Студийная Обработка Звука на ПК в Реальном Времени
"Магнитооптический рекордер в паре с АЦП на лампах мог
бы составить конкуренцию аналоговым студиям звукозаписи". Class A, Hi-Fi, Hi End Audio,
Март 1998, стр. 16.
Сегодня цифровая технология обработки звука стремительно вытесняет
аналоговые системы даже из святая
святых аудиофильского сообщества, из студий
звукозаписи. Выше приведена цитата из российского журнала аудиофилов
(лампоманов?), убедительно подтверждающая это.
Правда, мне, как человеку всю жизнь занимающемуся цифровой техникой, с трудом
верится в существование "АЦП на лампах" . Следующим
шагом в развитии звукозаписи похоже становится тотальная компьютеризация,
итогом которой будет полная виртуализация студий звукозаписи.
Студии звукозаписи 80-х и 90-х.
Сегодня типичная мало и
средне бюджетная студия звукозаписи предлагает к использованию различные
музыкальные инструменты, ударные, синтезаторы, гитары и "примочки"
(синтезаторы, эффекторы, дистошн, фуз
и др.) к ним, микрофоны, аналоговые, часто ламповые, предусилители
и усилители мощности, колонки и мониторы, микшерский пульт,
многоканальный магнитофон и устройства звукообработки.
Микшерский пульт предназначен для коммутации
сигналов, приходящих от электромузыкальных инструментов и микрофонных предусилителей, подачи сигналов с одного устройства на
другое, регулирования уровней сигналов, суммирования сигналов от разных
устройств и подачи результирующих сигналов на многоканальный магнитофон,
цифровой рекордер и на мониторы (и/или стерео телефоны) музыкантов и
звукорежиссера (естественно через усилители мощности). Типичный не слишком
дорогой микшерский пульт имеет 24 независимых входа, 8..16 независимых каналов
регулировок параметров сигналов, 16..24 линейных выхода. Современные цифровые многоканальные
магнитофоны позволяют записывать 16..48 независимых каналов в формате
24 бита 48 Кгц. Устройства обработки звука
представлены как правило аналого-цифровыми
ревербераторами/делэями/хорусами
(АЦП, обработка в цифре, ЦАП), приборами изменяющими динамический диапазон
сигналов (компрессор, экспандеры, шумоподавители),
регуляторами АЧХ (эквалайзеры).
Аппаратный цифровой гитарный процессор DigiTech
Особая статья - это обработка сигналов электрогитары. В этом случае цель - не
"полировка" звука, а его создание! Хорошо известно, что прямая запись
электрических сигналов со звукоснимателей гитары дает плоский,
"бедный" звук, не идущий ни в какое сравнение с тем, что вы слышите
на концертах или CD известных рок/поп исполнителей. Для
формирования более или менее профессионального гитарного "саунда" в студии необходимо собрать примерно такую
цепочку из аналоговых и цифроаналоговых устройств: сигнал с гитары подается на
ламповый предусилитель, далее поступает на
транзисторный или ламповый дистошн/сустайн/компрессор/эквалайзер, затем на гитарный процессор
с качественным рвербератором/хорусом/вау/делэй/флэнжэром,
далее на гитарный ламповый усилитель мощности, гитарные колонки. Звук
гитарных колонок снова превращается в электрический сигнал с помощью
микрофонов. И только после этого сигнал подается на микшерский пульт, мониторы
и на магнитофон.
Современный Аппаратный Микшерский Пульт
Рис. 1 Микшерский пульт Panasonic DA7.
Рассмотрим в качестве типичного современного цифро-аналогового
микшерского пульта устройство DA7 фирмы Panasonic.
DA7 имеет 16 каналов. Из них 8 высококачественных микрофонных с разъемами XLR и
фантомным питанием (пока таких вещей на звуковых картах для ПК мне встречать
не приходилось!). Также имеется 16 цифровых входов/выходов для подключения,
например, цифровых магнитофонов или цифровых входов/выходов звуковых карт типа Turtle Beach Pinnacle
или SBLive. Цифровые данные могут быть в форматах
AES/EBU или S/PDIF. Регулировки и обработка сигналов в реальном времени
осуществляется мощным 32-битным процессором (тип не разглашается). Доступны
эффекты - эквалайзер, компрессор, ревербератор и хорус.
Задержка сигнала между входами и выходами DA7 составляет 2.5
мс (сравните с обычными для многих программ для Windows
20..30 мс!) Привлекает внимание наличие довольно большого для микшерских
пультов жидкокристаллического дисплея. Это делает DA7 похожим на огромный J
лэптоп или ноутбук, у которого вместо клавиатуры разные кнопочки и ползунки. А
вот "мышки" то и нет! Хотя что-то вроде трекбола имеется.
Многоканальные Устройства Записи на Жесткий Диск
Как ни странно, но Многоканальные Устройства Записи на Жесткий
Диск - это вовсе не персональные компьютеры под управлением Windows 95/98/NT. Существует и даже развивается (никак
не пойму, почему они не вымерли и кто ими пользуется?!) особый класс таких
студийных устройств. Рассмотрим для примера прибор фирмы Roland
VS-1680 Multitrack Digital Workstation. По сути это
альтернативный винтеловскому персональный компьютер
со своеобразной (если не сказать доморощенной роландовской)
операционной системой (а почему бы ни использовать Windows
CE?!), мощным процессором, прекрасной 20-битной десятиканальной звуковой
картой, жестким диском большой емкости и жидкокристаллическим дисплеем.
Рис. 2 Roland VS-1680.
VS-1680 предназначен для записи,
редактирования, микширования и мастеринга. Имеются
256 цифровых дорожек в 16-ти каталогах (аналоги WAV файлов) на жестком диске,
цифровой микшерский пульт, имеющий 10 входов (XLR с фантомным питанием для
микрофонов, обычные джеки, S/PDIF), 12 выходов и 8-ми
канальный процессор звуковых эффектов, а также 3-х-полосный эквалайзер. Возможна
миди синхронизация с внешними секвенсорами. К сожалению, к Интернету эту штуку
не подключить L , хотя стоит она $2400.
Студийные Аппаратно-Программные Комплексы Обработки
Звука на базе IBM-PC
Обычно такие системы в среде звукорежиссеров называют "цифровыми
рабочими аудиостанциями". Рассмотрим для примера
устройство SSHDR1 Plus фирмы Soundscape.
SSHDR1 Plus предназначена
для цифровой многоканальной (восемь 20-битных АЦП/ЦАП фирмы Crystall)
записи/воспроизведения на встроенный жесткий диск, обработки звука во
время озвучивания видеопрограмм и монтажа выпусков новостей в радиовещании,
синхронизации звука и изображения. Отношения сигнал/шум после АЦП - 93 дБ, на
выходе ЦАП - не менее 112 дБ. Вся цифровая сигнальная обработка и цифровое
микширование проводятся на аппаратном уровне встроенными
DSP и абсолютно не зависят от быстродействия управляющего персонального
компьютера. Достаточно иметь ПК 486DX2-66 МГц с оперативной памятью 16 Мбайт.
Каждый из 10-ти каналов (и все одновременно) могут обрабатываться (в реальном
времени) эффектами эквалайзер, компрессия, реверберация, хорус,
флэнжер, шумоподавитель, pitch-shifter и time-stretch. В
отличие от Многоканальных Устройств Записи на Жесткий Диск студийные
аппаратно-программные комплексы не являются независимыми устройствами.
Они полностью управляются с персонального компьютера, на котором реализован
пользовательский графический интерфейс в виде программы для Windows
95/98/NT. Оцифрованные данные обрабатываются процессорами комплекса, а не ПК.
Хранятся данные на встроенном жестком диске устройства, а не на винчестере
персонального компьютера (хотя при необходимости и могут быть переписаны на
ПК).
Студийные Программно-Аппаратные Комплексы Обработки
Звука на базе IBM-PC
Студийные программно-аппаратные комплексы обработки
звука характеризуются глубокой интеграцией с аппаратной частью персонального
компьютера и тесным взаимодействием с операционной системой Windows
95/98/NT как на уровне виртуальных драйверов (VxD или
sys), так и графического пользовательского
интерфейса. Программно-аппаратные комплексы обработки звука
обычно состоят из многоканальной звуковой карты с цифровыми процессорами
обработки сигналов (ЦПОС или DSP), вставляемой в
слот шины ISA или PCI персонального компьютера, драйверов и программы
графического интерфейса пользователя (GUI). Обработка звука может
осуществляться как с помощью DSP, так и с использованием вычислительных
ресурсов центрального процессора персонального компьютера (CPU - central processing unit) или с помощью того и другого одновременно. Оцифрованные
звуковые сигналы хранятся на жестком диске персонального компьютера в виде
стандартных файлов. В "Подводной Лодке" N2, 1999, стр. 36-42 были
рассмотрены звуковые карты SBLive! (Creative Technology, Ltd.), Montego A3Dxstream (Turtle Beach Systems),
Sound Track 128 DDMA Ruby (Hoontech) и Guillemont Maxi Sound
Dynamic 3D (Guillemot International). Эти звуковые карты и прилагающееся к ним
программное обеспечение вполне подпадают под определение "программно-аппаратные
комплексы обработки звука". Однако в среде профессиональных
музыкантов, ориентированных на применение персонального компьютера, большим
авторитетом пользуются системы на основе Session8 (Digidesign,
ISA) и Pulsar (Creamware,
PCI). Для примера рассмотрим изделие Pulsar
фирмы Creamware.
Аппаратная
часть имеет два ADAT входа и два ADAT выхода, S/PDIF вход и выход, два
24-битных (!) АЦП, два 20-битных ЦАП с частотой дискретизации до 96 Кгц, аналоговый 20-ти канальный микшер, миди интерфейсы, 4
мощнейших 32-битных DSP SHARC фирмы Analog Deivices (каждый сопоставим по вычислительной мощности на
задачах обработки сигналов с Pentium2/500 Мгц),
разъем под PCI. Программная часть состоит из драйверов для Windows,
драйверов для CUBASE VST (так называемые ASIO-драйвера), виртуального
32-канального микшерского пульта (GUI под Windows
95/98/NT), обеспечивающего управление аппаратной частью, наложение эффектов
реверберации, хоруса, флэнжера,
шумоподавителя, эквалайзера, эксайтера,
компрессора/экспандера и многих других. Причем звук может обрабатываться чисто
программно как процессорами DSP, так и центральным процессором. Возможно
сочетание аппаратной и программной обработки. Пользовательский интерфейс,
реализованный как обычная программа для Windows, на
мой взгляд слишком натуралистичен. Его внешний вид слишком
похож на внешний вид аппаратного микшерского пульта. Чрезмерное обилие
всяческих красиво нарисованных ручечек,
светодиодиков, соединительных кабелей, переключателей
и т.д. быстро утомляет мои глаза, привыкшие к единообразным
строгим и аккуратным стандартным "виндовским"
buttons и sliders.
Виртуальные (чисто программные) Комплексы Обработки Звука
"…соориентированы в основном на
звукоинженеров, которые хотят иметь качественный звук, но не имеют
денег… такие люди составляют большинство…" IN/OUT (Техника в
Шоу Бизненсе), N28, 1999, стр. 64.
Персональный компьютер, оснащенный многоканальной звуковой картой
(или несколькими обычными стерео), с успехом может заменить
реальный микшерский пульт, устройства обработки и наложения
звуковых эффектов и цифровой многоканальный магнитофон. Звукозаписывающая
система на ПК имеет одно неоспоримое преимущество. Она полностью свободна от джитера.
Виртуальный микшерский пульт Samplitude.
Существует несколько программ, реализующих в реальном времени под Windows 95/98/NT виртуальный микшерский пульт и
программное наложение звуковых эффектов. Это
Digital Orcestrator (Voyetra), Samplitude, Cubasis, Cubase VST (Steinberg),
N-Track (shareware), CoolEdit Pro (Sinthrilium), CakeWalk и
ACID. Бурно
развивается индустрия так называемых программных plug-in, использующих современные технологии
программирования под Windows 95/98/NT ActiveX/DirectX. Очень интересна
условно-бесплатная программа N-Track,
способная без проблем записывать и воспроизводить 6..8 каналов (треков)
на обычном Pentium 200 MMX с
обычным IDE жестким диском. Виртуальный микшерский пульт позволяет в реальном
времени сводить все дорожки в стерео трек с одновременным наложением на каждую
дорожку (трек) своего собственного набора эффектов из
доступных на данном ПК ActiveX plug-in.
Возможно наложение эффектов и на суммарный стерео
канал (мастер-трек). Очень удобным мне показался способ, который используется в
N-Track для временного сдвига треков относительно
друг друга. Просто цепляешь мышкой любую дорожу и
передвигаешь ее по оси X.
Программный микшерский пульт реального времени N-Track.
Программные Эффекты Обработки Звука в Реальном Времени
Благодаря внушительной вычислительной мощности процессоров Pentium 200..500 Мгц современный ibm-pc совместимый персональный компьютер довольно неплохо
справляется с обработкой оцифрованных звуковых сигналов в реальном времени.
Наиболее часто используется в студиях звукозаписи эффект реверберации. С
помощью этого эффекта "оживляются" фонограммы, сделанные в
заглушенных помещениях (заглушенные комнаты при записи используются с целью
увеличения отношения сигнал/шум). Долгое время в среде звукорежиссеров
считалось, что аппаратные ревербераторы значительно превосходят по качеству
звука программные реализации этих устройств. Сегодня положение резко
изменилось. Сразу несколько грандов мира аппаратных студийных устройств
обработки звука наконец-то обратили свое внимание на рынок программных
продуктов для Windows. Виртуальные ревербераторы
высочайшего студийного качества выпустили TC Electronics
и Lexicon.
Программный ревербератор Lexicon
Программный ревербератор TC Electronics
Хочу также отметить программный ревербератор фирмы Waves. Он не имеет аппаратного предшественника, однако его
алгоритмы просто великолепны! Подтверждением этого является лицензионное
соглашение между Microsoft и Waves.
Вполне вероятно, что технологические достижения Waves
в области программного наложения в реальном времени на звуковые сигналы эффекта
реверберации будут встроены либо в Windows 2000, либо
в DirectX 7.0. Практически для любого аппаратного
устройства обработки звука (компрессор, экспандер, эквалайзер, эксайтер, подавитель шума, флэнжер,
фэйзер и др.) сегодня можно найти программный аналог.
Взрывному увеличению количества программного обеспечения для обработки звука
весьма способствует насаждаемая (внедряемая) Microsoft
технология построения программных систем под названием ActiveX/DirectX/DirectSound. Эта
технология позволяет создавать специального вида dll
или программные модули, содержащие программно реализованные алгоритмы обработки
звука. Эти модули имеют стандартизованные интерфейсные процедуры, что позволяет
любой другой программе, признающей ActiveX/DirectX за стандарт, использовать любой такой модуль для
обработки своих данных. Не совсем понятно, почему такая шумиха поднялась именно
вокруг ActiveX/DirectX.
Совершенно аналогичными возможностями уже несколько лет обладала встроенная в Windows 95 подсистема ACM драйверов. Но
так или иначе сегодня все сориентировано на ActiveX/DirectX. Конечно, качество программных версий звукообрабатывающих устройств далеко не всегда приближается
по качеству звука к аппаратному прототипу. Иногда, программные средства, как в
случае с системами шумоподавления, работают лучше. Иногда хуже.
Используй ПК как Гитарный Процессор
Особенно сложную проблему представляет собой программное
моделирование в реальном времени аппаратных средств обработки сигнала
электрогитары. Связано это с тем, что в аналоговых студиях звукозаписи
для получения профессионального гитарного звука электрический сигнал в
обязательном порядке проходит многостадийную обработку примерно в такой
последовательности - ламповый предусилитель,
транзисторный или ламповый дистошн, сустайн, компрессор, эквалайзер, рвербератор,
хорус, вау, делэй, флэнжэр, ламповый
усилитель мощности, гитарные колонки, микрофон, микшерский пульт, магнитофон.
Рассмотрим более подробно обработку гитарного сигнала на примере рок-групп Metalica и Garbage. В соответствии с интервью James
Hetfield (Metallica's)
журналу Guitar Player (http://www.guitarplayer.com/),
набор гитариста должен состоять из следующей аппаратуры - дистошн-овердрайвер
Ibanez TS-9 Tube Screamer или SansAmp
Classic, подавитель шума, усилитель мощности Marshall или Mesa Boogie, колонки с динамиками Celestion,
микрофон Shure-57. В результате получается классический гитарный звук,
образцы которого в формате MP3 можно скачать из Интернет по адресу www.geocities.com/SiliconValley/Pines/7899.
Основатель "Garbage" Батч
Виг (продьюсер альбомов "Nevermind"
группы Nirvana и "Siamese
Dream" группы Smashing
Pumkins) применяет при созданиие
музыкальных произведений аналоговые устройства и цифровые аппаратные
и программные средства. В его студии используются микшерский пульт Trident 80C, аналоговый многодорожечный магнитофон Studer A827, цифровая компьютерная 48-канальная система
звукозаписи и обработки Digidesign ProTools, АЦП Apogee AD-1000. Батч рекомендует на первой стадии обрабатывать гитарный
сигнал аналоговыми эффектами и добавлять реверберацию и шумовые эффекты
цифровыми методами. Также Батч часто применяет в
своей работе метод многократного наложения эффектов. Например
гитарный сигнал, записанный на первую дорожку цифрового виртуального
(программного) магнитофона обрабатывается в цифре эффектом хорус
(ProTools), затем подается на ЦАП, далее уже в
аналоговом виде обрабатывается аналоговым дистошн (SansAmp, WayHuge, TS-9), вновь
преобразуется в цифру с помощью АЦП и записывается цифровым магнитофоном.
"И гоняем так сигнал взад-вперед до тех пор, пока он не зазвучит так, как
надо" - IN/OUT, N28, 1999, стр. 29. Видимо, для получения подобного
"аналогового" гитарного звука чисто программным путем необходимо
создать цифровые модели всех устройств в цепочке. И работать эти модели должны
в реальном времени! Да, это непростая задача. Однако,
последнее время в Интернет стали появляться как отдельные программные гитарные
эффекты и блоки обработки, так и полнофункциональные виртуальные программные
гитарные процессоры (новейшие версии на www.geocities.com/SiliconValley/Pines/7899).
Например, программа AEP 1.08 оснащена эффектами ревербератор, хорус, флэнжер, дистошн, подавитель шума и перестраивающиеся фильтры низких
и высоких частот. Программа Гитарного Процессора GuitarFX v2.4 особенно хорошо работает со
звуковыми картами от Creative Labs
SoundBlaster-16 и AWE32/64.
Программный цифровой гитарный процессор AEP 1.08
Программы Лучше!
Совершенно невероятным может показаться то, что в ряде областей
обработки звука чисто программные средства обогнали студийную аппаратуру! Но
это так и этому есть логичное объяснение. Во-первых, процессор Pentium 3 превосходит по вычислительной мощности многие
аппаратные или использующие DSP студийные устройства, что позволяет программно
и в реальном времени обрабатывать звуковые сигналы с помощью достаточно "навороченных" алгоритмов. Во-вторых, цикл
разработки от идеи до законченного (пусть даже и виртуального) устройства для
индустрии software требует во много раз меньше
времени и инвестиций, чем аналогичный процесс создание реальной
аппаратуры. Разработчик программ имеет возможность полностью сконцентрироваться
на качестве алгоритмов, а не на вопросах проектирования "железа". Это
позволяет достигать разработчикам виртуальных устройств обработки звуковых
сигналов весьма впечатляющих результатов.
Программный 32 полосный эквалайзер K.Witzeka
Программный 128 полосный эквалайзер фирмы Steinberg
В-третьих: современные программные средства, работающие под Windows, как правило, имеют Графический Пользовательский
Интерфейс (GUI), а, попросту говоря, прекрасно оформлены в цвете и с
применением трехмерной графики (shareware естественно
оформлены попроще) и с ними просто приятно работать (чего не скажешь о
студийной аппаратуре с малюсенькими черно-белыми LCD дисплейчиками). В-четвертых: некоторые
алгоритмы обработки звука мне удалось обнаружить реализованными только в виде
программ для ПК. Например, деконволвер,
устраняющий чрезмерное эхо и реверберацию из звукового сигнала, или
великолепный декликер, убирающий щелчки из старых
записей на "виниле", существуют только в виде программ для ПК,
разработанных фирмой ProSonic с применением
технологии нейронных сетей. Также что-то я не встречал студийных
аппаратных 8-ми канальных 128-ми полосных эквалайзеров! А с помощью, например,
условно-бесплатной программы N-Track и соответствующего ActiveX plug-in такое устройство (виртуальное) можно собрать за
несколько минут. Ничего не слышно и об аппаратных микшерских пультах,
поддерживающих трехмерное (по технологии объемного звука 3DSound, A3D или
другой) сведение фонограмм. А ведь на персональном компьютере объемный звук -
это просто стандарт "де-факто".
Виртуальный микшерский пульт объемного звука по технологии A3D
