Методические указания по использованию программы исследования статистических свойств сигнала звукового вещания «ESTIM»
.pdf1.Масштаб по оси значений. Значения ОСМк примерно в два раза меньше, следовательно, если для данного музыкального фрагмента при значении ОСМс равном 0,2 распределение ОСМс близко к экстремуму по частоте появления, то появление ОСМк, равного 0,2 — практически невозможное событие (см. рис.3.7).
2.Участок малых значений ОСМ (в красном круге). Если малые значения ОСМк встречаются достаточно часто, то появление малых значений ОСМс также маловероятно, как и появление больших значений. Это объясняется неравномерностью временной структуры фрагмента и особенностями нормировки двух видов ОСМ. ОСМс нормируется к локальному максимуму за время интеграции, что не позволяет «упасть» значению ОСМс.
Влияние энергетических параметров вещательного сигнала на
субъективную оценку его качества
Громкость (или энергия) сигнала остается основным критерием качества для среднестатистического слушателя.
В звукорежиссерской практике один из наиболее широко используемых терминов оценки – энергичность. Его предлагается определять на голосах великих певцов: Шаляпина, Карузо и др.
Энергичность объективно фиксируется изменением распределения канальных ОСМ (ОСМк).
Динамика (громкостная) - определяется динамическими контрастами,
динамическими оттенками. Для звучания симфонического оркестра - это яркость контраста в динамике звучания оркестра, а также их органичность для прослушиваемого отрывка музыкального произведения. Для певцов – это сохранение динамических оттенков в пении, то есть не очень больших, почти непрерывно следующих друг за другом музыкально выверенных изменений громкости
Динамика хорошо отображается энергетическими характеристиками сигнала ОСМк, ОСМс.
Полнота передачи эмоций звукорежиссерами оценивается на голосах великих певцов прошлого, мастеров бельканто: Карузо, Баттистини, Джильи и великих музыкантов более позднего периода: пианистов Горовица,
Гофмана, Рубинштейна, скрипачей Хейфеца и Шеринга.
Эмоциональное обеднение звучания происходит, прежде всего, в звеньях тракта, активно преобразующих параметры и объем сигнала. Гораздо хуже обстоит дело, когда тракт привносит в исполнение несвойственную ему ярко выраженную эмоциональную окраску: если такая окраска замечается слушателем, он начинает испытывать недоверие к каналу, шум,
сопровождающий сигнал начинает беспокоить слушателя.
Полнота передачи эмоций объективно оценивается, прежде всего,
изменением распределений ОСМс.
Параметры формы
При оценивании внесенных в сигнал изменений следует учитывать отсутствие соответствия между формой исходного и принятого сигнала, не воспринимаемое как искажение. Поэтому в качестве критерия оценки целесообразно использовать огибающую сигнала.
Определенные трудности вызывает формализация и единообразие синтеза огибающей широкополосного звукового сигнала, с помощью которой, собственно, и оценивается большинство параметров,
характеризующих результаты регулирования сигнала вещания. Наиболее приемлемым представляется использование строгого математического определения аналитической огибающей сигнала, сформированной с использованием колебания, сопряженного с исходным по Гильберту.
Понятия огибающей и мгновенной частоты вводятся для пары сигналов:
исходного s t и сопряженного с ним по Гильберту sˆ t , причем в мультипликативном гармоническом базисе преобразование имеет вид:
ˆ |
1 |
|
s |
(2.2 |
|
s t |
|
|
|
d |
|
|
t |
) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.3 |
1 |
|
s |
|
|
|
) |
||
s t |
|
ˆ |
|
|
|
|||
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
Преобразование |
Гильберта |
— |
распространенное |
линейное |
||||
преобразование сигналов: в спектральном представлении оно переводит сумму косинусоид в сумму синусоид с сохранением амплитуд и фазовых углов.Эта процедура в электрических цепях выполняется фазовращателем.
Сигналы s t и |
sˆ t имеют одинаковые амплитудные, но разные фазовые |
спектры: все |
спектральные составляющие сигнала sˆ t отстают от |
одноименных составляющих сигнала s t на 90o . Мощность обоих сигналов
одинакова. Преобразование Гильберта позволяет любой звуковой сигнал
(ЗС) представить произведением двух функций - огибающей и косинуса фазы:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
(2. |
|
s t A t cos t A t cos t dt , где |
||||||||||||
4) |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
ˆ |
2 |
t |
|
|
(2. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
A t s t s |
|
|
|
|
||||||||
t arctg |
sˆ t |
|
|
|
|
|
|
|
5) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
s t |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.6) |
|
Мгновенную частоту определяют как производную фазы: |
|
|||||||||||
t t |
s t sˆ t s t sˆ t |
|
(2. |
|||||||||
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
s |
2 |
|
ˆ 2 |
t |
|
||
|
|
|
|
|
|
t s |
7) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Искажение атаки в звуковом тракте ведет к неправильной передаче тембра, а к изменениям параметров затухания ухо малочувствительно [1], [4].
Чувствительность слуха к изменениям параметров звуковой атаки приведена на рис. 2.3, где показаны пороги заметности затягивания атаки в функции частоты основного тона для ряда музыкальных инструментов и порог заметности акцента (выброса) в функции его длительности [1].
Использование гильбертовской огибающей в системах обработки и измерений, несмотря на все ее преимущества, сдерживалось сложностью ее аппаратного или программного формирования. Развитие вычислительной
техники и разработка на кафедре РВиЭА оригинальных методов формирования ортогонального колебания [2] позволили использовать ее при оценке результатов регулирования уровня в канале передачи сигнала вещания.
а) |
б) |
|
|
Рис.2.3 Пороги заметности изменения параметров атаки |
|
|
звукового объекта |
|
|
а – пояснение затягивания и акцента атаки; |
|
|
б – пороги заметности затягивания атаки фортепьяно, |
|
|
щипковых (1) и смычковых (2) инструментов |
|
в) |
в – порог заметности акцента атаки в функции его |
|
длительности |
||
|
3. ОПИСАНИЕ ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОГО ИНТЕРФЕЙСА
Пользовательский интерфейс включает в себя ряд форм, представленных
ниже.
Рис.3.1. Главная форма Главная форма содержит следующие компоненты:
Кнопки ‘Синхронизация’, ‘ОСМ’ - обеспечивают переход в формы
‘Синхронизация’,‘Статистика уровней и ОСМ.
Кнопка ‘Оригинал / Обзор’ - обеспечивает доступ к диалогу выбора
‘Оригинального’ файла для последующей обработки.
Кнопка ‘Исследуемый / Обзор’ - обеспечивает доступ к диалогу выбора
‘Исследуемого’ файла для последующей обработки.
Кнопка ‘Выход’ - обеспечивает завершение выполнения программы.
Форма ‘Синхронизация’ представлена на двух рисунках в разных стадиях обработки. На рис. 3.2 ‘Синхронизация (разность)’ показано состояние после грубого подбора вручную. На рис. 3.3 ‘Синхронизация (свертка)’ показано состояние после точного вычисления смещения методом нахождения максимума свертки.
Необходимость временной синхронизации оригинального (исходного) и
исследуемого (прошедшего искажающий канал) сигналов определяется тем,
что современные каналы проводят адаптивную обработку сигнала с изменением его формы, а сравнение свойств отдельных звуковых объектов возможно возможно только при жесткой синхронизации исследуемых сигналов. Задача не тривиальная, так как в общем случае используется отрезок реальной программы не содержащий меток синхронизации, а сами метки, при их введении, так же разрушаются и смещаются в недопустимых пределах, например в формате МП3 фронт метки растягивается на 20 мс. В
используемом алгоритме синхронизации, после приблизительной установки начала исследуемых сигналов, точная синхронизация производиться автоматически по максимальному подобию сигналов.
Форма ‘Синхронизация’ содержит следующие компоненты:
Поле ввода числового значения ‘Авто/Начало’ – определяет начальный отсчет считывания из файла и дальнейшей обработки ‘Оригинального’ и ‘Исследуемого’ сигналов ЗВ.
Поле ввода числового значения ‘Авто/Длинна выборки’ – определяет длину (в отсчетах) выборок по которым производится обработка сигнала.
Значение поля Вычисление огибающей / Выборка’ должно быть кратно двум.
Рекомендуемое значение – не меньше 1024.
Рис. 3.2. Синхронизация (разность)
Поле вывода ‘Авто/Смещение’ - отображает точному смещение,
вычисленное по максимуму функции свертки.
Рис.3.3. Синхронизация (свертка)
Кнопка ‘Авто/Синхронизировать’ - обеспечивает ввод сигналов ЗВ из
‘Оригинального’и ‘Исследуемого’ файлов с учетом грубого смещения,
введенного в поле ‘Вручную / Смещение’; вычисление функции свертки;
нахождение максимума функции свертки, соответствующего точному смещению; отображение ‘Оригинального’и ‘Исследуемого’ сигналов и их свертки на графике (Рис. Синхронизация (свертка)).
Кнопка ‘Авто/Добавить’ – обеспечивает вычисление результирующего смещения из точной и грубой составляющих.
Поле ввода числового значения ‘Вручную/Смещение’ – обеспечивает ввод грубого смещения.
Кнопка ‘Вручную /Показать’ – обеспечивает вычисление функции разности ‘Оригинального’и ‘Исследуемого’ сигналов и разности с учетом грубого смещения, введенного в поле ‘Вручную/Смещение’. Это используется для грубого подбора смещения и позволяет исключить необходимость поиска глобального максимума среди множества локальных.
Форма ‘Статистика уровней’ представлена на рис. 3.4.
Рис. 3.4. Статистика уровней
Форма ‘Статистика уровней’ содержит следующие компоненты:
Переключатель ‘Относительный уровень, ОСМ сигнальные/канальные’ –
определяет тип вычисляемой функции.
Флаг ‘Дифференциальные’ – при расчете распределения уровней не используется.
Поле ввода числового значения ‘Ном. уровень’ – определяет уровень,
относительно которого производится вычисление.
Поле ввода числового значения ‘Интервал, с’ – определяет длину выборок по которым проводится вычисление, обычно 160-200 мс, что соответствует времени интеграции по громкости.
Поле ввода числового значения ‘ЧД, Гц’ – определяет частоту дискретизации сигналов ЗВ в обрабатываемых исходных *.wav файлах.
Поле ввода числового значения ‘Шагов квант. ОСМ’ – определяет число уровней квантования значений результирующих функций (функции распределения уровня, сигнальной / канальной [дифференциальной] ОСМ оригинального / исследуемого сигналов) и точность синтеза графика.
Поле ввода числового значения ‘Файл/Начало’ – определяет начальный отсчет обработки ‘Оригинального’ и ‘Исследуемого’ сигналов ЗВ.
Поле ввода числового значения ‘Файл /Конец’ – определяет конечный отсчет обработки ‘Оригинального’ и ‘Исследуемого’ сигналов ЗВ. Если
‘Оригинальный’ и ‘Исследуемый’ сигнал имеют меньшую длину, чем значение поля ‘Файл /Конец’, то в вычислениях используется меньшая длина.
Флаг ‘До конца’: Если установлен флаг ‘До конца’, то значение поля
‘Файл /Конец’ не используется, а вместо него берется наименьшая длина
‘Оригинального’ или ‘Исследуемого’ сигнала.
Кнопка ‘Пуск’ – позволяет запустить на выполнение процесс вычисления статистики ОСМ.
Предусмотрена возможность, при графическом отображении,
зафиксировать диапазон значений уровней и ОСМ, установить флажок
«фиксировать диапазон значений уровней и ОСМ» и установить в окне
«Максимальное значение» заданный уровень. В противном случае значения будут установлены автоматически.
В приведенном на рис. 3.4. графике использованы сигналы англоязычной программы на входе передатчика ЦРВ и выходе цифрового приемника соединенного с передатчиком фидером. Хорошо видно как изменились свойства сигнала: сузился динамический диапазон с 39 до 27 дБ, изменилось положение максимума функции распределения мгновенных значений и т.д. И
все это только за счет компактного представления сигнала в формате МП3 со скоростью 32 кбит/с.
Форма ‘Статистика Уровней и ОСМ - дополнительно’ (рис. 3.5) содержит следующие компоненты:
Флаг ‘Фиксировать диапазон значений ОСМ’ – разрешает / запрещает использование параметра ‘Максимальное значение’. Если флаг установлен,
то использование параметра ‘Максимальное значение’ запрещается. В этом случае распределение уровней определяется в интервале от нуля до максимального для ‘Оригинального’ и ‘Исследуемого’ сигналов.
Рис. 3.5. Статистика Уровни и ОСМ - дополнительно Если флаг установлен, то использование параметра ‘Максимальное
значение’ разрешается. В этом случае распределение ОСМ определяется в интервале от нуля до значения, введенного в поле ‘Максимальное значение’.
При этом все реальные значения ОСМ, превышающие ‘Максимальное значение’, приравниваются к этому ‘Максимальному значению’.
Поле ввода числового значения ‘Максимальное значение’ –
максимальное значение уровня, используемое в том случае, если флаг
‘Фиксировать диапазон значений уровней и ОСМ’ установлен.
Кнопка ‘Обновить график’ - обеспечивает обновление отображения графиков после смены масштаба. Масштаб (по оси ‘Y’) задается в поле ввода слева от кнопок.
В окне «Сглаживание характеристик» предусмотрена возможность проставить порядок сглаживающего фильтра. Такая обработка бывает необходима при анализе сигналов небольшой длительности.
Графики представляют результирующие статистические характеристики распределения мгновенных значений уровня оригинального / исследуемого сигналов. Ось 'X’ представляет кванты уровней. Ось ‘Y’ – частоту появления в сигнале выборок с уровнем, величина которой принадлежит данному кванту. Площадь не сглаженного графика всегда равна единице.
Кнопка ’Сохранить’ - обеспечивает сохранение результатов вычисления статистик уровней (в том числе и в графической форме). Сохранение производится в следующих файлах: графика – в файле ”Dy??.bmp”;
текстовых данных - в файлах ” Dy??.txt”. Где ?? – счетчик сохраненных результатов. Смысл счетчика в том, чтобы автоматически менять имена файлов результата очередной обработки (с очередным набором параметров обработки).
Обеспечивается вычисление и сохранение следующих параметров:
среднего значения, СКО, медианного значения, квазиминимума,
квазимакимума и динамического диапазона исследуемых сигналов.
Форма ‘Статистика ОСМ’ представлена на четырех рисунках (рис.
3.6…3.9) в соответствии с разными параметрами оценки, использован тот же сигнал.