Статья

Классификация алгоритмов, используемых при цифровой реставрации фонограмм

Андрей Субботин

(вводная лекция)

Рассмотрим программное обеспечение, предназначенное для удаления артефактов, вызванных износом, неправильным хранением, физическими повреждениями и некачественной оцифровкой звукового сигнала с аналоговых носителей различных типов.

Основными видами носителей аналогового сигнала являются оптические, магнитные и механические носители. Каждому из этих видов свойственны свои типы вносимых артефактов. Рассмотрим более подробно каждый из них.

ОПТИЧЕСКИЕ ФОНОГРАММЫ

Основной дефект оптических фонограмм, вызванный многократным их воспроизведением, это различного рода царапины на поверхности киноплёнки, вызывающие щелчки после преобразования светового потока в электрический сигнал. Кроме того, существует ряд дефектов, вызванных нарушением технологии при производстве оптических фонограмм: в частности, заплывание мелких деталей фонограммы переменной ширины вследствие нарушения технологии химической обработки пленки и ухудшения резкости при тиражировании методом контактного копирования, что приводит к потерям в области высоких частот при воспроизведении. Третьей разновидностью дефектов оцифрованных оптических фонограмм являются дефекты, вызванные неправильной настройкой устройства воспроизведения при оцифровке — так неправильная юстировка азимута считывающего устройства приводит к щелевым потерям. Неправильный выбор яркости приведёт к излишней засветке фотоэлемента, и, как следствие, повышенному уровню шума и уменьшению динамического диапазона. Кроме того, традиционный способ воспроизведения таких фонограмм даёт повышенную детонацию. И, если для дефектов первого типа существует множество программ по их исправлению, то дефекты второго и третьего типов плохо поддаются последующей корректировке. Поэтому весьма важными являются исправность и корректная работа устройства воспроизведения при оцифровке сигнала, либо применение альтернативы традиционному воспроизведению — сканирование звуковой дорожки фильма в высоком разрешении, с последующим преобразованием в звуковой файл.

Основными дефектами оптических фонограмм являются: щелчки, треск, детонация, поверхностный шум, нелинейные искажения, линейные искажения.

МАГНИТНЫЕ ФОНОГРАММЫ

Магнитные фонограммы являются самым качественным из аналоговых носителей, однако в результате старения меняют свои свойства. Основными проблемами являются копирэффект (небольшое намагничивание рабочего слоя соседними витками ленты в рулоне), потеря высоких частот, общая потеря уровня намагниченности, статическое электричество и изменение физических параметров ленты в результате долгого хранения в неоптимальных условиях. Как и в предыдущем случае также очень важно техническое состояние и настройка магнитофона, с которого производится оцифровка. Несовпадение АЧХ усилителя воспроизведения со стандартом, применявшимся при записи (а формы АЧХ предкоррекции были разными в разных странах и для разных типов лент в разные годы) приводит к искажению АЧХ фонограммы. Неправильная настройка азимута головки воспроизведения приводит к увеличению щелевых потерь и изменению фазового соотношения между каналами в стереофонических фонограммах. Из-за изменения физических размеров при вытягивании ленты увеличивается детонация, а отклонения от номинального размера по ширине приводит к различным видам модуляции сигнала вследствие нештатного перемещения ленты по вертикали при воспроизведении. Только для части этих дефектов существуют аппаратные и программные решения по их устранению. Другим важным пунктом является правильное декодирование при воспроизведении фонограмм, записанных с использованием компандерных систем шумоподавления разных типов — при воспроизведении должен использоваться правильный тип компандерного декодера, настроенный оптимальным образом.

Основными дефектами магнитных фонограмм являются: шум, детонация, линейные искажения, нарушение фазового соотношения между каналами в стереофонических фонограммах.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ФОНОГРАММЫ

Основные причины возникновения дефектов механических носителей — это износ и неправильное хранение. Кроме того, возможны и дефекты, связанные с нарушением технологии изготовления грампластинок. Здесь, как и в предыдущих случаях, важнейшую роль играет исправность и правильная настройка устройства воспроизведения при оцифровке. Дефекты, возникающие в процессе эксплуатации носителя — царапины на поверхности, износ дорожки от многократного проигрывания, загрязнение дорожки — приводят к увеличению уровня поверхностного шума. Несоблюдение температурных условий хранения приводит к повышенному заплыванию дорожки записи и появлению эксцентриситета носителя, что вызывает повышенную детонацию и искажения АЧХ. Необходимо учитывать также и множество различных кривых коррекции АЧХ при воспроизведении, которые устоялись только к началу 60-х годов прошлого века.

Основными дефектами механических носителей являются: щелчки, треск (crackling), поверхностный шум, детонация, нелинейные искажения.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ РЕСТАВРАЦИИ ФОНОГРАММ

1. Многополосные шумоподавители

Программные многополосные шумоподавители состоят из большого количества (обычно от 512 до 2048) экспандеров, каждый из которых работает в своей узкой полосе частот. Каждая из полос выделяется соответствующим фильтром, выходы экспандеров суммируются для получения полного сигнала. Пороги срабатывания экспандеров настраиваются по образцу шума фонограммы таким образом, чтобы сигнал в обрабатываемой полосе ослаблялся, если уровень его на входе экспандера ниже, чем уровень сигнала шума в этой полосе, полученный при анализе. На практике такое первоначальное автоматическое определение уровней порогов срабатывания в большинстве случаев является очень грубым и требует коррекции оператором в соответствии с конкретным материалом.

К достоинствам систем такого типа следует отнести практически полное отсутствие артефактов их работы при понижении широкополосного шума на 6 — 8 дБ, относительную простоту управления, возможность работы в реальном времени.

Недостатками являются — слышимые артефакты работы системы при больших уровнях подавления, плохая работа с сигналами, у которых уровень шума близок к уровню полезного сигнала. Также такие шумоподавители плохо справляются с шумами, имеющими импульсный или меняющийся по времени характер.

2. Декликеры

Алгоритмы, детектирующие отдельные щелчки, и интерполирующие дефектный участок на основе анализа сохранившейся формы волны до и после щелчка используя разные виды интерполяции, наиболее подходящие для конкретного случая. Могут работать в ручном и автоматическом режимах. Ручной режим обычно требует, чтобы интерполируемая область и, в некоторых реализациях, тип интерполяции, были указаны оператором.

Достоинством системы является возможность интерполяции достаточно больших дефектных участков, особенно на периодических сигналах.

Недостатком большинства таких систем является то, что для выбора оптимальных параметров интерполяции необходимо отсутствие дефектов в области, используемой для анализа, в противном случае эти дефекты воспринимаются как полезный сигнал, и интерполяция может содержать новые артефакты. Другой недостаток — возможность неправильного детектирования щелчка на сигналах с быстрой атакой.

3. Декраклеры

Алгоритмы декраклеров позволяют удалять треск, состоящий из множества мелких щелчков, сливающихся в один непрерывный сигнал, и используются при невозможности детектировать отдельные щелчки в этом шуме.

Декраклеры хорошо справляются с дефектами, имеющими непериодический характер, но часто за треск принимают и мелкие детали полезного сигнала.

4. Деклипперы

Алгоритмы, позволяющие на основе анализа фонограммы удалить амплитудные ограничения формы волны, детектируя и интерполируя дефектные участки.

Хорошо работают на простых, относительно узкополосных сигналах. Плохо справляются с комплексной музыкальной фонограммой, особенно при наличии в ней искажений в области высоких частот.

5. Азимут-корректоры

Азимут-корректоры позволяют устранить временную задержку между каналами стереофонической фонограммы, возникающую из-за неправильной юстировки головки воспроизведения магнитофона. Азимут-корректор анализирует фонограмму и определяет постоянную величину задержки, внесенную неправильно установленным азимутом при записи либо воспроизведении ленты, после чего сдвигает один из каналов фонограммы на эту величину.

Такие системы хорошо работают с любыми фонограммами, однако, они не в состоянии компенсировать искажения АЧХ, вызванные щелевыми потерями из-за увеличения эквивалентной ширины головки при неправильной юстировке. Другой особенностью таких систем является то, что чаще всего величина задержки не равна целому числу отсчетов дискретного сигнала, а задержка на такую величину требует работы с частотой дискретизации выше, чем частота дискретизации оцифрованного сигнала. Это приводит к необходимости увеличения частоты дискретизации при введении задержки, с последующей конвертацией этой частоты в первоначальную. Другой, реже встречающейся проблемой является ошибочное детектирование величины задержки из-за обработок сигнала, основанных на плавном изменении фазы, примененных при записи исходной фонограммы.

6. Алгоритмы для удаления детонации

Алгоритмы удаления детонации анализируют исходный сигнал с целью определения скорости и формы детонации. Выделенная кривая детонации (показывающая изменение скорости носителя) может быть отредактирована оператором. Затем производится удаление детонации путем плавного изменения частоты дискретизации согласно полученной кривой (после чего частота дискретизации восстанавливается обратно к первоначальной). Проблемой здесь является случай, когда скорость носителя равномерно отклонена от номинальной, и кривая детонации имеет постоянное смещение — здесь постоянная корректировка скорости возможна уже только на анализе тональности произведения.

7. Спектральные интерполяторы

Алгоритмы спектральной интерполяции работают в ручном режиме и позволяют на основе визуального анализа спектрограммы оператором интерполировать отдельные участки не только по времени, но и по частоте. При этом для интерполяции можно использовать как участки до и после интерполируемой области, так и выше—ниже нее по частоте. При помощи таких алгоритмов можно исправлять дефекты, уровень которых лежит ниже полезного сигнала, удалять лишние гармоники и помехи различного характера.

8. Алгоритмы для удаления фона сети питания

Такие алгоритмы представляют собой набор режекторных фильтров, позволяющих удалить не только основной тон наводки от сети питания, но и его гармоники, при этом настройка фильтров на частоты гармоник происходит автоматически, при задании основной частоты помехи. Хотя фильтры имеют очень высокую добротность, их частоты лежат в слышимом диапазоне, поэтому степень воздействия определяется оператором.


Как мы видим, очень важной является правильная настройка аналогового оборудования при оцифровке исходных фонограмм, но главным фактором успешного использования всех этих методов остается квалифицированный оператор, понимающий происходящие процессы, и обладающий навыками субъективной оценки результата.

Классификация алгоритмов, используемых при цифровой реставрации фонограмм

7 февраля 2012

Благодарим Алексея Лукина за помощь в подготовке материала.

Андрей Субботин, Saturday Mastering http://www.masteringonline.ru

Сделать заказ
Saturday
Mastering
Studio
Login Register Now
Введите email, на который зарегестрирован ваш аккаунт, мы отправим вам письмо с новым паролем
Пароль выслан на ваш email!
Регистрация прошла успешно Теперь вы можете войти в личный кабинет используя свой лоигн и пароль