odnawianie_nagran_1.pdf

TECHNOLOGIA Odnawianie starych nagrań

Odnawiianiie starych nagrañ (1)

Czy mo¿na zrobiiæ to (jjeszcze) llepiiejj?

Dr in¿. Janusz Biliñski

jak... umyć starannie organ pomiarowy – czyli

parę własnych uszu – i rozpocząć pracę. Szersze

omówienie pewnych zagadnień przybliży mecha-

nizmy obróbki dźwięku z tego zakresu, a ilustra-

cją będą elementy opisu profesjonalnego systemu

studyjnego Cedar Cambridge. Jest to specjalizo-

wane narzędzie przeznaczone do realizacji zadań

tego typu. System składa się z procesora

w panelu 4U z kartą I/O i czytnikiem CD-ROM.

Komunikację z urządzeniami zewnętrznymi

zapewniają dwa porty USB, dwa porty szere-

gowe, karta sieciowa i jeden port równoległy.

(Część sprzętowa systemu to w zasadzie specjal-

nie skonfigurowany komputer z dwoma proceso-

rami Pentium 4 i systemem operacyjnym Win-

dows XP Pro – przyp. red.)

macji. Co więcej, efekt działania takiego algo-

rytmu pociąga za sobą dodatkową utratę infor-

macji o procesie degradacji, bowiem większość jej

po prostu usuwa. To skądinąd oczywiste stwier-

dzenie wiąże się z poważnymi implikacjami dla

procesu odnawiania: zawsze lepiej jest dokony-

wać obróbki nagrania oryginalnego, niż podda-

nego wcześniej jakiejkolwiek obróbce. Jako przy-

kład można tu przytoczyć usuwanie pojedyn-

czego trzasku z płyty winylowej 78obr/min.

Sygnał nagrany może mieć pasmo z zakresu

12kHz, zakłócenie jest słyszalne w całym paśmie

odtwarzania aparatury elektronicznej, tak więc

filtracja (która może dać subiektywną poprawę

jakości dźwięku) usuwa dużo informacji, wyko-

rzystywanej przez zaawansowany algorytm

odnawiania.

Ostatecznym testem dla każdego stosowanego

algorytmu jest ludzkie ucho. Pytania, na które

należy odpowiedzieć to:

• czy algorytm wpływa na odczucie jakości

sygnału?

• dla jakiego zakresu materiału jego działanie

jest skuteczne?

• czy zakłócenia zostały usunięte/zredukowane?

• czy pojawiły się artefakty będące wynikiem

obróbki?

• czy osiągnięto akceptowany kompromis dla

przedstawionych powyżej punktów?

Jeżeli ucho nie akceptuje wyników i traktuje je

jako nieodpowiednie dla założonego celu, wów-

czas należy powtórnie określić algorytm.

Pojawiiaj¹ce siiê na ³³amach lliisty dyskusyj-

nej od czasu do czasu pytaniia o wp³yw

karty dŸwiiêkowej na jjakoœæ odnawiianiia

dŸwiiêku, sposoby odszumiianiia, usuwaniia

trzasków, sk³onii³y mniie do przedstawiieniia

kiillku zagadniieñ z pograniicza teoriiii

ii praktykii (bardziiej teoriiii).

Pierwsze pytanie brzmi – od czego zacząć? Tu

zwykle pada propozycja dwóch kroków wstęp-

nych. Pierwszym krokiem jest sprawdzenie czy

dana płyta nie została wydana w postaci cyfro-

wej na podstawie zremasterowanych taśm

– matek. Nawet, jeżeli ów „biały kruk” wymaga

sprowadzenia z krajów zamorskich, to warto

spróbować. Cena materiału najwyższej jakości

jest wielokrotnie mniejsza niż nakład pracy, jaki

trzeba poświęcić na obróbkę materiału analogo-

wego. Można przy tym wyeliminować ryzyko

porażki, a zaoszczędzony czas spędzić dużo przy-

jemniej niż przed konsolą czy klawiaturą, wpa-

trując się na zmianę w ekran i monitory bliskiego

pola. Jeżeli jednak materiał jest unikalny, wyjąt-

kowy, jednostkowy – nie pozostaje nic innego

Projektowanie algorytmu

Sygnał muzyczny w swojej istocie jest sygna-

łem losowym, podobnie jak większość procesów

degradujących. Teoria informacji wskazuje, że

zmieszanie dwóch losowych sygnałów to utrata

informacji, w związku z czym nie jest możliwa

idealna restauracja sygnału. Algorytm odnowy

powinien wygenerować sygnał jak najbardziej

bliski oryginałowi na podstawie dostępnej infor-

Przy prostych zadaniach zwi¹zanych z odnawianiem

nagrañ rozwi¹zania analogowe s¹ najtañsze, jednak

wiêkszoœæ zadañ wymaga rozwi¹zania zagadnieñ

metodami matematyki wy¿szej.

Dlaczego obróbka cyfrowa?

Słuchacze zaaprobowali już dźwięk przetwa-

rzany cyfrowo i debaty dotyczące wyższości tech-

niki analogowej nad cyfrową i odwrotnie nie są

już tak frapujące. Jednak przy projektowaniu pro-

cesora dźwięku należy wziąć pod uwagę kilka

czynników. Przy prostych zadaniach rozwiązanie

analogowe jest zwykle najtańsze, jednak więk-

szość zadań wymaga rozwiązania zagadnień

metodami matematyki wyższej. Do jej zastoso-

wań rozwinięto specjalnie cyfrową technologię

obróbki dźwięku (DSP).

Pierwsze komputery i ich dyski twarde umożli-

wiały zastosowanie algorytmów odnawiania

dźwięku, ale odbywało się to off line. Ponieważ

tylko aplikacje czasu rzeczywistego umożliwiają

wykorzystanie bezpośredniego sprzężenia zwrot-

nego słuchu inżyniera dźwięku i parametrów

Dwa rysunki obrazuj¹ce przyk³adowy proces obróbki restau-

rowanego nagrania oraz proces starzenia i degradacji zapisa-

nego materia³u dŸwiêkowego.

Estrada i Studio • lipiec 2004

Odnawianie starych nagrań TECHNOLOGIA

algorytmu, które są regulowane przez użytkow-

nika, dlatego szybkość odnowienia ścieżki ma

niebagatelne znaczenie w zastosowaniach

komercyjnych.

wykryte kliknięcie – wyciszy oba kanały i w ten

sposób ograniczy efekt akustyczny. Minimalny

czas trwania wyciszenia (przy dużej szybkości

obu zboczy) wynosi typowo 2,5ms i w każdym

przypadku musi być dłuższy niż czas trwania

zakłócenia. W przeciwnym razie nawet mała

Cedar Audio Ltd.

Cedar uwa¿any jest za wiod¹cego producenta w dziedzinie

urz¹dzeñ i systemów komputerowych do restauracji

dŸwiêku. Algorytmy opracowane przez Cedar zosta³y w³¹-

czone (w postaci wtyczek) do systemów SADiE, Pyramix,

Soundscape i AMS Neve. Dla potrzeb radia i telewizji Cedar

produkuje wolnostoj¹cy dynamiczny eliminator zak³óceñ

DNS1000 i dedykowany dla systemów Pro Tools – DNS2000.

Systemy te s¹ równie¿ z powodzeniem stosowane w tych

dziedzinach, gdzie istnieje potrzeba szybkiej identyfikacji

tekstu i oddzielenia sygna³u od zak³óceñ (na przyk³ad w s¹-

downictwie – Cedar Forensic). Niedawno firma wprowa-

dzi³a na rynek Cedar Cambridge, 8-kana³owy system pracu-

j¹cy z dŸwiêkiem o parametrach 24 bity/96kHz, u¿ywaj¹cy

zupe³nie nowych algorytmów.

Który proces pierwszy?

Porządek, w którym

dokonywane są kolejne

etapy odnawiania

dźwięku, posiada niezwy-

kle istotne znaczenie dla

jakości uzyskiwanych

wyników. Właściwa kolej-

ność procesów to usunię-

cie kliknięć (declick), usu-

nięcie trzasków (decrac-

kle), usunięcie przydźwię-

ków (debuzz) i usunięcie

szumu (dehiss). Z powodu

wpływu długich kliknięć trudno jest usunąć

drobne kliknięcia i trzaski tworzące zakłócenia

pochodzące od powierzchni nośnika, przydźwięk

i inne tego typu problemy. Ponadto, jeżeli wystę-

pują kliknięcia, to zakłócają proces usuwania

szumu i generują pozamuzyczne efekty uboczne.

I na odwrót, jeżeli usuwa się szum na początku,

to później jest prawie niemożliwa identyfikacja

i usunięcie kliknięć i trzasków.

Usuwanie trzasków powinno być druga fazą

procesu obróbki, bowiem małe trzaski mogą

także spowodować problemy podczas usuwania

szumu. Podobnie usunięcie przydźwięku (o ile

zachodzi taka potrzeba) powinno zostać doko-

nane w odpowiednim momencie obróbki – ogól-

nie rzecz biorąc po usunięciu kliknięć i najczę-

ściej po usunięciu trzasków. Konsekwentnie, usu-

wanie szumu powinno być ostatnim procesem

w łańcuchu odnawiania materiału dźwiękowego.

Najprostszym sposobem na usunięcie klik-

nięć jest zastosowanie układu wyciszającego,

który – dokładnie w chwili, gdy zostanie

Czêœæ sprzêtowa systemu Cedar Cambridge, czyli specjalizo-

wany komputer zamkniêty w obudowie 4U oraz czêœæ progra-

mowa – widok g³ównego okna edytora, w którym konfiguru-

jemy modu³y.

liczba wyciszeń poważnie wpłynie na odczucie

jakość dźwięku. Metoda ta ukierunkowana jest

wyłącznie na uczynienie kliknięć mniej natręt-

nymi i w żaden sposób nie odnawia sygnału

źródłowego. Ponadto można ją stosować

w sytuacji, gdy energia akustyczna kliknięcia

jest o kilka rzędów wielkości większa niż ener-

gia sygnału użytecznego.

Bardziej zaawansowanym algorytmem analo-

gowego usuwania kliknięć jest przełącznik

(switcher). Wykorzystuje on dwa źródła prawie

identycznego sygnału (przeciwległe ścianki rowka

płyty monofonicznej odtwarzanej przez gramofon

stereofoniczny) monitorując, który z sygnałów

jest sygnałem mniej zniekształconym (o mniejszej

energii). Na wyjście podawany jest sygnał

z kanału o mniejszych zniekształceniach,

a kanały są przełączane „w locie”. Metoda ta

usuwa duże kliknięcia, lecz podobnie jak wszyst-

kie rozwiązania analogowe, nie potrafi rozróżnić

małych kliknięć od oryginalnych składowych

sygnału użytecznego. Ponadto przełącznik

TECHNOLOGIA Odnawianie starych nagrań

zakłada istnienie idealnego sygnału monofo-

nicznego. W przypadku, gdy sygnały obu kana-

łów (ścian rowka) różnią się znacząco lub są tak

samo zniekształcone, wówczas przyjęte założe-

nie (i w konsekwencji odnowienie sygnału)

ponosi fiasko.

Technika przetwarzania cyfrowego usuwa sze-

reg ograniczeń metod analogowych i umożliwia

zastosowanie innych metod. Jedną z nich jest

technika próbkowania (sample & hold – S&H),

która przypomina pod każdym względem algo-

rytm stosowany w idealnym systemie wycisza-

nia. Jednakże zamiast stworzenia idealnie pła-

skiego sygnału zerowego, w metodzie tej jest

tworzony sygnał o poziomie jak najbliższym do

ostatniej poprawnej próbki sygnału. S&H usuwa

najpoważniejsze efekty kliknięć i trzasków, lecz

w jej wyniku fala dźwiękowa zawiera nieprzy-

jemne dla ucha zniekształcenia oraz wiele sły-

szalnych zakłóceń („bumps”, „pops”). Zakłócenia

takie o małej amplitudzie są bardziej akcepto-

wane niż kliknięcia o dużej amplitudzie, lecz

sygnał będzie posiadał przerwy, jeżeli są liczne

kliknięcia. Wielu słuchaczy skarży się na te arte-

fakty i efekty uboczne (jak na przykład zastoso-

waną korekcję błędów w domowych odtwarza-

czach CD) jako bardziej dokuczliwe niż kliknięcia,

które zostały usunięte czy zastąpione.

Następnym etapem jest interpolacja liniowa

(linear interpolation). O ile technika próbkowa-

nia S&H przyjmuje założenie, że jedna dobra

próbka sąsiaduje z trzaskiem, to przy interpola-

cji liniowej rozważa się dwie sąsiednie dobre

próbki i zmierzony czas pomiędzy nimi.

W tym algorytmie uszkodzone dane są zastępo-

wane przez linię prostą łączącą ostatnią dobrą

próbkę z następną dobrą próbką (patrz ilustracje

poniżej). Jest wysoce niepraktyczne stosowanie

tej metody w dziedzinie analogowej, ale stosun-

kowo proste w dziedzinie cyfrowej. Efekt aku-

styczny zastosowania tej metody jest mniej inwa-

W praktyce modu³ do usuwania klikniêæ i trzasków, wykorzystuj¹cy bardzo skomplikowany algorytm, ma stosunkowo prosty inter-

fejs. Na ilustracji pokazano modu³ Declickle z systemu Cedar. U¿ytkownik nastawia tu tylko kilka parametrów. Mo¿na okreœliæ

najlepszy tryb detekcji dla danego materia³u, poziom okreœlaj¹cy czu³oœæ procesu i decyduj¹cy ile i jakie klikniêcia bêd¹ usu-

niête oraz wartoœæ modeluj¹c¹, okreœlaj¹c¹ sposób, w jaki usuwanie klikniêæ zachowuje siê wobec wy¿szych harmonicznych

sygna³u wejœciowego.

zyjny niż techniki próbkowania, lecz jest obar-

czony artefaktami o niskich częstotliwościach

i ograniczeniem pasma akustycznego w obsza-

rze, gdzie została dokonana interpolacja.

W przypadku zastosowań sprzętu w pełni pro-

fesjonalnego, takiego jak interpolator firmy

Cedar, stosowana jest technika modelowania

sygnału. Na podstawie analizy obszaru obejmu-

jącego kilkaset milisekund tworzony jest model

„podstawowego brzmienia (underlying reso-

nant)” sygnału, a następnie ta informacja jest

wykorzystywana do zastąpienia każdego kliknię-

cia sygnałem interpolowanym, odpowiadającym

temu modelowi brzmienia. Z kolei panel do usu-

wania kliknięć (declicker), stosujący jeden z naj-

nowszych tego typu algorytmów połączony

z zaawansowanym detektorem kliknięć, pozwala

na usunięcie do 2500 kliknięć na każdy kanał

w czasie rzeczywistym. W praktyce oznacza to,

iż w większości przypadków nie sposób stwier-

dzić, w których miejscach sygnał był zniekształ-

cony zakłóceniami.

Pojęcie „usuwanie trzasków” w przypadku

zaawansowanych profesjonalnych algorytmów

jest trochę mylące, bowiem algorytm usuwania

trzasków, na przykład taki jak w aparaturze

Cedar, usuwa szereg addytywnych zakłóceń

impulsowych o dużej gęstości, małej amplitudzie

i krótkim czasie trwania. Występowanie takich

zakłóceń objawia się różnorodnymi efektami

degradacji dźwięku.

Jeżeli zaburzenia mają charakter losowy,

wówczas degradacja jest słyszana jako trzask

lub dźwięk zbliżony do odgłosu smażenia fry-

tek. Istnieje nawet rodzaj grzyba, który odży-

wia się składnikiem pochodzenia roślinnego

zawartym w starych płytach 78obr/min. Pozo-

stawia on niezliczone punktowe ślady na

powierzchni płyty. To właśnie one odpowiadają

za zaburzenia impulsowe w odtwarzanym

dźwięku, nadając tym płytom charaktery-

styczne trzeszczące brzmienie, pochodzące

z powierzchni płyty.

Jeżeli zakłócenia impulsowe są okresowe

o regularnym odstępie, wówczas degradacja

brzmi jak brzęczenie czy przydźwięk. Na przykład

Trzaski i zniekszta³cenia posiadaj¹ szerok¹ obwiedniê

spektraln¹, z tego te¿ wzglêdu mo¿na próbowaæ zasto-

sowania spektralnych technik usuwania szumu.

Ró¿ne algorytmy korygowania klikniêæ w materiale Ÿród³owym: ilustracja procesu „sample & hold”, interpolacja liniowa wykonana przez algorytm detekcji klikniêæ oraz interpolacja wy¿szego rzêdu

wykonana dziêki zaawansowanemu algorytmowi detekcji klikniêæ.

Estrada i Studio • lipiec 2004

Odnawianie starych nagrań TECHNOLOGIA

sterowniki używane do regulacji natężenia oświe-

tlenia „wycinają” część przebiegu sinusoidy prądu

zasilającego. Strome zbocza tego przebiegu gene-

rują liczne harmoniczne. Jeżeli w pobliżu znajduje

się słabo ekranowana aparatura nagłaśniająca,

wówczas harmoniczne te mogą indukować regu-

larne kliknięcia, słyszane jako brzęczenie.

Jeżeli zaburzenia impulsowe są skorelowane

z sygnałem użytecznym, wówczas degradacja

dźwięku jest odbierana jako zniekształcenie.

(Łagodne obcięcie wierzchołków sygnału cyfro-

wego może być traktowane jako zaburzenie

impulsowe zsumowane z sygnałem oryginalnym

w taki sposób, że wynik wypełnia dostępną prze-

strzeń wartości sygnału).

Trzaski i zniekształcenia posiadają szeroką

obwiednię spektralną, z tego też względu

można próbować zastosowania spektralnych

technik usuwania szumu. Odwrotnie ma się

sprawa przydźwięku, który z reguły w swoim

spektrum posiada regularne wierzchołki, tak

więc dotychczas preferowane metody polegały

na zastosowaniu dużej liczby filtrów pasmo-

wych. Filtry te usuwają pojedynczy szczyt

w obwiedni razem z każdym sygnałem, który

także znajduje się w tym paśmie częstotliwo-

ści. Z uwagi na fakt, że każdy impuls jest pre-

cyzyjnie zlokalizowany w czasie, przeważnie

tylko 10% sygnału użytecznego podlega wpły-

wowi tych impulsów. W konsekwencji pozo-

stałe 90% sygnału pozostaje niezakłócone i fil-

trowanie czy jakikolwiek inny proces wpływa-

jący na niezakłócony sygnał jest całkowicie

nieodpowiednie.

Niestety, interpolacja każdego impulsu przy

pomocy usuwania kliknięć także nie jest zado-

walająca z uwagi na podstawową naturę trza-

sku. Standardowy algorytm detekcji kliknięć

zwykle pomija impulsy i nie poradzi sobie przy

dużej gęstości tych impulsów. Co więcej, algo-

rytm usuwania kliknięć przyjmuje, że kliknięcie

lub trzask całkowicie zniszczyło sygnał aku-

styczny i w związku z tym sygnał nie ma uży-

tecznej informacji o sygnale w czasie trwania

kliknięcia czy trzasku. Usuwanie kliknięć

z sygnału zawierającego dużo trzasków powo-

duje odrzucenie dużej ilości informacji użytecz-

nej, którą można wykorzystać. W profesjonal-

nych systemach Cedar Cambridge optymalny

proces usuwania trzasków rozkłada zakłócony

trzaskami sygnał na dwie składowe. Pierwsza

zawiera istotę „czystego”, czyli niezakłóconego

sygnału. Druga składowa wydzielona (tak

zwany sygnał „split”) zawiera wszystkie znie-

kształcenia plus pozostałość sygnału niezakłó-

conego. Dzięki uzyskaniu składowej wydzielo-

nej detektor trzasków ma dużo większą szansę

zidentyfikowania niepożądanych zakłóceń. Po

przeprowadzeniu detekcji można zastosować

odpowiednio zoptymalizowaną interpolację dla

trzasków o dużej gęstości w celu usunięcia

zakłóceń z sygnału wydzielonego. Nie wpływa

Modu³y systemu Cedar Cambridge

Po zainstalowaniu oprogramowania dostêpne s¹ nastêpu-

j¹ce modu³y: modu³ zobrazowania dwukana³owego

(2 Channel tools) , modu³ usuwania przydŸwiêku (De-

buzz) , modu³ usuwania trzasków i klikniêæ (Declickle) ,

modu³ regeneracji obciêtych wierzcho³ków sygna³u (De-

clip) , modu³ usuwania szumu szerokopasmowego o sta³ej

charakterystyce (Dehiss-3) , modu³ kszta³towania szumu

(Dither and noise shaping) , modu³ filtracji szumu t³a

akustycznego ( Dialogue Noise Suppression DNS) ,

modu³ korektora liniowego (EQ-Linear) , modu³ korek-

tora precyzyjnego (EQ- Precision) , modu³ regulacji

wzmocnienia (Gain) , modu³ pomiarowy (Metering) , mo-

du³ usuwania szumu szerokopasmowego (Broadband

Noise Reduction NR-4) , modu³ korektora fazy

(Phase corrector) oraz modu³ analizy spektralnej

(Spectrum analyser) .

to na podstawowy sygnał audio. Po przepro-

wadzeniu interpolacji na sygnale wydzielonym

może on zostać połączony z sygnałem podsta-

wowym w celu jego odświeżenia, lecz już bez

trzasków. Dzięki takiemu postępowaniu można

utrzymać informację użyteczną, zawartą

w sygnale oryginalnym, nawet podczas

interpolacji. E i S

Za miesiąc omówimy proces usuwania przy-

dźwięku. Do potrzeb artykułu wykorzystano

materiały firmy Cedar (www.cedar-audio.com)

udostępnione przez oficjalnego dystrybutora na

terenie Polski, Dave s.c. (tel. 022 826-49-12,

dave@dave.com.pl).

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: