ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МОДЕЛЮВАННЯ В ЕНЕРГЕТИЦІ ІМ. Г.Є. ПУХОВА
Косяк Ігор Васильович
УДК 681.841: 681.846
ДОСЛІДЖЕННЯ І РОЗРОБКА СИСТЕМИ
ЦИФРОВОГО НЕРУЙНІВНОГО ВІДТВОРЕННЯ
ІНФОРМАЦІЇ З РАРИТЕТНИХ НОСІЇВ
05.13.06 - автоматизовані системи управління та
прогресивні інформаційні технології
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті проблем реєстрації інформації НАН України.
Науковий керівник:
доктор технічних наук, с.н.с. Крючин Андрій Андрійович,
заст. директора Інституту проблем реєстрації інформації НАН України.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, с.н.с. Годлевський Віталій Станіславович, провідний науковий співробітник Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України,
доктор технічних наук, доцент Рибальський Олег Володимирович, доцент кафедри інформаційних технологій Київського національного університету внутрішніх справ.
Провідна установа:
Державний НДІ інформаційної інфраструктури Держкомзв’язку та інформатизації України та НАН України, відділ інформаційних технологій і систем, м. Львів.
Захист відбудеться " 8 " червня 2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.185.01 Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України за адресою: 03164, Київ, вул. Генерала Наумова, 15.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України за адресою: 03164, Київ, вул. Генерала Наумова, 15.
Автореферат розісланий " 3 " травня 2006 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради Д 26.185.01, к.т.н. Семагіна Е.П.ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Наприкінці ХІХ і початку ХХ сторіччя тривалий період часу (понад 50 років) фонографічні циліндри Едісона були єдиним носієм для збереження аудіоінформації. Зроблені на них записи мають величезну історичну й культурну цінність. Відтворити записи з використанням оригінальних фонографів (унаслідок деформації й пошкодження поверхні циліндрів за тривалий час зберігання) не є можливим. Спроби виконати перезапис аудіоінформації на такому обладнанні призводять до втрати раритетних записів. Останнім часом у світі зріс інтерес до колекцій воскових фонографічних циліндрів (валиків), що були забуті або занедбані. Учені США, Австрії, Німеччини, Швейцарії, Японії й інших розвинутих країн вже досить довго працюють над проблемою відтворення звуку з циліндрів Едісона, перезаписом його на сучасні носії інформації.
Перезапис на сучасні цифрові носії інформації вважається головним способом збереження раритетних записів та введення їх до наукового обігу. Виконується декілька міжнародних проектів по збереженню аудіоспадщини людства, найбільшим з яких є проект “Пам’ять світу” (виконується під егідою ЮНЕСКО).
Порівняно із сучасними носіями інформації, записи на фоноциліндрах характеризуються високим рівнем шумів, який пов’язаний з механічним пошкодженням поверхні циліндрів, налипанням пилу, руйнуванням поверхні воскових циліндрів мікроорганізмами, багаторазовими відтвореннями звуку методами, що пов’язані з великим тиском на поверхню циліндра. В технології запису інформації на фоноциліндри існує протиріччя: для здійснення запису аудіосигналів матеріал носія повинен легко деформуватися під дією голки звукозаписуючого пристрою, а для забезпечення багаторазових відтворень і тривалого зберігання він повинен бути твердим. Вирішити цю проблему механічного запису звуку не вдалося і зараз. Дослідники різних країн спрямовують зусилля на те, щоб відтворити аудіосигнал з фоноциліндрів без руйнування записів із максимально досяжною якістю.
Сьогодні для виконання робіт по перезапису фонографічних циліндрів використовується електромеханічний спосіб відтворення звуку. Основним недоліком цього способу є наявність контакту голки з м’якою поверхнею циліндра при швидкості обертання 160 об/хв. У результаті істотне динамічне навантаження на поверхню циліндра може призвести до деформації профілю звукової доріжки чи руйнуванню її взагалі, що в свою чергу спричиняє спотворення відтвореного звуку.
Японські дослідники зробили спробу розробити апаратуру безконтактного оптичного (лазерного) відтворення звуку з воскових циліндрів. Однак, через неоднорідну структуру відбиваючої поверхні воску, наявності пилу, мікроорганізмів і т.д. корисний сигнал виявився дуже зашумленим, що істотно позначилось на якості відтвореного звуку.
Необхідно відзначити, що розроблені системи відтворення звуку з фонографічних циліндрів не забезпечують вирішення комплексної задачі: здійснення неруйнівного відтворення аудіосигналів із високою якістю.
В Україні залишаються непрочитаними тисячі фонографічних циліндрів. Їх матеріали мають величезну цінність і ототожнюють працю декількох поколінь дослідників по вивченню музичної культури України. Через відсутність апаратури якісного відтворення звуку ці безцінні зразки звукової культурної спадщини мало доступні або взагалі недоступні дослідникам, аматорам і знавцям народної творчості.
Таким чином, створення засобу неруйнівного зчитування звукової інформації з раритетних носіїв – воскових циліндрів Едісона є актуальним науково-технічним завданням, що має вагоме наукове й культурне значення. Перезапис звукової інформації на сучасні носії дасть можливість зберегти для нащадків музичну культурну спадщину, ввести її до наукового обігу, зробити доступною широкому колу шанувальників музичного й виконавського мистецтва.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлені в дисертації дослідження проводились як складова частина науково-дослідних робіт, виконаних за держбюджетними темами в Інституті проблем реєстрації інформації НАН України: “Дослідження і розробка високорозподільчих оптичних систем запису, виводу і відображення інформації”, ДР № 0196U023397 (1996-1998) і “Дослідження методів і створення технології довготермінового зберігання цінної та стратегічно важливої інформації”, ДР № 0102U003588 (2001-2006).
Автор брав участь у виконанні вищевказаних робіт в якості відповідального виконавця.
Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є створення системи неруйнівного високоякісного відтворення аудіо інформації з раритетних носіїв (фонографічних циліндрів Едісона). Для досягнення поставленої мети вирішуються наступні задачі:
1. Аналіз фізичної структури носія запису – фоноциліндра для визначення вимог до засобів зчитування та способів обробки записаної інформації.
2. Дослідження сучасних методів і засобів вимірювання фізичних параметрів інформаційної доріжки фоноциліндра на відповідність визначеним вимогам.
3. Розробка системи виміру і обробки параметрів профілю інформаційної доріжки.
4. Дослідження існуючих методів цифрової обробки аудіосигналів з метою визначення можливостей їх застосування до обробки відтворених фонограм.
5. Розробка алгоритму цифрової обробки звукового сигналу при відновленні й реконструкції фонограм раритетних носіїв запису.
Об’єктом дослідження є способи відтворення інформаційного сигналу з носіїв із мікрорельєфним записом.
Предметом дослідження є засоби неруйнівного зчитування та обробки інформаційного сигналу з фонографічних циліндрів Едісона.
Методи досліджень ґрунтуються на: методах оптичної і тунельної скануючої мікроскопії мікрорельєфних структур; теорії нечітких множин; методах аналізу та обробки інтерференційних сигналів; теорії автоматичного регулювання; сучасних методах цифрової обробки сигналів. Чисельні розрахунки проведені в середовищах Micro-Cap, Mathcad, SpectraLab. Обробка звукових сигналів проводилась за допомогою програмних засобів Sound Forge, Cool Edit Pro, Pro Tools, DART XP Pro, Diamond Cut та окремих модулів Noise Reduction, SoundSoap Pro, XDeNoiser, DINR.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у створенні нової технології відтворення й обробки аудіоінформації, в якій використано мікрорельєфне аналогове представлення даних з носіїв, застосуванні її для зчитування аудіоінформації з раритетних фонографічних циліндрів Едісона. Новими науковими результатами дисертаційної роботи є наступні:
1. Запропоновано здійснювати процес відтворення даних шляхом знімання і перетворення до цифрового вигляду профілю мікрорельєфної інформаційної доріжки з використанням інтерферометричного методу, який забезпечує високу точність вимірювань.
2. Розроблено новий оптико-механічний спосіб отримання інформаційного сигналу з фонографічних циліндрів, який відрізняється від відомих тим, що дозволяє:–
знімати з фонографічних циліндрів саме профіль звукової доріжки з наступною реєстрацією у цифровій формі, що забезпечує більш точне відтворення звукового сигналу; –
суттєво зменшити динамічне навантаження на поверхню носія інформації та забезпечити якісне зчитування інформаційного сигналу з фонографічних циліндрів без їх пошкодження;–
здійснити зчитування інформаційного сигналу з частково ушкоджених фонографічних циліндрів.
3. Обґрунтовано ефективність застосування методу диференціальної синус-косинусної демодуляції для обробки інтерференційних сигналів при відтворенні даних із фоноциліндрів.
4. Розроблено алгоритм цифрової обробки сигналу, що дає можливість вирішити проблему очищення фонограм, враховуючи ступінь впливу окремих процедур відновлення та реконструкції сигналу.
Практичне значення отриманих результатів. Результати досліджень складають основу методології розробки систем цифрового неруйнівного відтворення звуку з раритетних носіїв. Практична цінність результатів роботи полягає в тому, що на їх основі в Інституті проблем реєстрації інформації НАН України розроблено систему цифрового неруйнівного зчитування інформації з фоноциліндрів. З використанням створеної системи відтворено інформацію з понад 2000 циліндрів Едісона.
Зокрема, відтворені й перезаписані на цифрові носії: колекція М. Береговського (колекцію занесено 27.07.2005 року до каталогу ЮНЕСКО “Memory of the World Register” (Пам’ять світу)), яка зберігається у Національній бібліотеці України ім. В.І. Вернадського; колекція О. Роздольського, яка зберігається у науково-дослідній лабораторії музичної етнології при Вищому державному музичному інституті ім. М.В. Лисенка у Львові; колекції Інституту мистецтвознавства, фольклористики та етнології ім. М.Т. Рильського; Центрального державного кінофотоархіву України ім. Г.С. Пшеничного; Національної бібліотеки у Варшаві (Польща), Інституту музичної культури ім. М. Глінки (м. Москва, Росія); Державної й Університетської Бібліотеки Орхуса (Данія) та інших установ і закладів культури.
Видані 4 збірки музичних фольклорних творів на компакт-дисках (свідоцтва про реєстрацію авторських прав: № ВП-77, № 6098, № 10606, № 10607).
Впровадження результатів дисертаційної роботи і досягнутий при цьому ефект підтверджено актом ІПРІ НАН України від 5.10.2005 року.
Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати, представлені в дисертації, отримані здобувачем самостійно. Загальну розробку і проектування системи цифрового неруйнівного відтворення звуку з раритетних носіїв проведено в співавторстві із співробітниками Інституту проблем реєстрації інформації НАН України. Всі основні публікації за темою дисертаційної роботи написані автором одноосібно. У роботах, які опубліковані в співавторстві, здобувачу належать: [4] – створення звукознімача та аналіз його роботи, у [5, 6] – побудова й експериментальна перевірка нового методу зчитування інформації з фоноциліндрів; у [7, 9, 11] – технологія перезапису воскових циліндрів; у [8, 10] – алгоритм цифрової обробки фонограм.
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень були висвітлені: –
на міжнародній науковій конференції "Optical Storage and Transmission of Information" (Київ, 1996 р.); –
на міжнародній науковій конференції "Audio Engineering Society 102nd Convention" (Munich, 1997.); –
на міжнародній науковій конференції, присвяченій пам’яті Ф. Колесси та А. Лорда (Київ, 1997 р.);–
на міжнародній науковій конференції "Національна архівна спадщина: проблеми збереження" (Київ, 1999 р.); –
на міжнародній науковій конференції "Techniques and Systems in Art Conservation" (Munich, 2001.); –
на міжнародній науковій конференції EVA 2001 "Культурна спадщина для усіх: нові технології в музеях, галереях, бібліотеках, архівах" (Москва, 2001 р.); –
на другій Всеросійській науково-практичній конференції по аудіокультурології, аудіоархівістиці і новим технологіям ЕХОЛОТ 2002 (Москва, 2002 р.);–
на міжнародній науковій конференції EVA 2004 "Elektronische Bildverarbeitung & Kunst, Kultur, Historie" (Berlin, 2004.);–
на міжнародній конференції “Програма ЮНЕСКО "Інформація для всіх": Загальний доступ до інформації”, (С.-Петербург, 2004 р.); –
на четвертій Всеросійській науково-практичній конференції по аудіокультурології, аудіоархівістиці і новим технологіям ЕХОЛОТ 2004 (Москва, 2004 р.);–
на міжнародній науковій конференції "Бібліотеки та інформаційні центри в системі наукового супроводу суспільних реформ" (Київ, 2004 р.).
Публікації. Результати дисертації опубліковані в 11 друкованих працях, у тому числі 3 у науковому журналі, що включений до переліку фахових видань ВАК України, 1 патенті та 7 у збірниках матеріалів і праць конференцій.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатку. Загальний обсяг дисертації становить 181 сторінку і має 65 рисунків, 4 таблиці, список використаних джерел із 107 найменувань та 5 додатків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, наукову новизну й практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про реалізацію та впровадження результатів роботи, її апробацію і публікації.
У першому розділі виконано аналіз фізичної структури подання звукової інформації на раритетних носіях – фонографічних циліндрах; визначено основні характеристики інформаційної (звукової) канавки; досліджено особливості відтворення механічного запису на фоноциліндрах.
Фонограма на фонографічному циліндрі представлена певною просторовою формою – звуковою канавкою з розташуванням площини фонограми по нормалі до поверхні. Тобто має місце спосіб утворення канавки глибинним записом.
Дослідження характеристик інформаційної канавки запису показали, що система відтворення звуку з фоноциліндрів має являти собою систему вимірювання амплітуди механічних коливань, і для отримання відтворених фонограм високої якості повинна забезпечувати вимірювання амплітуди коливань із точністю не гірше 0,01 мкм.
Детально проаналізовано можливі викривлення звуку при відтворенні механічної фонограми. Сформульовані умови, за яких здійснюється якісне відтворення звукового сигналу.
Проведено оцінку механічних властивостей носія запису – фоноциліндра, що мають найбільший вплив на звучання. В результаті проведеної оцінки механічних властивостей за допомогою непрямого електроакустичного вимірювання встановлено, що для запобігання пошкодження фоноциліндрів, зменшення викривлень сигналу й отримання більшої цілісності фонограм швидкість обертання фоноциліндра, при зчитуванні, необхідно істотно зменшити.
Результати досліджень показали, що швидкість обертання фоноциліндра при зчитуванні 12 об/хв, з урахуванням величини притискної сили голки звукознімача 20 мН, є оптимальною з точки зору збереження інформаційних канавок фоноциліндра та цілісності відтвореної фонограми.
У другому розділі наведено результати проведеного аналізу способів відтворення звукової інформації з воскових фонографічних циліндрів та визначені їх недоліки. Показано необхідність розробки нового неруйнівного способу відтворення звуку з фоноциліндрів, який би забезпечував високу якість відтворених фонограм.
Недоліками електромеханічного способу є висока ймовірність пошкодження інформаційних канавок фоноциліндрів, незважаючи на незначне значення притискної сили звукознімача (15—20 мН). При великій швидкості обертання 160 об/хв навіть малі за розмірами подряпини та тріщини, можуть призводити до руйнування інформаційної поверхні та до ще більших сколів, або виштовхуванні голки звукознімача на інші канавки, через що втрачається частина інформації, що веде загалом до спотворення фонограми. Водночас, з’ясовано, що типові промислові електричні звукознімачі пристосовані виключно для відтворення поперечного запису звукових канавок (тобто з грамплатівок), тоді як звукові канавки фоноциліндрів утворені за допомогою глибинного запису. В результаті звуковий сигнал, при відтворенні електричним звукознімачем, не відповідає справжньому профілю звукових канавок, які записані на фоноциліндрі і таким чином якість сигналу безумовно, погіршується.
Оптичний спосіб відтворення звуку, незважаючи на головну й основну перевагу – безпечне безконтактне зчитування інформації, не знайшов практичного застосування. Цей метод не дозволяє одержувати вірне звуковідтворення, пов'язане з тим, що структура поверхні циліндра, яка відбиває промінь, є неоднорідною через наявність: деструкції основи фоноциліндрів; налипання пилу; мікроорганізмів, що викликають розвиток цвілі; необоротних процесів хімічного старіння матеріальної основи і т.п. І як наслідок, низьке відношення сигнал/шум. Результати обстежень фізичного стану інформаційної поверхні воскових циліндрів показують, що загалом переважна більшість із них (72 %) мають ушкодження поверхні.
Аналіз і дослідження існуючих способів показали, що вони мають істотні недоліки: унеможливлюють одночасне виконання основних вимог – якісного та неруйнівного відтворення звукової інформації.
Для того щоб вирішити цю проблему було запропоновано новий спосіб неруйнівного відтворення звуку з воскових циліндрів і розглянуто шляхи створення апаратури для його реалізації. Показано, що для повноцінного відтворення звуку необхідно застосовувати метод фізичного контакту голки з канавкою. При цьому зчитування звукової інформації повинно відбуватися на зниженій до 12 об/хв швидкості обертання фоноциліндра. Це в свою чергу дає зменшення динамічного навантаження на поверхню воскового циліндра в 100_0 разів, тобто пропорційно квадрату відношення швидкостей при запису й відтворенні інформації.
При зменшенні швидкості зчитування відбувається зміщення спектру сигналу в більш низьку частотну область. Дослідження типових електрозвукознімачів показали недоцільність їх використання з точки зору якісного та достовірного зчитування звукової інформації.
У результаті в якості звукознімача було запропоновано оптичний чутливий елемент, побудований на основі інтерферометра Майкельсона з використанням методу диференціальної фотометрії. На відміну від традиційних звукознімачів, запропонований оптично-механічний спосіб виміру параметрів звукової канавки забезпечує вимірювання саме профілю інформаційної доріжки, що підвищує точність відтворених звукових коливань.
До переваг запропонованого оптико-механічного способу виміру параметрів інформаційної звукової доріжки можна також віднести можливість якісного відтворення звукового сигналу із будь-яких воскових фоноциліндрів у тому числі й з дефектами, без їх подальшого ушкодження за рахунок значного зменшення обертання фоноциліндра.
Обгрунтування вибору запропонованого способу відтворення підтверджено розрахунками, що були отримані за допомогою методу нечіткого моделювання і прийняття рішення в нечітких умовах. Для прийняття рішення в нечітких умовах використаний нечіткий багатокритерійний аналіз варіантів. В результаті обробки експертних лінгвістичних висловлюваннь були визначені нечіткі множини , що являють собою кількісні і якісні критерії, за якими оцінюються способи відтворення.
Нечітке рішення знаходиться як перетин часткових критеріїв:
, (1)
де: - ступінь приналежності елемента нечіткій множині ; - способи відтворення звукової інформації з фоноциліндрів.
Найкращим варіантом є той, який одночасно найкращий за усіма критеріями, тобто для якого ступінь приналежності є найбільшою. В результаті за виразом (1) було отримано наступну нечітку множину:
.
Згідно з отриманою нечіткою множиною , значення наведених ступенів приналежності свідчать про суттєву перевагу варіанта x6 , що представляє собою запропонований оптико-механічний спосіб відтворення інформації з фоноциліндрів.
У третьому розділі наведено результати досліджень запропонованої автором оптико-механічної інтерференційної системи відтворення звуку з фоноциліндрів, розроблено методики обробки інтерференційних сигналів, які забезпечують отримання об’єктивної та вичерпної інформації щодо профілю звукової доріжки.
Для знімання профілю звукової доріжки запропоновано, розроблено й досліджено комбіновану оптико-механічну інтерферометричну систему, побудовану за класичною схемою інтерферометра Майкельсона. При розробці оптико-механічного блоку зчитування інформаційного сигналу з фонографічних циліндрів було використано досвід автора зі створення оптичних запам’ятовуючих пристроїв, інтерферометричних датчиків.
Узагальнену функціональну схему системи неруйнівного відтворення звуку з фонографічних циліндрів із високою розподільною здатністю представлено на рис. 1.
Профіль звукової доріжки циліндра відстежується за допомогою голки сферичної форми. З голкою жорстко зв'язаний оптичний елемент вимірювального плеча інтерферометра – кутиковий відбивач. Інтерферометричний сигнал після перетворення в блоці обробки надходить на аналого-цифровий перетворювач, де він оцифровується й зберігається у вигляді файлу на твердому диску комп'ютера для подальшої програмної обробки. Для одержання звукового сигналу здійснюється обчислення швидкості зміни виміряного профілю поверхні та його комп'ютерна обробка.
Інтерферометр є невід'ємною частиною звукознімача. Оптичні сигнали, що пропорційні профілю, утворені в інтерферометрі за рахунок режиму змішаних хвиль, тобто інтерференції променів, відбитих від рухомого, зв'язаного з поверхнею циліндра, і нерухомого відбивачів.
Рис. 1. Узагальнена функціональна схема системи неруйнівного
відтворення звуку з фонографічних циліндрів.
При відтворенні фоноциліндру вертикальні коливання голки звукознімача передаються кутиковому відбивачу, який є рухливим елементом інтерферометра, змінюючи різницю ходу між інтерферуючими променями. Різниця ходу, що завжди однозначним образом зв'язана з різницею фаз, в інтерферометрі Майкельсона визначається виразом
= 2(х0-х1) = 2х,
де х0, х1 - координати точок простору, х - значення величини переміщення голки звукознімача.
Завдання полягає у визначенні значень х за виміряними значеннями інтерференційних сигналів U1(t) і U2(t) , які відповідно дорівнюють вихідним сигналам першого та другого фотоприймачів:
, (2)
, (3)
де U0 – стала складова сигналу.
Різниця ходу і відповідно значення величини переміщення х визначається з виразів (2) і (3) у вигляді:
,
де k = / - порядок інтерференції.
Фактично необхідний звуковий сигнал, що відповідає глибинному профілю канавки фоноциліндра, знаходиться з виразу:
.
Електричні сигнали, що знімаються з фотоприймачів, піддаються подальшій обробці в електронному блоці з метою виділення з них інформації про вимірюваний профіль звукових доріжок фоноциліндра. Відомі різні способи перетворення інтерференційних сигналів з метою визначення величини й напрямку переміщення об'єкта, у нашому випадку голки звукознімача. Практично були реалізовані: спосіб перетворення, побудований на основі пристрою рахування інтерференційних смуг, та спосіб перетворення інтерференційних сигналів з використанням алгоритму визначення аргументу вектора. Експериментальними дослідженнями було доведено, що дані способи мають суттєві недоліки: наявність нелінійних викривлень сигналу та шуми.
По-перше, головна проблема полягає в апаратурній реалізації тригонометричної функції arctg(U1/U2) із заданою точністю через необхідність виконання операції розгортання фази, що представляє собою перетворення значень приведеної фази на інтервалах [ ] у безперервне змінювання значень повної фази. Це, безумовно, приводить до збільшення похибки в обробці інтерференційних сигналів.
По-друге, так як у наведених вище способах відновлення звуку відбувається з послідовності імпульсів, то при цьому неминуче виникає проблема згладжування ступеневої форми сигналу й заглушення гармонік, внесених операцією множення. Через неідеальність АЧХ - фільтрів може відбуватися або недостатнє заглушення цих перешкод, або надмірне ослаблення корисних високочастотних складових. Погано заглушені побічні гармоніки спотворюють форму аналогового сигналу (особливо в області високих частот), що створює враження "шорсткого", "брудного" звуку.
З метою усунення вищезгаданих недоліків було запропоновано алгоритм розгортання фази, який не потребує використання функції арктангенса при обчисленні фази інтерференційного сигналу. Алгоритм створено на основі відомого методу диференціальної синус-косинусної демодуляції. Розглянемо реалізацію цього методу в системі відтворення звуку з фонографічних циліндрів.
Інтерференційні сигнали U1(t) і U2(t) піддаються диференціюванню по незалежній змінній t, перехресному множенню й відніманню відповідно до виразу
.
Це безпосередньо приводить до виразу для градієнта фази:
де різниця фаз.
Так як величина є сталою складовою сигналу, то вона за допомогою електричних перетворень може бути зведена до нуля. Тоді:
. (4)
Важливою особливістю цього рівняння є те, що градієнт фази визначається безпосередньо з двох сигналів інтерферометра, які зміщені по фазі на /2, без необхідності обчислення функції арктангенс.
Інтегрування виразу (4) по незалежній змінній дозволяє знайти значення повної фази в будь-якій точці:
.
Так як різниця ходу завжди однозначним образом зв'язана з різницею фаз, то відповідно можемо визначити і значення величини переміщення голки звукознімача х.
Теоретично, при використанні методу диференціальної синус-косинусної демодуляції, відтворений сигнал може мати необмежений динамічний діапазон, але практично він буде обмежений динамічним діапазоном роботи електронної схеми.
Також у силу того, що визначення градієнта фази відбувається безпосередньо із сигналів інтерферометра, для повного відновлення звукової інформації достатньо в якості інтегратора використовувати фільтр низької частоти (ФНЧ) першого порядку. Це дозволяє зменшити частотні викривлення за рахунок розширення смуги відтворення, тим самим підвищуючи якість звукового сигналу.
На рис. 2 зображено блок-схему пристрою обробки інтерференційних сигналів методом диференціальної синус-косинусної демодуляції. У розробленій електронній схемі значення похідних знаходять за допомогою диференціаторів, зібраних на операційних підсилювачах із застосуванням RC ланцюгів. Операції перехресного множення виконуються за допомогою інтегральних аналогових помножувачів. Для одержання результату множення з правильним алгебраїчним знаком, тобто добутку двох співмножників будь-якого знаку, в електричній схемі використовуються чотириквадрантні помножувачі. Як інтегратор застосовано ФНЧ першого порядку.
Рис. 2. Блок-схема пристрою обробки інтерференційних сигналів.
На рис. 3 ілюструються часові діаграми роботи електронної схеми запропонованого пристрою обробки інтерференційних сигналів із використанням методу диференціальної синус-косинусної демодуляції, де:
U1 , U2 – інтерференційні сигнали з виходу відповідно 1-го й 2-го фотоприймачів;
U3 , U4 – здиференційований сигнал U1 та U2;
U5 , U6 – сигнал на виході першого та другого помножувачів; –
результуючий сигнал, відповідний градієнту фази у виразу (4);–
сигнал на виході інтегратора, що відповідає звуковому сигналу.
У ході порівняльних досліджень було отримано результати зчитувань з використанням різних способів перетворення інтерференційних сигналів, а саме способу перетворення із використанням алгоритму визначення аргументу вектора та способу перетворення на основі методу синус-косинусної демодуляції. Аналіз отриманих результатів дозволив установити, що порівняно з іншими способами перетворення інтерференційних сигналів запропонований спосіб має:–
розширений динамічний діапазон;–
збільшення відношення сигнал/шум;–
малі нелінійні викривлення;–
розширення частотної смуги відтворення.
Експериментальні дослідження довели, що запропонований спосіб перетворення інтерференційних сигналів забезпечує перевагу перед іншими відомими способами. У всьому діапазоні обробки значень вхідних інтерференційних сигналів запропонований спосіб характеризується більшою природністю звучання та меншим рівнем шумів.
Рис. 3. Часові діаграми роботи електронної схеми.
Розроблена система дозволяє відтворювати звукові коливання в широкому частотному діапазоні до 20 кГц, що значно перевищує спектр частот, записаних на фонографічному циліндрі. Використання в обробці звукового сигналу з частотним діапазоном до 20 кГц має дві очевидні переваги. Перше – це дозволяє зберегти вищі гармоніки звукового сигналу, що безпосередньо не сприймаються слухом, але позитивно впливають на формування загальної звукової картини. Друге – такий сигнал зручніше обробляти при видаленні імпульсних перешкод, тому що фронти імпульсів більш круті й імовірність їх виявлення підвищується.
У четвертому розділі наведено розроблену автором методику цифрової обробки і очищення фонограм. Записи, зроблені на фонографічних циліндрах, характеризуються високим рівнем шумів, які пов’язані з механічними ушкодженнями інформаційної поверхні, налипанням пилу, руйнуванням поверхні воскового циліндра мікроорганізмами.
На рис. представлені зображення інформаційних канавок, які були отримані за допомогою оптичного скануючого мікроскопу. Порівняння вигляду звукових канавок дає нам уявлення про достатньо значні ушкодження, які призводять до спотворення звукової інформації. Окрім викривлень, які викликані механічним ушкодженням поверхні і довгостроковим збереженням, існують викривлення, що викликали деградацію сигналу ще в момент запису. Так, апаратура, що застосовувалася, допускала запис у вузькому частотному діапазоні, в межах 200_Гц, і вносила крім того великі викривлення, обумовлені резонансними явищами і перевантаженнями сигналу.
Рис. 4. Зображення звукових канавок (розмірність осей виражена в мкм):
а) поперечний та тривимірний профілі неушкоджених звукових канавок;
б) поперечний та тривимірний профілі ушкоджених звукових канавок.
Безумовно, наявність у сигналі великої кількості перешкод та шумів спричинює погіршення сприйняття записів. У зв’язку з цим вирішення задачі відновлення та реконструкції інформаційного сигналу з метою поліпшення якості відтворення звуку є актуальною.
Дослідження багатьох відтворених із циліндрів фонограм показали типову присутність характерних перешкод сигналу, властивих саме фонографічним циліндрам, на підставі чого проведено їх класифікацію. Було досліджено, що істотний вплив на якість очищення фонограми має послідовність, у якій заглушуються різні види перешкод.
Тому в даному розділі пропонується новий алгоритм обробки фонограм раритетних носіїв запису, заснований на розроблених методах комп’ютерної обробки сигналів (рис. ).
Рис. 5. Алгоритм цифрової обробки сигналів із раритетних носіїв запису.
Виконання процедур здійснюється в порядку зростання їх впливу на суттєві зміни реконструкції звукового сигналу. Ціль відновлення сигналу полягає в тому, щоб відокремити тільки деградований сигнал від корисного сигналу. Дано опис окремих процедур відновлення і реконструкції звукового сигналу.
Сформульовано та обґрунтовано вимоги для виконання процедур шумозаглушення. Дослідження ефективності застосування процедури заглушення шумів указали на залежність якості обробки від спектральної характеристики шуму. Відтворені записи фонографічних циліндрів типово мають нестаціонарну характеристику шуму. Встановлено, що це значно впливає на погіршення якості обробки сигналу і вимагає індивідуального підходу при реконструкції й очищенні кожної фонограми в залежності від ступеня пошкодження.
Проведені суб'єктивно-статистичні експертизи показали, що якість відтворення звуку з фоноциліндрів за допомогою розробленої системи цифрового неруйнівного відтворення звуку з раритетних носіїв, є на достатньо високому рівні. Це підтверджується експертними оцінками контрольних зчитувань одних і тих самих фоноциліндрів спеціалістами Віденського грамархіву (Австрія) та Державної й Університетської Бібліотеки Орхуса (Данія) (State and University Library of Aarhus, Denmark).
ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-технічну задачу відтворення та збереження раритетних аудіозаписів, зроблених на фонографічних циліндрах Едісона шляхом створення системи оптико-механічного неруйнівного відтворення профілю звукових доріжок і застосування цифрової обробки фонограм, що дозволяє їх введення до наукового і культурного обігу. Отримано наступні результати:
1. Досліджено особливості відтворення аудіосигналів, записаних у вигляді мікрорельєфних структур на матеріалі, що легко деформується. Проаналізовано причини та механізми виникнення викривлень сигналу при зчитуванні, показано їх вплив на якість зчитаних фонограм і визначено умови якісного відтворення інформації з фоноциліндрів.
2. Запропоновано новий оптико-механічний спосіб відтворення звукової інформації з фонографічних циліндрів, який відрізняється від відомих тим, що дозволяє суттєво (більш ніж у 100 разів) зменшити динамічне навантаження на поверхню носія інформації і забезпечити неруйнівне й високоякісне відтворення звукової інформації навіть з ушкоджених воскових валиків.
3. З метою підвищення точності зчитування звукового сигналу запропоновано здійснювати процес його відтворення шляхом обробки отриманого у цифровому вигляді профілю мікрорельєфної інформаційної доріжки. Показано можливість використання оптичних тіньових датчиків для відтворення аудіосигналів з носіїв із мікрорельєфним аналоговим представленням даних.
4. Обґрунтовано доцільність розробки нового високочутливого звукознімача. В якості звукознімача запропоновано застосувати оптичний чутливий елемент, побудований на основі інтерферометра Майкельсона з використанням методу диференціальної фотометрії. Показано, що оптичні методи вимірювань малих лінійних переміщень забезпечують необхідну розподільчу здатність.
5. Обґрунтовано ефективність застосування методу диференціальної синус-косинусної демодуляції для обробки інтерференційних сигналів при відтворенні даних із фоноциліндрів. Показано, що такий підхід забезпечує усунення амплітудних спотворень і розширення динамічного діапазону відтвореного звукового сигналу.
6. Досліджено викривлення звуку, які присутні у записах зчитаних фонограм через наявність ушкоджень інформаційної поверхні фоноциліндрів. Проведено класифікацію присутніх у фонограмах перешкод, показано їх характерні риси та особливості. Розроблено алгоритм цифрової обробки сигналу, що дозволяє вирішити проблему очищення фонограм, враховуючи ступінь впливу окремих процедур відновлення та реконструкції сигналу.
7. На основі запропонованих способу і засобів розроблено систему зчитування інформації з раритетних носіїв, що забезпечує високий рівень якості відтворення інформаційного сигналу з фоноциліндрів і забезпечує максимальне збереження первісності та природності звучання раритетних фонограм, зважаючи на ступінь ушкодження фоноциліндру. Розроблено, технічно реалізовано і впроваджено на практиці систему цифрового неруйнівного відтворення звуку з фонографічних циліндрів. Результати дисертаційної роботи знайшли своє практичне застосування при перезаписі архівів фоноциліндрів, які знаходяться як в Україні, так і за її межами, про що свідчать відповідні документи.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Косяк И.В. Применение синус–косинусной демодуляции в обработке интерферометрических сигналов при считывании звуковой информации с фонографических цилиндров // Реєстрація, зберігання і оброб. даних. 2003. Т. 5, № 4. С. 33–42.
2. Косяк І.В. Усунення широкосмугового поверхневого шуму в фонограмах раритетних носіїв запису // Реєстрація, зберігання і оброб. даних. – 2004. – Т. 6, № 4 . – С. 12-22.
3. Косяк І.В. Відновлення та реконструкція звукового сигналу
в фонограмах раритетних носіїв запису // Реєстрація, зберігання і оброб. даних. – 2005. – Т. 7, № 1. – С. 122-129.
4. Пат. . України, МПК H04R 9/16, H04R 23/00. Універсальний фотоелектричний звукознімач / І.В. Косяк, С.М.Шанойло, В.В. Петров, А.А. Крючин. Заявлено 07.06.02; Опубл. 15.06.04, Бюл. № 6. – 8 с. іл.
5. Petrov V.V., Kryuchin A.A., Shanoylo S.M., Rjabokon I.P., Kosyak I.V. Optomechanical method of sound reproduction from Edison cylinders // Proc. SPIE. Vol. 3055 (Int. Conf. "Optical Storage and Transmission of Information". 14-16 May. 1996. Kiev, Ukraine). – Р. 218-224.
6. Петров В., Крючин А., Шанойло С., Косяк І. Цифрова оптико електрична система відтворення звуку з фонографічних циліндрів Едісона // Усна епіка: етнічні традиції та виконавство // Матеріали міжнародної наукової конф., присв’яченої пам’яті Ф. Колесси та А. Лорда, Київ, 1997. – С. 44–51.
7. Петров В.В., Онищенко О.С., Крючин А.А., Шанойло С.М., Косяк І.В. Збереження та введення до наукового обігу звукової культурної спадщини // Міжнар. наукова конф. ”Національна архівна спадщина: проблеми збереження”. 1-4 листопада 1999, Київ. – Опубл. в “Студії з архівної справи та документознавства”. – 2000. Т. 6. – С. 25-27.
8. S.M. Shanoylo, I.V. Kosyak, V.V. Petrov, A.A. Kryuchin. Reading and processing of audio information reproduced from Edison phonograph cylinders by method of laser interferometry // Proc. SPIE Vol. 4402, Laser Techniques and Systems in Art Conservation, Renzo Salimbeni; Ed. – 10/2001 – Р. 194–201.
9. Петров В.В., Крючин А.А., Шанойло С.М., Косяк И.В., Егупова Л.И. Сохранение и введение в научный оборот раритетных музыкальных коллекций // Культурное наследие для всех: новые технологии в музеях, галереях, библиотеках, архивах. Материалы конференции EVA2001: Москва: Центр ПИК Минкультуры РФ и Гос. Третьяков. галерея. – 2001. – С. 9-7-1 – 9-7-3.
10. Петров В.В., Крючин А.А., Шанойло С.М., Косяк И.В. О проблеме сохранения звукового культурного наследия // Информация для всех: культура и технологии информационного общества. Материалы конференции EVA 2002. Москва: Центр ПИК Минкультуры России.– 2002. – С. 6-7-1 – 6-7-6.
11. Petrov V.V., Kryuchin A.A., Shanoylo S.M., Kosyaс I.V. Technology for long-term storage of audio information // Konferenzband “EVA 2004 Berlin” Elektronische Bildverarbeitung & Kunst, Kultur, Historie, 10-12 November 2004, Die 11 Berliner Veranstaltung der Internationalen EVA-Serie “Electronic Imaging & the Visual Arts”, – P.127-129.
АНОТАЦІЯ
Косяк І.В. Дослідження і розробка системи цифрового неруйнівного відтворення звуку з раритетних носіїв. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - Автоматизовані системи управління і прогресивні інформаційні технології. - Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України, Київ, 2006.
Дисертаційну роботу присвячено розробці системи цифрового неруйнівного відтворення звуку з воскових валиків Едісона. На основі аналізу сучасних способів і стану проблеми неруйнівного зчитування інформації з фоноциліндрів визначено важливість і доцільність розробки нового ефективного способу зчитування. Основна відмінність запропонованого способу від відомих полягає в забезпеченні неруйнівного й високоякісного відтворення звукової інформації навіть з ушкоджених воскових валиків за рахунок зменшення динамічного навантаження на інформаційну поверхню носія.
Розроблено новий високочутливий звукознімач, побудований на основі інтерферометра Майкельсона, чим забезпечується висока точність вимірювання профілю інформаційної доріжки. Запропоновано ефективний спосіб обробки інтерференційних сигналів на основі методу диференціальної синус-косинусної демодуляції, що забезпечує усунення амплітудних спотворень.
Розроблено алгоритм цифрової обробки сигналу, що дозволяє вирішити проблему очищення фонограм, враховуючи ступінь впливу окремих процедур відновлення та реконструкції сигналу.
Ключові слова: зчитування інформації, фоноциліндр, неруйнівне відтворення, звукова інформація, інтерференційний сигнал, фонограма, викривлення сигналу, обробка сигналу, шуми, відновлення сигналу.
АННОТАЦИЯ
Косяк И.В. Исследования и разработка системы цифрового неразрушающего воспроизведения звука из раритетных носителей. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 – автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. - Институт проблем моделирования в энергетике им. Г.Е. Пухова НАН Украины, Киев, 2006.
Диссертационная работа посвящена разработке системы цифрового неразрушающего воспроизведения звука из восковых валиков Эдисона (фоноцилиндров).
Со времени изобретения фонографа в 1877 году в мире накопилось огромное количество восковых фонографических цилиндров, несколько сот тысяч, на которых представлены записи фольклорной музыки, голосов выдающихся деятелей культуры и истории. Из-за отсутствия аппаратуры качественного воспроизведения звука эти бесценные образцы звукового культурного наследия мало или вообще недоступны исследователям, любителям и знатокам народного творчества. Возникает большая необходимость в качественной перезаписи валиков для сохранности духовного наследия следующим поколениям. В связи с этим формулируется важность и целесообразность разработки нового эффективного метода считывания.
Актуальность этой тематики обусловлена рядом факторов, роль и значения которых с течением времени лишь возрастают. Сравнительно с современными носителями информации, записи на фонографических цилиндрах характеризуются высоким уровнем шумов, связанных с механическим повреждением поверхности цилиндров, налипанием пыли, разрушением поверхности восковых цилиндров микроорганизмами, многоразовыми воспроизведениями звука методами, связанными с большим давлением на поверхность цилиндра. Главным недостатком фоноцилиндров, как носителей записи, есть достаточная мягкость материала, из которого они изготовлены.
Анализ и исследования существующих способов воспроизведения звуковой информации с фоноцилиндров показали, что они имеют серьёзные недостатки: делают невозможным одновременное выполнение основных требований – качественного и неразрушающего воспроизведения звуковой информации.
С целью решения этих требований предложен новый способ и аппаратура неразрушающего воспроизведения звука из восковых валиков на основе оптико-механического способа считывания. Идея способа состоит в том, что для полноценного воспроизведения звука применяется метод физического контакта иглы с канавкой. Но при этом считывание звуковой информации происходит на сниженной на порядок скорости вращения фоноцилиндра. Это в свою очередь дает уменьшения динамической нагрузки на поверхность воскового цилиндра более чем в 100 раз. Таким образом, уменьшение скорости вращения фоноцилиндра при считывании, будет обеспечивать преодоления именно проблемы неразрушающего воспроизведения звука из восковых валиков. Основное отличие предложенного способа от известных состоит в обеспечении неразрушающего и высококачественного воспроизведения звуковой информации даже из поврежденных восковых валиков.
Исследования типичных электрозвукоснимателей показали нецелесообразность их использования с точки зрения качественного и достоверного считывания звуковой информации.
Разработан новый высокочувствительный звукосниматель построенный на основе интерферометра Майкельсона с использованием метода дифференциальной фотометрии. В отличие от традиционных звукоснимателей, предложенный оптико-механический метод измерения параметров звуковой канавки обеспечивает измерения именно профиля информационной дорожки, что повышает точность воспроизведенных звуковых колебаний.
Показано, что оптические методы измерений малых линейных перемещений обеспечивают необходимую разрешающую способность.
Исследована работа разных способов обработки интерференционных сигналов и установлены их недостатки. Предложен эффективный способ обработки интерференционных сигналов — метод дифференциальной синус-косинусной демодуляции, который обеспечивает устранение амплитудных искажений. Показано, что данный способ обеспечивает расширение динамического диапазона воспроизведенного звукового сигнала.
Проведённый анализ физического состояния информационной поверхности фоноцилиндров показал, что практически все они имеют повреждения, которые вызваны механическими действиями, разрушением микроорганизмами и появлением плесени. Поэтому воспроизведенные записи из фонографических цилиндров характеризуются высоким уровнем шумов. Наличие в сигнале большого количества помех и шумов вызывает ухудшение восприятия записей.
Предметом отдельного исследования есть задача идентификации искажений звука, присутствующих в считанных записях, для решения которой на основе анализа многих воспроизведенных из цилиндров фонограмм: проведена классификация помех; показаны их характерные черты и особенности; дана оценка влияния последовательности устранения помех. В результате был получен
