Введение
Операция обработки аудиосигнала. Сжатие динамического диапазона (DRC) или просто компрессия – это операция обработки аудиосигнала, которая уменьшает громкость громких звуков или усиливает тихие звуки, тем самым уменьшая или сжимая динамический диапазон аудиосигнала. Компрессия широко используется в звукозаписи и воспроизведении, вещании, системах усиления звука в живых выступлениях и некоторых инструментальных усилителях. Специализированное электронное аппаратное устройство или аудиопрограммное обеспечение, применяющее компрессию, называется компрессором. В 2000-х годах компрессоры стали доступны в виде программных плагинов, работающих в программном обеспечении цифровых аудио рабочих станций. В записанной и живой музыке параметры компрессии могут быть настроены для изменения способа воздействия на звук. Компрессия и лимитирование идентичны по процессу, но различаются по степени воздействия и воспринимаемому эффекту. Лимитер – это компрессор с высоким коэффициентом и, как правило, коротким временем атаки. Компрессия используется для улучшения качества и четкости звучания в системах оповещения, в качестве эффекта, а также для повышения согласованности при сведении и мастеринге. Она применяется к вокалу для уменьшения шипящих звуков, а также в радиовещании и рекламе, чтобы сделать аудиопрограмму более заметной. Это неотъемлемая технология в некоторых системах шумоподавления.
Dynamic range compression (DRC) or simply compression is an audio signal processing operation that reduces the volume of loud sounds or amplifies quiet sounds, thus reducing or compressing an audio signal's dynamic range. Compression is commonly used in sound recording and reproduction, broadcasting, live sound reinforcement and some instrument amplifiers. A dedicated electronic hardware unit or audio software that applies compression is called a compressor. In the 2000s, compressors became available as software plugins that run in digital audio workstation software. In recorded and live music, compression parameters may be adjusted to change the way they affect sounds. Compression and limiting are identical in process but different in degree and perceived effect. A limiter is a compressor with a high ratio and, generally, a short attack time. Compression is used to improve performance and clarity in public address systems, as an effect and to improve consistency in mixing and mastering. It is used on voice to reduce sibilance and in broadcasting and advertising to make an audio program stand out. It is an integral technology in some noise reduction systems.
Типы
Есть два типа компрессии: понижающая и повышающая. Оба типа компрессии уменьшают динамический диапазон аудиосигнала. Понижающая компрессия уменьшает громкость громких звуков, превышающих определенный порог. Тихие звуки ниже порога остаются без изменений. Это наиболее распространенный тип компрессора. Лимитер можно рассматривать как крайнюю форму понижающей компрессии, поскольку он особенно сильно сжимает звуки выше порога. Повышающая компрессия увеличивает громкость тихих звуков, не достигающих определенного порога. Более громкие звуки выше порога остаются неизменными. Некоторые компрессоры также обладают способностью выполнять обратную операцию по отношению к компрессии, а именно расширение. Расширение увеличивает динамический диапазон аудиосигнала. Как и компрессия, расширение бывает двух типов: понижающее и повышающее. Понижающее расширение делает тихие звуки ниже порога еще тише. Шумные ворота (noise gate) можно рассматривать как крайнюю форму понижающего расширения, поскольку они делают тихие звуки (например, шум) тише или даже полностью заглушают их, в зависимости от установленного уровня порога. Существует ряд технологий, используемых для усиления с переменным коэффициентом, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Вакуумные лампы используются в конфигурации, называемой переменным мю, где напряжение между сеткой и катодом изменяется для изменения усиления. Оптические компрессоры используют фоторезистор, стимулируемый небольшой лампой (лампой накаливания, светодиодом или электролюминесцентной панелью) для создания изменений в усилении сигнала. Другие используемые технологии включают полевые транзисторы и диодный мост. При работе с цифровым аудио, методы цифровой обработки сигналов (DSP) обычно используются для реализации компрессии в виде аудиоплагинов, в микшерских консолях и в цифровых аудио рабочих станциях. Часто алгоритмы используются для эмуляции вышеупомянутых аналоговых технологий.
Контроль и функции
Ряд параметров и функций управления, настраиваемых пользователем, используются для регулировки алгоритмов и компонентов обработки сигналов динамического сжатия.
Порог
Компрессор снижает уровень звукового сигнала, если его амплитуда превышает определенный порог. Порог обычно устанавливается в децибелах (dBFS для цифровых компрессоров и dBu для аппаратных компрессоров), при этом более низкий порог (например, -60 дБ) означает, что большая часть сигнала подвергается обработке. Когда уровень сигнала ниже порогового значения, обработка не производится, и входной сигнал передается на выход без изменений. Следовательно, более высокий порог, например, -5 дБ, приводит к меньшей обработке и меньшему сжатию. На поведение порогового значения влияют настройки атаки и восстановления (см. ниже). Когда уровень сигнала превышает порог, включение компрессора задерживается настройкой атаки. В течение времени, определяемого настройкой восстановления после того, как входной сигнал опустился ниже порогового значения, компрессор продолжает применять сжатие динамического диапазона.
Соотношение
Величина уменьшения усиления определяется коэффициентом компрессии: коэффициент 4:1 означает, что если уровень входного сигнала превышает порог на 4 дБ, уровень выходного сигнала снижается до 1 дБ выше порога. Усиление и уровень выходного сигнала уменьшаются на 3 дБ. Другими словами, любой уровень входного сигнала, превышающий порог, в данном случае будет выводиться на уровне, который лишь на 25% (то есть 1 из 4) превышает порог по сравнению с уровнем входного сигнала. Наибольший коэффициент компрессии часто называют лимитированием, и это фактически означает, что любой сигнал выше порога снижается до уровня порога после завершения времени атаки.
Атака и освобождение
Компрессор может обеспечивать определенную степень контроля над скоростью своей реакции. Атака – это период, в течение которого компрессор уменьшает усиление в ответ на повышение уровня сигнала на входе, стремясь к усилению, определяемому коэффициентом компрессии. Отпускание – это период, в течение которого компрессор увеличивает усиление в ответ на снижение уровня сигнала на входе, стремясь к выходному усилению, определяемому коэффициентом компрессии, или к единичному усилению, как только уровень входного сигнала опустится ниже порога. Поскольку динамика исходного материала изменяется во времени под воздействием компрессора, это может изменить характер сигнала как тонко, так и весьма заметно, в зависимости от настроек атаки и отпускания. Длительность каждого периода определяется скоростью изменения сигнала и требуемым изменением усиления. Для более интуитивного управления, регуляторы атаки и отпускания компрессора обычно указываются в единицах времени (чаще всего в миллисекундах). Это время, необходимое для изменения усиления на заданное количество децибел или на заданный процент от целевого значения. Не существует единого отраслевого стандарта для точного определения этих временных параметров. Во многих компрессорах время атаки и отпускания регулируется пользователем. Однако в некоторых компрессорах время атаки и отпускания задается схемотехникой и не подлежит регулировке. Иногда время атаки и отпускания является автоматическим или зависящим от программы, то есть поведение компрессора может меняться в зависимости от входного сигнала.
Мягкие и твердые колени
Еще одной функцией компрессора может быть выбор жесткой или плавной характеристики колена. Она определяет, насколько резким (жестким) или плавным (мягким) будет изгиб на графике зависимости компрессии от уровня сигнала при переходе через порог. Плавное колено постепенно увеличивает степень компрессии по мере роста уровня сигнала, пока не достигнет значения, установленного пользователем. Плавное колено смягчает потенциально слышимый переход от несжатого к сжатому сигналу и особенно полезно при высоких значениях степени компрессии, где переход через порог был бы более заметен.
Определение пика и RMS
Компрессор с пиковым детектированием реагирует на пиковый уровень входного сигнала. Хотя пиковое детектирование обеспечивает более точный контроль пиковых уровней, оно не обязательно соответствует восприятию громкости человеком. Некоторые компрессоры применяют функцию измерения мощности (обычно среднеквадратичное значение или RMS) к входному сигналу перед сравнением его уровня с порогом. Это обеспечивает более мягкое сжатие, которое лучше соответствует восприятию громкости человеком.
Стерео связь
Компрессор в режиме стереосвязи применяет одинаковое количество подавления сигнала к обоим каналам – левому и правому. Это необходимо для предотвращения смещения стереобаланса, которое может возникнуть при индивидуальной компрессии каждого канала.
Повышение нагрузки
Поскольку понижающий компрессор лишь уменьшает уровень сигнала, обычно предусмотрена возможность добавления фиксированного количества компенсационной (или восстанавливающей) подстройки усиления на выходе, чтобы обеспечить оптимальный выходной уровень.
Вперед-вперед
Функция предпросмотра предназначена для решения проблемы необходимости идти на компромисс между медленной скоростью нарастания, обеспечивающей плавное изменение усиления, и быстрой скоростью нарастания, способной захватывать импульсные сигналы. Предпросмотр реализуется путем разделения входного сигнала и задержки одной ветви (аудиосигнала) на время предпросмотра. Не задержанная ветвь (сигнал управления усилением) используется для управления компрессией задержанного сигнала, который затем выводится на выход. Таким образом, можно использовать более медленную скорость нарастания для захвата импульсных сигналов. Цена этого решения – дополнительная задержка аудиосигнала при обработке.
Общественные пространства
Сжатие часто используется в аудиосистемах для ресторанов, магазинов и других подобных общественных мест, где фоновая музыка воспроизводится на относительно невысокой громкости и требует компрессии. Это необходимо не только для поддержания более или менее постоянного уровня громкости, но и для того, чтобы тихие фрагменты музыки были различимы в условиях окружающего шума. Компрессия может увеличить средний выходной уровень усилителя мощности на 50–100% при уменьшении динамического диапазона. В системах оповещения и эвакуации это повышает разборчивость речи в шумной обстановке и позволяет сократить количество необходимых усилителей.
Музыкальная продукция
Компрессия часто используется в музыкальном производстве для выравнивания динамического диапазона инструментов, чтобы они лучше сочетались в миксе с другими инструментами (не пропадали на коротких моментах и не заглушали другие инструменты на коротких моментах). В электронной танцевальной музыке часто применяется сайдчейн на басовых линиях, управляемый бочкой или другим перкуссионным триггером, чтобы избежать конфликта между ними и придать звуку пульсирующую ритмическую динамику.
Голос
Компрессор может быть использован для уменьшения сибилянтов ("с" и "щ" звуков) в вокале (деэссинг) путем подачи на боковую цепь компрессора эквализированной версии входного сигнала, чтобы определенные частоты, связанные с сибилянтами (обычно от 4000 до 8000 Гц), сильнее активировали компрессор. Компрессия используется в голосовой связи в любительском радио, использующем модуляцию однополосной амплитуды (SSB), для повышения разборчивости сигнала конкретной станции для удаленной станции или для выделения передаваемого сигнала станции среди других. Это особенно актуально в DXing. Мощность сигнала SSB зависит от уровня модуляции. Компрессор увеличивает средний уровень модулирующего сигнала, тем самым повышая мощность передаваемого сигнала. Большинство современных SSB-трансиверов для любительского радио имеют встроенные компрессоры речи. Компрессия также применяется в наземной мобильной радиосвязи, особенно в передаваемом аудио профессиональных портативных радиостанций и диспетчерских пультов управления.
Вещание
Сжатие широко используется в радиовещании для повышения воспринимаемой громкости звука при одновременном уменьшении динамического диапазона исходного аудиосигнала. Чтобы избежать перегрузки, вещатели в большинстве стран имеют законодательные ограничения на мгновенный пиковый уровень громкости, который они могут транслировать. Обычно эти ограничения достигаются за счет постоянно установленного компрессорного оборудования в вещательной цепочке. Вещатели используют компрессоры, чтобы их станция звучала громче по сравнению с другими станциями. Это приводит к тому, что более сжатая станция выделяется для слушателя при определенной настройке громкости. Это не ограничивается различиями между каналами; они также существуют между различным программным материалом в рамках одного канала. Различия в громкости часто являются причиной жалоб аудитории, особенно в отношении телевизионной рекламы и промороликов, которые кажутся слишком громкими. Европейский вещательный союз (EBU) занимается решением этой проблемы в группе EBU PLOUD, в которую входит более 240 специалистов в области аудио, многие из которых представляют вещательные компании и производителей оборудования. В 2010 году EBU опубликовал EBU R 128, который представляет новый метод измерения и нормализации аудио. В рекомендации используется измерение громкости в соответствии со стандартом ITU R BS.1770. По состоянию на 2016 год несколько европейских телеканалов объявили о своей поддержке нового стандарта, а более 20 производителей представили продукты, поддерживающие громкомеры в режиме EBU. Чтобы помочь звукорежиссерам понять диапазон громкости их материала (например, проверить, требуется ли сжатие для соответствия каналу конкретной платформы доставки), EBU также представил показатель диапазона громкости (LRA).
Маркетинг
Большинство телевизионных рекламных роликов сильно сжаты для достижения максимально возможной воспринимаемой громкости при соблюдении допустимых норм. Это создает проблему, которую часто замечают телезрители: при переключении телеканала с программного материала с минимальным сжатием на сильно сжатую рекламу, громкость иногда кажется резко увеличенной. Максимальный уровень громкости может быть одинаковым – соответствовать требованиям законодательства – но высокая степень сжатия приводит к тому, что большая часть звука в рекламе находится близко к максимально допустимому уровню, из-за чего реклама воспринимается как гораздо более громкая.
Чрезмерное использование
Записывающие компании, инженеры по микшированию и мастерингу постепенно увеличивают общую громкость коммерческих альбомов. Это достигается за счет применения более интенсивного сжатия и лимитирования на этапах микширования и мастеринга; алгоритмы сжатия были специально разработаны для максимизации уровня звука в цифровом потоке. В результате может возникать жесткое ограничение или клиппинг, негативно влияющие на тональность и тембр музыки. Стремление к увеличению громкости получило название "война громкости".
Другие применения
Системы шумоподавления используют компрессор для уменьшения динамического диапазона сигнала при передаче или записи, расширяя его впоследствии – этот процесс называется компандированием. Это снижает влияние канала или носителя записи с ограниченным динамическим диапазоном. Усилители инструментов часто включают в себя схемы компрессии для предотвращения внезапных пиков мощности, которые могут повредить динамики. Басисты часто используют компрессорные эффекты, в виде педалей эффектов, рэковых устройств или встроенных в бас-усилители, для выравнивания уровней звука басовых партий. Эффект "качания" (gain pumping), когда регулярный пик амплитуды (например, бочка) вызывает изменение громкости остальной части микса из-за работы компрессора, обычно избегают в музыкальном производстве. Однако многие музыканты, работающие в жанрах dance и hip-hop, намеренно используют это явление, заставляя микс ритмично меняться в громкости в такт с битом. Слуховые аппараты используют компрессор для приведения громкости звука в диапазон слышимости пользователя. Для помощи пациенту в определении направления звука некоторые слуховые аппараты используют бинауральную компрессию. Компрессоры также применяются для защиты слуха в некоторых электронных активных наушниках и берушах, позволяя нормально слышать звуки обычной громкости, одновременно ослабляя более громкие, и, возможно, усиливая тихие. Это позволяет, например, стрелкам на стрельбище нормально общаться, при этом резко ослабляя гораздо более громкие звуки выстрелов, а музыкантам – слышать тихую музыку, будучи защищенными от громких звуков, таких как барабаны или тарелки. В задачах машинного обучения, где алгоритм обучается на аудиосемплах, компрессия динамического диапазона используется для увеличения количества семплов в наборе данных.
Ограничивающее
Сжатие и лимитирование идентичны по принципу работы, но различаются степенью воздействия и воспринимаемым эффектом. Лимитер – это компрессор с высоким коэффициентом и, как правило, быстрым временем атаки. Сжатие с коэффициентом 10:1 и выше обычно считается лимитированием. Лимитирование типа "кирпичная стена" характеризуется очень высоким коэффициентом и очень быстрым временем атаки. В идеале, это гарантирует, что аудиосигнал никогда не превысит амплитуду порога. Коэффициенты от 20:1 до ∞:1 считаются "кирпичной стеной". Одним из первых новаторов компрессии с боковой цепью в эффектах был Eventide Omnipressor, выпущенный в 1974 году. При использовании боковой цепи компрессор работает стандартным образом, когда основной и боковой входы получают один и тот же сигнал. Диджеи используют боковой вход для эффекта "ducking" – автоматического понижения громкости музыки во время речи. Сигнал микрофона диджея направляется на боковой вход, так что каждый раз, когда диджей говорит, компрессор уменьшает громкость музыки. Боковая цепь с эквалайзером может использоваться для снижения уровня сигналов с выраженным спектральным содержанием в определенном частотном диапазоне: она может работать как деэссер, уменьшая уровень шипящих звуков в голосе в диапазоне 6–9 кГц. Другое применение боковой цепи в музыкальном производстве – поддержание громкости басовой партии без нежелательных пиков от бас-барабана, которые приводят к потере динамического диапазона. Многополосные компрессоры работают, сначала разделяя сигнал на несколько полос с помощью полосовых, кроссоверных фильтров или фильтр-банков. Каждый разделенный сигнал затем обрабатывается своим собственным компрессором, с независимой регулировкой порога, коэффициента, времени атаки и времени восстановления. Затем сигналы объединяются, и может быть применена дополнительная схема лимитирования, чтобы предотвратить появление нежелательных пиковых уровней. В музыкальном производстве многополосные компрессоры в основном используются в аудиомастеринге, но их включение в плагины цифровых аудио рабочих станций увеличивает их популярность среди звукорежиссеров. TC Electronic Finalizer включал трехполосный компрессор и был популярным инструментом для аудиомастеринга около 2000 года. На вещательных каналах радиостанций часто используются многополосные компрессоры для увеличения громкости при одновременном предотвращении перегрузки. Более громкое звучание часто считается преимуществом в коммерческом вещании.
Серийная компрессия
Серийная компрессия — это техника, используемая при записи и сведении звука. Она достигается применением двух существенно различающихся компрессоров последовательно в сигнальной цепи. Один компрессор обычно стабилизирует динамический диапазон, а другой агрессивно сжимает самые сильные пики. Подобная внутренняя маршрутизация сигнала характерна для распространенных комбинированных устройств, продаваемых как компрессоры-лимитеры, где RMS-компрессор (для общего контроля усиления) следует за быстрым пиковым лимитером (для защиты от перегрузки). При правильной настройке даже интенсивная серийная компрессия может звучать естественно, чего нельзя добиться с помощью одного компрессора. Чаще всего она применяется для выравнивания неровного вокала и гитар.
Программные аудиоплееры
Некоторые программные аудиоплееры поддерживают плагины, реализующие компрессию. Они могут повысить громкость аудиозаписей или выровнять динамический диапазон музыки с большими перепадами уровня (например, классической музыки или плейлиста, включающего разные жанры). Это улучшает восприятие звука при прослушивании через некачественную акустику или в шумной обстановке (например, в автомобиле или на вечеринке).
Объективное влияние на сигнал
В статье, опубликованной в январе 2014 года в журнале Audio Engineering Society, Эммануэль Дерути и Дамьен Тардье провели систематическое исследование, описывающее влияние компрессоров и лимитеров на музыкальный аудиосигнал. В эксперименте использовались четыре программных лимитера: Waves L2, Sonnox Oxford Limiter, Thomas Mundt’s Loudmax, Blue Cat’s Protector, а также четыре программных компрессора: Waves H Comp, Sonnox Oxford Dynamics, Sonalksis SV 3157 и URS 1970. Исследование предоставляет объективные данные о воздействии лимитеров и компрессоров на аудиосигнал. Были рассмотрены пять характеристик сигнала: среднеквадратичная мощность (RMS power), интегрированная громкость по EBU R 128, и, наконец, R 128 LRA неоднократно использовался в качестве меры макродинамики, или динамического диапазона в музыкальном смысле.