Musiksignalverarbeitung

Musiksignalverarbeitung ist ein interdisziplinäres Fachgebiet der Elektrotechnik, Informatik und Musikwissenschaft, das sich mit der Erfassung, Analyse, Modifikation und Synthese von Musiksignalen befasst. Typische Eingabesignale sind digitalisierte Audiodateien oder Audiosignale aus Mikrofonen und Sensoren. Die Disziplin verbindet theoretische Grundlagen der digitalen Signalverarbeitung mit praktischen Anwendungen in Musikproduktion, Audioengineering und Musikwissenschaft.

Zu den Kernaufgaben gehören die Analyse von Signalen (Spektral- und Zeit-Frequenz-Darstellungen), Tonhöhen- und Tempoerkennung, Quelltrennung und Rauschunterdrückung, sowie die Modifikation von Klang durch Filterung, Equalisierung, Dynamikbearbeitung, Kompression und Effekte wie Hall, Verzerrung oder time-stretching. Aufbauend darauf erfolgt auch die synthetische Erzeugung oder Nachbildung von Klängen durch digitale Klangquellen und Rechenmodelle.

Wichtige Methoden sind Abtastung, Quantisierung, digitale Filter, die Fourier-Transformation, Short-Time Fourier Transform, Wavelet-Analysen und Cepstrum-Verfahren. In der Musikinformation Retrieval (MIR) spielen Merkmalsextraktion, Beat- und Key-Erkennung sowie Musikinstrumentenerkennung eine zentrale Rolle. In der Praxis kommen oft maschinelles Lernen und neuronale Netze zum Einsatz, um Muster in großen Musiksammlungen zu identifizieren oder Klangqualität zu optimieren.

Anwendungsbereiche reichen von der Musikproduktion, dem Mastering und der Postproduktion bis zu Broadcasting, Streaming, Hörgeräte- und Telekommunikationsanwendungen. Die Forschung beschäftigt sich zudem mit realistischen Raumklangsimulationen, Quellentfernung in Mehrkanalsignalen und robustem Verarbeiten bei Umgebungslärm.

Historisch entwickelte sich die Musiksignalverarbeitung aus der analogen Tonsignalverarbeitung; das Aufkommen der digitalen Audioaufzeichnung, die Sampling-Theorie und Fortschritte in DSP ermöglichten ab den 1970er bis 1990er Jahren zunehmend digitale Werkzeuge. Mit fortschreitender Rechenleistung entstanden Digital Audio Workstations, verlustbehaftete Codecs wie MP3 und AAC sowie fortgeschrittene MIR-Techniken, die heute in vielen Bereichen Anwendung finden.