Ψηφιακή Επεξεργασία Ήχου

Εισαγωγική παρουσίαση των υποσυστημάτων διαχείρισης και επεξεργασίας του ήχου. Βασικές αρχές μετατροπής αναλογικών σημάτων σε ψηφιακά: θεωρία δειγματοληψίας. Παραμορφώσεις τύπου jitter. Θεωρία και πράξη του κβαντισμού. Παραμορφώσεις λόγω κβαντισμού. Θέματα υπερδειγματοληψίας και δυναμικής περιοχής των ψηφιακών σημάτων. Σήματα και συστήματα διακριτού χρόνου: η έννοια της κρουστικής απόκρισης. Βασικές βαθμίδες επεξεργασίας ηχητικών δεδομένων: άθροιση σημάτων, καθυστέρηση και εφαρμογή κέρδους. Εφέ δυναμικής περιοχής: Τεχνικές χωροτοποθέτησης του ήχου σε στερεοφωνικά και πολυκάναλα συστήματα (panning). Επισκόπηση τεχνολογίας ψηφιακών φίλτρων για ηχητικά δεδομένα. Υλοποίηση ψηφιακών φίλτρων με μονάδες κέρδους/καθυστέρησης για τη δημιουργία ακουστικών εφέ. Εφέ με χρήση καθυστέρησης: μονάδες αντήχησης. Μονάδες ισοστάθμισης, τράπεζες φίλτρων. Εφέ μεταβολής της συχνότητας. Χρονικά μεταβαλλόμενα εφέ. Διάδραση και συστήματα επεξεργασίας ήχου, ανάπτυξη αλγορίθμων ελέγχου των παραμέτρων των ακουστικών εφέ από διαδραστικά συστήματα.

To μάθημα "Ψηφιακή Επεξεργασία Ήχου" είναι μάθημα επιλογής που διδάσκεται στο ΣΤ' εξάμηνο του ενδεικτικού Προγράμματος Σπουδών του Τμήματος Τεχνών Ήχου και Εικόνας του Ιονίου Πανεπιστημίου. Σκοπός του μαθήματος είναι η αναλυτική παρουσίαση των συνηθέστερων τεχνικών ψηφιακής επεξεργασίας του ήχου, διά μέσου μιας περισσότερο τεχνολογικής και λιγότερο δημιουργικής προοπτικής. Η προσέγγιση αυτή οριοθετεί και τον ειδικότερο στόχο του μαθήματος ο οποίος περιλαμβάνει την εξοικείωση στην πράξη με τους αλγόριθμους επεξεργασίας πάνω στους οποίους στηρίζονται τα ηχητικά εφέ που χρησιμοποιούνται ευρύτατα σήμερα στο δημιουργικό πεδίο, αλλά και την καλλιέργεια δεξιοτήτων οι οποίες σχετίζονται είτε με την αυτοτελή ανάπτυξη παρόμοιων εργαλείων, είτε την προσαρμογή υφιστάμενων σε ειδικές απαιτήσεις σύγχρονων εκφράσεων της ψηφιακής τέχνης και της τέχνης του ήχου. 

Με την επιτυχή ολοκλήρωση των σπουδών στο μάθημα ο φοιτητής/τρια θα είναι σε θέση να:

• κατανοεί τα βασικά βήματα για την δημιουργία σύγχρονων ψηφιακών ηχητικών εφέ,
• σχεδιάζει και αναπτύσσει εργαλεία ψηφιακής επεξεργασίας του ήχου, γενικού ή ειδικού σκοπού, τα οποία να μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο σύγχρονο δημιουργικό πεδίο της ψηφιακής τέχνης,
• τροποποιεί υφιστάμενα εργαλεία ψηφιακής επεξεργασίας ήχου, προσαρμόζοντάς τα στις ειδικές απαιτήσεις μιας καλλιτεχνικής εφαρμογής,
• περιγράφει τις βασικές αρχές που διέπουν μια ολοκληρωμένη σχεδίαση ενός ψηφιακού ηχητικού εφέ,
• αναγνωρίζει τις ειδικές απαιτήσεις που απορρέουν από την ανάπτυξη ή χρήση ενός συστήματος ψηφιακής επεξεργασίας του ήχου.

1η εβδομάδα: Εισαγωγή στην ψηφιακή επεξεργασία του ήχου, τεκμηρίωση του στόχου του μαθήματος. Ορισμός του σήματος και του συστήματος, διάκριση μεταξύ αναλογικών και ψηφιακών συστημάτων. Πλεονεκτήματα της ψηφιακής τεχνολογίας και επεξεργασίας. Ιστορική αναδρομή στην εξέλιξη των ψηφιακών ηχητικών συστημάτων. Δομή τυπικών ψηφιακών συστημάτων ήχου.

2η εβδομάδα: Βασικές αρχές ψηφιακού ήχου: η μετατροπή από αναλογικό σε ψηφιακό. Ανάλυση της θεωρίας της δειγματοληψίας: το φαινόμενο της αναδίπλωσης στο πεδίο του χρόνου και της συχνότητας. Anti-aliasing και reconstruction φίλτρα, τυπικές αποκρίσεις συχνότητας. Η παραμόρφωση λόγω του sampling jitter.

3η εβδομάδα: Μετατροπή από αναλογικό σε ψηφιακό: θεωρία κβαντισμού. Ο κβαντισμός ως πηγή προσθετικού θορύβου. Η έννοια της δυναμικής περιοχής και η αναλογία αυτής με το λόγο σήματος προς θόρυβο. Τυπικές τιμές δυναμικής περιοχής ψηφιακών συστημάτων. Αναπαράσταση μονοδιάστατων και πολυδιάστατων ψηφιακών σημάτων.

4η εβδομάδα: Προηγμένα θέματα μετατροπής από αναλογικό σε ψηφιακό. Θεωρία υπερδειγματοληψίας, επίδραση της υπερδειγματοληψίας στον θόρυβο και την ευκρίνεια κβαντισμού. Υλοποίηση της υπερδειγματοληψίας. Ακουστικά παραδείγματα παραμορφώσεων που εισάγονται κατά την Α/Ψ μετατροπή.

5η εβδομάδα: Αντιμετώπιση παραμορφώσεων λόγω κβαντισμού. Τεχνικές dithering, παρουσίαση των στατιστικών χαρακτηριστικών συνηθέστερων γεννητριών dither. Τρόποι υλοποίησης των τεχνικών αυτών. Κβαντισμός και ψαλιδισμός. Θεωρία και πράξη της διαμόρφωσης θορύβου κβαντισμού.

6η εβδομάδα: Αναπαράσταση ψηφιακών συστημάτων, σημειολογία και εξισώσεις διαφορών. Κατηγοριοποίηση αλγορίθμων επεξεργασίας του ήχου. Επεξεργασία σε πραγματικό και μη-πραγματικό χρόνο, οι διαφορές στις λειτουργικές προδιαγραφές. Τυπικές μορφές συχνά χρησιμοποιούμενων ψηφιακών σημάτων: Το μοναδιαίο βήμα και η χρήση του για τον υπολογισμό της κρουστικής απόκρισης.

7η εβδομάδα: Ψηφιακοί επεξεργαστές δυναμικής περιοχής: το φίλτρο απλού κέρδους, μαθηματική μοντελοποίηση και απόκριση. Η έννοια του κέρδους, της ενίσχυσης και της απόσβεσης. Κανονικοποίηση ηχητικών σημάτων ως προς την μέγιστη τιμή. Τεχνικές συμπίεσης και διόγκωσης. Noise gating, παραμετρικό εφέ παραμόρφωσης κιθάρας και τεχνικές ring modulation. Stereo tremolo εφέ.

8η εβδομάδα: Πρόσθετοι τύποι επεξεργασίας δυναμικής περιοχής: RMS κανονικοποίηση. Εφέ τύπου fade-in και fade-out, cross-fading τεχνικές και πεδία εφαρμογών τους. Τυπικές μορφές παραθύρων στο πεδίο του χρόνου και της συχνότητας. Περιβάλλουσες τύπου ADSR.

9η εβδομάδα: Τεχνικές χωρικής τοποθέτησης του ήχου στο χώρο. Η απλή μέθοδος του balance και η τεχνική του amplitude panning. Πρόσθεση ψηφιακών σημάτων και ηχητική μείξη.

10η εβδομάδα: Ψηφιακές μέθοδοι επεξεργασίας με μνήμη. Τεχνικές δυναμικής διαχείρισης της μνήμης σε συστήματα πραγματικού και μη-πραγματικού χρόνου. Οργάνωση της ψηφιακής μνήμης, η έννοια του buffer. Βασικές δομές διαχείρισης: στοίβες, ουρές και κυκλικοί buffers. Παραδείγματα απλής μορφής συστημάτων επεξεργασίας με μνήμη, η απλή μονάδα καθυστέρησης.

11η εβδομάδα: Ψηφιακά φίλτρα για ηχητικές εφαρμογές. Σύγκριση με αναλογικές τεχνολογίες φιλτραρίσματος. Κατηγορίες φίλτρων: φίλτρα FIR και IIR. Παρουσίαση της τυπικής δομής τους μέσα από παραδείγματα υλοποίησης απλών φίλτρων, όπως μονάδων καθυστέρησης (φίλτρων τύπου χτένας).

12η εβδομάδα: Θέματα αναπαράστασης στο πεδίο της συχνότητας. Ο διακριτός και ο γρήγορος μετασχηματισμός Fourier. Θέματα παραθυροποίησης, επίδραση της μορφής του παραθύρου και του μήκους του στην τελική φασματική απεικόνιση. Η έννοια και η χρήση του φασματογραφήματος στην ανάλυση ψηφιακών σημάτων. Κατηγορίες φίλτρων με βάση την περιοχή αποκοπής.

13η εβδομάδα: Τυπικές μορφές φίλτρων. Η μονάδα (φίλτρο) απλής καθυστέρησης ως βάση για την σχεδίαση σύνθετων φίλτρων: flanger, chorus, slapback κα echo. Υλοποίηση εφέ αντήχησης. Ισοστάθμιση και τράπεζες φίλτρων. Υλοποίηση φίλτρων στο πλαίσιο διαδραστικών εφαρμογών.

Καραμπογιάς, Σ., 2015. Σήματα και Συστήματα. [ηλεκτρ. βιβλ.] Αθήνα: Σύνδεσμος Ελληνικών Ακαδημαϊκών Βιβλιοθηκών. Διαθέσιμο στο: http://hdl.handle.net/11419/2992

Ασημάκης, Ν., Αδάμ, Μ., 2015. Σήματα και Συστήματα. [ηλεκτρ. βιβλ.] Αθήνα: Σύνδεσμος Ελληνικών Ακαδημαϊκών Βιβλιοθηκών. Διαθέσιμο στο: http://hdl.handle.net/11419/5311

Διατίθεται ψηφιακό / πολυμεσικό υλικό που καλύπτει ολόκληρη τη διδακτέα ύλη. Η διάθεση του υλικού αυτού γίνεται μέσω της πλατφόρμας e-class. Παράλληλα, εργαστηριακές ασκήσεις παρουσιάζουν πρακτικές πτυχές των ζητημάτων που καλύπτονται και περιγράφονται στην θεωρία.

Παροχή πολυμεσικού υλικού.
Υποστήριξη Μαθησιακής διαδικασίας μέσω της ηλεκτρονικής πλατφόρμας e-class.

Οι εξετάσεις του μαθήματος είναι γραπτές. Από τα συνολικά θέματα της εξέτασης, ένα ποσοστό ίσο προς 20% σχετίζεται μερικώς ή ολικώς με το πρακτικό (εργαστηριακό) σκέλος του μαθήματος.