ЛабАЕК: Лабораторія Акустичної Експертизи та Корекції
Лабораторію організовано рішенням засідання кафедри акустики та акустоелектроніки, Протокол №1 від 26.08.2015
Штаб-квартира Лабораторії: к. 233, корпус 12, КПІ ім. Ігоря Сікорського
Чергові по штаб-квартирі: А. Продеус, О. Козерук, Д. Паренюк.
- консультаційна допомога студентам, організаціям та фізичним особам з проведення акустичної експертизи й корекції
- реалізація навчально-практичних проектів
- консультації, семінари
- розміщення інформаційних матеріалів (публікації в журналах, доповіді на конференціях) викладачів та студентів кафедри АМЕС на поточній веб-сторінці
- викладацький склад кафедри
- аспіранти, магістри, бакалаври
Види акустичної експертизи
- оцінка якості приміщень та відкритих площадок
- оцінка якості ліній зв’язку
- оцінка якості алгоритмів шумозаглушення
- оцінка якості алгоритмов заглушення реверберації
- на перспективу: оцінка якості музичних інструментів та вокальних даних
Види акустичної корекції
- рекомендації зі способів зниження рівня шуму
- рекомендації зі зміни часу реверберації в приміщеннях
- корекція зашумлених сигналів
- корекція сигналів, спотворених реверберацією
Очікувана корисність діяльності Лабораторії
- поглиблене вивчення студентами та викладачами окремих питань технічної акустики шляхом розв’язання реальних практичних завдань
- інформування потенційних абітурієнтів про проблематику кафедри та різноманітність форм навчальної діяльності
- примноження й підсилення партнерських зв’язків кафедри з навчальними, науковими й промисловими організаціями України
- посильний внесок у відродження науково-технічного потенціалу України
Навчально-практичні Проєкти
Навчально-практичні Проєкти є інноваційною формою засвоєння навчального матеріалу, що відрізняється від звичної форми у вигляді розрахунково-графічної роботи (РГР) наявністю ТВОРЧОГО КОМПОНЕНТУ. Викладач, що керує Проєктом, може не знати відповіді на запитання, що розв’язує Проєкт. Більш того, саме тому викладач і організовує Проєкт, що чіткої відповіді на поставлене питання або не існує, або відповідь існує, проте є потреба в її подальшому уточненні…
До речі:
- Приклад проєкту з моделювання систем автоматичного розпізнавання мовлення, що виконувався індійськими студентами: Dushyant Sharma, Alankrit Poddar, Sumanna Manna and Patrick A. Naylor. THE SAS PROJECT: SPEECH SIGNAL PROCESSING IN HIGH SCHOOL EDUCATION / Proc of 23rd European Signal Processing Conference (EUSIPCO), pp. 1821-1825.
- Україну очікує сплеск креативної економіки – прогноз засновника порталу креативної економіки Chernozem, бізнесмена Костянтина Кожем’яки
Нижче вашій увазі надається неповний перелік таких Проєктів, виконаних на нашій кафедрі:
- Дослідження факторів, що впливають на розбірливість мовлення (куратори: проф. А.Продеус, PhD Д.Паренюк; активні учасники – студенти 3-го року навчання)
- Комп’ютерне моделювання імпульсної характеристики приміщення (куратори: проф. А. Продеус, PhD Д.Паренюк; активні учасники – магістранти 1-2 років)
- Розробка спектроаналізаторів в середовищі LabView як засоба вимірювань для акустичного моніторингу та акустичної експертизи (кураторы: проф. А. Коржик; магістранти 1-2 років)
- Розробка засад розрахункових методик при проведенні акустичної експертизи(кураторы: проф. В. Дідковський, проф. А. Коржик; активні учасники – магістранти 1-2 років)
- Пеленгатор координат стрілка (куратори: доцент О. Козерук; активні учасники – магістранти 1-2 років)
- Низькочастотний резонаторний мікрофон (куратори: доцент О. Козерук; активні учасники – магістранти 1-2 років)
- Параметричний гучномовець – гостронаправлений передавач звуку (куратори: доцент О. Козерук; активні учасники – магістранти 1-2 років).
- Тактильна комунікація – передача невербальної інформації ультразвуком (куратори: доцент О. Козерук; активні учасники – магістранти 1-2 років)
Штучна голова для акустичних досліджень
Куратори: проф. А. Продеус, PhD Д. Паренюк, аспірант О. Дворник, магістр A. Найда
Активні учасники: студенти та аспіранти кафедри.
Стадія проекту: триває.
В Лабораторії акустичної експертизи та корекції кафедри акустичних та мультимедійних електронних систем створено апаратно-програмну систему “Штучна голова для акустичних досліджень”. Призначення голови – вимірювання бінауральних (двоканальних) імпульсних характеристик приміщення, що дозволить серифікувати приміщення, тобто робити висновки про придатність приміщень для мовних та музичних презентацій. Інші можливі застосування штучної голови – тестування навушників, слухових систем, створення стереозаписів із монозаписів.
Систему “Штучна голова” було представлено на XII Всеукраїнському конкурсі інноваційних стартап-проєктів Sikorsky Challenge 2023. За результатами оцінювання Експертної ради Конкурсу проект пройшов до фіналу у секції “Інформаційні технології, кібербезпека”, де був представлений стендовою доповіддю. Автори проекту А. Продеус, О. Дворник та А. Найда отримали дипломи фіналістів Конкурсу.
Штучна голова кріпиться до верхівки ящика, який імітує торс людини. Біля вух штучної голови розміщено два мікрофони, вихідні сигнали яких через зовнішню звукову карту (показано біля нижної частини “торсу”) передаються на ноутбук. Ці сигнали обробляються за допомогою спеціального програмного забезпечення, й результати обробки містять потрібну для висновків інформацію.
Найбільш важливою та складною частиною системи є програмне забезпечення, оскільки при обробці сприйнятих мікрофонами сигналів потрібно враховувати низку факторів, а саме: мету обробки, завадові умови, вимоги до точності вимірювань та ін. Крім того, програмне забезпечення має бути зручним та простим для використання навіть фахівцем-акустиком початкового рівня.
Важливо, що всі зазначені роботи плануються як складова частина учбового процесу у вигляді практичних й лабораторних занять, розрахунково-графічних робіт. Це значить, що студентам буде надано можливість навчатися, розв’язуючи реальні, а не штучно придумані завдання.
“Творцями” системи “Штучна голова” є професори А. М. Продеус, В. С. Дідковський, С. А. Найда, які є авторами ідеї, а також технічні робітники кафедри О. М. Романенко та Т. А. Холопцев, які матеріалізували цю ідею.
Оцінювання якості музичних сигналів, сприйнятих мікрофонними масивами
Куратори проекту: проф. Аркадій Продеус, PhD Д.Паренюк
Активні учасники проекту: студенти 3-го року навчання, магістранти 1-го року навчання
Коли відбувається запис музики, воліють записувати кожного виконавця окремо, щоб в подальшому можна було, шляхом комп’ютерного редагування, корегувати виявлені недоліки, а далі об’єднати окремі записи в один результуючий запис.
Проте цей шлях є далеко не найкращим, оскільки при цьому музиканти втрачають «відчуття ансамблю». Інакше кажучи, музикантам важливо бачити та чути один одного під час виконання та запису музичної композиції. Подолати вказаний недолік можна, розташовуючи мікрофони біля кожного із музикантів.
Альтернативним рішенням, яке сьогодні набуває популярності, є здійснення запису із певної точки концертної зали за допомогою акустичної антени, що являє собою низку («масив») мікрофонів, об’єднаних певним чином. Хоча існують праці [1,2,3], присвячені дослідженням властивостей різних мікрофонних масивів, до сьогодні погано вивчено, яка із конфігурацій мікрофонних масивів є найліпшою з точки зору мінімального спотворення музичних сигналів. Тому головна мета даного проекту полягає в пошуку відповіді на це питання.
Оскільки сприйняття музики є справою індивідуальною, для одержання узагальнених результатів важливо, щоб в проекті прийняло участь якомога більше слухачів – що й пропонується зробити нашим студентам.
Даний проєкт є першою частиною розрахунково-графічної роботи (РГР) дисциплін “Методи обробки акустичних сигналів” та “Комп’ютерна обробка акустичних сигналів” (другою частиною РГР є проект “Дослідження факторів, що впливають на розбірливість мови”).
Результати виконання проєкту будуть корисними не лише для студентів, які на практиці ознайомляться із алгоритмами просторово-часової обробки акустичних сигналів, але й для майбутніх споживачів таких пристроїв, котрі дізнаються про потенційні можливості мікрофонних масивів різних типів.
В результаті виконання даного проекту студенти:
- ознайомляться із елементами теорії просторово-часової обробки сигналів;
- навчаться організовувати експериментальні дослідження для порівняння алгоритмів просторово-часової обробки шляхом суб’єктивного оцінювання якості звуку на виході відповідних програмних моделей;
- навчаться коректно аналізувати одержані результати, й формувати відповідні технічні звіти.
Технічне завдання
В експериментах пропонується прослухати низку музичних сигналів (соло саксофону тривалістю 10 секунд), сприйнятих та оброблених акустичними антенами різних типів в різних акустичних умовах.
Досліджуються два типи акустичних антен: на основі сум і затримок (DS) і на основі лінійно обмеженої мінімальної дисперсії (LCMV) [1, 2, 3].
Акустичні умови характеризуються різними відношеннями сигнал-шум (-10 дБ, 0 дБ та 10 дБ) та різним просторовим розташуванням джерел шуму (поодинокі джерела, а також сукупність кількох джерел).
Для кожного відношення сигнал-шум та кожного типу розташування джерел шуму треба прослухати:
- еталонний чистий сигнал;
- сигнал на виході одиночного мікрофона;
- сигнал на виході DS-антени;
- сигнали на виході LCMV-антени (для 3-х різновидів пост-фільтрації).
Розглядається чотири ситуації розташування джерела шуму:
- ситуації 1-3 – поодинокі джерела шуму, розташовані відповідно під кутами 15, 45 та 90 градусів відносно джерела сигналу;
- ситуація 4 – сукупність із 4-х джерел, розташованих під кутами -45, +45, -120 та +120 градусів.
Студенти мають прослуховувати сигнали через навушники або через комп’ютерні колонки (акустичні системи) та оцінювати за п’ятибальною системою (бали від 1 до 5):
- якість сигналу;
- рівень шуму;
- загальне враження від почутого.
Дозволяється (й навіть рекомендується) ставити дробові оцінки, наприклад, 3.7 бали.
Увага! Якщо стосовно оцінки “загального враження від почутого” навряд чи будуть запитання, оцінювати “якість сигналу” та “рівень шуму” дещо важче. Тому пропонуємо спеціальні роз’яснення з цього приводу.
Однією із причин спотворення сигналу (зниження його якості) є хибна інформація про напрямки на джерела сигналу та шуму. Крім того, алгоритми просторово-часової обробки можуть бути реалізовані недосить якісно.
Що стосується оцінювання рівня шуму, зазначимо, що мається на увазі оцінювання потужності шуму, порівняно із потужністю сигналу. Для прослуховування використовуються 10-секундні записи, де перші 8 секунд звучить суміш музики й шуму, а останні 2 секунди озвучується “чистий” шум.
- Microphone_Array_test_15.m (джерело шуму розташовано під кутом 15 градусів);
- Microphone_Array_test_45.m (джерело шуму розташовано під кутом 45 градусів);
- Microphone_Array_test_90.m (джерело шуму розташовано під кутом 90 градусів);
- Microphone_Array_test_istrp.m (ситуація із 4 джерелами шуму).
Примітка: комп’ютерні програми та вхідні дані до них містяться в архівному файлі:
Вхідні дані:
- звуковий файл чистого сигналу cleanmusic.wav міститься в головній папці;
- звукові файли з виходів акустичних антен, що моделюються, містяться в папках “10dB”, “0dB” та “-10dB” .
Вихідні дані:
Вихідними даними є 4 файли із іменами типу ваше прізвище_ситуація.mat, (наприклад, Ivanov_15.mat) які зберігаються в папці з головною програмою. Після закінчення роботи ці 4 файли необхідно передати кураторам проекту (флешка, електронна пошта).
Тривалість експерименту:
Тривалість експерименту із кожною із 4-х програм становить 5-10 хвилин, таким чином, загальна тривалість експерименту не перевищує 20-40 хвилин.
Після виконання чотирьох вказаних вище комп’ютерних програм буде одержано 12 графіків, оскільки кожна із 4-х програм продукує 3 графіки. Ці графіки треба зберегти на диску комп’ютера та вставити у письмовий звіт.
У звіті обов’язково наведіть:
- всі рисунки (їх має бути 3х4=12);
- ваші коментарі до рисунків (яким чином можна тлумачити одержані результати).
При цьому у коментарях мають бути висвітленими наступні питання:
- Що та навіщо робилося (тобто актуальність завдання, що розв’язується);
- Опис організації досліджень – які досліди та чому ставилися, на які питання комп’ютерної програми ви мали давати свої відповіді, та чому ставилися саме такі питання;
- Висновки за результатами роботи: 1) що зроблено; 2) що одержано; 3) що надалі треба додатково зробити або покращити?
Етапи виконання проекту
Старт проекту (видача Технічного завдання)
Передача результатів кураторам проекту
Кінець роботи над даним проектом (першим етапом РГР)
Результати проекту
За результатами виконання проекту буде написано кілька статей, де авторами будуть вказані найбільш активні студенти.
Література
- W. Zhang, P.N. Samarasinghe, H. Chen, T.D. Abhayapala. “Surround by Sound: A Review of Spatial Audio Recording and Reproduction,” Applied Sciences, No. 7, 532, 2017, pp. 1-19.
- P. Coleman, P.J. B. Jackson, and J. Francombe, “Audio object separation using microphone array beamforming,” 138th Convention, May 7, Warsaw, Poland, 2015.
- O. Schreer, G. Thomas, O.A. Niamut, J-F. Macq, A. Kochale, J-M. Batke, J. Ruiz Hidalgo, R. Oldfield, B. Shirley, G. Thallinger, “Format-agnostic Approach for Production, Delivery and Rendering of Immersive Media,” Format-agnostic Approach for Production, Delivery and Rendering of Immersive Media“, NEM Summit 2011, Torino, Italy, 27th September, 2011.