Реферат по теме выпускной работы
Содержание
- Введение
- 1. Актуальность темы
- 2. Что такое звуковые эффекты?
- 3. Методы преобразований звука
- 3.1 Передискретизация
- 3.2 Децимация
- 3.3 Интерполяция с целым коэффициентом
- 3.4 Передискретизация с помощью полифазных фильтров
- Список источников
Введение
Технический прогресс вычислительных машин принес с собой цифровые технологии обработки и синтеза звука. Таким образом были усовершенствованы старые методы звукового синтеза и принципы обработки, а также было изобретено много новых.
Целью данной работы является нахождение и анализ алгоритма компьютерного преобразования одномерного сигнала (звука), который бы отличался от предыдущих исследований.
1. Актуальность темы
Технологии управление параметрами компьютерного преобразования звука могут использоваться не только при обработке музыкальных произведений или музыкальных записей, но и при воспроизведении речевого материала, например, для снижения монотонности при прослушивании длительных фрагментов.
2. Что такое звуковые эффекты?
Звуковой эффект (англ. Sound effect или англ. audio effect) — искусственно созданный или усиленный звук, или обработка звука, применяемый для подчеркивания художественного или иного содержания в кино, видео играх, музыке или других медиа.
Технические эффекты
Типичными звуковыми эффектами, которые применяются при подготовке аудиоматериала являются:
- эхо – один или несколько задержанных сигналов, которые добавляются к оригинальному. Чтобы эффект воспринимался как эхо, задержка должна быть порядка 50 миллисекунд или более. Эффект может быть достигнут с помощью как аналоговой, так и цифровой обработки. Если значительное число задержанных сигналов воспроизводится в течение нескольких секунд, результирующий сигнал создает эффект присутствия в большом помещении и воспринимается как эффект реверберации.
- флэнжер (англ. flanger) – задержанный сигнал добавляется к оригинальному с переменной задержкой до 10 миллисекунд. Этот эффект достигается цифровой обработкой, хотя достигается воспроизведением той же самой записи записи на двух синхронизированных проигрывателях и последующим микшированием.
- фэйзер (англ. phaser) – сигнал раздваивается, часть его фильтруется фазовым фильтром для создания фазового сдвига, после чего фильтрованный и нефильтрованный сигналы смешиваются. Эффект фэйзера подобен эффекту фланжеру, однако трудно воспроизводим на аналоговой аппаратуре. Фэйзер используют для достижения «синтезации» или «электронизации» натуральных звуков, таких как человеческая речь.
- хорус (англ. chorus) – задержанный сигнал добавляется к оригинальному с постоянной задержкой. Задержка должна быть малой для избежания эффекта эхо, но больше 5 мс, в противном случае интерференция волны приведет к эффекту флэнжер. Часто задержанные сигналы чуть сдвигают по высоте для достижения более реалистичного эффекта ансамблевого звучания.
- эквалайзер (англ. equalization) – разные частотные полосы усиливаются или ослабляются для корректировки тембральных характеристик. Является разновидностью фильтрации звука. Сокращенно – EQ.
- фильтрация звука – процесс, использующий различные виды звуковых фильтров. Полосная фильтрация голоса может симулировать эффект разговора.
- овердрайв (англ. overdrive) эффект продуцирует искаженные звуки, может имитировать голос роботов или радиотелефонные сигналы. Классический овердрайв влечет к обрезке (clipping) сигнала, когда его абсолютная величина превышает определенный порог.
- Звуковысотное смещение (англ. pitch shift) повышает или понижает высоту звуковых сигналов. Этот эффект часто используется для коррекции пения поп-певцов, поющих фальшиво. Скорость воспроизведения (темп) при этом остается постоянным.
- Растяжение времени (англ. time stretching) – в отличие от звуковысотного сдвига, этот эффект изменяет скорость воспроизведения аудиосигнала (темп), не изменяя его высоты.
Синтезатор – искусственно создает практически все звуки, имитируя природные или создавая совершенно новые.
Модуляция – изменение параметров несущего сигнала (частоты, амплитуды и др.) при помощи управляющего (модулирующего) сигнала, в котором содержится информация об изменении [3].
Компрессия звука (англ. compression) – уменьшение амплитудного диапазона звука с целью предотвращения самопроизвольных колебаний динамики.
3. Методы преобразований звука
Дискретный сигнал получается из аналогового операцией дискретизации – взятием отсчетов (измерением) через интервал времени Т. В принципе возможна и цифровая обработка при неравномерной дискретизации по времени, однако эта тема куда менее разработана математически и, по-видимому, представляет не столь большой практический интерес. При этой операции представляется возможной потеря информации, заключенной в значениях сигнала в интервалах между отсчетами. Условия, при которых осуществимо восстановление аналогового сигнала по полученному из него цифровому, то есть сохранение всей исходно содержавшейся в сигнале информации, выражаются теоремой Найквиста–Уиттекера–Котельникова–Шеннона. Для этого требуется, чтобы полоса частот входного сигнала была бы не менее чем вдвое уже, чем частота дискретизации, то есть fc=1/2fd. (Нередко приводят частную ее формулировку, верную для сигналов, чья полоса частот начинается с нулевой частоты – чтобы не присутствовали частоты большие, нежели половина «частоты дискретизации») [6].
3.1 Передискретизация
Передискретизация (англ. resampling) в обработке сигналов – изменение частоты дискретизации дискретного (чаще всего цифрового) сигнала. Алгоритмы передискретизации широко применяются при обработке звуковых сигналов, радиосигналов и изображений.
Отсчёты сигнала, соответствующие новой частоте дискретизации, вычисляются по уже имеющимся отсчётам и не содержат новой информации [4].
Рисунок 1 – Передискретизация цифрового сигнала
(анимация: 7 кадров, 5 циклов повторения, 67 килобайт)
Повышение частоты дискретизации называется интерполяцией, понижение – децимацией.
При передискретизации отсчёты сигнала, соответствующие одной частоте дискретизации, вычисляются по имеющимся отсчётам этого же сигнала, соответствующим другой частоте дискретизации (при этом предполагается, что обе частоты дискретизации соответствуют условиям теоремы Котельникова). Идеальная передискретизация эквивалентна восстановлению непрерывного сигнала по его отсчётам с последующей дискретизацией его на новой частоте.
Точное вычисление значения исходного непрерывного сигнала в определённой точке производится следующим образом:
,
где x(ti) – i-й отсчёт сигнала, ti – момент времени, соответствующий этому отсчёту, d = 2fd – циклическая частота дискретизации, x(t) – интерполированное значение сигнала в момент времени t.
В реальной жизни интерполяция осуществляется с помощью других фильтров, при этом выражение для неё принимает следующий вид:
,где h(t) – импульсная характеристика соответствующего восстанавливающего фильтра. Вид этого фильтра выбирается в зависимости от задачи.
Прямое вычисление новых отсчётов сигнала по вышеприведённым формулам требует значительных вычислительных ресурсов и нежелательно для приложений реального времени. Существуют важные частные случаи передискретизации, для которых вычисление новых отсчётов производится проще:
- децимация с целым коэффициентом (уменьшение частоты дискретизации в целое число раз);
- интерполяция с целым коэффициентом (увеличение частоты дискретизации в целое число раз);
- изменение частоты дискретизации в рациональное (M/N) число раз (этот случай можно рассматривать как комбинацию двух предыдущих).
При таких ограничениях становится удобным применение стандартных реализаций цифровых фильтров для передискретизации.
3.2 Децимация
Процесс уменьшения частоты дискретизации сигнала называется децимацией. Иногда этот термин употребляют только для уменьшения частоты дискретизации в целое число раз (далее N). Децимация цифрового сигнала с целым коэффициентом производится в два этапа:
1. Цифровая фильтрация сигнала с целью удаления высокочастотных составляющих, не удовлетворяющих условиям теоремы Котельникова для новой частоты дискретизации;
2. Удаление (отбрасывание) лишних отсчетов (сохраняется каждый N – отчет).
Рисунок 2 – Иллюстрация алгоритма децимации дискретного сигнала
3.3 Интерполяция с целым коэффициентом
Интерполяцией называют увеличение частоты в целое или дробное число раз [2] путем вычисления промежуточных отсчетов по уже имеющимся. Идеальная интерполяция позволяет точно восстановить значения сигнала в промежуточных отсчётах.
Стандартный алгоритм интерполяции сигнала с целым коэффициентом заключается в следующем [5]:
1. Вставка нулевых отсчетов на место отсчетов, которые необходимо вычислить;
2. Фильтрация сигнала цифровым фильтром нижних частот для того, чтобы убрать спектральные составляющие сигнала, которых заведомо не могло быть в исходном сигнале согласно теореме Котельникова; выход фильтра умножается на коэффициент интерполяции для нормирования.
В англоязычной литературе первый из этих этапов иногда обозначается термином upsampling. При этом в обиходе этот термин может употребляться как синоним термина «интерполяция».
При программной реализации интерполяции нулевые отсчёты не участвуют в вычислении выходного сигнала фильтра, что позволяет оптимизировать процесс вычисления. При аппаратной реализации для экономии ресурсов возможно использование полифазных фильтров.
Рисунок 3 – Иллюстрация алгоритма интерполяции дискретного сигнала
3.4 Передискретизация с помощью полифазных фильтров
Метод передискретизации с помощью полифазных фильтров аналогичен предыдущему, с тем отличием, что в нём вместо одного фильтра, работающего на высокой частоте дискретизации, используется несколько фильтров, работающих на низкой частоте. При этом удаётся добиться сокращения количества необходимых вычислений, так как для каждого отсчёта необходимо вычислить выходной сигнал только одного из этих фильтров [1].
Полифазный фильтр представляет собой набор небольших фильтров, работающих параллельно, каждый из которых обрабатывает только подмножество отсчётов сигнала (если всего имеется N фильтров, каждый фильтр будет обрабатывать только каждый N–й отсчёт).
Полифазные фильтры применяются для передискретизации как с целым, так и с дробным коэффициентом [1].
Выводы
На основе данных теоретических знаний будет создан алгоритм преобразования звука для VST–плагина [7], который можно будет подключить к любой хост-программе аудиоредактору.
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2014 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
Список источников
Википедия [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org
Секунов Н.Ю. Обработка звука на РС/ Н.Ю. Секунов. – СПб.: БХВ-Петербург, 2001. – 1248 с.
-
Лекционный материал предмета «Цифровая обработка сигналов»/ Сост. А.В. Самощенко.– Донецк: ДонНТУ
-
Цифровая обработка сигналов. А. Б. Сергиенко. СПб, Питер, 2011. –758 с.: ил.
-
Цифровая обработка сигналов. Рабинер Л., Гоулд Б. 1978. —847 с.: ил.
Литература по цифровой обработке сигнала [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://dsp-book.narod.ru/
Портал по советам в создании vst–плагинов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: corpuscul.net