Обработка звуковой информации

Сэмплирование - это запись образцов звучания (сэмплов) того или иного реального музыкального инструмента. Сэмплирование является основой волнового синтеза (WT-синтеза) музыкальных звуков. Если при частотном синтезе (FM-синтезе) новые звучания получают за счет разнообразной обработки простейших стандартных колебаний, то основой WT-синтеза являются заранее записанные звуки традиционных музыкальных инструментов или звуки, сопровождающие различные процессы в природе и технике. С сэмплами можно делать все, что угодно. Можно оставить их такими, как есть, и WT-синтезатор будет звучать голосами, почти неотличимыми от голосов инструментов-первоисточников. Можно подвергнуть сэмплы модуляции, фильтрации, воздействию эффектов и получить самые фантастические, неземные звуки.

В принципе, сэмпл - это ни что иное, как сохраненная в памяти синтезатора последовательность цифровых отсчетов, получившихся в результате аналого-цифрового преобразования звука музыкального инструмента. Если бы не существовала проблема экономии памяти, то звучание каждой ноты можно было бы записать в исполнении каждого музыкального инструмента. А игра на таком синтезаторе представляла бы собой воспроизведение этих записей в необходимые моменты времени. Сэмплы хранятся в памяти не в том виде, в каком они получаются сразу же после прохождения АЦП. Запись подвергается хирургическому воздействию, делится на характерные части (фазы): начало, протяженный участок, завершение звука. В зависимости от применяемой фирменной технологии эти части могут делиться на еще более мелкие фрагменты. В памяти хранится не вся запись, а лишь минимально необходимая для ее восстановления информация о каждом из фрагментов. Изменение протяженности звучания производится за счет управления числом повторений отдельных фрагментов.

В целях еще большей экономии памяти был разработан способ синтеза, позволяющий хранить сэмплы не для каждой ноты, а лишь для некоторых. В этом случае изменения высоты звучания достигается путем изменения скорости воспроизведения сэмпла.

Для создания и воспроизведения сэмплов служит синтезатор. В наши дни синтезатор конструктивно реализован в одном-двух корпусах микросхем, которые представляет собой специализированный процессор для осуществления всех необходимых преобразовании. Из закодированных и сжатых с помощью специальных алгоритмов фрагментов он собирает сэмпл, задает высоту его звучания, изменяет в соответствии с замыслом музыканта форму огибающей колебания, имитируя либо почти неощутимое касание, либо удар по клавише или струне. Кроме того, процессор добавляет различные эффекты, изменяет тембр с помощью фильтров и модуляторов.

В звуковых картах находят применение несколько синтезаторов различных фирм.

Наряду с сэмплами, записанными в ПЗУ звуковой карты, в настоящее время стали доступными наборы сэмплов (банки), созданные как в лабораториях фирм, специализирующихся на синтезаторах, так и любителями компьютерной музыки. Эти банки можно найти на многочисленных лазерных дисках и в Internet.

Модуляционные эффекты:

Дилэй (Delay) в переводе означает "задержка". Необходимость в этом эффекте возникла с появлением стереофонии. Сама природа слухового аппарата человека предполагает в большинстве ситуаций поступление в мозг двух звуковых сигналов, отличающихся временем прихода. Если источник звука находится "перед глазами", на перпендикуляре, проведенном к линии, проходящей через уши, то прямой звук от источника достигает обоих ушей в одно и то же время. Во всех остальных случаях расстояния от источника до ушей различны, поэтому либо одно, либо другое ухо воспринимает звук первым.

Время задержки (разницы во времени приема сигналов ушами) будет максимальным в том случае, когда источник расположен напротив одного из ушей. Так как расстояние между ушами около 20 см, то максимальная задержка может составлять около 8 мс. Этим величинам соответствует волна звукового колебания с частотой около 1,1 кГц. Для более высокочастотных звуковых колебаний длина волны становится меньше, чем расстояние между ушами, и разница во времени приема сигналов ушами становится неощутимой. Предельная частота колебаний, задержка которых воспринимается человеком, зависит от направления на источник. Она растет по мере того, как источник смещается от точки, расположенной напротив одного из ушей, к точке, расположенной перед человеком.

Дилэй применяется, прежде всего, в том случае, когда запись голоса или акустического музыкального инструмента, выполненную с помощью единственного микрофона, встраивают в стереофоническую композицию. Этот эффект служит основой технологии создания стереозаписей. Дилэй может применяться и для получения эффекта однократного повторения каких-либо звуков. Величина задержки между прямым сигналом и его задержанной копией в этом случае выбирается большей, чем естественная задержка в 8 мс. Для коротких и резких звуков время задержки, при котором основной сигнал и его копия различимы меньше, чем для протяженных звуков. Для произведений, исполняемых в медленном темпе, задержка может быть больше, чем для быстрых композиций,

При определенных соотношениях громкостей прямого и задержанного сигнала может иметь место психоакустический эффект изменения кажущегося расположения источника звука на стереопанораме.

Этот эффект реализуется с помощью устройств, способных осуществлять задержку акустического или электрического сигналов. Таким устройством сейчас чаще всего служит цифровая линия задержки, представляющая собой цепочку из элементарных ячеек - триггеров задержки. Для наших целей достаточно знать, что принцип действия триггера задержки сводится к следующему: двоичный сигнал, поступивший в некоторый тактовый момент времени на его вход, появится на его выходе не мгновенно, а только в очередной тактовый момент. Общее время задержки в линии тем больше, чем больше триггеров задержки включено в цепочку, и тем меньше, чем меньше тактовый интервал (чем больше тактовая частота). В качестве цифровых линий задержки можно использовать запоминающие устройства.

Разумеется, для применения цифровой линии задержки сигнал должен быть сначала преобразован в цифровую форму. А после прохождения его копии через линию задержки происходит обратное, цифро-аналоговое преобразование. Исходный сигнал и его задержанная копия могут быть раздельно направлены в различные стереоканалы, но могут быть и смешаны в различных пропорциях. Суммарный сигнал может быть направлен либо в один из стереоканалов, либо в оба.

В звуковых редакторах дилэй реализуется программным (математическим) путем за счет изменения относительной нумерации отсчетов исходного сигнала и его копии.

В основу звуковых эффектов флэнжер (Flanger) и фэйзер (Phaser) также положена задержка сигнала.

Эффект повторного звучания может быть вызван и распространением звука от источника к приемнику различными путями (например, звук может приходить, во-первых, напрямую и, во-вторых, отразившись от препятствия, находящегося чуть в стороне от прямого пути). И в том, и в другом случаях время задержки остается постоянным. В реальной жизни этому соответствует маловероятная ситуация, когда источник звука, приемник звука и отражающие предметы неподвижны относительно друг друга. При этом частота звука не изменяется, каким бы путем и в какое бы ухо он не приходил.

Если же какой-либо из трех элементов подвижен, то частота принимаемого звука не может оставаться той же, что и частота звука переданного. Это есть ни что иное, как проявление эффекта Доплера.

И флэнжер, и фэйзер имитируют проявления взаимного перемещения трех элементов: источника, приемника и отражателя звука. По сути дела, и тот, и другой эффекты представляют собой сочетание задержки звукового сигнала с частотной или фазовой модуляцией. Разница между ними чисто количественная, флэнжер отличается от фейзера тем, что для первого эффекта время задержки копии (или времена задержек копий) и изменение частот, сигнала значительно большее, чем для второго. Образно говоря, флэнжер наблюдался бы в том случае, когда певец мчался бы к зрителю, сидящему в зале, со скоростью автомобиля. А вот для того, чтобы ощутить фэйзер в его, так сказать, первозданном виде, движущегося источника звука не требуется, зрителю достаточно часто-часто вертеть головой из стороны в сторону.

Упомянутые количественные отличия эффектов приводят и к отличиям качественным: во-первых, звуки, обработанные ими, приобретают различные акустические и музыкальные свойства, во-вторых, эффекты реализуются различными техническими средствами.

Значения времени задержек, характерных для флэнжера, существенно превышают период звукового колебания, поэтому для реализации эффекта используют многоразрядные и многоотводные цифровые линии задержки. С каждого из отводов снимается свой сигнал, который в свою очередь подвергается частотной модуляции.

Для фэйзера, наоборот, характерно очень маленькое время задержки. Оно столь мало, что оказывается сравнимо с периодом звукового колебания. При столь малых относительных сдвигах принято говорить уже не о задержке копий сигнала во времени, а о разности их фаз. Если эта разность фаз не остается постоянной, а изменяется по периодическому закону, то мы имеем дело с эффектом фейзера. Так что можно считать фейзер предельным случаем флэнжера.

Чтобы получить флэнжер, вместо одной акустической системы использовали несколько систем, размещенных на различных расстояниях от слушателей. В необходимые моменты производили поочередное подключение источника сигнала к акустическим системам таким образом, что создавалось впечатление приближения или удаления источника звука. Задержку звука выполняли и с помощью магнитофонов со сквозным трактом запись/ воспроизведение. Одна головка записывает, другая - воспроизводит звук с задержкой на время, необходимое для перемещения ленты от головки к головке. Для частотной модуляции особых мер можно было и не придумывать. Каждому аналоговому магнитофону присущ естественный недостаток, называемый детонацией, которая проявляется в виде "плавания" звука. Стоило чуть-чуть специально усилить этот эффект, изменяя напряжение, питающее двигатель, и получалась частотная модуляция.

Для реализации фэйзера методами аналоговой техники использовали цепочки фазовращателей, управляемых электрическим путем. А иногда можно было наблюдать и такую картину: в акустической системе, подключенной к ЭМИ или электрогитаре, вдруг начинало вращаться что-то вроде вентилятора. Звук пересекался с подвижными лопастями и отражался от них, получалась фазовая модуляция.

Реверберация [Reverb] относится к наиболее интересным и популярным звуковым эффектам. Сущность реверберации заключается в том, что исходный звуковой сигнал смешивается со своими копиями, задержанными относительно него на различные временные интервалы. Этим реверберация напоминает дилэй. Однако при реверберации число задержанных копий сигнала может быть значительно больше, чем для дилэя. Теоретически число копий может быть бесконечным. Кроме того, при реверберации, чем больше время запаздывания копии сигнала, тем меньше ее амплитуда (громкость). Эффект зависит от того, каковы временные промежутки между копиями сигналов и какова скорость уменьшения уровней их громкости. Если промежутки между копиями малы, то получается собственно эффект реверберации. Возникает ощущение объемного гулкого помещения. Звуки музыкальных инструментов становятся сочными, объемными, с богатым тембровым составом. Голоса певцов приобретают напевность, недостатки, присущие им, становятся малозаметными.

Если промежутки между копиями велики (более 100 мс), то правильнее говорить не об эффекте реверберации, а об эффекте "эхо". Интервалы между соответствующими звуками при этом становятся различимыми. Звуки перестают сливаться, кажутся отражениями от удаленных преград.

Основным элементом, реализующим эффект реверберации, является устройство, создающее эхо-сигнал.

Эхо-камера представляет собой комнату с сильно отражающими стенами, в которую помещен источник звукового сигнала (громкоговоритель) и приемник (микрофон). Преимущество эхо-камеры состоит в том, что затухание звука происходит в ней естественным путем (что очень трудно обеспечить другими способами). В то время как звук продолжает реверберировать в трех измерениях, исходная волна разбивается на множество отраженных, которые достигают микрофона за уменьшающиеся промежутки времени.

Наряду с эхо-камерами для имитации реверберации использовали стальные пластины, точнее, довольно большие по размеру листы. Колебания в них вводили и снимали с помощью устройств, по конструкции и принципу действия похожих на электромагнитные головные телефоны. Для получения удовлетворительной равномерности амплитудно-частотной характеристики толщина листа должна быть выдержана с точностью, которую не обеспечивают обычные технологии проката стали. Реверберация здесь была не трехмерной, а плоской. Сигнал имел характерный металлический оттенок.

В середине 60-х годов для получения эффекта реверберации стали применять пружинные ревербераторы. С помощью электромагнитного преобразователя, соединенного с одним из концов пружины, в ней возбуждались механические колебания, которые с задержкой достигали второго конца пружины, связанного с датчиком. Эффект повторения звука обусловлен многократным отражением волн механических колебаний от концов пружины.

На смену этим несовершенным устройствам пришли ревербераторы магнитофонные. Принцип формирования в них эхо-сигнала состоит в том, что исходный сигнал записывается на ленту записывающей магнитной головкой, а через время, необходимое для перемещения ленты к воспроизводящей головке, считывается ею. Через цепь обратной связи уменьшенный по амплитуде задержанный сигнал вновь подается на запись, что и создает эффект многократного отражения звука с постепенным затуханием. Качество звука определяется параметрами магнитофона. Недостаток магнитофонного ревербератора заключается в том, что при приемлемых скоростях протяжки ленты удается получить только эффект эха. Для получения собственно реверберации требуется либо еще сильнее сблизить магнитные головки (чего не позволяет сделать их конструкция), либо значительно увеличить скорость движения ленты.

С развитием цифровой техники и появлением интегральных микросхем, содержащих в одном корпусе сотни и тысячи цифровых триггеров (о которых мы уже говорили) появилась возможность создавать высококачественные цифровые ревербераторы. В таких устройствах сигнал может быть задержан на любое время, необходимое как для получения реверберации, так и для получения эха.

В звуковых картах реверберация, в конечном счете, основана именно на цифровой задержке сигналов.

Наблюдая этапы развития средств реверберации, можно предположить, что когда-нибудь появятся и математические модели пружинных и магнитофонных ревербераторов. Ведь не исключено, что есть люди, испытывающие ностальгические чувства по отношению к звукам музыки, окрашенным дребезгом пружин или шипением магнитной ленты.

2. Программы для обработки звуковой информации

2.1 Редакторы цифрового аудио и программы для написания музыки

Тема программного обеспечения очень широка, поэтому здесь мы только вкратце обсудим основные представители программ для обработки звука. Наиболее важный класс программ - редакторы цифрового аудио. Основные возможности таких программ это, как минимум, обеспечение возможности записи (оцифровки) аудио и сохранение на диск. Развитые представители такого рода программ позволяют намного больше: запись, многоканальное сведение аудио на нескольких виртуальных дорожках, обработка специальными эффектами (как встроенными, так и подключаемыми извне - об этом позже), очистка от шумов, имеют развитую навигацию и инструментарий в виде спектроскопа и прочих виртуальных приборов, управление/управляемость внешними устройствами, преобразование аудио из формата в формат, генерация сигналов, запись на компакт диски и многое другое. Некоторые из таких программ: Cool Edit Pro (Syntrillium), Sound Forge (Sonic Foundry), Nuendo (Steinberg), Samplitude Producer (Magix), Wavelab (Steinberg).

Основные возможности редактора Cool Edit Pro 2.0 - пример рабочего окна программы в многодорожечном режиме: редактирование и сведение аудио на 128 дорожках, 45 встроенных DSP-эффектов, включая инструменты для мастеринга, анализа и реставрации аудио, 32-битная обработка, поддержка аудио с параметрами 24 бит / 192 КГц, мощный инструментарии для работы с петлями (loops), поддержка DirectX, а также управление SMPTE/MTC, поддержка работы с видео и MIDI и прочее.

Основные возможности редактора Sound Forge 6.0a - пример рабочего окна программы: мощные возможности не деструктивного редактирования, многозадачная фоновая обработка заданий, поддержка файлов с параметрами до 32 бит / 192 КГц, менеджер предустановок, поддержка файлов более 4 Гб, работа с видео, большой набор эффектов обработки, восстановление после зависаний, предпрослушивание примененных эффектов, спектральный анализатор и прочее.

Не менее важная в функциональном смысле группа программ - секвенсоры (программы для написания музыки). Чаще всего, такие программы используют MIDI-синтезатор (аппаратный внешний или встроенный почти в любую звуковую карту, либо программный, организуемый специальным программным обеспечением). Такие программы предоставляют пользователю либо привычный нотный стан (как, например, программа Finale от CODA), либо более распространенный способ редактирования аудио на компьютере, так называемый, piano-roll (это более понятное представление музыки для людей, не знакомых с нотами; в таком представлении вертикально имеется ось с изображением клавиш пианино, а горизонтально откладывается время, таким образом, ставя на пересечении штрихи разной длинны, добиваются звучания определенной ноты с определенной продолжительностью). Встречаются и программы, позволяющие просматривать и редактировать аудио в обоих представлениях. Развитые секвенсоры помимо редактирования аудио во многом могут дублировать возможности редакторов цифрового аудио - осуществлять запись на CD, совмещать MIDI-дорожки с цифровыми сигналами и осуществлять мастеринг. Яркие представители такого класса программ: Cubase (Steinberg), Logic Audio (Emagic), Cakewalk (Twelve Tone Systems) и уже упомянутый Finale.

Основные возможности редактора Cubase 5.1 - пример рабочего окна программы в режиме просмотра MIDI дорожек: редактирование музыки в реальном времени используя графическое представление информации, высокое разрешение редактора (15360 пульсов на четверть), практически не лимитированное количество дорожек, 72 аудио канала, поддержка VST32, 4 эквалайзера на канал и другие поканальные эффекты, встроенные инструменты обработки с использованием аналогового моделирования (виртуальные инструменты, эффект процессоры, инструменты микширования и записи) и множество других возможностей.

Основные возможности редактора Logic Audio 5 - пример рабочего окна программы: работа со звука при точности в 32 бита, высокое временное разрешение событий, самоадаптируемый микшер аудио и MIDI, оптимизируемый интерфейс пользователя, синхронизация с видео, виртуально неограниченное число MIDI-дорожек, обработка звука в реальном времени, полная синхронизация с MTC, MMC, SMPTE, встроенные модули обработки и автоинструменты, поддержка большого количество аппаратного оборудования, а также множество других возможностей.

В наборе программ пользователя, занимающегося обработкой звука, имеется множество разных инструментов, так было раньше и так будет впредь - универсальных комбайнов для работы со звуком не бывает. Однако, не смотря на все разнообразие ПО, в программах часто используются схожие механизмы для обработки звука (например, процессоры эффектов и прочие).

На каком-то этапе разработки аудио ПО, производители поняли, что удобнее сделать в своих программах возможность подключения внешних инструментов, чем каждый раз создавать заново инструменты для каждой отдельной программы. Так что многие программы, относящиеся к той или иной группе ПО, позволяют подключать так называемые «плагины» - внешние подключаемые модули, расширяющие возможности обработки звука. Это стало возможным в результате появления нескольких стандартов на интерфейс между программой и подключаемым модулем. На сегодняшний день существуют два основных стандарта на интерфейс: DX и VST. Существование стандартов позволяет подключать один и тот же плаг-ин к совершенно разным программам, не заботясь о возникновении конфликтов и неполадок. Говоря о самих плаг-инах, надо сказать, что это просто огромное семейство программ. Обычно, один плаг-ин является механизмом, реализующим какой-то конкретный эффект, например, реверберацию или низкочастотный фильтр.

Из интересных плагинов можно вспомнить, например iZotope Vinyl, - он позволяет придать звучанию эффект виниловой пластинки - пример рабочего окна плагина в среде Cool Edit Pro), Antares AutoTune позволяет в полуавтоматическом режиме корректировать звучание вокала, а Orange Vocoder являет собой замечательный вокодер (механизм для придания звучанию различных инструментов схожести со звучанием голоса человека).

2.2 Программы-анализаторы аудио реставраторы аудио и трекеры

Обработка звука и написание музыки - это не только творческий процесс. Иногда нужен скрупулезный анализ данных, а также осуществление поиска огрехов их звучания. Кроме того, аудио материал, с который приходится иметь дело, не всегда желаемого качества. В этой связи нельзя не вспомнить о целом ряде программ-анализаторов аудио, специально предназначенных для осуществления измерительных анализов аудио данных. Такие программы помогают представить аудио данные удобнее, чем обычные редакторы, а также внимательно изучить их с помощью различных инструментов, таких как FFT-анализаторы (построители динамических и статических амплитудно-частотных характеристик), построители сонограмм, и прочих. Одна из наиболее известных и развитых программ подобного плана - программа SpectraLAB (Sound Technology Inc.), чуть более простые, но мощные - Analyzer2000 и Spectrogram.

Программа SpectraLAB - наиболее мощный продукт подобного рода, существующий на сегодня - пример рабочего окна программы, на экране: спектральная картина в трез представлениях и фазовая картина). Возможности программы: 3 режима работы (пост режим, режим реального времени, режим записи), основной инструментарий - осциллограф, спектрометр (двухмерный, трехмерный, а также построитель сонограмм) и фазометр, возможность сравнения амплитудно-частотных характеристик нескольких сигналов, широкие возможности масштабирования, измерительные инструменты: нелинейных искажений, отношения сигнал/шум, искажений и прочие.

Специализированные реставраторы аудио играют также немаловажную роль в обработке звука. Такие программы позволяют восстановить утерянное качество звучания аудио материала, удалить нежелательные щелчки, шумы, треск, специфические помехи записей с аудио-кассет, и провести другую корректировку аудио. Программы подобного рода: Dart, Clean (от Steinberg Inc.), Audio Cleaning Lab. (от Magix Ent.), Wave Corrector.

Основные возможности реставратора Clean 3.0 - рабочее окно программы: устранение всевозможных потрескиваний и шумов, режим автокоррекции, набор эффектов для обработки скорректированного звука, включая функцию «surround sound» с наглядным акустическим моделированием эффекта, запись CD с подготовленными данными, «интеллигентная» система подсказок, поддержка внешних VST плаг-инов и другие возможности.

Трекеры - это отдельная категория звуковых программ, предназначенных именно для создания музыки. Структура и концепция построения трекерных файлов очень похожа на принцип хранения MIDI-информации. В трекерных модулях (файлы, созданные в трекерах, принято называть модулями), также, как и в MIDI-файлах, содержится партитура в соответствии с которой должны проигрываться инструменты. Кроме того, в них содержится информация о том, какие эффекты и в какой момент времени должны быть применены при проигрывании того или иного инструмента. Однако, принципиальное отличие трекерных модулей от MIDI-файлов заключается в том, что проигрываемые в этих модулях инструменты (или, точнее сказать, сэмплы) хранятся в самих модулях (то есть внутри файлов), а не в синтезаторе (как это происходит в случае с MIDI). Такой способ хранения музыки имеет массу преимуществ: размер файлов невелик по сравнению с непрерывной оцифрованной музыкой (поскольку записываются только использованные инструменты и партитура в виде команд), нет зависимости звучания от компьютера, на котором происходит воспроизведение (в MIDI, как мы говорили, есть зависимость звучания от используемого синтезатора), имеется большая свобода творчества, поскольку автор музыки не ограничен наборов инструментов (как в MIDI), а может использовать в качестве инструмента любой оцифрованный звук. Основные программы-трекеры Scream Tracker, Fast Tracker, Impulse Tracker, OctaMED SoundStudio, MAD Tracker, ModPlug Tracker.