ALGORYTM POPRAWY JAKOŚCI BRZMIENIA ARCHIWALNYCH NAGRAŃ DŹWIĘKU NA NOŚNIKACH MAGNETYCZNYCH

Transkrypt

1 POZNN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY CDE MIC JOURNLS No 84 Electrcal Engneerng 2015 Potr KRDSZ* LGORYTM POPRWY JKOŚCI BRZMIENI RCHIWLNYCH NGRŃ DŹWIĘKU N NOŚNIKCH MGNETYCZNYCH rchwalne nagrana dźwęku na nośnkach magnetycznych o nskej jakośc charakteryzują sę wysokm pozomem szumów ogranczonym pasmem przenoszena dla sygnału użytecznego. Poneważ pozom składowych sygnału o wyższych częstotlwoścach jest w takch przypadkach nższy nż pozom szumów nośnka, proces redukcj szumu powoduje ch utratę. Problem ten dotyczy zarówno składowych sygnału o charakterze harmoncznym (dźwęk), jak stochastycznym (szmery). by przywrócć właścwe brzmene rekonstruowanego nagrana, składowe te pownny zostać odtworzone. Poneważ metody takej rekonstrukcj różną sę dla dźwęków szmerów, proponowany algorytm opera sę o podzał sygnału na składowe harmonczne stochastyczne. Tak uzyskane dwe częśc perwotnego sygnału mogą wtedy zostać poddane rekonstrukcj przy użycu metod dobranych nezależne dla każdej z nch. SŁOW KLUCZOWE: algorytm, nagrana archwalne, rekonstrukcja 1. WPROWDZENIE Dzsejsze nagrana dźwęku, dokonywane metodam cyfrowym, dysponują zarówno dużą dynamką, jak równeż pasmem przenoszena obejmującym pełny zakres częstotlwośc akustycznych. Dzęk zastosowanu zaawansowanych metod wykrywana naprawana błędów zapsu cyfrowego [1] są one odporne zarówno na uszkodzena nośnka, jak na proces welokrotnego odtwarzana. Cech takch ne posadają nagrana wykonane w technce analogowej. Nagrana tego rodzaju charakteryzują sę nedoskonałoścam, zwązanym zarówno z samym procesem analogowego zapsu odczytu, jak równeż z procesem degradacj tego rodzaju nośnków, zarówno zwązanym z procesem welokrotnego odtwarzana, jak równeż ze zjawskam powstającym w czase ch przechowywana. Nagrana na nośnkach magnetycznych podatne są na procesy rozmagnesowana na skutek dzałana zewnętrznych pól magnetycznych, zaś proces odtwarzana powoduje ścerane zewnętrznej warstwy nośnka [2]. Oba te * Poltechnka Bałostocka.

2 232 Potr Kardasz zjawska powodują w perwszej kolejnośc obnżene pozomu składowych o wysokch częstotlwoścach. W domowych archwach spotkać można nagrana, wykonane klkadzesąt lat temu sprzętem amatorskm o nskej jakośc. Nagrana take charakteryzują sę wysokm pozomem szumów oraz ogranczonym pasmem przenoszena. Składowe dźwęku o częstotlwoścach wyższych nż 2-3 khz zamaskowane są w nch szumem nośnka oraz wzmacnacza zapsu. Jednym z etapów procesu poprawy jakośc tego rodzaju nagrań jest redukcja szumów. Można jej dokonać poprzez podzał pasma akustycznego na wele podpasm tłumene tych, w których moc sygnału jest nższa nż założona wartość progowa. lgorytmy wykorzystujące tę metodę wymagają starannego doboru parametrów ch pracy, ale nawet najstarannejsze dostrojene takego algorytmu ne zapobegne utraty składowych harmoncznych znajdujących sę w tłumonych podpasmach. Otrzymuje sę w rezultace nagrane pozbawone szumów, ale także o głuchym brzmenu. by poprawć brzmene tego rodzaju nagrań, nezbędne jest przywrócene wysokoczęstotlwoścowych składowych sygnału dźwękowego. Zadane tego rodzaju ne jest proste ze względu na to, że nformacja o tych składowych została bezpowrotne stracona w procese redukcj szumów. Istneją algorytmy rekonstrukcj tego rodzaju nagrań oparte na znajomośc wdma nstrumentów oraz głosów ludzkch występujących w rekonstruowanym nagranu [3]. Informacje take ne zawsze są jednak osągalne, a szczegóły tego rodzaju metod ne są na ogół dostępne. Muzycy wyróżnają w utworze muzycznym dźwęk szmery [4]. Dźwęk są sygnałam harmoncznym o wdme w postac prążków odpowadających poszczególnym harmoncznym ch częstotlwośc podstawowej. Szmery, będące sygnałam o charakterze stochastycznym, mają wdmo cągłe. Ze względu na to proces uzupełnana sygnału dźwękowego o brakujące składowe wysokoczęstotlwoścowe będze mał nny charakter dla dźwęków dla szmerów. Wydaje sę węc celowe dokonane podzału sygnału dźwękowego na dwe częśc: harmonczną stochastyczną, a następne poddane tych częśc algorytmom poprawy brzmena, zaprojektowanym nezależne dla każdej z nch, z uwzględnenem ch specyfk. 2. CEL I ZKRES BDŃ Celem przeprowadzonych badań było zaprojektowane, mplementacja przetestowane dzałana prostej wersj algorytmu poprawy brzmena archwalnych nagrań na nośnkach magnetycznych. lgorytm tak pownen dokonać podzału sygnału dźwękowego na składowe harmonczne (dźwęk) stochastyczne (szmery), po czym dokonać syntezy brakujących składowych na

3 lgorytm poprawy jakośc brzmena archwalnych nagrań dźwęku podstawe analzy rekonstruowanego nagrana. W przypadku pozytywnych wynków testowana tego algorytmu, mógłby se on stać punktem wyjśca do opracowana bardzej zaawansowanych jego wersj. Został opracowany prosty algorytm tego rodzaju. lgorytm ten, w częśc dotyczącej składowych harmoncznych, został przetestowany przy użycu klku sygnałów testowych, w tym próbek rzeczywstych nagrań na taśme magnetycznej nagranych nskej jakośc sprzętem amatorskm. Została ocenona jakość dzałana algorytmu oraz możlwośc jego mplementacj dalszego udoskonalana. 3. DZIŁNIE LGORYTMU Perwszym etapem pracy proponowanego algorytmu jest rozdzelene składowych harmoncznych stochastycznych. by osągnąć ten cel, należy dokonać dentyfkacj składowych harmoncznych sygnału. W tym celu fragmenty sygnału o długośc 2048 próbek mnożone są przez funkcję okna typu sn 2 : 2 n f o ( n) sn ( ) (1) 2048 po czym tak przygotowany cąg próbek uzupełnany jest zeram w celu uzyskana cągu 2 18 próbek, poddawanych następne szybkej transformace Fourera [5]. Lczba 2 18 próbek pozwala na uzyskane rozdzelczośc częstotlwoścowej 0,168 Hz dla częstotlwośc próbkowana Hz została wybrana jako komproms pomędzy dokładnoścą dentyfkacj składowych, a szybkoścą pracy algorytmu. Następne poszukwane są maksma ampltudy, spośród których pozostawane są te, których wartość przekracza zadany przez użytkownka próg. Na podstawe tak otrzymanych danych przeprowadzana jest synteza sygnału harmoncznego M f Pn sn( 2 n ) (2) 0 Fp gdze P n jest wartoścą n-tej próbk, M jest lczbą maksmów wybranych w poprzednm etape, jest ampltudą -tego maksmum zaś φ jego przesunęcem w faze Sygnał, otrzymany w wynku syntezy jest następne odejmowany od perwotnego sygnału. W ten sposób otrzymuje sę dwa sygnały: perwszy, otrzymany w wynku syntezy, zawera składowe harmonczne, drug, otrzymany w wynku odejmowana, zawera pozostałą część perwotnego sygnału: składowe stochastyczne oraz składowe harmonczne o małej ampltudze. Spośród wszystkch maksmów odnalezonych w poprzednm etape badana wersja algorytmu szuka w kolejnym kroku maksmum globalnego. Określona zostaje jego ampltuda częstotlwość. Następne pośród pozostałych

4 234 Potr Kardasz maksmów poszukwane są te, które odpowadają drugej trzecej harmoncznej odnalezonej częstotlwośc. Określane są na ch podstawe dwa parametry: f d 2 (3) 2 f d 3 (4) gdze f jest ampltudą wybranej składowej (maksmum globalnego), zaś 2f 3f to ampltudy jej drugej trzecej harmoncznej; Parametr d 2 stosowany jest następne w celu syntezy parzystych harmoncznych, zaś d 3 w celu syntezy harmoncznych neparzystych. lgorytm pozwala na wybór jednej z dwóch metod określana ampltudy syntezowanych harmoncznych: 2 1 3d 3 (5) d 2 (6) 2 lub 3 f d3 (7) d2 2 (8) gdze 2+1 ampltuda harmoncznej neparzystej, 2 ampltuda harmoncznej parzystej. lgorytm pozwala równeż na wybór mnmalnej częstotlwośc powyżej której dokonywana będze synteza. Uzyskany w jej wynku sygnał dodawany jest do sygnału harmoncznego, stochastyczna część sygnału jest natomast poddawana fltracj, mającej za zadane skorygowane jej charakterystyk częstotlwoścowej w zakrese wysokch częstotlwośc. Parametry fltracj w testowanej wersj algorytmu zadawane są przez użytkownka. W ostatnm etape pracy algorytmu następuje sumowane częśc harmoncznej (z odtworzonym składowym) z poddaną fltracj częścą stochastyczną. 4. PRZEBIEG BDŃ Opracowany algorytm został przetestowany za pomocą przygotowanych w tym celu sygnałów testowych (tabela 1).

5 lgorytm poprawy jakośc brzmena archwalnych nagrań dźwęku Tabela 1. Sygnały testowe Lp. 1 2 Kształt prostokątny płokształtny 3 próbka muzyk nagrana sprzętem amatorskm (SNR<30 db) Sygnał Uwag Częstotlwość podstawowa 400 Hz, fltr dolnoprzepustowy 2,5 khz (rys. 1a) Częstotlwość podstawowa 400 Hz fltr dolnoprzepustowy 2,5 khz (rys. 2a) Ogranczone pasmo częstotlwośc (rys. 3a) Proste sygnały testowe mały za zadane sprawdzene poprawnośc dzałana algorytmu. Próbka muzyk została poddana dzałanu testowanego algorytmu, po czym wykonana została analza wdmowa oraz test odsłuchowy. a) b) Rys. 1. Wdmo sygnału testowego 1 przed (a) po (b) zastosowanu proponowanego algorytmu a) b) Rys. 2. Wdmo sygnału testowego 2 przed (a) po (b) zastosowanu proponowanego algorytmu a) b) Rys. 3. Wdmo sygnału testowego 3 przed (a) po (b) zastosowanu proponowanego algorytmu

6 236 Potr Kardasz 5. OCEN WYNIKÓW I KIERUNKI DLSZYCH BDŃ Badany algorytm został opracowany jako część paketu algorytmów mających za zadane rekonstrukcję archwalnych nagrań dźwęku. Dzała on poprawne dla prostych sygnałów testowych. Równeż próbka sygnału dźwękowego poddana dzałanu algorytmu wykazuje zauważalną poprawę brzmena. Testy wykonane na rzeczywstym nagranu pokazują jednak nedostatk badanego algorytmu. Odtwarza on bowem harmonczne tylko jednej składowej dźwęku o najwyższej ampltudze. Słyszalne są w tej sytuacj przeskok algorytmu, gdy podczas trwana nagrana zmena se stosunek ampltud dźwęków o różnych częstotlwoścach, składających sę na to nagrane. W tej sytuacj w celu uzyskana algorytmu przydatnego do pracy z archwalnym nagranam dźwęku należy opracować przetestować jego bardzej złożoną wersję, odtwarzającą harmonczne wększej lczby składowych rekonstruowanego nagrana oraz uwzględnającą w tym celu wększą lczbę dostępnych w orygnalnym sygnale danych. LITERTUR [1] Urbańsk B., Magnetofony gramofony cyfrowe, Wydawnctwa Komunkacj Łącznośc, Warszawa [2] Iwancka B., Koprowsk E., Kasety magnetofonowe magnetowdowe, Wydawnctwa Komunkacj Łącznośc, Warszawa [3] Sulkowska E., Walczak J. P., Rekonstrukcja nagrana Kathleen Ferrer z 1946 roku metodą SR. //2012/09/20/Rekonstrukcja_nagrana_Kathleen_Ferrer_z_1946_roku_metoda_ SR, dokument elektronczny, [4] Wesołowsk F, Zasady muzyk, Polske Wydawnctwo Muzyczne, Kraków, [5] Zelńsk T. P., Cyfrowe przetwarzane sygnałów, Wydawnctwa Komunkacj Łącznośc, Warszawa THE LGORITHM FOR THE SOUND QULITY IMPROVEMENT OF RCHIVL RECORDINGS ON THE MGNETIC MEDI The archval sound recordngs on magnetc meda, recorded wth low qualty equpment have hgh level of nose and lmted bandwdth for the useful sgnal. The level of hgh frequency sgnal components s lower than the medum nose, so they wll be lost after the nose reducton process. Ths problem affects both harmoncs components of the sgnal (sounds) and stochastc components (noses). These components should be then restored to mprove the qualty of the reconstructed sound recordng. Snce such reconstructon methods dffer for harmonc and stochastc components of the sgnal, the proposed algorthm s based on splttng ths sgnal nto harmonc and stochastc components. These t two parts of the orgnal sgnal can then be reconstructed usng methods selected ndependently for each of them.