Técnicas de reducción de ruidos de audio
     

Figura 1: relaciones relativas de señal ruido de un medio de grabación típico.
Toda grabación de audio contiene cierta cantidad de ruido. Este ruido puede sumarse a la señal de audio durante el proceso de grabación o después del mismo debido al manejo incorrecto del medio de almacenamiento o al deterioro natural de la calidad del medio cuando se almacena durante un largo período de tiempo.

Por Meenakshi Singhvi

En el campo de las transmisiones, las opciones han aumentado mucho y las preocupaciones por la calidad de lo que recibe el oyente también ha crecido, lo cual genera la necesidad de grabaciones con una mejor calidad de audio y también la de reducir los ruidos, si los hubiera, de las viejas grabaciones antes de transmitirlas. El objetivo de la reducción del ruido es reducir al mínimo estos sonidos no deseados y al mismo tiempo preservar la señal original al máximo.

El sonido comienza y termina intrínsecamente como una señal analógica. Hace apenas unos pocos años atrás, eliminar el ruido del audio era una tarea muy difícil porque la reducción del ruido o la restauración dentro del dominio analógico requería laboratorios especializados o equipos costosos no asequibles para un usuario típico. Por lo tanto, estas actividades quedaban confinadas a un pequeño círculo de profesionales del audio.

La digitalización del sonido y las tecnologías de procesamientos de señales digitales modificaron mucho este panorama. Estas nuevas tecnologías permitieron reemplazar costosos equipos analógicos por aplicaciones de software especializadas, y muy complejas. La nueva generación de computadoras de alta velocidad equipadas con placas de sonido de calidad ha hecho que la eliminación del audio sea más económica.

Toda superficie vinílica está sujeta a microfisuras, rayones y suciedad. La cinta magnética tiene una vida aún más corta. Las variaciones normales de temperatura de una sala pueden deteriorar una cinta magnética, y su capa de superficie magnética puede deteriorarse y despegarse. La estática o los efectos magnéticos por separado de los equipos de reproducción también pueden dañar una cinta. A lo largo del tiempo, el resultado es un deterioro constante de la calidad del audio. Este deterioro se manifiesta con la presencia de ruidos, chasquidos y crujidos no deseados.

Para detener el proceso de deterioro, los datos de audio pueden digitalizarse y guardarse en un disco duro o en un CD o DVD. En la forma digital, los datos de audio pueden almacenarse y usarse durante un largo período de tiempo sin que su calidad se deteriore.

El proceso de digitalización en sí mismo no elimina ningún tipo de distorsión o ruido que se encuentra en el audio, pero nos permite suprimirlo o eliminarlo aplicando algoritmos o herramientas de eliminación blandas especiales para sonidos digitales. En otras palabras, la digitalización ayuda a la preservación y promoción de grabaciones de sonido mediante la revitalización de materiales antiguos con las técnicas y tecnologías más recientes.

Ruido de banda ancha — El ruido en el que la energía acústica se distribuye sobre un rango relativamente amplio de frecuencias se denomina ruido de banda ancha o ruido continuo. El espectro de este ruido es generalmente uniforme y continuo. Sonidos como silbidos y estática se encuentran dentro de esta categoría.

Existe una cierta cantidad de ruido de banda ancha en todo el audio grabado. La medición de este ruido es la proporción del nivel promedio del material del programa con respecto al nivel promedio del ruido. Esto se denomina relación de señal ruido (SNR) y se especifica mediante la diferencia relativa entre estos niveles. El nivel promedio de ruido se denomina piso de ruido.

Ruido de banda angosta — Como lo indica su nombre, el ruido de banda angosta se limita a un rango angosto de frecuencias. Generalmente esta clase de ruido tiene un nivel y una frecuencia constantes. El ruido de la línea de alimentación, el zumbido de un motor, etcétera, son ruidos de banda angosta normalmente provocados por cables con mala conexión a tierra y malos blindajes. Incluye una sola frecuencia como de 50 Hz a 60 Hz inducida desde la red de suministro de alimentación y sus harmónicos a 100 Hz, 150 Hz, etcétera.

Figura 2: ruidos de impulsos comunes. (De izquierda a derecha) un gran pop, un clic típico, un pequeño tic y un clic digital
Ruido de impulso — Este incluye sonidos cortantes como toda clase de chasquidos (clics y pops). Los pops son impulsos de audio de amplitud elevada, comparados con la señal de audio original, que persisten durante una duración más larga que generalmente es mayor a 2 milisegundos. Permanecen durante 50 muestras de longitud y tienen un pico muy alto. Los pops normalmente son causados por un rayón profundo o suciedad en la superficie del vinilo.

Similares a los pops, los clics son más bajos en amplitud, más altos en frecuencia y más cortos en su duración. A los clics causados por rayones e imperfecciones en una grabación de vinilo se los conoce como clics analógicos.

Los clics digitales también existen y son causados por una sobrecarga en el procesador mientras se elabora una grabación digital. Las “detenciones” momentáneas de una grabación y el salto resultante crean clics muy breves.

Cuando vemos una grabación en un editor de formas de onda, los clics y los pops se muestran como inclinaciones o picos empinadas, fácilmente visibles en la forma de onda grabada (Figura 2).

Ruido irregular — Este tipo de ruido incluye sonidos como conversaciones, el tráfico o la lluvia de fondo. Estos tipos de sonidos son muy difíciles de eliminar porque están hechos de muchos sonidos al azar que varían en frecuencia y volumen.

Así como hay diversas fuentes de ruidos, también hay diversas estrategias de eliminación de ruidos. La estrategia más directa es reducir el ruido al mínimo antes de grabar, ya que el proceso de reducción del ruido requiere la mejor transferencia posible del medio analógico a la forma digital.

Antes de digitalizar la grabación de un LP, deberíamos limpiar la grabación con un cepillo de microfibras blandas y una solución de limpieza suave para quitar el polvo y la suciedad asentada en la profundidad de los surcos. Después, podría secarse con una aspiradora. La aguja y la cápsula de la bandeja giradiscos también debería estar en buenas condiciones.

Al grabar desde un reproductor de cintas, asegúrese de los cabezales estén limpios y desmagnetizados. Contar con cables blindados de buena calidad puede reducir aún más el ruido proveniente de la interferencia eléctrica.

Al transferir un LP o una cinta, pueden grabarse unos pocos segundos de silencio desde la fuente, lo cual mostrará la cantidad de ruidos de zumbidos, silbidos y estática existente en la configuración de la grabación. Esto ayudará a crear el perfil de ruido.

La calidad de la placa de sonido usada también puede afectar mucho la calidad de la grabación.

Al grabar a través de una placa de sonido, el proceso de conversión de analógico a digital agrega distorsión de los errores de cuantificación y ruido eléctrico que pueden recogerse de otros componentes de la computadora.

Las placas de sonido económicas están mal blindadas, lo cual las hace más susceptibles al ruido. Las placas de sonido de mala calidad tendrán conversores de baja resolución de analógico a digital lo cual introducirá más distorsión desde los errores de cuantificación.

Lo mismo resulta más evidente en los chips de conversión de audio construidos dentro de las computadoras. Nunca deben usarse esos chips para una grabación que requiera audio de calidad.

Además, una placa de sonido debe colocarse en la ranura más alejada del procesador y la fuente de alimentación de la computadora. Igualmente, la placa de video debe colocarse lo más alejada posible de la placa de sonido.

La mejor manera de evitar recibir ruido eléctrico desde el interior de la computadora es usar una interfaz de audio externa que se conecte con la computadora a través de un puerto USB o FireWire.

Figura 3: un clic y su eliminación
Durante una grabación, es importante establecer los niveles de grabación lo más alto posible para obtener un buen SNR y un rango dinámico máximo. Sin embargo, no deberían establecerse tan alto como para producir recortes y distorsión de la señal.

Los medidores de niveles son generalmente calificados en dB con 0 dB equivalente al nivel máximo. Los niveles por debajo del máximo se muestran en dB negativos. Normalmente el pico del nivel de grabación debería promediar alrededor de los –6 dB y no debería exceder los –3 dB. Esto evitará los recortes, y simultáneamente conservará una buena relación de señal ruido.

Si el nivel de grabación se establece demasiado bajo, cualquier ruido tomado de los circuitos analógicos en la placa de sonido será más evidente, porque proporcionalmente tendrá más volumen.

Una vez que la fuente analógica se haya grabado como archivo digital, el paso siguiente es dar un vistazo a las técnicas de eliminación de ruidos.

Las herramientas para eliminar los ruidos son muy efectivas cuando se aplican correctamente, pero si elegimos algunas configuraciones que eliminan todos los ruidos en un solo paso, hay posibilidades de que también se pierda una gran cantidad de música, especialmente los sonidos de “picos altos” como los golpes de címbalos y tambores.

Las técnicas de eliminación de ruidos agresivos también pueden agregar algunas distorsiones de audio a la música. Hay que usarlas con cuidado a menos que se deseen las distorsiones de “cantos de pájaros” y “voces robóticas”.

Siempre es bueno trabajar en una copia del archivo original y experimentar con configuraciones diferentes hasta obtener los resultados satisfactorios. Como todos los ruidos no pueden eliminarse en un solo paso, uno debería trabajar por etapas y siempre deben conservarse los archivos de respaldo.

Los complementos y programas de restauración de audio normalmente tienen opciones de vista preliminar, derivación (bypass) y sólo ruido.

La opción de vista preliminar permite escuchar el resultado y realizar una sintonía fina de la configuración antes de aplicar los cambios. La opción de derivación permite que el oyente diferencie entre la señal procesada y sin procesar para comparar los resultados. Mientras que la opción de sólo ruido revela exactamente lo que se va a eliminar.

Todos los tipos de procesamiento de señales digitales presentan una cuantificación de los errores que acumulan y agregan ruido a la señal. Para lograr la mayor fidelidad posible, hay que grabar a una resolución de 24 bits y después de eliminar el ruido convertir de nuevo a 16 bits, si fuera necesario. Esto ocupa más espacio de disco, pero sólo el tiempo en el que se trabaja sobre ese archivo.

Es mejor grabar en un formato sin comprimir; eso permite limpiar el archivo lo necesario antes de que se codifique. La grabación y codificación debería hacerse en dos pasos diferentes porque las dos al mismo tiempo pueden exigir demasiado al procesador de la computadora y su RAM, y eso a su vez generar errores inesperados.

También es muy importante seleccionar la clase correcta de software para el tipo de ruido que se está quitando. Hay numerosas características en el software disponible, por lo que habría que tener consideración a los precios y necesidades específicas. También es aconsejable usar en primer lugar una copia de evaluación antes de comprar el software real.

Hay métodos diferentes para reducir los ruidos del audio. El método que se adopte debe basarse en la naturaleza del ruido encontrado en el material de audio y en la fuente de la señal de audio.

Básicamente, reducir los ruidos es realizar una serie de filtros que eliminan frecuencias específicas de audio, es decir, las frecuencias en las que se producen los ruidos.

Para obtener los mejores resultados, los métodos y las herramientas deben usarse en la secuencia siguiente que se basa en la categoría del ruido: banda angosta, impulso, crujidos y distorsión, y banda ancha.

Para eliminar el ruido de banda angosta y frecuencia fija, generalmente resultado de zumbidos de bucles a tierra o ruidos del aire de los sistemas de refrigeración y calefacción, debe aplicarse un filtro de paso alto que elimine el retumbar y la compensación de CC con la configuración de la pendiente correcta y el control de la frecuencia para determinar la frecuencia límite. Para eliminar sólo la compensación de CC, se debe establecer el control de frecuencia a alrededor de 10 Hz. Un filtro de muesca de harmónicos establecido a 50 Hz o 60 Hz podrá asegurar la eliminación sencilla del zumbido de CA. También hay controles de Q y ganancia que establecen el ancho y la profundidad del filtro de muesca. Estos pueden ser útiles.

Figura 4: una forma de onda recortada
Después de eliminar el ruido de frecuencia fija, habría que dedicarse a eliminar los clics, usando la herramienta para eliminar chasquidos (clics y pops) generalmente disponible en todos los paquetes de software para reducir ruidos. La herramienta escanea la señal de audio buscando picos para eliminarlos, y después repara la onda de sonido faltante mediante el análisis de muestras previas y posteriores al clic e interpolando el resultado usando algoritmos de orden elevado.

Cuanto más grande sea el clic, será más fácil de identificar pero no necesariamente de eliminar.

En configuraciones extremas, la eliminación de clics también puede eliminar oscilaciones musicales, como ataques de tambores, por lo que se recomienda realizar dos pases livianos con cualquier herramienta para eliminar clics, ajustando el software. Después, hay que acercarse a los clics restantes, resaltarlos y usar el proceso de eliminación de clics del software sólo en el rango seleccionado (Figura 3).

Una vez eliminados los pops, clics y zumbidos más grandes, hay que tratar de eliminar los crujidos y las distorsiones continuas.

Los crujidos son una serie continua de pops y clics que se superponen. No pueden identificarse individualmente en la señal. Es una forma de distorsión de la señal. Generalmente, la herramienta disponible para eliminar crujidos en software de audio funciona muy bien.

Otro tipo común de distorsión es el recorte (sobrecarga) y habitualmente se produce cuando una grabación digital se realiza con una fuente analógica y el nivel de entrada es demasiado alto. El volumen extremo sobrecarga a los convertidores digitales y la señal se recorta una vez que excede el valor de pico. Esta conciliación produce frecuencias adicionales en la señal que son ruidos o distorsiones.

La herramienta para eliminar chasquidos suele usarse para eliminar esta clase de ruido. Este efecto repara el audio al reemplazar secciones recortadas de estática como el ruido con nuevos datos de audio (Figura 4).

Lo siguiente que debemos abordar es el ruido de banda ancha. Esto refiere al ruido de cinta, silbidos, zumbidos de banda ancha, sonidos del sistema de refrigeración, etcétera. Esos ruidos también suelen volverse audibles en grabaciones realizadas a un nivel demasiado bajo.

El efecto de reducción del ruido para ruidos de banda ancha se realiza capturando el perfil de ruido del archivo y después usando ese perfil para extraer el ruido del resto de la señal. Ese perfil de ruido ayudará a reducir solamente el ruido designado de las grabaciones de audio.

Primero, hay que lograr una “impresión del ruido” obteniendo una muestra de un fragmento de “silencio”, como el espacio entre canciones de una cinta o LP. Entonces hay que configurar los filtros del software para igualar ese perfil de ruido.

Esa señal, que contiene el ruido no deseado, se extrae de la señal de audio dejando solamente la señal de audio útil sin el ruido. A este proceso se lo conoce como extracción de espectro. Es extremadamente versátil y puede usarse para diversos ruidos de fondo.

Otra opción es la colocación de una puerta de ruido. Una puerta de ruido permite que una señal pase solamente cuando supera un valor de umbral establecido. Si la señal cae por debajo de ese umbral, no se permite que pase y la puerta se cierra.

Algunos de los parámetros a establecer son la cantidad de atenuación que hay cuando se cierra la puerta, el control del ataque y el control de la liberación.

Figura 5: el efecto de normalización
La colocación de una puerta de ruido reduce las fuentes de ruidos constantes como el retumbe de las grabaciones de LP, el silbido de las cintas de audio, la estática de los amplificadores y el zumbido del sistema de alimentación sin afectar en gran medida la fuente del sonido.

También se encuentran disponibles técnicas para mejorar el audio, como la ecualización y la normalización.

La ecualización, u optimización de las frecuencias de sonido, es una de las herramientas más poderosa de las que se dispone para mejorar la calidad del audio. El proceso de ecualización (EQ) puede amplificar o reducir frecuencias seleccionadas o grupos de frecuencias que componen un archivo de sonido determinado. Puede hacer que todos los bajos, el rango medio y los agudos sean más uniformes de archivo de sonido a archivo de sonido.

Es un método usado habitualmente para reducir distorsiones mientras se preserva el clip de audio original. Proporciona un método más preciso de alterar la ganancia o el volumen de frecuencias específicas dentro de una región de audio determinada.

Por ejemplo, las grabaciones analógicas pueden sufrir silbidos excesivos en el extremo más agudo del espectro, por lo tanto una reducción correspondiente en ese lugar ayudará a eliminar los silbidos.

Otro proceso es la normalización, o el establecimiento de un nivel de volumen uniforme. La normalización maximiza la información de profundad de bits disponible y proporciona niveles de volumen consistentes en todo un clip entero. Eleva todos los sonidos a un nivel de amplificación estándar uniforme en un punto donde el pico más fuerte es justo por debajo del nivel de recorte, logrando que todo el archivo de sonido tenga más volumen.

Logra el uso máximo del rango dinámico dentro de la profundidad de bits de una señal de audio digital, pero no afecta el rango dinámico relativo del audio de la fuente. En otras palabras, el rango dinámico entre el material más suave y el más fuerte en el archivo de sonido no es afectado después de la normalización.

El proceso de la eliminación del ruido debería usarse con cuidado ya que podría causar la pérdida de datos de audio. En ocasiones, es mejor dejar algo de ruido en la grabación que eliminar una porción significativa de buen material.

Desafortunadamente, por su propia naturaleza la eliminación del ruido de audio requiere un enfoque de prueba y error. Para aplicar correctamente un algoritmo de eliminación de ruido, debemos identificar la categoría de las distorsiones de audio y ruido encontradas en la grabación para que sean restauradas antes de aplicar alguna herramienta de software.

Meenakshi Singhvi es ingeniero de la estación All India Radio, en Ahmedabad, India.

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