Пол Уайт. Шумоподавление: инструменты и технологии

Опубликовано в журнале Sound on Sound в январе 2012 года

Пол Уайт

Современные системы записи звука работают очень чисто и тихо, и поэтому электронный шум в их цепях – очень редкая проблема. Однако, тот шум, который когда-то был приемлем (поскольку он маскировался шипением ленты, например), теперь будет торчать как прыщ на лбу. Многие из нас сталкиваются с различными шумами в процессе своей работы. Это может быть шипение и гул гитарных усилителей, какие-то возникающие непонятным образом цифровые щелчки, гудение осветительных ламп, кондиционеров, грохот уличного движения… Короче, тыщи их! ПО для реставрации звукового материала теперь доступно практически каждому, но, как говорится, важно не только иметь молоток, но и знать, куда им ударить. Поэтому, в этой статье мы рассмотрим различные инструменты и технологии, предназначенные для борьбы с шумами, а также их достоинства и недостатки в применении к тому или иному материалу.

Гейты и экспандеры

Такой скромный процессор, как нойз-гейт (или просто «гейт»), полагается в своей работе на то, что шум маскируется полезным сигналом и становится слышен только лишь в его паузах. Таким образом, когда полезный сигнал превышает некий порог, гейт открывается, и закрывается, когда он падает ниже него. Если порог установлен чуть выше уровня фонового шума, то гейт будет закрываться во время пауз и открываться при появлении полезных звуков. Чтобы избежать щелчков из-за слишком быстрого открытия и откусывания окончаний из-за неправильного закрытия, большинство гейтов имеет регулируемое время атаки и восстановления. Некоторые также имеют функцию «HOLD», которая заставляет гейт некоторое время оставаться открытым после того, как полезный сигнал упадёт ниже порога. Это предохраняет от хаотичных закрытий-открытий в то время, когда аудио показывает быстрые флуктуации уровня.

Чтобы возникла маскировка, требуется, чтобы полезный сигнал был громче, чем шум в том же частотном диапазоне. Особенно это актуально для региона 500 Гц – 5 кГц, к которому наши уши наиболее чувствительны. Так, если полезный сигнал это низкочастотный звук, а шум – это высокочастотный визг, то шум будет очень заметен. Можно попробовать улучшить ситуацию, если воспользоваться обрезным ВЧ-фильтром, хотя это обычно повреждает высокочастотные детали полезного сигнала.

Всё это значит, что гейт реально эффективен только лишь в двух случаях: если уровень нежелательных шумов довольно низок или если полезный сигнал маскирует шум в то время, когда он открыт. Чем больше уровень фонового шума или утечек, те менее естественное звучание будет в итоге. В принципе, при обработке коротких перкуссионных звуков допустим довольно высокий уровень шумов, но с более деликатными источниками это уже не прокатит. В конечном счёте, окончательное решение принимайте на слух.

Стоит сказать, что в большинстве случаев, полное удаление шумов нежелательно, поскольку это привлекает внимание и оказывает некоторое раздражающее воздействие. На практике, более тонкая обработка будет эффективней и менее заметной, даже при условии того, что шумы будут подавляться не настолько сильно. Например, уменьшая в гейте диапазон подавления до 12 dB (в результате, он не закрывается полностью, а просто понижает уровень на это значение), Вы, скорее всего, получите более приятное звучание, нежели при полной отсечке шумов.

Усовершенствованные гейты (впервые применено в Drawmer DS201), включают регулируемые HP и LP-фильтры в боковой цепи. Это помогает предотвратить случайное срабатывание от определённых частотных компонентов шума, которые значительно отличаются по высоте от полезного сигнала. В своё время, DS201 был популярен при обработке ударных, поскольку фильтры уменьшали риск проникновения утечек хэта, вызывающих ложные срабатывания гейта, стоящего на других барабанах.
Гейт
Гейты и экспандеры могут помочь Вам удалить или срыть многие нежелательные шумы. Некоторые гейты, как показанный здесь Melda MDynamics, объединяют множество динамических процессоров внутри одного плагина.

Экспандер работает примерно так же, как и гейт: когда сигнал падает ниже порога, к нему применяется прогрессивное подавление. Так сказать, компрессия наоборот. В некоторых процессорах можно изменять отношение, и чем оно выше, тем сильнее будет подавлен сигнал. По сравнению с компрессором, отношение здесь тоже «вывернуто» наизнанку: если в компрессоре отношение 2:1 означает, что сигнал должен превысить порог на 2 dB, чтобы вызвать повышение выходного уровня на 1 dB, то отношение 1:2 в экспандере означает, что падение сигнала на 1 dB ниже порога приведёт к понижению выходного уровня на 2 dB. Собственно говоря, сфера применения экспандеров примерно такая же, как и гейтов, с аналогичными ограничениями на использование. Экспандер может быть не настолько резким, как гейт, но как только Вы настроили атаку и восстановление, Вы не услышите много различий в их работе (конечно, если Вы не используете очень низкое отношение).

В более сложных приборах, в боковой цепи имеется специальный детектор, динамически управляющий частотой встроенного LP-фильтра. Эти повышает эффективность подавления высокочастотных шумов (как например шипение), поскольку детектор понижает частоту фильтра, как только амплитуда полезного сигнала спадает. Как и гейт, эта технология тоже полагается на маскировку шума полезным сигналом. Хотя, в этом случае улучшается маскировка шумов во время затухания звуков, поскольку у большинства акустических инструментов спад в высоких частотах происходит быстрее, чем в низких. При аккуратном подходе результат будет звучать очень естественно.

Динамические фильтры имеются в таких устройствах, как Symmetrix 511, 511A и Drawmer DF320, но я не знаю ни одного плагина, в котором был бы реализован их эквивалент. Можно попробовать воссоздать этот процесс в DAW, используя автоматизацию, управляющую частотой LP-фильтра. Хотя, это будет довольно тягомотное занятие. Аппаратные процессоры также включали в себя экспандер, вступающий при очень низких уровнях, чтобы задавить оставшийся во время пауз шум. Этот подход может быть полезен для подавления шипения ленты или электрической гитары, но он никак не помогает при низкочастотных шумах. И, если процессор не настроен с надлежащей тщательностью, то хвосты звуков могут стать немного тусклыми.

Более сложный подход использует разделение сигнала на множество частотных полос и организацию многополосных экспандеров или гейтов. К примеру, компания Dolby реализовала это в виде четырёхполосного устройства CAT43 (на базе системы шумоподавления Dolby-A). Сейчас этот процессор воссоздан компанией Waves в форме плагина. Четыре слайдера настраивают порог экспандера для каждой полосы, а пятый управляет мастер-секцией. Он не очень хорошо работает с широкополосными шумами, но зато неплохо справляется с «компактными» механическими звуками, такими, как шум камеры или свист осветительных приборов. Понятно, что тяжёлая обработка затронет полезные звуки и создаст различные тональные артефакты, но там, где шумовое загрязнение имеет низкий или умеренный уровень, он может работать очень неплохо. Стоит сказать, что этот процессор стал очень популярен для очистки диалогов, записанных в полевых условиях. Будучи оптимизирован для диалогов, он может значительно улучшить грязный вокал, но вряд ли станет лучшим приспособлением для обработки музыкальных инструментов.
Экспандер
Некоторые ранние аналоговые системы шумоподавления были основаны на многополосных экспандерах, и такие многополосные процессоры, как изображённый здесь Universal Audio Precision Multiband, могут быть использованы для задач шумоподавления. Как Вы видите, его верхняя полоса переключена в режим экспандера, который понижает этот частотный диапазон тогда, когда полезный сигнал падает ниже порога, и поднимает обратно, когда превышает.

Цифровые решения

Многие методики, описанные мною, изначально были реализованы в аналоговой форме, но возможности цифровых технологий позволили выдвинуть системы шумоподавления на новый уровень. Самые ранние цифровые процессоры были подобны уже известному нам CAT43, только использовали намного больше полос (до нескольких сотен). Многие известные плагины, включая широкополосную секцию в BIAS Sound Soap Pro, работают аналогичным способом. Серия процессоров CEDAR DNS, очень популярных в сфере вещания и кинопроизводства для обработки диалогов, тоже использует многополосную динамику для удаления шумов.

Вряд ли возможно вручную настроить пороги для сотен полос экспандера, поэтому многие системы позволяют снимать «отпечаток» шума, взятый из короткой секции аудио, где содержится только лишь шум. Процессор анализирует его и автоматически настраивает пороги. Для корректного анализа требуется шумовой участок продолжительностью около секунды. Если же в звуковом материале отсутствует такой «солирующий» шум, некоторые системы предлагают набор типичных шумовых профилей, среди которых можно выбрать подходящий и потом подстроить под конкретный материал. У плагинов обычно есть графический дисплей, который показывает шумовой порог и спектр полезного сигнала. Также, могут быть дополнительные инструменты для настройки формы кривой шумового профиля, что позволяет оптимизировать работу шумоподавителя и добиться минимальных побочных эффектов.

Вышеупомянутый подход реально хорошо работает тогда, когда уровень и спектр шума довольно постоянны. В противном случае, шумовой отпечаток быстро теряет свою актуальность, и, в результате, либо шум станет снова заметен, либо процессор «сжуёт» часть полезного сигнала. Хотя, при аккуратном подходе, эффективность этих процессоров всё равно может быть высока: если в определённом частотном диапазоне не будет присутствовать никакого полезного звука, то фильтры в соответствующих полосах будут закрыты. Таким образом, процесс удаления шумов может быть очень эффективен, конечно, при условии, что полезный сигнал всё ещё способен маскировать шум, находящийся в той же области спектра.

Распространённые побочные эффекты, возникающие при обработке сильно зашумлённого материала, включают в себя такие вещи, как смазывание и потеря высокочастотных деталей, а также «водянистые» призвуки, типа журчания или бульканья (связано с тем, что большое количество полос в широком диапазоне быстро включается и выключается, затрагивая полезный сигнал). Последний эффект может быть минимизирован при помощи продвинутых алгоритмов, использующих интеллектуальное линкование между частотными полосами. Хотя, всё это завязано на уровень применённого подавления. Тем не менее, в большинстве случаев, подавление 10 dB и менее предоставляет хороший компромисс между артефактами и чистотой. Я также считаю, что несколько нежных проходов часто дают более лучшие результаты, нежели один тяжёлый.

P.S. Пока я переводил эту статью, компания Zynaptiq анонсировала плагин UNCHIRP, как раз предназначенный для борьбы с артефактами тяжёлого шумоподавления (и не только). Понятно, что дело лучше не доводить до его применения, но при определённых условиях он может стать неплохим подспорьем.

Процессор шумоподавления Cedar DNS1000
Компания CEDAR Audio выпускает не только потрясающее ПО для реставрации звукового материала, но и специализированные аппаратные процессоры, как изображённый здесь DNS1000. Эти устройства предназначены ускорить и облегчить работу звукоинженеров в таких сферах, как вещание, аудиореставрация или мастеринг.

Изменяющийся фоновый шум

Шум, уровень и тональность которого постоянно изменяются, может предоставить массу проблем на всех этапах звукового производства. Однако, такие компании, как CEDAR Audio и Sonic Solutions, разработали алгоритмы, распознающие шум среди полезного сигнала и создающие динамический профиль, отслеживающий его. То, как это происходит, держится в секрете. [Вероятно, это что-то типа искусственных нейронных сетей. Поскольку человеческий слух понимает, где шум, а где нет, то создание таких алгоритмов вполне возможно]. Один из методов, используемых там, называется автокорреляцией. Суть его в том, что происходит поиск каких-то специфических постоянных компонентов в изменяющемся сигнале. И чем дольше время анализа, тем аккуратнее будет итоговое разделение полезного сигнала и шума.

Точно так же, чем быстрее изменяются характеристика шума, тем с худшим качеством программа сможет его отследить. Это особенно характерно для ПО, работающего в автоматическом режиме: если возникает резкое изменение шумового характера, он может стать слышимым на несколько секунд, покуда система отреагирует и скорректирует параметры шумового профиля. «Домашнее» программное обеспечение, работающее в автоматическом режиме, часто приводит к более «тухлому» звучанию, нежели при использовании шумовых отпечатков, хотя, возможность ручного регулирования помогает найти очень неплохие компромиссные параметры подавления. Популярное ПО для подобной обработки включает в себя продукты от таких производителей, как Izotope, TC Electronic, Waves и BIAS.
Сервис реставрации аудио
Далеко не все шумы можно удалить автоматически при помощи плагинов. Если Вам требуется очистить ценные и уникальные записи, стоит связаться со специальными сервисами, занимающимися реставрацией аудиоматериала, как например Cedar Audio Bureau.

Гул, щелчки и треск

По своей природе, некоторые шумы могут быть намного проблематичней других. Для примера возьмите такие звуки, как сетевой гул, зудение, потрескивание виниловых дисков или единичные внешние шумы, типа хлопанья дверей и автомобильных сигналов. Ни один из них не поддастся ни на любой из вышеописанных методов, поэтому, были разработанные специальные методики для каждого.

Удаление сетевого гула – это довольно простой процесс, поскольку он опирается на частоту электросети и её непосредственные гармоники. К примеру, в Европе частота сети составляет 50 Гц, и у неё могут быть гармоники 100 Гц, 150 Гц и выше. (В США частота сети 60 Гц с кратными ей гармониками). Не все «гулодавы» могут переключаться между 50 и 60 Гц, поэтому выбирайте тот, который соответствует Вашим потребностям. Узкополосные фильтры, настроенные на фундаментальную частоту и её гармоники, уменьшат гул, оказывая минимальное воздействие на полезный сигнал. Чем уже фильтр, тем меньше он затронет нужные звуки, но здесь существует опасность того, что слишком узкий фильтр не будет охватывать маленькие колебания сетевой частоты (могут возникать не только непосредственно в электросети, но и в результате девиаций скорости ленты или частоты дискретизации). Кроме того, очень узкие фильтры могут создавать резонансоподобные артефакты.

Зудение – это более серьёзная вещь. Его фундаментальная частота зачастую зависит от электросети, однако другие факторы искажают форму волны и создают расширенную последовательность гармоник. Тиристорные регуляторы освещённости являются частой причиной возникновения этого зудения, поскольку изменяют форму синусоиды питающей сети, превращая её во что-то прямоугольноподобное с большим количеством гармоник. С зудением можно бороться, воспользовавшись более широким набором фильтров, с частотами, кратными фундаментальной частоте. Однако, судя по моему опыту, это обычно приводит только лишь к частичному успеху, поскольку здесь часто имеются негармонические компоненты, проскакивающих сквозь сеть фильтров.

Цифровые щелчки, связанные с проблемами синхронизации, сейчас распространены намного меньше, чем на заре цифровой звукозаписи. Однако, случаются они и сейчас. К примеру, как недавно рассказал мне человек, работающий в мастеринговой студии топ-класса, что тратит много времени на удаление цифровых щелчков из студийных записей, со всех любых сторон являющимися просто идеальными! Одиночный щелчок можно легко отредактировать вручную, выбрав в DAW такой инструмент, как карандаш, и увеличив масштаб изображения. Также существует программное обеспечение, которое может автоматически понять разницу между резким всплеском цифрового щелчка и перкуссионным звуком. Потом оно может заменить сэмпл (или сэмплы), из которых состоит щелчок, участком, сгенерированным на основе интерполяции соседних «правильных» сэмплов.

С виниловыми щелчками и треском бороться немного сложнее, поскольку они могут иметь большую продолжительность и встречаться гораздо чаще. Тем не менее, и для них были разработаны алгоритмы, которые могут различать, где треск, а где перкуссионные транзиенты. Поскольку эти события имеют довольно значительную продолжительность (по сравнению с цифровыми щелчками, которые могут быть всего 1 – 2 сэмпла длиной), то процесс заполнения «зачищенных» промежутков намного усложняется. Впрочем, современные алгоритмы позволяют получать очень гладкую и бесшовную очистку. Компания CEDAR была пионером в этом со своими продуктами Declick и Decrackle. Хотя, многие другие производители тоже выпускают похожие инструменты.

Пользуясь таким ПО, пользователь должен отыскать наилучший компромисс между чистотой и побочными эффектами. При слишком интенсивной обработке возникает так много искусственно реконструированных участков, что в очищенном звуке появляются очень заметные искажения. Чтобы помочь настройке, в таких программах есть специальная функция, которая позволяет слушать только удаляемую часть аудиоматериала. Таким образом, если вместе с треском Вы слышите и музыку, то Вы, наверное, уже перестарались!

Для щелчков применяются другие алгоритмы, поскольку они встречаются реже, чем треск, и обычно имеют более высокий уровень. При очистке виниловых записей часто применяется такой метод, когда сначала удаляются самые броские щелчки и треск, а потом начинают заниматься фоновым потрескиванием. Иногда также применяется третья стадия очистки с использованием широкополосных шумодавов, помогающих уменьшить общий фоновый шум. Есть много программ разной степени изощрённости, предназначенных для перевода виниловых коллекций в цифровой формат. И чем больше их цена, тем лучше в них алгоритмы.
Плагин для удаления щелчков и треска
Плагины для удаления щелчков и треска стали в нынешние времена очень сложными. Хороший пример – плагин De-clicker от компании Sonnox.

Спектральное редактирование

До недавнего времени не было эффективных инструментов для удаления таких шумов, как кашель или хлопок двери, проникших в запись. И снова компания CEDAR сделала невозможное со своей программой Retouch. Это ПО графически отображает аудиосигнал, распределяя разные частоты по вертикальной оси и раскрашивая в зависимости от амплитуды. Во многих случаях, шум может быть замечен на картинке в виде явной неоднородности спектра, и, как только проблема идентифицирована, пользователь может нарисовать вокруг неё выделение, чтобы понизить этот участок ниже фонового шума или заменить материалом, интерполированным из соседних областей. Главная идея здесь в том, что обрабатывается только лишь часть спектра, попадающая на шумовой сигнал, и потом она заменяется тем, что я могу лучше всего описать как «спектральный туман», который помогает привести её в соответствие с окружающими «хорошими» звуками.

Retouch использовалась для реставрации бесчисленного количества записей (включая большую часть каталога Beatles) и даже для удаления индивидуальных инструментов из миксов для игры Rock Band! Я тоже использовал её несколько раз, чтобы стереть скрип стульев и полов из записей классической музыки или удалить визг автомобильных тормозов из материала для саундтрека.

Звуки, покрывающие ограниченную часть спектра, легче удалить без слышимых побочных эффектов, нежели имеющие широкое спектральное распространение. Короткие звуки тоже легче поддаются редактированию, чем длинные. В принципе, каждый ненужный звук надо находить и обрабатывать вручную, но если он периодически повторяется, то можно выделить соответствующий регион и затем повторять выборку с регулярным интервалом.

Несколько компаний теперь предлагает ПО для спектрального редактирования, источником «вдохновения» для которого явно послужила CEDAR Retouch. К примеру, Steinberg Wavelab включает похожий инструмент, а последняя версия Magix Samplitude предлагает спектральное редактирование на каждом треке. А ещё есть Izotope RX и Sony SpectraLayers.
Спектральный редактор
Спектральный редактор из программы Steinberg Wavelab.

Поппинг и удары

В сражениях против плевков и ударов компания CEDAR опять была на острие атаки, выпустив плагин DeThump. У меня нет особого опыта работы с ним, поэтому я попросил одного из сотрудников CEDAR рассказать, как всё это функционирует. «Первая проблема, связанная с ударами» - сказал он мне – «это не удаление, а обнаружение… потому что подобные низкочастотные звуки часто неразличимы с полезным сигналом в том же самом частотном диапазоне. Вторая проблема состоит в том, что у них большая продолжительность, и обычные алгоритмы удаления щелчков (лучшие из них превосходны при длине в десятки сэмплов, очень эффективны при нескольких сотнях и удовлетворительны при нескольких тысячах), практически бесполезны при обработке событий, длящихся до 100000 сэмплов. Это как раз удар длиной 1 секунду при частоте 96 кГц. Если попробовать его удалить, то в центре интерполированной области может возникнуть частичное выпадение звуковой информации.

В настоящее время, лучший способ преодолеть подобные проблемы – это скомбинировать полуавтоматический метод обнаружения с алгоритмом, поддерживающим энергию в интерполированном регионе. CEDAR Dethump именно так и делает. Во-первых, он позволяет пользователю визуально определить продолжительность удара/плевка в окне File Processor (а в случае плагина, в окне редактора хост-приложения). Это простой способ ввести приблизительное значение диапазона частот, в котором нужно искать шумовой компонент. Как только алгоритм находит его, применяются различные типы интерполяции, предназначенные восстановить исходную продолжительность сигнала. Это позволяет выжить настоящей низкочастотной информации и устраняет риск возникновения звона, который мог бы появиться в случае использования глубоких узких фильтров».

Разумный подход

В общем, на этом мы заканчиваем наш краткий обзор технологий шумоподавления. И я покину Вас, оставив напоследок несколько руководящих принципов по поводу того, как лучше всего использовать эти инструменты. Во-первых, не забывайте, что хоть теперь и есть возможность обрабатывать практически любые виды шумовых помех, большинство инструментов далеко не идеально. Причём, некоторые требуют от пользователя определённых навыков, прежде чем смогут выдать наилучшие результаты. Поэтому, лучше приложить усилия и сразу получить качественную чистую запись, чем потом усиленно пытаться отмыть её. Во-вторых, шум проблема только тогда, когда Вы замечаете его. Например, лёгкое непрерывное шипение магнитной ленты может и не являться проблемой, к тому же, её присутствие может замаскировать другие низкоуровневые помехи. Поэтому, используйте свои уши, а не пытайтесь сразу фанатично очищать каждый трек.

Если Вы идентифицировали проблемные шумы, то все вышеупомянутые технологии могут использоваться более эффективно, если Вы понимаете, как они работают и каковы их ограничения. Зачастую, многократные нежные проходы, понемножку удаляющие шум, позволяют свести побочные эффекты к минимуму. Точно так же, Вы часто сможете найти, что некоторые шумы, как, например, шум гитарного усилителя, лучше всего откликаются на комбинацию различных обработок (в этом случае, скорее всего, будут использоваться плагины для удаления сетевого гула, зудения и широкополосный шумодав).

Шумоподавление на практике: звуковые примеры

Здесь представлен фрагмент записи бас-гитары с хорошим ритмичным исполнением, но при этом ужасно страдающей от гула, зудения и других шумов. Причём, дело становится ещё хуже, если пытаться смикшировать, добавляя такую типичную обработку, как компрессия. Файл уже был отредактирован, поэтому я не смог найти подходящий аудиофрагмент, с которого можно бы было снять шумовой отпечаток.

Первым делом, я должен был заняться очень заметным сетевым гулом с основной частотой 50 Гц. Я взял великолепный плагин Tone Boosters TB HumRemover, который позволяет применить очень узкий фильтр в определяемой пользователем частоте, и потом создаёт ряд дополнительных фильтров для удаления её гармоник. Лучший результат получается в результате баланса между тем, что Вы хотите удалить, а что оставить. Вы изменяете число вырезов и их ширину (Q), а также устанавливаете общий уровень ослабления.

Я был доволен результатом, потому что бас сохранил свой характер, однако всё ещё был очень заметный шум в верхней области спектра. Моё первое инстинктивное движение было взять эквалайзер и срезать высокие частоты. Это удалило некоторые шумы, но когда я ещё больше понижал частоту фильтра, он начинал вредить басовому звуку. Чтобы побороть остаточные проблемы, я вставил плагин TC Electronic De-noise. Он работает более эффективно, если есть шумовой отпечаток, но поскольку его не было, то я отключил LP-фильтр (чтобы слышать, что делаю), и начал перебирать пресеты. Пресет ‘Strong Noise’ подошёл мне больше всего, и я усовершенствовал его, воспользовавшись регуляторами порога и уровня подавления. Потом я одновременно включил режимы ‘draw’ и ‘audition’, чтобы слышать только удаляемый шум и настроить кривую процессора так, чтобы ни один правильный звук не попал под нож. Это очень продвинуло меня в нужном направлении, и когда я снова включил после этого процессора LP-фильтр, результат стал очень даже хорош.
Набор процессоров для шумоподавления
Чтобы очистить басовый трек, была использована серия различных процессоров. Отметьте, что компрессор не является частью процесса шумоподавления. Он просто использовался, чтобы проверить пригодность результата к дальнейшему микшированию.

Наконец, чтобы проверить, что результат пригоден к употреблению, я пропустил файл через компрессор/лимитер и накрутил в нём хорошее сжатие. В принципе, хотя и были некоторые слышимые проблемы, они не стали препятствием к дальнейшему использованию этого трека, и я уверен, что они будут замаскированы в миксе. Мэтт Хаутон

Звуковые примеры здесь:
http://www.soundonsound.com/sos/jan12/articles/noisereductionmedia.htm

Перевод подготовил Бережной Вячеслав
www.unisonrecords.org


Загрузка беседы