TECNICHE NUMERICHE PER IL RESTAURO DEI SEGNALI AUDIO

Il presente lavoro di tesi, svolto presso il Laboratorio di Informatica Musicale del Dipartimento di Scienze dell'Informazione dell'Università degli Studi di Milano, é stato rivolto allo studio delle tecniche numeriche conosciute per l'elaborazione dei segnali audio; tale studio é stato principalmente finalizzato all'eliminazione e all'attenuazione dei disturbi provocati sia dal degrado temporale che dalla scarsa qualità degli strumenti di registrazione e dei supporti fonografici.
La rimozione o l'attenuazione dei disturbi nei segnali digitali, riveste un ruolo di notevole importanza non solo nel caso dei segnali audio o video ma, in generale, in tutte quelle applicazioni che devono effettuare dei trasferimenti di informazione tramite canali disturbati o in condizioni non ideali.
I punti principali presi in considerazione sono stati:
o Acquisizione di segnali audio (campionamento e quantizzazione);
o Misurazione qualitativa dei segnali audio;
o Caratterizzazione dei disturbi presenti;
o Breve rassegna dei metodi generali per l'elaborazione dei segnali digitali e, in particolare, dei segnali audio;
o Tecniche specifiche note per l'attenuazione o la soppressione dei disturbi;
o Analisi e valutazione di un sistema hw/sw per l'elaborazione dei segnali audio finalizzata al restauro;
o Studio di un particolare tipo di disturbo (rumore di fondo) ed evoluzione delle tecniche specifiche note;
o Sviluppo di una applicazione quale "banco di prova" per gli algoritmi proposti.
In questo lavoro di Tesi sono stati presi in considerazione gli aspetti teorici del degrado dell'audio, valutando attentamente le differenti tecniche conosciute ed utilizzate a questo scopo. Successivamente, si è orientata la ricerca su un particolare tipo di disturbo, cercando di evolvere le tecniche utilizzate per la rimozione dello stesso.
Durante il lavoro di Tesi vi é stata la possibilità dell'utilizzo del sistema hw/sw "NoNoise™" prodotto dalla Sonic Solutions, che é attualmente uno degli strumenti maggiormente utilizzati per questo tipo di elaborazioni.
Tramite questo sistema, è stato reso possibile un confronto ed una stima della qualità dei risultati ottenuti dall'applicazione sviluppata nell'ambito del lavoro di Tesi.
Nel Cap. 1 vengono presentate le motivazioni principali che hanno causato lo sviluppo di questo lavoro di Tesi, con particolare riguardo ai parametri con cui è possibili definire la "qualità" di un segnale audio ed allo stato di conoscenza del problema; viene considerato inoltre, quale influenza si é avuta nella valutazione della qualità del segnale audio con l'utilizzo della tecnologia digitale.
Successivamente (capitolo 2), viene presentato uno studio sistematico sulla maggior parte dei disturbi che possono presentarsi nei segnali audio sia in generale che nel caso particolare del restauro. Come caso particolare, verranno valutati i particolari disturbi provocati dai supporti magnetici a nastro.
I capitoli 3 e 4, sono rivolti ai fondamenti teorici utilizzati per la rimozione dei disturbi nei segnali audio; oltre alle nozioni fondamentali sui filtri digitali, sia lineari che non lineari, e sui tipi di filtri utilizzati nella soppressione dei disturbi (capitolo 3), vengono presentate delle tecniche numeriche specifiche per l'individuazione e la correzione di segnali sonori "corrotti" (capitolo 4).
Il successivo capitolo viene dedicato all'analisi di uno dei sistemi maggiormente utilizzato per l'elaborazione digitale dell'audio finalizzata alla eliminazione dei disturbi, valutandone caratteristiche e prestazioni.
Il capitolo 6 tratta in modo approfondito del "rumore di fondo a larga banda" e dell'evoluzione delle tecniche per la sua attenuazione; queste, traggono spunto dal metodo generale della sottrazione spettrale (capitolo 4) dove, utilizzando una stima del rumore di fondo, viene effettuata la sottrazione alle ampiezze del segnale ad ogni frequenza delle ampiezze della stima del rumore di fondo alle stesse frequenze. Evolvendo questo metodo, tramite l'utilizzo di una funzione di attenuazione dipendente dal livello relativo del segnale rispetto al livello della stima del rumore, è stato possibile ottenere un miglioramento dei risultati.
La caratterizzazione del miglioramento qualitativo del segnale, viene effettuata sia tramite una analisi visiva del segnale, nel dominio temporale e nel dominio delle frequenze (spettro), che tramite la variazione dei parametri definiti nel capitolo 1; tra questi, ricordiamo il rapporto Segnale/Rumore che verrà aumentato significativamente (+4/5 dB) rispetto alla tecnica della sottrazione spettrale semplice. Si noti, tuttavia, che l'incremento incondizionato di tale parametro non sempre corrisponde ad un aumento della qualità: infatti effettuando un procedimento di Denoising molto aggressivo, si otterrebbe facilmente un notevole incremento del SNR, rischiando però la degenerazione dei segnali a basso livello e vanificando il procedimento effettuato.
Quale compendio allo studio teorico, vengono presentati sia gli algoritmi in linguaggio C che le strutture dati che hanno reso possibile una implementazione su computer Macintosh della tecnica sviluppata, valutando la possibilità di una futura implementazione su un processore dedicato all'elaborazione dei segnali digitali (DSP). In particolare vengono descritti gli algoritmi fondamentali utilizzati per permettere l'elaborazione tramite la tecnica proposta: oltre agli algoritmi che realizzano la trasformata di Fourier veloce (FFT) e la sua inversa (IFFT), vengono illustrati quelli che permettono la modifica del livello del segnale ad ogni frequenza in accordo con la funzione di attenuazione e gli algoritmi che consentono l'implementazione della tecnica di "Overlap-Add" per la giunzione dei segmenti temporali di segnale opportunamente elaborati.
Sono inoltre valutati l'aspetto del costo computazionale dei metodi utilizzati e le possibili estensioni che potrebbero venire aggiunte per lo sviluppo di una applicazione completa.
Nell'ottavo ed ultimo capitolo, viene presentata una valutazione sui risultati ottenuti ed una discussione sugli sviluppi futuri da cui questo lavoro potrebbe essere seguito.