дизеринг аудио что это
Что такое дитеринг и зачем он нужен
В этой статье мы рассмотрим с вами понятие дитеринг и основные правила его применения.
Итак, как известно, в цифровых системах амплитуду сигнала ограничивает фиксированный набор чисел – процесс так называемого квантования.
Например, в 16-ти битном звуке существует 65 536 значений, а в 24-х битном – 1 677 726. Высчитать динамический диапазон каждой можно умножением количества бит на 6. В случае с 8 битным звуком это будет 48 dB, для 16-ти битного звука – 96 dB, а для 24-х битного – 144 dB.
Квантование сигнала вызывает искажение формы звуковой волны: могут возникнуть лишние гармоники и другие проблемы, которые появляются на низком уровне сигнала, так как ему уже не хватает разрешающей способности системы.
Так вот, как раз для решения этих проблем и применяется дитеринг. С помощью дитеринга можно математически убирать все искажения и заменять их постоянным шумом.
Чтобы проверить динамический диапазон конвертера, следует подать на него сигнал невысокой громкости. Таким образом, вы сможете послушать в наушниках, как ведет себя звук, попавший на вход конвертера. Зафиксируйте громкость, при которой звук пропадет.
Рекомендуется также снизить громкость сигнала на 40 dB перед его пропусканием через конвертер. Таким образом, вы сможете оценить звучание реверберации и объем фонограммы после цифровой обработки.
Цифровая обработка всегда удлиняет так называемое цифровое слово до 24-х бит и более, что зависит от конкретного процессора. Это происходит даже при обработке 16-ти битного сигнала.
В результате должен снова получиться 16-ти битный звук, но простым отрезанием ненужных бит тут не обойтись, поскольку это негативно отразится на качестве звука.
По этой причине и используют дитеринг, который маскирует искажения. Так как при суммировании двух и более 24-х битных семплов может получиться результат, равный 48 бит и более, то разрешение внутренней шины внутри цифровых консолей и рабочих станций намного превышает 24 бита.
Однако стандарт AES/EBU способен осуществлять передачу только 24-х бит и по этой причине каждый раз от цифрового к цифровому устройству получается так называемый транкейт звука, составляющий 24 бита.
Как результат, постепенно возникает ошибка, которая вызывает искажения на границе динамического диапазона. В случае с 24-мя битами эта ошибка не воспринимается на слух, так как равняется 144 дБ.
Работа различных DAW (цифровых рабочих станций) имеет свои особенности. Например, известный аппаратно-программный комплекс ProTools работает в 48-ми битах, но после использования плагинов каждый раз осуществляется транкейт звука в 24 бита. Большее количество DAW работают в 32-х битах с плавающей запятой.
С помощью дитеринга маскируются не только искажения, но и полезный сигнал. Однако с этим приходится мириться. Использование дитеринга – это своеобразный компромисс.
Но не стоит думать, что этот метод стопроцентно эффективно подействует на любой материал. Влияние на общее звучание у разных кривых нойз-шейпинга разное. Бывают случаи, когда нойз-шейпинг и вовсе не применяют.
Сравнивать различные методы дитеринга можно с помощью понижения громкости на 40 dB перед ним и прослушиванием результата в наушниках. В некоторых случаях разница между высококачественными и дешевыми системами весьма заметна.
Однако существует одно золотое правило, которое помогает избежать многих проблем. Суть его заключается в том, что дитеринг в 16 бит можно использовать один единственный раз и только после завершения остальной обработки. Дальнейшая обработка и использование дитеринга в очередной раз ухудшат качество.
Так как работа плагинов внутри большинства DAW происходит в 32-х битах и выше с плавающей запятой, то целесообразность работы с 32-х битными файлами очевидна. При подключении внешних процессоров через AES/EBU в идеале 32-х битный файл должен пересчитаться через дитеринг в 24-х битный.
Также дитеринг должен выполниться самим процессором после его работы, и следующим по цепочке процессором. Однако это осуществляется не во всех процессорах. Тут возникает вопрос, насколько нужен дитеринг в 24 битах.
Так как шум конвертора сильнее, с его помощью легко замаскировать транкейт и последствия использования дитеринга.
Тесты на современных, высококачественных мониторах показывают, что в 24-х битах разница между транкейтом и дитерингом практически не ощущается.
Однако старайтесь по возможности дитеринг применять.
Что такое дитеринг аудио? [Гид пользователя]
Я не буду рассказывать о математике дизеринга. Вы можете прочитать это в другом месте. Я просто покажу, что вы получите..
Попробовать БЕСПЛАТНО аудиофильский конвертер для музыкальных файлов высокого разрешения
WAV, DSF, ISO, AIFF, DFF
AuI ConverteR 48×44
DOWNLOAD FREE
for WINDOWS
DOWNLOAD FREE
for MAC OSX
Случай #1: без дизеринга
Моделированный чистый синусоидальный 24-битный сигнал или 32-разрядный (с плавающей точкой выглядит примерно также)
Теперь мы проведем преобразование 24-бит в 16 без дитеринга. Когда 24-битный сигнал обрезается до 16-бит будем делать округление до ближайшего целого числа.
Чистая синусоида после усечения с 24-бит до 16-ти. Появляются нелинейные искажения
Факт существования этих «палочек» и их корреляция с полезным сигналом дает не очень приятное «цифровое звучание».
Случай #2: с дизерингом аудио
Рассмотрим преобразование 24-бит в 16-бит с Audiophile Inventory’s дитерингом аудио alphaD.
В настройках AuI ConverteR 48×44 устанавливаем миимальное значение (Light) регулятора Dithering mask depth.
Посмотрим на результат конвертирования 24 в 16 бит
Конвертирование 24 в 16 бит с дитерингом аудио AuI alphaD
Теперь мы видим 2 вещи:
2. Поведение шума теперь никак не связано с поведением сигнала. «Цифровое звучание» исчезло.
При необходимости мы можем менять интенсивность дитеринга для маскирования нелинейных искажений двигая регулятор Dithering mask depth. вправо.
Внимание. Мы нарушим традиции!
Посмотрите на сгенерированное без дитеринга аудио 16-битное синусоидальное колебание.
Источник 16-битная синусодида, сгенерированная без дитеринга
Мы можем маскировать нелинейные искажения в файле-источнике изменяя вправо позицию регулятора Dithering mask depth.
Видео: Андрей Субботин рассказывает о дитеринге (рус.)
Заключение
1. Дитеринг позволяет получить более «прозрачный» звук без «цифр» 🙂
2. В общем случае рекомендуется использовать позицию Light регулятора Dithering mask depth. в окне Settings аудио конвертера AuI ConverteR 48×44.
3. Мы можем маскировать нелинейные искажения 16-битный источников, двигая регулятор Dithering mask depth. в 3 или 4 позицию (начиная слева).
Что такое дизеринг в аудио?
Думаю нет более занудной темы, чем дизеринг. И в связи с этим, это понятие многие понимают неправильно. Давайте ответим на самый просто вопрос, что такое дизеринг?
Дизеринг — это просто шум. Это шум, добавленный к сигналу, чтобы сделать квантование менее заметным. Дизеринг необходимо применять каждый раз, когда уменьшается битовая глубина. Если идет уменьшение с 32 бит до 24 бит — сила дизеринга почти не имеет значения. Если же идет уменьшение до 16 бит (или меньше), вероятно, лучше всего подойдет низкий или средний уровень дизеринга с некоторым формированием шума.
Дизеринг — это решение одной из фундаментальных проблем цифрового звука, поэтому, если мы хотим понять, что он делает, сначала нужно понять проблему. Проблематика заключается в разрешении по амплитуде или в том, насколько точно мы можем измерить уровень сигнала, используя единицы и нули.
Когда мы пытаемся измерить бесконечно изменяемый аналоговый источник (наш звук) с использованием конечного числа цифровых значений (этих единиц и нулей), неизбежно возникают ошибки. Иногда аналоговый уровень будет немного выше ближайшего цифрового значения, а в других случаях — ниже. Это похоже на попытку измерить чей-то рост с помощью рулетки, на которой показаны только ноги. В цифровом аудио эта ошибка округления известна как искажение квантования. Использование 32-битной системы с плавающей запятой — как это делают почти все современные аудиоредакторы — делает искажения настолько низкими, что вам действительно не нужно о них беспокоиться (к слову, заказывая сведение и мастеринг в нашей студии, вы получите материал в этом формате без потерь качества). Однако по мере того, как битовая глубина уменьшается, уровень этого искажения увеличивается. Когда вы приближаетесь к 16 битам, звук может начать получать довольно заметное и неприятное звучание на хвостах реверберации, дилеях и других тихих участках. Это связано с тем, что количество битов определяет, сколько дискретных значений вы можете сохранить.
Вот такая же синусоида, но уменьшенная до 20 бит, без дизеринга (в 24 бит разницу трудно оценить визуально).
И для сравнения синусоида пониженная до 16 бит, также без дизеринга
Что происходит со звуком?
Самые высокие пики были сложными для округления, поэтому они оставлены вытянутыми, в то время как остальные были округлены до нуля. В зависимости от того, где упал пик синусоидальной волны по отношению к времени выборки, один или два отсчета были округлены в большую сторону.
Так что же делает дизеринг в аудио и как он может помочь?
По своей сути дизеринг — это просто шум, а шум по самой своей природе является случайным. Еще на заре цифрового звука некоторые умные инженеры поняли, что могут использовать случайный шумовой сигнал в своих интересах. Смешивая его с квантованным сигналом, они могли добавить достаточно вариаций, чтобы можно было сохранить исходный сигнал.
Ключевым моментом здесь является то, что шум дизеринга не должен быть полностью связан с квантованным сигналом, иногда называемым «декоррелированным». Когда это условие выполняется и уровень шума дизеринга правильный, любая заданная входная выборка может быть округлена в большую или меньшую сторону в зависимости от значения входящего сигнала. Это не только помогает сохранить сигнал, но и фактически устраняет искажения, связанные с его частотным содержанием.
Теперь давайте уменьшим ее до 16 бит (без дизеринга).
Здесь следует обратить внимание на три весьма примечательные вещи:
Следует подчеркнуть ключевую мысль: вы заменили тональное искажение шумом, который, в свою очередь, является собственной формой искажения. Тем не менее, последовательный, равномерно распределенный тихий шум — предпочтительнее гармонических искажений благодаря случайным вариациям.
Иногда можно слышать, что не нужно применять дизеринг, если вы используете тот или иной vst плагин, потому что он (шум) самовосстанавливается. Технически это может быть правдой, но только в некоторых конкретных случаях. Вы не поверите, но не все шумы одинаковы. Поэтому, если в программе не задана конкретная настройка дизеринга, вам следует его добавить, если планируете уменьшать битовую глубину. Разные звуковые рабочие станции работают по-разному, но большинство из них предлагают какой-либо метод фиксации сложной цепочки звуковых эффектов в файл. Если вы не изучали возможности сделать это в своей DAW программе, возможно, пришло время настроить ее. По возможности, лучше использовать 32- или 64-битные числа с плавающей запятой, но если вы вынуждены использовать 24-битные, проверьте, есть ли возможность включить дизеринг. Надеюсь, это поможет вам понять, почему дизеринг так важен для цифрового звука, как и почему он работает и когда его следует применять.
Дизеринг аудио что это
Мы создали специальную тему в конференции, где собрали вопросы по теме «Дизеринг и нойз-шейпинг». Любой желающий мог задать свой вопрос Алексею Лукину, известному эксперту по цифровой обработке сигналов, разработчику алгоритмов компании iZotope (США). К вопросам читателей мы добавили и несколько редакционных. Благодарим читателей за активное участие!
Введение
Преобразование звукового сигнала из аналоговой в цифровую форму можно представить в виде двух этапов: дискретизации по времени и квантования по амплитуде. На первом этапе (дискретизация) мгновенные значения сигнала замеряются с некоторым шагом по времени. На втором этапе (квантование) каждое из измеренных значений сигнала представляется в виде числа с некоторой точностью — разрядностью квантования.
На заре цифровой звукозаписи бытовало представление о разрушительном действии оцифровки на звуковой сигнал. И даже сейчас можно услышать мнение, что искажения в цифровом звуке зависят от уровня сигнала. В этой статье мы рассмотрим, как возникают искажения квантования и как их можно предотвратить.
Квантование сигнала
В начале эпохи цифровой звукозаписи разрядность АЦП и ЦАП была невысокой: 8 либо 16 бит в бытовой технике и 16–18 бит в профессиональной. Эффективных алгоритмов компрессии (типа mp3) еще не существовало, дисковое пространство было дорогим, а интернет — медленным. Поэтому нередко первые цифровые звукозаписи распространялись в формате 8 бит. Всем, конечно, знаком их хрустящий и искаженный звук. Вскоре 8-битный формат сменился 16-битным CD-форматом, и качество звука значительно выросло. Однако даже при 16-битном квантовании требуется уделять внимание возможным искажениям тихих звуков.
При квантовании сигнала амплитуда каждого отсчета округляется до ближайшего значения разрядной сетки (рис. 1). Нетрудно видеть, что для звуков малой амплитуды это может приводить к значительному искажению формы сигнала (рис. 2). Такой простейший способ квантования называется усечение (truncate, транкейт) либо округление (rounding).
Разница между исходным и квантованным сигналом называется ошибкой квантования или шумом квантования. Для сигналов малой амплитуды ошибка квантования сильно коррелирует с сигналом, что приводит к нелинейным искажениям и грязному звучанию (в этом смысле, термин «шум квантования» не очень удачен, так как ошибка квантования не похожа на шум). При 16-битном квантовании мощность ошибки квантования составляет приблизительно −98 дБ RMS (за 0 дБ RMS принимается мощность синусоиды максимального уровня, согласно стандарту AES-17).
Дитеринг
К счастью, существует метод сделать ошибку квантования практически не зависимой от исходного сигнала. Он называется английским словом дитеринг (dithering, в русской транскрипции также встречается «дизеринг») и заключается в подмешивании к сигналу шума перед квантованием (рис. 3).
Амплитуда шума дитеринга выбирается особым образом, чтобы устранить нелинейные искажения при последующем квантовании. Если амплитуда дитеринга мала, то нелинейные искажения будут устранены не полностью, либо амплитуда ошибки квантования будет меняться вместе с сигналом. Если амплитуда дитеринга велика, то шум станет заметным в записи.
Наиболее распространенным типом дитеринга является стандартный TPDF-дитеринг — белый шум с пиковой амплитудой ±1 LSB (least significant bit — шаг квантования) и треугольным распределением вероятности амплитуд. Почти любая цифровая рабочая станция (DAW) умеет генерировать дитеринг такого типа.
Важным моментом в применении дитеринга является его добавление к сигналу до, а не после квантования. Неправильно понимать дитеринг как шум, скрывающий или маскирующий искажения квантования. На самом деле дитеринг предотвращает появление искажений. Попытка замаскировать уже возникшие искажения потребовала бы шума значительно большей амплитуды.
Продемонстрируем работу дитеринга на тестовом сигнале «плавающий синус» с уровнем −80 дБ и плавным затуханием в конце (рис. 4). Для лучшей слышимости искажений сигнал после квантования в 16 бит был усилен на 55 дБ. Будем изучать как форму волны, так и спектрограмму.
 | наведите мышь На спектрограмме сигнала, квантованного без дитеринга, видны сильные нелинейные искажения, усиливающиеся при уменьшении уровня сигнала. В конце записи сигнал полностью исчезает, так как его амплитуда становится меньше половины шага квантования. Спектрограмма с дитерингом показывает, что после квантования искажений в сигнале не появилось, а добавившийся шум однороден. Однако его мощность превышает мощность искажений при транкейте (−98 дБ) и составляет −93 дБ. Нойз-шейпингПовышенная мощность ошибки квантования при дитеринге порождает вопрос: можно ли проводить дитеринг не белым шумом, а таким, который будет менее заметен? Например, высокочастотным шумом. К сожалению, напрямую этот метод не работает. Если вместо белого шума дитеринга подмешать окрашенный шум, то ошибка квантования все равно будет близка к белому шуму. Кроме того, существует опасность неполного подавления нелинейных искажений квантования. Чтобы придать спектру ошибки квантования нужную форму, существует более сложный метод, называемый нойз-шейпингом (noise shaping, формирование спектра шума). В этом методе присутствует обратная связь: разница между квантованным и исходным сигналами пропускается через фильтр и прибавляется к следующему отсчету сигнала (рис. 5).
Варьируя частотную характеристику фильтра, можно добиться нужного спектра ошибки квантования. Наиболее часто ошибку квантования вытесняют в диапазон высоких частот и ультразвука, где она будет наименее слышна. В слышимом диапазоне частот спектр нойз-шейпинга обычно приблизительно повторяет кривую порога слышимости. При нойз-шейпинге общая мощность ошибки квантования возрастает (по сравнению с дитерингом), но ее субъективная громкость снижается (рис. 4). Чем сильнее требуется снизить мощность шума в слышимой полосе (нижние и средние частоты), тем больше шума появляется в области верхних частот. Слишком большая мощность верхних частот в аудиосигнале нежелательна: она может затруднить последующую обработку сигнала, его кодирование в mp3, восстановление царапин при ошибках чтения с CD. Поэтому при 16-битном квантовании принято использовать нойз-шейпинг, не превышающий по уровню −60 дБ. Снижение субъективной слышимости шума при этом достигает 10–15 дБ по сравнению со стандартным TPDF-дитерингом. Обратите внимание, что файл с нойз-шейпингом звучит чисто. Так же, как при дитеринге, ошибка квантования представляет собой ровный шум без нелинейных искажений, не зависящий от сигнала. Понижение разрядностиКвантование сигнала происходит не только при оцифровке звука в АЦП, но и при последующей работе с цифровым сигналом: обработке, преобразовании формата, изменении уровня. Когда сигнал определенной разрядности (например, 16 бит) подвергается пересчету, его разрядность автоматически увеличивается (например, до 32 бит). Далее, если сигнал необходимо записать в файл исходного формата (16 бит), то происходит повторное квантование: из 32 бит в 16. При этом квантовании возможны те же искажения, что и в АЦП. Поэтому процесс дитеринга должен быть встроен в любые программы и алгоритмы, обрабатывающие сигнал. Чтобы минимизировать эффект от операций повторного квантования, обработка сигнала часто происходит в повышенной разрядности (24 или 32 бита), а окончательное снижение разрядности (до 16 бит) применяется после всех остальных операций. Понижение разрядности сигнала используется также в звуковых ЦАП: большинство из них имеют небольшую разрядность (1–5 бит), но высокую частоту дискретизации (порядка 10 МГц). При этом ЦАП заявляется как 24-битный, в том смысле, что он принимает на вход 24-битный аудиосигнал. Но внутри сигнал подвергается передискретизации (oversampling) — повышению частоты дискретизации и понижению разрядности с нойз-шейпингом. Поскольку финальная частота дискретизации очень высока, то в ультразвуковом диапазоне (выше 20 кГц) присутствует много места для шума нойз-шейпинга. Поэтому даже при малой разрядности сигнала (1–5 бит) агрессивный нойз-шейпинг способен создать динамический диапазон порядка 120 дБ в слышимой области частот. На рис. 5 показано сравнение типичных спектров шума нескольких звуковых форматов высокого разрешения: CD-формата (PCM 16 бит, 44 кГц) со стандартным TPDF-дитерингом, формата «24 бита 96 кГц» и двух форматов DSD с различными частотами дискретизации. Поскольку DSD-форматы имеют разрядность 1 бит, в них присутствует значительный нойз-шейпинг. У формата «DSD-2.8 МГц» быстрый подъем мощности шума начинается сразу за 20 кГц. У формата «DSD-5.6 МГц» шум лежит вдвое выше (уже за пределами графика на рис. 5). Квантование изображенийПохожие алгоритмы квантования используются и в обработке изображений, когда надо представить цвет малым числом доступных градаций. Проиллюстрируем это на примере 4-битного квантования (16 градаций яркости).
наведите мышь |
Эффект от простого квантования цветов называется постеризацией: на изображении появляются ложные контуры, а часть деталей исчезает (рис. 6). Постеризации можно избежать, добавив перед квантованием шум дитеринга. Однако более качественного результата достигает алгоритм диффузии ошибки. Аналогично нойз-шейпингу, он вытесняет ошибку квантования в область верхних частот, где чувствительность глаза невысока. Диффузия ошибки часто применяется в офсетной печати для смешивания цветов.
Вопросы и ответы
Нужен ли дитеринг при работе в формате 32-bit float?
Нет, не нужен. Для этого формата не существует правильного дитеринга, так как ошибка квантования зависит от уровня сигнала: она имеет уровень примерно −150 дБ по отношению к уровню каждого отсчета. Точность этого формата составляет примерно 25 бит, так что быстрого накопления ошибок квантования можно не опасаться.
Нужен ли дитеринг при преобразовании из 32-bit float в 24-битный формат?
Да, при квантовании сигнала в разрядность 24 бита (и менее) нужен дитеринг. При 24 битах дитеринг в большинстве случаев не будет заметно влиять на результат, но его применение должно быть автоматическим, без лишних раздумий.
Нужен ли дитеринг при конвертировании файла в mp3?
Все зависит от того, сохраняете ли вы файл с низкой разрядностью перед конвертацией в mp3 или конвертируете в mp3 непосредственно из формата высокой разрядности. Дитеринг нужен для сохранения файла с низкой разрядностью, а не для mp3. Некоторые mp3-кодеры умеют компрессировать звук из форматов с высокой разрядностью, что позволяет избежать лишних конвертаций. Впрочем, артефакты mp3 обычно намного сильнее, чем искажения от конвертации разрядности.
Какой вид нойз-шейпинга использовать?
Это вопрос личных предпочтений и даже отчасти аудиофильский. Многие профессиональные инженеры мастеринга используют стандартный TPDF-дитеринг без нойз-шейпинга с отличными результатами. Другие — имеют предпочтения и считают, что тип нойз-шейпинга влияет на окончательное звучание фонограммы. Например, Боб Кац активно участвовал в создании нескольких режимов нойз-шейпинга MBIT+ для плагина Ozone 5. Я считаю, что в дитеринге и нойз-шейпинге важнее повсеместное и своевременное применение, нежели конкретный вид или алгоритм.
Достаточно ли уже имеющегося в записи шума для дитеринга?
В некоторых случаях — да, но не всегда. Шум дитеринга должен иметь определенные статистические свойства: требуемую мощность в каждой полосе частот, случайность распределения амплитуд. Поэтому надежнее применять дитеринг в любом случае, автоматически и без лишних раздумий.
Что применять сначала: дитеринг или преобразование частоты дискретизации (SRC)?
Так как SRC повышает разрядность сигнала (аналогично любой другой обработке), то сначала выполняется SRC, а затем дитеринг. Причем, между ними необходимо проверить, нет ли клиппирования, так как SRC может повысить пиковый уровень записи.
В статье Н. Сухова «Hi-Fi правда и High-End сказки» написано, что у аналоговой записи на пленке динамический диапазон определяется шумом снизу, а у цифровой — нет, потому что у 16-битного цифрового сигнала динамический диапазон равен 50 дБ из-за шумов квантования, которые дают 1% искажений. Верно ли это?
Статья Н. Сухова была написана в 1998 году, когда понимание дитеринга еще не было повсеместным. В статье рассматривается только случай квантования транкейтом. Однако при корректном использовании дитеринга и нойз-шейпинга никаких нелинейных и интермодуляционных искажений не возникает. При этом динамический диапазон компакт-диска составляет честные 93 дБ, а структура шума такая же, как у магнитной пленки.
Можно ли говорить о том, что нойз-шейпинг увеличивает динамический диапазон в наиболее слышимой СЧ-области?
Да, нойз-шейпинг увеличивает динамический диапазон в области средних частот (либо даже во всем диапазоне 0–15 кГц, в зависимости от алгоритма). В частности, может улучшиться A-взвешенный динамический диапазон.
Вопрос о возможном конфликте нойз-шейпинга в файле и нойз-шейпинга в конвертере. Не повредит ли нойз-шейпинг в исходном файле ЦАП-у с агрессивным нойз-шейпингом?
Нет. Насколько я понимаю, они не мешают друг другу и повсеместно используются вместе.
Благодарим Алексея Лукина за подробные ответы
и за потраченное время на обсуждение в нашей конференции!