Искусственное стерео при помощи M/S-обработки

Есть несколько способов создания стереофонии из монофонических источников. И у каждого есть свои плюсы и минусы. Одно очень эффективное и полностью моносовместимое решение состоит в том, чтобы использовать монофонический источник как MID-канал, искусственно добавив к нему SIDE-канал. После дешифровки получится нормальный стереосигнал формата L/R.

Чтобы понять, как это работает, представьте певца, стоящего перед парой микрофонов в конфигурации M/S. MID-микрофон, который направлен непосредственно на человека, захватит прямой звук голоса (наш моноисточник). SIDE-микрофон (как Вы знаете, имеет направленность типа «восьмёрка» и расположен так, чтобы её половинки были направлены по сторонам) не захватит вообще никакого прямого звука, но зато поднимет отражения от стен комнаты.

Чтобы не углубляться в дебри, максимально утрируем процесс, считая, что главное различие между прямыми и отражёнными звуками – задержка. Отражённому звуку понадобится больше времени, чтобы достичь стены, отразиться и попасть обратно в микрофон.

Следовательно, чтобы создать простой искусственный SIDE-канал для монофонического источника, достаточно сделать задержанную копию исходного сигнала. Нормальная задержка – между 7 и 70 мс. Чем больше задержка, тем большим будет казаться помещение (потому что звуку понадобится больше времени, чтобы достичь стен и вернуться обратно). Хотя, убедительность эффекта достаточно сильно зависит от исходного звукового материала. 70-миллисекундная задержка будет, скорее всего, неплохо смотреться с оркестровой записью, но в случае с сольной акустической гитарой результат будет звучать совершенно неубедительно. Ещё раз повторимся: поскольку уровень SIDE-канала (относительно центра) определяет впечатление от общей ширины стереокартины, следует экспериментировать с временем задержки и уровнем. Вообще, чем сложнее спектр исходного звука, тем лучше работает эффект. Стоит сказать, что значительное преимущество этой методики состоит в том, что она обладает прекрасной моносовместимостью: суммируя обработанный сигнал в моно, Вы полностью удаляете искусственный SIDE-компонент, оставляя только оригинальный моноисточник.

Теперь давайте разберёмся, как вообще здесь возникает стереоэффект? Всё дело в том, что этот способ «нарезает» оригинальный звук на узкие спектральные компоненты и распространяет их через всё звуковое поле. Время задержки определяет, как будет разделён сигнал (то есть, самую низкую частоту, которая будет затронута), а уровень SIDE-канала определит, насколько широким будет это распространение. Основа этого процесса – пара чередующихся гребенчатых фильтров в левом и правом каналах. Матрица конвертирует M/S в L/R-формат, суммируя и вычитая MID и SIDE-каналы, и если Вы комбинируете сигнал с задержанной версией самого себя, то в результате получите эффект гребёнчатой фильтрации.

1-jpg.332



3-jpg.334



Используя подобную схему, Вы можете создать искусственное стерео из монофонического источника. Полярность правого фильтрованного канала перевёрнута относительно левого, таким образом, при суммировании в моно искусственный сигнал полностью исчезает. Однако, оригинальный источник обеспечивает моносовместимость.

Задержка создаёт фазовое смещение, которое изменяется в зависимости от частоты. В низких частотах, имеющих длинную волну, смещение не очень велико. Поэтому, уровень низов в левом канале возрастёт (M+S), а в правом – уменьшится (M-S). Это предоставляет некоторые проблемы, о решении которых мы поговорим чуть позже. С повышением частоты задержка создаёт более выраженное смещение: пики исходного сигнала частично или полностью совпадают с впадинами задержанного, и наоборот. Таким образом, в результирующем спектре появляется ряд глубоких вырезов, напоминающих зубцы расчёски.

Поскольку задержанный сигнал для правого канала поступает с инверсией фазы, то и «гребёнка» также будет перевёрнута относительно левого канала: где у одной находятся вырезы, у другой будут пики. Это означает, что одни частоты появятся только в левом канале, а другие – только в правом. Наш одураченный слух интерпретирует это как сильно стёртую стереокартину. Конечно, здесь нет никакой информации о реальном расположении, но звучит это очень эффектно.

Неприятный побочный эффект – усиление низких частот в левом канале (из-за суммы реального MID и искусственного SIDE-каналов) и полное отсутствие в правом (в результате вычитания). Задержка, используемая при создании искусственного бокового сигнала, обычно слишком мала, чтобы привести к значительным изменениям фазы низких частот. Поэтому, в левом канале происходит практически полное сложение низкочастотных сигналов, а в правом – практически полное вычитание (говорю практически, поскольку небольшая разница фаз здесь всё-таки присутствует). В итоге получается весьма кривая стереокартина. Однако, решить эту проблему очень просто: достаточно обработать искусственный боковой сигнал обрезным НЧ-фильтром, чтобы не было никакого стерео в низких частотах и весь бас остался зафиксированным в центре. Фильтр с частотой среза около 100 Гц обычно работает очень хорошо.

Искусственное стерео при помощи реверберации и задержки

Ещё один способ создания искусственного стерео – это использование реверберации. Основная идея позади этого метода состоит в том, что большинство музыкальных инструментов имеет слишком малые габариты, чтобы слушатели, находящиеся на расстоянии более нескольких футов, смогли ощутить их размеры. В данных случаях, ощущение стереофонии создаётся благодаря отражениям комнаты. Их то мы и сможем сымитировать при помощи процессоров-ревербераторов.

Если Вы настроите пэтч, в котором имеются очень сильные ранние отражения и отсутствует реверберационный хвост (или он уменьшен до минимума), то сможете получить очень убедительный стереоэффект. В идеале, хвост должен отсутствовать полностью. Моносовместимость этого способа должна быть довольно неплохой, хотя, скорее всего, при суммировании останутся некоторые призвуки реверберации. Баланс между сухим звуком и эффектом определит перспективу (насколько далеко будет находиться источник), а состав ранних отражений определит, насколько большой будет комната.

Кроме того, можно использовать короткую задержку. Её можно получить не только при помощи соответствующих процессоров, но и просто копируя и сдвигая дорожки внутри DAW. Используется задержка в диапазоне 5 – 15 мс. Естественно, оба канала надо развести по панораме. Однако, при моносуммировании, комбинация оригинального и задержанного сигнала приводит к эффекту гребёнчатой фильтрации, что зачастую очень сильно окрашивает звучание инструмента. Чтобы минимизировать проблему, можно уменьшить уровень задержанного канала или использовать несколько задержек с разными параметрами. Однако, всё это ослабляет впечатление от стерео.

Измерение

Легко увлечься расширением стереобазы и, в итоге, получить звук, абсолютно не имеющий никакой моносовместимости. Проблемы могут быть разными: от умеренной окраски, ухудшения баланса или тонких «фазовращательных» эффектов, до полного пропадания некоторых инструментов. Таким образом, на всех этапах производства следует проверять моносовместимость своего материала: регулярно нажимайте кнопку «МОНО» в микшере или в процессоре, и тщательно прислушивайтесь к любым побочным эффектам обработки.

В процессе работы используйте измерители фазы между правым и левым каналами. Есть два основных типа таких приборов: стрелочный фазокоррелометр и стереогониометр, по сути, представляющий собой осциллограф, показывающий фигуры Лиссажу. Обе разновидности доступны как в виде аппаратных устройств, так и в виде плагинов. Самый простой – это фазокоррелометр, имеющий шкалу, маркированную от 1 до -1 и разделённую посередине нулём. В принципе, он не всегда является стрелочным прибором. Сейчас распространены измерители, выполненные в виде ряда светодиодов (или а-ля газоразрядная трубка). Область от 0 до +1 обычно окрашивается в зелёный цвет, область от 0 до –1 – в красный. Принцип работы его примерно таков: он осуществляет умножение сигналов, а затем интегрирует произведение. Прибор должен действовать независимо от входных уровней сигналов. С этой целью сигналы предварительно проходят через ограничители. Для умножения сигналов применяется кольцевой балансный модулятор. Время интеграции интегрирующей цепочки выбирается с расчетом, чтобы оно было больше наибольшего времени T, свойственного сигналу, как стационарному процессу. Проинтегрированное за время T произведение сигналов, пропорциональное коэффициенту корреляции, регистрируется прибором


4-jpg.335



Фазокоррелометр.

Если левый и правый каналы одинаковы (то есть, это моноисточник), то между ними нет никаких фазовых различий, и измеритель покажет +1. Говоря более научным языком – оба канала полностью когерентны (коррелированны). Уменьшая когерентность (то есть, вводя стереофонию), Вы увидите, что стрелка начнёт колебаться в диапазоне от нуля до +1. Колебания стрелки прибора в зоне, близкой к нулю, означает отсутствие корреляции между правым и левым сигналами. В этом случае звучание, сохраняя моносовместимость, воспринимается наиболее стереофоническим, с широкой стереобазой.


5-jpg.336



Структурная схема фазокоррелометра.

Если у обоих каналов будут одинаковые элементы, находящиеся в противофазе, то стрелка начнёт попадать в красную зону, приближаясь к значению -1. Если стрелка полностью отклонится к -1, это означает, что оба канала полностью идентичны, но имеют противоположные полярности (фазы). Незначительные «залёты» в красную зону обычно не предоставляют проблем, но если стрелка долгое время находится ниже нуля или отклоняется до -1, это означает, что у Вас серьёзные проблемы с противофазой и моносовместимостью. Таким образом, наша цель – так сформировать сигнал, чтобы измеритель фазы находился близко к нолю, но при этом не переходил в красную зону. Именно тогда у Вас будет максимальная ширина стереобазы с прекрасной моносовместимостью.


6-jpg.337



Одно из исполнений гониометра

Еще большей информативностью по сравнению с фазокоррелометром обладает стереогониометр. Это прибор в основном состоит из осциллоскопа без блока временной (горизонтальной) развертки и двух усилителей горизонтального и вертикального отклонения луча электронно-лучевой трубки. Усилители прибора имеют автоматическую регулировку усиления (логарифмирование), что позволяет наблюдать за разностью фаз в большом динамическом диапазоне сигналов. Перед усилителями включен блок суммирования и вычитания входных сигналов (суммо-разностный преобразователь).


7-jpg.338



Принцип действия прибора следующий. На два входа подаются сигналы A и B, которые суммо-разностным преобразователем преобразуются в сигналы A+B = M и A-B = S. Далее, суммарный сигнал M подается на пластины вертикальной развертки электронно-лучевой трубки, а разностный сигнал S - на пластины горизонтального отклонения.

Итак, что же показывает нам сиё чудо техники? Если сигналы в обоих каналах одинаковы (моно), то на дисплее мы увидим прямую вертикальную линию. Если сигнал имеется только лишь в левом канале, то линия будет отклонена на 45° влево. Если сигнал имеется только лишь в правом канале, то линия будет отклонена на 45° вправо. Длина линии отображает амплитуду сигнала. При подаче на вход прибора сигналов реальной стереофонической программы, изображения на экране приобретают более сложный вид, соответствующий непрерывным изменениям сигналов A и B во времени.


8-jpg.339
10-jpg.341
11-jpg.342



Эти примеры демонстрируют, что происходит с гониометром, когда Вы изменяете ширину стереобазы. Используется бесплатный плагин Flux ST Tool. На первом рисунке показан источник с узким стереополем: «туманность» сосредоточена в области +1. На втором рисунке показан источник с полным заполнением стереопространства: «туманность» равномерно распределена по всем измерениям. И на последнем рисунке изображена слишком широкая стереобаза: «туманность» расплющена по горизонтали, сосредотачиваясь, в основном, в отрицательной зоне. Это верный признак того, что при суммировании в моно некоторые частоты будут потеряны.

При наличии некоторого опыта, по «картинкам» на экране можно определить правильность передачи звуковой картины, распределение направлений на отдельные виртуальные источники, наличие или отсутствие баланса, фазовые соотношения и моносовместимость. Например, я часто пользуюсь гониометром, настраивая угол между микрофонами в совмещённой паре. Это гарантирует, что звуковые источники будут иметь необходимую стереоширину.

Пользуясь этим измерителем, Вы сможете быстро обнаружить проблематичные элементы. Например, слишком широкие гитары или подклады предстанут в виде эллипса, ориентированного по горизонтали. Если источник слишком далеко панорамирован от центра, то это станет видно по наклону эллипса в ту или иную сторону. Тонкие эффекты, зачастую плохо различимые слухом, ясно выделяются на дисплее гониометра. Благодаря такой информации, Вы можете отредактировать проблемный источник или использовать другую обработку.

9-jpg.340