TECHNOLOGICKÝ LIST čís. 60 - Zvukové studio

TECHNOLOGICKÝ LIST čís. 60
poloprovozu ověřené technologie
prototypu uplatněné metodiky funkčního vzorku autorizovaného software*
Název: Software pro analýzu zvuku varhan
Title: Software for the sound analysis of pipe organs
Původce (-i): Milan Guštar, Zdeněk Otčenášek
Vlastník (-ci): Akademie múzických umění v Praze, Hudební fakulta, Zvukové studio
Lokalizace: 118 00 Praha 1, Malostranské nám 13
Abstrakt: Software pro analýzu zvuku varhan slouží pro objektivní akustickou
dokumentaci a analýzu nezávislou na přesném umístění mikrofonů v prostoru
doplněnou o zvukové záznamy pro subjektivní poslechové testy dle metody 8&1 [1].
Software je rozdělen do dvou samostatných programů, z nichž jeden (server)
zajišťuje sběr digitalizovaných akustických dat a jejich odesílání po síti ethernet
programu druhému (klient), který provádí záznam zvukových vzorků jednotlivých tónů
varhan, jejich okamžitou automatickou analýzu, grafické zobrazení výsledků analýzy
v několika formách a archivaci zaznamenaných vzorků i výsledků analýzy. Činnost
softwaru je vysoce automatizovaná, v procesu dokumentace je tak minimalizována
činnost obsluhy.
Abstract: Software for the sound analysis of pipe organs serves for the unbiased
acoustical documentation and analysis independent on the accurate placing of
microphones in the space supplemented by sound recordings for subjective listening
test according to the 8&1 method [1]. Software is divided into two programs. The
server provides digitized acoustical data collection and transmission via ethernet to
the client serving for the data recording, automatic analysis, graphical display of
analysis results in several forms and the archiving of sound samples as well as the
analysis results. Software operation is highly automated, operator actions in the
process of acoustical documentation are minimized.
1
Popis: Viz Příloha k TL č. 60
Inovační aspekty: Pro zpracování akustické dokumentace varhan metodou 8&1
vyvinutou Výzkumným centrem hudební akustiky Zvukového studia hudební fakulty
AMU v Praze bylo doposud nezbytné použít nákladné programové vybavení
Výzkumného centra ovládané vysoce kvalifikovanou obsluhou. Software pro analýzu
zvuku varhan tuto činnost automatizuje a umožňuje i běžným uživatelům zaznamenat
a zpracovat zvukové vzorky a okamžitě v grafické formě zobrazit získané výsledky.
Přínosy: Software umožňuje zaznamenat zvukové vzorky jednotlivých tónů varhan,
provést jejich automatickou analýzu, zobrazit výsledky analýzy v přehledné grafické
formě a uložit zaznamenané vzorky i výsledky analýzy.
Výsledný graf spekter pro celý rejstřík umožňuje vizuálně posoudit vyrovnanost
rejstříku a rychle identifikovat klávesy jejichž spektrální charakteristiky neodpovídají
danému rejstříku.
Zaznamenané zvukové vzorky i analyzovaná data jsou ukládány ve formátu
vhodném pro export výsledků akustické dokumentace do centrální databáze
historických varhan.
Oddělení programu pro digitalizaci akustických dat od programu pro jejich zpracování
a vizualizaci umožňuje jejich spuštění na dvou bezdrátově propojených počítačích,
což usnadňuje instalaci systému i práci se zařízením.
Licence: Využití výsledku jiným subjektem je v některých případech možné bez
nabytí licence (kód P). Pro instalaci je vždy vyžadován souhlas MARC HAMU Praha.
Licenční poplatek: Poskytovatel licence na výsledek požaduje licenční poplatek
(kód A).
Obor: Akustika a kmity – BI; Umění, architektura, kulturní dědictví – AL
Projekt: NAKI DF12P01OVV012
Identifikační číslo RIV:
Poznámky:
*nehodící se škrtněte
2
Ukázka z textu přílohy k TL č. 60
Software pro analýzu zvuku varhan
Abstrakt
Software pro analýzu zvuku varhan slouží pro objektivní akustickou dokumentaci
a analýzu nezávislou na přesném umístění mikrofonů v prostoru doplněnou
o zvukové záznamy pro subjektivní poslechové testy dle metody 8&1 [1]. Software je
rozdělen do dvou samostatných programů, z nichž jeden (server) zajišťuje sběr
digitalizovaných akustických dat a jejich odesílání po síti ethernet programu druhému
(klient), který provádí záznam zvukových vzorků jednotlivých tónů varhan, jejich
okamžitou automatickou analýzu, grafické zobrazení výsledků analýzy v několika
formách a archivaci zaznamenaných vzorků i výsledků analýzy. Činnost softwaru je
vysoce automatizovaná, v procesu dokumentace je tak minimalizována činnost
obsluhy.
Údaje pro RIV:
Umístění: http://zvuk.hamu.cz/vyzkum/publikacni.php
Bližší upřesnění výsledku: software
Interní kód produktu: Inton software
Číselná identifikace: TL.60
Technické parametry výsledku: Technické parametry viz. TECHNOLOGICKÝ LIST č. 60
(vydán r. 2014 Výzkumným centrem MARC, HAMU v Praze). Smlouva s MARC HAMU o
distribuci software Inton uzavřena dne 20. 12. 2014.
Ekonomické parametry výsledku: Software realizuje objektivní akustickou analýzu zvuku
varhan. Umožňuje provádět analyzy i uživatelům bez akustického vzdělání.
IĆ: 61384984
Stát: CZ
Vlastník: Akademie múzických umění v Praze
Povinnost licence: P/Z – povinné někdy
Povinnost odvést licenční poplatek: A – povinné vždy
3
Úvod
Software pro analýzu zvuku varhan je rozdělen do dvou samostatných částí.
Program IntonASIOserver slouží pro digitalizaci akustických dat a jejich odesílání po
síti ethernet. Efektivní komunikaci se zvukovou kartou zajišťuje protokol ASIO [5].
Program Inton (klient) slouží k záznamu zvukových vzorků jednotlivých tónů varhan,
jejich okamžité automatické analýze, přehlednému grafické zobrazení výsledků
analýzy v několika formách a archivaci zaznamenaných vzorků i výsledků analýzy
[2,3,4].
Grafický výstup programu Inton umožňuje rychlou vizuální kontrolu vyrovnanosti
spektrálních charakteristik tónů příslušejících ke stejnému rejstříku. Výsledky
spektrální analýzy lze uložit v číselné i grafické formě.
Zaznamenané zvukové vzorky i analyzovaná data jsou ukládány ve formátu
vhodném pro export výsledků akustické dokumentace do centrální databáze
historických varhan.
Oddělení programu pro digitalizaci akustických dat od programu pro jejich zpracování
a vizualizaci umožňuje jejich spuštění na dvou bezdrátově propojených počítačích,
což usnadňuje instalaci systému i práci se zařízením.
Server
Instalace programu
Program IntonASIOserver je naprogramován v jazyce C++ a je distribuován jako
spustitelný soubor typu exe pro operační systém MS Windows. Instalace programu
není potřebná, program z distribučního média postačuje umístit do vybraného
adresáře.
Spuštění programu
Program Inton se spouští z grafického prostředí nebo z příkazové řádky příkazem
IntonASIOserver.exe
Ovládání programu
Program se ovládá pomocí příkazů zasílaných prostřednictvím protokolu UDP
z klientského počítače. Po spuštění je do diagnostického okna vypsána IP adresa
serveru a stav zařízení přípojených k operačnímu systému přes rozhraní ASIO.
Z menu programu lze aktivní zařízení zapínat a vypínat, případně aktivovat
nastavovací okno jeho ovladače pro volby parametrů (vzorkovací frekvence, šířky
slova atd.). V průběhu činnosti programu jsou do diagnostického okna vypisovány
stavové informace (viz obr. 1). Zvuková data jsou odesílána připojenému klientskému
počítači prostřednictvím protokolu TCP.
4
Obrázek 1: Okno programu IntonASIOserver
Klient
Instalace programu
Program Inton pro klientský počítač je naprogramován v jazyce Python 2.7 a je
distribuován jako bytecode – soubory typu pyc. Pro jeho spuštění je třeba, aby
počítač, na kterém se tento program bude užívat, obsahoval interpret jazyka Python
2.7 a knihovny Tkinter, mtTkinter, Tix, Matplotlib, Numexpr, Pyaudio, Portaudio a
SciPy. Podporovány jsou operační systémy Linux, MacOS X a MS Windows.
Instalace programu není nutná, postačuje do vybraného adresáře zkopírovat
všechny soubory z distribučního média.
Spuštění programu
Program Inton se spouští příkazem
python inton.pyc
Pokud je koncovka pyc v operačním systému asociována s interpretem jazyka
Python, lze program spouštět též z grafického prostředí.
Ovládání programu
Program se ovládá pomocí standardního grafického uživatelského rozhraní (GUI).
V horní části hlavního okna je umístěno menu pro přístup k vybraným funkcím
programu. Přístup k dalším funkcím je soustředěn do oken, mezi kterými lze
5
přecházet pomocí záložek. Některé funkce jsou přístupné přes kontextové menu
aktivované pravým tlačítkem myši. Ve spodní části hlavního okna je stavová lišta.
Program lze provozovat ve dvou režimech. V režimu on-line je prostřednictvím sítě
ethernet spojen se serverem, který na vyžádání posílá digitalizovaná zvuková data
ke zpracování, vizualizaci a ukládání. V režimu off-line pracuje program samostatně,
umožňuje přístup k uloženým datům a jejich zobrazení, zpracování a ukládání.
V režimu off-line tak lze např. doplnit analýzy, které nebyly provedeny během
záznamu apod. V režimu on-line je v záhlaví hlavního okna zobrazena IP adresa
serveru označená „Connected to“. V režimu off-line je na odpovídající pozici nápis
„Off-line“.
Po spuštění programu se otevře okno programu s aktivní záložkou Instrument (viz.
obr. 2).
Obrázek 2: Uživatelské prostředí programu Inton – záložka Instrument
Do pole Identification se zadává jméno nástroje, alternativně lze nástroj vybrat
z uložených (File-Select instrument – Ctrl-I).
Do pole Instrument description lze zapsat poznámky k měření (lokace, název
nástroje, ladění, tónový rozsah, tlak na vzdušnici, výška ladění, zvláštnosti...)
podobně jako do měřicího protokolu. Obsah pole je při zavření programu Inton
uložen do souboru Description.txt ve složce Nástroj, kde Nástroj je název složky
vytvořený ze jména nástroje v poli Identification.
Tlačítko Noise slouží pro záznam a analýzu hlukového pozadí nástroje se zapnutým
ventilátorem a naplněným měchem bez hraní tónu.
…
6
…..
Obrázek 3: Zobrazení spekter FFT se zvýrazněnými maximy
Obrázek 4: Zobrazení spekter ve třetinooktávových pásmech
7
Obrázek 5: Zobrazení spektrogramu
Obrázek 6: Zobrazení spektrogramu s harmonickými složkami
8
Obrázek 7: Zobrazení časového průběhu zaznamenaných signálů
Ve spodní oblasti okna je umístěn obraz klaviatury. Pravým tlačítkem myši lze
deaktivovat a znovu aktivovat vybrané klávesy, např. v případě, kdy jsou některé
klávesy vybraného rejstříku nefunkční. Rozsah kláves lze deaktivovat nebo aktivovat
také stiskem pravého tlačítka a tažením přes více kláves, případně nastavením
krajních hodnot v poli Range. Neaktivní klávesy jsou znázorněny šedou barvou.
Deaktivaci a opětovnou aktivaci klávesy lze využít též ke smazání odpovídajícího
spektra. Stiskem středního tlačítka lze klávesy označit, např. při výskytu problémů při
sekvenčním záznamu, které lze pak samostatným záznamem označených tónů
opravit. Výběr a označování kláves lze provádět též pomocí kontextového menu.
Stiskem levého tlačítka myši nad klávesou je spuštěn jednorázový záznam. Pro
ovládání sekvenčního záznamu slouží tlačítka Run, Repeat, Continue a Break.
Tóny jsou zaznamenávány postupně od nejhlubšího po nejvyšší. Sekvenční záznam
od nejhlubšího nastaveného tónu je spuštěn stiskem F5 (Run). V případě potřeby lze
sekvenci přerušit stiskem F8 (Break – přerušení sekvence po dokončení záznamu
právě hraného tónu). Pokračovat lze stiskem F6 (Repeat – opakování záznamu od
posledního zaznamenaného tónu) nebo F7 (Continue – spuštění záznamu od
následujícího tónu). Záznam jednotlivých tónů lze spouštět samostatně stiskem
příslušného pole na obraze klaviatury. Tak lze např. opravit jednotlivé nepodařené
záznamy v dokončené sekvenci.
9
Záložka Recording (viz. obr. 11) slouží k záznamu hudebních ukázek či jiného
signálu bez analýzy.
Obrázek 8: Záložka Recording
Do pole Recording je třeba zadat název pod kterým budou uloženy zaznamenané
zvukové soubory. Záznam se spouští stiskem F5 (Start) a ukončuje stiskem F8
(Break).
Prvky pro nastavení parametrů programu jsou soustředěny na záložce Settings (viz.
obr. 12).
Obrázek 9: Záložka Setings
10
V sekci Measurement lze volit, které zvukové vzorky a výsledky analýzy budou
ukládané a v jakých formátech (Triplet – hlavní trojice měřicích mikrofonů, Special –
pomocný záznam 4. zvukového kanálu, Triplet stereo – signál z hlavní trojice
převedený do dvojkanálového stereofonního formátu pro poslech, Auditorium –
stereofonní signál ze sálu, Console – stereofonní signál od hracího stolu, Triplet
FFT – analyzované FFT spektrum, Triplet partials – analyzované harmonické
složky). Pro jednotlivé typy zvukových vzorků lze samostatně nastavit hladinu
akustického tlaku (dBSPL) odpovídající maximální zaznamenatelné amplitudě dat
(0 dBFS). Společně lze nastavit formát dat (16 nebo 24 bitů) a vzorkovací frekvenci.
Sekce Display slouží k nastavení vlastností grafického zobrazení výsledků –
oktávových mřížek, pomocných značek atd.
Barvy pozadí, grafického zobrazení výsledků a stavu kláves lze nastavit v sekci
Colors.
Sekce Path obsahuje cestu k adresáři pro ukládání výsledků v klientském počítači.
V sekci Communication je třeba nastavit IP adresu a číslo TCP portu serveru
a cestu k adresáři pro ukládání záložní kopie zvukových dat v počítači server.
Záložka Calibration (viz. obr. 13) je přístupná pouze z menu a není určena pro
běžné uživatele. Dovoluje provést kalibraci všech signálových cest od mikrofonů k
A/D převodníkům.
Obrázek 10: Záložka Calibration
Položky Signal SPL dovolují nastavit hladinu akustického tlaku kalibračního signálu
přiváděného k jednotlivým mikrofonům, typicky 94 dB. Tlačítka Start spouštějí proces
kalibrace, maximální akustický tlak pro plné vybuzení je zobrazován v poli Max SPL.
Tlačítky Set je proces kalibrace vybraného kanálu ukončen a kalibrační hodnota je
zaznamenána. Kalibrační data jsou automaticky ukládána do souboru Calibration.txt
pro aktuální nástroj. Uložit na jiné místo, případně jinde uložená data načíst lze
pomocí tlačítek Save Calibration a Read Calibration.
11
Obrázek 11: Menu File
Menu File (viz. obr. 14) obsahuje v první skupině příkazy pro volbu nástroje (Select
Instrument – Ctrl-I) a rejstříku (Select Register – Ctrl-R). Druhá skupina slouží pro
otevření zaznamenaných dat v režimu off-line a uložení výsledků nově provedené
analýzy. Ve třetí skupině jsou příkazy pro zobrazení referenčních dat a jejich
porovnání s daty aktuálními. Příkaz Open Noise umožňuje načíst uložená data
hlukového pozadí. Příkaz Exit slouží k ukončení činnosti programu.
Obrázek 12: Menu Edit
Menu Edit (viz. obr. 15) obsahuje položky pro vymazání obsahu okna, normalizaci
zobrazeného spektra a přístup k záložce pro nastavení parametrů.
Obrázek 13: Menu View
V menu View (viz. obr. 16) lze volit zobrazení referenčních dat, spektra hlukového
pozadí, případně zobrazení spektra hlukového pozadí jako podkladu hlavního okna.
Obrázek 17: Menu Tools
Menu Tools (viz. obr. 17) slouží k rychlému přístupu k měření hlukového pozadí,
doby dozvuku a kalibraci.
12
Obrázek 14: Menu Help
Menu Help (viz. obr. 18) slouží k zobrazení nápovědy a informací o programu.
Literatura
[1] Otčenášek, Z., Syrový, V., Urban, O. Technologický list čís. 15: Akustická dokumentace píšťalových
varhan, verze 8&1
[2] Funkční vzorek zařízení pro analýzu zvuku varhan, Technologický list 49, MARC HAMU v Praze
[3] Zařízení pro analýzu zvuku varhan, Technologický list 61, MARC HAMU v Praze
[4] Metodika akustické dokumentace s analyzačním zařízením a softwarem, Technologický list 58, MARC
HAMU v Praze
[5] Steinberg: ASIO SDK 2.2
13