Morphing (lydeffekt)

Morphing ( engelsk morphing - transformation) - en lydeffekt, som består i at pålægge en anden lyd egenskaber. Karakteristikaene kan være signalets indhyllingskurve , spektrum eller tidsmæssige struktur. Ofte taler de om klangfarve -morphing - processen med at kombinere to eller flere lyde af forskellig klang for at opnå en ny klang, hvis klang omfatter de individuelle karakteristika for begge lyde [1] .

I lydbehandling bruges morphing typisk til at løse to typer problemer:

opnå en jævn overgang mellem to lyde;
skabe en ny lyd, der har de originale lydes egenskaber.

Sådan virker det

Morphing ligner i princippet en vocoder , hvor klangen på et instrument styres af de dynamiske egenskaber ved et andets lydproduktion. Når en person udtaler en lyd, fungerer hans taleapparat som et komplekst system af filtre, der passerer gennem hvilke lydbølgen fra stemmebåndene transformeres. Hvis en anden lyd, for eksempel en guitar, påføres gennem det samme filtersystem, begynder den at "tale". I dette tilfælde taler man om spektral eller frekvensmorphing.

Derudover er der morphing over tid. For eksempel har lyden af en guitarstreng et hurtigt angreb og et langt henfald, mens trompeter tværtimod har et langsomt angreb og et hurtigt henfald. Temporal morphing er, at det er muligt at erstatte den oprindelige klang, samtidig med at principperne for reproduktion bevares.

Morphing ligner også amplitudemodulation, men med morphing har hvert frekvensbånd sin egen form for amplitudeændring.

Implementering

Der er mange implementeringer af morphing. I de fleste af dem opnås lydeffekten ved at interpolere signalkarakteristika opnået ved hjælp af analyse- eller syntesemetoder, såsom vinduesbestemt Fourier-transformation , sinusformet modellering eller lineær forudsigelseskodning. Følgende er de mest almindelige lyd-morphing-algoritmer.

Lineær interpolation med jævne overgange

En af de første tilgange, der blev brugt til at implementere lyd-morphing-opgaver, var lineær interpolation og crossfade. I dette tilfælde bestemmes udgangssignalet af formlen: $y(t)$

y(t) = \alpha s_1(t) + (1 - \alpha) s_2(t)

hvor og er indgangssignalerne, er interpolationskoefficienten. $s_{1}$ $s_{2}$ $\alfa$

Især ved hjælp af crossfade - et jævnt fald i lydstyrken af en lyd på samme tid som en jævn stigning i lydstyrken af en anden - sker en gradvis transformation af en lyd til en anden (mens værdien skal ændres), og takket være lineær interpolation har udgangssignalet en gennemsnitskarakteristik af de originale signaler. $\alfa$

På trods af det faktum, at disse tilgange er praktiske til beregninger, bruges de sjældent i praksis, da det med deres hjælp er umuligt at skabe en højkvalitetslyd med deres hjælp, hvis indgangssignalernes klangfarve er meget forskellige - begge originale signaler er høres i udgangssignalet.

Amplitude morphing

Amplitudemorphing opnås ved at følge signalets indhylning. For at gøre dette vælges amplitudeindhylningen af styresignalet, som derefter bruges til at styre amplituden af det syntetiske signal. For eksempel kan amplituden af taleindhyllingen bruges til at styre amplituden af bredbåndsstøj. I dette tilfælde vil støjen lyde, som om den blev talt højt. Forfinelsen af denne metode førte til opfindelsen af vocoderen, hvor denne algoritme anvendes i hvert af de frekvensbånd, som stemme og støj er opdelt i.

Morphing opnås ved at ændre amplituden af inputsignalet ved hjælp af en foruddefineret amplitudeindhyllingskurve eller amplituden af et andet signal. Hvis der anvendes en færdiglavet signalindhylning, multipliceres indgangssignalet med udgangssignalet fra indhylningsgeneratoren. Hvis der anvendes et styresignal, er det nødvendigt først at vælge amplitudeindhylningen for dette signal. For nøjagtige målinger bør der anvendes en RMS-detektor. Imidlertid varierer amplituden af signalerne fra akustiske instrumenter normalt lidt, og deres lydstyrke afhænger mere af ændringer i spektret end af ændringer i amplitude. Hvis lydstyrken af udgangssignalet skal svare til lydstyrken af styresignalet, er det nødvendigt at udvide det dynamiske område af styresignalet. [2]

Amplitudevariationer af styresignalet påført inputsignalet skaber en effekt, der opfattes i signalets tids- eller frekvensdomæne afhængigt af frekvensen af det modulerende signal. For frekvenser under 20 Hz vises denne effekt i tidsdomænet og kaldes amplitudefølgende. For frekvenser over 20 Hz opfattes denne effekt i frekvensdomænet og kaldes amplitudemodulation .

Hvis styresignalet har en bred båndbredde , skal bredden af signalspektret reduceres ved hjælp af en signalgennemsnitsblok. En typisk henfaldstidskonstant i signalgennemsnitsblokken er 30...100 ms. Disse værdier udjævner amplituden af signalet, så det forbliver i sub-lydområdet. Det er dog ofte ønskeligt at transformere angrebene af inputsignalet uden at beregne et gennemsnit. Derfor anbefales det at bruge værdier, der er mindre for angrebstidskonstanten end for faldtidskonstanten. En typisk signalangrebstidskonstant er 1...30 ms.

Amplitudevariationerne af indgangssignalet og styresignalet kan være i modfase, hvorved virkningen af effekten reduceres, eller være i fase, hvilket fører til en udvidelse af det dynamiske område. For at amplitudevariationerne af udgangssignalet skal svare til amplitudevariationerne af styresignalet, anbefales det først at sende indgangssignalet gennem en begrænsende kompressor .

Krydssyntese

Ideen med krydssyntese er at kombinere to signaler på en sådan måde, at spektret af det første signal dannes ved hjælp af spektret af det andet signal, mens tonehøjden af den første lyd bevares. Denne metode kan forbedres ved at fjerne den spektrale indhyllingskurve af det første signal før filtrering.

Krydssyntese består af følgende trin [3] :

Udfør en windowed Fourier-transformation for hvert af inputsignalerne.
Beregn spektralenvelope for hver frame.
Opdel derudover spektret af hver frame af bæresignalet i dets spektrale indhyllingskurve, og gør det derved fladt.
Multiplicer en flad spektralramme med indhyllingen af den tilsvarende modulerende ramme, hvorved bærebølgeindhyllingen erstattes med den modulerende.

Cepstral analyse

Signalbehandling baseret på cepstral analyse kaldes også homomorf . Ved hjælp af cepstrum kan du få signalets spektrale indhyllingskurve. Ændringen i lyden opnås ved at filtrere den omvendte envelope efterfulgt af filtrering af envelope af det andet signal . At forbinde begge filtre i serie fører til en overførselsfunktion af formen . I betragtning af det , er filtreringen baseret på forskellen mellem to spektralkonvolutter. Den omvendte filtrering af det første signal og den efterfølgende filtrering af spektralindhylningen af det andet signal kan udføres i et trin ved brug af hurtig foldning. $\dfrac{1}{|H_1(f)|}$ $|H_2(f)|$ $\dfrac{|H_2(f)|}{|H_1(f)|}$ $\log{\dfrac{|H_2(f)|}{|H_1(f)|}} = \log{|H_2(f)|} - \log{|H_1(f)|}$

Sinusformet simulering

Når du bruger en sinusformet model, er tidsvarierende spektralkarakteristika repræsenteret som summer af sinusoider, kaldet overtoner . Indgangssignalet kan repræsenteres som følger [4] : $s(t)$

s(t) = \sum^{N}_{n=1} A_n(t) \cos{\Theta_n(t)}

hvor er amplituden af den n'te sinusoide, er fasen af den n'te sinusoide, N er antallet af overtoner under overvejelse. $A_{n}$ $\Theta_n$

En mere generel idé kan opnås ved at bruge en sinusformet model med en rest. Det kan betragtes som en generalisering over den windowed Fourier-transformation og sinusformede modellering. Ved hjælp af denne tilgang er det muligt at bestemme, hvilken del af den spektrale information, der præsenteres i form af sinusoider, og som er resten af den vinduesbelagte Fourier-transformation. Når det er godt analyseret, er dette en meget fleksibel og effektiv model, der bevarer god lydgengivelse. Med denne tilgang bruges den sinusformede repræsentation kun til stabile overtoner, og resten bør ideelt set være en stokastisk komponent. Indgangssignalet ser således ud:

s(t) = \sum^{N}_{n=1} A_n(t) \cos{\Theta_n(t)} + e(t)

hvor er støjkomponenten til tiden (i sekunder). $e(t)$ $t$

Denne algoritme giver tre interpolerende faktorer, som hver kan bruges til at styre den genererede lyd: Grundfrekvens , harmonisk klang og restindhyllingskurve.

Ansøgning

Morphing bruges aktivt i underholdningsindustrien: de skabte lyde bruges i filmlydspor og i reklamer på tv. Morphing bruges også i psykoakustiske eksperimenter, især for at studere klangfarverummet.

Morphing kan bruges til at skabe nye lyde med forskellige karakteristika, samt til at give en mere realistisk syntese af naturlige toner, som for eksempel kan anvendes ved at øge volumen af en stille lyd.

Et af de mest berømte eksempler på audiomorphing var genskabelsen af Farinellis stemme til en film om livet for en berømt kastrat fra det 18. århundrede. Derefter blev morphing brugt til at skabe rækkevidden af sangerens stemme ved at kombinere koloratursopran og kontratenor .

Noter

↑ Holloway B., Tellman E., Haken L. Timbre Morphing of Sounds with Unequal Number of Features. // Journal of the Audio Engineering Society - 1995 - nr. 43 (09) - s. 678-689.
↑ DAFX - Digitale lydeffekter / Ed. Udo Zolzer. - Chichester: John Wiley & Sons, 2002. - 554 s.
↑ Krydssyntese . Dato for adgang: 15. januar 2014. Arkiveret fra originalen 27. december 2013. (ubestemt)
↑ F. Primavera, F. Piazza og J. Reiss . Audio Morphing for perkussiv hybrid lydgenerering. – I Proc. 45. # "Audio Engineering Society Conference", 2012. - 8 s.

Foreslået læsning

DAFX - Digitale lydeffekter / Ed. Udo Zolzer. - Chichester: John Wiley & Sons, 2002. - 554 s.
Serra, X. Musikalsk lydmodellering med sinusoider plus støj. — Swets & Zeitlinger, 1997. — s. 91-122.
Fremskridt inden for lyd- og talesignalbehandling: teknologier og applikationer / Ed. Hector Perez Meana. - Idea Group Inc (IGI), 2007. - 446 s.

Lydeffekter og enheder
Modulation	Horus flanger phaser Amplitude vibrato frekvens vibrato forsinke Ringmodulation
Frekvensskift	Oktaver Pitch shifter Harmonizer Arpeggiator
Forvrængning	Fuzz overdrive forvrængning
Amplitudekonvertering	Equalizer Kompressor Begrænser Expander Autopanner Normalisering Lydstyrke
Andet	Wow wow Efterklang Squelch taleboks Vocoder morphing Exciter Leslie effekt Haas effekt