Немного физмата

В теоретической радиотехнике, если рассматривается нестационарный переходный процесс (а реверберация как раз таковым и является), то адекватным математическим аппаратом будет описание электрической цепи ее импульсной характеристикой. При этом сигнал на выходе цепи получают путем свертки импульсной характеристики с входным сигналом.

Что представляет собой импульсная характеристика? По существу, это тот сигнал, который появится на выходе цепи в результате воздействия на ее вход единичного импульса, длительность которого стремится к нулю, а величина - к бесконечности. Подобный идеализированный импульс носит название "дельта-импульс". В природе таких сигналов не существует, но очень-очень короткий импульс сформировать можно.

Итак, мы пропускаем через исследуемую цепь короткий импульс, в результате чего получаем импульсную характеристику.

Но это только полдела. Нас ведь интересует отклик цепи не на тестовый импульс, а на некий реальный сигнал непредсказуемой формы. Тут физика на время отходит в сторонку и уступает место математике. Любую сложную функцию, любой сигнал (например, звук оркестра, играющего на сцене концертного зала) можно представить в виде множества дельта-импульсов, сдвинутых по времени друг относительно друга. Если считать, что рассматриваемая "цепь" линейна, то справедлив принцип суперпозиции: результирующий выходной отклик на сигнал равен сумме элементарных откликов на каждый из дельта-импульсов, описывающих его. В свою очередь, математической операцией, позволяющей вычислить результирующий отклик по элементарным откликам, является свертка сигнала с импульсной характеристикой.

Свертка хорошо знакома специалистам в области обработки сигналов, математикам, радиоинженерам. Настала очередь музыкантов попытаться понять, что же это такое. Прежде всего, свертка - это операция, выполняемая над двумя сигналами (или парой "сигнал-характеристика", характеристика - тоже сигнал, но только зафиксированный в памяти вычислительного устройства). В результате формируется третий сигнал - свертка двух исходных.

Первый отсчет свертки получают следующим образом: на интервале существования сигналов для каждого момента времени отсчет одного сигнала умножают на отсчет второго сигнала, результаты умножений складывают. Чтобы получить второй отсчет свертки, один из сигналов предварительно сдвигают на время, равное интервалу между отсчетами, затем опять следует серия перемножений и суммирование. Остальные отсчеты свертки получают аналогичным образом: сдвиг, перемножения, суммирование, сдвиг, перемножения, суммирование и т. п. Угадать заранее, как будет выглядеть свертка двух разных сигналов, в общем случае невозможно.

Все это бесспорные научные истины, которые вы можете прочитать в любом учебнике по теоретическим основам радиотехники. Правда, там они изложены на языке, в котором словами служат трехэтажные математические формулы.

Особенность применения поясненных методов для реализации звуковых эффектов состоит в том, что не всегда импульсная характеристика здесь описывает именно электрическую цепь. Чаще она несет в себе информацию об акустических свойствах того или иного помещения. Хотя, разумеется, результаты акустических измерений преобразуются сначала в электрическую, а затем и в цифровую форму.

Основное назначение VST-плагина Perfect Space Convolution Reverb состоит в следующем: он выполняет свертку любого звукового сигнала, поступающего на его вход (например, оцифрованного звука голоса певца), с импульсной характеристикой, заранее загруженной в плагин.

Какое практическое значение это имеет? Если в Perfect Space Convolution Reverb загрузить импульсную характеристику определенного концертного зала, то после обработки плагином записи, которая на самом деле сделана в домашней студии, у слушателей появится впечатление, что она исполняется в этом зале. Ведь в импульсной характеристике как раз и учтены все особенности отражения и поглощения звукового импульса именно в соответствующем ей зале. Конечно, нужно располагать импульсной характеристикой соответствующего зала, но это отдельный вопрос, который, впрочем, в эпоху Интернет решается достаточно просто.

Заглянем в окно

В Cakewalk SONAR Producer Edition подключение любого аудиоэффекта реального времени (в том числе и рассматриваемого) реализуется просто: в секции треков окна Track щелкаете правой кнопкой мыши на поле FX, выделяете в контекстном меню строку (подменю) Audio Effects, затем необходимую группу плагинов (в данном случае это группа VST). В завершение выбираете сам эффект (PerfectSpace).

Открывается окно эффекта, а в поле FX возникает его название. Аналогичным образом вы можете подключить еще несколько эффектов к этому же аудиотреку. Если вы закрыли окно эффекта, а оно вам опять понадобилось - сделайте двойной щелчок на названии эффекта в поле FX.

Непосредственно после того, как вы впервые откроете окно Perfect Space Convolution Reverb, проверить плагин в действии не удастся: не загружена ни одна импульсная характеристика. Найдите в левом верхнем углу окна плагина безымянную кнопку, на которой изображен лист с загнутым уголком - аналог кнопки New, имеющейся в любом приложении Windows. Щелчком на ней открывается стандартное окно загрузки файла. Причем вы сразу же оказываетесь в папке Perfect Space, а пред вашими очами предстают 12 папок, в которых хранятся в общей сложности 340 WAV-файлов с импульсными характеристиками. Загрузите один из них, например, Attack of the Killer Echo из папки Digital 300. Теперь плагин готов к работе, да и в его окне есть на что посмотреть (рис. 1).

Рис. 1. Окно VST-плагина Perfect Space Convolution Reverb

Основную часть площади окна занимает координатное поле. В нем, конечно же, почти всегда отображается импульсная характеристика. На рисунке, приведенном в качестве примера, видно, что реверберация затухает постепенно и довольно долго, а на этот процесс накладываются всплески эхо-сигналов, приходящих от нескольких удаленных и хорошо отражающих звук поверхностей. Аналогичную картину даст система из нескольких излучателей звука, удаленных от слушателя и разнесенных на значительное расстояние. У меня звучание речи, обработанной ревербератором с такими свойствами, почему-то вызвало воспоминание о телевизионных трансляциях демонстраций на Красной площади.

Но кроме импульсной характеристики здесь представлена и огибающая - один из шести доступных для редактирования графиков изменения того или иного параметра.

По горизонтали отложено время (за исключением режима отображения EQ, когда по горизонтали отложена частота).

Вертикальная шкала в левой части координатного поля - уровень импульсной характеристики в децибелах.

Смысл и единица измерения вертикальной шкалы, расположенной по правую сторону, непостоянны. Они зависят, от того, график какого параметра выведен для редактирования. Всего их шесть, причем пять графиков поочередно отображаются одновременно с импульсной характеристикой: volume - уровень громкости; width - ширина стереобазы; pan - панорама; lo pass - частота среза фильтра, пропускающего нижние частоты; hi pass - частота среза фильтра, пропускающего верхние частоты. Отображаемый график выбирают удлиненной кнопкой с соответствующей надписью (кнопки расположены над координатным полем). А вот саму функцию, управляемую графиком, можно включить маленькой квадратной кнопкой, расположенной "этажом выше".

Для редактирования графика нужно двойными щелчками на нем левой кнопкой мыши создать необходимое число узлов (точек перегиба). Затем узлы нужно мышью поочередно захватывать и перемещать до тех пор, пока не получится график желаемой формы.

Чем же управляют эти графики? Давайте разберемся в этом на пример графика pan, представленного на рисунке (рис. 2). Всмотритесь - и вы поймете, что будет происходить с каждым отсчетом обрабатываемого сигнала: в течение первой половины секунды панорама переместится из центра в крайнюю правую точку, следующие полсекунды она будет возвращаться в центр, затем к концу второй секунды панорама окажется в крайней левой точке, а за оставшееся время (в данном случае до 5,793 секунд) она будет постепенно возвращаться в центр. Через 5,793 секунды процесс начнется заново и далее будет периодически повторяться. Так будет с каждым отсчетом звукового сигнала! А, кроме того, не забудьте, что каждый отсчет будет участвовать и в операции свертки с импульсной характеристикой. Да к тому же припомните, что наряду с панорамой можно задать графики изменения во времени еще четырех параметров. Представляете, насколько живой, дышащей и где-то даже нереальной можно сделать реверберацию!

Рис. 2. Изменение панорамы стереофонической реверберации может дать непредсказуемый эффект

А вот если вы нажмете кнопку EQ, то импульсная характеристика с поля исчезнет, а останется только график, с помощью которого в координатах "частота-уровень" задается амплитудно-частотная характеристика "бесконечнополосного" графического эквалайзера. Эта характеристика, в отличие от пяти рассмотренных выше, не является динамической: остается неизменной в любой момент времени.

Если вы слишком намудрите с графиками, то перевести их в нейтральное исходное состояние можно с помощью кнопки reset.

Еще две кнопки заслуживают упоминания. Обе они находятся под координатным полем. Кнопкой reverse реверсируется импульсная характеристика - ее начало и конец меняются местами. Впечатление незабываемое: эхо не затухает со временем, а разрастается.

Кнопкой auto gain включается режим автоматической подстройки усиления (фактически - нормирования свертки) с тем, чтобы независимо от характера изменения отсчетов различных импульсных характеристик звук был максимально громким, но не было бы заметных искажений.

Применяя регуляторы offset и length, вы можете вместо полной загруженной импульсной характеристики использовать в свертке ее определенный фрагмент. Регулятор delay управляет выходной задержкой. Регулятором dry устанавливается уровень необработанного сигнала, а wet - обработанного. Каждая из этих составляющих сигнала может быть независимо выключена "светящимися" кнопками.

Внести постоянное смещение в панораму обработанного сигнала можно регулятором wet pan.

Кроме графиков и элементов управления в окне плагина можно видеть строки, содержащие полезную информацию: об имени загруженного файла, о пути к нему, о его формате. Обращу ваше внимание на строку latency 4096, напоминающую о том, что обработка звукового сигнала данным плагином сопровождается задержкой на время, соответствующее 4096 отсчетам. Величину задержки можно выбирать.

Звуковые миры в ассортименте

Вы уже знаете, что в общей сложности с программой поставляется 340 импульсных характеристик, сгруппированных по классам моделируемых объектов. Наиболее многочисленна группа моделей реальных помещений (Real Spaces), которая в свою очередь делится на 12 подгрупп и насчитывает 80 файлов. Несколько меньше (но тоже немало - 63) синтезированных (Synthesized) акустических пространств. Однако количеством импульсных характеристик вряд ли можно удивить современного компьютерного музыканта, которому доступен Интернет. Вот и меня тоже в большей степени заинтересовали не многочисленные акустические модели реальных и вымышленных помещений, а те несколько файлов, которые запрятаны в папки Acoustic Guitar и You-1 Piano. В первой из них хранятся файлы с импульсными характеристиками акустической гитары, а во второй - фортепиано. Замечу, что хотя синтезаторов звучания гитар и фортепиано создано столько, что они уже не поддаются счету, однако за малым исключением (см. статьи в "Магии ПК" 2004/6 и 2004/7,8) подобные инструменты звучат неважно. Как правило, синтезированные гитары и рояли кажутся "бестелесными". У них вроде бы и нет корпуса, одни только струны на дощечке. Возвращаясь к плагину Perfect Space Convolution Reverb, скажу о своих впечатлениях от прослушивания партии гитары, обработанной сверточным ревербератором, в который загружена импульсная характеристика из файла ACOUSTIC GUITAR FULL BODY.WAV. У гитары, играющей не очень изощренным звуком GM-синтезатора Cakewalk TTS-1, вдруг появился объем и, кажется, даже стал ощущаться вес. Сам по себе вспомнился деревянный корпус инструмента, чуть теплый от соприкосновения с рукой.

А рояль, "доработанный" импульсной характеристикой YOU1 CHROMATIC.WAV, стал казаться огромным, массивным и вместе с тем чутко резонирующим в ответ на удар молоточка по струнам.

Словом, характер звучания моделей этих инструментов после обработки плагином разительно поменялся в сторону приближения к звучанию оригиналов. Есть даже доля опасения, что при большом уровне обработанного сигнала эффект окажется слишком сильным: не испугает ли кого-либо из слушателей иллюзия того, что его уложили в деревянный ящик.

Обращу ваше внимание на то, что импульсные характеристики групп Acoustic Guitar и You-1 Piano моделируют не окружающее пространство, а сам музыкальный инструмент. Поэтому на этапе сведения композиции, возможно, имеет смысл еще раз обработать ревербератором партии этих инструментов, а заодно и другие треки, имеющиеся в проекте. Только на этот раз нужно будет выбрать такую импульсную характеристику, которая позволит поместить весь ваш виртуальный оркестр в виртуальный концертный зал с подходящей акустикой.

Этой статьей завершается цикл, посвященный наиболее существенным новинкам пятой версии виртуальной студии Cakewalk SONAR Producer Edition. В остальном версия 5 мало отличается от своей предшественницы. На практике это означает, что для освоения программы вы по-прежнему можете пользоваться всеми 960 страницами книги "Cakewalk SONAR 4 Producer Edition. Секреты мастерства".