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Filtern von Tonbandstimmen mit CoolEdit

Hinweis: Diese Anleitung bezieht sich noch auf die alte Version "CoolEdit 96". Eine aktualisierte und erweiterte Fassung dieses Artikels ist hier (externer Link) zu finden.

Die mit herkömmlichen Methoden eingespielten Tonbandstimmen sind oft sehr leise und aus dem Hintergrundrauschen nur schwer herauszuhören. Besonders bei reinen Mikrofon-Einspielungen oder bei Verwendung eines leisen Hintergrundgeräuschs läßt das Signal-Rausch-Verhältnis oft viel zu wünschen übrig und erschwert die semantische Interpretation der Stimmen. Zwar fällt es dem geübten Experimentator mit jahrelanger Abhörpraxis relativ leicht, die Stimmen vom akustischen Hintergrund zu trennen - Funkamateure sind übrigens mit ganz ähnlichen Problemen konfrontiert -, doch für die Demonstration der Einspielergebnisse, beispielsweise vor Publikum, ist die Klangqualität meist nicht ausreichend. Hier kann eine digitale Nachbearbeitung der Aufnahmen manchmal erhebliche Verbesserungen bewirken und die Verständlichkeit erhöhen. Auch für unzählige Stimmen, die zwar einen interessanten (weil z.B. auf die Frage des Experimentators bezugnehmenden) Inhalt aufweisen, die sich aber aufgrund mangelnder Tonqualität bisher nicht für eine Demonstration eigneten, etwa weil sie von Hintergrundgeräuschen überlagert oder im Rauschen kaum zu vernehmen sind, besteht nun eine reelle Chance, doch noch in verständlicher Qualität hörbar gemacht zu werden. Voraussetzung ist dabei jedoch immer, daß die Art der Störung über das gesamte Signal hinweg gleich bleibt. Gleichmäßiges Brummen, Zischen, Pfeifen und Rauschen läßt sich so relativ sicher entfernen oder zumindest dämpfen, ohne daß das Original-Signal dabei allzu sehr in Mitleidenschaft gezogen wird. Bei Störgeräuschen mit sehr dynamischem Charakter, wie z.B. ein störender Nachbarsender bei Radioeinspielungen, der die eigentliche Stimme mit Sprache oder Musik überlagert, ist eine Bereinigung dagegen so gut wie aussichtslos.

Als Werkzeug zum Filtern kommen verschiedene Soundbearbeitungs-Programme in Frage, wie z.B. DART Pro oder Cool-Edit. Diese Anleitung bezieht sich nur auf das Shareware-Programm Cool-Edit, da es frei erhältlich ist (siehe Software) und bereits in der Shareware-Version alle erforderlichen Funktionen bietet. Die einzige Einschränkung der unlizensierten Version ist, daß nicht alle Funktionen gleichzeitig genutzt werden können, sondern vor jedem Programmstart ausgewählt werden muß, mit welcher Funktion (neben Speichern) man arbeiten möchte.

Entrauschen

Bei dieser Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Rauschverminderung wird als Beispiel die Einspielung einer stark verrauschten "Wasser"-Stimme verwendet (beschrieben in dem Artikel Für Bastler: Die Wassermethode). Dabei wird weniger Wert auf die semantische Interpretation der Stimme gelegt als viel mehr auf die typische Klangsituation. Die meisten Tonbandstimmen erfordern nämlich aufgrund ihres extrem hohen Störanteils evtl. andere Methoden der Soundbearbeitung als "normale" Signale.


Schritt 1: Aufnahme

Nehmen Sie das verrauschte Original-Signal mit 'Record' auf oder öffnen Sie eine bereits vorhandene Sound-Datei über die Funktion 'Open' im Menü 'File'. Wählen Sie dazu eine möglichst hohe Sampling-Rate (44,1 kHz) und eine Auflösung von 16 Bit, da dann die Berechnung durch das Programm mit höherer Genauigkeit erfolgt. Falls das zu bearbeitende Signal bereits als Sound-Datei vorliegt, dann konvertieren Sie sie ggf. vor der weiteren Bearbeitung auf 44100 Hz und 16 Bit (Funktion 'Convert Sample Type' im Menü 'Edit').

Abb.: Das Original-Signal
Klicken Sie hier, um die verrauschte Stimme "Hat doch ooch'n Klangschalter ... Kontakt!" zu hören.


Schritt 2: Rauschabschnitt markieren

Um Rauschen und gleichbleibende Störgeräusche zu entfernen, muß dem Programm vorher mitgeteilt werden, wie das Rauschen klingt. Markieren Sie dazu einen kurzen Abschnitt des Signals, der nur Rauschen und kein Nutzsignal enthält, und rufen Sie dann die Funktion 'Noise Reduction' aus dem 'Transform'-Menü auf.

Abb.: Der markierte Rauschabschnitt
Klicken Sie hier, um den markierten Bereich mit dem Rauschen zu hören.


Schritt 3: Rauschabdruck nehmen

Klicken Sie in der Dialogbox 'Noise Reduction' auf die Schaltfläche 'Get Noise Profile from Selection'. Das Programm sammelt daraufhin statistische Informationen über die Zusammensetzung des Rauschens und erstellt daraus ein 'Noise Profile' (»Rauschabdruck«). Schließen Sie danach die Dialogbox wieder durch Klicken auf 'Close'.

Falls sich der Button nicht anklicken läßt, weil er deaktiviert erscheint (erkennbar an grauer statt schwarzer Beschriftung), dann ist der zuvor markierte Rauschabschnitt zu kurz. Brechen Sie in diesem Fall die Funktion ab und kopieren Sie den markierten Teil durch Strg+C oder über 'Edit -> Copy' in die Zwischenablage. Kopieren Sie dann dasselbe Stück mehrere Male hinter das Ende des Signals (klicken Sie dazu jeweils auf den rechten Rand des Wellenform-Fensters und drücken Sie Strg+V bzw. wählen Sie 'Edit -> Paste'). Markieren Sie die soeben hintereinanderkopierten Stücke und versuchen Sie dann erneut, die Funktion 'Get Noise Profile from Selection' aufzurufen.

Abb.: Das Dialogfenster 'Noise Reduction'
Die »Stufe« kommt dadurch zustande, daß das Signal von 22,05 kHz auf 44,1 kHz heraufgesampelt wurde und in dem Signal daher keine Frequenzen oberhalb von 11,025 kHz auftreten.

Die in der Abbildung angegebenen Parameter haben sich in der Praxis bewährt. Spielen Sie ein wenig mit den Parametern herum! Insbesondere der 'Noise Reduction Level' und die 'FFT Size' beeinflussen das Resultat. In der Online-Hilfe von Cool-Edit sind alle Parameter genauestens erklärt.


Schritt 4: Rauschen entfernen

Markieren Sie das gesamte Signal durch Doppelklick auf die Wellenform und rufen Sie die Funktion 'Noise Reduction' erneut auf. Klicken Sie in der Dialogbox auf 'OK', um den Filtervorgang zu starten. (Falls Sie in Schritt 3 den Rauschabschnitt mehrmals hintereinanderkopieren mußten, weil das markierte Stück zu kurz gewesen ist, dann sollten Sie dies zuvor durch entsprechend häufiges Aufrufen der Funktion 'Edit -> Undo Paste' bzw. Drücken von Strg+Z wieder rückgängig machen).

Abb.: Gesamtes Signal markieren


Schritt 5: Nachbearbeitung

Die Lautstärke des gefilterten Signals kann anschließend mit der Funktion 'Transform -> Amplitude -> Normalize -> Normalize to 100 %' noch etwas anhoben werden.

Abb.: Das entrauschte Signal
Klicken Sie hier, um die gefilterte und angehobene Stimme "Hat doch ooch'n Klangschalter ... Kontakt!" zu hören.

Hier noch einmal zum Vergleich die Stimme "Hat doch ooch'n Klangschalter ... Kontakt!"


Tips

Wenn Sie in Schritt 3 mehrere »Rauschabdrücke« von unterschiedlichen Stellen des Signals nehmen (nacheinander mit "Copy & Paste" ans Ende des Signals kopieren, dann alles zusammen markieren und 'Get Noise Profile from Selection' aufrufen), dann erhalten Sie eine genauere Analyse der spektralen Verteilung des Rauschens und somit oft ein besseres Resultat bei der Rauschverminderung.

Beseitigen von Brumm- und Pfeiftönen

Wenn das Signal von 50-Hz-Netzbrummen oder einem konstanten Pfeifton (akustische Rückkoplung, HF-Interferenz) überlagert ist, eignet sich auch sehr gut der FFT-Filter von Cool-Edit. Dort sind schon diverse Filter vordefiniert, wie z.B. '50Hz Notch' oder '50Hz + 100Hz Notch' zum Beseitigen von Netzbrummen.

Öffnen Sie zunächst wieder die zu bearbeitende Datei oder nehmen Sie den Sound auf:

Abb.: Das Original-Signal
Klicken Sie hier, um das ungefilterte Original-Signal zu hören.

Wenn Sie die Anzeige von "Wellenform" auf "Spektral" umschalten (im Menü: 'View -> Spectral View'), so ist der störende Pfeifton dort gut als durchgehender heller Streifen bei etwa 3 kHz zu erkennen:

Abb.: Spektraldarstellung des Original-Signals
Klicken Sie hier, um das ungefilterte Original-Signal zu hören.

Um die Frequenz des Pfeiftones zu ermitteln, kann eine Frequenz-Analyse durchgeführt werden (siehe untere Abbildung). Markieren Sie dazu den zu bearbeitenden Bereich des Signals, rufen Sie die Funktion 'Analysis -> Frequency Analysis' auf und klicken Sie auf den 'Scan'-Button. Der Störton wird als Spitze im Frequenz-Amplitude-Diagramm zu erkennen sein. In unserem Beispiel sind sogar gleich zwei Spitzen um 3 kHz herum zu sehen, d.h. es sind in Wirklichkeit zwei nahe beieinander liegende Pfeiftöne vorhanden. (Wenn man jetzt noch einmal die obige Spektraldarstellung betrachtet, sieht man auch, daß die helle Linie an mehreren Stellen nach oben hin breiter wird, was auf Telegrafie-Code hindeutet.)

Abb.: Frequenzanalyse des Original-Signals

Bewegen Sie den Mauszeiger zu den Flanken dieser Spitzen, um die Start- und die Endfrequenz der Pfeiftöne angezeigt zu bekommen. Ziehen Sie dazu das Fenster in die Breite, um die horizontale Auflösung der Anzeige zu erhöhen. In diesem Beispiel liegen die beiden Pfeiftöne ungefähr zwischen 2870 und 2990 Hz bzw. 3130 und 3280 Hz. Die Mittenfrequenz der höchsten Spitze ist bei 'Frequency:' angegeben.

Mit der Funktion 'FFT Filter' kann nun ein passender Notch-Filter mit genau der ermittelten Frequenz definiert werden. Rufen Sie dazu aus dem Menü 'Transform -> Filter -> FFT Filter' auf und ziehen Sie die Filterkurve einfach mit der Maus in die gewünschte Form. Um einen Eckpunkt zu entfernen, ziehen Sie ihn einfach per "Drag & Drop" aus dem Filter-Fenster heraus. Wenn Sie auf einen Eckpunkt doppelklicken, können Sie Frequenz und Amplitude auch direkt eingeben. In unserem Beispiel wurden mit den in der Frequenz-Analyse ermittelten Eckwerten der beiden Pfeiftöne zwei nahe beieinander liegende, schmale Notch-Filter definiert:

Abb.: Dialogfenster des FFT-Filters

Nach einem Klick auf 'OK' wird das Signal dann gefiltert. In der Spektraldarstellung des Signals ist dies auch daran zu erkennen, daß der durchgehende waagerechte Streifen bei 3 kHz nun verschwunden ist:

Abb.: Das gefilterte Signal (Spektraldarstellung)
Klicken Sie hier, um das gefilterte Signal zu hören.

Abschließend zum Vergleich hier wieder das Signal

Fazit

Die hier in aller Kürze vorgestellten Möglichkeiten der digitalen Nachbearbeitung von Audio-Signalen stellen nur einen kleinen Teil der vom Programm gebotenen Funktionen dar und sollen Ihnen als Einstieg und Anregung für weiteres Experimentieren dienen. Obwohl es sich bei CoolEdit nur um ein semiprofessionelles Programm handelt, sind die Ergebnisse doch schon sehr brauchbar. Professionelle Programme wie z.B. DART Pro, die sich ganz auf Audio-Restaurierung spezialisiert haben, erzielen natürlich etwas bessere Ergebnisse, sie haben aber auch ihren Preis.

Zusammenfassend sei anzumerken, daß die digitale Filterung kein "Allheilmittel" darstellt. Sie ist immer ein Kompromiß zwischen Störungsfreiheit und Signalverfremdung. Aber summa summarum stellt sie die bisher wirkungsvollste Methode zur Verbesserung der Qualität und somit der Verständlichkeit stark gestörter Signale dar, die mit analogen Geräten bis dato nicht zu erzielen war - und dies bei vergleichsweise geringem materiellen und zeitlichen Aufwand. Sie stellt aber auch eine "Gefahr" dar: Nämlich für so manche vermeintliche Lieblings-"Stimme", von der man sich nach der Bereinigung wohl oder übel wird trennen müssen, da Hörfehler, die bis jetzt durch Störsignale verwischt wurden und dadurch unentdeckt blieben, nun unbarmherzig zu Tage treten...