Система обработки аудиоинформации Подсистема фильтрации и обработки сигнала (стр. 3 из 24)
1.1. Обоснование целесообразности разработки системы обработки аудиоинформации
1.1.1. Назначение системы
Система обработки аудиоинформации реализует обработку звуковых сигналов. Система предназначена для обработки звуковых сигналов, записанных в звуковых файлах различных форматов. Обработка позволяет внести необходимые изменения в исходный звуковой файл: редактирование его структуры, основных параметров, позволяет применить различные эффекты к файлу. Система также позволяет осуществить кодирование исходного файла с целью уменьшения занимаемого им размера без явной потери качества.
1.1.2. Характеристика функциональной структуры системы
Функциональная схема системы приведена на рис. 1.1.
Обработка аудиофайлов состоит из следующих этапов:
1) ввод звуковых сигналов в подсистему обработки и фильтрации сигнала, результатом работы которой является измененный звуковой сигнал, записанный в файле и статистические данные, полученные при анализе звукового сигнала;
2) ввод отредактированного звукового сигнала в подсистему кодирования данных, результатом которой является файл со сжатым звуковым сигналом.
Результатом работы системы является измененный и/или сжатый звуковой файл.
Функциональная схема системы обработки аудиоинформации
Рис. 1.1
1.1.3. Обоснование цели создания системы
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, и это, пожалуй, самое главное, 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.
К преобразованию звука прибегают в основном с целью изменения каких-то характеристик звука.
Принципиально, целью обработки звука является придание существующему звуку каких-то новых качеств или устранение нежелательных. Звуковые эффекты относятся к тем преобразованиям звука, которые придают звучанию новые формы или полностью изменяют звуковую информацию. Аппаратную реализацию звуковые эффекты находят в цифровых сигнальных процессорах (DSP). Любой более или менее приличный MIDI-синтезатор имеет встроенный эффект-процессор той или иной сложности (эффект-процессор представляет собой один или несколько DSP). Сложные эффект-процессоры "умеют" накладывать на звуковой сигнал сразу несколько различных эффектов, причем, отдельно для каждого канала, позволяя регулировать параметры эффектов в режиме реального времени. Однако стоимость таких эффект-процессоров чрезвычайно высока (как и стоимость любого другого высокопроизводительного микропроцессора), поэтому профессиональные DSP устанавливаются только на качественной музыкальной аппаратуре. На более или менее дешевых звуковых платах часто устанавливается DSP с упрощенным набором возможностей: наложение одного или нескольких эффектов на все каналы одновременно. Аппаратный эффект-процессор - это, безусловно, хорошо, но обработать звук на высоком уровне можно и программным способом.
Оцифрованный аудио сигнал «в чистом виде» (например, в форме одной из рассмотренных выше вариаций ИКМ) является достаточно точной, но не самой компактной формой записи исходного аналогового сигнала. объем памяти, требуемый для ее хранения в исходном цифровом виде, оказывается очень внушительным. Поэтому хранение относительно больших объемов аудио данных, гарантирующее достаточно хорошее качество звучания, требует применения разных «ухищрений», позволяющих уплотнить данные.
1.1.4. Обоснование состава автоматизируемых задач
Реализация системы обработки аудиоинформации позволит интегрировать в едином интерфейсе все этапы обработки аудиоинформации:
1) редактирование структуры звукового файла;
2) изменение параметров цифрового звука (частота дискретизации, битрейт, число каналов);
3) редактирование темпа звука;
4) изменение общего уровня громкости;
5) эффекты возрастающей и затухающей громкости, эха и реверберации;
6) кодирование (сжатие) аудиоданных.
Редактирование структуры файла необходимо для изменения отдельных частей файла, это позволит удалять, копировать и вставлять части звукового сигнала. Изменение параметров цифрового звука необходимо, например, для уменьшения размера звукового файла, когда не так важно качество звучания. Редактирование темпа позволит замедлить и ускорить скорость воспроизведения звукового сигнала. Применение эффектов позволит придать звуку необходимые характеристики звучания.
1.2. Аналитический обзор
Тема программного обеспечения очень широка, поэтому здесь мы только вкратце обсудим основные представители программ для обработки звука.
Основные возможности таких программ это, как минимум, обеспечение возможности записи (оцифровки) аудио и сохранение на диск. Развитые представители такого рода программ позволяют намного больше: запись, многоканальное сведение аудио на нескольких виртуальных дорожках, обработка специальными эффектами (как встроенными, так и подключаемыми извне – об этом позже), очистка от шумов, имеют развитую навигацию и инструментарий в виде спектроскопа и прочих виртуальных приборов, управление/управляемость внешними устройствами, преобразование аудио из формата в формат, генерация сигналов, запись на компакт диски и многое другое. Некоторые из таких программ: Cool Edit Pro (Syntrillium), Sound Forge (Sonic Foundry), Nuendo (Steinberg), Samplitude Producer (Magix), Wavelab (Steinberg).
1.2.1. Cool Edit Pro 2.0
Редактирование и сведение аудио на 128 дорожках, 45 встроенных DSP-эффектов, включая инструменты для мастеринга, анализа и реставрации аудио, 32-битная обработка, поддержка аудио с параметрами 24 бит / 192 КГц, мощный инструментарии для работы с петлями (loops), поддержка DirectX, а также управление SMPTE/MTC, поддержка работы с видео и MIDI и прочее.
1.2.2. Sound Forge 6.0a
Мощные возможности не деструктивного редактирования, многозадачная фоновая обработка заданий, поддержка файлов с параметрами до 32 бит / 192 КГц, менеджер предустановок, поддержка файлов более 4 Гб, работа с видео, большой набор эффектов обработки, восстановление после зависаний, предпрослушивание примененных эффектов, спектральный анализатор и прочее.
1.2.3. Вывод по аналитическому обзору
В наборе программ пользователя, занимающегося обработкой звука, имеется множество разных инструментов, так было раньше и так будет впредь – универсальных комбайнов для работы со звуком не бывает. Однако, не смотря на все разнообразие ПО, в программах часто используются схожие механизмы для обработки звука (например, процессоры эффектов и прочие). На каком-то этапе разработки аудио ПО, производители поняли, что удобнее сделать в своих программах возможность подключения внешних инструментов, чем каждый раз создавать заново инструменты для каждой отдельной программы. Так что многие программы, относящиеся к той или иной группе ПО, позволяют подключать так называемые «плагины» - внешние подключаемые модули, расширяющие возможности обработки звука. Это стало возможным в результате появления нескольких стандартов на интерфейс между программой и подключаемым модулем. На сегодняшний день существуют два основных стандарта на интерфейс: DX и VST. Существование стандартов позволяет подключать один и тот же плагин к совершенно разным программам, не заботясь о возникновении конфликтов и неполадок. Говоря о самих плагинах, надо сказать, что это просто огромное семейство программ. Обычно, один плагин является механизмом, реализующим какой-то конкретный эффект, например, реверберацию или низкочастотный фильтр. Но все вышеперечисленные средства для редактирования аудиоданных имеют закрытый исходный код.