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fréquences d'échantillonnage, resampling et résolution démystifées ?

  • 104 réponses
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Sujet de la discussion fréquences d'échantillonnage, resampling et résolution démystifées ?
Bonjour,

J'ai passé du temps à faire des tests et à réfléchir pour essayer de déterminer le format audio optimum pour l'enregistrement et le travail en studio.

Au final je me pose encore quelques questions, auxquelles peut-être des spécialistes pourront répondre de façon éclairée ? (je les ai mises en gras)

Voici d'abord quelques réflexions suite à mes observations.
Vu que c'est un chouilla long :oops: et un peu pointu (sans mauvais esprit :mdr:), j'ai essayé de structurer clairement les choses.


Fréquence d'échantillonnage :


1) première approche :

il paraît évident dans l'absolu qu'un signal échantilloné à une fréquence élevée sera plus proche du signal analogique original (continu).
Au-delà de la bande passante et du théorème de Shanon Nyquist (qui sert un peu vite d'argument à tous les partis), le rendu des aigus en particulier devrait être plus juste, moins distortionné (décrire une sinusoïde avec 2 points ça paraît pas top).
Evidement on pourrait répondre que les fréquences en question sont inaudibles pour nos vieilles oreilles et que la distorsion des aigues ne fera que créer des harmoniques encore plus aigus et inaudibles (et qui seront de toute façon filtrés dans les formats audio de consommation actuels, fort heureusement dirait Nyquist).
Au final, est-ce que ça fait réellement une différence (surtout pour de la musique consommée en 44.1 kHz) ?


2) traitements et sommation :

en cas de mixage numérique, je suppose que les plugins peuvent délivrer un résultat sonore plus proche de l'analogique s'ils traitent un son "plus continu". En tous cas la différence m'a semblée flagrante à l'audition sur des réverbs qui prenaient une toute autre dimension et consistance (comparaison projet test en 44.1 et en 192).
Au delà du point de vue spectral, je suppose qu'une F.d'E. plus élevée amène une meilleure fluidité temporelle et dynamique.
La sommation aussi est meilleure je suppose, vu la résolution temporelle accrue et la plus grande précision des valeurs à sommer (erreurs de crête moindres, représentation des niveaux plus fidèle à chaque échantillon).


3) rendu final (44.1 kHz) :

Pour me rendre compte si au final ça faisait une différence de travailler à des F.d'E. supérieures, j'ai fait ce test :
- j'avais un projet enregistré en 44.1 kHz.
- j'ai resamplé toutes les pistes en 192 kHz (crystal resampler, wavelab 7).
- j'ai mixé en 192 kHz.
- exporté en 192 kHz puis resamplé en 44.1 kHz.
- j'ai dupliqué le projet de mixage en 44.1 kHz et passé les fichier originaux dedans.
- j'ai créé un fichier delta (différence entre les deux exports finaux).

Conclusions :
- à l'écoute il me semble entendre une différence entre l'export 192 et l'export 44.1 (plus d'ampleur, d'ouverture).
- par contre entre l'export travaillé en 192 puis resamplé en 44 et l'export tout 44, c'est moins évident (difficile de jurer que la différence n'est pas suggérée).
- Evidement, je ne saurai jamais si j'aurais mixé de la même façon en 44 qu'en 192 (ça m'a quand même paru auditivement très confortable, impression d'entendre plus clairement ce qu'il y avait à faire et ce que je faisais).
- le fichier delta montre une différence objective tout à fait flagrante entre les 2 exports (travaillés en 192 puis resamplé en 44 contre tout 44). On a l'impression d'entendre la composante "définiton" du son. Mais je me demande si elle n'est pas liée au resampling à des fréquences non multiples (parce qu'en écoute comparative c'est loin d'être aussi flagrant).

Du coup, vu que j'étais lancé, j'ai resamplé mes fichiers en 174.6 kHz, je les ai repassés dans le mix version 174, puis j'ai exporté et resamplé en 44.1.
Effectivement, le fichier delta est beaucoup moins flagrant même s'il reste une différence du même genre que l'autre fichier delta.
A part ça, les conclusions sont du même ordre qu'avec le mix en 192.

Plein de motivation, j'ai reproduit les processus en 88.1 kHz. Comme on pouvait s'y attendre, les constats sont du même acabit mais moins prononcés.

Il y a quand même quelque chose qui me turlupine :

La comparaison entre le mix en 44 et en 192 (fréquences non multiples) sous forme de fichier delta fait ressortir un résidu très estéthique (sorte de composante de définition du son).
C'est manifestement lié au resampling à des fréquences non multiples : j'ai fait le test de resampler un fichier 44.1 en 192 puis de nouveau en 44.1 et de comparer avec l'original. La différence est du même type.

Les questions que je me pose (même si la différence semble moins flagrante en écoute comparative) :
- est-ce dû à un phénomène de "déphasage d'échantillonnage" qui ferait entendre une différence flagrante mais non pertinente (de la même façon qu'on pourrait obtenir un effet de filtre en peigne flagrant en comparant 2 fichiers très légèrement décalés) ?
- si ce n'était pas le cas, serait-il possible qu'un resampler de bonne qualité, "obligé" d'extrapoler la courbe continue d'une façon plus approfondie pour des fréquences non multiples, offre au final un meilleur résultat ?


4) questions en suspens :

- fréquences multiples ou pas ?

pour les multiples :

. ça paraît plausible que la reconversion soit plus simple en cas de fréquences multiples et amène moins d'artéfacts...

. pourquoi les constructeurs s'emmerderaient sinon à proposer 88.2 et 176.4 kHz ?

pour les non multiples :

. dans l'absolu, avec une fréquence d'échantillonnage plus élevée on se rapproche davantage de ce cher son continu.

. la différence absolue du nombre d'échantillons devient peut-être intéressante aux ordes supérieurs de fréquence d'échantillonnage ?

. avec de bons convertisseurs ou en cas de mastering analogique par exemple, l'histoire de fréquences multiples devient peut-être moins pertinente ?

- 44/48, 88/96 ou 174/192 ?

. par rapport au rendu sonore final, à quel point est-ce que ça vaut la peine de mutliplier la F.d'E. (vu que les ressources nécessaires doublent chaque fois) ? Concrètement, est-ce que ça vaut pas la peine ? x2 ? x4 ?

. le son qu'on entend est quand même toujours reconverti en analogique, passé dans des haut-parleurs avec une inertie non nulle, propagé dans un air élastique et capté par nos oreilles au fonctionnement continu.

Au mieux tous ces éléments sont de très bonne qualité. Dans ce cas les convertisseurs lisseront joliment le signal, les haut-parleurs rendront fidèlement ce signal joliment analogisé, l'air sera transparent (si j'ose dire ;)) et les oreilles averties et ravies percevront très finement les jolies subtilités du son si bien rendu (en supposant que le signal sonore vaille le coup/coût évidement...).

Ou alors les convertisseurs lissent mal le signal sonore, les caractéristiques des HPs se combinent justement très mal avec ces irrégularités (tweeter hyper agressif), l'air déforme le son en le propageant avec un mauvais goût total, les oreilles qui perçoivent le résultat sont abîmées et la personne à qui appartiennent ces oreilles ne cherche pas à apprécier les jolies subtilités (ça tombe bien).

Dans l'immense majorité des cas, la réalité se situe quelque part entre ces 2 extrêmes (toutes les combinaisons d'incidence étant possibles).

Mais honnêtement, dans quels cas le fait de travailler à des F.d'E. supérieures à 44.1 kHz aboutira à une différence pertinente pour l'auditeur ?


Résolution :


1) 16 bit :

Si je ne me trompe pas, il y a 1 bit de signe (pour la polarité), il reste donc 15 bits pour décrire l'amplitude du signal, soit 2^15 = 32768 valeurs pour décrire le niveau de l'échantillon.
Pour une plage dynamique de 90 dB, ça ferait donc 364 valeurs possibles par dB...
Si c'est bien juste, ça me paraît déjà franchement bien !

2) 24 bit :

Les 8 bits supplémentaire ne servent qu'à décrire les niveaux inférieurs à - 90dB. C'est d'ailleurs confirmé avec un bitmètre.
Franchement, est-ce que ça change quelque chose ?
Je veux bien croire que ce n'est pas purement marketing, mais j'ai du mal à comprendre où est la pluvalue, que ce soit à l'enregistrement, pour les traitements ou la sommation : même pour de la musique classique ou un instrument seul très léger et plein de transitoires et d'harmoniques, j'ai l'impression que c'est quand même rare d'avoir un passage musical qui module suffisament bas pour que ce qui se passe quelque part à -90dB ne soit pas masqué par d'autres composantes sonores ou simplement par le bruit de fond environnant à l'écoute (ampli et HP compris).

3) 32 bit flottant :

Grâce à la virgule flottante on peut décrire à travers toute la plage dynamique des niveaux intermédaires qui ne sont pas utilisés en virgule fixe. Dès lors la pluvalue semble plus claire (enregistrement, traitements, sommation).
Sauf que si mes calculs sont justes (quelqu'un peut-il confirmer ?), même en 16 bit on a 364 valeurs par dB cf. § 16 bit).
Si c'est bien le cas, est-ce vraiment utile d'en avoir plus (même pour la sommation de nombreuses pistes), vu qu'on travaille au mieux au 1/10 de dB ?
Si je calcule bien (mais je me trompe peut-être), on obtiendrait une différence d'1/10 de dB entre une résolution à virgule fixe ou flottante si on avait par exemple à sommer 73 signaux tous très mal approximés par la virgule fixe.
Calcul : en virgule fixe 364 valeurs par dB -> erreur d'approximation maximale = moitié de cet intervalle (donc 1/728ème de dB) -> il faudrait donc cumuler 72,8 erreurs pour atteindre 1/10 de dB...
Et en plus, en cas de travail en virgule flottante, au final les valeurs sont de toute façon arrondies. Donc même si les valeurs finales sont légèrement plus justes après traitements et sommation que si on était resté en virugle fixe, cette précision est quand même partiellement rabotée (et là, même débat que pour les fréquences d'échantillonnage supérieures).

4) en conclusion :

Je veux bien croire qu'il y ait une bonne raison pour que les constructeurs et développeurs proposent des produits qui travaillent en 24 bit, 32 bit flottant, 48 bit non flottant... mais quelle est-elle ?

Quelqu'un d'avisé peut-il expliquer clairement si ça vaut la peine d'enregistrer et/ou de travailler en plus que 16 bit et à quel point ça fera une différence ou pas ?


Si vous avez tout lu, waw !
Si vous avez parcouru et relevé certaines questions, super !
Si vous pouvez y répondre de façon éclairante et justifiée, MERCI !!
Afficher le sujet de la discussion
61
@Odieux Fonzy
Tu es en train d'évoquer le théorème d'incertitude d'Heisenberg, le même qu'en mécanique quantique.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Principe_d%27incertitude#Exemples

C'est critique quand tu fais de l'analyse spectrale sur une trame très courte (<50ms).

Ceci dit tu as raison et la bande limitée empêche de reproduire des sons très brefs correctement (genre l'attaque d'une percussion), mais là pour 20kHz on parle de phénomènes inférieurs à la ms.


Pour savoir ce que ça donne dans la pratique, et bien tu peux écouter tes CD :lol:

Le mp3 fait bien pire en considérant qu'une trame est stationnaire sur 50ms et en lui accolant un modèle sinusoïdes harmoniques (non amorties) + bruit.
Les phénomènes les plus brefs d'un enregistrement @20kHz ne peuvent pas être reproduits correctement (leur énergie est diluée sur la trame) même sans compression et pourtant le mp3... ça passe. :-p

[ Dernière édition du message le 21/01/2012 à 18:03:16 ]

62
Y'a un truc qui me tarabuste...

Les gars qui semblent s'y connaître semblent d'accord pour dire que, par rapport à la résolution, l'intérêt d'enregistrer en 24 bit et de travailler en 32 bit flottant se situe au niveau des calculs (étape du mixage), même si la résolution à l'écoute est moindre (que ce soit pendant qu'on mixe ou pour le format final de consommation).
Je vois bien l'idée.

D'autre part, par rapport à la fréquence d'échantillonnage, les "opposants" du 176/192 (voire 88/96) parlent des convertisseurs D/A qui font aussi bien leur boulot à partir d'un flux audio-numérique (= mixdown) en 44 qu'à des FE supérieures.
Soit.

Mais pendant l'étape du mixage, ne peut-il pas y avoir de pluvalue à travailler à des fréquences supérieures (au niveau des calculs, un peu comme pour la résolution) ?
S'il n'y en a pas, les plugs qui travaillent en 192 c'est juste du marketing ?
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Autre question (concernant les convertisseurs) :

La différence de rendu entre un bon et un mauvais convertisseur D/A ne variera pas selon la FE du flux à convertir ?

Si les "mauvais convertisseurs" s'en sortent mieux à des FE plus élevées, est-ce qu'à l'écoute pendant le mixage on pourrait entendre une éventuelle différence ?

Si oui, serait-ce le cas avec les convertisseurs d'une RME Fireface 800 ?
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Si si, il peut y avoir une plus-value mais il faut voir ce que l'on compare.

Bosser en 32bits flottant est un plus par rapport au tout 24bits fixe alors que ça ne demande pas une machine plus musclée.

Bosser en 64bits flottant est un plus par rapport au 32bits flottant et nos machines le permettent pour une occupation de ressources équivalentes (à part le stockage sur disque qui double).
Mais les SNR sont déjà tellement bas (étant considérés les traitements habituels, la dynamique déjà énorme et le format de sorti standard en audio) que le 64bits flottant ne semble pas indispensable.


C'est un peu la même chose pour les fréquences d'échantillonnage supérieures à 44kHz.

L'oreille n'entend quasiment plus rien au delà de 20kHz.

Passer d'une fréquence d'échantillonnage de 22kHz à 44kHz (donnant des bandes passantes de 11kHz et de 22kHz) est un plus et la différence se fait clairement entendre.

Utiliser une fréquence d'échantillonnage au-delà de 44kHz est déjà plus discutable. Est-ce que l'on entend une réelle différence ? Sans doute un peu avec du bon matériel de restitution, une oreille entraînée et assez jeune (moins de 30 ans).

Ceci dit, pour la petite histoire, si tu enregistres une craie qui grince sur un tableau @44kHz le son résultant ne te fera pas dresser les poils, alors que si tu le fais @192kHz ça va le faire. Alors il doit bien avoir une différence notable.
Si ton support de sortie est un format qui va au-delà de 44kHz (genre un DVD, 88.2, 96, 176.4, ou 192 kHz), ben il vaut sans doute mieux travailler au moins à cette fréquence cible.

Si ton support de sortie est un CD ou un mp3... C'est 44.1kHz la cible.
Là, il faudrait voir si un plug travaillant à une fréquence supérieure à 44.1kHz apporte un contenu spectral dans la bande 0-22kHz plus riche (ou plus réaliste) que lorsqu'il travaille à 44.1kHz (parce que tout ce qu'il y a au-dessus sera de toute façon retiré lors du filtrage / sous-échantillonnage).

Ça doit exister, mais il ne doit pas y en avoir énormément.

Déjà pour tout ce qui est filtrage fréquentiel, c'est inutile (et on peut le prouver mathématiquement).

Les saturations, distorsions, etc. vont apporter des harmoniques supplémentaires... Mais a priori elles se trouveront en dehors de la bande utile (finale) : Quand on ajoute des harmoniques par ce genre de procédé, ce sont des basses fréquences qui créent des harmoniques à des fréquences plus hautes ; les fréquences au-delà de 22kHz n'iront pas enrichir le spectre en-deçà.
(sauf si quelqu'un me trouve un contre-exemple ; je ne prétends pas connaître parfaitement tous les types de disto / saturation / glitch qui peuvent exister).

Pour une reverb... Je ne sais pas. Est-ce que les effets de phases peuvent réaliser des déplacements de spectre vers le bas ?
Les reverbs à convolution, non. Les rerverbs granulaires ou à modélisation physique... faut voir ce qu'elles font réellement.

J'imagine qu'il y a moyen d'observer un déplacement du spectre vers les basses fréquences avec des trucs du type modulation FM (un produit par un cosinus revient à faire une translation dans le spectre), m'enfin le recouvrement spectrale (les basses fréquences qui se retrouvent en haut du spectre) doivent faire des trucs bizarres.
A voir au cas par cas.


J'ai beau faire le tour, le seul type de gain que je pourrais voir ce sont des détections d'attaques plus précise sur une compression (dont le temps d'attaque est réglé très court), par exemple, mais le post d'Odieux Fonzy m'en fait douter.
Je m'explique : Quand tu réduits la largeur de la bande de fréquence à la fin, tu "étales" les évènements localisés sur le temps (les transitoires, entre autres). Du coup je me demande vraiment si en réglant l'attaque du compresseur un peu plus longue sur un signal d'entrée à une fréquence d'échantillonnage plus basse on ne retrouve pas quelque chose d'équivalent au final...


Conclusion (qui n'engage que moi) : il faudrait faire un test comparatif avec plusieurs personnes entre des mix @44kHz et @192kHz sous-échantillonnés à 44kHz.
Ça ne vaut peut-être pas le coup de faire chauffer nos machines si les gens se trompent une fois sur deux (i.e. ils répondent au pif :) ), parce que là, tu demandes vraiment à ton proc de faire 4,5 fois plus d'opérations à la seconde.

[ Dernière édition du message le 23/01/2012 à 00:58:44 ]

65
Citation :
Ceci dit, pour la petite histoire, si tu enregistres une craie qui grince sur un tableau @44kHz le son résultant ne te fera pas dresser les poils, alors que si tu le fais @192kHz ça va le faire. Alors il doit bien avoir une différence notable.

euh... prouve le, j'ai envie de dire :)

#ALAPLAJ L'été n'est pas fini partout!

66
Qu'est-ce que tu veux que je prouve ? Fais-en l'expérience.
67
Il faudrait deja commencer par regarder si les monitors sur lesquels tu ecoutes tes sons de craies montent au dessus de 20khz.
68
Citation :
Les saturations, distorsions, etc. vont apporter des harmoniques supplémentaires... Mais a priori elles se trouveront en dehors de la bande utile (finale) : Quand on ajoute des harmoniques par ce genre de procédé, ce sont des basses fréquences qui créent des harmoniques à des fréquences plus hautes ; les fréquences au-delà de 22kHz n'iront pas enrichir le spectre en-deçà.
Si je ne m'abuse, tous ces systèmes non-linéaires n'apportent pas que des harmoniques, les produits de mélange pouvant se retrouver dans tout le spectre. Il suffit d'y envoyer deux fréquences pour constater que le spectre se remplit de raies d'intermodulation. Par conséquent des fréquences supérieures à 22k peuvent créer des signaux dans la bande 20-20k.

Passer pour un idiot aux yeux d'un imbécile est une volupté de fin gourmet. (G. Courteline)

[ Dernière édition du message le 23/01/2012 à 07:54:39 ]

69
Citation de EraTom :

Déjà pour tout ce qui est filtrage fréquentiel, c'est inutile (et on peut le prouver mathématiquement).

C'est seulement partiellement vrai. Un modèle de filtre en continu et son équivalent en discret n'ont pas exactement la même réponse en fréquence. De même 2 filtres discrets définis pour des Fe différentes auront des réponses en fréquences légèrement différentes. un filtre continu est une fonction du spectre sur ]0;+inf[ or un filtre numérique est une fonction du spectre périodique et symétrique de période Fe. En mappant la demi droite ]0;+inf] sur un cercle on distord la réponse en fréquence aux extrémités 0 et Fe/2. Le filtre continu lui n'est pas nécessairement symétrique autour de Fe/2 et 0.

Citation de EraTom :

Les saturations, distorsions, etc. vont apporter des harmoniques supplémentaires... Mais a priori elles se trouveront en dehors de la bande utile (finale) : Quand on ajoute des harmoniques par ce genre de procédé, ce sont des basses fréquences qui créent des harmoniques à des fréquences plus hautes ; les fréquences au-delà de 22kHz n'iront pas enrichir le spectre en-deçà.
(sauf si quelqu'un me trouve un contre-exemple ; je ne prétends pas connaître parfaitement tous les types de disto / saturation / glitch qui peuvent exister).


Une saturation naïve produite par écretage va produire des fréquence au de la de Fe/2 et par symétrie on retrouve ces fréquences sous Fe/2. Il existe très probablement des méthodes moins naïves pour limiter ce phénomène mais on ne peut pas sans débarrasser complètement sans suréchentillonage (qui se produit au sein du plugin lui même, pas besoin de monter la fréquence d’échantillonnage).

Citation de EraTom :

Pour une reverb... Je ne sais pas. Est-ce que les effets de phases peuvent réaliser des déplacements de spectre vers le bas ?
Les reverbs à convolution, non. Les rerverbs granulaires ou à modélisation physique... faut voir ce qu'elles font réellement.

Je ne vois pas très bien ce que tu entend pas déplacement du spectre vers le bas. Du fait de la symétrie du spectre autour de Fe/2 toute tentative de créer des harmoniques au delà de Fe/2 crée aussi des harmoniques en dessous.

Toute transformation non linéaire est susceptible de produire de l'aliasing. Même une simple compression, par exemple, avec des temps d'attaque et de release très cour s’apparente a une distorsion et peut donc produire de l'aliasing (probablement trés faible). Si on rallonge l'attaque et le release en revanche on se rapproche d'une transformation linéaire.

[ Dernière édition du message le 23/01/2012 à 08:27:22 ]

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Ce qui me gave après avoir lu des trucs comme ça c'est de voir des gamins face a moi à l'arret de bus avec des ipods ecouter nos morceaux en mp3 en 96 et se feliciter d'avoir plus de morceaux qu'un autre qui a preferé le wav...