Александр Загуменнов - Компьютерная обработка звука

Отношение сигнал/шум на выходе N-разрядного АЦП в идеальном случае равно (6N-6) дБ, поскольку существует неустранимая погрешность квантования (так называемый шум квантования) равная половине разности между соседними уровнями квантования, что эквивалентно потере 6 дБ в отношении сигнал/шум. Повышение частоты преобразования существенно снижает интермодуляционные искажения, обусловленные наложением спектров – aliasing (совмещение, алиазинг), – и повышает достоверность восстановления аналогового сигнала. Реальный музыкальный сигнал далек от белого шума (близок к розовому – шуму дождя, прибоя, ветра – то есть шуму, плотность которого спадает с ростом частоты), но шум квантования не зависит от сигнала, если число уровней квантования неизменно и распределение их равномерно. Другое дело – погрешность преобразования, которая действительно зависит от амплитуды и частоты входного сигнала и выражается в реальных нелинейных и интермодуляционных искажениях, то есть паразитных спектральных составляющих.

На слух такие ошибки воспринимаются как «зернистость» во фрагментах записи с низким уровнем сигнала. При этом возникает ощущение «грязного» звука. Оно же появляется при изменении разрядности записи, например когда 20-разрядную запись приводят к 16-разрядной или последнюю – к 8-разрядной.

В таких случаях для уменьшения ошибок квантования в цифровых записях применяется дизеринг. Дизеринг (dithering – размывание) представляет собой подмешивание в исходный сигнал (в цифровой форме) псевдослучайного шума со специально подобранным спектром. В результате наиболее заметные (для человеческого слуха) паразитные спектральные составляющие перемещаются из среднечастотной (3–5 кГц) в высокочастотную область (15–17 кГц).

Другими словами, метод дизеринга заключается в добавлении при крайне низком уровне сигнала специального вида шума, обычно высокочастотного. Это приводит к независимости шумов квантования и сигнала, однако общий уровень шумов немного возрастает. Действительно, добавленный шум может восприниматься на слух как постоянное шипение. Однако это едва ощутимо и намного «приятнее» на слух, чем искажения, появляющиеся при отбрасывании младших разрядов.

В результате обработки сигнала с применением дизеринга к нему добавляется шум квантования. Его спектр равномерен и занимает полосу от 0 Гц до половины частоты дискретизации. Равномерность по частоте и некоррелированность шума с сигналом достигается благодаря дизерингу, а также правилу квантования, согласно которому амплитуда в отсчете округляется до ближайшей опорной величины. Применение более сложных правил округления позволяет получить другие (неравномерные) спектральные характеристики шумов округления при сохранении полной мощности шумов неизменной. Учитывая, что слух человека имеет спад чувствительности на высоких и на очень низких частотах, можно, используя специальные правила округления при квантовании, получить спектр шумов округления, большей частью сосредоточенный в области наименее заметных на слух частот. Следовательно, можно значительно увеличить отношение сигнал/шум в диапазоне слышимых частот в цифровом сигнале, не увеличивая количество битов на один отсчет.

Для этого формируется спектр шумов квантования, имеющий форму, обратную кривой чувствительности слухового аппарата человека. То есть там, где наш слух наиболее чувствителен к шумам, кривая спектра мощности шумов будет иметь минимум, и наоборот, там, где наш слух менее чувствителен к шуму, будет сосредоточен максимум шумов. Подобный метод называется нойс-шейпингом (noise-shaping – формирование шума).

Применяя такие методы обработки сигнала, можно достичь субъективно лучшего восприятия звука, хотя объективные измерения отношения сигнал/шум во всем частотном диапазоне могут показать ухудшение этого параметра за счет увеличения мощности высокочастотных шумов.

Операции редактирования можно условно разделить на четыре группы:

• простейшее редактирование;

• звуковые процессы;

• звуковые эффекты;

• дополнительные инструменты.

К группе простейшего редактирования относят операции, которые не затрагивают внутренней структуры звука, то есть не изменяют его акустических, частотных характеристик и пр.

Большинство из них используют буфер обмена, который представляет собой временную область для хранения. Буфер обмена может применяться также для перемещения данных из одного окна в другое.

Чаще всего используются операции, перечисленные ниже.

Cut(Отрезать). Выделенная часть данных удаляется из звуковой волны и копируется в буфер обмена.

Clear/Delete(Очистить/Удалить). Выделенный фрагмент данных удаляется без копирования в буфер обмена.

Trim/Crop(Вырезать/Обрезать). Удаляются все данные из окна, за исключением выделенного фрагмента.

Copy(Копировать). Копируется выделенный фрагмент данных в буфер обмена.

Paste(Вставить). Вставляется содержимое буфера обмена в окно данных, начиная с текущей позиции курсора, или заменяется выделение.

Mix(Смешать). Смешивается содержимое буфера обмена с данными в окне, начиная с текущей позиции курсора или с начала выделения.

Crossfade(Плавно заместить). Данные в окне плавно замещаются содержимым буфера обмена, начиная с позиции курсора (громкость одного сигнала плавно затухает, а другого нарастает).

Технология выполнения описываемых операций в программе Samplitude 2496 несколько отличается. Для временного хранения используется не отвлеченный буфер обмена, а две конкретные области: Clipдля аудиоданных из Wave Projects(Волновые проекты) и VirtClipдля Virtual Projects(Виртуальные проекты).

Clip – это область памяти для хранения выборок из Wave projects, которые копируются из окна волнового проекта и могут быть вставлены в тот же самый или в другой волновой проект. Кроме того, содержимое Clip может также быть смешано с содержимым окна другого волнового проекта. Clip всегда создается с атрибутами из проекта (разрядность в битах, частота дискретизации, моно/стерео режим, левый/правый канал) и представлен на экране окном, которое содержит слово «Clip» в своем названии и вид которого продемонстрирован на рис. 1.8. Другими словами, Clip выглядит как любой другой проект, который можно воспроизвести, редактировать и сохранить с любым именем.

Рис. 1.8. Окно Clip со скопированными аудиоданными в программе Samplitude 2496

В то время как Clip служит для пересылки звукового материала между окнами волновых проектов, VirtClip делает то же самое с данными из виртуальных проектов. На рис. 1.9 показано окно VirtClip со скопированными аудиоданными.