Реализация звуковых эффектов (стр. 1 из 4)
Министерство Образования и Науки Украины
«РЕАЛИЗАЦИЯ ЗВУКОВЫХ МУЗЫКАЛЬНЫХ ЭФФЕКТОВ»
по курсу «Системы обработки мультимедийных данных»
2006
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
2 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ И МЕТОДОВ РЕАЛИЗАЦИИ ЗВУКОВЫХ ЭФФЕКТОВ
3 МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ПОСТАВЛЕННОЙ ЗАДАЧИ
3.1 Эффекты, основанные на задержке сигнала.
3.1.1 – Простые звуковые эффекты
3.1.2 – Более сложные звуковые эффекты
4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОЙ МОДЕЛИ НА MATLAB
5 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМЫ НА ЯЗЫКЕ СИ
6 РЕЗУЛЬТАТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ЗВУКОВЫХ ЭФФЕКТОВ В СРЕДЕ MATLAB И НА СИГНАЛЬНОМ ПРОЦЕССОРЕ DSP
7 КРАТКОЕ РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ПРИЛОЖЕНИЕ В
В современной музыкальной индустрии повсеместно используются различные звуковые эффекты, обогащающие палитру музыкальных произведений и добавляющие к ним дополнительные краски. Эффекты могут использоваться не только при обработке музыкальных произведений, но и при воспроизведении речевого материала для снижения монотонности при прослушивании длительных фрагментов.
Обработать звук на высоком уровне можно программным способом. Существует множество различных звуковых редакторов, позволяющих делать со звуком значительно более сложные вещи, чем это позволяют делать даже самые сложные эффект-процессоры. Кроме того, эффект-процессоры часто эмулируются в виртуальных WT-синтезаторах, а также находят программную реализацию в специальных программах для обработки звука в режиме реального времени.
Аппаратную реализацию звуковые эффекты находят в цифровых сигнальных процессорах (DSP). Любой 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.
В курсовой работе предусмотрена обработка музыкальных файлов как программно – на языке Matlab, так и аппаратно – на цифровом сигнальном процессоре с помощью программы CodeComposerStudio (CCS).
1 Постановка задачи
В данной курсовой работе необходимо разработать в среде Matlab, а также на ЦПОС TMS320C6711(5402) систему, реализующую звуковые музыкальные эффекты. Необходимо реализовать эффекты: однократной и многократной цифровой задержки, эффект детонации, эффект хора, эффект вибрато, компрессор и экспандер. Входные данные должны вводиться из монофонического звукового файла формата «wav» (частота дискретизации – 8кГц, разрядность - 16 бит).
2 Обзор существующих систем и методов реализации звуковых эффектов
Все преобразования звука сводятся к нижеследующим.
Амплитудные преобразования. Выполняются над амплитудой сигнала. Такую процедуру можно проделать двумя способами: либо умножая амплитуду сигнала на некоторое фиксированное число, в результате чего получится одинаковое изменение интенсивности сигнала на всей его протяженности, то есть усиление или ослабление, либо изменяя амплитуду сигнала по какому-то закону, то есть умножая амплитуду сигнала на модулирующую функцию. Последний процесс называется амплитудной модуляцией.
Спектральные (частотные) преобразования. Такие преобразования выполняются над частотными составляющими звука. Фактически сигнал представляется рядом Фурье, то есть раскладывается на простейшие синусоидальные колебания различных частот и амплитуд. Затем производится обработка необходимых частотных составляющих (например, фильтрация) и обратная свертка. В отличие от амплитудных преобразований, эта процедура значительно более сложная в исполнении, так как сам процесс разложения звука на простейшие синусоидальные колебания очень трудоемок.
Фазовые преобразования. Выполняются либо путем постоянного сдвига фазы сигнала, либо путем наложения некоторой фазомодулирующей функции. Такие преобразования, например, стерео сигнала, позволяют реализовать эффект вращения или "объёмности" звука.
Временные преобразования. Реализуются путем наложения на сигнал одной или нескольких его копий, сдвинутых во времени. Позволяют создать эффекты эха или хора. Кроме того, временные преобразования могут влиять на пространственные характеристики звука.
Формантные преобразования. Выполняются над формантами - усиленными участками спектра звука. Применительно к звуку, сформированному речевым аппаратом человека, изменяя параметры формант, фактически можно изменять восприятие тембра и высоты голоса.
Фильтрация звука. К фильтрации прибегают в случаях, когда необходимо ограничить или изменить спектр звукового сигнала в каком-то определенном частотном диапазоне. Путем фильтрации звука, можно избавиться, например, от нежелательных шумов или помех, подавить определенные частотные полосы. Существует и еще один немаловажный аспект применения фильтрации. Часто устройства, с помощью которых производится запись и преобразования звуковых сигналов, имеют нелинейную зависимость амплитуды от частоты сигнала. Это означает, что при записи одни частотные составляющие звука могут быть завышены, а другие занижены. Фильтрация позволяет нормализовать частотные составляющие в необходимом диапазоне.
Таким образом, фильтрацию сигналов можно в целом классифицировать следующим образом:
- фильтрация, в результате которой происходит усиление или ослабление отдельных частотных составляющих спектра;
- полное подавление частотных составляющих в определенной полосе частот.
Фильтрация реализуется с помощью различных устройств и алгоритмов. Одним из наиболее известных фильтрующих устройств является эквалайзер. Эквалайзер позволяет регулировать (усиливать или ослаблять) уровень частотных составляющих в определенной полосе частот, тем самым фактически регулируя тембр звука. Применительно к компьютерной технике, аппаратная реализация фильтрующих устройств в достаточной степени затруднена, так как процесс фильтрации предполагает разложение сигнала в ряд Фурье, что является математически трудоемкой операцией. Однако реализацию фильтров той или иной сложности можно найти в цифровых сигнальных процессорах (DSP - Digital Signal Processor), используемых в профессиональной и полупрофессиональной музыкальной аппаратуре (хотя в последнее время это утверждение стало частично относиться также и к бытовым звуковым устройствам). Фильтрация находит реализацию и в различном программном обеспечении, предназначенном для обработки звука. В таком случае процессы фильтрации чаще всего происходят не в реальном времени.
3 методы решения поставленной задачи
В данном курсовом проекте реализованы методы, основанные на использовании задержки, а также основанные на частотном преобразовании. Рассмотрим подробнее данные методы.
3.1 Однократная задержка сигнала
Одним из самых распространенных классов являются звуковые эффекты, основанные на задержке сигнала. В реальной ситуации задержка звукового сигнала может возникнуть при отражении звуковой волны от твердой преграды, например, от стены. Величину возникающей при этом задержки легко определить, зная пройденный звуковой волной путь и учитывая, что скорость звука на уровне моря можно считать равной 330 м/с. Таким образом, за одну миллисекунду звуковая волна проходит 33 сантиметра. Для расчетов удобнее помнить, что один метр она проходит за 3 мс.
Рассмотрим сначала реализацию однократного отражения звуковой волны. Этот простой эффект является базовым для реализации более сложных эффектов, таких, как имитация реверберации и хора.
Как уже говорилось выше, отражение звуковой волны от твердой преграды приводит к появлению в точке регистрации задержанной версии излучаемого сигнала. До появления цифровых процессоров обработки сигнала и других цифровых устройств для задержки основного сигнала использовались специальные магнитофоны с несколькими подвижными головками. При цифровой реализации линии задержки входной аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму, записывается в циклический или любой другой буфер задержки, и сигнал с выхода этого буфера задержки преобразуется обратно в аналоговую форму и воспроизводится.
Блок-схема реализации однократной задержки звукового сигнала приведена на рисунке 3.1.1
Рисунок 3.1.1 - Блок-схема реализации однократной задержки звукового сигнала
Входной сигнал х(п) одновременно поступает на линию задержки и на сумматор, формирующий выходной сигнал. Задержанный на величину D сигнал х(п) умножается на масштабный коэффициент а и также поступает на сумматор, формирующий выходной сигнал. Преобразования, осуществляемые данной схемой, могут быть выражены следующей формулой:
. (3.1.1)Данная схема является линейным фильтром с передаточной функцией:
. (3.1.2)