5. К вопросу об обработке звука (эффекты).

Как уже говорилось выше, 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 следующимосновным 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.

С помощью свертки сигналаможно добиться получения различных эффектов.Свертка- это последовательный процесс, заключающийся в сложении N точек входной функции, умноженных на коэффициенты (таблицу свертки), для получения одной точки результирующей функции. Данная операция проводится столько раз, сколько точек будет содержать результирующая функция.

На картинке (Рис.12) изображена исходная функция, построена таблица свертки ("холостая" - т.е. состоящая из множества нулей и одной единички, просто сдвигающая функцию) и изображен сам результат свертки этой функции этой таблицей.

Рис.12.

Применяемая во всех дальнейших примерах таблица свертки прикладывается симметрично, т.е. центр процесса свертки находится в центре таблицы (и, соответственно, посередине графика "таблица свертки"), сама таблица состоит из 41 точки (20 точек в одну сторону, центральная точка и 20 точек в другую сторону). Оговорюсь сразу, что эффект сдвига функции, который имеет место на предыдущей иллюстрации, нас нисколько не интересуют - суть обработки заключается не в этом.

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:

Одиночное 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.

Рис.13

Данная свертка иллюстрирует получение одиночного эха, равного по амплитуде половине от исходного сигнала. Можно легко догадаться, что второй импульс (всплеск) свертки просто дублирует сигнал еще один раз через определенное число отсчетов.

Отвлечемся немного и поговорим о концепции, которая неразрывно связана со сверткой - импульсная функция (impulse response). Импульсная функция- характеристика процесса, отвечающая на вопрос: что сделает процесс с одиночным импульсом? Попытаемся получить импульсную функцию свертки, т.е. скормим нашему процессу одиночный импульс в качестве входной функции и посмотрим, что он с ним сделает:

Рис.14

Можно заметить, что свертка послала в выходной результат... себя. Очень важный вывод: таблица свертки - это импульсная функция производимого процесса. Перефразируемся: для создания процесса, отвечающего данной импульсной функции, надо просто "сверстать" данные этой импульсной функцией. Как получить импульсную функцию? Очень просто: нужно всего лишь пропустить через искомую систему импульс...

Итак, воссоздадим реальное эхо.

Последовательность действий проста до гениальности: мы берем микрофон и идем в некую пещеру. Устанавливаем аппаратуру, включаем запись и издаем "импульс" - вернее, максимально приближенное к нему явление: например, какой-нибудь предельно резкий удар. Записываем эхо нашего импульса. Что мы получили? Мы получили способ полностью воссоздать акустику помещения - по крайней мере в той степени, в какой нам это гарантирует неизменность звука при неизменности импульсной функции. Это важный момент, который следует понимать: не все параметры процесса определяются импульсной функцией, но большинство важных для человека - всё же определяется. Итак, мы записали затихающее реальное эхо импульса и теперь свертываем им наш собственный звук:

Рис.15

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.

Это - лишь малая часть всего того, что можно сделать. Комбинируя различные приемы построения таблиц можно добиваться очень разнообразных эффектов - 90% всех функций типичного музыкального редактора можно реализовать с помощью сверток. Сверткой запросто делаются следующие эффекты (в любой комбинации):

· накладываемые задержки

· любая частотная фильтрация

· вариации фаз сигналов