Замечали ли вы, после подстройки высоты тона сэмпла, загруженного в сэмплер или драм машину, что добавилась грязь и диссонансные гармоники? Такая деградация звука случается при изменении частоты дискретизации, которое неизбежно происходит при транспонировании или варпинге аудиофайла, и связана с эффектом алиасинга — отражением спектральных компонент от частоты Найквиста. Чтобы этого избежать, используются алгоритмы интерполяции и фильтрации.
В данной статье с помощью элементарного теста, проведено сравнение таких алгоритмов в инструментах Impulse, Simpler, Sampler и самом секвенсоре Ableton Live 8, а также с некоторыми бесплатными популярными Vst плагинами.
Методика эксперимента
Эксперимент проведен на ноутбуке Lenovo R500: процессор Intel Core 2 Duo T8570, 2 Gb ОЗУ. Частота дискретизации, в настройках Ableton Live, тестового сэмпла, и экспортируемого файла составляет 44100 Гц. Тестовым файлом является синусоидальный сигнал на частоте 15 кГц, разрядностью 16 бит, который загружается в сэмплер, привязывается к ноте C3, а зона проигрывания расширяется на весь диапазон клавиатуры. Каждый тестируемый сэмплер проигрывает одну и ту же MIDI последовательность – гамма До мажора на две октавы вверх, а после на две вниз от ноты C3. В случае загрузки сэмпла на аудио дорожку секвенсора или в Impulse, с помощью автоматизации параметра tune, воспроизводится эквивалентная последовательность с синхронизацией старта сэмпла и соответствующей midi ноты последовательности. Выходные громкости тестируемых дорожек выставлены с точностью ± 0,1 дБ, с таким запасом, чтобы не возникало перегрузки на мастер канале. Звуковые файлы, являющиеся результатом проигрывания MIDI последовательности или эквивалентной ей каждым инструментом в соло режиме, экспортируется с разрядностью 24 бит и загружается в Adobe Audition. В режиме «spectral frequency display» сравниваются спектрограммы, демонстрирующие изменение звукового спектра от времени. Показания индикатора загрузки ЦПУ в Ableton Live при работе того или иного инструмента приведены в результатах.
Результаты и их обсуждение
| Инструменты Ableton Live 8 | Бесплатные Vst сэмплеры |
Sampler: алгоритм best CPU < 7 %
Sampler: алгоритм good CPU < 7 % Sampler: алгоритм normal CPU < 7 % Sampler: алгоритм no interpolation CPU < 7 % Impulse CPU < 7 % Sequencer: алгоритм HQ включен CPU < 7 % |
DiscoDSP: алгоритм mastering CPU > 350%
DiscoDSP: алгоритм bounce CPU > 50 % DiscoDSP: алгоритм realtime CPU < 7 %
Cakewalk (rgc audio) Sfz+: алгоритм 72 CPU < 7 % Vember audio Shortcircuit 1 CPU < 7 % |
Для сравнения за эталон взято идеальное звучание, а соответственно и спектрограмма экспорта из сэмплера DiscoDSP HighLife в режиме mastering. Идеальности соответствует черный фон (отсутствие шума), в каждый момент времени видно и слышно только одну частоту, за исключением, частот превышающих половинную частоту дискретизации — их быть не должно. К сожалению, такая идеальность имеет свои минусы, так как предназначена только для экспорта. Я попробовал в реальном времени проиграть тестовую последовательность нот. Индикатор загрузки ЦПУ зашкалил до 380%. Не думал, что такое бывает.
Теперь представим, что мы загрузили сэмплы ударных инструментов в Impulse или в Drum Rack, который использует Simpler, и попытались и изменили немного их питч. Результат очевиден, судя по спектрограммам, и на слух, появятся заметные искажения. Impulse чуть хуже, так как немного размазывает спектр сэмпла. Видимо именно поэтому разработчики Ableton рекомендуют использовать Drum Rack вместо Impulse.
Хорошо, будем использовать Drum Rack, и, кажется, каждый Simpler, находящийся в его ячейке, можно преобразовать в Sampler. При этом появится возможность, выставить алгоритм интерполяции. По умолчанию он принимает значение normal, что, как показывает тест, соответствует Simpler'у. Переключение в режим Good, дало улучшения, но на слух искажения по-прежнему заметны. Алгоритм Best порадовал почти неслышимыми искажениями, на сложном сигнале, они будут незаметны, нежели в сравнении с чистой синусоидой. Отсутствие же алгоритма интерполяции может оказаться эффективным творческим инструментом для создания глитчей и диссонансных грязных цифровых текстур, но никак не для высококачественного воспроизведения транспонированного сэмпла.
Оказался интересным алгоритм интерполяции аудио дорожки секвенсора в режиме HQ On, он на слух более благоприятен, чем алгоритм Best Samplera, и как видно на спектрограмме заметно иной: более слабые отраженные от частоты Найквиста тоны, но при этом выше уровень фонового шума, который дополнительно их маскирует, но добавляет общей грязи.
Стоит отметить, что двух ядерный ноутбук шести летней давности не заметил увеличения нагрузки на процессор, и во всех случаях индикатор не превышал 7% барьер, что подтверждает, позиционирование Live’а как инструмента для живого выступления. Второй сугубо личный вывод состоит в том, что для загрузки сэмплов лучше использовать непосредственно аудио трек, нежели любой родной инструмент программы. Конечно, если нет цели заметно изменить его звучание с помощью ADSR амплитуды, питча, фильтра, частотной модуляции (присутствует в Sampler) и т.д… Но добиться более чистого звука можно, используя сторонние инструменты, к обзору которых мы переходим.
Наверное, первым по популярности в сети является плагин Cakewalk Sfz+, позиционируемый для загрузки с SoundFont банков. Он давно распространяется бесплатно (номер версии программы – 1.0). Видимо, «великие» об алиасинге знали многое, в эру довольно примитивных с нашей точки зрения компьютеров. Поэтому Sfz+ имеет девять уровней сложности алгоритма работы с сэмплом, и с самым простым справится слабый процессор. В наше время можно смело использовать вариант «quality:72», что соответствует самому высокому качеству воспроизведения, результат действия его приведен на рисунке. Он немного не дотягивает до идеала (DiscoDSP HighLife в режиме mastering), но на слух все отлично. Недостатком Sfz+ является наличие лишь базовых инструментов для работы с сэмплом, среди которых не представлена возможность установки места его старта, луп поинтов и вариантов проигрывания. Также существуют проблемы с использованием плагина на 64 битных ОС.
DiscoDSP HighLife – объект подражания в наших тестах. Второй алгоритм интерполяции «bounce mode» не сильно уступает по качеству, но использовать его в реальном времени из-за большой нагрузки на процессор также затруднительно. Алгоритм же «realtime mode», судя по спектрограммам, совпадает с алгоритмом «good» в Sampler. Функционал плагина несколько шире чем у Sfz+.
Следующий претендент: Vember Audio Shorcircuit 1. Искажения при транспонировании не слышны и, судя по спектрограмме, его алгоритм занимает место где-то между идеалом и алгоритмом Good Sampler’а. В плагине есть огромный набор фильтров превосходного качества, которым не может похвастать даже Kontakt от Native Instrument. Интерфейс очень прост и легок в освоении. Практически бочка меда, если бы не ложечка дегтя, о которой можно почитать на форуме пользователей. Этот плагин дает задержку и съедает атаку сэмпла. Причем в версии 1.0.15 этого не было (так что если вы знаете, где взять именно эту версию и готовы поделиться, буду очень вам признателен). Но стоит отметить, задержка порядка 32 сэмплов, не критична. В Live это можно компенсировать. Смазанную атаку не исправить, но на слух она не заметна. Следующая версия Shorcircuit 2, порадовала улучшенным графическим интерфейсом. Тесты показали, что смазанная атака отсутствует, но задержка по-прежнему на месте. Жаль, что разработчики оставили эту прекрасную вещь недоработанной. Кстати, если не ошибаюсь, то один из разработчиков этого сэмплера был в команде Ableton, и сейчас он в новой коллаборации занимается проектом со схожим идеологическим подходом, но с некоторыми дополнительными и очень удобными функциями: bitwig.com.
Заключение
Надеюсь, что данная статья, поможет в создании более качественно звучащих фонограмм и ни в коем случае не станет объектом для возникновения споров и очередных холиваров на тему плагинов и музыкального программного обеспечения.
Если вам хочется больше сравнений с другими сэмплерами, то в конце будут ссылки на методику и результаты, которые не отражены в рамках данной статьи. Делать тесты всех существующих плагинов нецелесообразно, а некоторые умышленно не включены в статью (к примеру Kontakt и Battery), так как хочу призвать читателя самому провести эксперимент. Для этого достаточно загрузить 15 килогерцовый синус или любой высокочастотный аудио файл в любимый сэмплер и пробежаться по клавишам на две октавы вверх. Ваш слух не подведет.
Те, кто внимательно рассмотрел спектрограммы, заметили, что при транспонировании сэмпла на октаву, приводит к меньшим искажениям, т.к. алгоритм интерполяции упрощается в связи с изменением частоты дискретизации сэмпла в кратное двойке количество раз. Если частота дискретизации сэмпла и в настройках программы не будут совпадать, этот эффект исчезнет, и в целом результаты теста будут хуже. Решением может быть использование кодеков для оффлайн преобразования частоты дискретизации аудио файлов еще до использования их в проекте. Существует множество инструментов, позволяющих это осуществить, и одним из лучших является бесплатный плагин от Voxengo r8brain free.
Хочу призвать к изучению мат части, хотя бы на том уровне, на котором это вам доступно, тех, кто этим еще не занялся (такое распространено среди цифровых композиторов). Начать стоит с теоремы Найквиста и чтения мануала к программному обеспечению, или иных документов, таких как «Audio Engine Fact Sheet» от Ableton, в которых в описаны, операции, приводящие к деградации звука. Обладание соответствующими знаниями позволит избежать нежелательного ухудшения звука при создании композиций.
Чистого вам звука!
Ссылки
Методика и результаты тестов сэмплеров:
www.discodsp.com/highlife/aliasing/
jeskola.net/xs1/content/test/
www.maz-sound.de/resampling
www.simonv.com/tutorials/quality.php
Методика и результаты тестов алгоритмов преобразования частоты дискретизации программ для работы с аудио:
src.infinitewave.ca/
Мат часть:
www.digital-recordings.com/publ/pubneq.html — теорема Найквиста в контексте звукового применения
en.wikipedia.org/wiki/Aliasing — алиасинг
kunz.corrupt.ch/dsp — еще кое-что полезное по цифровому синтезу и созданию эффектов для «подкованных»
Автор: Enessar
