Cool Edit Pro - космические технологии в музыке

(c)Роман и Юрий Петелины
http://www.petelin.ru

Программное обеспечение, предназначенное для обработки звука и редактирования музыки, стремительно развивается, функциональные возможности программ расширяются. Математики и инженеры, разрабатывающие программы, все глубже проникают в тайны музыкального творчества и предлагают новые технические и математические способы решения проблем как чисто музыкальных, так и находящихся на стыке музыки и акустики. Постепенно дело идет к тому, что человеку, использующему в своем творчестве компьютер, уже недостаточно будет оставаться только музыкантом и пользователем персонального компьютера. Ему придется овладеть новыми техническими терминами, понять сущность операций со звуковыми данными и алгоритмов обработки музыкального материала, смоделированных в программах. Задача для музыканта не из легких. Ведь к началу XXI века в музыкальных программах нашли применение многие результаты исследований в области математики, технической кибернетики и теории сигналов. Вот только некоторые из них:

• Оптимальная обработка, корреляционный и спектральный анализ сигналов на фоне помех с различными статистическими свойствами.
• Синтез звуков с заданным частотно-временным распределением в различных ортогональных базисах.
• Адаптивные методы аналого-цифрового преобразования.
• Полиномиальная аппроксимация амплитудно-частотных характеристик фильтров.
• Устранение искажений на основе интерполяции сигнала по методу максимального правдоподобия.

Даже достижения таких отраслей знаний, как психоакустика, поставлены на службу музыке.

Cool Edit Pro – это очень сложно 

Обсуждая тему применения в программах для записи музыки и редактирования звука достижений современной науки, мы пришли к выводу, что лучшей иллюстрацией может служить Cool Edit Pro – звуковой редактор, в котором воплощены все самое передовое из области обработки сигналов.

"Магия ПК" уже не впервые обращается к Cool Edit Pro. Мы вполне согласны с автором статьи "Cool Edit Pro – это очень просто" (№ 4, 2000) в том, что интерфейс программы достаточно прост и интуитивно понятен. Но за этой внешней простотой скрываются сложные и эффективные алгоритмы, методы, технологии.

Подобные технологии принято называть космическими. И это не только образное выражение. В самом деле, оптимальная фильтрация сигнала на фоне помех, которая применялась при радиолокационном исследовании Венеры, используется в Cool Edit Pro для устранения шума, сопровождающего фонограмму, записанную с микрофона. Или возьмем алгоритм интерполяции, способный сотворить чудо - восстановить первоначальную форму клиппированного сигнала. Этот алгоритм подобен тем, что позволяют воссоздать фрагменты переданных с борта космического аппарата на Землю сигналов, когда они оказываются утраченными, например, из-за возмущений в ионосфере.

Только радиолюбитель сумеет оценить по достоинству возможность несколькими легкими движениями руки с мышью синтезировать фильтр Бесселя 30-го порядка с идеально прямоугольной амплитудно-частотной характеристикой.

В общем, более наукоемкого звукового редактора, чем Cool Edit Pro, пока нет. А между тем прототип этого редактора создан всего одним человеком - Дэвидом Джонсом. Права на распространение программы принадлежат фирме Syntrillium Software Corporation. Популярность Cool Edit Pro отчасти объясняется тем, что более ранняя версия редактора, Cool Edit 96, была свободно распространяемой (Share Ware). Да и сейчас его условно бесплатные версии можно найти в Интернете на сайте www.syntrillium.com (Cool Edit 2000). На протяжении ряда лет автор программы непрерывно улучшал свое детище и практически достиг совершенства.

Самая свежая версия программы Cool Edit Pro 1.2.a представляет собой звуковой редактор, обладающий всеми возможностями, какие только могут быть у программ такого класса.

Два мира – две системы 

Итак, Cool Edit Pro - это программа для работы со звуком, представленным в цифровой форме. Это означает, что аналоговые звуковые волны должны быть предварительно преобразованы (сэмплированы) в последовательность двоичных цифровых отсчетов. Такое преобразование осуществляется в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). В результате работы АЦП получается цифровой образ звука, в английском языке именуемый Waveform. Некоторые пользуются буквальным переводом этого термина: волновая форма. Мы же предпочитаем именовать объект, с которым оперирует звуковой редактор, сэмплом. Сэмплы хранятся на жестком диске в файлах, имеющих различные форматы. Чаще всего это файлы с расширением .WAV. Таким образом, когда вы "собираете" в Cool Edit Pro аудиокомпозицию (например, песню), WAVE-файлы служат стандартными элементарными блоками, кирпичиками. В текущей версии Cool Edit Pro существуют два принципиально различных режима работы: редактирование отдельных сэмплов и совместное мультитрековое редактирование группы сэмплов. Для каждого из режимов предусмотрено свое главное меню и свое главное окно: Edit Waveform View (рис. 1) и Multitrack View (рис.2).

Рис. 1. Окно Edit Waveform View


Рис. 2. Окно Multitrack View

По сути дела, это два различных по назначению звуковых редактора, объединенных в единый комплекс. В первом из этих окон вы работаете с каждым фрагментом будущего микса в отдельности. Здесь вырезаются ненужные части фонограммы, удаляются щелчки и шум, формируется тембр, корректируется динамический диапазон, применяются всевозможные эффекты. По мере готовности отдельных фрагментов вы экспортируете их в мультитрековый редактор Multitrack View. В нем фрагменты можно перемещать, располагая в необходимой последовательности. Например, если сначала должна идти заставка, затем дикторский текст, музыкальная композиция и рекламный модуль, то эти фрагменты должны быть расположены по времени один за другим. В принципе, в данном случае монтаж можно было бы выполнить и на одном треке. Но если дикторский текст должен звучать на фоне музыки или нужно, чтобы перечисленные фрагменты собирались "внахлест" (диктор еще говорит, а музыка уже начинается), то без нескольких треков обойтись будет трудно. Перемещая фрагменты во времени и с трека на трек, можно добиться, чтобы фонограмма укладывалась в отведенный хронометраж. Для получения необходимого баланса регулируются уровни громкости фрагментов, размещенных на отдельных треках. Можно нарисовать графики изменения громкости. Положение источников звука на стереопанораме и их перемещение также задается графическим способом независимо для каждого из треков.

Операции редактирования, выполняемые в Edit Waveform View (вырезка, вставка, обработка эффектами и др.), по сути являются разрушающими, и когда вы сохраняете файл, изменения применяются непосредственно к сэмплу. Редактирование, выполненное в Multitrack View (такие как состыковка сэмплов, изменение громкости) является неразрушающим.

Во многих музыкальных редакторах, имеющих средства обработки аудиоданных, предусмотрены два варианта использования аудиоэффектов: применение эффекта в реальном времени и пересчет сэмпла. Первый вариант для пользователя удобнее: регулируете параметры эффекта и тут же слышите результат. Однако при этом требуется компьютер большой производительности. Применение эффекта путем пересчета сэмпла позволяет обрабатывать звуковые данные с помощью относительно слабого компьютера, но процесс обработки может растягиваться на десятки минут или даже часы. Поневоле не захочешь лишний раз вносить улучшения, пробовать что-нибудь новенькое.

Оптимальная стратегия использования эффектов может состоять в следующем. Сначала, включив циклический режим воспроизведения сэмпла, вы в реальном времени подбираете параметры эффекта, наилучшим образом соответствующие вашему замыслу. После этого единственный раз вы пересчитываете сэмпл, применив к нему эффект с уже выверенными параметрами.

В Cool Edit Pro вы можете использовать как собственные, встроенные в программу эффекты, так и эффекты, подключаемые посредством DirectX.

Основной режим их применения - пересчет сэмплов. Полноценный режим реального времени в программе не предусмотрен, что создает определенные неудобства. Однако в ряде случаев замена режиму реального времени все же имеется. Если в окне того или иного эффекта есть кнопка Preview (предварительное прослушивание), то вы сможете подобрать параметры эффекта. Результаты изменений параметров эффекта с помощью регуляторов в окне данного эффекта будут слышны немедленно.

Cool Edit Pro является многоканальной средой, то есть дает возможность поместить любое число сэмплов на различные треки как для одновременного воспроизведения, так и для последующего объединения всех треков в один. Процесс микширования включает в себя объединение всех сэмплов, помещенных на треках, в два (или больше) каналов вывода. Вы можете редактировать, добавлять на треки и убирать с них сэмплы. А Cool Edit Pro будет постоянно отслеживать все изменения (к примеру, изменение громкости), происходящие в ходе многоканального сеанса. Как только что-либо изменено, Cool Edit Pro немедленно вносит необходимые коррективы в микс, поступающий на выход программы (например, в ЦАП звуковой карты). Эти изменения выполняются программой в фоновом режиме.

В дополнение к WAVE-файлам Cool Edit Pro позволяет также использовать файлы, именуемые файлами сеанса, или сессионными (Session) файлами (файлами с расширением .SES). Если считать WAVE-файлы стандартными блоками, из которых строится любая аудиокомпозиция (например, песня), то сессионный файл - это и есть собственно песня, хотя SESSION-файл фактически не содержит никаких звуковых данных. Размер SESSION-файла очень мал. В нем содержатся только подробные указания программе Cool Edit Pro:

• Какие WAVE-файлы используются и где они хранятся.
• Какие имена присвоены трекам.
• В какой момент времени включить воспроизведение определенного WAVE-файла, а в какой - выключить.
• Какой уровень громкости и какую панораму установить перед началом воспроизведении каждого из файлов и по каким законам менять эти параметры в процессе воспроизведения.

Можно сравнить SESSION-файл с дирижером, а WAVE-файлы - с оркестрантами. Дирижер дает знать каждому исполнителю, когда он должен вступить и с какими нюансами вести свою партию. Но дирижер без оркестра ничего не значит. Аналогично и SESSION-файл имеет смысл только тогда когда и он, и WAVE-файлы, участвующие в сессии, находятся в определенных и взаимообусловленных каталогах. Вы не можете просто скопировать на гибкий диск и перенести его на компьютер друга, не можете произвольным образом переименовать или переписать в другой каталог какой-либо из WAVE-файлов, задействованных в сессии.

Если, совершив любое из этих действий, вы попытаетесь открыть SESSION-файл и воспроизвести композицию, ничего из этого не выйдет.

Дирижер не обнаружит музыкантов на положенных местах и концерт не состоится. Это не означает, что SESSION-файлы и все внедренные в них WAVE-файлы нельзя перемещать из каталога в каталог. Можно. Но для этого в Cool Edit Pro существуют специальные операции сохранения сессии на диске.

Чтобы душа сначала развернулась… 

Очень много интереснейших средств преобразования звуковых данных сосредоточены в меню Transform. Вы можете:

• Заменить звук абсолютной тишиной.
• Поменять местами "начало" и "конец" звукового фрагмента.
• Подключить внешние эффекты.
• Изменить знаки отсчетов звуковых волн на противоположные (положительные полуволны станут отрицательными и наоборот).

Но и это еще не все. Как вы отнесетесь к возможности применения: 7 средств амплитудной обработки; 9 эффектов, основанных на задержке сигнала; 7 разновидностей частотных фильтров; 4 модулей подавления шумов, устранения щелчков и искажений; 2 алгоритмов сдвига тона по высоте и сжатия-растяжения звукового фрагмента во времени; 4 специальных эффектов? Под специальными эффектами разработчики программы понимают очень интересные вещи:

• Свертку двух сигналов (свертка - термин теории сигналов, операция интегрирования произведения двух сигналов при всех возможных взаимных сдвигах). Один из свертываемых сигналов может представлять собой запись "короткого" звука (скажем, одиночного хлопка в ладоши), выполненную в вашем любимом концертном зале. Тогда ощущение присутствия именно в нем даст свертка музыкальной композиции с этим сигналом.
• Дистошн (внесение нелинейных искажений, ограничение амплитуды аудиосигнала для обогащения тембра).
• Исполнение заданной мелодии произвольным "глосом" (можно заставить петь любой звучащий объект - от скрипящей двери до плачущего младенца).
• Внедрение в записанную фонограмму колебаний, синхронизирующихся с ритмами активности головного мозга. Эти колебания практически незаметны на слух, однако воздействуют на подсознание человека, усиливая эмоциональную реакцию на обработанную таким образом музыку ("Магия ПК" № 10, 1999).

Иными словами, для того чтобы у вас появилась толпа поклонников, ревущая от восторга, необязательно писать гениальную музыку.

Достаточно подобрать колебание, совпадающее с подходящей волной активности мозга.

Рай в шалаше 

Среди алгоритмов шумоподавления отметим самый, на наш взгляд, интересный из них, основанный на обучении по шумовой выборке.

Незаменимая для домашней студии вещь. Раньше или позже от музыкальных композиций вы перейдете к песням и обязательно станете с помощью микрофона записывать вокал. А в этом деле главное - тишина в

студии (в комнате). Но, увы, тишина дорого стоит, значительно дороже самого крутого компьютера и самого фирменного микрофона. Дело в том, для достижения студийной тишины нужна не просто большая комната, а помещение с двойными стенами, полами и потолками, сделанными из дорогих материалов и подвешенными особым образом на специальных амортизаторах.

Если же вы ведете запись с микрофона, рассчитывая на ее обработку в Cool Edit Pro, то достаточно будет самых элементарных мер снижения уровня шума помещения: закройте окно шторами, отгородите микрофон от компьютера занавеской из плотной ткани (сойдет покрывало). Можно задрапировать также дверь в комнату и полированные поверхности мебели. Желательно использовать микрофон с кардиоидной диаграммой направленности. "Ноль" диаграммы нужно сориентировать в направлении наиболее сильного источника шума.

Конечно, если за стеной работает электродрель, то получить высококачественную запись не удастся. А вот с менее интенсивными шумовыми помехами Cool Edit Pro справится. Причем ничего особенного вам делать не придется. Просто включите запись на несколько секунд раньше, чем нужно будет запеть или заговорить. После завершения сеанса записи выделите этот фрагмент, не содержащий полезного сигнала, и откройте окно Noise Reduction (рис. 3). Нажав кнопку Get Profile from Selection, вы приведете в действие алгоритм анализа параметров шума. Вскоре в окне появятся разноцветные графики спектра шума и амплитудно-частотной характеристики фильтра, синтезированного программой. Полученный результат можно сохранить в файле и в дальнейшем использовать для обработки записей, выполненных в идентичных акустических условиях. Но это в будущем, а сейчас нужно вернуться в главное окно, выделить всю фонограмму и вновь открыть окно Noise Reduction. Движковым регулятором вы можете выбрать степень подавления шума. При полном подавлении шум в паузах исчезнет совершенно, но голос певца может приобрести "роботоподобные" оттенки.

Как правило, оптимальная степень подавления шума составляет 50 -70%.

Рис. 3. Окно анализа и подавления шума

Спектры бывают разные 

В Cool Edit Pro широко используются спектральные представления и спектральные преобразования аудиосигналов. В качестве иллюстрации мы выбрали окно виртуального графического эквалайзера (рис. 4).

Рис. 4. 30-полосный графический эквалайзер

На самом деле значительно более тонкие, ювелирные частотно-временные преобразования сигнала можно выполнить с помощью параметрического эквалайзера, аналитических фильтров, а также фильтров, основанных на быстром преобразовании Фурье.

В программе имеется два принципиально различных средства анализа спектра. Окно Analysis (рис. 5) позволяет только наблюдать спектр. Здесь при вычислении спектра используется классический алгоритм Фурье, дающий характеристику сигнала, осредненную за время его существования.

Рис. 5. Окно Analysis

Другое дело - главное окно программы в режиме Spectral View (рис. 6). В нем для каждой временной позиции градациями яркости отображается мгновенный спектр. Такое представление сигнала позволяет легко обнаружить различные аномалии, вызывающие скачки ширины мгновенного спектра. Мало того, найденные щелчки или места некорректной стыковки фрагментов можно отредактировать (например, удалить), работая непосредственно в режиме Spectral View.

Рис. 6. Главное окно программы в режиме Spectral View

Теперь вы, наверное, убедились в том, что для работы с программой действительно нужно иметь некоторые представления о теории сигналов.

Их можно почерпнуть из нашей последней на данный момент книги "Музыкальный компьютер. Секреты мастерства". В ней с минимальным количеством формул излагаются основные и принципиально необходимые положения теории. Кстати, там же детально описывается работа с Cool Edit Pro.

К сведению консерваторов 

Из опыта общения с компьютерными музыкантами мы знаем, что существуют две категории пользователей, придерживающихся крайних позиций в отношении освоения программных продуктов. Одни находятся в непрерывном поиске, расходуя почти все свое время на апробирование новинок. Для применения программ по назначению и творчества у таких людей почти не остается времени. Гонка за новым софтом превращается в самоцель. Редкие из них создают что-либо свое. Как правило, такие люди становятся ценителями или критиками чужих работ.

Но встречаются и представители другой точки зрения. Для них однажды освоенный инструмент остается лучшим, если он достаточен для достижения поставленных целей. В эпоху Cubase VST и Sonar можно привести не один пример поклонения программам Cakewalk 3.0 и Midisoft Studio. Оптимальная стратегия следования за прогрессом находится, наверное, где-то посредине.

Для тех, кто все еще продолжает применять Cool Edit 96, и не видит смысла в переходе к работе с профессиональной версией любимой программы, отметим, что мультитрековое редактирование - не единственная новинка Cool Edit Pro. В сравнении с Cool Edit 96 появились новые принципиально важные возможности, некоторые функции реализованы более удобно, алгоритмы и интерфейс оптимизированы. Перечислим основные новинки программы:

• Новый эффект Full Reverb, позволяющий строить детальную акустическую модель помещения с учетом свойств среды распространения звука, поглощающих и отражающих свойств материалов, из которых сделаны пол, потолок, стены, их амплитудно-частотных характеристик.
• Новый эффект Hard Limiter, реализующий жесткое ограничение амплитуды аудиосигнала, что в ряде случаев позволяет увеличить субъективную громкость звучания композиции.
• Новый эффект Pitch Bender, с помощью которого можно сместить по высоте как целую партию, так и ее отдельные фрагменты, подправить звучание нот, неверно взятых певцом.
• Новый фильтр DTMF/Notch Filter, предназначенный для удаления из фонограммы не только звуков, сопровождающих работу телефона с тональным набором номера, но и любых узкополосных помех. Например, можно удалить наводку от сети питания с частотой 50 Гц и ряд связанных с этой частотой гармоник (в общей сложности до 6 частот), совершенно не затронув полезные составляющие звука на частотах 49 Гц и 51 Гц.
• Большее количество эффектов можно использовать в режиме предварительного прослушивания.
• Появилась возможность автоматически обнаруживать и удалять "тишину" между словами или отдельными звуками. Это позволяет, например, не воздействуя на звуки переднего плана, очищать фонограммы от посторонних звуков и шумов.
• Расширились возможности функции автоматического определения и разметки границ фраз в записях речи, границ тактов и долей в записях музыки (функция Auto-Cue).
• Наряду с графическими средствами управления динамической обработкой появились новые (хорошо забытые традиционные) средства, основанные на вводе числовых значений параметров, более привычные для звукооператоров с большим стажем работы.
• Улучшены алгоритмы реализации эффектов Chorus, Flanger, Sweeping Phaser, Brainwave Synchronizer, Clip Restoration, добавлены новые пресеты.
• Теперь вы можете записывать ваши любимые радиопередачи в автоматическом режиме, указав время старта и продолжительность сеанса записи.
• Подготовлены все необходимые предустановки для частот дискретизации до 192 кГц. Разработчики утверждают, что Cool Edit Pro может работать даже и с частотами дискретизации порядка 10 МГц, лишь бы были аппаратные средства, способные на это!

Обо всем интересном, что воплощено в Cool Edit Pro, в краткой статье рассказать, конечно, невозможно, да мы и не ставили перед собой такой цели. Хотелось одного - чтобы вы почувствовали магию программы и со временем взяли ее на вооружение.