Компьютерная обработка звука

Принцип работы шумоподавителя такой же, как и у модуля к программе Sound Forge, однако с его помощью можно удалить не все шумы.

Алгоритм действия данного приложения основывается на вычитании спектральных составляющих сигнала. Интенсивность каждой частотной полосы спектра, которая имеет амплитуду ниже определенного шумового порога, уменьшается при помощи спектрального экспандера (расширителя спектра). В результате происходит такое подавление шумов, при котором на фазу сигнала воздействие не оказывается.

Схема на рис. 3.6 иллюстрирует движение сигнальных потоков.

Рис. 3.6. Схема работы приложения DeNoiser

В первом модуле непрерывно оценивается шумовой порог поступающего сигнала. Если уровень шума постоянен или меняется медленно, то порог шумоподавителя устанавливается в значение, соответствующее найденному уровню. Фрагменты с быстрыми изменениями уровня шума остаются без изменений, чтобы поддержать живость и естественность звучания.

Системные требования, предъявляемые к компьютеру (при работе в WaveLab, с монофоническим выходом, в режиме реального времени), следующие:

• Pentium 133 МГц;

• минимум 16 Мбайт ОЗУ, рекомендуется 32 Мбайт.

И входной, и выходной сигналы могут быть как моно, так и стерео. Для работы в режиме стерео в реальном времени понадобится более мощный компьютер.

Окно DeNoiser имеет вид, показанный на рис. 3.7 (версия для WaveLab). Версии для разных программ могут несколько отличаться по дизайну, но функционально они идентичны.

Рис. 3.7. Окно DeNoiser

Большой дисплей в левой части окна DeNoiser необходим при настройке параметров. Он содержит следующие графические элементы: график спектра, спектральную оценку шумового порога и графическое представление параметра Offset (Смещение).

Темно-зеленый график спектра показывает частотный спектр воспроизводимой в настоящее время записи. По горизонтальной оси откладывается частота (в линейном масштабе), а по вертикальной – амплитуда (в логарифмическом масштабе, в децибелах).

Желтая линия – это спектральная оценка шумового порога. Его среднее значение, изменяющееся во времени, показано в числовом виде под дисплеем.

Светло-зеленая горизонтальная линия – это графическое представление параметра Offset. Ее положение должно быть откорректировано таким образом, чтобы данная линия находилась выше желтой линии шумового порога, но при этом как можно ближе к ней. Темно-зеленый график спектра поможет вам подстроить установку уровня, с тем чтобы был удален только шум, а не полезная часть сигнала (в идеале светло-зеленая линия должна находиться между желтой линией и графиком спектра).

Параметры DeNoiser можно изменять непосредственно во время воспроизведения. Изменения вступают в силу практически сразу (в зависимости от быстродействия вашего компьютера). Это дает вам возможность экспериментировать и сделать вывод о характере взаимодействия параметров настройки. Рассмотрим эти параметры.

Bypass (Обход). Когда эта кнопка нажата, сигнал проходит через модуль без обработки. Используется, чтобы сравнить качество звука до и после обработки.

При этом частотный анализ сигнала выполняется всегда, независимо от положения переключателя, что позволяет постоянно контролировать в дисплее окна DeNoiser шумовой порог, спектр и уровень спектра.

Offset (Смещение). Этот параметр служит ограничителем, в рамках которого выполняется шумоподавление. Для оптимального шумоподавления с минимумом окраски звука этот параметр должен быть установлен чуть выше уровня шумового порога. Для удобства на графике уровень показан светло-зеленой горизонтальной линией, в то время как шумовой порог очерчивается желтой линией.

Регулятором Reduction (Уменьшение) устанавливается величина шумоподавления. Чем выше значение, тем больше шумов будет подавляться.

Регулятор Ambience (Звуковое окружение) определяет баланс между величиной шумоподавления и объемом оставляемого без изменений звука, что важно для достижения естественного звучания. При низких значениях звук может стать безжизненным, потерять яркость. С другой стороны, при высоких значениях сохраняется характер исходного звука, однако подавление шума происходит менее эффективно.

Кнопки A и B позволяют мгновенно переключиться между двумя настройками DeNoiser, чтобы испытать и сравнить разные конфигурации. Их можно также использовать для различной настройки двух фрагментов аудиозаписи. Делается это следующим образом:

1. Проведите настройку параметров модуля.

2. Щелкните по кнопке Store (Сохранить) и затем по кнопке A.

3. Выполните другой вариант настройки.

4. Нажмите кнопку Store и затем кнопку B.

Теперь оба варианта настроек сохранены и можно переключаться между ними простым нажатием кнопки A или кнопки B. В начале работы модулю требуется краткий период времени (менее секунды) для анализа звука и установки внутренних параметров. Чтобы избежать этой паузы, надо воспроизвести короткий фрагмент записи (для того, чтобы DeNoiser определил шумовой порог), затем остановить процесс и запустить его с самого начала.

Устранитель щелчков DeClicker

Производитель: Steinberg.

Предполагает установленный DirectX.

Модуль DeClicker эффективен при борьбе со щелчками и выпадениями звуков. Работает в режиме реального времени (сразу при воспроизведении звукового файла слышен результат действия программы).

Его можно применить не только для восстановления старых записей (например, на виниловых пластинках), но и для устранения таких резких звуков, как гитарный скрежет, неожиданные помехи от плохого контакта разъемов, а также пощелкивания при сбивке синхронизации нескольких звуковых устройств. Кроме того, он способен устранить выпадения звука (характерные для записей на магнитной ленте) продолжительностью до 60 выборок.

Следует учесть, что DeClicker не предназначен для борьбы с длительными сериями коротких щелчков. Для того чтобы устранить подобного рода постоянный шум, DeClicker следует использовать совместно с шумоподавителем.

Принцип работы устройства заключается в специальном алгоритмическом анализе звукового сигнала, в результате которого и обнаруживаются щелчки. Характер и местоположение всех найденных щелчков заносятся в список.

Вид модуля DeClicker показан на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Окно встраиваемого модуля DeClicker

Чувствительность анализа регулируется параметрами Mode (Режим) и Threshold (Порог).

Затем алгоритм подавления щелчков применяется к сформированному списку. Этот процесс можно визуально наблюдать на экране дисплея DSP-Performance (Качество обработки) в окне модуля DeClicker, что помогает подстроить параметры. Звук, не определенный алгоритмом как щелчок, не будет подвергаться никакой обработке.

В большинстве случаев полезный сигнал, находящийся в зоне щелчка, будет безвозвратно утерян при удалении щелчка. Это приведет к выпадению звука. DeClicker способен автоматически реставрировать часть волны. Именно эта способность и может быть использована для восстановления звука в записях на магнитной ленте. Продолжительность таких провалов, которые еще поддаются обработке, может достигать 60 выборок (примерно одна миллисекунда при частоте дискретизации 44,1 кГц).

Перед применением модуля DeClicker не следует обрабатывать сигнал высокочастотными фильтрами, так как в этом случае щелчки станет труднее обнаруживать.

Для работы в реальном времени в WaveLab требуется Pentium 133 МГц или выше и 16 Мбайт оперативной памяти (лучше 32 Мбайт).

Рассмотрим назначение расположенных в окне модуля органов управления.

При нажатии на кнопку Audition (Прослушивание) на выход модуля поступает только удаляемый сигнал, то есть непосредственно щелчки, а если при этом регулятор Deplop (Устранение пришлепываний) выведен из крайнего левого положения (то есть включен), то на выход подается еще и сигнал низкочастотного диапазона. Этот режим используется для диагностики качества выполняемой обработки.

Четыре режима, выбор которых можно произвести в секции Quantity – Quality (Количество – Качество), предназначены для настройки степени обработки сигнала. Чем выше номер режима, тем выше качество удаления щелчков и восстановления звука. Ну и, конечно, тем больше требуется ресурсов процессора.

Регулятором Threshold (Порог) устанавливается уровень амплитуды щелчков, начиная с которого они будут замечаться программой. В большинстве случаев DeClicker находит больше щелчков, чем вы воспринимаете на слух. Поэтому сначала устанавливается высокое значение порога, а затем при прослушивании порог надо постепенно снизить до требуемой величины, чтобы удалить именно то, что вам необходимо.

Дополнительно настраивается специальный низкочастотный фильтр Deplop (Устранение пришлепываний), который работает с сигналами частотой ниже 150 Гц. Он помогает избавиться от такой звуковой помехи, как пришлепывание, которая иногда появляется после удаления щелчков.

Кнопки секции Mode (Режим) предназначены для настройки под разные виды звукового материала. Old (Старые) используется для восстановления «антиквариата», старых записей с ограниченным содержанием высокочастотных составляющих. Standard (Стандартные) – для широкого спектра звуковых данных (этот режим надо испробовать в первую очередь). Modern (Современные) – для нынешних записей с широким частотным диапазоном.

Дисплей DSP-Performance (Качество обработки) используется при настройке параметров Threshold (Порог) и Quantity – Quality (Количество – Качество). Если кривая добирается до верха окна, значит, достигнут максимум параметра и алгоритм может не справиться со всеми щелчками, имеющимися в записи. Тогда следует снизить значение Quantity – Quality. При этом учтите, что не всякий видимый в дисплее пик волны является щелчком.

На дисплее DeClick-Performance (Качество удаления щелчков) отображаются две кривые: красным цветом показан оригинальный необработанный материал, а зеленым – сигнал после обработки. С помощью данного дисплея определяется качество обработки. Если она не выполняется (например, в записи нет щелчков), зеленая кривая накладывается на красную и полностью ее закрывает. При удалении щелчка появляется и красная кривая. В таком случае хорошо видна разница между входным и выходным сигналами (для наглядности в дисплее она представлена несколько преувеличенно).

В правой части окна расположен виртуальный индикатор уровня выходного сигнала. Фирма выпускает DeClicker как в моно-, так и в стереовариантах (на нашем рисунке изображен моновариант). Кстати, обработка каждого канала в отдельности может дать лучший эффект, поскольку и настройки соответственно будут выполняться отдельно.

Методика работы с DeClicker такова.

Сначала выберите режим распознавания записей. В большинстве случаев начинать работу надо, как уже говорилось, с режима Standard (Стандартные). Задайте параметру Quantity – Quality высшее значение (4). Threshold (Порог) выставьте в 50 %. Если такие настройки не дают приемлемого результата, поэкспериментируйте с вариантами, сравнивая их с оригиналом при включенной и отключенной кнопке Audition (Прослушивание).

При комбинировании режима Old (Старые) и крайних положений Threshold и Quantity – Quality можно достичь интересного эффекта смягчения атаки ударных и духовых инструментов.

Во время работы модуля неизбежно возникает задержка сигнала, поэтому, чтобы не возникло сдвига по фазе в стереосигнале, надо на каждый канал ставить по модулю, если применяется программа в варианте моно.Помимо своего прямого назначения модуль можно использовать для обработки записей с заметными искажениями (с обрезанными пиками сигнала). Он может несколько сгладить обрезанные пики при помощи интерполяции сигнала.

Глава 4 Интерфейс MIDI

MIDI расшифровывается как Musical Instruments Digital Interface (Цифровой интерфейс музыкальных инструментов). Это стандартный цифровой интерфейс обмена данными между электронными музыкальными инструментами. По MIDI передается не сам звуковой сигнал, а различные управляющие сигналы: нажатие и отпускание клавиши, сила удара по клавише, громкость, вибрато, плавное изменение высоты звука, а также – для обеспечения синхронизации – информация о времени (тайм-коды, коды времени) и даже цифровая звуковая информация (семплы) и т. п. Простейший случай использования MIDI – генерация главным устройством (MIDI-секвенсором) управляющих команд и передача их в управляемое устройство (чаще всего синтезатор). Сигналы передаются как цифровая последовательность, разбитая на байты. В отличие от цифровой записи звуковой информации запись MIDI-последовательности чзанимает небольшой объем памяти. Отдельное MlDl-сообщение обычно состоит из одного, двух или трех байтов (кроме исключительных системных сообщений). Когда вы берете на клавиатуре или слушаете записанный в секвенсор аккорд, все ноты аккорда передаются и воспроизводятся по очереди. Однако мы слышим цельный аккорд, так как достаточно высока скорость передачи команд. На слух запаздывание звуков незаметно, и MIDI-интерфейс способен передать подавляющее большинство нюансов игры музыканта.

Для одновременного управления мультитембровыми музыкальными инструментами и другими устройствами, поддерживающими связь по MIDI-протоколу, используется система MlDl-каналов. Считается, что каждое MIDI-сообщение передается по одному из шестнадцати MIDI-каналов и каждому каналу может быть задан свой инструмент или тембр. Информация о MIDI-канале содержится в младших четырех битах первого байта MIDI-сообщения.

Среди всего многообразия MIDI-сообщений можно выделить те, которые передаются только по своему MIDI-каналу. Это Channel Messages (Сообщения канала): команды Note On (Взять ноту) и Note Off (Отпустить), различные MIDI-контроллеры, команды переключения звуков и смены режимов Program Change (Смена программы). Помимо этого, существуют сообщения, которые передаются без привязки к конкретным каналам – System Messages (Системные сообщения). Это System Real Time Messages (Сообщения реального времени): Timing Clock (MIDI-системная тактовая частота), ряд других команд, служащих для поддержания стабильной работы системы, и System Exclusive Messages (Исключительные системные сообщения) – обособленная от всех остальных группа MIDI-сообщений.

Первоначальным назначением MIDI была возможность управления сразу несколькими инструментами с клавиатуры одного инструмента. Сейчас большое распространение получили MlDl-секвенсоры, или просто секвенсоры – устройства или программы, позволяющие записывать музыкальную пьесу как последовательность MIDI-сообщений. Воспроизводя ее впоследствии с применением тех же самых устройств, с которых велась запись, мы получим идентичный звуковой результат.

MIDI-каналы и каналы секвенсора – это не одно и то же. Обычно секвенсорные каналы называют треками. MIDI-каналов всего 16, а виртуальных секвенсорных, как правило, значительно больше, поэтому несколько секвенсорных треков можно направить по одному MIDI-каналу. Это может быть полезно, например, для переключения с одной записанной партии на другую или для «забивки» барабанов, когда необходимо каждый ударный инструмент пустить по своему треку и при этом не занимать дефицитные MIDI-каналы.

В последнее время получил распространение также стандарт General MIDI. Он предполагает, что в музыкальных устройствах различных производителей сходные по звучанию тембры имеют одинаковые номера. Например, обычный рояль – тембр № 1, литавры – тембр № 49, и т. д. Таким образом, если имеется MIDI-последовательность, записанная на General MIDI-устройствах, ее можно воспроизводить на любых устройствах, поддерживающих этот стандарт. Звуковой результат при этом будет лишь незначительно отличаться от исходного материала.

Итак, чисто технически MIDI – это последовательный интерфейс. Но при работе с MIDI удобнее представлять эту систему в «параллельном» виде, то есть в виде одновременно существующих шестнадцати каналов. 

Редактирование MIDI-партитуры в программе-секвенсоре

В простейших программах возможности редактирования MIDI-партитуры сводятся к назначению инструментов на каждую записывающую дорожку и определению их относительной громкости, а также пространственной локализации. Если музыкальный материал вводится с MIDI-клавиатуры в реальном времени (то есть в режиме обычной записи), исполнитель практически всегда допускает нежелательные ритмические сбивки. Для их устранения во многих секвенсорах предусмотрена функция Quantize (Выравнивание, или Квантизация, как мы ее будем называть в дальнейшем). Однако пользоваться ею следует с известной долей осторожности: небольшая ошибка в параметрах выравнивания иногда приводит к непоправимой порче ритмического рисунка.