Введение к работе
з
Актуальность работы
Обработка акустических музыкальных сигналов в настоящее время представляет собой обширную область научных исследований, инженерных разработок, программного обеспечения и устройств на стыке таких направлений как акустика, радиотехника, звукорежиссура и других фундаментальных и прикладных наук и технических приложений.
Традиционно задачи звукозаписывающей и техники сводились к наиболее точному воссозданию акустических условий, в которых производилась звукозапись. Однако, на сегодняшний день обработка акустических музыкальных сигналов, включая монтаж, сведение, мастеринг и т.д. имеет, прежде всего, задачу художественного характера. Как правило, звукозапись, в том числе и многоканальная, производится последовательно, т.е. источники звукового сигнала - музыкальные инструменты, голоса исполнителей и художественные звуковые эффекты - записываются по очереди, а не одновременно. Обычно эта запись производится в заглушённом помещении с целью дальнейшей динамической, спектральной и пространственной обработки. Среди приложений пространственной обработки музыкальных акустических сигналов стоит отметить такие, как:
-моделирование свойств реальных помещений при создании фонограмм методом наложения;
- повышение естественности звучания фонограмм;
-задача локализации виртуальных источников звуковых сигналов при создании фонограмм;
-повышение оперативности позиционирования источника звукового сигнала в реальном времени при одновременном снижении вычислительных затрат;
- создание дополнительных художественных музыкальных эффектов.
В нашей стране проблемой исследования и обработки музыкальных акустических сигналов занимались такие ученые как Алдошина И.А., Меерзон Б.Я., Ковалгин Ю.А., Вологдин Э.И. Среди зарубежных исследователей следует отметить такие имена как Д. Уиллиамс, Б. Вебстер, У Зольцер, В. Гарднер, Дж. Блауэрт и др.
Решение задачи пространственного позиционирования музыкальных акустических сигналов сопряжено с существенными сложностями, многие из которых в полной мере не разрешены на сегодняшний день. Первой из таких сложностей является субъективность восприятия музыкальных сигналов слушателем. Под субъективностью подразумевается как вариативность исполнения различного музыкального материала на одних и тех же музыкальных инструментах, так и трудности, связанные с формальным описанием параметров музыкального интонирования, звукоизвлечения и их объективным измерением.
В связи с данными проблемами в данный момент ни в одном из направлений обработки музыкальных сигналов не существует общепринятых
4 моделей динамической и спектральной обработок, а также пространственного позиционирования. Алгоритмы обработки музыкальных сигналов не стандартизованы. Несмотря на достигнутые в ряде приложений значительные успехи (бинауральная звукозапись, достоверно передающие характер реальных помещений реверберационные алгоритмы и т.д.), в большинстве своем они не имеют фундаментальной значимости. Как следствие, исследователи и разработчики алгоритмов обработки музыкальных сигналов зачастую вынуждены исходить из эвристических соображений при подборе параметров алгоритмов в отсутствие накопленной информационной базы.
Также следует отметить такой недостаток многих существующих методов обработки музыкальных сигналов, как чрезмерно формальный подход к задаче, т.е. недостаточный учет специфики музыкальных сигналов и особенностей человеческого слуха и, в частности, особенностей восприятия конкретного музыкального материала.
В сложившейся ситуации возрастающего спроса на звукозаписывающие и звуковоспроизводящие системы в музыкальной сфере для использования в разнообразных приложениях существует необходимость поиска новых подходов к решению данной задачи, обладающих достаточной универсальностью и обеспечивающих достоверностью звучания. Особое значение эта задача имеет для мобильных средств звуковоспроизведения.
Объектом исследования являются музыкальные акустические сигналы, не содержащие информацию о конкретном помещении, в котором они были записаны.
Предметом исследования являются методы обработки музыкальных сигналов с целью их пространственного позиционирования и пространственной окраски в заданном помещении.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности пространственного позиционирования и пространственной окраски музыкальных акустических сигналов в заданном акустическом пространстве.
Основными задачами, которые требуется решить для достижения поставленной цели, являются:
-
моделирование свойств реальных помещений при создании фонограмм методом наложения;
-
повышение естественности звучания фонограмм;
-
увеличение степени локализации виртуальных источников звуковых сигналов при создании фонограмм;
-
обеспечение оперативности позиционирования источника звукового сигнала в реальном времени при одновременном снижении вьгаислительных затрат.
Научная новизна
В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
1. Предложен метод бинаурального позиционирования источника звукового сигнала с использованием модели ушных раковин.
-
Разработан алгоритм бинаурального позиционирования источника звукового сигнала с использованием передаточной характеристики «искусственной головы», применимый в реальном времени.
-
Предложен алгоритм снижения вычислительных затрат бинаурального позиционирования с возможностью использования в реальном времени.
-
Разработан гибридный реверберационный алгоритм, основанный на использовании импульсных характеристик реальных или математически моделируемых помещений и модели поздних отражений.
-
Разработана методика оценки качества бинаурального пространственного позиционирования с использованием экспертных оценок.
Практическая значимость работы
-
Разработан алгоритм бинаурального позиционирования источника музыкального акустического сигнала относительно слушателя. Показано, что применение данного алгоритма имеет достаточно высокие локационные характеристики. В среднем, погрешность локации во фронтальной полуплоскости составляет 7, в тыловой полуплоскости - 15, что более чем на 20% превышает результаты распространенных коммерческих алгоритмов.
-
Разработан алгоритм искусственной реверберации, позволяющий повысить естественность звучания музыкального материала посредством помещения источника звука в акустическую среду, свойства которой максимально приближены к свойствам заданного помещения.
-
Предложен способ снижения вычислительных затрат, требуемых для бинаурального пространственного позиционирования сигнала, понижающий затраты ресурсов более, чем в 103 раз по сравнению с коммерческими сверточными алгоритмами. Алгоритм также позволяет реализовать динамическое пространственное позиционирование источника звукового сигнала в заданном акустическом пространстве.
Методы исследования основаны на использовании аппарата математической статистики, теории сигналов и их цифровой обработки. Использовались методы компьютерного моделирования, акустики, статистической радиотехники, цифровой обработки сигналов, прикладной статистики, а также некоторые положения психоакустики. Проверка теоретических выводов производилась путем проведения эксперимента с использованием экспертных оценок.
Использование результатов работы
Результаты исследований и разработанные программные продукты используются на студии звукозаписи (г. Батайск) для улучшения параметров художественной обработки музыкальных сигналов, а также в учебном процессе кафедры ТОР в курсах «Акустика» и «Компьютерный синтез сигналов и электромузыкальные инструменты» (специальность «Аудиовизуальная техника»).
Публикации
По результатам выполненных исследований опубликовано 7 работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ и 5 статей и тезисов в материалах Всероссийских научных конференций.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Повышение естественности звучания фонограмм с учетом специфики музыкальных сигналов возможно на основе одновременного учета как реверберационных свойств помещения, так и позиционирования источников звуковых сигналов.
-
Метод бинаурального позиционирования источника звукового сигнала, основанный на использовании междуушных временных задержек и модели ушных раковин, а также передаточной характеристики «искусственной головы», позволяет повысить точность пространственного позиционирования акустических сигналов.
-
Наибольшая естественность звучания музыкальных сигналов при минимальной затрате вычислительных ресурсов достигается при использовании гибридного реверберационного алгоритма, основанного на использовании импульсных характеристик реальных или математически моделируемых помещений и поздних отражений.
Структура и объем работы
