Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Відновлення та реконструкція звукового сигналу у фонограмах раритетних носіїв запису

Скачати 117.12 Kb.

Відновлення та реконструкція звукового сигналу у фонограмах раритетних носіїв запису




Скачати 117.12 Kb.
Сторінка1/2
Дата конвертації05.05.2017
Розмір117.12 Kb.
  1   2


УДК 534.41; 004.4; 681.84
I. В. Косяк

Інститут проблем реєстрації інформації НАН України

вул. М. Шпака, 2, 03113 Київ, Україна

Відновлення та реконструкція звукового сигналу

у фонограмах раритетних носіїв запису

Запропоновано алгоритм цифрової обробки звукових сигналів, зчитаних з фоноциліндрів, і проведено оцінку впливу виконання процедур відновлення. Досліджено наявність викривлення звуку в фонограмах та класифіковано види існуючих у них перешкод.


Ключові слова: перешкоди, викривлення, фонограма, фоноциліндр, звуковий сигнал.
Вступ

З часу винаходу Т. Едісоном фонографа, завдяки його використанню для запису звуку, у світі накопичилася величезна кількість фонографічних циліндрів. Зокрема, в Україні близько 2000 одиниць [1, 3] зберігаються у відомих культурних закладах, не враховуючи приватних колекцій. За допомогою створеної в Інституті проблем реєстрації інформації НАН України системи неруйнівного відтворення звуку з фонографічних циліндрів [2], з’явилася можливість перезапису їх на сучасні носії, забезпечивши тим самим доступ до безцінних зразків звукової культурної спадщини дослідникам, аматорам і знавцям народної творчості.

Культу́рна спа́дщина - сукупність успадкованих людством від попередніх поколінь об'єктів культурної спадщини, результат духовної і матеріальної діяльності. 1963 року створена загальноєвропейська федерація Europa Nostra з метою популяризації і захисту культурної спадщини та природного середовища Європи.

Більшість записів фонограм мають низьку якість звучання, що обмежує їх введення до наукового обігу та унеможливлює доступ широкому колу шанувальників музичної культурної спадщини. В зв’язку з цим, вирішення задачі відновлення та реконструкції звукового сигналу з метою поліпшення якості відтворення стає актуальною.

Викривлені спектри первісних звуків, невелике співвідношення сигнал-шум, великі зміни в швидкостях запису, імпульсні перешкоди, шуми різнобічного характеру є характерними ознаками звукових сигналів, зчитаних з фонографічних циліндрів.

Звук Звук - коливальний рух частинок пружного середовища, що поширюється у вигляді хвиль у газі, рідині чи твердому тілі. У вузькому значенні терміном звук визначають коливання, які сприймаються органами чуття людини.
Найбільшу небезпеку для інформаційної поверхні циліндра представляють мікроорганізми і багаторазове зчитування на фонографі, пов’язане з великим тиском на поверхню циліндра [3]. На рис. 1 зображені в збільшеному масштабі звукові канавки фоноциліндрів з типовими ушкодженнями поверхні. На рис. 2, а,в представлені поперечні профілі якісних і ушкоджених звукових канавок, а на рис. 2, б,г відповідно їм їх тривимірні зображення, отримані за допомогою сканування


© І. В. Косяк

електронним мікроскопом. Порівняння на рис. 2 дає нам уявлення про достатньо значні ушкодження, до яких призводять мікроорганізми і багаторазове зчитування. Окрім викривлень, викликаних механічним ушкодженням поверхні та довготерміновим зберіганням, існують викривлення, що викликали деградацію сигналу ще в момент запису. Більшість фонографічних циліндрів записані поза студією на портативних фонографах, рушійні механізми яких були далекі від досконалості, а тому мали підвищену нерівномірність швидкості обертання та збільшений ексцентриситет. Ці відхилення рушійного механізму передавалися безпосередньо циліндру і викликали паразитну частотну модуляцію корисного сигналу — детонацію.

Часто́тна модуля́ція (ЧМ, FM, англ. Frequency modulation) - тип аналогової модуляції, за якого частота вихідного сигналу змінюється у часі залежно від миттєвого значення інформаційного сигналу, тобто інформаційний сигнал керує частотою опорного сигналу.
Обертові деталі рушійного механізму додатково викликали низькочастотну перешкоду, яка, додаючись до корисного сигналу в момент запису, також приводила до викривлення сигналу.


Р
ис. 1. Зображення поверхні фоноциліндрів: а) фоноциліндр відмінної якості, виготовлений за допомогою штампу; б) ушкодження звукових канавок від багаторазового зчитування на фонографі; в) фрагментарне ушкодження цвіллю; г) ушкодження мікроорганізмами усієї поверхні

Види перешкод

Викривлення звуку, які присутні у сигналах, зчитаних з фонографічних циліндрів, можна розділити на дві групи: локальні та глобальні. До локальних викривлень сигналу відносяться різні імпульсні перешкоди — клацання, потріскування. Глобальні викривлення сигналу включають до себе широкосмуговий шум, низькочастотний шум (рокіт), детонацію і нелінійні викривлення.





Рис. 2. Зображення звукових канавок (розмірність осей виражена в мкм): а) поперечний профіль звукових канавок; б) тривимірний профіль звукових канавок; в) поперечний профіль ушкоджених звукових канавок; г) тривимірний профіль ушкоджених звукових канавок


Для досягнення бажаних результатів при відновленні сигналів, присутні у фонограмах викривлення звуку, насамперед, необхідно класифікувати й розділити за тривалістю та частотою.

Аналіз багатьох відтворених з фоноциліндрів фонограм показав, що в переважній більшості присутні найбільш характерні перешкоди таких видів:

широкосмуговий поверхневий шум: виникає через шорсткість поверхні, подряпини, пил, плісняву і являє собою випадковий, адитивний фон, який має істотно важливі складові у всьому діапазоні звукових частот;

частотні викривлення: зумовлені, в першу чергу, формою та розмірами металевого рупора, який використовувався разом із закріпленою у ньому мембраною як перетворювач звукових коливань повітря у механічні коливання записуючої голки;

Шорсткість поверхні Шо́рсткість пове́рхні - характеристика нерівностей, виражена у числових величинах, що визначають ступінь їхнього відхилення на базовій довжині від теоретично гладких поверхонь заданої геометричної форми.
Колива́ння- специфічні рухи або зміни стану систем різної фізичної природи, для яких спостерігається певна повторюванність в часі. Якщо це відбувається через однаковий проміжок часу - період Т, то коливання називають періодичними.
Аку́стика (від грец. ακουστικός - чутний, такий, що сприймається на слух), у вузькому значенні слова - вчення про звук, тобто про пружні коливання та хвилі у газах, рідинах і твердих тілах, чутних людським вухом (частоти таких коливань знаходяться у межах від 16 Гц до 20 кГц); у широкому сенсі - область фізики, що досліджує властивості пружних коливань та хвиль від найнижчих частот (умовно від 0 Гц) до гранично високих частот 1012 - 1013 Гц, їхньої взаємодії з речовиною і застосування одержаних знань для вирішення широкого кола інженерних проблем. Терміном акустика зараз також часто характеризують систему звуковідтворюючої апаратури.

короткі імпульсні перешкоди (клацання): виникають через механічні ушкодження поверхні фоноциліндра у формі подряпин, тріщин і представляють собою всі дефекти сигналу кінцевої тривалості, що займають випадкові положення у формі звукової хвилі. Їхня тривалість у звуковому сигналі може досягати 3 мсек;

низькочастотні імпульсні перешкоди (тріск): у випадку, коли тривалість імпульсних перешкод значно перевищує 3 мсек, їх можна віднести до типу низькочастотних імпульсних перешкод. Ця форма перешкод пов’язується з механічними ушкодженнями поверхні фоноциліндра у формі великих тріщин, сколів;

низькочастотний шум (рокіт): являє собою низькочастотну перешкоду, викликану обертовими деталями рушійного механізму записуючого пристрою фонографа;

нелінійні амплітудні викривлення: викликані, в першу чергу, дефектами в первісній системі реєстрації та ушкодженнями звукових канавок фоноциліндра при повторному відтворені звуку фонографом через великий тиск голки на достатньо м’яку поверхню фоноциліндра;

акустичні резонансні викривлення: небажаний акустичний резонанс, зумовлений виникненням відбиття сигналу в рупорі;

детонація: представляє собою зміни висоти тону у відтвореному сигналі через нерівномірність швидкості обертання, ексцентриситет, деформації форми фоноциліндра внаслідок неправильного довготривалого зберігання.


Алгоритм цифрової обробки сигналу

Сучасна обробка звукових сигналів пропонує різні способи поліпшення якості звучання від традиційної смугової фільтрації до особливо складних цифрових методів заглушення найрізноманітніших шумів й імпульсних перешкод.

Цифрова обробка сигналів (ЦОС - англ. digital signal processing, DSP) - перетворення сигналів, представлених у цифровій формі.
На сьогоднішній день цифрова обробка звукових сигналів майже витіснила аналогові методи, які мають великі обмеження і незначні можливості, і стала самостійною потужною технологією.

Аналіз практичних досліджень по відновленню і реконструкції звукових сигналів, зчитаних з фонографічних циліндрів, дозволив оцінити вплив на характеристики якості як послідовність виконання процедур обробки [4], так і ступінь їх застосування. Це дозволило узагальнити алгоритм цифрової обробки сигналу з метою раціонального використання програмних засобів для якісного відновлення фонограм.

Програмне забезпечення Програ́мне забезпе́чення (програ́мні за́соби) (ПЗ; англ. software) - сукупність програм системи обробки інформації і програмних документів, необхідних для експлуатації цих програм.
Отже, алгоритм цифрової обробки по відновленню й реконструкції звукового сигналу у фонограмах раритетних носіїв запису повинен виконуватись у такій послідовності:

  1. усунення коротких імпульсних перешкод;

  2. усунення низькочастотних імпульсних перешкод;

  3. усунення низькочастотного шуму — рокоту;

  4. усунення широкосмугового поверхневого шуму;

  5. вирівнювання частотної характеристики;
    Ампліту́дно-часто́тна характери́стика (АЧХ) - графік залежності амплітуди вихідного сигналу передавача від частоти вхідного сигналу сталої амплітуди.


  6. компенсація акустичних резонансних викривлень;

  7. вирівнювання амплітудної характеристики.

Будь-яка процедура обробки вносить свої коригування в сигнал у тій чи іншій мірі, і це треба враховувати при їх подальшому виконанні. Виконання процедур здійснюється в порядку зростання їх впливу на суттєві зміни реконструкції звукового сигналу.

Методи комп’ютерної обробки звукових сигналів ґрунтуються на принципах фільтрації й оцінювання параметрів по дискретній вибірці відліків сигналу.

Теорія оцінювання - це галузь статистики, яка вивчає способи оцінювання значень параметрів на основі емпіричних/виміряних даних, що мають випадкову складову. Ці параметри описують належне фізичне середовище таким чином, що їхні значення впливають на розподіл виміряних даних.
Обробка здійснюється на основі наближених математичних представлень. Ступінь наближення значною мірою визначається складністю алгоритмів комп’ютерної обробки в межах прийнятих моделей сигналу та шуму.

  1   2


Скачати 117.12 Kb.

  • Ключові слова
  • Алгоритм цифрової обробки сигналу