Detail předmětu

Číslicové zpracování akustických signálů

FEKT-MCASAk. rok: 2019/2020

Akustický signál a jeho základní vlastnosti, maskování zvuku, přístupy k implementaci diskrétního a číslicového systému pro zpracování zvuku, základní a pokročilé metody a struktury pro zpracování signálu, časově invariantní a variantní systémy a jejich optimální simulace a realizace, implementace často používaných nástrojů pro úpravu zvuku a hudebních efektů, nelineární systémy pro zpracování zvuku a jejich implementace, systémy pro panoramování zvuku, simulace šíření zvuku vln v uzavřeném prostoru a způsoby její implementace, restaurování poškozených zvukových záznamů.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

6

Garant předmětu

Ing. Miroslav Balík, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav telekomunikací (UTKO)

Výsledky učení předmětu

Studenti získají podrobný přehled o postupech analýzy a zpracování zvukových signálů. Získají zkušenosti se simulací diskrétních a číslicových systémů prostřednictvím moderních simulačních prostředků. Budou schopni navrhovat a simulovat algoritmy pro zpracování akustických signálů, které jsou určeny přímo pro CPU počítačového systému nebo pro signálový procesor.

Prerekvizity

Jsou požadovány znalosti na úrovni bakalářského studia.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování závisejí na způsobu výuky a jsou popsány ve Studijním a zkušebního řádu VUT.
Přednášky mají charakter výkladu základních principů, metodologie, problémů a jejich vzorových řešení.
Počítačová cvičení podporují praktické ovládnutí látky vyložené na přednáškách za aktivní účasti studentů.
Účast na přednáškách je doporučená, účast na počítačových cvičeních je kontrolovaná.
Předmět využívá e-learning (Moodle).

Způsob a kritéria hodnocení

Hodnocení se řídí Studijním a zkušebním řádem VUT a Směrnicí děkana FEKT doplňující studijní a zkušební řád VUT. Za každý ze dvou testů z počítačových cvičeníc lze získat až 20 bodů. Závěrečná písemná zkouška je hodnocena maximem 60 bodů.

Osnovy výuky

1. Zvuk, akustický signál a jeho základní vlastnosti, vnímání zvuku člověkem, maskování zvuku,
2. Diskrétní signály a systémy, přístupy k realizaci diskrétního a číslicového systému, zvukové signály a jejich zpracování,
3. Základní prostředky, metody a struktury pro realizaci DSP systémů,
4. Pokročilé zpožďovací struktury, zpožďovací sítě,
5. Časově invariantní a variantní kmitočtové filtry a hudební efekty,
6. Systémy FIR, optimalizované algoritmy implementace FIR systému,
7. Systémy IIR s variantní délkou zpožďovacího zásobníku, detektor špičkové a efektivní hodnoty, diskrétní integrátor signálu,
8. Systémy pro úpravu dynamiky signálu, systém DRC, maximizer,
9. Model nelineárního diskrétního systému, popis základních nelinearit a nelineárních systémů, kmitočtově závislé nelineární systémy,
10. Panoramování zvukových signálů, vektorové panoramování, ambisonické panoramování, multikanálové panoramování, panoramování odražených zvukových vln.
11. Simulace šíření zvukových vln, fyzikální, smyslový a aproximační přístup, kmitočtově závislá absorpce zvukových vln,
12. Echogram, prvotní odrazy, následné odrazy a mnohonásobné odrazy, struktury pro simulaci poslechového prostoru,
13. Restaurace akustických signálů, potlačování širokopásmového šumu, potlačování impulsního rušení v akustickém signálu.

Učební cíle

Cílem předmětu je seznámit studenty se základními a pokročilými metodami simulace a postupy implementace v oblasti číslicového zpracování zvuku. Značná pozornost je věnována současným vývojovým trendům v oblasti obecného zvukového signálu se zaměřením na signál hudební.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Pro udělení zápočtu je nutné absolvovat všechna počítačová cvičení a testy. Další formy kontrolované výuky stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Základní literatura

E. Ifeachor, B. Lervis:Digital Signal Processing,Addison Wesley
U. Zolzer: Digital Audio Signal Processing, Technical University of Hamburg-Harburg, Germany

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program AUDIO-P magisterský navazující

    obor P-AUD , 2 ročník, zimní semestr, volitelný oborový

  • Program EEKR-M1 magisterský navazující

    obor M1-TIT , 2 ročník, zimní semestr, volitelný oborový
    obor M1-EST , 1 ročník, zimní semestr, volitelný mimooborový

  • Program EEKR-CZV celoživotní vzdělávání (není studentem)

    obor ET-CZV , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Miroslav Balík, Ph.D.

Osnova

1. Zvuk, akustický signál a jeho základní vlastnosti, vnímání zvuku člověkem, maskování zvuku,
2. Diskrétní signály a systémy, přístupy k realizaci diskrétního a číslicového systému, zvukové signály a jejich zpracování,
3. Základní prostředky, metody a struktury pro realizaci DSP systémů,
4. Pokročilé zpožďovací struktury, zpožďovací sítě,
5. Časově invariantní a variantní kmitočtové filtry a hudební efekty,
6. Systémy FIR, optimalizované algoritmy implementace FIR systému,
7. Systémy IIR s variantní délkou zpožďovacího zásobníku, detektor špičkové a efektivní hodnoty, diskrétní integrátor signálu,
8. Systémy pro úpravu dynamiky signálu, systém DRC, maximizer,
9. Model nelineárního diskrétního systému, popis základních nelinearit a nelineárních systémů, kmitočtově závislé nelineární systémy,
10. Panoramování zvukových signálů, vektorové panoramování, ambisonické panoramování, multikanálové panoramování, panoramování odražených zvukových vln.
11. Simulace šíření zvukových vln, fyzikální, smyslový a aproximační přístup, kmitočtově závislá absorpce zvukových vln,
12. Echogram, prvotní odrazy, následné odrazy a mnohonásobné odrazy, struktury pro simulaci poslechového prostoru,
13. Restaurace akustických signálů, potlačování širokopásmového šumu, potlačování impulsního rušení v akustickém signálu.

Laboratorní cvičení

39 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Miroslav Balík, Ph.D.

Osnova

1. Opakování základů Matlabu, způsoby zobrazování výsledků analýz v Matlabu, časová analýza signálu,
2. Kmitočtová analýza periodických a aperiodických signálů pomocí DFT a FFT,
3. Implementace IIR a FIR systémů v časové oblasti přímou formou a pomocí kanonických forem,
4. Kombinace systémů a základních struktur, pokročilé zpožďovací struktury,
5. Časově invariantní parametrické IIR filtry, realizace v Matlabu pomocí kombinace systémů,
6. Úvod k pokročilým simulacím systému v Simulinku, procesy na popředí a pozadí, první test z počítačových cvičení,
7. Přechod od časově invariantních k variantním systémům, způsoby jejich analýzy v Matlabu a Simulinku, generátory LFO v Simulinku,
8. Časově variantní systém se změnou středního nebo mezního kmitočtu (WahWah), se změnou dopředných a zpětných vazeb (All-pass Phaser),
9. Časově variantní systém se změnou délky zpožďovacího zásobníku (Chorus, Flanger, Phaser), detektor špičkové a efektivní hodnoty, diskrétní integrátor signálu,
10. Optimalizovaná implementace FIR systému vyššího řádu, optimalizovaná implementace současné FIR filtrace dvou signálů, implementace časově variantního FIR systému,
11. Systémy pro úpravu dynamiky signálu, systém DRC, maximizer,
12. Základních nelinearity a nelineární systémy, kmitočtově závislé nelineární systémy (Exciter), obecný kmitočtově závislý zkreslovač (Enhancer),
13. Struktury pro simulaci poslechového prostoru, simulace prvotních odrazů, násobných odrazů a mnohonásobných odrazů v uzavřeném akustickém prostoru, druhý test z počítačových cvičení.