Prečo je 24-bitové audio nepodstatné?

V poslednej dobe veľmi veľa firiem skloňuje pri propagácii svojich produktov podporu formátov v kvalite 24bit/192kHz, poprípade až 32bit/192kHz. 

Nahrávky v takejto kvalite niekedy neboli dostupné. Dnes už existuje zopár internetových e-shopov, kde si môžete kúpiť Vašu hudbu vo vyššej bitovej hĺbke. Stačí mať PayPal účet a dostatok financií. Nejde však o lacný špás, hoci za svoje peniaze dostanete len digitálnu formu.

Na trhu už je zopár firiem, ktoré predávajú tzv. High-Resolution Music, či zjednodušene hdtracks (v slovenčine preložené ako hudba/hudobné albumy/jednotlivé pesničky či nahrávky vo vyššom rozlíšení) aké bežne dostať na kompaktných diskoch CD.

Bližšie som neštudoval, čo v skutočnosti znamená hudba vo vyššej bitovej hĺbke, a tak som zo zvedavosti zakúpil jeden album, ktorý som mal aj v klasickej CD kvalite. Prvotný dojem bol veľmi pozitívny. Bol som z toho nadšený. Veľmi dlho som sa presviedčal, že je to lepšie oproti “obyčajnej” 16-bitovej kvalite. No jedného dňa som si povedal, že sa "kuknem" tejto tematike na zúbok a zistím si, ako to v skutočnosti je, kým začnem investovať pomerne veľké peniaze do nahrádzania 16-bitových audio súborov v mojej hudobnej knižnici.

V tomto článku sa chcem sústrediť na "audio bit depth" a "24bit audio". Posnažím sa Vám objasniť, či platí 24bit audio = vyššia úroveň detailov v hudbe. Každopadne, po prečítaní tohto článku získate informácie, ktoré Vám pomôžu ušetriť celkom veľa peňazí a hlavne čas, ak by sa  Vám niekto pokúšal predať 24bit audio prehrávač, alebo hudbu v tejto bitovej hĺbke. Na konci článku uvádzam zdroje, z ktorých som čerpal. Ak bude niekomu málo a bude sa chcieť hlbšie ponoriť do tejto problematiky, odporúčam na dlhé večery prebrowsovať dané zdroje.

Tento článok bude odpovedať na tieto tri otázky:

1.        Čo je "audio bit depth"?

2.        Čo znamená “higher audio bit depth”?

3.        Prečo je 24bit audio pre mňa nepodstatné a strata času?

Tak poďme k prvej otázke...

Čo je vlastne "bit depth"?

Do slovenčiny by sme to mohli preložiť ako „bitová hĺbka“. Bit je názov najmenšej základnej jednotky informácie, používanej v súčasnosti v informatike. Bitová hĺbka je počet bitov informácií v každej vzorke (sample size). Je to jeden z parametrov, ktorý popisuje kvalitu nahrávky. Čím väčší počet bitov, tým presnejší údaj získame a môžeme zachytiť väčšie rozdiely v hlasitosti. To znie celkom sľubne. Pre uloženie nameranej hodnoty sa používa najmenej 1 byte, t. j. 8 bitov, pri kvalitných nahrávkach sa využíva 16 bitov, pri stereo hudbe potom máme 2x 16 bitov. Vzorkovanie a prevod analógového signálu sa robí pomocou prevodníka A/D (analog-to-digital). Pri prehrávaní záznamu je potreba spätne digitálny signál previesť na analógový pomocou prevodníka D/A. Najčastejšou metódou prevodu analógového signálu na digitálny je Pulzná kódová modulácia (PCM).  

Aká je vlastne história, resp. prečo je na väčšine obyčajných audio CD bitová hĺbka “len” 16bit? Firmy Sony a Phillips uzavreli v roku 1980 dohodu, kde spojili svoje technológie a prišli s tzv. Red Book-om, Červenou knihou. V tejto knihe nájdete presné parametre CD – compact disku. V skratke, dohodli sa, že na záznam hudby úplne stačí 16bit a 44 100Hz.

Ako si teda predstaviť na konci procesu tie bity a audio signal na začiatku? Bit môže nadobúdať jednu z dvoch logických hodnôt. V praxi nadobúda vždy jednu z dvoch vzájomne sa vylučujúcich stavov, ako „pravda“ -- „nepravda“, „zapnutý“ -- „vypnutý“, nula -- jedna. Audio signál, resp. zvuk, prichádza vo forme zvukovej vlny.

Na obrázkoch dole je pre predstavu vyobrazená zvuková vlna v 1bit a 2bit kvalite.

Na ďalšom obrázku je analógový signál (červena farba), kódovaný do 4-bitových PCM digitálnych vzoriek (modrá farba); bitová hĺbka je 4bit, takže amplitúda každej vzorky je jednou zo 16 možných hodnôt. Každá vzorka znamená idividuálny zvukový záznam.

Súbor so 16-bitovou hĺbkou má 65 536 možných hodnôt. Tieto hodnoty sú prideľované čo najbližšie k originálnemu analógovému signálu. Analógový signál je spracovaný kvantovaním v A/D. Kvantovanie v jednoduchosti znamená konverziu analógového signálu (originál) na signál diskrétny v čase s diskrétnymi hodnotami. Hodnota každej vzorky signálu je reprezentovaná hodnotou, vybranou z konečnej množiny hodnôt (16bit = 65 536 možných hodnôt). Rozdiel medzi originálnym signálom, tzv. nekvantovaná vzorka a tým, ktorý previedol A/D prevodník, sa nazýva chyba kvantovania. 

Výstup z A/D je zvuková vlna, ktorá je iná ako originálny analógový signál, ale stále ide o hladkú zvukovú vlnu bez nejakých "schodíkov", ako niektorí výrobcovia zavádzajú pri prezentáciách svojich 24-bitových audio prehrávačov.

http://www.sony.com.au/microsite/hiresaudio/

Čo neznamená vyššia bitová hĺbka?

V prvom rade si povedzme, ako znie chyba kvantovania, tzv. quantization error? Táto chyba znie popri originálnom signáli ako bežný hluk, resp. šum, tzv. "quantization noise". Čím viac možných hodnôt máme k dispozícii, tým presnejšie A/D prevedie analógový signál. Mohli by sme povedať, že čím viac možných hodnôt, tým menšia chyba kvantovania a redukcia šumu/hluku v nahrávke.

Takže, rozdiel medzi 1, 2, … 16, 24 či dokonca 32-bitovou nahrávkou je množstvo šumu a nie množstvo detailov. Jednoducho si to môžete vyskúšať aj Vy doma v akomkoľvek programe na spracovanie zvuku. Preveďte si nahrávku na nižšiu bitovú hĺbku. Rozdiel budete počuť ihneď...

Čo však znamená vyššia bitová hĺbka?

Vyššia bitová hĺbka znamená vyšší dynamický rozsah. Dynamický rozsah je pomer medzi najmenšou a najväčšou hodnotou akejkoľvek  fyzikálnej veličiny. V hudbe ide o pomer extrémnych hlasitostí nejakého nástroja, časti, či celej skladby. Pri uchovávaní a prenose hudobného signálu sa ako dynamický rozsah označuje pomer najhlasnejšieho zvuku, ktorý sa dá bez skreslenia spracovať, k najslabšiemu, prípadne k úrovni šumu.

16bit =  max 96db

24bit =  max 144db

Ľudské ucho počuje 140db. Čo je zaujímavý údaj, ale skúsme si to predstaviť reálne. Tých 140db je približný pomer medzi zvukom, ktorý vydá špendlík zhodený zo stola a zvukom turbínového motora lietadla.

Prečo je 24bit audio pre mňa nepodstatné a strata času?

Skúmal som len využitie 24bit audia v prehrávaní, resp. počúvaní hudby. Nezaoberal som sa bližším využitím pre tých z Vás, čo hudbu tvoria!

Na základe uvedených skutočností som sa pustil do “testu”. Porovnal som preto kvalitnejšie a hlavne novšie nahrávky v 16-bitovej kvalite s 24-bitovými. Zistil som, že nepočujem žiaden šum, ktorý vyplýva z chyby kvantovania. Dokonca, aj keď som to vypeckoval na slúchadlách na maximum a počúval v noci v najtichšej miestnosti, nepočul som žiaden šum. Z toho vyplýva, že za takých bežných ideálnych podmienok som nepočul rozdiel v množstve šumu. Bežne počúvam hudbu pri zapnutej klíme v robote, alebo pri otvorenom okne doma, zapnutej práčke atď. …kde sa tá šanca počuť rozdiel rovná doslova nule.

Ale ako to je v praxi s dynamickým rozsahom? Ako som vyššie uviedol, 16-bitový súbor podporuje dynamický rozsah do 96db. Na internete som sa dozvedel, že ak by som chcel rozoznať najtichší zvuk/pasaž od najhlasnejšieho v nahrávke, ktorý by mal hodnotu 96db, musel by som počúvať minimálne pri hlasitosti 96db+, aby som to počul. 

Príklad, ak by som počúval 16-bitovú nahrávku vo väčšej knižnici s permanentným 30db hlukom, musel by som mať v hudbe najhlasnejší zvuk na úrovni hlasitosti zbíjačky +96db. Pri 24-bitovej nahrávke najhlasnejší zvuk by musel byť hluk na úrovni štartovacej rakety +144db. Nemusím, samozrejme, hovoriť o tom, že počúvať hudbu na takejto úrovni hlasitosti poškodí Váš sluch, alebo Vám exploduje hlava. Poznám ľudí, ktorí počúvajú na úrovni hlasitosti +80db. Dlhodobo počúvať na takejto úrovni, pre mňa osobne nie je vôbec príjemné.

Koľko db však majú realne nahrávky v dnešnej dobe? Väčšina nahrávok v dnešnej dobe má 24db. Dobrá nahrávka klasickej hudby má niečo okolo 60db.

Týmto skúmaním som dospel k názoru, že 24-bitový audio súbor s dynamickým rozsahom 144db je pre hudobné súbory nezmysel. Z toho celého vyplýva, že firmy, ktoré propagujú “čím viac bitov, tým viac rozlíšenia” to používajú iba ako marketingový trik.

Na záver by som sa chcel vrátiť k trom otázkam, ktoré som položil na začiatku tohto článku.

1.        Čo je "audio bit depth"?

2.        Čo znamená “higher audio bit depth”?

3.        Prečo je 24bit audio možno nepodstatné aj pre Vás a strata času?

Budem rád, ak sa k týmto otázkam vyjadríte v diskusii. Táto téma je čím ďalej, tým viac prepieraná aj v súvislosti s prevodníkmi (DAC), ktoré inštalujú výrobcovia smartfónov a tabletov. Všimol som si “tlak” užívateľov na výrobcov, aby upgradli tieto prevodníky aby podporovali 24-bitové audio. Treba si tiež uvedomiť, že nahrávka v kvalite 24bit je cca 5x väčšia ako 16bit. No ten rozdiel oproti 16-bitu by človek mohol počuť možno ak by počúval vo vesmíre, teda žiaden význam pre nás pozemšťanov.

Zdroje:

http://people.xiph.org/~xiphmont/demo/neil-young.html

http://xiph.org/video/vid2.shtml

http://www.sonicscoop.com/2013/08/29/why-almost-everything-you-thought-you-knew-about-bit-depth-is-probably-wrong/

http://www.head-fi.org/t/415361/24bit-vs-16bit-the-myth-exploded

http://en.wikipedia.org/wiki/Audio_bit_depth