Бит против килогерца: что важнее?

Размышления об успехе 12-битной драм-машины E-Mu SP-1200 и довольно узкая динамика поп/рок-репертуара зародил еретические мысли. Оптимальны ли характеристики наших цифровых протоколов?

Любители студийного мастер-звука могут сердиться сколько угодно, но факт остается фактом. Формат Red Book при немыслимом для цифровых технологий возрасте 35 лет все еще остается основным контейнером для коммерческих фонограмм. Даже если вы слушаете ощипанный трек в MP3 или iTunes, его пропорции описаны в тех же 16 битах на опорные 44,1 кГц дискретизации. Много это или мало? Смотря что мерить.

Компакт-диск или файл в аналогичном формате в состоянии обеспечить 16 х 6 = 96 дБ между самым тихим и громким пассажем. Это очень даже немало. Техническим сигналом для лабораторных испытаний можно заставить ЦАП выдать такой показатель, но я не знаю реальных музыкальных событий с подобным размахом. Даже тот самый «1812» с пушечкой — там 60 дБ в самых пиковых моментах и чуть больше 20 дБ в среднем. В современной фонограмме показатели динамического диапазона сужены обычно раза в три.

По преданиям, Philips сначала хотела остановиться на 14-битном разрешении; умножаем 14 на 6 = 84 дБ, это по-прежнему выше уровня рокота самых дорогих виниловых трактов. Первое поколение ЦАПов Philips TDA1540 оперировало именно с 14 бит и ничего, многие винтажисты очень довольны этим чипом по сей день.

Первое поколение CD-плееров использовало 14-битный ЦАП Philips TDA1540

В общем, CD-качества вроде бы хватает с головой для самых смелых аудиозадач. И все-таки, когда сравниваешь мастер в Hi-Res и полученный из него стандартный Red Book CD, кажется, что-то утеряно. Где-то больше, где-то не очень — зависит от контента. Но и не забывайте, что ресемплинг и понижение битности понижается различными алгоритмами, так что итоговое качество для CD-печати получается гадательным.

Мой личный опыт возни с записью, редактированием и воспроизведением цифрового аудио по большому счету имеет две точки мнительности. Первая выглядит вполне технически обоснованной.

Мне категорически не нравится, что на аудиопотоке с дискретностью 44,1 кГц граничная частота лежит слишком низко, в области 20 кГц. Вроде бы там особо и не должно быть слышно, но как показывают графики работы цифровой фильтрации ЦАПа, в окрестностях творится черт знает что. Жесткий срез спектра записи, хотя в жизни имеет место пологое падение. Или наоборот, ранний завал из-за специфики фильтра. А еще какие-то паразитные гармоники на высоких частотах. Удельный вес относительно общего сигнала у них не очень большой, но все равно картинка получается неприглядная. Все вот эти оверсемплинги требуются из-за невозможности установить на 22,05 кГц нормальный аналоговый фильтр.

Было бы прекрасно, если бы в начале 80-х стандартом оставили дискретизацию 50 кГц первых цифровых рекордеров Soundstream. А еще лучше, если бы она составила примерно 60 кГц. Таким образом, мы бы получили достаточно протяженную АЧХ, обеспечивающую плавный спад всех музыкальных штрихов и нюансов до 30 кГц, как в хорошем магнитофоне или SACD. Вот выше уже действительно ничего нет. Но в итоге получилось по-другому.

До анонса компакт-диска цифровые рекордеры Soundstream записывали звук с параметрами 16 бит / 50 кГц

Sony выбрала значение 44,1 кГц из-за совместимости со стандартом PAL. Профессиональные видеомагнитофоны Betacam и VHS позволяли делать запись PCM-кода аудио. Три значения укладывались в каждую из 588 строк видеосигнала PAL, передаваемого с частотой 25 кадров в секунду: 3 х 588 х 25 = 44100. Вот такая арифметика.

Видеомагнитофон Sony с помощью процессора PCM-F1 мог записывать цифровой аудиокод

Дальнейшее развитие цифровых технологий записи и воспроизведения использовало кратное умножение базовых форматов CD и DAT — 44,1 и 48 кГц: т.е. 88,2, 96 кГц и так далее. Конечно, появилась возможность отодвинуть помехи квантования подальше в ультразвук, но ведь и кратно росли размеры аудиофайлов. А еще прибавка в полтора раза при переходе с 16 на 24 бит. А если это будет 32 бит? И при попытке сделать этот огромный аудиомассив чуть меньше меня добивает вторая мнительность.

Казалось бы, разрешение 24 бит и выше подразумевает выборку далеко за пределами человеческого слуха. Шутка ли, 24 х 6: нет такой ни техники, ни фонограмм, чтобы они плясали в диапазоне 144 дБ. Для того 24 бит и затевались в студиях — вынести любые ошибки наложения при редактуре куда подальше. Но стоит подвергнуть такой файл децимации, даже просто ресемплингу из 192 в 96 кГц, и что-то неуловимо меняется. Чуть другие уровни, чуть более плоский и тупой саунд, который мне не очень нравится в сравнении. Поэтому я выбираю оригинальные хайрезы не за абстрактную частотку, а лишь за отсутствие шрамов, которыми обрастает мастер-файл по пути вниз. Попытаемся оценить эти увечья.

Для экспериментов был выбран питомец лейбла 2L, который предлагает некоторые свои DXD-записи для свободного скачивания. Надо сказать, репертуар, как это бывает у аудиофильских контор, довольно тягостный и медлительный. Но, к счастью, там нашлась и выручила «Детская увертюра» Эжена Бозза. Эта фонограмма довольно энергично брякает, чтобы судить об изменении саунда при трансформации мастер-файла.

Изначально 5 с половиной минут DXD-оригинала «Детской увертюры» с характеристиками 24 бит / 352,8 кГц занимает целых 437 мегабайт. И это еще сжатое во FLAC, практически размер целого CD! На чем будем экономить?

На заре цифрового звука еще не существовало эффективных моделей борьбы с ошибками квантования. Да и вычислительным мощностям процессоров было многое не под силу. Шкворчание 8-битного саунда первых компьютерных игр стало стереотипом на долгие поколения вперед, но сейчас вы сами убедитесь, что 8 бит сегодня может играть вполне прилично. Чудодейственной панацеей стал так называемый дизеринг (dither), а если еще точнее — его разновидность, нойз-шейпинг (noise shaping).

В весьма толковой статье разработчика iZotope Алексея Лукина дается наглядный пример, как подмешивание горстки шума выручает картинку при снижении разрешения до 4 бит с 16-ю градациями яркости. Просто чудо, когда видишь, как ошибки квантования (так называемая постеризация изображения) практически сходят на нет. То же самое происходит и со звуком.

В отличие от общего случая дизеринга, нойз-шейпинг генерируется не во всей полосе полос, а лишь на высокочастотной области, что менее заметно на слух. Рассуждения о заметности схожи с помыслами разработчиков MP3-алгоритма, с той лишь разницей, что эти в частотный диапазон добавляют, а не режут. Нойз-шейпинг позволяет увеличить динамический диапазон фонограммы, от души его применяют в DSD кодировании и также видны следы его работы при записи «Детской увертюры».

Итак, с помощью ресемплера и фирменного нойз-шейпинга iZotope MBIT+ был сгенерирован целый ворох «Детских увертюр». Получилась стопочка FLAC-ов с разрядностью 8, 12, 16, 20 и 24 бит на кратной дискретизации 44,1 или 88,2 кГц. Также не обошлось без пары образцов МР3 битрейтом 320 кб/с. Один был опрокинут из файла 24 бит / 88,2 кГц, другой из 16 бит / 44,1 кГц, которые также представлены в этом списке. Архив можно скачать и самостоятельно решить, кому что нравится.

Понятное дело, четче и лучше всех отыграла самая полная версия 24/88, практически неотличимо от оригинала. Я надеялся, что понижение до 20 бит не скажется на качестве, но не тут-то было. Значит, начнем двигаться с другой стороны списка.

Сортировка в папке по размеру показала, что самым маленьким оказался образец 8 бит / 44,1 кГц. Менее 12 мегабайт после 400! Несмотря на слышимый шумок, звучит он весьма задорно и это не иллюзия — после всей математики уровень фонограммы немного подрос. Следующими по объему ожидаемо шли МР3. Не знаю как вам, но мне из всего набора проверять их было скучнее всего. И это при том, что в паузе у таких файлов было все чисто и аккуратно. Ну не мое, и все тут. Скомканный серый звук без огонька. Приятнее слушать пусть шумноватый, но лосслесс с низкой битностью, напоминает кассету. Вот на них и выруливаем дальше.

В полтора раза больше чем МР3 оказалась пара образцов на 12 бит / 44,1 кГц и 8 бит / 88,2 кГц. Размер — 19,7 и 23,5 Мб соответственно. По сравнению с базовым CD-разрешением (28,5 Мб) дополнительный шум заметен разве что в 8-битном треке, да и то в наушниках. Я не смог отдать однозначное предпочтение какой-то одной версии.

Субъективно файл более высокой битности играет быстрее, напористей, особенно это касается 24 бит / 44,1 кГц. Но и у 8- и 12-битного аудио на более высокой частоте дискретизации 88,2 кГц имеются несомненные плюсы. Более «гибкие» послезвучия, глубже строится сцена в отсутствие цифрового фильтра в слышимой области. Вы также можете сгруппировать треки по размерам и сравнить их самостоятельно.

По коэффициенту качество/размер я бы выделил следующую тройку, и вся она, увы, опирается на повышенную частоту дискретизации 88,2 кГц:
• 12 бит / 88,2 кГц (13-кратное уменьшение оригинала)
• 8 бит / 88,2 кГц (18,5-кратное уменьшение оригинала)
• 16 бит / 88,2 кГц (10-кратное уменьшение оригинала)

Подытоживая этот обзор, если можно было перезапустить всю цифровую индустрию заново, я бы предпочел использовать следующую градацию PCM-протоколов:
• Частота дискретизации 60 кГц в качестве индустриального стандарта
• Частота дискретизации 120 кГц для ответственных High-End задач
• Длина разряда в 10 бит для потокового аудио (10 бит / 60 кГц)
• Длина разряда в 14 бит для стандартной дистрибуции музыки (14 бит / 60 кГц)
• 22 бит для студийной работы и аудиофильских изданий музыки (22 бит / 60 кГц или 22 бит / 120 кГц)

Подготовлено по материалам портала "Stereo & Video", ноябрь 2017 г. www.stereo.ru