianie.

Harmonia z chaosu

Do tej pory udział komputerów w tworzeniu muzyki polegał raczej na naśladowaniu stylu określonego kompozytora, układaniu nowych utworów ze starych motywów czy analizowaniu czyjejś twórczości i kreowaniu nowych jej wariantów. Były to zawsze bardziej wariacje na temat istniejących utworów niż coś naprawdę własnego.

System Mirandy to radykalnie odmienne podejście do problemu. Grupa programów zaczyna od losowej sekwencji dźwięków, potem zamienia je i modyfikuje, kreując wspólną nową melodię. Mimo pewnych postępów w pracy Miranda wie, że musi minąć jeszcze sporo czasu, zanim parkiety dyskotek zawibrują od jego sztucznych bitów. Jako kompozytor muszę przyznać, że jeszcze nie udało nam się stworzyć muzyki na wystarczającym poziomie - mówi. Może komputerom oddać ocenę tego rodzaju twórczości?

Wynalazek Mirandy to sieć malutkich software'owych agentów działających równolegle, komunikujących się ze swoimi sąsiadami i podejmujących decyzje pod wpływem algorytmu genetycznego. Kiedy agenty zmieniają swoje pomysły, powstaje całość nowego tematu muzycznego i każdy dodaje do własnego zbiory dźwięków te, które najbardziej do niego pasują. W ten sposób idea jednego ewoluuje w czasie pod wpływem stanu innych. Taki proces naśladuje ludzką współpracę, kiedy to muzyk grający w zespole przejmuje i modyfikuje pomysły innych członków, tworząc zgodną całość. Wynik działania sieci przekazywany jest do programu Chaosynth, który przetwarza i wykonuje kompozycję.

Ziarnko do ziarnka

Chaosynth to bardzo dobry system, ponieważ może wytwarzać szeroką gamę dźwięków, także niespotykanych w rzeczywistym świecie muzycznym, choć przyjemnych dla ucha. Program wykorzystuje technikę zwaną syntezą ziarnistą do wytworzenia strumienia odpowiadającego aktualnemu stanowi sieci. Rezultat składa się z malutkich ziaren, trwających od dziesięciu do stu mikrosekund. Gdy zmieniają się pomysły agentów, modyfikowany jest strumień Chaosynth, tworząc ewoluującą dźwiękową kurtynę. Ten sposób syntezy można porównać z kreskówką, w której ciągły ruch symulowany jest przez sekwencje prawie identycznych obrazków następujących po sobie w odstępach porównywalnych z maksymalną dla ludzkiego oka prędkością percepcji - wyjaśnia Miranda.

Eduardo Recko Miranda jest uznanym kompozytorem muzyki kameralnej i elektronicznej, jego prace wygrywały prestiżowe konkursy na trzech kontynentach. Wydał też kilka płyt ze swoimi kompozycjami, niekiedy wspieranymi komputerowo. Badania dla Sony rozpoczął od symulacji systemu komórkowego tworzącego przystosowującą się do sytuacji strategię gry. Potem zainteresował się tworzeniem muzyki nowej generacji. Twierdzi, że prawdopodobnie jednym z największych osiągnięć sztucznej inteligencji okaże się w przyszłości stworzenie maszyn komponujących muzykę na naprawdę wysokim poziomie.

Podczas gdy przed nim jeszcze długa droga, inny naukowiec może się już pochwalić znaczącymi sukcesami w komputerowym komponowaniu i odtwarzaniu jazzowych partii w zespole, w którym gra tylko jeden człowiek.

Kwintet jednoosobowy

Profesor John "AI" Biles z Instytutu Technologii Rochester w Nowym Jorku interesuje się jazzem zarówno jako naukowiec, jak i meloman oraz praktyk. Kiedy nie wykłada, gra na trąbce w "AI Biles Virtual Quintet", składającym się z niego i notebooka Apple. Laptop zastępuje jednocześnie basistę, perkusistę i pianistę w ponad stu jazzowych utworach. Piątym członkiem kwintetu jest algorytm genetyczny, zwany przez Bilesa GenJam (Genetic Jammer). Został napisany na Apple'owski PowerBook za pomocą shareware'owego narzędzia MIDI ToolKit, zbudowanego na Carnegie Mellon University. GenJam uczy się grać solowe partie jazzowe na bieżąco podczas gry profesora Bilesa.

Jego spontaniczność i refleks we współpracy przewyższa zdolności większości profesjonalistów, z którymi grywałem podczas jam session - wyznaje twórca pomysłu. - Moje dialogi z GenJamem są często bardziej muzyczne niż z ludźmi.

Konwerter dźwięku na format MIDI, połączony z mikrofonem, umożliwia GenJamowi słuchanie trąbki Bilesa i reagowanie poprzez dołączanie się i akompaniowanie lub odgrywanie własnych solówek.

Tak samo jak muzycy jazzowi, GenJam ma zbiór ulubionych motywów, na podstawie których improwizuje. One decydują o jego własnym "stylu". Wszystko zakodowane jest w tzw. chromosomach, zawierających wskaźniki do poszczególnych fraz muzycznych. Melodie ewoluują, podobnie jak u Mirandy, zgodnie z algorytmem genetycznym. Rozpoczynając od losowej sekwencji, GenJam modyfikuje ją zgodnie ze znanymi regułami tworzenia muzyki. Aby program mógł ocenić, które partie okażą się miłe dla ucha i powinny zostać wykorzystane w dalszej ewolucji, korzysta z podpowiedzi słuchacza, naciskającego odpowiednie przyciski w laptopie zależnie od tego, czy muzyka podoba się mu, czy nie.

Zielono

Najnowszy pomysł Bilesa, zwany "wiosłem sprzężenia zwrotnego", wykorzystuje całą publiczność zgromadzoną na koncercie. Każdy słuchacz dostaje łopatkę pomalowaną z jednej strony na czerwono, z drugiej na zielono. Podczas pierwszych kilku piosenek widownia pokazuje, które fragmenty przypadają jej do gustu. Informacja wpisywana jest do laptopa tak, aby w dalszej części koncertu GenJam mógł dostosować swój styl gry do upodobań publiczności, wykorzystując motywy, które spotkały się z "najzieleńszą" reakcją. Wskazania "wioseł" są formą krytyki gry na trąbce samego Bilesa, który również stara się im podporządkować.

Jednoosobowy kwintet regularnie koncertuje, a w 1996 wydał nawet płytę, zatytułowaną oczywiście "GenJam". Niektóre utwory w formie plików MP3 dostępne są na stronie internetowej Bilesa, http://www.it.rit.edu/~jab/GenJam.html . Zależnie od tego, czy ktoś lubi łagodny jazz, może tę twórczość pokochać lub znienawidzić. Z pewnością jednak warto sprawdzić, jak brzmi ludzko-nieludzka muzyka najnowszej generacji.

Teoretycznie takie systemy, jak GenJam, powinny tworzyć muzykę każdego gatunku, nie tylko jazz. Żywi kompozytorzy nie pracują w izolacji, potrzebują kontaktu ze środowiskiem. Tego samego potrzebuje GenJam. Komponuje taki rodzaj muzyki, z jakim się styka.

Chociaż profesor Biles zarzeka się, że nie zamierza rozpowszechniać swojego programu komercyjnie, jego wypowiedź jest dość niepokojąca: Ostatnio Bill Gates opatentował coś, co przypomina algorytmiczne komponowanie. Biles wątpi jednak, żeby prawa patentowe były powszechnie przestrzegane.

Algorytmy genetyczne rozwiązały już wiele problemów w sposób dla człowieka nieosiągalny. Dodatkową ich zaletę stanowi stosunkowo łatwa implementacja. Wiele znalazło zastosowanie w takich dziedzinach, jak projektowanie samochodów, zarządzanie ruchem lotniczym, rynek papierów wartościowych czy medycyna.

Użycie algorytmów genetycznych do tworzenia przebojów będzie możliwe już w najbliższej przyszłości, ale czy tego chcemy? Za niewielką cenę każdy antytalent muzyczny wyprodukuje w zaciszu własnej sypialni prawdziwy hit. Zakup zaimplementowanych algorytmów genetycznych o najróżniejszych zastosowaniach będzie regularnie opróżniał portfele podążających za modą nastolatków.

Czy w przyszłości szafy grające zostaną wyparte przez komputery z odpowiednim oprogramowaniem, a japońskie słowo "karaoke", oznaczające niekompletną orkiestrę, zyska nowe znaczenie?

Taktowne układanki

Automatyczne generatory muzyki to stara historia, sięgająca osiemnastego wieku. Uczeń Johanna Sebastiana Bacha, Johann Philipp Kirnberger pierwszy opisał system do automatycznego kreowania muzyki w 1757 roku w książce Zawsze gotowy kompozytor polonezów i menuetów. W tamtych czasach publiczność oczekiwała od każdego, kto grał na instrumencie, własnych kompozycji, dlatego książka Kirnbergera szybko stała się bestsellerem.

Rok po jego śmierci w 1791 w Berlinie pojawiły się muzyczne "kości" Wolfganga Amadeusza Mozarta, system do komponowania walców. Składał się z książki z gotowymi frazami muzycznymi wybieranymi do utworu zgodnie z pewnymi zasadami przez rzut dwiema kostkami. Książka zawierała 176 taktów, zgrupowanych na dwóch kartach i ułożonych w 11 rzędów oraz osiem kolumn. Aby wybrać pierwszy takt utworu, należało rzucić kostką, wybrać jeden i odszukać odpowiedni wiersz w pierwszej kolumnie pierwszej karty. Kolejne rzuty kostką wskazywały kolumny z następnymi sekwencjami dźwięków. Teoretycznie system mógł stworzyć aż 45 949 729 863 572 161 różnych utworów taktowanych na trzy czwarte.

We wczesnych latach osiemdziesiątych XX wieku David Cope z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz wymyślił komputer do analizy swojej muzyki i podpowiadania nowych pomysłów. Odkrył, że zasadniczo każdy fragment zawiera wskazówki do tworzenia innych, do niego podobnych. Dlatego jego program potrafił komponować całe utwory w stylu określonego kompozytora, szokując i zachwycając publiczność.

Pomysł automatycznego tworzenia muzyki pojawił się także w literaturze pięknej. George Orwell w swojej koszmarnej wizji Rok 1984 przedstawia rząd obsesyjnie eliminujący kreatywne myślenie, także w muzyce. Korzysta się z maszyny zwanej wersyfikatorem do generowania niekończących się strumieni piosenek, których przeznaczeniem jest dostarczenie rozrywki masom bez korzystania z ludzkiej kreatywności.

Przetrwają najlepsi!

Darwin zaobserwował, że natura ma na kłopoty ciekawy sposób: zabija stworzenia, które nie radzą sobie ze zmianami środowiska, a pozostałym pozwala się rozmnażać i przekazywać swoje geny. Nazwał ten proces doborem naturalnym. W podobnej masie co jakiś czas pojawiają się mutacje. Przeważnie mają katastrofalne skutki; czasem jednak istoty nimi dotknięte są nieznacznie lepiej dopasowane do środowiska, w którym żyją. Na przykład stopniowe ochładzanie się klimatu faworyzuje stworzenia, które urodziły się z grubszym i gęstszym futrem. Genetycy stopień przystosowania organizmu nazywają współczynnikiem sprawności, "fitness".

Algorytmy genetyczne "rozmnażają" te programy, które radzą sobie z rozwiązywaniem określonego zadania lepiej niż poprzednie generacje. Uruchamiany jest każdy program z puli, a następnie tzw. funkcja fitness mierzy jakość uzyskanych rozwiązań. Na podstawie tych, które uzyskały najlepsze wyniki, tworzone są nowe programy. Tak jak plemnik i jajeczko przekazują potomstwu po połowie DNA rodziców, parametry nowych programów są dziedziczone po wielu rodzicach. Od czasu do czasu algorytm wprowadza mutację, zaburzając jeden z parametrów potomka. W ten sposób powstają programy coraz lepiej radzące sobie z rozwiązywaniem zadania.

Jest wiele rodzajów algorytmów genetycznych, każdy z nich radzi sobie lepiej z pewną klasą zadań. Niektóre zmieniają parametry programów, inne cały program. Jeszcze inne - na przykład Miranda - zmieniają dane przesyłane między programami.

Bywa, że rozwiązania znalezione przez algorytm genetyczny zaskakują samych twórców. Zespół na uniwersytecie Sussex wykorzystał niedawno taki algorytm do zaprojektowania układu elektronicznego wytwarzającego dźwięk. Cel został osiągnięty; naukowcy odkryli, że ich program zaprojektował układ zawierający swego rodzaju antenę i wykorzystujący interferencję z pobliskim komputerem, a więc na nowo wynalazł radio.


Zobacz również