Amiga MA Magazine 1997 #3/amigamamagazinepolishissue03-1/ma_1995/01/ami035.txt

Text File | 1997-04-06 | 7KB | 137 lines

DSP dla kaûdego (cz. 2.)
------------------------

FILTRACJA CYFROWA

<a> William Mobius

<sr>Komputery i film

<txt> Jeûeli sygnaî analogowy zamienimy na postaê cyfrowâ, moûemy
go dalej przetwarzaê. Przetwarzanie ma wiele nazw. Gîówne z nich
to COS oraz DSP. COS -- pol. Cyfrowa Obróbka Sygnaîów, DSP --
ang. Digital Signal Processing (Cyfrowe Przetwarzanie Sygnaîów).
Przetwarzanie moûe mieê miejsce "z marszu", w czasie
rzeczywistym, a takûe w czasie nierzeczywistym, tzn. po
zarejestrowaniu.----------------?czego?---------------- Obróbka
danych w czasie rzeczywistym jest bardzo czësto wykorzystywana.
Wszelkiego rodzaju procesory dúwiëkowe, cyfrowe miksery wizyjne,
korektory podstawy czasu czy inne tego typu muszâ byê na tyle
szybkie, aby móc wykonaê wszystkie operacje pomiëdzy pobieraniem
i próbkowaniem kolejnych danych. Nie naleûy teû zapominaê o
wszelkiego rodzaju algorytmach kompresji/dekompresjii obrazu z
MPEG na czele, poniewaû jest to teû swego rodzaju obróbka
sygnaîu.

W wypadku komputerów moûemy najpierw zarejestrowaê sygnaî w
pamiëci i dopiero zaczâê jego obróbkë. Daje to fantastyczne
moûliwoôci, których próbkë moûna znaleúê np. w filmach: "Park
Jurajski", "Kosiarz Umysîów" i innych. Zwîaszcza przetwarzanie
okreôlane mianem "motion morphing", czyli metamorfoza w ruchu,
robi duûe wraûenie. Obserwujâc sceny dziejâce sië na ekranie nie
moûna wyjôê z podziwu nad perfekcjâ zdjëê i montaûu
poszczególnych elementów. Tajemnicâ producenta jest to, ûe
czasami na pojedynczy obraz skîada sië i 70 naîoûonych na siebie
warstw. Jak wspominaî sam George Lucas, przy krëceniu scen do
pierwszej czëôci "Gwiezdnych Wojen" posiadano tylko jeden
specjalnego typu skafander, a naleûaîo pokazaê port kosmiczny w
planie ogólnym. Co zatem zrobiono? Ano, aktor ubrany w ten
skafander po prostu kilkanaôcie razy przespacerowaî sië przed
kamerâ, za kaûdym razem filmowany pod innym kâtem i z innej
odlegîoôci. Nastëpnie naîoûono wszystkie te ujëcia na siebie i to
îâcznie z wszystkimi warstwami makiety promu kosmicznego.
Koïcowe zaô wraûenie byîo takie, ûe w olbrzymim promie, na kaûdym
poziomie znajdujâ sië straûnicy. Widaê ich byîo takûe w
perspektywie dziëki elektronicznemu rozmyciu dalszych planów.
Obecnie, choê nadal wykorzystuje sië superkomputery do kreacji
obrazu, duûa czëôê moûliwoôci dostëpna jest dla wiëkszej liczby
osób dziëki systematycznemu rozwojowi techniki i spadkowi cen.

Podobnie w dziedzinie muzyki i dúwiëku cyfrowe przetwarzanie
sygnaîów umoûliwia wspaniaîe rzeczy. W tej chwili symulacja
filtrów pasmowych, dodawanie echa czy pogîosu, tworzenie efektów
chóralnych to drobna czëôê moûliwoôci. Istniejâ specjalne
vocodery do obróbki gîosu ludzkiego, z którego mogâ zrobiê np.
gîos robota, potwora czy ducha, a nawet (mimo ûe nieco bardziej
skomplikowane) mogâce zamieniê gîos mëûczyzny na gîos kobiety czy
dziecka. Istniejâ teû doôê zaawansowane techniki obróbki
sygnaîów. Np. za pomocâ filtrowania cepstralnego moûna dokonaê
rzeczy zdawaîoby sië niemoûliwych: wydzieliê z sygnaîu z dodanym
echem czy pogîosem czysty sygnaî pozbawiony echa, wydzieliê z
nagrania pojedyncze instrumenty, wykasowaê niektóre z nich, w
innych zmieniê brzmienie, dodaê nowy gîos i na powrót zmiksowaê.
Do tych technologii ma dostëp w zasadzie tylko wojsko, show
business oraz pracownicy naukowi na uniwersytetach, zajmujâcy sië
badaniem moûliwoôci restauracji starych nagraï. Inne zastosowania
teû sâ ciekawe: np. za pomocâ komputerów moûna tak przerobiê
gîos, ûe zniknie on i zamieni sië w zwykîy szum. Moûna go potem
wyemitowaê i w odpowiednim odbiorniku z powrotem odtworzyê, a
ûaden krótkofalowiec przeszukujâcy zakresy, nie bëdzie nawet
wiedziaî, ûe toczy sië rozmowa, zdoîa jedynie stwierdziê, ûe ktoô
nadaje.

Dziô z dúwiekiem moûna robiê wszystko, nawet fabrykowaê taômy
jako dowody rzeczowe, choê do tego trzeba posiadaê juû co
najmniej "profesorskâ" wiedzë oraz coô, co nazwaîbym intuicjâ
badacza. Juû widzë ten zîowieszczy uômiech. Ale, niestety, "nie
ma letko". Zwykîy komputerowy montaû cudzych sîów moûna za pomocâ
odpowiednich metod doôê szybko wykryê. Ûeby to utrudniê, trzeba
sië sporo nagimnastykowaê. Jak widaê, moûliwoôci jest bez liku.
Postaram sië pokazaê niektóre z nich, majâc nadziejë, ûe bëdzie
to interesujâce.

<sr>Pierwsze wejôcie -- dúwiëkowe

<txt> Zanim weúmiemy sië za matematykë, moûe warto pokazaê
zastosowanie praktyczne DSP. Zacznijmy od dúwiëku. Uruchommy
jakiô program dúwiëkowy, np. Audiomaster, Protracker, Octamed.
Kaûdy z uûytkowników tego typu programów zna na pewno opcjë o
nazwie FILTER. (rys. 1). Do czego ona sîuûy? Do filtrowania.
Tak. Ale na czym ono polega? Polega ono na zmniejszaniu szumów po
samplowaniu, choê jednoczeônie "zamazuje" wysokie dúwiëki. Takie
podejôcie do tego jest bardzo rozpowszechnione, ale niestety
powierzchowne. Poniewaû samo pojëcie >filtracja< jest duûo
bardziej uniwersalne. Np. zamiast filtrowaê wysokie tony, moûemy
przefiltrowaê niskie (basy), albo inne pasma. Fitracja moûe teû
polegaê np. na pominiëciu co drugiej próbki lub ich podniesieniu
do kwadratu lub pierwiastkowaniu. Tak sië jednak zîoûyîo, ûe w
slangu trackerów przyjëîo sië, ûe "filtrowaê" to znaczy obcinaê
wysokie tony, co wziëîo sië prawdopodobnie od "filtracji" szumu.
Lecz ja w swoich tekstach pojëcia filtracji bëdë uûywaî wîaônie w
tym uniwersalnym znaczeniu. Lecz wróêmy do samplowania.

Jeûeli sygnaî jest nagrywany do komputera w obecnoôci szumu, to
szum taki równieû zostanie spróbkowany i skwantowany podobnie jak
sygnaî. Z szumu najbardziej sîyszalna jest dla czîowieka czëôê
wysokoczëstotliwoôciowa. Prawie wszystkie proste systemy redukcji
szumu w magnetofonach (Dolby-B, DBX, DNL) zmniejszajâ ich
natëûenie wîaônie w tym zakresie. W programach muzycznych Amigi
zastosowano wiëc podobnâ metodë, która polega na wyciëciu lub
osîabieniu wyûszych skîadowych w dúwiëku. Jest ona bardzo prosta,
ale w wypadku 8 bitów czëôciowo wystarczajâca. Jednoczeônie
procedura moûe teû sîuûyê jako regulator sopranów tak jak gaîka
"treble" we wzmacniaczu. Spróbujmy coô zrobiê. Wgrywamy sampel i
naciskamy na >filter<. Moûemy sië przyjrzeê rezulatowi (rys. 2.).
Jak widaê, w sygnale zmniejszyîa sië przez to liczba górek i
dolinek, wykres ma mniej zaîamaï. Zróbmy teraz analizë widmowâ
tych dwóch przebiegów. Widaê wyraúnie zmniejszenie sië iloôci
wyûszych skîadowych w sygnale.

<sr> Drugie wejôcie -- graficzne

<txt> DSP w dziedzinie obrazu potrafi wykonywaê analogiczne
zadania, choê rezultat, rzecz jasna, bëdzie inny (wizualny).
Wîâczmy jakiô program do obróbki obrazu: Image-FX, ADPro, czy
nawet zorientowany malarsko Deluxe Paint IV. Wczytajmy dane. W
tym wypadku sâ to dane dwuwymiarowe, jednoznakowe, czyli: obrazek
(rys. 3.). W obrazku moûemy stîumiê wyûsze czëstotliwoôci
przestrzenne, np. za pomocâ >smooth< czy >blur<, otrzymujâc w
rezultacie efekt zamazania szczegóîów.

Gdybyômy wyjëli jednâ linië obrazka przed i po przetworzeniu i
pokazali je na wykresie, to przekonamy sië, ûe takûe róûniâ sië
one liczbâ dziobków i górek. Po filtracji zbocza przebiegów sâ
bardziej îagodne. Poza tym na wykresie widaê róûnicë miëdzy
sygnaîem dúwiëkowym a obrazem, poniewaû w wypadku danych
graficznych sygnaî przybiera tylko wartoôci dodatnie (plus zero).