Компьютерная обработка звука Загуменнов Александр

Суть метода многоканальной последовательной записи заключается в том, что ансамбль записывается частями (например, сначала только аккомпанемент, а затем солист). Делается это так: после записи аккомпанемента его воспроизводят, подавая сигнал на головные телефоны. В студии у микрофона располагается солист, который исполняет свою партию под аккомпанемент, прослушиваемый им через наушники. Запись солиста ведется на отдельный канал. Потом каналы с записями аккомпанемента и солиста микшируются (совмещаются при помощи микшера), звукорежиссер подбирает и регулирует соотношения уровней между каналами. Суммарный сигнал представляет собой законченную фонограмму полного произведения.

Запись аккомпанемента, в свою очередь, может быть сделана таким же методом: на отдельный канал записывается каждая группа исполнителей или даже каждый инструмент из ансамбля.

Многоканальная запись облегчает работу исполнителей, сокращает число репетиций и записываемых дублей.

Такой метод записи дает возможность наиболее выгодным образом расположить микрофоны для каждого исполнителя или группы исполнителей, не заботясь об их акустическом разделении и о том влиянии, которое могли бы оказать эти микрофоны на звучание других исполнителей.

Применение многоканальной последовательной, поочередной записи отдельных групп инструментов или исполнителей дает возможность использовать многочисленные звуковые трюки, часто весьма эффектные. Например, запись дуэта, в котором партии обоих голосов исполняются одним и тем же певцом; запись какого-либо музыкального инструмента в несвойственном ему регистре и т. д.

Для многоканальной записи используются либо особые многодорожечные магнитофоны, либо специальное программное обеспечение, если запись ведется в цифровом виде на компьютер, звуковую рабочую станцию или цифровой магнитофон. Такое оборудование позволяет записать музыкальный ансамбль по частям, каждую группу исполнителей (или каждый инструмент) – на отдельный канал записи. Затем при воспроизведении сигналы всех каналов микшируются для получения окончательной однодорожечной (моно) или двухдорожечной стереофонической фонограммы.

Первые профессиональные многодорожечные магнитофоны появились в семидесятые годы и произвели подлинную революцию в методах записи и обработки музыкальных произведений с большим числом исполнителей. Благодаря им представилась возможность записывать отдельно инструменты и инструментальные группы больших симфонических оркестров, вокалистов и т. п.

При многоканальной параллельной записи все группы исполнителей записываются одновременно, каждая на свой канал. Исполнители и микрофоны должны быть расположены так, чтобы микрофон каждого канала воспринимал звуки в основном только от своей группы исполнителей. Когда запись закончена, включается воспроизведение и выполняется микширование (сведение) сигналов всех каналов в один канал (для монофонической записи) или два канала (для стереофонической записи). Такой способ применяется в основном при записи больших музыкальных коллективов.

Чтобы звучание всех партий, записанных в разное время на разных каналах, совпало и при этом точно соблюдался ритмический рисунок произведения, всем исполнителям на головные телефоны для синхронизации подается записанный ранее сигнал ритмической партии. Для следующей группы исполнителей будут воспроизводиться уже записанные партии и т. д. Распределение исполнителей по группам зависит прежде всего от характера и инструментовки произведения, а также от акустических характеристик студии. Поэтому для каждого конкретного случая звукорежиссер подбирает свои условия записи. Дальнейшее сведение и монтаж производятся так же, как и при методе параллельной записи.

Для подобного рода записи на компьютере должна быть установлена такая звуковая карта, которая позволяла бы одновременно осуществлять запись и воспроизведение (обеспечивала бы полный дуплексный режим) для того, чтобы непосредственно при записи следующего канала можно было воспроизводить ранее записанные каналы.

Нелинейная система монтажа в программе Samplitude 2496 (последняя к моменту написания книги известная автору версия была 5.05) воплощена в концепции так называемого Virtual project (Виртуальный проект), или VIP. Это по сути многоканальный магнитофон с расширенными функциями редактирования каждого канала в отдельности и всей записи в целом. Все операции вырезки, изменения уровня громкости, наложения и замещения звука, введения эффектов и пр. полностью виртуальны. Это означает, что исходный звуковой материал при любых экспериментах не разрушается. Рассмотрим подробнее эту технологию.

Для начала вы создаете новый виртуальный проект: выполняете команду New Multitrack Project (Новый многоканальный проект) из меню File (Файл), которая откроет доступ к окну Setup for new VIP (Установки нового виртуального проекта), показанному на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Окно установок нового виртуального проекта в программе Samplitude 2496

Здесь определяются настройки проекта, которые надо сделать сразу.

Track Number (Число каналов). В зависимости от версии программы: для Samplitude Studio и Samplitude 2496 – без ограничений; для Samplitude Pro – максимум 8; для Red Roaster 24 – 2. Одноканальные проекты еще называют CD Projects (Проекты компакт-диска). Файлы в таком проекте располагаются последовательно, как и на компакт-диске, с указанием интервалов пауз между ними при помощи операции Set Pause Time (Установка интервала паузы) в меню CD.

Sample Rate (Частота дискретизации). Допустимые значения: 22050, 32000, 44100, 48000, 88200 и 96000.

Name (Название). Задается произвольное имя файла, в котором будет сохранен проект.

Default VIP Length (Длительность проекта по умолчанию). Допустимые значения: 1 мин, 10 мин или 60 мин.

Grid (Сетка). Если опция помечена, в окне виртуального проекта будет отображена масштабная сетка, тип которой определяется секцией Units of Measurement.

Units of Measurement (Единицы измерения). Выберите один из шести типов: Samples (Выборки), Milliseconds (Миллисекунды), SMPTE 24 Frames (Формат SMPTE 24 кадра), SMPTE 25 Frames, SMPTE 30 Frames, Bars/Beats (Такты/Длительности).

Fix Vertically (Фиксировать по вертикали). Если помечена эта опция, диапазоны (то есть фрагменты) в звуковом проекте можно будет выделить только по горизонтали (по всей высоте канала).

Snap to Objects (Привязка объектов). Активизируется объектная сетка. Объекты будут точно соотнесены, синхронизированы друг с другом.

Lock Recorded Objects (Блокировать записанные объекты). Записанные объекты немедленно, как только они размещены в канале виртуального проекта, блокируются. Это предотвращает случайное удаление или перемещение и особенно важно для многоканальных проектов.

Сделав настройки, нажмите кнопку OK, после чего будет открыто окно нового проекта, вид которого представлен на рис. 1.2 (в варианте с масштабной сеткой).

Рис. 1.2. Окно нового виртуального проекта

Окно разделено по вертикали на однотипные каналы, в правой части каждого канала будет размещена волновая форма, в левой части находятся органы управления. Назначение кнопок следующее:

? – Справка. Открывает информацию о канале или диалоговое окно реквизитов (правой кнопкой мыши), которые позволяют ввести имя канала, выбрать устройства для записи и воспроизведения, а также выполнить массу настроек, общих для всех каналов фонограммы.

M (Mute) – Приглушить. Отключаются соответствующие каналы. Если же нажать правую кнопку мыши, для выбора выводится список устройств воспроизведения.

S (Solo) – Соло. Если кнопка активна, воспроизводится только один канал (даже если нажата кнопка Mute).

L (Lock) – Блокировать. Редактирование канала не допускается.

V (Volume) – Громкость. Активизирует кривую автоматизации громкости.

P (Panorama) – Панорама. Активизирует кривую автоматизации панорамы.

R (Record) – Запись. Подготавливает канал для записи. Нажав здесь правую кнопку мыши, можно выбрать в контекстном меню устройство записи.

Multi-Card Mode (Режим поддержки нескольких звуковых карт). Эта кнопка активизирует воспроизведение через несколько аудиовыходов. В данном режиме виртуальный проект не воспроизводится больше через устройство, определенное в системе, а использует устройства, назначенные каждому индивидуальному каналу. Обратите внимание, что в режиме Multi-Card секция Master в окне Mixer (Микшер) недоступна.

Восемь кнопок в нижней левой части окна виртуального проекта позволяют сохранить до четырех общих установок (S1 … S4), включая масштаб изображения, позицию окна и его режим, и до четырех установок масштаба (Z1 … Z4). Чтобы сохранить установку, удерживайте клавишу Shift и нажмите одну из кнопок. Чтобы выбрать сохраненную установку, щелкните по кнопке, не нажимая клавишу Shift.

Создав виртуальный проект, можно выполнить поканальную запись. Кроме того, в любой канал можно интегрировать предварительно сделанные WAV-файлы. Для такой интеграции предусмотрены два метода.

Загрузка звукового файла в виртуальный проект

Отметьте диапазон в проекте VIP и загрузите WAV-файл командами из меню File Open WAV Project. Файл вставляется с начала выбранного диапазона как объект. Диапазон также обозначает канал, в который вставляется WAV-файл.

Исключением из этой методики является CD VIP (одноканальный проект). Объекты, созданные путем вставки WAV-файлов в такой проект, выстраиваются в единую последовательность, независимо от того, какой диапазон выбран. Интервал между объектами определен установкой длительности паузы в меню CD Set Pause Time.

Другой способ загрузки WAV-файлов в проект – из меню Tools по команде Explore the HD-Wave (HDP) directory открыть Explorer (Проводник) Windows и перетащить мышью в соответствующие каналы нужные файлы. При этом программа автоматически создает объекты.

Программа SAW Plus 32 (Software Audio Workshop) для Windows (последняя на момент сдачи книги доступная автору версия была 2.5) также предоставляет возможность работы с многоканальным звуковым материалом. Она подходит для любой звуковой платы. Для ее функционирования не нужно никакого специального аппаратного обеспечения. Число воспроизводимых дорожек зависит в основном от скорости обмена информацией с жестким диском. Программа позволяет редактировать до ста звуковых файлов сразу, при этом можно воспроизводить до 24 стерео– или моноканалов.

Для многоканальной записи используется окно MultiTrack View, вид которого представлен на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Окно MultiTrack View в программе SAW Plus 32

По вертикали в окне располагаются каналы, правая часть каждого канала предназначена для размещения волновой формы звуковых файлов, в левой части находятся органы управления. Назначение кнопок следующее.

Крайняя кнопка слева – номер канала. Нажав ее, вы выбираете соответствующий канал для манипуляций. Кнопка SOLO служит для включения на воспроизведение единственного канала. Кнопка MUTE, наоборот, отключает воспроизведение одного соответствующего канала. Справа от MUTE находится кнопка управления громкостью. После ее нажатия станет доступен укрупненный ползунковый регулятор, показанный на рис. 1.4. Минимальный шаг регулятора – 0,25 дБ.

Рис. 1.4. Регулятор громкости в SAW Plus 32

Правее кнопки регулятора громкости находится одна или несколько кнопок OUT (Выход). С помощью этой кнопки осуществляется выбор звуковой карты. Щелкнув по ней, вы получите доступ к списку звуковых карт, из которых можно выбрать необходимую. Если при этом удерживать нажатой клавишу Ctrl, выходы всех каналов будут назначены на выбранную звуковую карту.

Далее находится кнопка FX, которая служит для подключения различных эффектов.

Кнопка REC – крайняя справа в блоке регуляторов – дает возможность после необходимых настроек вести запись в канал.

Для загрузки WAV-файла выполните команду Open SoundFile (Открыть звуковой файл) из меню File. Выбранный файл будет загружаться не в окне MultiTrack View, а в окне SoundFile View, показанном на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Окно SoundFile View

Затем требуется выделить фрагмент, который и будет загружен в канал. Установите курсор в начало фрагмента, нажмите кнопку MRK BEG (Пометить начало); установите курсор в конец фрагмента, нажмите кнопку MRK END (Пометить конец). Выделение произведено. В терминологии SAW Plus такие фрагменты называются Regions (Регионы). Для переноса выделенных регионов в канал служит специальное окно Regions View. Поэтому сначала фрагмент надо поместить именно туда. Для этого служат команды из меню Regions. В данном случае выполним команду Create New Region (Создать новый регион). Выделим еще один фрагмент и тоже поместим его в список регионов. Окно Regions View примет вид, показанный на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Окно Regions View со списком фрагментов

Если требуется поместить в список выделенных регионов файл полностью, можно поступить проще. Выполните команду Open SoundFile And Create Region (Открыть звуковой файл и создать регион) из меню File. Файл будет открыт в окне SoundFile View и сразу помещен в список Regions View.

Теперь для загрузки фрагментов в канал вам надо сделать следующее. В окне MultiTrack View пометьте канал, в который будет добавлен звуковой фрагмент. В окне Regions View установите курсор на очередном фрагменте. Нажмите кнопку ADD to MT (Добавить в окно каналов MultiTrack View) и перейдите к следующему фрагменту (региону).

Для правильного понимания проблем обработки звука необходимо различать первичные и вторичные акустические сигналы. К первичным относятся сигналы, создаваемые музыкальными инструментами, пение, речь, а также шумовые сигналы и т. п. В рамках этой книги фонограмму мы тоже рассматриваем как первичный акустический сигнал, который будем называть исходным сигналом. Ко вторичным относятся сигналы, воспроизводимые электроакустическими устройствами, то есть первичные акустические сигналы, прошедшие по электроакустическим трактам.

К параметрам, определяющим акустические сигналы, относятся значения уровня в частотном и временном представлениях, средние значения уровней, динамический диапазон, форма спектра и занимаемая полоса частот, а также время корреляции.

Слушатель всегда имеет собственное представление о «хорошем звуке», сформированное личным опытом, и оценивает звучание по многим субъективным критериям. Поэтому, говоря о свойствах звука, необходимо определить также критерии оценки, согласованные с субъективным восприятием звука.

Рассмотрим основные понятия, определяющие первичный акустический сигнал.

Динамический диапазон и уровни

Уровень акустического сигнала непрерывно изменяется во времени. Интервал таких изменений может быть довольно широким. На рис. 1.7 показана возможная зависимость уровня сигнала от времени.

Рис. 1.7. Зависимость уровня сигнала от времени: L – уровень сигнала; t – время; T – длительность сигнала; D – динамический диапазон

Разность между максимальным и минимальным уровнями (по мощности) называют динамическим диапазоном. Обычно единицей измерения динамических диапазонов является децибел (дБ). Диапазон в децибелах определяют как 20 десятичных логарифмов от квадрата максимального размаха (разности уровней) сигнала.

Сама по себе громкость звука определяется только как субъективный параметр. Но на практике уровни громкости также измеряют в децибелах.

Динамические диапазоны разных акустических сигналов существенно различаются. Некоторые из них приведены в табл. 1.1.

Следует различать динамические диапазоны первичного акустического сигнала и электроакустического тракта.

Частотный диапазон и спектры

Спектры акустических сигналов (форма и относительные мощности отдельных компонентов, полоса частот) для разных источников звука сильно отличаются. Любой сигнал можно представить в виде значений его уровня в любой момент времени. Такое представление называют импульсным. Другая форма представления сигнала – частотная. В этом случае сигнал изображают непрерывной совокупностью гармонических колебаний. Спектр звукового сигнала – это совокупность звуковых гармонических колебаний. Формально определением спектра является специальное интегральное преобразование, выполняемое на бесконечно большом отрезке времени. На практике временные интервалы, на которых определяют спектры сигналов, ограничены, но они все же должны быть намного больше обратного значения возможной полосы частот сигнала.

Зависимость амплитуды гармонического сигнала от частоты называют частотной характеристикой. Частотные характеристики реальных сигналов с ростом частоты спадают. Под полосой частот сигнала понимают тот интервал, где уровень частотных компонентов превышает некоторое заданное значение, например -60 дБ. За пределами этого интервала значения уровня частотных составляющих принимаются за 0.

К временным (импульсным) характеристикам относятся волновая форма сигнала и время корреляции. Корреляция – это достаточно сложный и важный параметр, заимствованный из теории вероятности. Дело в том, что любой несущий информацию сигнал следует рассматривать как случайный процесс. Белым шумом называют такой случайный сигнал, в котором все последующие значения уровня никак не зависят от предыдущих. Белый шум имеет нулевое среднее значение размаха сигнала и бесконечно широкий спектр. Реальные сигналы отличаются от белого шума тем, что последующие значения зависят от предыдущих. Такая зависимость и называется корреляцией, а среднее значение интервала времени, в пределах которого эта зависимость сохраняется, называется временем корреляции. Время корреляции, в частности, важно учитывать потому, что оно определяет время взаимодействия (интерференции) с отраженными сигналами, а следовательно, и интенсивность интерференционных помех.

Волновая форма сигнала дает возможность определить резкие переходы интенсивности звукового сигнала.

Возможны самые разнообразные нарушения точности передачи сигнала через электроакустические тракты. Основные из них: потеря акустической перспективы, смещение уровней, ограничение динамического и частотного диапазонов сигнала, помехи и искажения. Поэтому основной задачей электроакустических систем, в частности систем обработки звука, является максимальное достижение идентичности характеристик первичных и вторичных акустических сигналов. Совершенно очевидно, что для этого необходима обширная гамма средств, конкретно воздействующих на тот или иной параметр акустического сигнала.

Первичный акустический сигнал обладает широким спектром, и для его правильной передачи электроакустический тракт должен иметь достаточно широкий частотный диапазон. Системы обработки звука при этом должны соответственно работать во всем диапазоне.

Время реверберации

Время реверберации определяется как время, за которое после отключения источника сигнала звук в помещении, затухая, ослабнет в 1000 раз, то есть на 60 дБ. При превышении некоторых предельных значений этой величины снижаются разборчивость речи и «прозрачность» музыки (для речи – около 1,2 с, для музыки – 2 с).

Следует различать ранние и поздние отражения. Граница между ними лежит вблизи 50 мс для речи и 80 мс для музыки от момента прихода прямого звука.

При обработке звука необходимо учитывать, что в помещении время реверберации имеет частотную зависимость, то есть оказывает влияние на тембровую окраску звучания.

Субъективные критерии оценки звучания

Специфическая особенность всех процессов обработки звука заключается в том, что обязательным (если не важнейшим) его этапом является субъективная оценка качества звучания. Это, в свою очередь, обусловлено тем, что используемый в настоящее время набор объективных параметров – диапазон частот, неравномерность амплитудно-частотной характеристики, уровень нелинейных искажений и др. (хотя он постоянно расширяется и обновляется) – неоднозначно определяет «слуховой образ», воспринимаемый слушателем.

Поэтому субъективная экспертиза является обязательной процедурой на всех этапах записи и обработки звука, а также служит главным критерием оценки полученного результата.

Результаты оценки качества звучания зависят от многих факторов, таких как параметры помещения прослушивания, выбор тестовых программ, отбор и тренировка экспертов, метод выбора оценок и обработки результатов и т. д.

Если для речи важнейшим параметром является ее разборчивость (артикуляция) и степень зависимости от уровня громкости и посторонних шумов, то для музыки высокое качество звучания определяется факторами, которые в определенной степени могут быть охарактеризованы с помощью понятий уровня громкости, прозрачности, пространственного впечатления, тембровой окраски звучания, баланса и подобных субъективных критериев.

Для речи существует один субъективный критерий качества звучания – хорошая слоговая разборчивость (артикуляция). Следует различать чисто информативную речь – доклад, объявление и т. п. – и речь художественную, имеющую определенное эстетическое содержание в первую очередь благодаря интонации. Во втором случае для оценки качества звука только разборчивости недостаточно. Для художественной речи критерии качества ее звучания такие же, как и для музыки. Разборчивость зависит от уровней громкости полезного сигнала и шума, а также от акустических свойств помещения (ранних отражений и реверберации).

Отзвуком называют сохраняющийся после внезапного умолкания источника звукового сигнала и ослабевающий со временем звук, обусловленный последовательностью повторяющихся отражений, и связанное с этим явлением постепенное стихание звукового сигнала.

Длительность отзвука – это время, в течение которого отзвук еще слышен. Длительность отзвука зависит от времени реверберации (свойств акустики помещения), уровня звукового сигнала, уровня помех, а также от порога слуха и частоты сигнала.

Под прозрачностью обычно понимают различимость одновременно звучащих тонов и инструментов, несмотря на налагающийся отзвук помещения. Отметим, что временная граница для полезных с точки зрения прозрачности и пространственного впечатления первых отражений и отзвука помещения, определяющего его гулкость (сумма поздних отражений), составляет около 80 мс.

Пространственное впечатление возникает из слухового восприятия в частично или полностью закрытом пространстве. Пространственное впечатление складывается из ряда составляющих:

• ощущение, что слушатель находится в одном помещении с источником звука;

• представление о размерах помещения;

• гулкость;

• пространственность.

Пространственное впечатление основывается на сознательном различении отраженного и прямого звуковых сигналов.

Гулкостью называют такое ощущение, что кроме прямого звука имеется и отраженный звук, воспринимаемый не как повторение сигнала. В больших помещениях гулкость зависит от отношения поздней энергии отзвука к ранней. К ранней относится энергия прямого звука и отражений, которые при звучании речи приходят примерно за первые 50 мс, а при звучании музыки – за 80 мс после прихода прямого звука.

Эхом называют такие повторения звукового сигнала, при которых первичный и вторичный сигналы воспринимаются во времени, а в некоторых случаях и в пространстве, как самостоятельные слуховые объекты. Если повторение сигнала обусловлено отражениями, то для раздельного его восприятия необходимое время запаздывания – около 50 мс, в зависимости от вида сигнала. В тех случаях, когда периодические повторения сигнала следуют так быстро друг за другом, что уже не воспринимаются слухом как отдельные сигналы, говорят о многократном эхе.