Ñèñòåìû ïîíèæåíèÿ ðàçðÿäíîñòè â ìàñòåðèíãå
Àëåêñåé Ëóêèí
Íàèáîëåå ïîïóëÿðíûì ôîðìàòîì äëÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ ìóçûêè â íàñòîÿùåå âðåìÿ ÿâëÿåòñÿ CD-DA - çâóêîâîé êîìïàêò-äèñê. Çâóê íà êîìïàêò-äèñê çàïèñûâàåòñÿ â íåêîìïðåññèðîâàííîì ôîðìàòå PCM ñ ÷àñòîòîé äèñêðåòèçàöèè 44,1 êÃö è ðàçðÿäíîñòüþ 16 áèò. Êà÷åñòâî çâóêà íà êîìïàêò-äèñêå óñòðàèâàåò àáñîëþòíîå áîëüøèíñòâî ñëóøàòåëåé. Îäíàêî íàèáîëåå êðèòè÷åñêè íàñòðîåííûå ñëóøàòåëè îòìå÷àþò íåêîòîðûå íåäîñòàòêè CD-DA, ñâÿçàííûå ñ íåäîñòàòî÷íûì äèíàìè÷åñêèì äèàïàçîíîì, ýôôåêòàìè 16-ðàçðÿäíîãî êâàíòîâàíèÿ è "çâîíîì" èíòåðïîëÿöèîííûõ ôèëüòðîâ.  ýòîé ñòàòüå ðàññìîòðèì, êàê ìîæíî ìèíèìèçèðîâàòü àðòåôàêòû êâàíòîâàíèÿ ïðè ìàñòåðèíãå àóäèî äëÿ êîìïàêò-äèñêîâ èëè äðóãèõ öèôðîâûõ íîñèòåëåé.
Ðàçðÿäíîñòü àóäèî è ýôôåêòû êâàíòîâàíèÿ
Êàê èçâåñòíî, äëÿ ïðåäñòàâëåíèÿ çâóêà â öèôðîâîé ôîðìå àíàëîãîâûé ñèãíàë äèñêðåòèçèðóåòñÿ ïî âðåìåíè è êâàíòóåòñÿ ïî àìïëèòóäå, òî åñòü íåïðåðûâíûé ñèãíàë çàìåíÿåòñÿ äèñêðåòíûìè åãî çíà÷åíèÿìè - îòñ÷åòàìè â íåêîòîðûõ òî÷êàõ. ×àñòîòà äèñêðåòèçàöèè 44,1 êÃö îçíà÷àåò, ÷òî ïî âðåìåíè ýòè îòñ÷åòû áåðóòñÿ 44100 ðàç â ñåêóíäó. Ðàçðÿäíîñòü 16 áèò îçíà÷àåò, ÷òî àìïëèòóäà êàæäîãî òàêîãî îòñ÷åòà ìîæåò ïðèíèìàòü îäíî èç 65536 âîçìîæíûõ çíà÷åíèé. Òåîðåòè÷åñêè äèíàìè÷åñêèé äèàïàçîí ôîðìàòà 16/44,1 ñîñòàâëÿåò 98,5 äÁ.
Ìíîãî ýòî èëè ìàëî? Ðàññìîòðèì íà ïðèìåðå. Ïóñòü ìû õîòèì çàïèñàòü íà êîìïàêò-äèñê ñèìôîíè÷åñêèé êîíöåðò. Äèíàìè÷åñêèé äèàïàçîí êëàññè÷åñêîé ìóçûêè ÷àñòî äîñòèãàåò 40…50 äÁ. Ïîëó÷àåòñÿ, ÷òî âî âðåìÿ ñàìûõ òèõèõ ó÷àñòêîâ çàïèñè (-45 äÁ) íà êâàíòîâàíèå ïî àìïëèòóäå îñòàåòñÿ âñåãî îêîëî 8 áèò. Âñå íàâåðíÿêà çíàþò, êàê çâó÷àò âîñüìèáèòíûå çàïèñè. Êðîìå âûñîêîãî óðîâíÿ øóìà, â òàêèõ çàïèñÿõ ÷àñòî âñòðå÷àþòñÿ è áîëåå íåïðèÿòíûå àðòåôàêòû êâàíòîâàíèÿ â âèäå ãàðìîíè÷åñêèõ èñêàæåíèé, êîòîðûå çàâèñÿò îò óðîâíÿ ñèãíàëà.
Ïðè çàïèñè çâóêà íà ñòóäèè âñå ÷àùå èñïîëüçóþòñÿ ôîðìàòû àóäèî ñ áîëåå âûñîêîé ðàçðÿäíîñòüþ, ÷åì 16 áèò. Çà ïîñëåäíèå íåñêîëüêî ëåò 24-áèòíûé ôîðìàò ñòàë ñòàíäàðòîì äëÿ âûñîêîêà÷åñòâåííîé çâóêîçàïèñè, è â íåì ðàáîòàþò áîëüøèíñòâî ñòóäèé. Ïðè ïîäãîòîâêå ñòóäèéíûõ ôîíîãðàìì ê çàïèñè íà CD âñòàåò íåîáõîäèìîñòü ïðåîáðàçîâàíèÿ ðàçðÿäíîñòè çàïèñåé â 16 áèò. Íåñìîòðÿ íà êàæóùóþñÿ ïðîñòîòó ýòîé îïåðàöèè, äëÿ åå âûïîëíåíèÿ ñóùåñòâóþò ðàçëè÷íûå ìåòîäû. Èõ êà÷åñòâîì â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè îïðåäåëÿåòñÿ çâó÷àíèå ïîëó÷àþùåéñÿ 16-áèòíîé ôîíîãðàììû.
Êàê âèäíî èç ïðèìåðà ñ êëàññè÷åñêîé ìóçûêîé, îòíîñèòåëüíàÿ âåëè÷èíà èñêàæåíèé â öèôðîâîì ôîðìàòå çàâèñèò îò óðîâíÿ ñèãíàëà. Èñêàæåíèÿ òåì çàìåòíåå, ÷åì íèæå óðîâåíü ñèãíàëà. Ïîýòîìó îäíî èç âîçìîæíûõ ðåøåíèé - ìàêñèìèçàöèÿ óðîâíÿ ñèãíàëà ïåðåä ñíèæåíèåì ðàçðÿäíîñòè, ÷òî äåëàåòñÿ ñ ïîìîùüþ ïðèáîðîâ äèíàìè÷åñêîé îáðàáîòêè - êîìïðåññîðîâ è ëèìèòåðîâ. Îäíàêî ñæàòèå äèíàìè÷åñêîãî äèàïàçîíà ôîíîãðàììû, êîòîðîå ïðè ýòîì äîñòèãàåòñÿ, íå âñåãäà áëàãîïðèÿòíî îòðàæàåòñÿ íà çâó÷àíèè. Åñëè îòâëå÷üñÿ îò àðòåôàêòîâ, âíîñèìûõ ïðèáîðàìè äèíàìè÷åñêîé îáðàáîòêè, òî ñóæåíèå äèíàìè÷åñêîãî äèàïàçîíà ñàìî ïî ñåáå ìîæåò ïðèâîäèòü ê ïîòåðå ìóçûêàëüíîé âûðàçèòåëüíîñòè. Ïîýòîìó äëÿ çàïèñåé ñ øèðîêèì äèíàìè÷åñêèì äèàïàçîíîì (êëàññèêà, äæàç è äð.) æåëàòåëüíî ïðèìåíÿòü íàèáîëåå êà÷åñòâåííûå ìåòîäû ñíèæåíèÿ ðàçðÿäíîñòè.
Îêðóãëåíèå
Ðàññìîòðèì ñàìûé ïðîñòîé ñïîñîá ïîíèçèòü ðàçðÿäíîñòü àóäèî. Îí çàêëþ÷àåòñÿ â îêðóãëåíèè êàæäîãî îòñ÷åòà èñõîäíîãî 24-áèòíîãî àóäèî ê áëèæàéøåìó äîïóñòèìîìó çíà÷åíèþ àìïëèòóäû â 16-ðàçðÿäíîé ñåòêå êâàíòîâàíèÿ. Ðàçíîâèäíîñòü ýòîãî ìåòîäà - óñå÷åíèå (truncate) - ýòî îêðóãëåíèå ê áëèæàéøåìó ñíèçó äîïóñòèìîìó çíà÷åíèþ.
 |
Ðèñ.1. 24-áèòíûé ñèãíàë è 16-áèòíûé ñèãíàë, ïîëó÷åííûé èç íåãî îêðóãëåíèåì
|
 |
Ðèñ.2. Ñïåêòð 24-áèòíîãî òåñòîâîãî ñèãíàëà è 16-áèòíîãî ñèãíàëà, ïîëó÷åííîãî èç íåãî îêðóãëåíèåì. Ïèê ýòîãî ñèãíàëà ñêðûò çà ïèêîì 24-áèòíîãî ñèãíàëà
|
Áóäåì íàçûâàòü øóìîì êâàíòîâàíèÿ ñèãíàë, ïðåäñòàâëÿþùèé ñîáîé ðàçíèöó ìåæäó èñõîäíûì 24-áèòíûì è êâàíòîâàííûì 16-áèòíûì ñèãíàëîì. Ïîñêîëüêó 16-áèòíûé ñèãíàë ÿâëÿåòñÿ ñóììîé èñõîäíîãî ñèãíàëà è øóìà êâàíòîâàíèÿ, òî èçó÷àòü ñâîéñòâà ñèñòåì ñíèæåíèÿ ðàçðÿäíîñòè ìîæíî, èçó÷àÿ øóì êâàíòîâàíèÿ, êîòîðûé âîçíèêàåò â íèõ äëÿ ðàçëè÷íûõ âõîäíûõ ñèãíàëîâ.
Î÷åâèäíî, ÷òî ìåòîä îêðóãëåíèÿ äàåò ìèíèìàëüíî âîçìîæíóþ àìïëèòóäó øóìà êâàíòîâàíèÿ äëÿ êàæäîãî îòñ÷åòà. Îäíàêî ïîëó÷àþùèéñÿ ïðè ýòîì øóì êâàíòîâàíèÿ íå ÿâëÿåòñÿ íàèëó÷øèì ñ òî÷êè çðåíèÿ çâó÷àíèÿ. Îí ñóùåñòâåííî êîððåëèðîâàí ñ èñõîäíûì ñèãíàëîì, è íà ñïåêòðå øóìà êâàíòîâàíèÿ âèäíû ïèêè - ãàðìîíè÷åñêèå èñêàæåíèÿ (ðèñóíêè 1, 2). Ïîýòîìó ðåçóëüòèðóþùèé 16-áèòíûé ñèãíàë èìååò õàðàêòåðíîå "ãðÿçíîå" çâó÷àíèå, ïðè÷åì èñêàæåíèÿ ñèëüíî ìåíÿþòñÿ ñî âðåìåíåì â çàâèñèìîñòè îò ñèãíàëà.
Ãäå âñòðå÷àåòñÿ îêðóãëåíèå?
Ê ñîæàëåíèþ, îêðóãëåíèå î÷åíü ÷àñòî ïðèìåíÿåòñÿ ïðè ðàáîòå ñ öèôðîâûì çâóêîì. Âî ìíîãèõ çâóêîâûõ ðåäàêòîðàõ èìåííî îêðóãëåíèå èñïîëüçóåòñÿ ïðè ðåäàêòèðîâàíèè 16-áèòíîãî çâóêà. ×àñòî ê àðòåôàêòàì îêðóãëåíèÿ ïðèâîäÿò è íåïðàâèëüíî âûïîëíåííûå îïåðàöèè dithering è noise shaping (ñì. äàëåå). Èñêàæåíèÿ çâóêà â ðåçóëüòàòå îêðóãëåíèÿ ìîãóò áûòü íå ñðàçó çàìå÷åíû, íî ýòè èçìåíåíèÿ ïðèâîäÿò ê íåîáðàòèìîìó óõóäøåíèþ êà÷åñòâà ôîíîãðàììû.
Êàê èçáåæàòü îêðóãëåíèÿ?
Ðàáîòàÿ ñî çâóêîâûìè ðåäàêòîðàìè èëè äðóãèìè ïðîãðàììàìè îáðàáîòêè çâóêà, íóæíî ñòàðàòüñÿ ñîâåðøàòü âñå ïðåîáðàçîâàíèÿ â ôîðìàòå ñ ïîâûøåííîé ðàçðÿäíîñòüþ (24 èëè 32 áèòà).
 ýòîì ñëó÷àå âû ïî÷òè ãàðàíòèðîâàíû îò îêðóãëåíèÿ. Åñëè æå ðàáîòà ïðîèçâîäèòñÿ â 16-áèòíîì ôîðìàòå, òî ïîïðîáóéòå ïðîâåñòè ñëåäóþùèé íåáîëüøîé òåñò.
Ñãåíåðèðóéòå ñèíóñîèäó ñ ïðîèçâîëüíîé ÷àñòîòîé (íàïðèìåð, 1 êÃö) è ìàëåíüêîé àìïëèòóäîé (íàïðèìåð, -60 äÁ). Çàòåì îáðàáîòàéòå ýòó ñèíóñîèäó ñ ïîìîùüþ ýôôåêòîâ. Ïîñëå ýòîãî ïðîàíàëèçèðóéòå ïîëó÷åííûé çâóê íà ñïåêòðîàíàëèçàòîðå. Åñëè ãäå-òî ïî õîäó ïðåîáðàçîâàíèé âîçíèêëî îêðóãëåíèå, òî íà ðåçóëüòèðóþùåì ñïåêòðå áóäóò âèäíû ïèêè ãàðìîíè÷åñêèõ èñêàæåíèé (êàê íà ðèñóíêå 2). Åñëè æå âìåñòî îêðóãëåíèÿ ïðèìåíÿëñÿ áîëåå ïðàâèëüíûé ñïîñîá ñíèæåíèÿ ðàçðÿäíîñòè (dithering), òî ãàðìîíè÷åñêèõ èñêàæåíèé íå áóäåò, à áóäåò ïðîñòî øóì (íàïðèìåð, êàê íà ðèñóíêå 7).
Âî ìíîãèõ çâóêîâûõ ðåäàêòîðàõ ìîæíî âûáèðàòü ñïîñîá ðàáîòû ñ ñèãíàëîì: îêðóãëåíèå èëè dithering.
 |
Ðèñ.3. 24-áèòíûé ñèãíàë è 16-áèòíûé ñèãíàë, ïîëó÷åííûé èç 24-áèòíîãî ñ ïîìîùüþ dithering’à
|
 |
|
Ðèñ.4. Ñïåêòðû 16-áèòíûõ ñèãíàëîâ, ïîëó÷åííûõ ñ ïîìîùüþ îêðóãëåíèÿ è ñ ïîìîùüþ dithering’à
|
Dithering
×òî òàêîå dithering è êàê îí óñòðîåí?
Äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ âîçíèêíîâåíèÿ ãàðìîíè÷åñêèõ èñêàæåíèé òðåáóåòñÿ óñòðàíèòü êîððåëÿöèþ øóìà êâàíòîâàíèÿ ñ èñõîäíûì àóäèîñèãíàëîì. Äëÿ ýòîãî ñóùåñòâóåò ìåòîä, íàçûâàåìûé dithering. Îí çàêëþ÷àåòñÿ â äîáàâëåíèè ê èñõîäíîìó ñèãíàëó ïåðåä îêðóãëåíèåì ñïåöèàëüíî ñãåíåðèðîâàííîãî øóìà íåáîëüøîé àìïëèòóäû.  çàâèñèìîñòè îò ñâîéñòâ ýòîãî øóìà, ñëûøèìûå ãàðìîíè÷åñêèå èñêàæåíèÿ ìîãóò áûòü ëèáî ñîâåðøåííî óñòðàíåíû, ëèáî çíà÷èòåëüíî ïîäàâëåíû (ðèñóíêè 3, 4). Ðàñïëàòà çà ïîäàâëåíèå èñêàæåíèé - íåìíîãî ïîâûøåííûé (äî +6 äÁ ïî ñðàâíåíèþ ñ îêðóãëåíèåì) óðîâåíü øóìà â ôîíîãðàììå.
Âàæíî íå ïóòàòü dithering-øóì ñ øóìîì êâàíòîâàíèÿ. Åñëè ïîëîæèòü øóì dithering'à ðàâíûì íóëþ, òî ìû ïîëó÷èì îêðóãëåíèå â ÷èñòîì âèäå, íî øóì êâàíòîâàíèÿ ïðè ýòîì âîâñå íå áóäåò ðàâåí íóëþ.
Ðàçíîâèäíîñòè dithering'a
Ðàçíûå âèäû dithering-øóìà îòëè÷àþòñÿ ïî àìïëèòóäå, ïî ñïåêòðó è ïî ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ âåðîÿòíîñòè çíà÷åíèé øóìà ïî àìïëèòóäå (PDF - probability distribution function). Äëÿ áåëîãî øóìà PDF ïîêàçûâàåò, êàê ÷àñòî âñòðå÷àþòñÿ â øóìå çíà÷åíèÿ ðàçëè÷íûõ àìïëèòóä. Ñòàíäàðòíûå âèäû PDF - òðåóãîëüíàÿ, ïðÿìîóãîëüíàÿ, ãàóññîâà. Íàïðèìåð, òðåóãîëüíàÿ PDF îçíà÷àåò, ÷òî â øóìå ÷àùå áóäóò âñòðå÷àòüñÿ çíà÷åíèÿ ñ àìïëèòóäîé âáëèçè íóëÿ, ÷åì ñ áîëüøèìè àìïëèòóäàìè. À ïðè ïðÿìîóãîëüíîé PDF âñå çíà÷åíèÿ àìïëèòóä øóìà (åñòåñòâåííî, â îïðåäåëåííûõ ïðåäåëàõ) ðàâíîâåðîÿòíû.
Äëÿ îáîçíà÷åíèÿ ìàêñèìàëüíîé àìïëèòóäû dithering-øóìà áóäåì èñïîëüçîâàòü åäèíèöó LSB (least significant bit - íàèìåíåå çíà÷àùèé áèò) - ðàññòîÿíèå ìåæäó äâóìÿ ñîñåäíèìè (áëèæàéøèìè âîçìîæíûìè) çíà÷åíèÿìè àìïëèòóäû â êâàíòîâàííîì 16-áèòíîì ñèãíàëå. Åñëè ãîâîðÿò, ÷òî øóì èìååò àìïëèòóäó 1 LSB îò ïèêà äî ïèêà (1 LSB peak-to-peak), òî ýòî çíà÷èò, ÷òî îí ìîæåò ïðèíèìàòü çíà÷åíèÿ îò -0,5 LSB äî +0,5 LSB.
×àùå âñåãî äëÿ dithering'à èñïîëüçóåòñÿ áåëûé øóì ñ àìïëèòóäîé îò 1 äî 2 LSB. Ñóùåñòâóþò äâà ñòàíäàðòíûõ âèäà dithering-øóìà. Ïåðâûé - áåëûé øóì ñ ïðÿìîóãîëüíîé PDF è àìïëèòóäîé 1 LSB îò ïèêà äî ïèêà. Òàêîé øóì ïðàêòè÷åñêè ïîëíîñòüþ óñòðàíÿåò ãàðìîíè÷åñêèå èñêàæåíèÿ â êâàíòîâàííîì ñèãíàëå, îäíàêî èìååò íåäîñòàòîê: ãðîìêîñòü øóìà êâàíòîâàíèÿ ìåíÿåòñÿ ñî âðåìåíåì, è çàâèñèò îò èñõîäíîãî ñèãíàëà. Ýòî ÿâëåíèå íàçûâàåòñÿ ìîäóëÿöèåé øóìà.
Âòîðîé ðàñïðîñòðàíåííûé âèä øóìà dithering'à - òîæå áåëûé øóì, íî ñ àìïëèòóäîé 2 LSB îò ïèêà äî ïèêà è òðåóãîëüíîé PDF. Òàêîé øóì íàèáîëåå ÷àñòî èñïîëüçóåòñÿ ïðè ñíèæåíèè ðàçðÿäíîñòè è íàçûâàåòñÿ standard TPDF dither (TPDF - triangular PDF). Ýòîò âèä dithering'à âíîñèò íåìíîãî áîëüøå øóìà â ôîíîãðàììó (-98 äÁ (À)), îäíàêî ïðàêòè÷åñêè ïîëíîñòüþ óñòðàíÿåò ãàðìîíè÷åñêèå èñêàæåíèÿ è ìîäóëÿöèþ øóìà.
 íåêîòîðûõ ñèñòåìàõ ñíèæåíèÿ ðàçðÿäíîñòè ìîæíî âûáèðàòü àìïëèòóäó dithering-øóìà, èçìåíÿÿ áàëàíñ ìåæäó êîëè÷åñòâîì øóìà è êîëè÷åñòâîì èñêàæåíèé. Ìàëåíüêàÿ àìïëèòóäà dithering-øóìà âíîñèò ìåíüøå çàìåòíîãî øóìà, îäíàêî ìîæåò íå ïîëíîñòüþ óñòðàíèòü ãàðìîíè÷åñêèå èñêàæåíèÿ è ìîäóëÿöèþ øóìà. Áîëüøàÿ àìïëèòóäà dithering-øóìà âíîñèò áîëüøå ñëûøèìîãî øóìà, íî ïðàêòè÷åñêè ïîëíîñòüþ ïîäàâëÿåò èñêàæåíèÿ è ìîäóëÿöèè. Äëÿ áîëüøèíñòâà ïðèëîæåíèé îïòèìàëüíûì âûáîðîì ñðåäè àëãîðèòìîâ dithering'à ÿâëÿåòñÿ standard TPDF dither.
Ñóùåñòâóþò è äðóãèå âèäû dithering'à.  íåêîòîðûõ èç íèõ øóì èìååò íå áåëûé, à áîëåå ñëîæíûé ñïåêòð ñ öåëüþ ïîíèçèòü âîñïðèíèìàåìóþ ãðîìêîñòü øóìà. Îäíàêî, èñïîëüçóÿ òîëüêî dithering, íåâîçìîæíî ñèëüíî èçìåíèòü ñïåêòð øóìà êâàíòîâàíèÿ. Äàæå åñëè âûâåñòè ñïåêòð dithering-øóìà ïîëíîñòüþ çà ïðåäåëû ñëûøèìîãî äèàïàçîíà (âûøå 20 êÃö), òî øóì êâàíòîâàíèÿ âñå ðàâíî áóäåò ïðèñóòñòâîâàòü è íèæå 20 êÃö, ïðè÷åì â çàìåòíûõ êîëè÷åñòâàõ. Äëÿ ýôôåêòèâíîãî ôîðìèðîâàíèÿ ñïåêòðà øóìà êâàíòîâàíèÿ íåîáõîäèìî ãåíåðèðîâàòü dithering-øóì ñ ó÷åòîì ñàìîãî èñõîäíîãî ñèãíàëà. Àëãîðèòìû äëÿ ýòîãî äîâîëüíî ñëîæíû è ïðèìåíÿþòñÿ â òàêèõ ñèñòåìàõ, êàê Apogee UV22 è POW-R. Èíîãäà òàêèì ñèñòåìàì ñâîéñòâåííû íåêîòîðûå ïîáî÷íûå àðòåôàêòû, ñâÿçàííûå ñ êîððåëèðîâàííîñòüþ dithering-øóìà è èñõîäíîãî ñèãíàëà, èëè öèêëè÷íîñòüþ dithering-øóìà.
Íàñêîëüêî ïîëåçåí dithering? Íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî ñòàíäàðòíûé dithering ïîâûøàåò óðîâåíü øóìà ôîíîãðàììû äî -98 äÁ (À), ýòî íå çíà÷èò, ÷òî ìû íå ñìîæåì óñëûøàòü â ôîíîãðàììå çâóêè òèøå -98 äÁ.  16-áèòíîé ôîíîãðàììå, åñëè èñïîëüçîâàëñÿ ñòàíäàðòíûé dithering, ìîæíî îò÷åòëèâî ðàçëè÷èòü çâóêè ñ òàêèìè ìàëåíüêèìè àìïëèòóäàìè, êàê -100…-110 äÁ - îñîáåííî íàãëÿäíî ýòî äåìîíñòðèðóåòñÿ íà ñèíóñîèäàõ ñî ñðåäíèìè ÷àñòîòàìè. Äåëî â òîì, ÷òî íàøå óõî ìîæåò "ñëûøàòü ñêâîçü øóì", äåéñòâóÿ êàê ñïåêòðîàíàëèçàòîð. Êàê íà ñïåêòðîãðàììàõ âèäíû ïèêè ñèíóñîèä, âîçâûøàþùèåñÿ íàä øóìîì êâàíòîâàíèÿ (íàïðèìåð, íà ðèñóíêå 4), òàê è íàøå óõî ñïîñîáíî óëàâëèâàòü ýòè ïèêè ñêâîçü øóì, íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî ñóììàðíàÿ àìïëèòóäà øóìà áîëüøå àìïëèòóäû ïîëåçíîãî ñèãíàëà.
Ïðè ýòîì â 16-áèòíîì ñèãíàëå ïðàêòè÷åñêè îòñóòñòâóþò ãàðìîíè÷åñêèå èñêàæåíèÿ, ñâÿçàííûå ñ êâàíòîâàíèåì (ðèñóíîê 4). Ñèíóñîèäà çâó÷èò àáñîëþòíî íåèñêàæåííîé, áåç îáåðòîíîâ. Åäèíñòâåííûé ýôôåêò êâàíòîâàíèÿ ñ ditheringîì - ïîñòîÿííûé øóì, êîòîðûé, âïðî÷åì, îáû÷íî íàõîäèòñÿ íèæå ïîðîãà ñëûøèìîñòè.
Dithering ïðèìåíÿåòñÿ âî ìíîãèõ ñèñòåìàõ äëÿ ìàñòåðèíãà è â çâóêîâûõ ðåäàêòîðàõ ïðè ðàáîòå ñî çâóêîì ïîíèæåííîé ðàçðÿäíîñòè. Ïî÷òè ëþáûå ïðåîáðàçîâàíèÿ 16-áèòíîãî çâóêà (íàïðèìåð, ýêâàëàéçåð, ðåâåðáåðàöèÿ, äèíàìè÷åñêàÿ îáðàáîòêà, èçìåíåíèå ÷àñòîòû äèñêðåòèçàöèè) äàþò â ðåçóëüòàòå çâóê áîëüøåé ðàçðÿäíîñòè. Íî òàê êàê èñõîäíûé çâóê áûë 16-áèòíûé, òî çâóêîâûå ðåäàêòîðû ïðèâîäÿò ê 16-áèòíîìó ôîðìàòó è ðåçóëüòèðóþùèé çâóê.
Ïðàâèëüíûé ñïîñîá òàêîãî ïðèâåäåíèÿ - ýòî dithering, à "íåïðàâèëüíûé" - îêðóãëåíèå. Dithering ïðèìåíÿåòñÿ ïðè êàæäîé îïåðàöèè íàä 16-áèòíûì çâóêîì, äîáàâëÿÿ îïðåäåëåííîå êîëè÷åñòâî øóìà. Åñëè îïåðàöèé ìíîãî, òî óðîâåíü øóìà ìîæåò ñòàòü çàìåòíûì, õîòÿ ýòî âñå æå ëó÷øå èñêàæåíèé îêðóãëåíèÿ. Ïîýòîìó ïðè ðåäàêòèðîâàíèè çâóêà îáû÷íî ïðèìåíÿþòñÿ ôîðìàòû ñ ïîâûøåííîé ðàçðÿäíîñòüþ (íàïðèìåð, 24 èëè 32 áèòà) - â íèõ íåò íåîáõîäèìîñòè ïðèìåíÿòü dithering, ïîñêîëüêó ïðè òàêîé ðàçðÿäíîñòè àðòåôàêòû êâàíòîâàíèÿ ñëèøêîì ìàëû, ÷òîáû îáðàùàòü íà íèõ âíèìàíèå. Îòìåòèì, ÷òî îïåðàöèþ ñíèæåíèÿ ðàçðÿäíîñòè äî 16 áèò â ýòîì ñëó÷àå âûïîëíÿþò â ïîñëåäíþþ î÷åðåäü, ñòðåìÿñü âñþ îáðàáîòêó (â òîì ÷èñëå, èçìåíåíèå ÷àñòîòû äèñêðåòèçàöèè è ëèìèòèðîâàíèå) ïðîâåñòè â ôîðìàòå ñ ïîâûøåííîé ðàçðÿäíîñòüþ.
Ïðè ìàñòåðèíãå íåêîòîðûå çâóêîèíæåíåðû ïðåäïî÷èòàþò ñòàíäàðòíûé dithering äðóãèì, áîëåå ñëîæíûì ìåòîäàì ñíèæåíèÿ ðàçðÿäíîñòè èç-çà "ïðîâåðåííîñòè" ìåòîäà è "íåéòðàëüíîñòè" çâó÷àíèÿ áåëîãî øóìà.
Noise shaping
Êàê óæå óïîìèíàëîñü, ñïåêòð dithering-øóìà ìîæíî âàðüèðîâàòü, ÷òîáû óìåíüøèòü âîñïðèíèìàåìóþ ãðîìêîñòü øóìà. Íàøå óõî íåîäèíàêîâî ÷óâñòâèòåëüíî ê çâóêàì ðàçëè÷íûõ ÷àñòîò. Ïîýòîìó ìîæíî ïîïûòàòüñÿ ïåðåìåñòèòü dithering-øóì â òå ÷àñòîòíûå äèàïàçîíû, ãäå íàøå óõî íàèìåíåå ÷óâñòâèòåëüíî. Òîãäà âîñïðèíèìàåìàÿ ãðîìêîñòü øóìà ïîíèçèòñÿ. Ñ ïîìîùüþ ìåòîäîâ dithering'à ýòîãî óäàâàëîñü äîñòè÷ü ëèøü îò÷àñòè. Ìåòîä ôîðìèðîâàíèÿ øóìà (noise shaping) ïîçâîëÿåò ïðèäàòü ñïåêòðó øóìà êâàíòîâàíèÿ ïðàêòè÷åñêè ëþáóþ ôîðìó.
Noise shaping - ñëåäóþùèé êëàññ àëãîðèòìîâ ñíèæåíèÿ ðàçðÿäíîñòè, ðàñøèðÿþùèé âîçìîæíîñòè àëãîðèòìîâ dithering'à. Îñíîâíàÿ èäåÿ çàêëþ÷àåòñÿ âî ââåäåíèè îáðàòíîé ñâÿçè â ïðîöåññ ñíèæåíèÿ ðàçðÿäíîñòè. Îøèáêà êâàíòîâàíèÿ, ïîëó÷åííàÿ äëÿ òåêóùåãî âðåìåííîãî îòñ÷åòà, ó÷àñòâóåò â ïðîöåññå ôîðìèðîâàíèÿ øóìà äëÿ ñëåäóþùåãî âðåìåííîãî îòñ÷åòà.  ýòîì ïðîöåññå èñïîëüçóåòñÿ ôèëüòð, êîòîðûé è îïðåäåëÿåò ôîðìó ñïåêòðà øóìà êâàíòîâàíèÿ.
 |
Ðèñ.5. Øóì êâàíòîâàíèÿ. Ñâåðõó – ñòàíäàðòíûé dithering, ñíèçó – noise shaping
|
Îòìåòèì ñâîéñòâà øóìà êâàíòîâàíèÿ, ïîëó÷àþùåãîñÿ â ðåçóëüòàòå noise shaping.
- ˜óì êâàíòîâàíèß èìååò ñïåêòð, ñîîòâåòñòâóþùèé ÷àñòîòíîé õàðàêòåðèñòèêå ôèëüòðà, êîòîðûé ïðèìåíßëñß ïðè noise shaping.
- Ñóììàðíàÿ àìïëèòóäà øóìà êâàíòîâàíèÿ çíà÷èòåëüíî âûøå, ÷åì ó ñòàíäàðòíîãî dithering'à çà ñ÷åò áîëåå âûñîêîé ýíåðãèè øóìà â îïðåäåëåííûõ ÷àñòîòíûõ ïîëîñàõ, îäíàêî âîñïðèíèìàåìàÿ ãðîìêîñòü øóìà, ïðè ïðàâèëüíîì âûáîðå ôèëüòðà, çíà÷èòåëüíî íèæå. Îáû÷íî ôèëüòðû âûáèðàþòñÿ òàê, ÷òîáû áîëüøàÿ ÷àñòü øóìà êâàíòîâàíèÿ ñìåùàëàñü â îáëàñòü âûñîêèõ ÷àñòîò (âûøå 15 êÃö), ãäå ÷óâñòâèòåëüíîñòü óõà íàèìåíüøàÿ (ðèñóíêè 5, 6).
| |
 |
Ðèñ.6. Ñïåêòð øóìà êâàíòîâàíèÿ. Ñòàíäàðòíûé dithering è îäèí èç âèäîâ noise shaping
|
- Êîýôôèöèåíòû ôèëüòðà äîëæíû áûòü íîðìèðîâàíû òàê, ÷òîáû ñîáëþäàëîñü ñëåäóþùåå óñëîâèå: ÷òîáû âûòåñíèòü øóì êâàíòîâàíèÿ èç îäíîé ÷àñòîòíîé îáëàñòè, íóæíî "ñòîëüêî æå" øóìà êâàíòîâàíèÿ ïðèáàâèòü â äðóãîé ÷àñòîòíîé îáëàñòè. Òî åñòü íà ðèñóíêå 6 ïëîùàäü S1 äîëæíà áûòü ðàâíà ïëîùàäè S2.
- Ïðè ñîáëþäåíèè óñëîâèÿ 3, noise shaping îáåñïå÷èâàåò òàêóþ æå ñòåïåíü ïîäàâëåíèÿ ãàðìîíè÷åñêèõ èñêàæåíèé è ìîäóëÿöèé øóìà, êàê è ñîîòâåòñòâóþùèé dithering.
Ñèñòåìû noise shaping
Âñå ñèñòåìû ñòðåìÿòñÿ âûòåñíèòü êàê ìîæíî áîëüøå øóìà èç îáëàñòè ñðåäíèõ ÷àñòîò, ãäå íàøå óõî íàèáîëåå ÷óâñòâèòåëüíî. Âûòåñíÿòü ýòîò øóì â îáëàñòü íèçêèõ ÷àñòîò òðóäíî: òàì ìàëî "ñâîáîäíîãî ìåñòà" (ñì. ðèñóíîê 6). Ïîýòîìó ÷àùå âñåãî øóì âûòåñíÿåòñÿ â îáëàñòü âûñîêèõ ÷àñòîò. ßñíî, ÷òî, ÷åì áîëüøå ìû óáèðàåì øóìà èç ñðåäíèõ ÷àñòîò, òåì áîëüøå åãî ñòàíîâèòñÿ â îáëàñòè âûñîêèõ ÷àñòîò. Åñëè ïðèíÿòü çà óñëîâíóþ ãðàíèöó ýòèõ îáëàñòåé ÷àñòîòó 15 êÃö, òî îñíîâíàÿ ÷àñòü øóìà ñîñðåäîòî÷èòñÿ íà îòðåçêå 15…22 êÃö (áîëåå âûñîêèõ ÷àñòîò â CD-àóäèî íåò). Îäíî èç îñíîâíûõ îãðàíè÷åíèé, êîòîðûå èç-çà ýòîãî âîçíèêàþò, òàêîâî: íåëüçÿ äîïóñòèòü ñëèøêîì áîëüøîé àìïëèòóäû øóìà â Â×-îáëàñòè. Åñëè àìïëèòóäà Â×-øóìà áóäåò ñëèøêîì âåëèêà, òî ýòî ìîæåò èìåòü íåæåëàòåëüíûå ïîñëåäñòâèÿ:
- Íåêîòîðûå ëþäè îòíîñèòåëüíî õîðîøî ñëûøàò Â×-øóìû, è äëÿ íèõ ÷ðåçìåðíûé øóì noise-shaping áóäåò ñëûøåí ïðè î÷åíü ãðîìêîì ïðîñëóøèâàíèè êàê íåïðèÿòíûé ñâèñò.
- Ñëèøêîì ñèëüíûé Â×-øóì ìîæåò ïîâðåäèòü Â×-äèíàìèêè ãðîìêîãîâîðèòåëåé ïðè î÷åíü áîëüøîé ãðîìêîñòè âîñïðîèçâåäåíèÿ.
- Ñëèøêîì ñèëüíûé Â×-øóì èçìåíÿåò àìïëèòóäíûé ïðîôèëü ôîíîãðàììû, è ýòî ìîæåò ïðèâåñòè ê ïðîáëåìàì ïðè íåîáõîäèìîñòè ïîñëåäóþùåé îáðàáîòêè ôîíîãðàììû, íàïðèìåð, â ñëó÷àå äèíàìè÷åñêîé îáðàáîòêè ïðè ðåìàñòåðèíãå.
- Ïðè îøèáêàõ ÷òåíèÿ ñ àóäèî-CD ïëååð èíòåðïîëèðóåò íåïðàâèëüíî ñ÷èòàííûå ñåìïëû. Âûñîêàÿ àìïëèòóäà Â×-øóìà çàòðóäíÿåò ïðîöåññ èíòåðïîëÿöèè (ñíèæàåò òî÷íîñòü), è ýòî óâåëè÷èâàåò ùåë÷êè îò èíòåðïîëÿöèè.
×òîáû ìèíèìèçèðîâàòü ýòè íåæåëàòåëüíûå ïîñëåäñòâèÿ, ïðåäïîëàãàåìàÿ àìïëèòóäà Â×-øóìà ïðè noise shaping îáû÷íî íå ïðåâûøàåò -60 äÁFS.  íåêîòîðûõ ñèñòåìàõ ìîæíî âûáèðàòü îäèí èç íåñêîëüêèõ ðåæèìîâ ðàáîòû, ðåãóëèðóÿ êîìïðîìèññ ìåæäó ìàëåíüêîé àìïëèòóäîé Â×-øóìà è áîëåå ñèëüíûì ïîäàâëåíèåì ñðåäíå÷àñòîòíîãî (ñëûøèìîãî) øóìà.
Ñèñòåìû noise shaping äàþò áîëüøåå ïðåèìóùåñòâî ïðè âûñîêèõ ÷àñòîòàõ äèñêðåòèçàöèè.  ýòîì ñëó÷àå óëüòðàçâóêîâàÿ îáëàñòü äî ïîëîâèíû ÷àñòîòû äèñêðåòèçàöèè øèðîêà, è â íåé "áîëüøå ìåñòà" äëÿ âûòåñíåíèÿ òóäà øóìà èç ñëûøèìîé îáëàñòè. Ýòîò ôàêò óñïåøíî èñïîëüçóåòñÿ â ÀÖÏ è ÖÀÏ ñ ïåðåäèñêðåòèçàöèåé (oversampling) äëÿ ïîâûøåíèÿ äèíàìè÷åñêîãî äèàïàçîíà â ñëûøèìîé îáëàñòè ïðè ìàëåíüêîé ðåàëüíîé ðàçðÿäíîñòè ïðåîáðàçîâàòåëÿ.
Îñíîâíîå ðàçëè÷èå âñåõ ñèñòåì noise shaping - â ôèëüòðå. Èìåííî îí îïðåäåëÿåò ôîðìó ñïåêòðà øóìà. Âî ìíîãèõ ñèñòåìàõ ôèëüòðû èìåþò íå î÷åíü ãëàäêóþ ÷àñòîòíóþ õàðàêòåðèñòèêó â ñëûøèìîé ïîëîñå, è ýòî ìîæåò ïðèâîäèòü ê îêðàøåííîñòè øóìà. Èç-çà ýòîãî íåêîòîðûå çâóêîèíæåíåðû ïðåäïî÷èòàþò èñïîëüçîâàòü ñòàíäàðòíûé dithering, à íå ñèñòåìû noise shaping.
Noise shaping, òàê æå êàê è dithering, ïðè ñíèæåíèè ðàçðÿäíîñòè ïðàêòè÷åñêè ïîëíîñòüþ óñòðàíÿåò ãàðìîíè÷åñêèå èñêàæåíèÿ è ìîäóëÿöèþ øóìà. Êðîìå òîãî, ãðîìêîñòü øóìà êâàíòîâàíèÿ îáû÷íî ñòàíîâèòñÿ çàìåòíî íèæå, ÷åì êîãäà èñïîëüçóåòñÿ ñòàíäàðòíûé dithering.  ðåçóëüòàòå ìû ïîëó÷àåì âîçìîæíîñòü ñëûøàòü â ôîíîãðàììå íåèñêàæåííûå çâóêè ñ óðîâíåì -120…-110 äÁ (îñîáåííî íàãëÿäíî ýòî äåìîíñòðèðóåòñÿ íà ñèíóñîèäàõ ñî ñðåäíèìè ÷àñòîòàìè).
Ñèñòåìû noise shaping - âàæíàÿ ñîñòàâíàÿ ÷àñòü ìàñòåðèíãîâûõ ñèñòåì. Îíè ðàñøèðÿþò ñëûøèìûé äèíàìè÷åñêèé äèàïàçîí íà êîìïàêò-äèñêå.
Îáçîð ïîïóëÿðíûõ ñèñòåì ñíèæåíèÿ ðàçðÿäíîñòè
Çäåñü êðàòêî ðàññìîòðèì íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûå ñèñòåìû ñíèæåíèÿ ðàçðÿäíîñòè ñ êîììåíòàðèÿìè ïî ïîâîäó èõ çâó÷àíèÿ.
Îñíîâíûå ïàðàìåòðû îöåíêè - ñóáúåêòèâíàÿ ãðîìêîñòü øóìà êâàíòîâàíèÿ è óðîâåíü Â×-øóìà (ïîíÿòíî, ÷òî ïðè ðàâíîé ãðîìêîñòè øóìà ïðåäïî÷òåíèå îòäàåòñÿ ñèñòåìå ñ ìåíüøèì óðîâíåì Â×-øóìà). Âñå ðàññìîòðåííûå ñèñòåìû èìåþò ïðèìåðíî îäèíàêîâûé óðîâåíü ïîäàâëåíèÿ ãàðìîíè÷åñêèõ èñêàæåíèé è ìîäóëÿöèé øóìà, ïîýòîìó îñíîâíîé îöåíèâàåìûé ïàðàìåòð - èìåííî ãðîìêîñòü øóìà êâàíòîâàíèÿ è åãî îêðàñêà.
Îòìåòèì, ÷òî ñóáúåêòèâíàÿ ãðîìêîñòü øóìà ÿâëÿåòñÿ ðåçóëüòàòîì ñîáñòâåííûõ èçìåðåíèé àâòîðà, è, ÷àùå âñåãî, çíà÷èòåëüíî îòëè÷àåòñÿ îò ðåêëàìíûõ çàÿâëåíèé ïðîèçâîäèòåëåé.
 ñâîäíîé òàáëèöå â êîíöå ñòàòüè ïðèâîäÿòñÿ êðàòêèå ïàðàìåòðû ðàññìîòðåííûõ ñèñòåì ñíèæåíèÿ ðàçðÿäíîñòè è íåêîòîðûõ äðóãèõ.
Ñòàíäàðòíûé dithering
Ýòîò ìåòîä (standard TPDF dither) óæå ðàññìîòðåí. Ãðîìêîñòü øóìà êâàíòîâàíèÿ ýòîãî ìåòîäà ÿâëÿåòñÿ êðèòåðèåì äëÿ îöåíêè ãðîìêîñòè øóìà êâàíòîâàíèÿ äðóãèõ ìåòîäîâ. Èç âñåõ ðàññìîòðåííûõ ñèñòåì ýòîò ìåòîä äàåò ìàêñèìàëüíóþ ãðîìêîñòü ñëûøèìîãî øóìà.
 |
|
Ðèñ.7. 16-áèòíûå ñèãíàëû, ïîëó÷åííûå ñ ïîìîùüþ ñòàíäàðòíîãî dithering’à è ñ ïîìîùüþ UV22
|
Apogee UV22
Ýòî, ïîæàëóé, ñàìàÿ ðàñïðîñòðàíåííàÿ ñèñòåìà ñíèæåíèÿ ðàçðÿäíîñòè. Àëãîðèòì UV22 è åãî ìíîãî÷èñëåííûå ìîäèôèêàöèè âñòðîåíû âî ìíîãèå öèôðîâûå ïðèáîðû ðàçíûõ ôèðì è â íåêîòîðûå êîìïüþòåðíûå çâóêîâûå ðåäàêòîðû (íàïðèìåð, VST plug-in UV22).
 UV22 èñïîëüçîâàí dithering ñïåöèàëüíûì øóìîì, ñîäåðæàùèì ìàêñèìóì ýíåðãèè âûøå 18 êÃö. Ïî çàÿâëåíèÿì ïðîèçâîäèòåëÿ, øóì ãåíåðèðóåòñÿ â çàâèñèìîñòè îò èñõîäíîãî àóäèîñèãíàëà è ñîäåðæèò òðè ïèêà ñ äèíàìè÷åñêè ìåíÿþùèìèñÿ ÷àñòîòàìè âûøå 18 êÃö.
 ñëûøèìîé ïîëîñå øóì êâàíòîâàíèÿ èìååò ðîâíûé áåëûé ñïåêòð. Ñëûøèìàÿ ãðîìêîñòü øóìà íà 5 äÁ íèæå, ÷åì ó ñòàíäàðòíîãî dithering'à. Îäíàêî â øóìå ïðîñëåæèâàþòñÿ ïåðèîäè÷åñêèå "ïîöèêèâàíèÿ", êîòîðûå ìîãóò íåñêîëüêî ïîðòèòü îáùóþ êàðòèíó.
 |
|
Ðèñ.8. 16-áèòíûå ñèãíàëû, ïîëó÷åííûå ñ ïîìîùüþ ñòàíäàðòíîãî dithering’a è ñ ïîìîùüþ Sony SBM
|
 |
|
Ðèñ. 9. 16-áèòíûå ñèãíàëû, ïîëó÷åííûå ñ ïîìîùüþ ñòàíäàðòíîãî dithering’à è ñ ïîìîùüþ Waves L1 IDR
|