Научиться слушать звук в хорошем качестве lossles на хорошей аппаратуре

Чем отличаются аудио-кодеки Bluetooth

Как обычно, начну издалека.

При передаче звука по Bluetooth от источника к наушникам или колонкам используются аудио-кодеки. Это специальные программы, «зашитые» в передатчик и приёмник, с помощью которых кодируются и декодируются данные для более качественной их передачи беспроводным способом.

Существует 5 основных Bluetooth аудио-кодеков: SBC, AAC, aptX, aptX HD и LDAC.

• SBC – самый распространённый кодек, так как он является алгоритмом «по умолчанию» для передачи звука по Bluetooth. Качество звука при использовании этого кодека получается весьма посредственное, но для многих достаточное. Собственно, изначально данный кодек был разработан для передачи голоса в Bluetooth-гарнитурах.

  Именно из-за этого кодека долгое время беспроводной звук считался ужасным и недостойным внимания уважающих себя меломанов. Но он же и стал пионером во внедрении передачи по Bluetooth музыки.

  Плюсы:

  • Поддерживается всеми устройствами беспроводной передачи звука;
  • Самое надёжное соединение.

  Минусы:

  • Низкое качество звука;
  • Высокий уровень шумов и искажений.

• AAC – единственный кодек, кроме SBC, конечно, используемый в устройствах от Apple. Этот алгоритм передачи звука основывается на психоакустике (психологических и физиологических особенностях восприятия звука человеком), поэтому довольно сильно нагружает процессор. Зато при более низком битрейте даёт качество, аналогичное aptX. Правда, только при использовании устройств от Apple. Ещё пару лет назад он почти не был распространён в наушниках. Не сегодня рынок заставил производителей выпустить много моделей с поддержкой кодека AAC.

  Плюсы:

  • Хорошее качество звука на iPhone;
  • Надёжное соединение.

  Минусы:

  • Качество звука ниже большинства кодеков;
  • Относительно небольшая распространённость вне экосистемы Apple.

• AptX – самый популярный (после SBC) кодек с неплохим качеством звука. Параметры несколько хуже, чем у HD версии, но зато поддержка данного кодека есть во многих моделях смартфонов, наушников, плееров и других устройств.

  Алгоритм сжатия, используемый в AptX был разработан ещё в 1980е годы. Qualcomm, нынешний правообладатель кодека, заявляет, что кодек обеспечивает качество, сравнимое с CD. Спорное заявление, как мне кажется.

  Плюсы:

  • Надёжное соединение;
  • Широкий частотный диапазон;
  • Низкий уровень фонового шума;
  • Большая распространённость.

  Минусы:

  • Качество звука в некоторых случаях почти не отличается от SBC;
  • При большом количестве Bluetooth-устройств вокруг надёжность соединения сильно снижается.

AptX HD – самый оптимальный кодек на данный момент, который позволяет передавать звук в качестве, близком к CD. По совокупности параметров этот кодек даёт оптимальное соотношение качества звука и стабильности связи. Он ощутимо загружает канал Bluetooth, но при этом даёт весьма достойное звучание.

Qualcomm заявляла, что с помощью этого кодека достигается звучание, близкое к Hi-Res, но тесты это не подтверждают. Хотя звучит действительно достойно.

Плюсы:

• Высокий битрейт при передаче звука;
• Широкий частотный и динамический диапазон;
• Самый низкий уровень фонового шума;
• Качество звука в большинстве случаев хорошее.

Минусы:

• Надёжность соединения ниже средней;
• Не передаёт Hi-Res аудио в соответствующем качестве;
• Относительно невысокая распространённость. Наушники, поддерживающие aptX HD, не относятся к самым многочисленным.

LDAC – кодек высокого разрешения от Sony, способный передавать музыку в качестве, близком к CD. Его битрейт и все параметры ощутимо выше, чем у аналогов. Однако, судя по тестам, качество звука не далеко ушло от того же aptX HD, а стабильность при этом ощутимо хуже.

К тому же LDAC имеет три режима работы, и только в одном даёт реально превосходящее все остальные кодеки качество. Но в этом режиме ваши устройства вряд ли соединятся по умолчанию, приоритет отдаётся более стабильному и менее качественному варианту.

Плюсы:

• Высокое качество звука;
• Максимальный среди Bluetooth-кодеков битрейт;
• Широкий частотный и динамический диапазон;
• По большинству параметров соответствует 16-битному звуку.

Минусы:

• Соединение по умолчанию в режиме 330 кбит\с или 660 кбит\с с плохим качеством звука;
• Нестабильная связь в режимах 660 кбит\с и 990 кбит\с;
• Слабая распространённость. Наушники, поддерживающие LDAC, не сильно распространены. В основном, их выпускает Sony, конечно.

????️ 1. Кодеки высокого разрешения на Андроид — для блютуз наушников и колонок

Android по умолчанию поддерживает все кодеки высокого разрешения: aptX (HD, LL) и LDAC. Улучшение звука на Андроид стоит начинать с выбора кодека. Но для соединения наушников\колонок по нужному кодеку, должны выполняться условия:

• Поддержка кодека должна быть у процессора телефона. Некоторые версии MediaTek, например, не поддерживают aptX. Узнать это можно в подробных характеристиках телефона.
• Поддержка кодека должна быть и у наушников. Это указано в документации\характеристиках. Но китайским малоизвестным производителям не стоит доверять.

В 90% случаев наушники\колонки соединяются с телефоном сразу по самому лучшему из доступных в данной паре кодеков. Соответственно, улучшить качество звука на Андроиде в этом случае сменой кодека не получится. Но могут быть и исключения. Проверить, по какому кодеку происходит соединение можно:

• В устройствах Bluetooth. В зависимости от версии ОС и оболочки, там может указываться кодек около названия подключённой модели.
• В меню разработчика. Нажимаем много раз на версию сборки в настройках, видим оповещение, а потом находим новый пункт в меню настроек.
• В специальных приложениях. Фирменных и универсальных.

Структура статьи

Перечислим темы, о которых будем говорить.

1. Введение
   Кратко об основных идеях перцептивных и lossless кодеков.
2. Перцептивные кодеки
   (это MP3, AAC и им подобные)
   2.1. Анатомия и ЦОС
   Поговорим о составляющих слуховой системы, а также обсудим, как к ней относится цифровая обработка сигналов.
   2.2. Порог в тишине
   Рассмотрим математические модели восприятия человеком разных частот.
   2.3. Маскинг (на пальцах)
   Затронем основную идею, лежащую в основе перцептивных стандартов (без формул, но с картинками).
3. Lossless (кратко)
   Для сравнения поговорим и о данной группе стандартов (очень немного поговорим).

Введение

Я думаю, ни для кого из интересовавшихся темой аудиостандартов не секрет, что существуют в Мире две большие (и непримиримые между собой) парадигмы развития этих самых стандартов. А именно:

• Lossless форматы (например, популярный FLAC);
• Форматы на базе перцептивного (от англ. “perceptual” — относящийся к восприятию) кодирования (например, легендарный MP3 (MPEG-1/2/2.5 Layer 3) и его логическое продолжение AAC).

За первыми закрепилось звание тяжеловесных стандартов для меломанов. За вторыми стоит многолетняя практика применения: начиная от некачественных подборок музыки на дисках для MP3-плееров, кончая современными (достаточно качественными) потоковыми сервисами прослушивания музыки.

А теперь предлагаю поговорить об обеих концепциях чуть подробнее.

Перцептивные кодеки

Начнем со второй группы кодеков, а именно с их обобщенной схемы:

Рис. 1. Обобщенная структурная схема перцептивного кодирования.

Итак, что мы видим:

Штука слегка специфичная, однако, людям работающим в сфере цифровой обработки сигналов, я думаю, знакомая. Нужен этот блок для того, чтобы разбить входной сигнал на диапазоны и через это иметь больше степеней свободы для компрессии.

Это классика. Проходят данные темы обыкновенно в купе с азами теории информации, и потому по данной тематике есть целая база знаний из всевозможных семинаров на различных языках программирования (поэтому сегодня обсуждать подробно мы их не будем).

И вот по данному пункту хотелось бы поговорить более подробно. Ведь именно он и является основной точкой расхождения двух названных выше парадигм.

И начнем мы, так сказать, с самых основ — с биологии.

Маскинг (на пальцах)

В случае узкополосных шумов порог слышимости будет выглядеть так:

Этот феномен называют эффектом частотного маскирования (frequency masking). То есть шумы маскируют собой более слабые сигналы в частотной области.

Иными словами достаточно сильный тон влияет еще и на своих соседей. Выглядит это примерно так:

Существует, к слову, и временное маскирование (маскирование во временной области): громкий сигнал маскирует собой как следующий за ним более слабый, так и предшествующий ему более слабый сигналы. Согласен, вторая часть утверждения звучит немного странно, но нужно все же держать в голове, что органы слуха и восприятия — это система со своей инерцией и задержками.

Возникает вопрос: зачем вообще тратить память на запись того, что в принципе не будет услышано?

Именно эта идея и стала базовой для перцептивных стандартов: удаляется не только избыточность на уровне эффективного кодирования, но и избыточность с точки зрения модели восприятия (irrelevance). Проводится такая “очистка” нерелевантных звуков на этапе квантования.

А что же у lossless?

Если кратко, то данные форматы придерживаются двух основных принципов:

• декодированный и оригинальный сигналы идентичны вплоть до бита (или целого числа);
• убирается лишь только та избыточность, которая redundancy.

Структурная схема кодера выглядит так :

Рис. 11. Lossless-кодер.

Сначала аудио-сигнал разбивается на фреймы (кадры) в целях достижения изменяемости: работа осуществляется не со всем тяжеловесным исходником, а только с его частью — с фреймом (не слишком большим, но и не слишком малым).

Далее идет первый этап избавления от избыточности — декорреляция отсчетов (сэмплов) внутри фреймов. Звучит немного заумно, но на практике ничего сложного. Проследим на примере самой, пожалуй, распространенной реализации — на примере кодирование с предсказанием (на основе линейных фильтров):

Рис. 12. Схема кодера с предсказанием.

Предиктор (предсказатель) высчитывает некоторое значение, предполагаемое на основе предыдущих отсчетов; исходя из него вычисляется ошибка предсказания e(n), и именно она сжимается дальше эффективными кодеками. За счет этого происходит некоторая экономия памяти без потери качества.

Здесь важно, чтобы кодер и декодер были абсолютно идентичными, вплоть до выбора метода округления (обычно выбирается стандарт из IEEE)

Рис. 13. Схема декодера с предсказанием.

Вот такая лаконичная idea behind, в общем-то.

Мысли вслух (вместо послесловия)

Смотря на объемы теории с той и другой стороны, иногда я ловлю себя на мысли, что перцептивные стандарты разрабатывали хорошие ученые, а стандарты lossless  – хорошие инженеры. С одной стороны сложная и интересная теория с экспериментальным обоснованием (и рядом допущений), а с другой простой и понятный подход: что было изначально, то и восстанови, а конечный объем — дело второго порядка. У обоих подходов есть плюсы и минусы, определяющие их области применения, а также, что закономерно, свои поклонники и противники.

Надеюсь смог хоть немного приоткрыть завесу идей, лежащих в основе. Рад буду вашим замечаниям и комментариям!

Слушайте хорошую музыку хорошего качества удобным для вас способом!

Литература

1. Цвикер Э., Фельдкеллер Р. Ухо как приемник информации //М.: Связь. – 1971.

2. Zwicker E., Fastl H. Psychoacoustics: Facts and models. – Springer Science & Business Media, 2013. – Т. 22.

3. M. Hans and R. W. Schafer, “Lossless compression of digital audio,” in IEEE Signal Processing Magazine, vol. 18, no. 4, pp. 21-32, July 2001.

Какие приложения на iOS могут воспроизводить аудио высокого качества (Hi-Res)?

Если iTunes не поддерживает аудиофайлы с высоким разрешением — это ещё не значит, что FLAC нельзя хранить на самом устройстве. И если застопоряющий элемент — это проигрыватель Apple Music, то почему бы не найти альтернативу? К счастью, существует несколько приложений для iPhone, которые позволяют разблокировать возможность воспроизведения высококачественного аудио на вашем устройстве.

Бесплатное приложение, которое больше известно как видеопроигрыватель. Может воспроизводить FLAC файлы, но не показывает никаких мета-данных на вашем устройстве.

Стоит 10 долларов в App Store и позволяет воспроизводить треки высокого разрешения. При это показывает детальную информацию о каждом аудиофайле. Тем не менее, мы сочли её ненадёжной из-за того, что не все FLAC-файлы распознаются и, несмотря на то, что их можно увидеть в плейлисте, они не воспроизводятся.

VLC на сегодня — это самый лёгкий и дешёвый способ воспроизведения треков высокого качества, но если вам хочется немного больше контроля над воспроизведением, то самое завершённое и надёжное приложение, которое мы нашли — это .

Где хранить, и как слушать музыку высокого разрешения Hi-res?

На современном ноутбуке или настольном компьютере, применяются жесткие диски размером, измеряемым в террабайтах. Вроде ограничений по объему нет. Однако видео и фонотеки на CD, DVD, и даже Blu-ray постепенно уходят в прошлое, а записанную однажды музыку (или фильм) стирать не хочется, особенно, если она скачана законно, с уплатой стоимости.

Выход есть: сетевые хранилища данных. Это коробочки относительно небольшого размера, с емкими накопителями внутри. Для доступа к информации достаточно обычного сетевого подключения.

Еще одно преимущество: для прослушивания любимого фрагмента не обязательно включать персональный компьютер с экраном и мощным процессором. Музыкальная аппаратура подключается к хранилищу, и можно получать одновременный доступ к различным музыкальным фрагментам.

Устройства, совместимые с lossless

Вряд ли хозяин фонотеки захочет расходовать время на то, чтобы преобразовать файлы из формата FLAC в MP3, чтобы иметь возможность прослушивания записей на своем гаджете. У смартфона или планшета ограниченные возможности, несравнимые с компьютером, но тем не менее многие из мобильных устройств проигрывают lossless-форматы.

Например, владельцы устройств под управлением Android могут воспользоваться плеером andLess. Он способен проигрывать файлы в форматах FLAC, APE, несжатый WAV и другие форматы, поддерживаемые Android.

Хуже обстоят дела у владельцев устройств на платформе Blackberry. Лишь обладатели моделей Bold 9000 и 8900 и более поздних версий могут прослушивать lossless формат.

Обладатели устройств Apple без проблем могут использовать кодек ALAC. Он поддерживается плеером iPod (кроме shuffle), телефоном iPhone и планшетом iPad. Для формата FLAC можно скачать FLAC Player в App Store.

Кодек FLAC поддерживается устройствами Samsung Galaxy, некоторыми смартфонами Sony Ericsson и плеерами iriver.

Получили поддержку FLAC и стационарные устройства многих производителей. Медиаплееры и медиацентры позволяют обойтись без персонального компьютера при прослушивании композиций без потери качества.

Пока еще до полной поддержки абсолютно всех форматов далеко, но вполне хватает того, что медиаплеер понимает кодек FLAC – самый распространенный кодек качественной музыки lossless. Что такое аппаратура воспроизведения lossless?

Кодирование и декодирование FLAC

Кодирование WAV во FLAC со степенью сжатия по умолчанию (5):

Кодирование WAV во FLAC с указанной степенью сжатия:

, где n — число от 0 (минимальное сжатие) до 8 (максимальное сжатие).

Декодирование FLAC в WAV:

Чтобы убедиться в том, что FLAC сжимает данные действительно без потерь, можно использовать любое ПО, умеющее сравнивать файлы побитно — например, встроенную в Windows утилиту fc. Для эксперимента выбираем любой WAV-файл и делаем с ним следующие преобразования: original.wav (оригинальный файл) > compressed.flac (кодируем файл во FLAC) > decompressed.wav (декодируем FLAC обратно в WAV). Далее сравниваем original.wav и decompressed.wav при помощи fc в режиме двоичного сравнения:

По завершении проверки утилита выдаст сообщение «различия между файлами не найдены», что говорит об их полной идентичности. Это означает, что при конвертации во FLAC и обратно ни один бит не был потерян, что и требовалось доказать. Если проделать тот же опыт с MP3, то результат будет совсем иной, различий между файлами обнаружится огромное количество.

Как улучшить качество звука с помощью “режима с наилучшим звуком”

Нижеописанный алгоритм тестирования может быть использован для ЦАП (DAC), портативных аудио плееров, музыкальных серверов, любых аудио устройств, которые имеют микросхему ЦАП.

1. Найдите несколько аудио файлов с различной разрядностью (16, 24 бит, DSF, DFF, ISO, и т.д.) для тестирования вашего аудио оборудования.
    
2. Запустите конвертер аудио AuI ConverteR 48×44.
   Для проверки звука может быть использован бесплатный AuI ConverteR 48×44 Free. несмотря на ограничения он позволяет оценить возможности оптимизации аудио файлов для вашего оборудования или устройства.
    
3. Откройте исходные аудио файлы см. шаг №1.
    
4. Перейдите в настройки AuI ConverteR Settings > General:
    
5. Снимите отметку с переключателя “Don’t make DSP for unchanged sample rates”.
    
6. В списке Filter Mode выберите “Optimized resampling filter”.
    
7. Снимите отметку с переключателя “Use minimum phase filter (without pre-ringing)”.
    
8. Нажмите кнопку OK.
    
9. Выберите один из выходных форматов: WAV, FLAC, AIFF. Если ЦАП (DAC) поддерживает только DSD, перейдите к шагу №19.
    
10. Выберите выходную частоту дискретизации (sampling rate), разрядность (bit depth).
    Для начала рекомендуется выбрать максимальные частоту дискретизации и разрядность, которые поддерживаются вашим ЦАП.
    Тем не менее, более высокая частота дискретизации и/ил разрядность не гарантируют лучшего качества звука.
     
11. В главном окне влючите дитер (Dither).
    Если и входная и выходная разрядности выше 16 бит кнопка “Dither” игнорируется.
     
12. Выберите новый директорий для конвертированных файлов.
    Совет: используйте уникальное имя директория, которое позволит понять использованные значения параметров конвертации при последующем тестировании.
    Пример: “44100-16bit-DthOn”, “DSD64-DthOff”, etc.
     
13. Нажмите кнопку Start и подождите окончания конвертации.
     
14. В главном окне AuI ConverteR включите дитер (dither).
     
15. Выберите новый директорий для конвертированных файлов.
     
16. Нажмите кнопку Start и подождите окончания конвертации.
     
17. Повторите шаги №10 … 16 для всех комбинаций частоты дискретизации и разрядности, которые поддерживает ваш ЦАП или устройство.
     
18. Повторите шаги №10 … 17 для всех режимов фильтра (Settings > General > Filter Mode).
    Дляr “Optimized resampling filter” проверьте оба (отмеченное и неотмеченное) состояния переключателя “Use minimum phase filter (without pre-ringing)”.
    Для других режимов фильтра (filter modes) этот переключатель игнорируется.
     
19. Если ваш ЦАП или устройство (DAC) поддерживает режим DSD, повторите шаги №10 … 18 для выходных форматов DSF.
     
20. Прослушайте и сравните похожие файлы для всех режимов конвертации: сравните файлы с одинаковым музыкальным содержимым, расположенные в различных директориях с конвертированными файлами (шаги #12 и #15).
    Параметры конверсии тех конвертированных файлов, которые имеют более предпочтительное звучание, вы можете использовать для конвертации (оптимизации) вашей библиотеки для проигрывания на протестированном ЦАП (DAC) или устройстве.

В общем случае, для сравнения режимов ЦАП, автор рекомендует выключать цифровую коррекцию акустики помещения. Но вы можете сравнить результаты как с, так и без этой коррекции.

Самые качественные форматы

Среди множества аудиоформатов следует выделить несколько форматов музыки высокого качества, которые можно считать одними из лучших.

PCM (pulse code modulation) выдает подлинное звучание, которое преобразуется без искажений. РСМ представляет собой основу для многих звуковых файлов. PCM популярный формат аудио для записи CD и DVD дисков. Является одним из лучших по качеству звучания.

Что за файлы с расширением DBF и чем их открыть

WAVE (Waveform Audio File Format) — наиболее известное звуковое расширение, дает возможность сохранять аудиоданные в отличном качестве. Для звукозаписи применяются разные методы компрессии, поскольку аудиофайлы занимают достаточно большие объемы памяти.

AIF или AIFF – подобен формату WAV, но разработан Apple. Является контейнером для формата PCM. Воспроизводится стандартным плеером Windows.

Есть ли разница в звучании между обычным звуком и Dolby Atmos?

Для восприятия объемного звука подойдут даже обычные AirPods, не говоря уже о более сложной технике. Чтобы протестировать наушники, найдите в Apple Music пометку Dolby Atmos рядом со списком песен.

Первое впечатление от такого звука – он другой, причем не всегда лучше относительно обычного стерео.

Все дело в том, как раскрывать потенциал этой технологии. Она лишь симулирует объемный звук. Для этого используется обширный набор инструментов, чтобы максимально визуализировать в нашей голове картину происходящего и погрузить туда. Создание такой звуковой дорожки – непростое и дорогое дело, вот почему треки выпускаются только для популярных артистов на богатых лейблах.

В AirPods Pro и AirPods Pro Max можно будет ощутить разное местоположение инструментов в пространстве, как и самого солиста. Но не всегда это удачно. В стерео же все сливается в единый поток, композиция в целом может звучать и лучше, но явно плоско. В целом новый опыт интересен и явно найдет чем зацепить аудиофилов.

Заключение

Завершая данную статью, не могу обойти стороной один из самых популярных вопросов обывателей — что же лучше, FLAC или MP3? Спрашивающий обычно хочет получить простой, однозначный и справедливый для всех случаев ответ. Однако, такового нет и быть не может. Далее я изложу своё мнение по части того, когда и почему следует применять каждый из обсуждаемых форматов.

Что касается качества звучания, то опыт показывает, что при грамотном подходе к процессу сжатия MP3 разница между ним и lossless-форматами на слух исчезающе мала в подавляющем большинстве ситуаций. Надежно фиксировать отличия могут только хорошо тренированные люди при прослушивании подходящей музыки на высококлассном оборудовании. Да, существуют специально подобранные тестовые сэмплы, на которых артефакты lossy-сжатия отчётливо заметны каждому, но задайте себе вопрос — вы планируете слушать эти сэмплы или всё-таки обычную музыку? В общем, вывод очевиден — MP3 более чем подходит как формат хранения музыки для высококачественного воспроизведения. Но повторю ещё раз: данный тезис справедлив только в том случае, если аудиофайлы приготовлены правильно. К сожалению, сеть наводнена MP3-шками, звучание которых откровенно погано вовсе не из-за ущербности самого формата, а по причине использования старых или изначально убогих кодеров.

Чтобы составить собственное непредвзятое мнение по обсуждаемому вопросу, настоятельно рекомендую читателю лично потестировать разные форматы в слепых тестах. Это не только познавательное, но и достаточно увлекательное занятие.

Теперь рассмотрим преимущества, которые даёт использование FLAC или других lossless-форматов.

В отличие от ситуации с MP3, где качество результата сильно зависит от квалификации кодирующего, испортить звучание сжатием во FLAC невозможно в принципе. Поэтому вопрос, чем и как кодировался материал теряет свою актуальность (за исключением ранее описанных клинических случаев изготовления FLAC из lossy, но это легко проверяется). При прослушивании музыки в lossless вы можете быть уверены, что огрехи в звучании, если таковые имеются — не результат приложения чьих-либо кривых рук на этапе сжатия, а свойство исходной фонограммы, с которым просто надо смириться.
Сама уверенность в том, что запись хранится «как есть», без необратимых потерь в ней, некоторым людям доставляет психологический комфорт. В такой тонкой области, как аудио, данный фактор может быть весьма значимым.
Материал в lossless идеально подходит для разнообразной обработки — его можно пережимать в любые другие форматы, редактировать, резать на сэмплы без боязни получить на выходе «мясо, вылепленное из консервов»

Для тех, кто серьёзно работает со звуком, это немаловажно.

Всё перечисленное не про вас? Тогда заморачиваться с lossless вам нет никакого смысла, смело используйте MP3 либо другие lossy-форматы.

Лично я дома храню и слушаю музыку преимущественно во FLAC, собственноручно изготавливая из него MP3 при необходимости — например, для использования в портативных устройствах.

Метки: работа с аудиозаписями