0

0
0

文字

分享

0
0
0

數位音樂科技(九):為什麼唱片裡的歌手音都那麼準?

Muzik Online
・2014/12/15 ・1158字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 436 ・四年級

作者 官大為(Wiwi)

上回專欄是我第一次在 Muzik Online 上露臉,我用影片跟大家介紹了數位音樂「控制器」的概念,同時分享了三個我自己收藏的、您可能不會常看到的控制器,還沒看過的人快去看噢!(影片:我們如何控制電子樂器?

今天,回到文字格式的第九篇專欄,要來討論一個問題:「為什麼唱片裡的歌手音都那麼準?」或者是這個問題的反面:「為什麼他們唱現場演出都那麼不準?」

故意漏掉的步驟

還記得在這個系列第一篇文章的時候,我說了音樂的產生,會經過「想法→保存想法→觸發樂器→樂器→聲音→保存聲音」這六個步驟嗎?

其實我故意漏掉了更重要的第七個步驟,那就是聲音被保存下來之後,還可以被電腦軟體「編輯」,這個系列的最後幾篇文章,將要專注在這個步驟上面。

音高校正軟體

在從前,如果你想當個唱片歌手,你必須要真的能在錄音室裡把音唱準才行。

直到 1997 年 Andy Hildebrand 發明了 Auto-Tune 為止。


Auto-Tune 是一個音高校正軟體。音高校正軟體做的事情,基本上就是先偵測一個錄音檔案的音高,接著使用很厲害的數學運算方式,讓使用者可以任意改變錄音的音高,但不影響錄音的速度或音色。換句話說,就是一個能讓音痴也能出唱片的工具。

可想而知,這東西剛推出的時候,那些真的能把音唱準的歌手們,當然會覺得這個是「作弊」,也就生氣得要死了。美國歌手 Allison Moorer 就曾在她 2002 年的專輯《Miss Fortune》外盒貼上了「本專輯絕無使用音高校正軟體」的貼紙。

因為大家都作弊,所以我們也只好⋯⋯

時間快轉到 2014 年,幾乎所有的音樂製作軟體都已經內建音高校正功能,幾乎所有的專輯 — 不止是人聲,連弦樂或管樂演奏也是 — 也都有經過音高校正軟體的修正了。

另外,即時音高校正的技術也漸漸在成熟中,你覺得現場演唱最可以檢測歌手的實力嗎?在不久的將來,也許每個演唱會的後台,都會有即時音高校正的器材保護著歌手,你就再也聽不到音不準的現場演出了。

實際操作

聽聽看這個例子,我用 Google 翻譯的中文發音功能,讓她唸這個句子:「今天打開電腦,發現 Facebook 上大家都在玩 Google 翻譯。」並且把它錄音下來。

載入進音高校正軟體之後,程式自動辨識出這個句子的音高,並用紅色線條表示:


接著我只要手動把每一個音用滑鼠拉到我想要的音高和節拍上,同樣的一句話就可以變成這個樣子:
重複以上的步驟,你就可以製作出一首完整的、音很準的人聲音樂了。

https://soundcloud.com/ting-wei-chen-4/wiwi-digital-music

Google 翻譯歌
最後我要播放我在 2011 年寫的「Google 翻譯歌」當作示範,這首歌的人聲,就是完全使用 Google 翻譯的發音功能,加上今天所提到的音高校正軟體製成的,希望你會喜歡喔。我們下篇文章見!

轉載自MUZiK ONLiNE 名家隨筆

文章難易度
Muzik Online
25 篇文章 ・ 4 位粉絲
MUZIK ONLINE是世界上第一個以古典音樂為核心素材,結合科技與社群功能的線上收聽平台。它把古典音樂化為易於接近的數位內容,史無前例地,讓專業人士、入門者、或不排斥音樂的朋友們之間,建立起對話的共通頻道。


0

0
0

文字

分享

0
0
0

解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
156 篇文章 ・ 375 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策