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# Pure Data

![intro](./resources/pd_intro.jpg)

## Introduction

### Pure Data ?

*Pure Data est utilisé dans tous les champs de la création (musique, arts visuels, danse, théâtre, robotique, etc.) pour des performances visuelles et sonores ou la création d'installations interactives, participatives et génératives. Il possède des capacités particulières dans les domaines de la musique acoustique et de la musique audio-numérique : il sert à modéliser des instruments électroniques comme les synthétiseurs. Il permet la gestion d'échantillonneurs (samplers) et d'effets, la composition musicale, ou encore, la création de séquenceur MIDI, etc. Il peut également gérer des applications vidéo et 3D.*

*Avec Pure Data, il est possible également d'interfacer un programme avec le monde physique en utilisant des capteurs (caméras, détecteurs de présence, etc.) pour commander des robots, interagir avec des sites internet, ou encore effectuer une visualisation de données. En art appliqué, il est utilisé en design d'interaction, en architecture et pour créer des jeux.*

Source : [Manuel de PureData en français](https://fr.flossmanuals.net/puredata/introduction/)

### Obtenir PureData

Télécharger gratuitement depuis [le site web officiel](http://puredata.info/downloads/pure-data). La version à utiliser pour ce cours est PureData Vanilla, que l'on pourra compléter avec des plug-ins si besoin.

#### Versions

There are a few different versions of puredata available in the wild.
Below is a small list but I would *highly* advise to start with puredata vanilla.
The extended version is *very* dated now and I would not advise to use that one.

* puredata vanilla (the **main** version)
* puredata extended (up until a few years ago the go-to version for most people)
* Pd-L2Ork (same engine as vanilla but with different GUI)

#### libpd : pour intégrer PureData dans d'autres applications

PureData peut être intégré à d'autres application comme moteur audio. Cette technique est très utilisée par les développeurs d'applications et game designers.
Cela requière des compétences de programmations qui vont au-delà de cette courte formation, mais il est important de noter que PureData est utilisé, et utilisable en dehors du pur *sound design*.

Lien utiles :
* [libpd github](https://github.com/libpd)
* [libpd in unity3D](https://github.com/Magicolo/uPD)
* [camomille - VST creating with libpd](https://github.com/pierreguillot/Camomile)

## Interface

À l'ouverture, Pure Data n'affiche que la fenêtre principale, avec une barre de menu et un espace blanc en-dessous. Cette espace blanc sera la **console**, qui va afficher des infos utiles, des erreurs, ...

![fenêtre principale](./screenshots/PD_main_window.png)

La fenêtre de programme audio, appelée fenêtre de **patch**, s'affiche lorsque l'on va dans le menu "Fichier" -> "Nouveau". C'est dans cette fenêtre que l'on va créer les boîtes, et les connections entre ces boîtes, pour créer graphiquement un programme audio.

![fenêtre principale](./screenshots/PD_hello_world.png)

### À faire :

* Créer un patch vide, ajouter une boîte Message (depuis le menu "Ajouter") et écrire à l'intérieur le texte : "hello world"
* Enregistrer le patch
* Fermer PureData, réouvrir le patch et vérifier que le message est toujours là.

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## Exemple 1: Hello World

PureData propose cinq types de boîtes de base pour la programmation graphique - toutes disponibles depuis le menu "Ajouter".
Les deux types dont nous avons besoin pour cet exemple sont :

* Les boîtes **Objet**
* les boîtes **Message**

Pour faire fonctionner ce "hello world", il faut connecter la sortie (*outlet* en anglais) de la boîte message "hello world" vers l'entrée (*inlet* en anglais) de la boîte objet "print".

![hello world](./resources/xgr1.jpg)

Ce principe est valable pour toutes les boîtes : on relie la sortie d'une boîte à l'entrée d'une autre. S'il y a une incompatibilité de connection, PureData refusera de faire la connection - et un message d'erreur devrait s'afficher dans la console.

Les entrées des boîtes sont toujours en haut, les sorties sont en bas. En général, on écrit donc des patches Pure Data de haut en bas, avec les informations qui sont transmises des boîtes du haut vers les boîtes du bas.

Pour expliquer comment fonctionnent les objets, PureData fournit de l'aide en faisant un **clic droit**, puis en cliquant sur **Aide**.
La fenêtre d'aide qui va s'ouvrir est elle-même un patch PureData : il est donc possible de le tester (en cliquant sur les boutons, en modifiant les valeurs) et de copier les boîtes pour les mettres dans ses propres patches.

![help view](./resources/59e9.jpg)

PureData a deux **modes** de fonctionnement :

* Le mode d'**édition** (pour éditer les boîtes et les connections)
* Le mode **normal**, ou mode de **jeu** (pour interagir avec les boîtes)

Pour passer d'un mode à l'autre, il faut utiliser le raccourci **Ctrl+E**.
Toutefois, il est possible de jouer avec une boîte alors qu'on est en mode d'édition, est maintenant la touche **Ctrl** appuyée (par exemple : **Ctrl+Clic** sur une boîte, un slider, ...).

### À faire

* Dupliquer le patch hello world
* Créer une deuxième boîte de message, avec un texte différent
* Créer un second objet "print"
* Passer du mode **édition** au mode **normal**, et cliquer sur les messages pour afficher du texte dans la console.

### Challenge

* Changer le préfixe "print" qui s'affiche dans la console, pour différentes boîtes "print"

### Ressources :

* **patches**
	* [hello world patch](./resources/00_hello_world.pd)

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## Exemple 2 : calculatrice simple

Pour faire des calculs arithmétiques (additions, soustractions, ... et des fonctions ) PureData contient des boîtes d'objets pour les opérations +, -, etc... Pour donner des valeurs à ces boîtes-objet, on peut utiliser des boîtes de message, mais aussi des boîtes de **nombres** (depuis le menu Ajouter).
* L'intérêt est que l'on peut cliquer sur ces nombres (en mode normal, pas en mode d'édition) pour modifier facilement le nombre l'intérieur.
* Le problème des nombres est qu'il ne sont pas sauvegardés lorsque l'on ferme le patch (alors que les messages, eux, sont bien sauvegardés)

![arithmetic operations](./resources/zcwj.jpg)

![two calculators](./resources/p5h3.jpg)

### À faire :

* Re-créer le patch ci-dessus dans PureData, et l'essayer
* Pourquoi est-ce que ça ne fonctionne pas toujours ?
* what are creation arguments?

### Ressources :

* **patches**
	* [calculator patch](./resources/01_calculators.pd)
* **Page-mémo**
	* [Aide-mémoire pour les objets PureData](https://puredata.info/docs/tutorials/pd-refcard)
* **online information**
	* [hot and cold inlets (EN)](https://puredata.info/docs/manuals/pd/x2.htm#s3.3)
	* [Entrées chaudes/froides, flux de données (FR)](https://fr.flossmanuals.net/puredata/le-flot-de-donnees/)
* **Référence PureData**
	* [Opérations arithmétiques dans PureData Vanilla et Extended (EN)](http://booki.flossmanuals.net/pure-data/list-of-objects/math)

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## Example 3: Bangs and triggers

Dans Pure Data, les entrées et sorties (*inlets* et *outlets*) des boîtes n'ont pas toutes exactement le même comportement. Concernant les entrées, il existe des **entrées chaudes et froides** (*hot/cold*). Pour chaque boîte, on a :

* à gauche 1 seule entrée chaude
* toutes les entrées restantes à droite sont des entrées froides

Pour gérer ceci, il est très utile d'utiliser les deux objets suivants :

* bangs
* triggers

Le "Bang" (disponible de puis le menu "Ajouter") est une fonctionnalité essentielle de Pure Data. Un Bang permet à la fois de déclencher (*trigger* en anglais) des boîtes reliées à sa sortie, et de donner un retour visuel sur les actions des boîtes reliées à son entrée.
Les "Triggers" prennent une donnée (nombre, bang, list, message, ...) en entrée, et envoient les sorties **les unes après les autres, de droite à gauche**.
En ajoutant des objets trigger dans nos patches, on peut définir précisément **l'ordre des opérations**.

![triggers and bangs](./resources/y0ps.jpg)

### À faire

* Créer ce patch et l'essayer
* Modifier les connexions pour bien voir les sorties dans l'ordre de droite à gauche

### Ressources

* **patches**
	* [triggers and bangs patch](./resources/02_bangs_and_triggers.pd)

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## Example 4: Timers and toggles

En tant qu'environnement temps-réel pour la musique, Pure Data offre l'objet **metro** (métronome) pour créer des évènements réguliers dans le temps.
Pour allumer le métronome, ou l'éteindre, le plus simple est de connecter une boîte Interrupteur à son entrée.

On se rapproche de la création d'un séquenceur / boîte à rythme !

![timers and toggles](./resources/zudu.jpg)

Cet objet metro peut prendre un temps sur **l'entrée froide**, ou bien (ne pas utiliser les deux méthodes) en lui envoyant un argument (via un message "tempo 500 msec" par exemple);
Ci-dessous, voici un grille de quelques exemple de conversion de *BPM* (tempo) en longueur de notes (noire/*quarter*, croche/*8ths*, etc.)

![BPM to msec](./resources/bpm_msec.jpg)

### À faire

* Re-créer ce patch et l'essayer
* Écrire un compteur qui s'incrémente (augmente sa valeur de 1) à chaque bang du métronome

### Challenge
* Écrire un patch de conversion automatique de tempo (en BPM, Beats Per Minutes) pour créer un métronome de noires (*quater-note*)
* Écrire un patch de conversion de tempo vers un métronome *suffle* (typique du jazz)

### Resources:

* **patches**
	* [timers and toggles patch](./resources/03_timers_and_toggles.pd)

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# Audio

## Setting up your audio device

Depuis le menu **media**, sélectionner les Paramètres Audio. Les paramètres vont dépendre de la carte son de l'ordinateur, et du système d'exploitation.
Une bonne valeur est en général 512 échantillons (*samples*).

Lorsqu'un patch audio sera prêt, il ne faudra pas oublier de cocher la case DSP (*digital signal processing*) pour lancer le moteur de calcul audio de Pure Data.

Attention : PureData permet de créer n'importe quel son, et il n'y a donc pas de limitation du volume en sortie. Il faut d'abord ne jamais mettre le casque trop fort, et on mettra systématiquement un limiteur en sortie (vu juste après).

<p style="text-align:center;color:red;">Attention : Ne jamais mettre les écouteurs trop fort, et toujours mettre un limiteur (objet "clip") à 0.5 avant le bloc de sortie audio. Vos tympans sont très précieux, prenez-en soin !</p>

![audio device](./resources/uawy.jpg)

### Resources:

* **online information**
	* [configuring puredata](http://write.flossmanuals.net/pure-data/configuring/)

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## Exemple 5 : Premier synthé !

Jusqu'à maintenant, nous n'avons utilisé que des connexions de **données** entre les boîtes. Pour créer du son, nous allons maintenant créer des connexions de **signaux audio** entre des blocs de traitement du signal. Ces blocs sont facilement reconnaissables car ils commencent par un **tilde : ~**.

![simple synth with limiter](./screenshots/synth-limiter.png)

Des objets de contrôle très répandus en audio sont les **sliders** (voir ci-dessous). Il peuvent être configurés en faisant un **clic droit** sur eux.

Pour utiliser des sliders comme contrôle de volume audio, il est très important de modifier leur intervalle de valeurs (leur *range*). En effet, il renvoient par défaut des valeurs entre 0 et 127, alors que les signaux audio dans Pure Data sont des flux de **nombres à virgule entre -1,0 et +1,0**.

Pour ne pas avoir de saturation, et pour ne pas avoir de volumes audio trop importants (attention à vos oreilles !) on va régler le slider principal de volume sur la plage de valeurs de 0,0 à 0,1.
Cela correspond à gains de moins l'infini à -20 dB (décibels).

![a simple synth](./resources/tz52.jpg)

### À faire

* Re-créer les deux patches ci-dessus, et des tester
* Chercher la différence entre les connexions de données, et les connexions de signal audio

### Ressources

* **patches**
	* [a 440Hz synth patch with, limiter](./resources/04_a_simple_synth-limiter.pd)
	* [a simple synth patch (! without limiter)](./resources/04_a_simple_synth.pd)
* **online information**
	* [waveshaping](http://www.pd-tutorial.com/english/ch03s05.html)

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## Exemple 6 : Un peu de théorie musicale... et MIDI

Le MIDI permet de représenter des notes (Do, Ré, Mi, .. ou bien *C, D, E*, ...) avec des nombres sur 7 bits, entre 0 et 127. C'est une vieille norme - qui date des années 1980 - qui est toujours très utilisée aujourd'hui.

![midi notes to frequency](./resources/notes.gif)

En musique occidentale, le **système tonal** propose une manière de décomposer de mélodies en **gammes (majeures, mineures, ...)** basées sur 1 note principale : **la tonique**.

Même si maîtriser toutes les subtilités des gammes et des modes requière une très bonne connaissance du solfège, on va quand même pouvoir utiliser ces gammes de manière simple pour créer des séquences de notes dans Pure Data.

Les gammes sont composés de **degrés**, qui sont un ensemble de notes qui constituent la gamme - en plus de la note tonique.

Par exemple, une des gammes les plus utilisées est la **gamme majeure**. À partir d'une note tonique définie, la gamme majeure est composée des 6 **degrés** suivants :


| Degré | Nom | Écart degré précédent | Écart total en échelle MIDI |
|---|---|---|---|
| 1st | Tonique | - | 0 |
| 2nd | Sus-tonique | +1 | +2 |
| 3rd | Médiante | +1 | +4 |
| 4th | Sous-dominante | +1/2 | +5 |
| 5th | Dominante | +1 | +7 |
| 6th | Sus-dominante | +1 | +9 |
| 7th | Sensible | +1 | +11 |
| 8th | Tonique (à l'octave) | +1/2 | +12 |

Ci-dessous, voici un synthé qui peut jouer la gamme de Do (C) majeur, à partir du Do 4 (C4), qui se situe plutôt dans les fréquences médium-aigües.

![a musical synth](./resources/u9us.jpg)

### À faire 
* Re-créer et tester ce patch (en ajoutant bien un limiteur "clip" avant la sortie)
* Modifier la gamme, pour jouer une gamme de Mi mineur (pour la gamme mineure : voir ressources ci-dessous)

### Ressources

* **patches**
	* [a musical synth](./resources/05_a_musical_synth.pd)
* **online information**
	* [what is midi?](https://en.wikipedia.org/wiki/MIDI)
	* [musical scales](https://en.wikipedia.org/wiki/Major_scale)
	* [Gamme mineure](https://fr.wikipedia.org/wiki/Liste_des_gammes_et_modes#Gamme_mineure)

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## Exemple 7 : contrôle du synthé avec un clavier d'ordinateur

Pour récupérer le numéro de la touche du clavier qui vient d'être appuyée, Pure Data fourni l'objet **key**.
On peut alors router la sortie de la boîte "key" vers des notes de synthétiseur, à l'aide de l'objet **route**.

![a musical synth with keyboard control](./resources/z847.jpg)

Le routage des touches du clavier doit permettre de se rapprocher de l'agencement des touches d'un piano. Un exemple de routage (celui utilisé dans Ableton Live par exemple) pour 1 octave est présenté ci-dessous.

![](./resources/KeyboardPiano.jpg)

### À faire
* Re-créer ce patch, et le configurer correctement pour qu'il fonctionne bien avec votre clavier. La table des caractères ASCII est disponible ci-dessous.

### Challenge
* Ré-écrire l'objet "route" avec des blocs **==** et **sel** avant de regarder la solution

### Ressources 

* **patches**
	* [a musical synth](./resources/05_controlling_the_musical_synth.pd)
* **online information**
	* [Code ASCII (lettre latines + caractères spéciaux)](https://fr.wikipedia.org/wiki/American_Standard_Code_for_Information_Interchange#/media/Fichier:ASCII-Table-wide.svg)
	* [controlling the synth](http://write.flossmanuals.net/pure-data/controlling-the-synth/)
* **Blocs "==" et "sel"**
	* [patch de solution du challenge](06-keyboard-equal-sel.pd)


A more common way to control music programs is by using MIDI devices.
You can setup midi from the **media** menu and selecting **midi settings**.
Puredata provides a simple patch to test and see the midi messages coming into the computer.
It can be shown by clicking on the **media** menu and selecting **test audio and midi**.

![midi setup and settings](./resources/fnid.jpg)


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## Example 8: Controlling with a gamepad

The **hid** object gives us access to gamepads and joysticks.
Depending on the OS the object needs to be installed via the help menu **find
externals** option.

![gamepad synth](./resources/zz2h.jpg)

### TODO:

* create this patch yourself and try it out
* try to add more controls to the synth

### Resources:

* **patches**
	* [gamepad synth patch](./resources/07_gamepad_with_the_musical_synth.pd)
	* [gamepad synth with filter patch](./resources/08_gamepad_and_filter.pd)

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## Example 9: A drum machine

We can load and play soundfiles with the **readsf~** object.
To build a simple sequencer we combine a **metro** with a counting loop,
**mod** and **select**.

Below are the patches to both a simple and more complicated drum machine.

![drum machines](./resources/vy4d.jpg)

### TODO:

* create this patch yourself and try it out
* how can you make this drum machine polyphonic?

### Resources:

* **patches**
	* [simple drum machine](./resources/08_gamepad_and_filter.pd)
	* [advanced drum machine](./resources/09_advanced_drum_machine.pd)
* **samples**
	* [drum samples zip file](./resources/808_drum_kit.zip)

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## Example 10: Putting it *all* together

The advanced drum machine sequencer can be used to create a patch that plays
random *music* coupled with the simple synths from before.
A new object is included in this patch called **vline~**.
It is used to create volume or filter curves.

![putting it all together](./resources/8bpn.jpg)

### TODO:

* try to make something yourself!

### Resources:

* **patches**
	* [music by numbers](./resources/10_putting_it_all_together.pd)
* **online information**
	* [envelopes](http://write.flossmanuals.net/pure-data/envelope-generator/)

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## A short intermezzo

While it is very important and satisfying to make your own puredata patches from scratch, there are a lot of extra libraries that can provide you with essential building blocks.
Most of these can be installed with the build in package manager in puredata vanilla.
You can access it by going to the menu **help** and choosing **find externals**.
Some very useful ones are:

* mrpeach (for everything network and OSC related)
* list-abs (list abstractions that make manipulating and searching lists very easy)
* cyclone (a bunch of useful little gems)
* comport (for interfacing with arduino and other serial devices)
* hid (useful for gamepads and joysticks)

![installing externals](./resources/dniz.jpg)

You can see all the externals that you have installed by going to the **help** menu and choosing the **browser**.
Most libraries come with extensive help files to get you going in no time.


![externals browser](./resources/f33w.jpg)

Now, a *very* powerful collection of synthesizer building blocks is called **automatonism**.
This is more than a library of abstractions, it makes puredata an easy to use modular synth.
While I absolutely love this software, a basic understanding of puredata vanilla will go a long way.
You can download automatonism from the link below.

![automatonism](./resources/automatonism.png)

### Resources:

* **online information**
	* [automatonism](https://www.automatonism.com/the-software)

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# Video

## Creating a GEM window and drawing a pretty cube

GEM should come installed with puredata vanilla.
If not, you can find it via the find externals menu.
The best way to get familiar with GEM is to play around with the example files.
You can find them in the **browser**.

The most basic way to get GEM going is to:

* **declare -lib Gem** enables the library of use
* the **gemwin** object controls a window
* the **create, 1** message will display the empty window

![an empty GEM window](./resources/1ufh.jpg)

Now to display a simple shape in this window we need to add a **gemhead** object.
This will compute everything attached to it at every frame.

![a GEM cube drawn via gemhead](./resources/9gek.jpg)

This cube can be controlled with **messages** to the cube itself *and* by putting **objects** between the gemhead and itself.
The same cube but with rotation, color control (including transparency) and XYZ control can be seen below.
A light source is also added to introduce shade on the cube.

![3d cube with light and controls](./resources/1lv7.jpg)

To project something onto the cube we add a **pix_film** object.
This object needs to flow into a **pix_texture** object in order to be drawn.
The object loads .mp4 files and can play them back, in loop if desired.

![a dancing cat!](./resources/hla3.jpg)

### Resources:

* **patches**
	* [the assets](./resources/assets.zip)
	* [the dancing cat](./resources/11_gem_intro.pd)
* **online information**
	* [GEM intro](http://write.flossmanuals.net/pure-data/basics/)
	* [Ye olde GEM manual](https://puredata.info/downloads/gem/documentation/manual/manual)

## Particles

Besides displaying pictures and videos, GEM can animate particles.
The way to draw them is very similar to the dancing cat.
For each element we want to show and control separately we need different **gemhead**.
Download the test files below and have a play with it, it will explain itself a lot better like that.
Don't forget to download the assets as well, otherwise the video won't load.
You can find the link below (it's the same file as the previous example).

![a dancing cat with particles](./resources/rwch.jpg)

### Resources:

* **patches**
	* [the assets](./resources/assets.zip)
	* [a dancing cat with particles](./resources/11_gem_cat_with_particles.pd)
* **online information**
	* [GEM particles](https://puredata.info/downloads/gem/documentation/tutorial/particles)

# Learning more about Pure data

That's it for me but if you want to learn more about puredata you should have a look at the links below.
It's a list of tutorials and interesting work created with puredata.

* **documentation and tutorials**
	* [FLOSS manual](http://write.flossmanuals.net/pure-data/introduction2/)
	* [Rafael Hernadez youtube channel](https://www.youtube.com/playlist?list=PL12DC9A161D8DC5DC)
	* [puredata tutorials list](https://puredata.info/docs/tutorials/)
	* [Programming Electronic Music in Pd](http://www.pd-tutorial.com/english/index.html)
* **videos of sound made with pure data and some GEM stuff**
	* [puredata drone](https://www.youtube.com/watch?v=V1E52x15RYU)
	* [puredata sequencer 2015](https://www.youtube.com/watch?v=9Nz0bxwoqQE)
	* [72-EDO algorithmic IDM in Pure Data](https://www.youtube.com/watch?v=d4t5B6nPQGg)
	* [New Euclidean Rhythms Module in Pure Data Demo](https://www.youtube.com/watch?v=szFtVT5j69A)
	* [Pure Data - Particle-based Music Visualisation](https://www.youtube.com/watch?v=U1k44Tr0pu4)
	* [webe.omnibox / PureData Visual with GEM (Test_02)](https://www.youtube.com/watch?v=zs1lsw1q_gU)
