Reduzieren von Hintergrundgeräuschen im Sampling von Orgelpfeifentönen

Das Entfernen bzw. Reduzieren von Nebengeräuschen in Einzelsamplings von Pfeifentönen ist für die spielfertige Aufbereitung ein aufwändiger und anspruchsvoller Zwischenschritt. Für diese spezifische Aufgabenstellung habe ich mir die Möglichkeiten, Handhabung und Bedienfunktionen der Softwareprodukte „Audacity“, „Samplitude“, „Sound Forge“, „SpectraLayers“ und „WaveLab“ in den Softwareständen vom Mai 2023 genauer angesehen. Im Dateianhang stelle ich meine eigenen Erkenntnisse Interessierten gerne zur Verfügung.

Hintergrundgeräusche_im_Sampling_reduzieren_2023-06-22.pdf

Zusammenfassend stelle ich fest, dass bei Grundtonfrequenzen unter 150 Hz m.E. das Softwareprodukt „SpectraLayers“ des Herstellers Steinberg uneingeschränkt empfohlen werden kann. Bei darüber liegenden Frequenzen ist unter Qualitätsaspekten u.U. der „Denoiser“ in „Samplitude“ von Magix die um Nuancen bessere Wahl.

Zur Klarstellung: zu keinem Softwarehersteller oder -händler stehe ich in irgendeinem Naheverhältnis!

PS:

Leider überschreitet die vorbereitete Word-Datei mit 25,3 MB die maximal zulässige Dateigröße. Deshalb habe ich hier die ins pdf-Format konvertierte Datei hochgeladen. Damit sind jedoch die eingebetteten Klangbeispiele nun nicht mehr abspielbar. Ich bitte um Verzeihung...!

Im Nachgang hier die Klangbeispiele:

Unbearbeitete, mit Rauschen behaftete Testsamplings (Rohaufnahmen):

Klangbeispiel 1: Testsampling Krummhorn 8‘, C

Klangbeispiel 2: Testsampling Krummhorn 8‘, g3

Klangbeispiele_1-2.zip

Ergebnisse nach Reduzierung des Rauschens durch „Audacity 3.3.2“:

Klangbeispiel 3: Ergebnis am Klangbeispiel 1 (Krummhorn 8‘, C)

Klangbeispiel 4: herausgetrennter bzw. entfernter Signalanteil beim Erstellen des Klangbeispiels 3 (Krummhorn 8‘, C)

Klangbeispiele_3-4.zip

Ergebnisse nach Reduzierung des Rauschens am Klangbeispiel 1 durch „Samplitude Pro X7“:

Klangbeispiel 5: Ergebnis am Klangbeispiel 1 (Krummhorn 8‘, C)

Klangbeispiel 6: entfernter Signalanteil beim Erstellen des Klangbeispiels 5 (Krummhorn 8‘, C)

Klangbeispiele_5-6.zip

Ergebnisse nach Reduzierung des Rauschens am Klangbeispiel 2 durch „Samplitude Pro X7“:

Klangbeispiel 7: Ergebnis am Klangbeispiel 2 (Krummhorn 8‘, g3) ohne adaptiver Pegelkorrektur

Klangbeispiel 8: Ergebnis am Klangbeispiel 2 (Krummhorn 8‘, g3) mit adaptiver Pegelkorrektur

Klangbeispiel 9: entfernter Signalanteil beim Erstellen des Klangbeispiels 8 (Krummhorn 8‘, g3)

Klangbeispiele_7-9.zip

Ergebnisse nach Reduzierung des Rauschens durch „Sound Forge Pro 16“:

Klangbeispiel 10: Ergebnis am Klangbeispiel 1 (Krummhorn 8‘, C)

Klangbeispiel 11: entfernter Signalanteil beim Erstellen des Klangbeispiels 10 (Krummhorn 8‘, C)

Klangbeispiele_10-11.zip

Ergebnisse nach Reduzierung des Rauschens am Klangbeispiel 1 durch „SpectraLayers 9“:

Klangbeispiel 12: Ergebnis am Klangbeispiel 1 (Krummhorn 8‘, C)

Klangbeispiel 13: entfernter Signalanteil beim Erstellen des Klangbeispiels 12 (Krummhorn 8‘, C)

Klangbeispiele_12-13.zip

Ergebnisse nach Reduzierung des Rauschens am Klangbeispiel 2 durch „SpectraLayers 9“:

Klangbeispiel 14: Ergebnis am Klangbeispiel 2 (Krummhorn 8‘, g3)

Klangbeispiel 15: entfernter Signalanteil beim Erstellen des Klangbeispiels 14 (Krummhorn 8‘, g3)

Klangbeispiele_14-15.zip

Besten Dank für die Rückmeldungen!

Izotope RX werde ich mir gerne ansehen.

Hinsichtlich der Pegelanpassungen:

Da habe ich wohl eine etwas zu strenge Formulierung gewählt. Wenn die Rahmenbedingungen passen, lassen sich sicherlich gute Sampling-Ergebnisse erzielen, ohne dass der Pegel jedes Einzelsamplings individuell angepasst wird. Allerdings sehe ich schon Gründe, die für das Nichtaußerachtlassen der Pegel sprechen. Ich kann nur jedem Sampling-Ersteller empfehlen, sich die Pegelstände und -verläufe genauer anzusehen. Da kommt so manche Überraschung zum Vorschein. Doch es mag Vieles an Auffälligkeiten im Grenzbereich dessen liegen, was im Gehör eines Durchschnittsmenschen nicht wahrgenommen wird. Dennoch kann die Summe mehrerer gleichzeitig wirkender Faktoren das individuelle Nachjustieren erforderlich machen. Schließlich sind es auch der persönliche Geschmack und die Zielsetzung, wofür das Sampling-Set erstellt wird. So stellt sich bspw. die Frage, ob der digitale Orgelzwilling möglichst nahe an das physische Orgeloriginal mit all seinen Eigenheiten und Schwachstellen herankommen soll (z.B. für das Vorbereiten und Einstudieren entsprechender Literatur zu Hause)? Oder liegt die Priorität beim bestmöglichen Klangerlebnis einer schlichten Übungsorgel? Soll die Virtuelle Orgel als Ersatz für eine reale Orgel dienen, wenn bspw. sich eine kleine Landkirchengemeine aus budgetären Gründen keine reale Pfeifenorgel leisten kann?... Wie dem auch sei, nachfolgend zum Signalpegel ein paar Aspekte, die sich nicht nur auf das Rauschreduzieren beziehen:

- Beim Reduzieren des Hintergrundrauschens fällt auf, dass - abhängig von der verwendeten Software - bei tieferen Tönen zusammen mit dem Hintergrundrauschen ungewollt ein kleiner Teil des Pfeifentonsignals mitentfernt wird. Da stellt sich nach dem Rauschreduzieren eine etwas stärkere Pegeldämpfung ein. Dagegen funktioniert in der Regel bei höheren Pfeifentönen das Entfernen des Hintergrundrauschens sauberer bzw. trennschärfer mit geringerer Auswirkung auf die Pegel. Deshalb kann das Nachjustieren bei tieferen Pfeifentonsamples Sinn machen.

- Werden aus Qualitätsgründen unterschiedliche Softwareprodukte eingesetzt (z.B. für das Rauschreduzieren an tieferen bzw. hohen Pfeifentönen), so wird es im Ergebnis unterschiedliche Pegeldämpfungen geben. Selbst bei Verwendung ein und derselben Software, jedoch grundtonfrequenzabhängig zur Erzielung optimaler Ergebnisse mit veränderten Parametereinstellungen, können Unterschiede in den Dämpfungen auftreten (auch wenn das Hintergrundrauschen immer den gleichen und unveränderten Lautheitspegel hat).

- An manchen Samplings von Pfeifen im mittleren bis höheren Tonbereich beobachte ich nach dem Reduzieren des Rauschens in der Release-Phase eine Zunahme des Spitzenpegels. Dann erinnert mich der Tonverlauf an das Pfeifen einer alten Dampflok. Da ich in unbearbeiteten Rohsamplings diesen Effekt nicht höre, vermute ich die Ursache der Pegelzunahme im Algorithmus der verwendeten Rauschunterdrückungssoftware. (Allerdings könnte es auch sein, dass die Lautstärkenzunahme des Pfeifentons im unbearbeiteten Rohsampling vom Hintergrundrauschen überdeckt ist und daher nicht im Rechenalgorithmus die Ursache liegt.) In diesen Fällen halte ich es für angebracht, im Samplingrelease den Spitzenpegel künstlich zu begrenzen.

- Das Samplen aller Pfeifen einer größeren Orgel nimmt einige Zeit in Anspruch. Da kann es erforderlich sein, die Aufnahmen mehrfach zu unterbrechen. Auch wenn bspw. durch Bodenmarkierungen der Stativstandort für die Mikrofone markiert ist, nach einem Abbau und erneuten Aufbau der Aufnahmetechnik werden sich die Mikrofone nicht hundertprozentig in exakt gleicher Position befinden. Das kann sich - wenngleich geringfügig - auf die Pegel auswirken.

- Über den gesamten Frequenzbereich haben die für das Samplen benutzten Aufnahmemikrofone kein lineares Verhalten. Zwar lassen sich die Kennlinien der Mikrofone im Expander / Equalizer bereits während der Aufnahme berücksichtigen. Jedoch plädiere ich dafür, die Pegelbeeinflussung durch die Mikrofonkennlinien erst nach dem Samplen zu korrigieren. Sonst weiß man später möglicherweise nicht mehr so genau, was schon korrigiert wurde und was nicht.

- Es gibt immer wieder mal Pfeifen, die „aus der Reihe tanzen“. Da findet sich ein Pfeifchen, das im Vergleich zu seinen Nachbarn zu leise oder zu schrill klingt. Spätestens hier kommt die Gewissensfrage, ob eine individuelle Pegelanpassung unter der Berücksichtigung des gesamten Registerklangbildes zulässig ist, oder ob sich diese Eigenheit bzw. Schwachstelle der Orgel im Sampling unkorrigiert wiederfinden soll.

- Bekanntlich kann kein Lautsprecher oder Kopfhörer mit der auditiven Auflösung des menschlichen Ohrs mithalten. Deshalb sind m.E. Kompromisse erforderlich, um ein Orgelsampling hinsichtlich der Dynamik lautsprechertauglich aufzubereiten. So hat man bspw. in mein Studienobjekt nachträglich eine Hochdrucktuba mit eigener Winderzeugung eingebaut. Im Original ist diese Tuba derart laut, dass ich sie im Sampling nachträglich im Pegel absenken muss. Sonst würden alle andere Register viel zu leise klingen oder es käme ständig zu Übersteuerungen.

- Um den Pegelabgleich zwischen Orgelregister, die sich an unterschiedlichen Orten innerhalb einer Kirche befinden, wird man wohl nicht herumkommen. (Dieser Spezialfall ist sicherlich keine alltägliche Situation und dieser Herausforderung habe ich mich noch nicht gestellt. Jedoch durfte ich unlängst in einer großen Kirche an einer Orgelbaustellenführung teilnehmen, wo im Zuge der Orgelrenovierung die Trompetenregister von der hinteren Empore nach vorne in den Altarraum hinein verlagert werden…)

Da gibt es sicherlich weitere Gründe, die Pegel im Blick zu behalten.

Als Kompromiss schlage ich vor, meine Aussage „Für die Virtuelle Orgel müssen deshalb zum Bilden eines stimmigen Gesamtbildes im Zuge der Intonation die Signalpegel jedes Einzelsamplings individuell angepasst werden.“ so zu verstehen: „Ggf. kann die für einzelne Pfeifensamplings oder ganze Orgelregister nachträglich vorgenommene Pegelkorrektur zur qualitativen Aufwertung eines Sampling-Sets beitragen“. (Man möge es mir bitte nachsehen…)

Nachtrag zum Reduzieren des Hintergrundrauschens mit Hilfe der Software "SpectraLayers":

Mittlerweile habe ich mir das Upgrade auf die Version 10 geleistet. Das Geld hierfür hätte ich mir jedoch sparen können. Hinsichtlich der Funktion zur Reduzierung des Hintergrundrauschens ist das Upgrade enttäuschend, wenn nicht sogar schlechter, als die Vorgängerprogrammversion.

Meinen Erkenntnissen zufolge gibt es keinerlei Qualitätsunterschiede bei der Entfernung des Hintergrundrauschens zwischen den beiden Programmversionen. Allerdings ist die praktische Handhabung bei der täglichen Arbeit mit der neueren Version umständlicher geworden. Zur Erzielung des gleichen Ergebnisses sind nun noch mehr Mausklicks erforderlich. Daher mein Fazit:

"Für das Reduzieren des Hintergrundrauschens in Musikinstrumenten­samplings lohnt sich das Upgrade von SpectraLayers 9 auf die Version 10 nicht!"

Dem Hersteller der Software habe ich hierzu ein ausführliches Feedback gegeben. Von interessierten Orgelseitenmitgliedern kann es im Anhang nachgelesen werden. Nach etwa einem Monat bekam ich von der Herstellerfirma eine Antwort, die ich der Community ebenfalls nicht vorenthalten möchte.

Bleibt zu hoffen, dass der Softwarehersteller die Kritikpunkte konstruktiv aufgreift und in der nächsten Programmversion 11 als echte Verbesserung im Sinne der Anwender umsetzt.

Mit der „richtigen“ Software wäre es aus meiner Sicht für Anwender weniger aufwändig, Hintergrundrauschen aus Audioaufnahmen zu entfernen. Es ist eher Knochenarbeit in Verbindung mit Erfahrung, welcher Einstellparameter welche Veränderung bewirkt. Dagegen spielen die Entwickler einer hierfür geeigneten Software in der für Mathematiker absoluten Königsklasse.

Stand der Technik ist, die digitale Tonaufzeichnung als Pegel-Zeit-Funktion mit Hilfe der Diskreten (Fast-) Fourier-Transformation in das Frequenzspektrum überzuführen. Anstatt des zeitlichen Verlaufs der Signalabtastpunkte wird dadurch eine alternative Sicht auf das Tonsignal möglich, welche die Stärke des Signals bei verschiedenen Frequenzen wiedergibt. Stark vereinfacht kann man sich das etwa so vorstellen, dass durch viele Sinus- und Kosinus-Funktionen eine Reihenentwicklung vorgenommen wird. Das Summensignal dieser vielen trigonometrischen Funktionen soll das Audiosignal möglichst gut annähern. Mit Hilfe der sich ergebenden Fourier-Koeffizienten zeigt sich dann das Frequenzspektrum der Audioaufnahme. Diesem wird nun das Frequenzspektrum des separat ermittelten Hintergrundrauschens entnommen. Dies ist unproblematisch für Frequenzen, die unterhalb der Grundtonfrequenz einer Orgelpfeife liegen. Problematisch wird es, wenn das Hintergrundrauschen frequenzmäßig im Bereich der Grund- oder Obertonfrequenzen liegt (wie bspw. das Winderzeugungsgeräusch im Frequenzbereich von Basspfeifen). Dabei ist ein Orgelpfeifenton im Vergleich zur menschlichen Sprachdynamik in seinem Frequenzspektrum über die Zeit noch als relativ konstant anzusehen. Bei der Reduktion eines Audiosignals um den Anteil des Hintergrundrauschens wird meist (ungewollt) auch ein kleiner Teil des Nutzsignals mit entfernt. Da sind die Rechenalgorithmen (noch) nicht perfekt. Schließlich lässt sich durch das Abhören der in den Pegel-Zeit-Verlauf rücktransformierten Fourier-Funktion sich subjektiv feststellen, ob das Entfernen des Hintergrundrauschens in Ordnung geht, oder ob bzw. wie stark das ursprüngliche Signal beschädigt wurde. Man muss sich nach dem Prinzip „Trial and error“ vorantasten, um ein Optimum zu erzielen; eben eine Knochenarbeit. Hierzu bieten gute Softwareprodukte die Möglichkeit, exklusiv nur den reduzierten Signalanteil abzuhören. Da lässt es sich leichter beurteilen, ob bzw. in welcher Intensität auch Teile des Nutzsignals verloren gehen. Durch die Umrechnerei können sich auch Artefakte (Verzerrungen, Störsignale) in die Audioaufzeichnung einschleichen. Auch diese gilt es durch Abhören zu identifizieren.

In jüngster Zeit macht die KI erhebliche Fortschritte. Aktuell laufen große Entwicklungsprojekte zum Entfernen von störendem Bildrauschen für optische Verbesserungen in Filmen, Videos und Bildern. Die neuen Algorithmen lassen sich auch auf Audiodaten übertragen. Ein Ziel ist, mit Hilfe der KI Sprachsignale vom Hintergrundrauschen zu trennen um Sprachaufzeichnungen verständlicher zu machen bzw. Gesprochenes in (Print-) Text zu konvertieren. Falls jemand hierzu nähere Infos sucht, für Python-affine Freaks lauten u.a. die Schlagworte für die Suche im Internet: „Keras API for Tensor Flow“.

Siehe auch unter:

A Deep Dive into Audio Denoising with TensorFlow(CNN)

Introduction

medium.com

https://github.com/nttcslab/deep-sound-field-denoiserhttps://www.tensorflow.org/tutorials/audio/simple_audio

Aus meiner Sicht klingt ein nicht rauschreduziertes Sample-Set, das von einer älteren Orgel aufgenommen wurde, grauenhaft. Vor allem ist es der Geräuschanteil der Winderzeugung (Elektromotor, Gebläse, Überdruckventil, Leckagen), der besonders stört. Nicht rauschreduziert vervielfältigt sich das Hintergrundrauschen beim Orgelspiel entsprechend der Anzahl an gleichzeitig gedrückten Tasten. Dies führt zu einem unnatürlich wirkenden Klangergebnis. Dagegen kann man ja zur authentischen Wiedergabe das permanente Hintergrundrauschen im ODF auf die Orgel-Einschalttaste der VPO legen. Dann ist es unabhängig vom polyfonen Spiel auch nur einmal vorhanden und der Organist entscheidet, ob er es hören will oder nicht.

Heutzutage werden bei neuen (natürlichen) Orgelbauprojekten bereits vom Orgelbauer entsprechende Maßnahmen ergriffen, erst keine unerwünschten Hintergrundgeräusche aus der Orgel in den Kirchenraum dringen zu lassen. Der Aufwand wird nicht gescheut, zwecks Schallisolierung die Winderzeugung schwingungsdämpfend zu lagern und mit massiven Holzkonstruktionen zu umschließen, die im Inneren mit Sand befüllt sind. Da ist es dann nach dem Sampling auch für anspruchsvolle Ohren nicht mehr notwendig, nachträglich aus den Aufnahmen das Hintergrundrauschen zu entfernen...