VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Цифровой звук открывает поистине необъятные возможности. Если раньше звуковые и радио студии размещались на нескольких десятках квадратных метров, то теперь их может заменить хороший компьютер, который по возможностям превосходит десять таких студий вместе взятых, а по стоимости оказывается многократно дешевле одной. Это снимает многие финансовые барьеры и делает звукозапись более доступной и профессионалу и простому любителю. Современное программное обеспечение позволяет делать со звуком все что угодно. Раньше различные эффекты звучания достигались с помощью хитроумных приспособлений, которые не всегда являли собой верх технической мысли или же были просто устройствами кустарного изготовления. Сегодня, самые сложные и просто невообразимые раньше эффекты достигаются путем нажатия пары кнопок. Конечно, вышесказанное несколько утрировано и компьютер не заменяет человека – звукооператора, режиссера или монтажера, однако с уверенностью можно сказать, что компактность, мобильность, колоссальная мощность и обеспечиваемое качество современной цифровой техники, предназначенной для обработки звука, уже сегодня почти полностью вытеснило из студий старую аналоговую аппаратуру.

С точки зрения обычного пользователя выгоды много - компактность современных носителей информации позволяет перевести все диски и пластинки в цифровое представление и сохранить на долгие годы на небольшом трехдюймовом винчестере или на десятке-другом компакт дисков; можно воспользоваться специальным программным обеспечением и хорошенько «почистить» старые записи с бобин и пластинок, удалив из их звучания шумы и треск; можно также не просто скорректировать звучание, но и приукрасить его, добавить сочности, объемности, восстановить частоты. Интернет тоже приходит на помощь аудио-любителю - сеть позволяет людям обмениваться музыкой, прослушивать сотни тысяч различных Интернет-радио станций, а также демонстрировать свое звуковое творчество публике, и для этого нужен всего лишь компьютер и Интернет. В последнее время появилась огромная масса различной портативной цифровой аудио аппаратуры, возможности даже самого среднего представителя которой зачастую позволяют с легкостью взять с собой в дорогу коллекцию музыки, равную по длительности звучания десяткам часов.

Конечно, цифровая техника тоже имеет свои недостатки. Многие отмечают, что аналоговый звук слушался живее. И это не просто дань прошлому - процесс оцифровки вносит определенную погрешность в звучание, кроме того, различная усиливающая цифровая аппаратура привносит так называемые «транзисторные шумы» и другие специфические искажения. Термину «транзисторный шум», нет точного определения, но можно сказать, что это хаотичные колебания в области высоких частот. Не смотря на то, что слуховой аппарат человека способен воспринимать частоты до 20 кГц, похоже, все-таки, человеческий мозг улавливает и более высокие частоты. И именно на подсознательном уровне человек все же ощущает аналоговое звучание чище, чем цифровое.

«Обычный» аналоговый звук представляется в аналоговой аппаратуре непрерывным электрическим сигналом. Компьютер оперирует с данными в цифровом виде. Это означает, что и звук в компьютере представляется в цифровом виде.

Цифровой звук – это способ представления электрического сигнала посредством дискретных численных значений его амплитуды; оцифровка сигнала включает в себя два процесса - процесс дискретизации (осуществление выборки) и процесс квантования. Процесс дискретизации - это процесс получения значений величин преобразуемого сигнала в определенные промежутки времени. Оцифровка – это фиксация амплитуды сигнала через определенные промежутки времени и регистрация полученных значений амплитуды в виде округленных цифровых значений (так как значения амплитуды являются величиной непрерывной, нет возможности конечным числом записать точное значение амплитуды сигнала, именно поэтому прибегают к округлению). Записанные значения амплитуды сигнала называются отсчетами. Очевидно, что чем чаще мы будем делать замеры амплитуды (чем выше частота дискретизации) и чем меньше мы будем округлять полученные значения (чем больше уровней квантования), тем более точное представление сигнала в цифровой форме мы получим. Оцифрованный сигнал в виде набора последовательных значений амплитуды можно сохранить.

Квантование - процесс замены реальных значений сигнала приближенными с определенной точностью.

Под обработкой звука следует понимать различные преобразования звуковой информации с целью изменения каких-то характеристик звучания. К обработке звука относятся способы создания различных звуковых эффектов, фильтрация, а также методы очистки звука от нежелательных шумов, изменения тембра и т.д. Все это огромное множество преобразований сводится, в конечном счете, к следующим основным типам:

1. Амплитудные преобразования. Выполняются над амплитудой сигнала и приводят к ее усилению/ослаблению или изменению по какому-либо закону на определенных участках сигнала;

2. Частотные преобразования. Выполняются над частотными составляющими звука: сигнал представляется в виде спектра частот через определенные промежутки времени, производится обработка необходимых частотных составляющих, например, фильтрация, и обратное «сворачивание» сигнала из спектра в волну;

3. Фазовые преобразования. Сдвиг фазы сигнала тем или иным способом; например, такие преобразования стерео сигнала, позволяют реализовать эффект вращения или «объёмности» звука;

4. Временные преобразования. Реализуются путем наложения, растягивания/сжатия сигналов; позволяют создать, например, эффекты эха или хора, а также повлиять на пространственные характеристики звука.

Обсуждение каждого из названных типов преобразований может стать целым научным трудом. Стоит привести несколько практических примеров использования указанных видов преобразований при создании реальных звуковых эффектов:

Echo (эхо) Реализуется с помощью временных преобразований. Фактически для получения эха необходимо на оригинальный входной сигнал наложить его задержанную во времени копию. Для того, чтобы человеческое ухо воспринимало вторую копию сигнала как повторение, а не как отзвук основного сигнала, необходимо время задержки установить равным примерно 50 мс. На основной сигнал можно наложить не одну его копию, а несколько, что позволит на выходе получить эффект многократного повторения звука (многоголосного эха). Чтобы эхо казалось затухающим, необходимо на исходный сигнал накладывать не просто задержанные копии сигнала, а приглушенные по амплитуде.

Reverberation (повторение, отражение). Эффект заключается в придании звучанию объемности, характерной для большого зала, где каждый звук порождает соответствующий, медленно угасающий отзвук. Практически, с помощью реверберации можно «оживить», например, фонограмму, сделанную в заглушенном помещении. От эффекта «эхо» реверберация отличается тем, что на входной сигнал накладывается задержанный во времени выходной сигнал, а не задержанная копия входного. Иными словами, блок реверберации упрощенно представляет собой петлю, где выход блока подключен к его входу, таким образом уже обработанный сигнал каждый цикл снова подается на вход смешиваясь с оригинальным сигналом.

Chorus (хор). В результате его применения звучание сигнала превращается как бы в звучание хора или в одновременное звучание нескольких инструментов. Схема получения такого эффекта аналогична схеме создания эффекта эха с той лишь разницей, что задержанные копии входного сигнала подвергаются слабой частотной модуляции (в среднем от 0.1 до 5 Гц) перед смешиванием со входным сигналом. Увеличение количества голосов в хоре достигается путем добавления копий сигнала с различными временами задержки.

Безусловно, как и во всех других областях, в обработке сигналов также имеются проблемы, которые являются своего рода камнем преткновения. Так, например, при разложении сигналов в спектр частот существует принцип неопределенности, который невозможно преодолеть. Принцип гласит, что нельзя получить точную спектральную картину сигнала в конкретный момент времени: либо для получения более точной спектральной картины нужно проанализировать больший временной участок сигнала, либо, если нас интересует больше время, когда происходило то или иное изменение спектра, нужно пожертвовать точностью самого спектра. Иными словами нельзя получить точный спектр сигнала в точке - точный спектр для большого участка сигнала, либо очень приблизительный спектр, но для короткого участка.

Механизмы для обработки сигналов существуют как в программном, так и в аппаратном исполнениях (так называемые эффект-процессоры). Например, вокодеры и гитарные процессоры, хорусы и ревербераторы существуют в виде аппаратуры, а также в виде программ. Практическую обработку сигналов можно разделить на два типа: обработка «на лету» и пост-обработка. Обработка «на лету» подразумевает мгновенное преобразование сигнала (то есть с возможностью осуществлять вывод обработанного сигнала почти одновременно с его вводом). Простой пример – гитарные «примочки» или реверберация во время живого исполнения на сцене. Такая обработка происходит мгновенно, то есть, скажем, исполнитель поет в микрофон, а эффект-процессор преобразует его голос и слушатель слышит уже обработанный вариант голоса. Пост-обработка – это обработка уже записанного сигнала. Скорость такой обработки может быть сильно ниже скорости воспроизведения. Такая обработка преследует те же цели, то есть придание звуку определенного характера, либо изменение характеристик, однако применяется на стадии мастеринга или подготовки звука к тиражированию, когда не требуется спешка, а важнее качество и скрупулезная проработка всех нюансов звучания. Существует множество различных операций над звуком, которые вследствие недостаточной производительности сегодняшних процессоров нельзя реализовать «на лету», поэтому такие преобразования проводят лишь в пост-режиме.

Обработка сигнала – это сложная и, главное, ресурсоемкая процедура. Она сравнительно недавно стала проводиться в цифровых устройствах – раньше различные эффекты звучания и другие достигались путем обработки звука в аналоговых приборах. В аналоговой аппаратуре звук в виде электрических колебаний проходит через различные тракты (блоки электрических элементов), чем достигается изменение фазы, спектра и амплитуды сигнала. Однако такой способ обработки имеет массу недостатков. Во-первых, страдает качество обработки, ведь каждый аналоговый элемент имеет свою погрешность, а несколько десятков элементов могут критически повлиять на точность и качество желаемого результата. А во-вторых, почти каждый отдельный эффект достигается путем использования отдельного устройства, когда каждое такое устройство может стоить очень дорого. Возможность же использования цифровых устройств имеет неоспоримые преимущества. Качество обработки сигналов в них намного меньше зависит от качества аппаратуры, главное – это качественно оцифровать звук и иметь возможность качественно его воспроизводить, и тогда качество обработки ложится уже только на программный механизм. Кроме того, для различных манипуляций со звуком не требуется постоянная смена оборудования. И, самое главное, поскольку обработка ведется программным путем, для нее открываются просто невероятные возможности, которые ограничены лишь мощностью компьютеров (а она увеличивается с каждым днем) и фантазией человека. Однако, (по крайней мере сегодня) здесь имеются и свои неприятности. Так, например, часто, даже для осуществления несложной обработки сигнала необходимо осуществить его разложение в спектр частот. В этом случае обработка сигнала на лету может быть затруднена именно из-за ресурсоемкости этапа разложения. Поэтому преобразования, требующие спектрального разложения, выполняют чаще в пост-режиме.

Для хранения цифрового звука существует много различных способов. Оцифрованный звук являет собой набор значений амплитуды сигнала, взятых через определенные промежутки времени. Таким образом, во-первых, блок оцифрованной аудио информации можно записать в файл «как есть», то есть последовательностью чисел (значений амплитуды). В этом случае существуют два способа хранения информации.

Можно сжать или упростить данные так, чтобы они занимали меньший объем памяти, нежели будучи записанными «как есть». Тут тоже имеются два пути.

Кодирование данных без потерь - это способ кодирования аудио, который позволяет осуществлять стопроцентное восстановление данных из сжатого потока. К такому способу уплотнения данных прибегают в тех случаях, когда сохранение оригинального качества данных критично. Например, после сведения звука в студии звукозаписи, данные необходимо сохранить в архиве в оригинальном качестве для возможного последующего использования. Существующие сегодня алгоритмы кодирования без потерь (например, Monkeys Audio) позволяют сократить занимаемый данными объем на 20-50%, но при этом обеспечить стопроцентное восстановление оригинальных данных из полученных после сжатия. Подобные кодеры – это своего рода архиваторы данных (как ZIP, RAR и другие), только предназначенные для сжатия именно аудио.

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.

Перспективы развития и использования цифрового аудио видятся очень широкими. Казалось бы, все, что можно было сделать в этой области, уже сделано. Однако это не так. Остается масса еще совсем незатронутых проблем.

Например, область распознавания речи еще очень не развита. Давно уже делались и делаются попытки создать программное обеспечение, способное качественно распознавать речь человека, однако все они пока не приводят к желаемому результату. А ведь долгожданный прорыв в этой области мог бы неимоверно упростить ввод информации в компьютер. Только представьте себе, что вместо набора текста его можно было бы просто надиктовывать, попивая кофе где-нибудь неподалеку от компьютера. Имеется множество программ якобы способных предоставить такую возможность, однако все они не универсальны и сбиваются при незначительном отклонении голоса читающего от заданного тона. Такая работа приносит не столько удобств, сколько огорчений. Еще куда более сложной задачей (вполне возможно, что и неразрешимой вовсе) является распознавание общих звуков, например, звучания скрипки в звуках оркестра или выделение партии рояля. Можно надеяться, что когда-нибудь такое станет возможным, ведь человеческий мозг легко справляется с такими задачами, однако сегодня говорить о хотя бы малейших сдвигах в этой области рано.

В области синтеза звука также есть пространство для изучения. Способов синтеза звука сегодня существует несколько, однако ни один из них не дает возможности синтезировать звук, который нельзя было бы отличить от настоящего. Если, скажем, звуки рояля или тромбона еще более-менее поддаются реализации, до правдоподобного звучания саксофона или электрогитары добиться еще так и не смогли – существует масса нюансов звучания, которые почти невозможно воссоздать искусственно.

Таким образом, можно смело сказать, что в области обработки, создания и синтеза звука и музыки еще очень далеко до того решающего слова, которое поставит точку на развитии этой отрасли человеческой деятельности.