Как узнать битность музыки
Сравнение 24-битного и 16-битного звука: результаты аудиотеста
Блогер Archimago немало сил потратил, чтобы ответить на вопрос: какое качество звука человек способен определять на слух? В рамках одного из его последних аудиотестов респондентов просят вслепую различить звуки с динамическим диапазоном 24 бит и 16 бит. Каждый из них скачивал несколько пар 24-битных файлов, один из которых претерпел конверсию 24-16-24 бита, то есть на практике был 16-битным файлом. Их просили определить разницу.
В тесте приняли участие 140 добровольцев (138 мужчин и 2 женщины: честная демографическая картина для аудиофилов). Средний возраст респондентов: 44 года.
Согласно анкетам, более 20% респондентов назвались музыкантами и звукоинженерами, поэтому можно сравнить результаты среди «профессионалов» и любителей, с учётом статистической погрешности.
А в композиции Bozza 52,85% пользователей ошиблись, приняв 16-битный файл за 24-битный.
20 респондентов правильно ответили на все вопросы, а 21 человек ошибся во всех вариантах, что тоже вписывается в рамки статистического распределения.
Ещё более удивительно, что музыканты показали результат хуже среднего, даже с учётом статистической погрешности! Особенно сильно напутали в композиции Вивальди.
Наушники тоже вовсе не помогают отличить 16-битную музыку от 24-битной.
Подводя итог. Конечно, есть приложения, в которых нужно работать именно с 24-битным звуком (тот же мастеринг). Но факт в том, что на слух 16- и 24-битный звук совершенно не различимы друг от друга. Если кто-то заявляет, что способен услышать разницу, то этот человек наверняка заблуждается.
Цифровое представление аналогового аудиосигнала. Краткий ликбез
Дорогие читатели, меня зовут Феликс Арутюнян. Я студент, профессиональный скрипач. В этой статье хочу поделиться с Вами отрывком из моей презентации, которую я представил в университете музыки и театра Граца по предмету прикладная акустика.
Рассмотрим теоретические аспекты преобразования аналогового (аудио) сигнала в цифровой.
Статья не будет всеохватывающей, но в тексте будут гиперссылки для дальнейшего изучения темы.
Чем отличается цифровой аудиосигнал от аналогового?
Аналоговый (или континуальный) сигнал описывается непрерывной функцией времени, т.е. имеет непрерывную линию с непрерывным множеством возможных значений (рис. 1).
Цифровой сигнал — это сигнал, который можно представить как последовательность определенных цифровых значений. В любой момент времени он может принимать только одно определенное конечное значение (рис. 2).
Аналоговый сигнал в динамическом диапазоне может принимать любые значения. Аналоговый сигнал преобразуется в цифровой с помощью двух процессов — дискретизация и квантование. Очередь процессов не важна.
Дискретизацией называется процесс регистрации (измерения) значения сигнала через определенные промежутки (обычно равные) времени (рис. 3).
Квантование — это процесс разбиения диапазона амплитуды сигнала на определенное количество уровней и округление значений, измеренных во время дискретизации, до ближайшего уровня (рис. 4).
Дискретизация разбивает сигнал по временной составляющей (по вертикали, рис. 5, слева).
Квантование приводит сигнал к заданным значениям, то есть округляет сигнал до ближайших к нему уровней (по горизонтали, рис. 5, справа).
Эти два процесса создают как бы координатную систему, которая позволяет описывать аудиосигнал определенным значением в любой момент времени.
Цифровым называется сигнал, к которому применены дискретизация и квантование. Оцифровка происходит в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Чем больше число уровней квантования и чем выше частота дискретизации, тем точнее цифровой сигнал соответствует аналоговому (рис. 6).
Уровни квантования нумеруются и каждому уровню присваивается двоичный код. (рис. 7)
Количество битов, которые присваиваются каждому уровню квантования называют разрядностью или глубиной квантования (eng. bit depth). Чем выше разрядность, тем больше уровней можно представить двоичным кодом (рис. 8).
Данная формула позволяет вычислить количество уровней квантования:
Если N — количество уровней квантования,
n — разрядность, то
Обычно используют разрядности в 8, 12, 16 и 24 бит. Несложно вычислить, что при n=24 количество уровней N = 16,777,216.
При n = 1 аудиосигнал превратится в азбуку Морзе: либо есть «стук», либо нету. Существует также разрядность 32 бит с плавающей запятой. Обычный компактный Аудио-CD имеет разрядность 16 бит. Чем ниже разрядность, тем больше округляются значения и тем больше ошибка квантования.
Ошибкой квантований называют отклонение квантованного сигнала от аналогового, т.е. разница между входным значением 
и квантованным значением 
(
)
Большие ошибки квантования приводят к сильным искажениям аудиосигнала (шум квантования).
Чем выше разрядность, тем незначительнее ошибки квантования и тем лучше отношение сигнал/шум (Signal-to-noise ratio, SNR), и наоборот: при низкой разрядности вырастает шум (рис. 9).
Разрядность также определяет динамический диапазон сигнала, то есть соотношение максимального и минимального значений. С каждым битом динамический диапазон вырастает примерно на 6dB (Децибел) (6dB это в 2 раза; то есть координатная сетка становиться плотнее, возрастает градация).
Ошибки квантования (округления) из-за недостаточного количество уровней не могут быть исправлены.
50dB SNR
примечание: если аудиофайлы не воспроизводятся онлайн, пожалуйста, скачивайте их.
Теперь о дискретизации.
Как уже говорили ранее, это разбиение сигнала по вертикали и измерение величины значения через определенный промежуток времени. Этот промежуток называется периодом дискретизации или интервалом выборок. Частотой выборок, или частотой дискретизации (всеми известный sample rate) называется величина, обратная периоду дискретизации и измеряется в герцах. Если
T — период дискретизации,
F — частота дискретизации, то 
Чтобы аналоговый сигнал можно было преобразовать обратно из цифрового сигнала (точно реконструировать непрерывную и плавную функцию из дискретных, «точечных» значении), нужно следовать теореме Котельникова (теорема Найквиста — Шеннона).
Теорема Котельникова гласит:
Если аналоговый сигнал имеет финитный (ограниченной по ширине) спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим дискретным отсчетам, взятым с частотой, строго большей удвоенной верхней частоты.
Вам знакомо число 44.1kHz? Это один из стандартов частоты дискретизации, и это число выбрали именно потому, что человеческое ухо слышит только сигналы до 20kHz. Число 44.1 более чем в два раза больше чем 20, поэтому все частоты в цифровом сигнале, доступные человеческому уху, могут быть преобразованы в аналоговом виде без искажении.
Но ведь 20*2=40, почему 44.1? Все дело в совместимости с стандартами PAL и NTSC. Но сегодня не будем рассматривать этот момент. Что будет, если не следовать теореме Котельникова?
Когда в аудиосигнале встречается частота, которая выше чем 1/2 частоты дискретизации, тогда возникает алиасинг — эффект, приводящий к наложению, неразличимости различных непрерывных сигналов при их дискретизации.
Как видно из предыдущей картинки, точки дискретизации расположены так далеко друг от друга, что при интерполировании (т.е. преобразовании дискретных точек обратно в аналоговый сигнал) по ошибке восстанавливается совершенно другая частота.
Аудиопример 4: Линейно возрастающая частота от
100 до 8000Hz. Частота дискретизации — 16000Hz. Нет алиасинга.
Аудиопример 5: Тот же файл. Частота дискретизации — 8000Hz. Присутствует алиасинг
Пример:
Имеется аудиоматериал, где пиковая частота — 2500Hz. Значит, частоту дискретизации нужно выбрать как минимум 5000Hz.
Следующая характеристика цифрового аудио это битрейт. Битрейт (bitrate) — это объем данных, передаваемых в единицу времени. Битрейт обычно измеряют в битах в секунду (Bit/s или bps). Битрейт может быть переменным, постоянным или усреднённым.
Следующая формула позволяет вычислить битрейт (действительна только для несжатых потоков данных):
Битрейт = Частота дискретизации * Разрядность * Количество каналов
Например, битрейт Audio-CD можно рассчитать так:
44100 (частота дискретизации) * 16 (разрядность) * 2 (количество каналов, stereo)= 1411200 bps = 1411.2 kbit/s
При постоянном битрейте (constant bitrate, CBR) передача объема потока данных в единицу времени не изменяется на протяжении всей передачи. Главное преимущество — возможность довольно точно предсказать размер конечного файла. Из минусов — не оптимальное соотношение размер/качество, так как «плотность» аудиоматериала в течении музыкального произведения динамично изменяется.
При кодировании переменным битрейтом (VBR), кодек выбирает битрейт исходя из задаваемого желаемого качества. Как видно из названия, битрейт варьируется в течение кодируемого аудиофайла. Данный метод даёт наилучшее соотношение качество/размер выходного файла. Из минусов: точный размер конечного файла очень плохо предсказуем.
Усреднённый битрейт (ABR) является частным случаем VBR и занимает промежуточное место между постоянным и переменным битрейтом. Конкретный битрейт задаётся пользователем. Программа все же варьирует его в определенном диапазоне, но не выходит за заданную среднюю величину.
При заданном битрейте качество VBR обычно выше чем ABR. Качество ABR в свою очередь выше чем CBR: VBR > ABR > CBR.
ABR подходит для пользователей, которым нужны преимущества кодирования VBR, но с относительно предсказуемым размером файла. Для ABR обычно требуется кодирование в 2 прохода, так как на первом проходе кодек не знает какие части аудиоматериала должны кодироваться с максимальным битрейтом.
Существуют 3 метода хранения цифрового аудиоматериала:
Несжатый (RAW) формат данных
Другой формат хранения несжатого аудиопотока это WAV. В отличие от RAW, WAV содержит заголовок файла.
Аудиоформаты с сжатием без потерь
Принцип сжатия схож с архиваторами (Winrar, Winzip и т.д.). Данные могут быть сжаты и снова распакованы любое количество раз без потери информации.
Как доказать, что при сжатии без потерь, информация действительно остаётся не тронутой? Это можно доказать методом деструктивной интерференции. Берем две аудиодорожки. В первой дорожке импортируем оригинальный, несжатый wav файл. Во второй дорожке импортируем тот же аудиофайл, сжатый без потерь. Инвертируем фазу одного из дорожек (зеркальное отображение). При проигрывании одновременно обеих дорожек выходной сигнал будет тишиной.
Это доказывает, что оба файла содержат абсолютно идентичные информации (рис. 11).
Кодеки сжатия без потерь: flac, WavPack, Monkey’s Audio…
При сжатии с потерями
акцент делается не на избежание потерь информации, а на спекуляцию с субъективными восприятиями (Психоакустика). Например, ухо взрослого человек обычно не воспринимает частоты выше 16kHz. Используя этот факт, кодек сжатия с потерями может просто жестко срезать все частоты выше 16kHz, так как «все равно никто не услышит разницу».
Другой пример — эффект маскировки. Слабые амплитуды, которые перекрываются сильными амплитудами, могут быть воспроизведены с меньшим качеством. При громких низких частотах тихие средние частоты не улавливаются ухом. Например, если присутствует звук в 1kHz с уровнем громкости в 80dB, то 2kHz-звук с громкостью 40dB больше не слышим.
Этим и пользуется кодек: 2kHz-звук можно убрать.
Кодеки сжатия с потерям: mp3, aac, ogg, wma, Musepack…
Как определить истинное качество звука потокового аудио
Пару лет назад мы написали статью о том, как определить истинный битрейт любого аудиофайла, а также почему конвертация YouTube в MP3 со скоростью 320 кбит / с — пустая трата времени. Наша цель состояла в том, чтобы помочь пользователям определить истинное качество звука музыкальных файлов, за которые они заплатили и загрузили, чтобы избежать музыкальных сервисов, которые утверждают, что предлагают высококачественный звук без потерь, но, к примеру, подают MP3, преобразованные в FLAC.
Многие пользователи также спрашивали, как они могут определить истинное качество звука потоковой музыки, а не локальных файлов. Это большой вопрос, так как в последние годы появилось много потоковых сервисов HiFi, утверждающих, что они предлагают своим пользователям высококачественные музыкальные потоки без потерь.
Поэтому нам нужно использовать почти идеальный точный анализатор спектра для потоковой передачи звука и понять, как его читать в режиме реального времени.
MusicScope — это анализатор звука в реальном времени и измерительный инструмент, который может обеспечить очень точную обратную связь при потоковой передаче звука. К сожалению, разработчики прекратили продавать лицензии на программное обеспечение, но пробная версия позволяет тестировать до 30 секунд звука.
Для целей данного руководства мы приведем примеры использования программного обеспечения с локальными файлами в разных форматах. Однако вся предоставленная информация может в равной степени применяться к потоковому аудио, например, от Spotify, Deezer и т. Д.
Определение частоты и диапазона громкости LRA
Давайте попробуем трек без потерь (.M4A ALAC) «Прогулка по небу» из фильма «Движущийся замок Хаула». Это оркестровая запись, поэтому мы должны получить хороший образец всех частотных диапазонов. Например, мы можем видеть изолированные высокочастотные пики, например, мерцание тарелок между 11 и 22 кГц.
Наблюдая за графиками в MusicScope, мы видим, что динамический диапазон очень высок, как и следовало ожидать от оркестровой записи.
MusicScope также может дать нам LRA (диапазон громкости), который измеряет контраст между самыми мягкими и самыми громкими частотами. Для этого конкретного трека, мы видим, что разница между самыми тихими и самыми громкими пассажами составляет около 23 децибел.
С точки зрения микродинамики, этот конкретный трек имеет очень большой динамический диапазон, который мы ожидаем от высококачественной оркестровой записи, но также происходит несколько интересных вещей.
MusicScope может сказать нам, выиграет ли трек от более высокого разрешения. Так что этот трек, в частности, записывается с 16-битной глубиной с частотой дискретизации 44 кГц. Но мы можем сказать, что у трека есть большой запас. От 0 до 6 децибел ниже полной шкалы нет данных в линейном частотном спектре.
Таким образом, эффективный битрейт этой дорожки составляет всего около 14–15 бит, что означает, что они могли применить сжатие динамического диапазона во время основной записи, или микрофоны, используемые во время записи, не улавливали всю информацию.
Поэтому, даже если бы существовала версия этого файла с тактовой частотой 96 кГц, это не принесло бы пользы, поскольку наиболее вероятно, что микрофоны, использованные во время записи, не улавливали все данные. Это связано с тем, что большинство микрофонов спроектированы для отображения на частотах человеческого слуха, поэтому, честно говоря, 96-кГц / 24-битная запись этой дорожки не принесет заметной разницы.
Вывод из этого заключается в том, что для улучшения качества звука мы фокусируемся на том, что происходит на этапе записи и мастеринга. Сосредоточение внимания на аудиофайлах с «высоким разрешением» ради файлов с высоким разрешением отвлекает нас от того, что действительно важно, а именно от оборудования для записи и используемого процесса.
Как узнать, может ли песня иметь лучшую аудио версию
Давайте попробуем использовать дорожку EDM «Zebra» из Oneohtrix Point Never в 24-битном формате 44 кГц. Что интересно в этом конкретном треке, так это просто плотность музыкальной информации в этом треке. Вы можете видеть на спектрограмме сплошной зеленый блок и наблюдать, как он заполняет всю дорожку.
Этот трек имеет LRA около 12,9, что довольно много для трека EDM. Здесь интересно то, что вы можете видеть, что это 24-битное отслеживание, которое использует почти все 24 бита динамического диапазона. Самая тихая музыка в этой записи примерно на 100 дБ ниже самого громкого шума.
Так что, глядя на спектрограмму, вы можете сказать, что этот трек обрезан на частоте 22 кГц, это действительно жесткое срезание, а высокочастотные пики на частотах около 22 кГц всего на 60 децибел ниже полной шкалы.
Это означает, что если бы у нас была версия этого трека 96 кГц, вероятно, было бы много информации выше 22 кГц, которая не попала бы в эту версию трека.
Проще говоря, ваш опыт прослушивания мог бы выиграть от версии этого трека с более высоким разрешением. Этот трек достигает пределов своего формата (частота дискретизации 44 кГц). Как только вы поймете процесс мышления, вы по-настоящему начнете понимать, обслуживаете ли вы наилучшую версию трека в потоковом сервисе hi-fi.
Как сказать плохое качество записи звука
Давайте используем трек «Fly Away» от TeddyLoid, в 16-битном формате 44 кГц. Мы сразу слышим, что трек был горячо освоен.
Посмотрев на график радара, мы увидим, что дорожка непрерывно достигает максимальной длительности песни, поэтому она непрерывно ограничивается в натуральную величину. Так что, если вы играете этот трек на оборудовании среднего уровня, он, вероятно, сильно искажает.
Также этот трек имеет LRA около 2,3, что означает, что динамический диапазон составляет 2,3 децибела по всему треку, что выглядит довольно безумно.
Плохое качество или преднамеренное производство?
При рассмотрении трека, такого как «Fly Away», мы также должны учитывать, является ли он треком с плохим мастерингом, например, любительским, или он был намеренным. Трек «Fly Away» должен был стать своего рода «одноразовым», громким танцевальным треком. Звучит так, как будто его играют через плохих ораторов, что, собственно, и было целью мастеринга трека.
Думайте об этом как о фильтрах камеры. Если вы сделаете селфи с высоким разрешением, примените фильтр сепии и добавите, например, эффект размытия. Люди могут подумать, что вы сделали нечеткую фотографию плохого качества, но на самом деле это было ваше намерение. То же самое может случиться с музыкальной продукцией, такой как намеренно плохая музыка «гаражного панка».
Итак, подведем итог. Мы можем использовать MusicScope для определения всевозможной информации о музыкальной дорожке, но мы также должны учитывать, что было задумано исполнителем, и было ли некачественное мастеринг на самом деле формой искусства или чем-то в этом роде.
4 простых и бесплатных программы для проверки качества аудиозаписей в формате MP3
Всех приветствую, кто заглянул на огонек. Речь в обзоре пойдет, как вы наверно уже догадались, о четырех бесплатных программах, предназначенных для проверки качества аудиозаписей в формате MP3. Программы бесплатные и большинство из них имеет понятный интерфейс, многие из них не требуют установки и могут работать с флешки. Если заинтересовались, милости прошу.
Несмотря на преклонный возраст, формат звука MP3 (MPEG-1 audio layer 3) по-прежнему остается лидером и большинство музыкальных треков и других звукозаписей кодируются именно в этом формате. Из преимуществ можно отметить хорошее качество на выходе, отличную компрессию, аппаратную поддержку практически на всей аппаратуре, низкие системные требования и поддержку со стороны всех редакторов. Минусов немного и если опустить ограничения на количество каналов (максимум два) и частоту дискретизации (максимум 48кГц), которые не очень то и критичны, то самым главным можно считать особенность кодера, который использует спектральные отсечения согласно психоакустической модели. Если простыми словами, то кодер берет за основу слух среднестатистического человека, который в теории не слышит ниже 20 Гц (глубокие упругие басы) и выше 15 кГц (детализация речи, вокальные инструменты и прочее) и отрезает ту самую часть спектра, либо больше, если выставлено низкое качество. Зачем кодировать то, что многие не в силах услышать или не хотят приобретать аппаратуру, способную это воспроизводить? Также подумали разработчики и создали замечательный формат MP3. Все что за этими пределами – удел Hi-Res аудио, а там главенствуют другие форматы, да и ценники на аппаратуру совсем другие, поэтому если хотите «слышать все», переходите на «новый уровень».
Все это можно посмотреть на наглядных спектрограммах. В качестве примера трек с качеством 320kbps:
Можно заметить характерный срез на 20,5 кГц, а почти все, что выше, вырезалось кодером. Остались только небольшие всплески, которые алгоритм счел нужным оставить. Также срезалась небольшая часть информации выше 16 кГц, виден небольшой «бордюр». В оригинале спектрограмма следующая:
Если сравнить размеры файла, то во FLACе трек весит в 3 раза больше, чем в MP3 320kbps:
Если взглянуть на спектрограмму с битрейтом 128kbps, то там вырезано практически все, что выше 16 кГц:
Если у вас не «изысканный» слух и нет соответствующей аппаратуры, способной досконально воспроизводить несжатую музыку, то особого смысла за ней гнаться нет, хватит и честного MP3 320kbps. Но вот главная проблема заключается в том, что некоторые недобросовестные пользователи конвертируют треки из 128kbps, выдавая их за 320kbps (апконверт). При аналогичном размере качество будет соответствовать 128kbps, поэтому дабы не хранить гигабайты «дутых» треков, есть несколько программ, помогающих выявить «пережатки».
Наиболее популярная программа для проверки аудиозаписей:
Размер крохотный, есть портабельная и установочные версии. Для удобства рекомендую добавить соответствующий пункт в контекстное меню проводника. К сожалению, не умеет работать с несколькими файлами одновременно, поэтому проверка всей музыкальной коллекции/диска может затянуться.
Spectro:
Представляет собой альтернативу предыдущей программы, но дополнительно выдает некоторую информацию по треку:
Также как и предыдущая, не умеет работать с несколькими файлами (папками) одновременно.
Foobar:
Представляет собой многофункциональный плеер с огромным количеством настроек и плагинов, с помощью которых можно строить спектрограммы. Сам я пользуюсь AIMPом и SPEKом, поэтому себе не устанавливал и в подробности настроек не вникал.
Console Audio Tools:
Представляет собой пакет утилит для проверки и конвертации аудиофайлов. Умеет стоить наглядные спектрограммы:
Программа консольная, графической оболочки не имеет, поэтому не очень удобна в использовании.
*Upd, совсем забыл про замечательную программу Audacity, спасибо Stanislav Yuzva, что напомнил про нее
Audacity:
Представляет собой полноценный звуковой редактор, в котором можно отредактировать трек/дорожки, перекодировать в другой формат, записать звук с любого источника и многое другое:
Основной упор сделан именно на редактирование: склейка/обрезка, изменение параметров звучания и наложение эффектов, сведение дорожек и прочее. В отличие от популярных монстров типа Adobe Audition, эта программа небольшая (есть портабельная версия) и абсолютно бесплатная. Единственный минус, нет быстрого доступа к построению спектрограммы, первые две проги в этом плане гораздо предпочтительнее.
Выводы:
Это далеко не полный список программ, но я попытался рассказать о наиболее простых и бесплатных, использование которых не потребует каких-либо дополнительных знаний. С их помощью можно с легкостью выявить апконверт в своей коллекции и при желании заменить трек на более качественный.
Ах да, сейчас в самом разгаре распродажа, поэтому рекомендую заглянуть!