Чи помічали ви, після підстроювання висоти тону семпли, завантаженого в семплер або драм машину, що додалася бруд і дисонансні гармоніки? Така деградація звуку трапляється при зміні частоти дискретизації, яке неминуче відбувається при транспонировании або варпінге аудіофайлу, і пов'язана з ефектом аліасинга - відображенням спектральних компонент від частоти Найквіста. Щоб цього уникнути, використовуються алгоритми інтерполяції і фільтрації.
У даній статті за допомогою елементарного тесту, проведено порівняння таких алгоритмів в інструментах Impulse, Simpler, Sampler і самому секвенсорі Ableton Live 8, а також з деякими безкоштовними популярними Vst плагінами.
Експеримент проведено на ноутбуці Lenovo R500: процесор Intel Core 2 Duo T8570, 2 Gb ОЗУ. Частота дискретизації, в настройках Ableton Live, тестового семпли, і експортованого файлу складає 44100 Гц. Тестовим файлом є синусоїдальний сигнал на частоті 15 кГц, розрядністю 16 біт, який завантажується в семплер, прив'язується до ноті C3, а зона програвання розширюється на весь діапазон клавіатури. Кожен тестований семплер програє одну і ту ж MIDI послідовність - гамма До мажору на дві октави вгору, а після на дві вниз від ноти C3. У разі завантаження семпли на аудіо доріжку секвенсора або в Impulse, за допомогою автоматизації параметра tune, відтворюється еквівалентна послідовність із синхронізацією старту семпли і відповідної midi ноти послідовності. Вихідні гучності тестованих доріжок виставлені з точністю ± 0,1 дБ, з таким запасом, щоб не виникало перевантаження на майстер каналі. Звукові файли, які є результатом програвання MIDI послідовності або еквівалентної їй кожним інструментом в соло режимі, експортується з розрядністю 24 біт і завантажується в Adobe Audition. У режимі «spectral frequency display» порівнюються спектрограми, що демонструють зміна звукового спектра від часу. Показання індикатора завантаження ЦПУ в Ableton Live при роботі того чи іншого інструменту наведені в результатах.
Результати та їх обговорення
Інструменти Ableton Live 8
Безкоштовні Vst семплери
Sampler: алгоритм best CPU <7 %
Sampler: алгоритм good CPU <7 %
Sampler: алгоритм normal CPU <7 %
(Так само як в Simpler і Sequencer алгоритм HQ вимкнений)
Sampler: алгоритм no interpolation CPU <7 %
Impulse CPU <7 %
Sequencer: алгоритм HQ включений 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 порівняння за еталон взято ідеальне звучання, а відповідно і спектрограмма експорту з семплера DiscoDSP HighLife в режимі mastering. Ідеальності відповідає чорний фон (відсутність шуму), в кожен момент часу видно і чутно тільки одну частоту, за винятком, частот перевищують половинну частоту дискретизації - їх бути не повинно. На жаль, така ідеальність має свої мінуси, так як призначена тільки для експорту. Я спробував в реальному часі програти тестову послідовність нот. Індикатор завантаження ЦПУ зашкалив до 380%. Не думав, що таке буває.
Тепер уявімо, що ми завантажили семпли ударних інструментів в Impulse або в Drum Rack, який використовує Simpler, і спробували і змінили трохи їх питч. Результат очевидний, судячи з спектрограмах, і на слух, з'являться помітні спотворення. Impulse трохи гірше, так як трохи розмазує спектр семпли. Мабуть саме тому розробники Ableton рекомендують використовувати Drum Rack замість Impulse.
Добре, будемо використовувати Drum Rack, і, здається, кожен Simpler, що знаходиться в його осередку, можна перетворити в Sampler. При цьому з'явиться можливість, виставити алгоритм інтерполяції. За замовчуванням він приймає значення normal, що, як показує тест, відповідає Simpler'у. Перемикання в режим Good, дало поліпшення, але на слух спотворення і раніше помітні. Алгоритм Best порадував майже нечутними спотвореннями, на складному сигналі, вони будуть непомітні, ніж в порівнянні з чистою синусоїдою. Відсутність же алгоритму інтерполяції може виявитися ефективним творчим інструментом для створення ґлітч і дисонансних брудних цифрових текстур, але ніяк не для високоякісного відтворення транспоновану семпли.
Виявився цікавим алгоритм інтерполяції аудіо доріжки секвенсора в режимі HQ On, він на слух більш сприятливий, ніж алгоритм Best Samplera, і як видно на спектрограмі помітно інший: слабші відбиті від частоти Найквіста тони, але при цьому вище рівень фонового шуму, який додатково їх маскує, але додає загальної бруду.
Варто відзначити, що двох ядерний ноутбук шести річної давності не помітив збільшення навантаження на процесор, і у всіх випадках індикатор не перевищував 7% бар'єр, що підтверджує, позиціонування Live'а як інструменту для живого виступу. Другий суто особистий висновок полягає в тому, що для завантаження семплів краще використовувати безпосередньо аудіо трек, ніж будь-який рідний інструмент програми. Звичайно, якщо немає мети помітно змінити його звучання за допомогою ADSR амплітуди, пітчу, фільтра, частотної модуляції (присутній в Sampler) і т.д ... Але домогтися більш чистого звуку можна, використовуючи сторонні інструменти, до огляду яких ми переходимо.
Напевно, першим за популярністю в мережі є плагін Cakewalk Sfz +, що позиціонується для завантаження з SoundFont банків. Він давно поширюється безкоштовно (номер версії програми - 1.0). Мабуть, «великі» про Алиасинг знали багато, в еру досить примітивних з нашої точки зору комп'ютерів. Тому Sfz + має дев'ять рівнів складності алгоритму роботи з семплом, і з найпростішим впорається слабкий процесор. У наш час можна сміливо використовувати варіант «quality: 72», що відповідає найвищому якістю відтворення, результат дії його наведено на малюнку. Він трохи не дотягує до ідеалу (DiscoDSP HighLife в режимі mastering), але на слух все відмінно. Недоліком Sfz + є наявність лише базових інструментів для роботи з семплом, серед яких не представлена можливість установки місця його старту, луп поінтів і варіантів програвання. Також існують проблеми з використанням плагіна на 64 бітних ОС.
DiscoDSP HighLife - об'єкт наслідування в наших тестах. Другий алгоритм інтерполяції «bounce mode» не сильно поступається за якістю, але використовувати його в реальному часі через велике навантаження на процесор також важко. Алгоритм же «realtime mode», судячи з спектрограмах, збігається з алгоритмом «good» в Sampler. Функціонал плагіна трохи ширше ніж у Sfz +.
Наступний претендент: Vember Audio Shorcircuit 1. Спотворення при транспонировании не можна почути і, судячи з спектрограмі, його алгоритм займає місце десь між ідеалом і алгоритмом Good Sampler'а. В плагіні є величезний набір фільтрів чудової якості, яким не може похвалитися навіть Kontakt від Native Instrument. Інтерфейс дуже простий і легкий в освоєнні. Практично бочка меду, якби не ложечка дьогтю, про яку можна почитати на форумі користувачів. Цей плагін дає затримку і з'їдає атаку семпли. Причому в версії 1.0.15 цього не було (так що якщо ви знаєте, де взяти саме цю версію і готові поділитися, буду дуже вам вдячний). Але варто зазначити, затримка близько 32 семплів, не критична. У Live це можна компенсувати. Змащену атаку не виправити, але на слух вона не помітна. Наступна версія Shorcircuit 2, порадувала поліпшеним графічним інтерфейсом. Тести показали, що змащена атака відсутня, але затримка як і раніше на місці. Шкода, що розробники залишили цю прекрасну річ недопрацьованою. До речі, якщо не помиляюся, то один з розробників цього семплера був в команді Ableton, і зараз він в новій колаборації займається проектом зі схожим ідеологічним підходом, але з деякими додатковими і дуже зручними функціями: bitwig.com.
Якщо вам хочеться більше порівнянь з іншими семплерами, то в кінці будуть посилання на методику і результати, які не відображені в рамках даної статті. Робити тести всіх існуючих полігонів недоцільно, а деякі навмисне не включені до статті (наприклад Kontakt і Battery), так як хочу закликати читача самому провести експеримент. Для цього достатньо завантажити 15 кілогерцовому синус або будь-який високочастотний аудіо файл в улюблений семплер і пробігтися по клавішах на дві октави вгору. Ваш слух не підведе.
Ті, хто уважно розглянув спектрограми, помітили, що при транспонировании семпли на октаву, призводить до менших спотворень, тому що алгоритм інтерполяції спрощується у зв'язку зі зміною частоти дискретизації семпли в кратне двійці кількість разів. Якщо частота дискретизації семпли і в налаштуваннях програми не будуть збігатися, цей ефект зникне, і в цілому результати тесту будуть гірше. Рішенням може бути використання кодеків для оффлайн перетворення частоти дискретизації аудіо файлів ще до використання їх в проекті. Існує безліч інструментів, що дозволяють це здійснити, і одним з кращих є безкоштовний плагін від Voxengo r8brain free.
Хочу закликати до вивчення мат частини, хоча б на тому рівні, на якому це вам доступно, тих, хто цим ще не зайнявся (таке поширене серед цифрових композиторів). Почати варто з теореми Найквіста і читання мануала до програмного забезпечення, або інших документів, таких як «Audio Engine Fact Sheet» від Ableton, в яких в описані, операції, що призводять до деградації звуку. Володіння відповідними знаннями дозволить уникнути небажаного погіршення звуку при створенні композицій.
Чистого вам звуку!
Методика і результати тестів алгоритмів перетворення частоти дискретизації програм для роботи з аудіо:
src.infinitewave.ca/
Мат частина:
www.digital-recordings.com/publ/pubneq.html - теорема Найквіста в контексті звукового застосування
en.wikipedia.org/wiki/Aliasing - алиасинг
kunz.corrupt.ch/dsp - ще дещо корисне по цифровому синтезу і створення ефектів для «підкованих»