Статья: Что такое Dithering

Что такое  Dithering Статьи о музыке » Всё о звуке » Музыкальные эффекты Аналоговый сигнал ­ есть  непрерывная зависимость от  времени, например, напряжения на  выходе аналоговой схемы.  Кто учил математику, тому будет  понятно, что непрерывность  здесь понимается в том же смысле,  что и непрерывность в  математическом анализе: Если есть  любые два разные момента времени,  то всегда можно рассматривать  некий момент времени между ними,  и так до бесконечности. Точно  также, если есть два уровня сигнала, скажем 0,5В и 1В, то можнорассматривать 0,75В между ними, а  между 0,5В и 0,75В можно взять  0,7В или 0,511111111111111111В и  т.д. В общем, чем точнее мы хотим  знать какую либо величину, тем  больше цифр в числе нам нужно.  Математики додумались до чисел  (вещественные числа) с  бесконечным количеством цифр  после запятой. Но наши устройства  (компьютеры) как бы мы не  пыжились, не могут оперировать с  бесконечно точными значениями  величин времени и сигнала. В  цифровой электронике от  аналогового сигнала берут его  значения только в определённые  моменты времени (с частотой  например 44,1кГц или 96кГц) и  округляют их также до  определённых значений. Всё  бесконечное количество цифр  выражающее значение аналогового  сигнала округляют до 16 или 20 или  24 (двоичных) цифр.  Принципиальной разницы между  двоичным, шестнадцатеричным,  десятичным и другими  исчислениями не существует, этопросто разные обозначения одного и того же. А вот процесс округления  везде сводится к тому, что мы  выкидываем огромное количество  уточняющих цифр, а оставляем  только те, которые лишь  приближённо характеризуют сигнал. Вот тут то и понадобился dither.  Допустим, у нас есть 24­битный  АЦП, который принимает на вход  аналоговый сигнал, и выдаёт с  частотой дискретизации (например  96кГц) на выходе в виде набора из  нулей и единиц в количестве 24  штук на каждый отсчёт по времени.  ЦАП наоборот может принимать на  вход эту самую последовательность  из 24­битных чисел и выдавать  некую  "округлённую" приближённую  копию исходного аналогового  сигнала. А теперь представим, что  мы хотим записать эту копию на  обычный музыкальный компакт­ диск. Тогда нам эти 24 бита не  удастся впихнуть полностью,  компакт позволяет хранить  огрублённое значение сигнала  только в 16 битах. Как нам быть? Нуберём и отбрасываем младшие 8 бит в 24 битном сигнале. Это примерно,  как если бы в магазине калькулятор  показал, что за батон колбасы нужно заплатить 45руб 56,78564коп. Ясно,  что сумма округлится до 45руб  57коп или  даже до 46руб просто. Так вот  оказывается, что 24­битное  кодирование аналогового сигнала  настолько совершенно, что  "ни одна собака" не отличит его от  исходного аналогового, но если  взять и тупо отрезать эти самые 8  бит, то качество сигнала, особенно  такие его "жизненные"  характеристики как слабенькое  далёкое затухание реверберации,  всякие там послезвучия самих  инструментов и т.п., всё это  ощутимо убивается обрезанием  битов, и весьма заметно на слух.  Это и есть ЭФФЕКТ ОБРЕЗАНИЯ с которым борется DITHER.  Теперь немножко о динамическом  диапазоне цифрового аудио.  Децибел ­ это характеристика, длясравнения величин двух сигналов.  Если нужно сравнить два  напряжения U1 и U2, то считаем  след. величину: 10 lg (U1/U2), это и  будет сравнение в децибелах двух  сигналов. Число 10 перед  логарифмом как раз отвечает  приставке деци­, те. десятой части.  Если бы просто считался  десятичный логарифм, то  отношение сигналов выражалось бы  в Беллах, а Белл ­ неудобная и  слишком большая величина. Если  U1 = 10 Вольт, а U2 = 1 Вольт, то  U1 будет по амплитуде на 10дБ  выше чем U2. На самом деле,  человеческое ухо сравнивает скорее не амплитуды сигналов, а их  мощности. Мощность же сигнала  пропорциональна амплитуде,  возведённой в квадрат (степень 2).  Поэтому эта двойка выносится из  под знака десятичного логарифма, и получается формула для  сравнения:  20 lg (U1/U2) и те же самые 10  Вольт и 1Вольт будут по мощности  различаться на 20дБ. А увеличение  амплитуды в 2 раза с хорошейточностью равно увеличению по  мощности на  6дБ. Человеческое ухо чувствует  изменение громкости примерно на  1дБ. Этим и объясняется  преимущество дециБелла по  сравнению с Беллом. Теперь нет  ничего проще, чем посчитать  динамический диапазон (а как  выяснится позже, это всё же не  динамический диапазон, а всего  лишь максимальное отношение  сигнал/шум) стандартного  цифрового 16­битного аудио:  20 lg (2^16/2^0) = 20 lg (65536) =  96,3 дБ  Вот, самый громкий и самый тихий  звуки, казалось бы, не могут  различаться более чем на 96дБ, ибо  бит с наименьшим значением, когда  все старшие равны нулю, уже не в  состоянии, как кажется, кодировать  ещё меньшие сигналы. Вот тут то и  проявляется магия dithering'a.  Dither ­ это шумовой сигнал,  который суммируется с исходным  сигналом большой разрядности  (например 24 бита) и имеетамплитуду на уровне самого  младшего разряда того сигнала,  который планируется получить  (например 16 битный)  Если исходный 24­битный сигнал  имеет форму  ABCD EFGH IJKL MNOP QRST  UVWX, где любая буква обозначает  либо 0 либо 1 (двоичное  представление), бит А ­ старший,  бит  X ­ младший, то dither имеет форму  0000 0000 0000 0000 ЭЮЯЦ ФКТП,  т.е. младшие восемь битов могут  быть либо 0, либо 1, а все старшие  16 бит равны нулю. 24 ­ битный  сигнал суммируется с ditherom, и  затем происходит то самое  обрезание до 16­битного сигнала.  Но....обрезание после суммирования приводит к тому, что 16­битный  сигнал имеет форму: ABCD EFGH  IJKL MNЬЪ где прежние младшие 2  бита O и P  могут измениться из за  суммирования с ditherom и стать Ь и Ъ.  Таким образом, при суммировании  вся отрезанная последовательностьиз битов QRST UVWX влияет на  младшие биты Ь и Ъ полученного 16 битного сигнала. И оказывается,  что  такое добавление шума не  ухудшает, а улучшает восприятие  16­битной музыки. Все слабые  оживляющие сигналы из обрезанных  восьми битов дают о себе знать в 16­ битном сигнале. Это всё немножко  похоже на чудо, но вполне  объективно звукоинженеры  прослушивают динамический  диапазон не до 96дБ, а аж до  115!!!!!!! Фантастично, не правда  ли? Это расширение динамического  диапазона приводит к тому, что  становятся слышны звуки в 9 раз  более слабые по амплитуде, нежели  тот самый слабый звук, который  можно кодировать самым младшим  битом. Вот, это суть ditheringa.  Теперь чуть­чуть о терминах.  dither ­ вышеописанный шумовой  сигнал.  Спектральные характеристики этого сигнала разными фирмамиварьируются в довольно широких  пределах, от белого шума, до каких­ то уже периодических (формально  не шумовых) сигналов.  Спектр dither'a сказывается и на  качестве расширения динамического диапазона, и на восприятии самого  дизера, как шума записи. Если дизер (дитер) имеет спектр в диапазоне  10кГц ­ 20кГц, то на слух он  практически незаметен но хорошо  делает своё дело. Здесь уместно  отметить, что сам dither не  обязательно должен быть цифровым сигналом. По самому смыслу  процедуры получения цифрового  сигнала понятно, что  можно подмешать аналоговый шум к аналоговому сигналу, и потом уже  провести аналогово­цифровое  преобразование с любой  разрядностью. К месту отметить,  что если разрядность АЦП  достигает 20, то дальше dither  суммируется к сигналу независимо  от того, хотим мы этого, или нет,  потому как электроника при  комнатных температурах  генерирует собственный шумы, откоторых никуда не денешься  (криогенные системы мы не  рассматриваем), и эти шумы  добавляются к сигналу. Но на  уровне разрядности в 20 бит нужды  в ditheringe практически нет, такое  представление сигнала уже  совершенно.  Запись аналогового сигнала в цифре  с добавлением шума обычно  называют dithering'om.  А redithering'om называют  понижение разрядности сигнала  уже  после цифровой обработки. Любая  обработка требует как правило  существенно большей разрядности,  нежели 24, а тем более 16 бит.  Виртуальный синты, например,  работают с 32 разрядными числами  с плавающей запятой, а потом,  чтобы правильно преобразовать  сигнал в 16­битный применяется  redithering. Хотя суть процесса одна и та же и можно говорить просто ­  dithering.  Из всего сказанного понятно, что  dithering тесно связан сразрядностью представления  сигнала, точнее с преобразованием  одной разрядности в другую, более  грубую, но дешёвую и принятую.  Однако не надо злоупотреблять  этим  инструментом. Опытные мастеринг­ инженеры советуют пользоваться  ditheringom лишь один раз за весь  период осуществления проекта.  Несколько преобразований типа 16  ­> 24; 24­> 16 убьют качество и  дитер не поможет.  Не удастся компенсирвать дитером  и низкую разрядность внутренней  арифметики процессоров  (плагинов).  Со временем 16 бит наверное умрут, будут 20 и 24 битные системы.  Наверное мы будем вспоминать о  дитере аналогично тому, как  играючи в Квейк­3 вспоминаем  игрушки под Дос, гениальные в  своей изворотливости, направленной на расширение рамок скудных  технических возможностей мощью  программистского интеллекта. Но к  слову сказать, что гений (не только  технический, но и музыкальныйтоже) всегда работает и творит в  каких­то рамках.  Dithering  (сглаживание) заключается в  добавлении к сигналу небольшого  количества шума (псевдослучайного цифрового сигнала) разного спектра (белый, розовый и т.п.). При этом  заметно ослабляется корреляция  ошибок квантования с полезным  сигналом ("рассеиваются" ошибки  округления) и, несмотря на  некоторое увеличение шума,  субъективное качество звучания  заметно повышается. Уровень  добавляемого шума выбирается в  зависимости от задачи и колеблется  от половины младшего разряда  отсчета до нескольких разрядов.Позиционировани е инструментов в  пронстранстве Статьи о музыке » Всё о звуке » Работа со звуком Как позиционировать  инструменты в пространстве?.  Что ж, вопрос по существу.  Конечно, выпускаются  всевозможные плагины, которые  вроде как помещают источник  звука (т.е. записанную дорожку)  в нужную часть виртуальнойкомнаты. Однако это не  единственный способ  позиционирования инструментов, ведь в докомпьютерное время  звукоинженерам как­то  удавалось создавать  пространственную звуковую  картину. Поэтому вашему  вниманию предлагается один из  базовых вариантов  позиционирования.  По нерушимым законам физики  длинные звуковые волны  распространяются лучше  коротких, поэтому чем дальше  вы находитесь от источника  звука, тем меньше высоких  частот до вас "долетает",  издалека слышно одно  низкочастотное "буханье". Это  первая точка отсчета: чтобы  "отодвинуть" инструмент с  переднего плана, следует слегка  прибрать на нем высокие  частоты, и наш мозг будет  воспринимать этот источник  звука как более отдаленный  объект по сравнению с другими.Второй принцип ­ это  реверберация. Чем дальше  источник звука, тем больше  отраженного звука до наc  доходит. Иначе говоря, разница  между уровнями прямого и  отраженного звука при  отдалении от источника будет  постепенно уменьшаться. У  близкого источнка звука уровень  отраженного звука значительно  меньше уровня прямого, а пауза  между прямым сигналом и его  отражением мала (хотя бывают и  другие ситуации, но о них в  другой раз). Исходя из  вышеперечиленных условий  можно обработать записанные  дорожки так, чтобы одна  казалась ближе, а другая дальше.  С глубиной понятно, переходим  к ширине звуковой картины. Как  работает регулятор панорамы,  надеюсь, объяснять не нужно. Но просто раскидать источники  звука в разные стороны как  правило недостаточно для  получения полноценногорезультата. Для панорамы  действуют следующие принципы: если источник звука находится  по центру, он равномерно  занимает все звуковое  пространство и его трудно  локализовать. При смещении в  одну из сторон он не только  получает некое положение в  пространстве (типа "ага, это  слева!"), но и становится  заметнее на общем фоне, и чем  ближе к "краю", тем заметнее.  Однако если расположить таим  образом "железо" ударной  установки (крэш до упора  направо, райд ­ налево), у  слушателя возникнет  впечатление, что установка как  минимум метров 30 в ширину, а  это, согласитесь, ненормально.  Хотя все зависит от  музыкального стиля   В итоге, грамотно сочетая эти  своеобразные инструменты  управления глубиной и шириной,  можно задать каждому  источнику звука определенныекоординаты в общем звуковом  поле.  Казалось бы, у человека два уха,  а следовательно, источник звука  может находиться только на  прямой, соединяющей их. Можно подумать, что ушная раковина  выполняет функцию 3­мерного  уловителя, но это тоже не совсем верно: заканчивается она  наружным слуховым проходом, и сигнал, уже пройдя по нему,  успевает многократно отразиться от его стенок, прежде чем  попадает на слуховые косточки.  А последние тем более не  передают трехмерность, так как  имеют только по одной  поверхности контакта друг с  другом, что эквивалентно  одному проводу. Ушная  раковина занимается только  эквалайзингом и фильтрованием  паразитных гармоник, да и то  очень плохо.  Трехмерным позиционированием  занимается звуковой анализатор,начиная с рецепторов органа  слуха ­ улитки, второе звено  находится в коленчатом теле и  ядре 8­го нерва в стволе мозга, а  третье ­ в слуховом анализаторе  височных областей больших  полушарий мозга.  Теперь о том, что влияет на  субъективное положение  источника звука в пространстве  (в порядке убывания важности):  Задержка сигнала. Расстояние  между барабанными  перепонками ­ в среднем 14 см ,  и всегда нужно добавить  огибание по одному из слуховых  каналов (правому или левому) и  по противоположной от  источника сигнала поверхности  черепа (играет роль при рассчете  высоких частот). Итого ­ в  среднем 19 см*. То есть, если  сигнал идет четко справа, его  задержка в левом ухе составит  0.19/340=0,000559 с или 0,5 мс.  На самом деле, ее величина  может достигать 2 мс.Разность фаз. Она всегда  возникает как следствие  задержки, так может возникать и  по другим причинам.  Разность громкости (панорама) в каналах. Подумать только,  лишь этим второстепенным  фактором ограничиваются  возможности большинства  профессиональных систем  мастеринга!  Реверберация. Ведь очевидно,  чтобы показать, где находится  источник, нужно сравнить его  положение с другими объектами  (от которых и отражается звук).  Самый сложный для ручной  реализации эффект.  Разность частотной  характеристики. Никогда не  работает сама по себе ­ всегда  связана со временем. Принято  считать, что более "тусклый"  сигнал с заваленными верхами  воспринимается как бы "сзади".Это произойдет, если изменить  во времени его характеристику,  комбинируя с другими  эффектами позиционирования.  Эффект инерции. если  перемещать некий источник  звука по панораме, а затем резко  его выключить, оставив  небольшой ревер, слушателю  будет казаться, что источник  переместился далеко­далеко в  эту сторону.Такие дела. Становится  понятным, какие частоты  наиболее важны для  позиционирования: средние ­ от  400 Гц до 2 кГц. Потому что  именно на них могут возникать  эффекты интерференции, с  шагом сетки, сопоставимым с  размерами черепной коробки.  Благодаря вышеперечисленным  приемам, можно добиться  потрясающих эффектов. Но не  забудьте, что нужно учитывать  как прослушивание в наушниках  и колонках, так и  моносовместимость.Тембровая  коррекция Статьи о музыке » Всё о звуке » Работа со звукомНемного истории Рождённый в 30­х годах,  эквалайзер является старейшей и наиболее часто используемой  звукорежисёрами обработкой  звука. Сегодня на рынке хватает  самых разных приборов для  тембровой коррекции – от  простого НЧ­ВЧ корректора 50­ х до навороченного  многополосного эквалайзера с  совершенной параметрикой. В  своей основе эквалайзер  представляет собой несколько  электронных фильтров,  позволяющих изменять  амплитудно­частотнуюхарактеристику звукового  устройства. За последние пол  века схемотехника эквалайзеров  усовершенствовалась  необычайно, стремясь  удовлетворить от возросшие  требования аудиоиндустрии.  Понимание сущности тембровой коррекции и её воздействия на звуковой сигнал Остановимся на разъяснении  двух областей применения  эквалайзера, а именно голос и  его музыкальное сопровождение. Я хочу обсудить различные  спектральные составляющие  звука – что они делают для  самого звука, и как мы это  воспринимаем. Почему иногда  звук бывает резким или грязным? Почему мы иногда не можем  разобрать текст песни? Я  постараюсь дать ответы на эти  вопросы и, вообще, внести хоть  немного ясности в мистическиймир эквалайзеров.  Вокал Грубо говоря, спектр голоса  можно разделить на три  основных полосы,  соответствующих главным  речевым компонентам – основе,  гласным и согласным.  Область голосовой основы  расположена на довольно  ограниченном участке спектра –  приблизительно между 125 и 250 герцами. Основа позволяет нам  определить – кто именно  говорит, и поэтому, правильная  передача её является  неотъемлемой часть  качественного звука.  Проводящие наибольшую  голосовую энергию гласные  занимают полосу 350 до 2000  герц. Согласные же,  расположенные на участке от  1500 до 4000 герц, обладают  небольшой энергией, но затоявляются основной  составляющей разборчивости  голоса.  К примеру, на участок от 63 до  500 герц приходится около 60%  всей энергии голоса, но он всего  лишь на 5 % влияет на  разборчивость. Область 500 –  1000 герц обеспечивает 35%  разборчивости, в то время как на диапазон от 1 до 8 килогерц  приходится 5% от энергии и 60% от разборчивости.  Уменьшив уровень  составляющих низкочастотной  части спектра и увеличив  уровень в диапазоне от 1 до 5  килогерц можно существенно  увеличить разборчивость и  ясность голоса. Вот несколько  возможных последствий грубого  тембрового вмешательства в  звук:  поднятие АЧХ на участке 100 –  250 герц делает вокал гулким;вырезание участка 150 – 500 герц порождает пустоту,  неосновательность;  уменьшение уровня на участке от 500 до 1000 герц влечёт за собой  излишнюю жёсткость;  поднятие части спектра около 3  килогерц несёт жесткую  металлическую гнусавость;  уменьшение усиления в полосе  от 2 до 5 килогерц приводит к  общему снижению  разборчивости, делает звук  безжизненным;  поднятие участка от 4 до 10  килогерц приводит к свистам и  появлению “звукового песка”.  Следствия тембровой коррекции вокала Во всех случаях для уверенного  управления тембром лучше всегоиспользовать эквалайзер с  регулируемой параметрикой.  Придание чувственности  певцам, поющим в басовом  регистре. Звуковая основа. Очень важно для  качественного звука. Важно для естественного  звучания. Чрезмерное  поднятие приводит к  получению “телефонного  звука”. Артикуляция вокала,  манера исполнителя. Очень важно для  разборчивости. Придают чистоту и ясность. 80 –  125  герц 160 –  250  герц 315 –  500  герц 630 –  1000  герц 1250 – 4000  герц 5000 – 8000  герц 1250 – 8000  герц5000 – 16000  герц Чрезмерное усиление  приводит к сыпучему,  свистящему звуку. Слишком сильное увеличение  уровня на участке 200 – 400 герц приводит к маскировке  согласных, таких как “м”, “б”,  “в”. Слишком сильное  увеличение уровня в диапазоне  1000 – 4000 герц приводит к  быстрому утомлению слуха.  Вокал можно слегка осветлить,  подняв в районе 3 килогерц,  одновременно уменьшив  усиление на этой же частоте у  всех инструментов  аккомпанимента.  Инструменты Микширование инструментов –  это настоящее искусство, и  звукорежиссёру приходится не  один раз обращаться к помощи  эквалайзера, прежде чем он  найдёт тот звук, который емунужен. Многие инструменты  имеют столь мощный и богатый  звук, что его практически  невозможно передать близко  поставленным микрофоном. Вот  здесь­то и приходит на помощь  эквалайзер, основная цель  которого – донести до нас этот  звук в наиболее естественной его форме.  Прозрачность звука многих  инструментов может быть  существенно увеличена путём  подчёркивания их гармоник.  Наше ухо их слышит даже в  самых низких звуках с, казалось  бы, узким спектром. Барабаны –  это один из таких инструментов,  яркость звука которых можно  существенно повысить путём  простого уменьшения усиления в нижней части спектра,  подчёркивая тем самым  существующие в звуке  гармоники. Вот несколько  мыслей по поводу того, что  именно некоторые из частот  делают со звуком и что при этомчувствуют наши уши.  31 –  50  герц 80 –  125  герц 160 –  250  герц 300 –  500  герц Дают музыке мощность и  энергию. При чрезмерном их подчёркивании звук может  помутнеть, стать тусклым.  Так же маскируют  некоторые гармонические  компоненты. При чрезмерном поднятии  их возникает “бум­эффект” Обычная проблема  большинства миксов.  Избыток лишает  фонограмму мощности, но  они, всё же, необходимы  для “теплого” звучания  фонограммы. 160 герц, по  моему мнению – самая  раздражающая частота.  Здесь же расположена  звуковая основа бас­гитары  и других бас­инструментов Здесь расположена звуковая основа струнных и  перкуссионных  инструментов.400 –  1000  герц 800 –  4000  герц 1000 – 20000  герц 4000 – 10000  герц 5000  герц Основа и гармоники  струнных, клавишных и  перкуссии. Здесь, вероятно,  самая важная область,  отвечающая за  естественность звучания –  здесь расположен именно  “голос” инструмента.  Избыток приводит к  “трубоподобности”  звучания. Здесь самая подходящая  область, что бы выделить  инструмент или слегка  “подогреть” его звучание.  Избыток приводит к  быстрому ауральному  утомлению. Избыток приводит к  заметному “истончению”  звука. Область разборчивости  перкусии, тарелок, малого  барабана. Отвечает за прозрачность.  Избыток привносит  некоторую “отдалённость”8000 – 20000  герц звучания. Очень часто именно с ней  ассоциируется понятие  “качества записи” или  микса. Именно здесь лежит  источник “глубины” микса и чистоты его “атмосферы”.  Избыток приводит к  пронзительному и ломкому  звучанию. А здесь ещё несколько замечаний по поводу формирования АЧХ,  но уже относительно разных  инструментов. При работе с  живым звуком я даже выставляю  эти значения эквалайзера перед  саундчеком – это позволяет  сэкономить время на отстройке.  Но не придавайте этому  слишком большого значения –  это не более чем точка отсчёта –  с этого просто удобно начинать.  Большой барабан: кроме  обычного вырезания области от  200 до 400 герц обычновырезается узкая полоса спектра  в области 160, 800 и 1300 герц.  Это позволяет освободить место  для звуковой основы бас­гитары  и музыки в целом. Ещё я  обнаружил, что применение ВЧ  фильтрации от 50 герц позволяет уплотнить звук большого  барабана, оставив для вашего  компрессора именно тот сигнал,  с которым он может музыкально  работать. Подъём 5 – 7 кГц – для отчётливого щелчка.  Малый барабан: это именно тот  инструмент, звук которого очень  легко замутнить слишком  большим количеством “низа”.  Частоты ниже 150 герц никогда  не используются для получения  современного звука. Могу  предложить для их подавления  всё тот же ВЧ фильтр.  Большинство моделей малых  барабанов требуют лишь  “подрезать” несколько частот.  Начните с 400 герц, 800 герц и  некоторого количества 1300  герц. Именно, начните – вовсе необязательно, что вам придётся  крутить их все. Если малый  барабан слишком “торчит” в  миксе, но вы не хотите изменять  его уровень, приснимите немного 5кГц – это слегка “отдалит” его  – и потом скомпенсируйте это  лёгким поднятием 10 кГц.  Хай­хэт: В НЧ участке спектра  содержится очень мало  информации о звуке хай­хэта.  Применение ВЧ фильтра с  частотой среза 200 герц может  освободить звук от  нежелательной грязи. Основными в звуке хай­хэта являются  частоты в диапазоне от 400 до  1000 герц, а особенно 600 – 800  герц. Для осветления звука  достаточно поднять АЧХ на  участке выше 12500 кГц.  Томы и флор­томы: требуют  вырезания участка от 300 до 800  герц. Кроме этого, участок ниже  100 герц не несёт в себе  практически никакой тембровой  информации, а лишь маскирует