Джей Роуз

Как устранить шумы в фонограммах

Когда фильтры бессильны

С помощью фильтров можно удалить только шумы, имеющие постоянную высоту тона. Но многие шумы, которые сопровождают съемку (шум от транспорта, гул толпы и другие беспорядочные звуки) не могут быть отфильтрованы. Справиться с такими шумами помогает более сложный инструмент - динамическая обработка типа gate (шлюз). О том, как он работает, а, вероятнее всего, этот инструмент есть в используемой вами системе нелинейного монтажа или аудиопрограмме, я попробую объяснить на примере удаления шумов на видеоизображении (рис. 3).

Рис. 3. Аудиошумы подобны помехам в видеоизображении. На левой картинке различные цветовые артефакты можно рассматривать как шумы на различных частотах. Устранение шумов в тех местах, где отсутствует изображение, и их маскирование более сильным видеосигналом в тех местах, где присутствуют и шумы, и картинка, позволяет улучшить качество изображения, но полученный эффект еще далек от идеального (центральная картинка). Динамическая обработка типа gate подобным образом устраняет шумы в аудиофайле. Справа представлено изображение, которое было получено после его обработки с помощью многодиапазонного полосового фильтра. Аналогичные функции в аудиофайлах выполняет многодипазонный экспандер.

Исходное изображение куклы, играющей на трубе (слева), соответствует записанному аудиофайлу диалога, а желтовато-коричневые, желтые и синие точки, покрывающие изображение, представляют собой шумы. Данные шумы относятся к беспорядочным звукам, поэтому их нельзя удалить с помощью эквалайзера. Они достаточно интенсивные, но все-таки слабее, чем сигналы, соответствующие изображению куклы. Если нам удастся найти такое устройство, которое сможет устранить шумы в тех местах, где отсутствует изображение, и замаскировать их более сильным видеосигналом на изображении, то мы получим картинку, представленную в центре.

Динамическая обработка типа gate (например, такая, которая есть в программах Sonic Foundry Sound Forge и Vegas), способна уменьшать фоновый шум за счет приглушения звукового сигнала ниже заданной пользователем границы (рис. 4). В окне Noise Gate можно увидеть три ползунка. Первый Threshold Slider позволяет задавать минимальный уровень звука, при котором открывается шлюз (gate). Все, что ниже этого уровня, заменяется тишиной, поэтому этот ползунок нужно установить на значение, слегка превышающее уровень шума. В результате такой обработки диалог, который звучит громче, чем пороговое значение, останется без изменений. Однако звучание некоторых слов с мягкими звуками, особенно, если они угасают в результате реверберации, может быть искажено. Ползунок Release Slider (иногда его называют Decay Slider) позволяет сделать переход между включенным и выключенным состояниями шлюза более медленным. Обычно для него выбирают значение в диапазоне 100 мс - 1 мин (в зависимости от реверберации). Постепенное включение шлюза можно задать и с помощью ползунка Attack Slider (обычно в течение нескольких миллисекунд).

Рис. 4. Динамическая обработка типа gate программ Sonic Foundry Sound Forge и Vegas, способна уменьшать фоновый шум путем приглушения звукового сигнала ниже заданной пользователем границы.

Абсолютная тишина может оказаться неестественной, поэтому на некоторых шлюзах имеется переключатель уровня шума (фона), который обеспечивает присутствие небольшого количества шумов. Подобное устройство, которое называется "пороговый шумоподавитель", есть в большинстве систем нелинейного монтажа. Он позволяет плавно регулировать степень затухания сигнала в зависимости от того, какая его часть будет находиться ниже порогового значения, и устранять эффекты включения/выключения шлюза.

Эффективность применения порогового шумоподавителя зависит от типа маскирования сигнала. На фоне громких звуков более приглушенные слышны хуже. Если внимательно посмотреть на центральное изображение, представленное на рис. 3, то можно увидеть, что точки, соответствующие шумам, на изображении куклы менее заметны, чем на фоне. При включенном шлюзе шум будет маскироваться диалогом и, вероятнее всего слушатель не услышит его.

Эффект маскирования зависит и от частоты шума. Представьте Джеймса Эрла Джонса с густым низким голосом, который говорит на фоне птичьего щебетанья. Шумовой шлюз уберет щебетанье во время пауз. Но на фоне рокочущего низкого баса высокое птичье щебетанье будет слышно очень отчетливо. Подобный эффект мы слышим при просмотре кинокартин, снятых в тридцатые годы прошлого столетия. В записанных диалогах, которые в те далекие дни, состояли только из низких и средних частот, периодически появляются потрескивание и хруст.

Возможно, вы обратили внимание, что на центральном изображении, представленном на рис. 3, некоторые из оставшихся точек видны не совсем четко. Точки желтого цвета исчезли на фоне желтых волос куклы, голубые - стали практически незаметны на ее штанишках и трубе, а желто-коричневые нельзя разглядеть на фоне ее кожи. Цвета в видеоизображении подобны звуковым частотам. Поэтому маскирование звуков конкретной частоты - наиболее эффективный способ борьбы с шумами на этой же частоте.

Правое изображение на рис. 3 можно использовать, чтобы проиллюстрировать эффект применения программы подавления шумов. В тех местах, где цвета куклы и шума совпадают, последний сохранятся, а там, где они не совпадают, шум удаляется. В большей части изображения более интенсивный насыщенный цвет куклы успешно маскирует более слабый шум. Но, если вы посмотрите на более светлый левый край картинки, то увидите несколько желто-коричневых артефактов на ее руках и несколько синих - на ее штанишках.

На разбиении звука на многочисленные диапазоны (от четырех в первоначальной установке Долби до нескольких тысяч в некоторых плагинах) и применении порогового шумоподавителя для каждого диапазона основаны все современные программы подавления шумов. В системе Dolby A301, появившейся в 1966 г., для маскирования аналоговых шумов на пленке были использованы четыре диапазона компрессии при записи и четыре диапазона расширения при воспроизведении.

Чтобы понять, как работает современные системы подавления шумов, представьте графический эквалайзер с десятками ползунков, каждый из которых позволяет подстраивать громкость в небольшом участке спектра. Теперь вообразите, что рука каждого из многочисленных операторов лежит только на одном ползунке, и он слышит звуковой материал только на своем диапазоне. Когда любой из них слышит что-нибудь важное, он включает свой диапазон и маскирует шум на этой частоте. После того, как важные звуки окончились, оператор тянет ползунок вниз и снижает шумы на своем диапазоне.

Последовательность операций при шумоподавлении

Компьютеры не столь изощрены, как звукоинженеры в определении того, что важно, а что нет в звукозаписи. Большинство программ анализируют в автоматическом режиме, насколько громко звучит шум в каждом из диапазонов, и устанавливают пороговое значение выше этого уровня.

Рис. 5. Почти все программы подавления шумов работают аналогично Waves X-Noise. Выберите образец шума и нажмите на кнопку Learn или Analyze, чтобы определить его параметры. Затем вернитесь в клип и установите безопасную границу между шумом и тем звуком, который вы хотели бы сохранить. Избыточное подавление шумов может привести к неестественному звучанию, поэтому количество удаленных шумов в каждом диапазоне можно контролировать. Для проверки заданных установок некоторые программы позволяют прослушивать то, что удаляется.

Практически во всех программах подавления шумов используется одна и та же последовательность операций, в качестве примера на рис. 5 показано, как работает программа, входящая в пакет Restoration Waves:

Это лишь основные шаги. Но в некоторых программах предусмотрено большее количество средств управления. Например в X-Noise, имеется переключатель Audio/Difference (на рис. 5 отмечен синим овалом). В других программах предусмотрены кнопки Residual или Noise-Only, выполняющие функцию инвертации процесса шумоподавления и позволяющие услышать только то, что удаляется программой. Данная функция может оказаться очень полезной при тонкой настройке пороговых значений, так как дает возможность определить, не "прокрался" ли какой-либо голос в шумы.

В большинство программ пороговые значения можно задавать для индивидуальной полосы или группы полос (рис. 6), увеличивая их для некоторых, чтобы удалить больше шумов в каких-то диапазонах, или снижая эти значения для других, чтобы сохранить важные звуки

Рис. 6. Во многих программах шумоподавления, например в DINR (Digidesign Intelligent Noise Reduction), можно подстраивать пороговые значения для индивидуальной полосы или группы полос, что открывает дополнительные возможности для контроля удаленного и сохраненного материала.

А в программе Arboretum Ionizer реализована функция Correlation (рис 7), с помощью которой можно определить, насколько паразитный сигнал связан с полезным.

Рис. 7. Функция Correlation в программе Ionizer компании Arboretum позволяет определить, насколько паразитный сигнал связан с полезным. Она помогает убрать металлические шумы, возникающие в процессе ослабления артефактов.

В некоторых программах для снижения шумов, ориентированных на непрофессионалов, не предусмотрен процесс выборки, а делается упор на предустановленные модели типичных шумов (например, профиль "белого шума" в Arboretum Ray Gun Pro, рис. 8). Это позволяет сэкономить время, но только тогда, когда модель соответствует шуму, с которым нужно работать. В ряде программ отсутствуют средства для задания индивидуальных пороговых значений, и делать настройку можно только по широкому диапазону, основываясь на частоте. Но для серьезной работы по подавлению шумов лучше иметь как можно больше средств контроля и управления.

Рис. 8. В программе Arboretum Ray Gun Pro используются предварительные настройки, но предусмотрена и возможность для их изменения.

Некоторые предполагают, что процесс выборки при шумоподавлении аналогичен созданию музыкального фрагмента, когда генерируется звук, а затем он повторяется из такта в такт. Но шум, в отличие от музыкального фрагмента, на протяжении всего клипа разный и постоянно изменяется. Поэтому процесс инвертации фазы с удалением шума приведет не к удалению, а к увеличению шумов.

Разработчики очень хорошей программы Cedar Audio's Retouch отказались от проведения выборки и использования экспандеров, но она в большей степени предназначена для устранения неожиданно возникающих шумов, а не постоянных. Прежде чем использовать Cedar Audio's Retouch следует найти те части клипа, которые окружают шум. После этого Retouch нарисует спектрограмму выбранного фрагмента (рис. 9). Нужно найти шум на экране и выбрать любой его компонент. Затемненная зона соответствует выбранной несущей частоте звонка (около 2300 Гц), которая попала в диалог.

Рис. 9. Программа Cedar Audio Retouch создает спектрограмму выбранного фрагмента аудио, которую позднее можно "закрасить", чтобы заменить конкретные звуки - в данном случае основную несущую частоту звука звонка (отмечено фиолетовым цветом).

Программа проверяет, какое количество энергии находится на этой частоте по обе стороны от выбранного места, а затем, основываясь на этой информации, синтезирует замещающий звук. На эту работу мне пришлось затратить достаточно много времени: после того, как я закончил с основной несущей частотой, пришлось еще выбирать и синтезировать замещающие участки для выше лежащих гармоник. Но зато Retouch позволяет устранять гудки автомобилей и другие шумы с высоким тоном более эффективно, чем другие системы.

Рис. 10. Средства подавления шумов в распространяемой бесплатно программе Audacity audio editor достаточно просты, но очень эффективны и функциональны.

Общие рекомендации

Насколько глубоко нужно подавлять шумы каждый решает сам. Один оценит звучание как хорошие и чистое, а для другого оно покажется неестественным и слишком "стерильным", а артефакты, с которыми пришлось долго и упорно бороться, кто-то просто не заметит.

Рис.11. SoundSoap компании BIAS обеспечивает несложное в использовании и эффективно настраиваемое шумоподавление.

Но, несмотря на субъективность оценок, я все же осмелюсь дать несколько советов, которые помогут лучше справиться с задачей подавления шумов.

Какую программу выбрать

В таблице "Программные продукты для подавления шумов" (см. начало статьи в#5'2003) перечислены представленные на рынке пакеты и их основные возможности. Но, по объективным причинам, среди них нельзя выделить лучшие. Те функциональные возможности, которые важны для вас, другому могут оказаться избыточными. Некоторые программные продукты можно использовать только на конкретных рабочих станциях, предназначенных для работы с аудио, в то время как другие выполнены в формате стандартных плагинов или же способны обрабатывать аудиофайлы непосредственно на настольном компьютере.

Рис. 12. В Sonic Solutions NoNoise для систем Pro Tools TDM один плагин используется для анализа шума, а второй (он приведен на рис.) - для его удаления.

Скорость работы плагина определяется программой, скоростью процессора, а также тем, установлен ли процессор для цифровой обработки сигнала. В таблице представлены и аппаратные средства шумоподавления, разработанные для работы в режиме реального времени, которые обычно применяют при микшировании фильма.

Рис. 13. Устройство для работы в реальном времени DNS1000 от Cedar Audio идеально подходит для работы в составе профессионального набора оборудования для микширования. Оно не проводит выборки, но пользователь может быстро задать пороговые значения для каждого диапазона. Другой продукт этой компании DNS2000 предназначен для использования с Pro Tools.

Все протестированные программные пакеты хорошо работали при нормальной записи, а те, у которых было больше возможностей для программирования, смогли справиться даже с интервью, записанным рядом с работающим двигателем. Программы, основанные на сгенерированных профилях шумов, оказались менее эффективны, чем те, которые проводили выборку, но вполне вероятно, что вам как раз подойдут первые, поскольку они гораздо проще.

Рис. 14. Для задания пороговых значений в Adobe Audition (ранее эта программа называлась Syntrillium Cool Edit Pro) используется так называемая "резиновая лента".

Рис. 15. В главном окне программы Noise Reduction компании Sonic Foundry предлагаются общие средства управления, а изменять индивидуальные пороговые значения можно в другом окне.

Демо-версии большей части пакетов можно скачать с сайтов производителей. Попробуйте поработать на них и выберете тот, который понравится. А, возможно, вас устроят те возможностями, которые прелагает аудиоредактор Audacity (он распространяется бесплатно). Но учтите, что эффективность работы любой программа для подавления шумов будет определяться тем, насколько качественно был записан оригинал.

Jay Rose. SHH F The Science and Art of Audio Noise Reduction/DV, 2003, сентябрь.