为什么我选择 FLAC 音频

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Sheet music with geometry graphic

照片由 Jen Wike Huger 拍摄

在本文中,我专注于数字格式的音乐。此外,因为我是一个 Linux 爱好者,我将从 Linux 的角度来看待这个话题。

大多数人都听说过 MP3 格式。它是以下两件事的例子:首先,它不是开放格式,因为许多组织声称拥有其专利。其次,它是一种“有损”格式。有损格式通过丢弃一些信号分量来压缩原始信号。这种压缩的最初理由是为了使音乐文件更小且更易于分发。相比之下,还有“无损”格式,可以压缩(不丢弃原始信号)或不压缩。在光盘 (CD) 上呈现的数字音乐是无损格式的一个例子(假设它是音频 CD,而不是保存了 MP3 的数据 CD)。

还值得一提的是,编码数字音乐主要有两种方式:脉冲编码调制 (PCM) 和 Δ-Σ 调制 (DSM)。直到最近,大多数数字音乐都使用 PCM 编码;但索尼和飞利浦建立了一个基于 DSM 的标准,称为 DSD,并在超级音频 CD (SACD) 光盘上实施。少量但越来越多的音乐可以以这种标准下载。关于更详细的差异,我们将留给维基百科来解释。

我们这些关心软件自由的人应该更喜欢完全自由的格式,例如 Ogg Vorbis (有损)和 FLAC(无损,压缩)。我们尤其应该避免包含数字版权管理 (DRM) 选项的文件格式。理论上,人们可能会认为 DRM 只是一种防止未经授权使用(盗窃?)他人知识产权的机制。但是,某些供应商使用 DRM 来迫使其客户使用他们的软件,有时甚至是硬件。再次,维基百科有一篇关于整个格式业务的很好的详细文章。

但是,决定格式不是——或者至少不应该是——首要考虑的问题。相反,我们每个人对于音乐的使用都有一组不同的目标。我将解释我的目标,然后进一步解释这些目标如何影响我对文件格式的决定。

首先,并且为了强调,我是软件自由的坚定支持者。这意味着我更喜欢 Ogg 或 FLAC 格式的数字音乐。任何由于专利或商业秘密而限制访问的格式对我来说都很少或根本没有兴趣。

其次,我的音乐收藏可以追溯到 20 世纪 60 年代。我仍然保留着多年前购买的大部分 LP(有时会让我感到尴尬),其中一件让我非常愉快的事情是,那些旧 LP 在现代模拟播放设备上听起来仍然很棒。我喜欢认为,像戴夫·布鲁贝克的Time Out这样音质良好的 LP,最初录制于 1959 年,听起来仍然非常新鲜和清晰,部分原因是录制它的人员用他们的设备做了出色而细致的工作。因此,当我现在购买音乐时,无论是在 LP 上还是作为音乐下载,我都尽量获得尽可能好的录音质量。

因此,我强烈偏好购买数字无损格式而不是有损格式。事实上,如果某样东西仅以有损格式提供,我通常不会费心购买它。而且我不仅购买无损格式,而且在可用时,我还购买比“CD 标准”更高的分辨率。当然,我首选的无损格式是 FLAC!

让我们花一点时间谈谈分辨率。CD 上的音乐以 44.1kHz 的采样率和 16 位的字长呈现。理论上,这意味着 CD 上录制的最大的声音是最小的声音的 216 倍,即 65,536 倍。这意味着,如果您有一个显示此完整动态范围的录音,并将音量调高到刚好可以听到最安静的部分,那么最响亮的部分会非常响亮,以至于会超过听觉疼痛阈值。

此外,奈奎斯特-香农采样定理告诉我们,44.1kHz 的采样率足以保留高达 20kHz 的声音频率(“kHz”是“千赫兹”或每秒周期的缩写),据说这是听力极佳的人类听力的上限。

那么,为什么我认为我需要比 CD 标准更高的分辨率呢?

很简单。以 96kHz 采样率和 24 位字长呈现的录音比 44.1/16 版本提供更大的“空间”来容纳原始模拟信号——不仅仅是最响亮的声音和最柔和的声音。这意味着录音不必处于如此接近最大值的水平,以至于偶尔会超过它。(超过最大值的信号被称为“削波”,削波会引入原始录音中不存在的各种讨厌的声音。)此外,音乐中的安静声音有更多的位来表示它们。

例如,马可尼联盟的Breathing Retake通常低于最大值 25dB。dB 或分贝是实际电平(在本例中为 -25dB)与参考电平 0dB 之间的比率。低于参考电平 -25dB 的信号的四个最高有效位设置为零。因此,16 位字长在 -25dB 的音乐只有 12 位信号值,而 24 位字长则有 19 位信号值。埃里克·惠特克的 Sainte-Chapelle,由塔利斯学者演唱,以 -35dB 至 -40dB 的电平运行,这在 16 位字长的情况下,为信号提供了 10 位或更少的位。24 位字长为录音工程师提供了更大的自由度来录制播放的音乐,而无需压缩音乐以使其适应 16 位动态范围。

至于采样率,96kHz 采样率可用于高达 45kHz 左右的音频频率,而 192kHz 可用于高达 90kHz 左右的频率,远远超出人们认为的人类能力的上限。但是,拥有额外的带宽意味着必须在模拟信号数字化之前应用于模拟信号的滤波可以比 44.1kHz 采样率的情况温和得多。温和的滤波器通常比更突兀的滤波器更受音频特性方面的青睐。《温和计算机》有几篇关于这个主题的好文章

购买高分辨率素材的另一个理由:我的经验告诉我,当音乐以高分辨率格式发布时,它通常在生产链中得到很好的照顾,并保留了原始的动态范围(响亮就是响亮,安静就是......),以及音乐的生命力,而不会将大量人为因素——噪音!——引入音乐中。

总之:当我购买数字音乐下载时,我以 FLAC 格式购买,并尝试获得 24 位文件和 88.2kHz 或 96kHz 采样率。我的音乐文件要花钱。我为什么要愿意接受质量差的有损文件?我为什么要愿意让供应商将我锁定在特定的软件和硬件平台上?

Chris Hermansen portrait Temuco Chile
自从 1978 年从不列颠哥伦比亚大学毕业以来,我几乎一直离不开电脑,自 2005 年以来一直是全职 Linux 用户,从 1986 年到 2005 年一直是全职 Solaris 和 SunOS 用户,在那之前是 UNIX System V 用户。

40 条评论

值得阅读这篇文章,您可能会惊讶地发现,高分辨率音频并没有人们吹嘘的那么好:https://xiph.org/~xiphmont/demo/neil-young.html

另请注意,您不知道这些文件是从哪里创建的。如果是原始工作室母带,那是一回事。但我怀疑大量可供下载的文件是从 44.1/16 原始文件创建的。在这一点上,它们只是浪费空间。

顺便说一句,在过去十年左右的时间里,我一直在将我自己的音乐翻录成 FLAC 格式。

感谢您的评论。我实际上已经读过那篇文章,它并没有让我感到惊讶。它没有提到的是,当音乐以更高的分辨率录制时,转换为更低分辨率是一个不必要的且破坏信息的步骤。我更喜欢原始文件,并且我更喜欢购买旨在处理更高分辨率内容的设备。

很容易判断您的音乐是否是从较低分辨率源升采样的 - 频谱图会显示出来。在这种情况下,我说要求退款。

回复 作者:Tet(未验证)

很棒的文章。我倾向于让我的耳朵来判断什么需要什么样的采样率,所以我没有任何规则,除了我的耳朵应该对声音的深度和范围感到满意的经验法则。我最喜欢的一些录音是我自己制作并以 48khz 编码为 flac 的黑胶唱片转录。

很棒的文章,祝你好运,试图将人们转变为发烧友的世界观 ;-)

感谢您的评论,Seth!

我想知道我是否不小心“举报”了您而不是“回复” - 如果是这样,那真是太尴尬了。

您关于将人们转变为发烧友世界观的评论 - 多么有预见性!

回复 作者:sethkenlon

这篇文章中有几个实质性的错误和遗漏,反映出对数字音频编码和心理声学的理解不足。

这篇文章正确地指出 CD 是一种无损格式,然后赞扬了几十年前录音的 LP 发行,但没有说明 CD 可以比 LP 更忠实地再现原始母带上的录音(更少的噪音、失真等)。

“CD 上录制的最大的声音是最小的声音的 65,536 倍”——这并没有正确描述响度的感知或测量方式。响度是主观的,也取决于频率,并且与数据电平成比例地大致呈对数关系,而不是线性关系。另一方面,CD 信号在正负之间摆动,从 +32768 到 -32767。而且,在数字录音中,低电平随机噪声,称为“抖动”,被添加到音频信号中(并且可能由于麦克风前置放大器噪声而已经存在),以实际允许再现低于 1 位电平的信号。噪声可以放置在人类不敏感的高频范围内,从而显着扩展动态范围。

至于 24 位字长和超出再现最高可听频率所需的数据速率,两者在增加可以记录的潜在动态范围方面具有基本相同的效果,通过增加位数,并且对于必须处理不同电平并将音轨混合在一起的录音工程师很有用——但在最终发行中不会产生可听见的差异。在任何正常的聆听水平下,16 位都涵盖了从主观静音到震耳欲聋的响度范围,并且很可能与音频一起录制的麦克风前置放大器嘶嘶声已经远高于 16 位可以再现的最低水平。

如果录音没有使用最高的 4 位或更多位,那么很简单,它就是母带处理不佳。

20 kHz 左右是,而不是“被认为是”人类听力的上限,即使对于听力没有受到磨损的年轻人也是如此。暗示更高的频率可能很重要是音频设备制造商经常使用的策略,他们向客户过度推销他们的产品,除非这些客户恰好是狗或蝙蝠!

突兀的滤波器可能设计得很糟糕,以至于产生可听见的失真(类似回声),但即使是 44.1 kHz CD 采样率(理论截止频率为 22.05 kHz)也允许将响应传输到 20 KHz,同时滚降仍然足够温和,以至于不会出现这种可听见的失真。是的,更高的采样率可以用于录音和播放系统中的数字滤波器,但录音的采样率不需要像滤波器中使用的那样高。

呼。

约翰,谢谢你的评论。

我感觉不太舒服将这个论坛变成辩论工具。话虽如此,您提出了一些我不能接受的声明。

首先,“不使用最高 4 位或更多位的录音是母带处理不佳”。我提到的录音确实使用了最高的位,但它们的电平通常要低得多。这并不是缺陷的迹象,而是作曲家预期动态的迹象。

其次,重点是,在主要是安静但偶尔有动态峰值的音乐中,较少的位用于表示低电平信号;使用 16 位捕获动态峰值留给捕获低电平信号的位要少得多;反过来,这意味着在那些较低电平信号中,失真比 24 位录音要显着得多。从另一个角度来看,如果音乐是以 24 位录制的,那我为什么要满足于 16 位演绎?

第三,您关于滤波器的采样率高于录音的评论...滤波发生在离散化之前,以减少混叠。

最后,我认为您通常误解了我的观点:我更喜欢更高的速率/更高的位深度,主要是因为——无论如何,根据我的经验——它们通常表明在生产链中采取了更多的谨慎措施。有太多的音乐“在那里”,与其说是原始表演,不如说是制作过程的产物,这体现在应用的压缩(用于 FM 和 AM 无线电广播市场???以及对于那些将听音乐等同于戴着耳机在嘈杂的街道上行走的人)。我提倡将聆听作为主要活动,因此提倡使用高质量的软件和工具。

回复 作者:John S. Allen(未验证)

关于最高的 4 位或更多位:接受您的观点;许多流行音乐录音中的音量压缩和完全削波非常不幸。但是,降低 4 位仅降低 24 分贝,在简单抖动的录音中,噪声水平之上仍保留约 68 分贝,在具有最佳噪声整形抖动(如索尼超级位图录音中)的录音中,噪声水平之上仍保留 90 分贝。即使使用简单的抖动,麦克风前置放大器噪声和房间噪声也可能掩盖抖动噪声;对于 90 分贝,即使在非常大的聆听水平下,抖动也完全听不见。

“反过来,这意味着在那些较低电平信号中,失真比 24 位录音要显着得多。”低电平失真发生在早期使用具有非线性传递函数和/或不良或无抖动转换器制作的数字录音中。关于失真的讨论仍在继续流传,但正确的数字化中*没有*失真。音频信号沉入抖动产生的非常低的嘶嘶声中。这已在数学上得到证明,并在实践中得到证实。

“从另一个角度来看,如果音乐是以 24 位录制的,那我为什么要满足于 16 位演绎?”因为没有可听见的差异,并且因为更高的数据速率浪费带宽。

“第三,您关于滤波器的采样率高于录音的评论...滤波发生在离散化之前,以减少混叠。”正确,当在录音中使用高采样率时,模拟滤波可以不那么陡峭。但是,然后陡峭的数字滤波可以将传输或存储的录音的采样率降低到低至 44.1 k,而不会产生可听见的效果。在播放时,可以再次乘以采样率,以便使用逆过程:陡峭的数字滤波器,温和的模拟滤波器。滤波很便宜:昂贵的是数据存储或流式传输。

“最后,我认为您通常误解了我的观点:我更喜欢更高的速率/更高的位深度,主要是因为——无论如何,根据我的经验——它们通常表明在生产链中采取了更多的谨慎措施。”正如我在第一条评论中同意的那样,在录音期间,当处理不可预测的电平变化和混合多个音轨时,使用更高的位深度和采样率是有意义的——但在 CD 上录制或流式传输的数据中,不需要更高的位深度和采样率。除此之外,即使是最高质量的有损数据压缩方法也已被证明——通过聆听测试和与未压缩信号的减法比较——产生完全听不见的变化。

至于您对开放源代码压缩而不是 MP3 的偏好,Lame(代表“Lame 不是 MP3 编码器”)编码器与 Fraunhofer 编码器的关系是否与 Linux 与专有 Unix 的关系相同?我使用 Lame,这些文件与 MP3 兼容,而且从来没有人来找我要版税。

回复 作者:clhermansen

感谢您的评论,约翰。

我的文章的目的不是捍卫 96/24 与 44.1/16 的内在属性,而是真正向人们建议他们考虑更高分辨率的东西,因为——无论如何,根据我的经验——它通常比楔入 CD 或 MP3 或任何其他格式的东西母带处理得更好,更忠实于原始文件。

尽管如此,还是说几句简短的评论,然后我保证不再多说。

MP3 文件:我不想要它们。首先是因为它们使用有损压缩,其次是因为它们不是开放标准。在另一条评论中,您会看到它们可能不再受专利限制。如果是这种情况,那么这个问题就变得毫无意义了,我想;但我不够聪明,无法理解它们是否是免费的。至于是否有人追究您的版税,那不是我的问题。一些闭源软件公司已经威胁或起诉一些开源软件公司,因为后者创建的开源软件违反了前者的专利。这限制了我作为开源软件潜在消费者的自由,因此在可能的情况下,我尽量使用不受专利影响的软件。也许我是在做堂吉诃德式的事情;就这样吧。

“正确的数字化中没有失真”——在这里您错了。所有数字化中都存在离散化误差,这是由于用有限数量的位来表示或多或少连续的数据(模拟数据)而产生的。位数越小,离散化误差越大。抖动将离散化误差转化为噪声,而噪声就是失真。以下是维基百科文章 https://en.wikipedia.org/wiki/Quantization_%28signal_processing%29 中的一段精彩引文

“然而,上面的计算 [信噪量化误差] 假设输入通道已完全填满。如果情况并非如此——如果输入信号很小——相对量化失真可能会非常大。为了规避这个问题,可以使用模拟压缩器和扩展器,但这些也会引入大量的失真,尤其是当压缩器与扩展器不匹配时。此类压缩器和扩展器的应用也称为压扩”

请注意提及“如果输入通道未满”。

“陡峭的数字滤波可以将传输或存储的录音的采样率降低到低至 44.1 k,而不会产生可听见的效果”和“滤波很便宜:昂贵的是数据存储或流式传输”和“更高的数据速率浪费带宽”和“在 CD 上录制或流式传输的数据中,不需要更高的位深度和采样率”——好吧,我还能说什么呢;您的首要任务是以高速率量化,然后应用 FIR 滤波器或类似滤波器来节省存储空间和/或方便流式传输。我的不是;我的目的是以尽可能接近原始格式的格式获取我的音乐——只是不要费心应用 FIR 滤波器,并给我原始文件,最好是 24 位的。我真的不想购买 44.1/16 或 256kbps MP3 格式的音乐,如果它们有 96/24 格式的话。如果我出于某种原因需要这些格式,我可以随时自己降采样。

我的人生音乐体验是,一直有人创作优美的音乐,而且几乎一直有人通过降低其保真度来包装它,从而妨碍我对优美音乐的欣赏——高速磁带复制;8 音轨磁带;用于制作大量再生废旧黑胶唱片的劣质 LP 的第 10 代母带;匆忙放在 CD 上的粗心转换的模拟音乐;压缩到极致的音乐,使其在 AM 广播中听起来更响亮;转换为 128kB AAC 文件的音乐,以便它可以安装在我不拥有也不想拥有的设备上;等等等等。现在有人愿意给我非常接近母带的东西,我想买它并听到它的全部辉煌。我想支持那个市场。我希望 Pono 和 HDTracks 和 ProStudioMasters 能够成功(尽管我希望他们有一个更开放的下载过程),因为他们通常关心提供高质量的音乐。如果他们的链条的一部分是 96/24 或 192/24,那对我来说很好。

我对音乐的关注是聆听和喜爱它,而不是担心它占用多少磁盘空间。那些告诉我我必须更喜欢可以放在 CD 上或可以在下载中流式传输的音乐,而不是没有被挤压和压扁的 96/24 重制版的人...

回复 作者:John S. Allen(未验证)

有趣的是,几天前我浏览了一篇 2011 年的 Xiph 文章,标题为“24/192 音乐下载……以及为什么它们毫无意义”:http://people.xiph.org/~xiphmont/demo/neil-young.html

此外,您没有提及您用来收听这些 FLAC 文件的设备。我相信它需要相当特定的设备(和出色的耳朵)才能以正确的方式收听这些文件。是否有关于此的后续文章?

皮埃尔,感谢您的评论。

我将在接下来的两篇文章中谈论我的设备体验——首先是关于笔记本电脑,然后是关于“家庭立体声音响”。

您提到的 Xiph 文章从“我们的耳朵不需要这种更高分辨率的东西”的角度出发。我的主要观点是,更高分辨率的东西通常表明生产链更注重产生高质量的结果。我的次要观点是,我想听的音乐通常以这种更高的分辨率录制,那么我为什么要让别人在卖给我之前把它扔掉呢?

最后,Xiph 文章中关于劣质设备在高分辨率信号存在下表现不佳的观点有一个很好的解决方案——不要购买劣质设备!

回复 作者:Pierre E.(未验证)

感谢您的回复,克里斯!期待阅读您的下一篇文章。

回复 作者:clhermansen

令人惊讶的是,您不需要高端音频设备来听到差异。我最近在我的 10 年旧车中安装了一个辅助输入。这辆车确实配备了“高级”音频系统,但所有这些都意味着有一个额外的放大器和 Infinity 扬声器,而不是非放大的普通扬声器。

同一音乐的 256k MP3 和 FLAC 之间存在非常明显的差异。事实上,以至于我花了几天时间以 FLAC 重新翻录我的 CD 收藏。我不是一个花数千美元购买音频设备的人,但我确实知道我会在任何可能的地方使用 FLAC。

回复 作者:Pierre E.(未验证)

感谢您的评论,乔希。

关于设备,您可以购买它并出售它,如果您有兴趣和预算,可以升级。理论上,更好的设备应该让您的所有音乐听起来更好(尽管有些音乐录制得太差,我认为这不算数)。当您决定想要更好的东西时,很难升级 MP3 下载。我赞扬您将 CD 重新翻录为 FLAC;我希望您喜欢您的“新音乐”!

回复 作者:Josh(未验证)

感谢您的评论,Seth!

在“让耳朵成为评判者”方面,我站在您这边,但可以肯定的是,我们可以用这种说法开始争论!

至于将人们转变为发烧友的世界观,比我更优秀的人都尝试过!但我希望在一个以“开放”概念为基础的论坛中,至少一些读者会足够开放,给更好的音质一个机会...

关于您的黑胶唱片翻录,您做了什么?独立的 USB 唱机前置放大器,还是将您的声卡连接到您的立体声磁带输出,还是...?什么软件?

再次感谢!

很棒的文章。也很喜欢您用作示例的音乐。

24位/192kHz音乐下载 ...以及它们为何毫无意义
https://people.xiph.org/~xiphmont/demo/neil-young.html

谢谢你的评论,Erik。

其他人已经在上面提到了这一点,事实上,我之前就读过这篇文章,并在写我自己的文章之前又重新读了一遍。

我并没有真的想反驳那篇文章,除了最后关于设备无法处理更高分辨率音乐的评论,对此我的回应是“那就换更好的设备”。

我提倡的是:1)以你能获得的最佳形式获取音乐,这可能是通过抓取CD或LP,以及 2)考虑更高分辨率的下载,因为根据我的经验,它们通常代表着比大众市场的MP3或AAC结果,甚至CD更忠实于原始音源的更好的制作链。当然,这并非总是如此。但这值得考虑。

回复 ,评论者 Erik (未验证)

特别是在录音期间,24位音频允许更大的“动态余量”来补偿音量不够精确的观点是有道理的。一旦音乐完成母带制作,这应该不再必要,但你总是可以辩称无法保证母带是完美的。

然而,数字滤波器(有限脉冲响应滤波器)可能导致相位偏差的观点是不正确的。模拟低通滤波器可能会这样做,但FIR滤波器不会这样做,无论你如何努力使它们接近“砖墙”滤波器。用示波器进行的测试证明了这一点。采样率与你可能使用的模拟滤波器的类型之间没有关系。一些早期的CD播放器具有“砖墙”模拟滤波器,由于相位偏差而导致失真。这个问题通过使用数字滤波器和更温和的模拟滤波器得到了解决。

我还在“The Well Tempered Computer”文章中注意到,他们声称44.1 kHz音频通过“插值”被升采样到48 kHz。然而,这是一种误解。“插值”意味着你对样本所在位置的计算只是一种估计。声波是可预测的,因此对任意两个已知样本之间位置的计算不是估计;它是实际的。我想理论上,你不能确定声波以哪个样本结束,但只要它在奈奎斯特频率内,无论如何都不会有任何区别。

CFWhitman,谢谢你的评论。

数字滤波器,即使是像FIR滤波器这样好的滤波器,也只能在信号数字化后应用。

并且,包含高于离散化率一半的内容的信号将出现混叠。因此,需要在离散化之前应用模拟滤波器,以消除(或至少大幅减少)高于奈奎斯特频率的模拟内容。

具体来说,如果你的模拟信号包含高于20kHz的能量(例如镲片产生的声音),你必须在以44.1kHz等频率将其转换为数字信号之前,应用模拟滤波器来减少或消除该能量。你不能为此使用FIR滤波器,因为FIR滤波器是数字的。

恕我直言,你对44.1 kHz到48 kHz转换的理解是不正确的。唯一已知的值是在采样点。任何确定中间值(采样点之间)的尝试都是插值,而这正是你需要做的,以便将信号从一个采样率转换为更高的采样率。

考虑一下:使用44.1 kHz采样,每0.0000226757...秒采集一个样本。也就是说,我们在以下时间点采集样本:

1/44100 = 0.00002267573696145124 秒
2/44100 = 0.00004535147392290249 秒
3/44100 = 0.00006802721088435374 秒
4/44100 = 0.00009070294784580498 秒
5/44100 = 0.00011337868480725623 秒

等等。

为了提供48 kHz信号,我们需要在以下时间点提供信号:

1/48000 = 0.00002083333333333333
2/48000 = 0.00004166666666666666
3/48000 = 0.00006250000000000000
4/48000 = 0.00008333333333333333
5/48000 = 0.00010416666666666666

生成这些值的唯一方法是在44.1 kHz样本之间进行插值。例如,我们可以使用线性插值。在这种情况下,2/48000“样本”点的值将是:

S(2/48000) = (2/48000 - 1/44100) * (S(2/44100) - S(1/44100)) / (2/44100 - 1/44100)

其中 S(2/44100) 表示在 t = 2/44100 时采集的样本信号,S(1/44100) 表示在 t = 1/44100 时采集的样本。

当然,也可以使用其他插值方案。

回复 ,评论者 CFWhitman

关于采样率,长期以来一直有在高采样率下进行录音的做法。我的评论仅与回放有关。一旦录音被数字化,你可以安全地应用数字滤波器,并以低得多的采样率进行母带制作,而不会丢失相关数据。

至于插值,你的评论是不相关的(除了线性插值永远不会被使用;那将是一种猜测,而且是很糟糕的猜测)。只要你有足够的采样点来准确地重现声波,你就可以准确地预测声波上的任何采样点。

正如我在上一篇文章的评论中提到的,这在原理上类似于预测直线上的点。一旦你有了直线的端点,你就可以用相对简单的数学方法预测它们之间的任何点。对于声波,一旦你有足够的样本来准确描述声波,你就可以完美地准确预测两个样本之间的任何点,尽管数学方法没有那么简单。

回复 ,评论者 clhermansen

恕我直言,我对插值的评论并非不相关。“插值”是用于确定已知值之间存在的未知值的正确数学术语。你使用“预测”这个词,例如“你可以准确预测声波上的任何采样点”或“这在原理上类似于预测直线上的点”或“你可以完美地准确预测两个样本之间的任何点”,实际上正是“插值”。

此外,选择插值的阶数——线性、二次、三次等——每一种都需要更多的点来求解插值系数,无论是分段多项式还是其他,都不会增加对插值点处值预测的准确性。事实上,插值函数形状的选择完全是美学的。

当你应用低通滤波器对原始信号进行带宽限制,然后对该带宽限制信号进行采样时,你已经丢弃了最初在插值点发生的实际值,因此你无法说明你的结果相对于原始信号的准确性。你所知道的只是你在采样点对滤波信号的测量是精确的。当你预测两个样本之间的点时,你所做的只是猜测。如果你幸运的话,你的猜测会是悦耳的。但它们不会是准确的。

恕我直言,我建议你进一步研究插值问题,也许可以参考 https://en.wikipedia.org/wiki/Interpolation;或者如果你愿意,我仍然收藏着我的数值分析教科书,可以为你提供章节和出处。

回复 ,评论者 CFWhitman

从数学的角度来看,当你填充这个数据集时,你正在做的是插值。然而,从工程学的角度来看,这是一种误解(请注意,这与我之前使用的词是相同的)。也就是说,当在数学中使用“插值”这个词时,它意味着计算集合中缺失的数据,这是纯粹的数学,谁又能说数据是不准确的呢? 从工程学的角度来看,对于填充集合中的样本,“插值”通常意味着使用数学公式猜测或估计无法准确预测的点。“插值”这个词在工程学中通常不用于计算可以用数学方法准确预测的数据。

你不必猜测声波中的缺失点。对这些点的计算不是猜测;它们是精确的数值。声波对于每个频率只能有一种形状。它不会变化。你可以使用三角学来预测已知样本之间的所有点。如果声波在两个已知点之间的形状可以随机变化,那么奈奎斯特频率甚至不足以准确记录它们。你需要更快、更快地采样它们,才能开始准确地表示它们。基本上,今天存在的数字录音根本无法工作。

这并不是说这个过程中不会出现错误,但这正是过采样的用途。过采样在消除或补偿错误方面比提高采样频率做得更好,而且没有提高采样频率可能带来的缺点。

回复 ,评论者 clhermansen

CFWhitman,也许我们在这里争论得太多了,但你的说法是不正确的。

首先,你似乎认为使用“三角学来预测已知样本之间的所有点”与插值有所不同。事实上,它正是线性插值。而且,找到连接另外两点的线上的一个点,充其量也只是“精确”的,而不是“准确”的。准确性将需要知道当时在该点实际发生的值,而我们已经通过滤波和采样将其丢弃了。所以我们将永远不会是准确的。

其次,“如果声波在两个已知点之间的形状可以随机变化,那么奈奎斯特频率甚至不足以准确记录它们”——这正是问题所在!声波在两个已知采样点之间确实会发生变化,而且不一定是线性模式。当应用滤波时,我们正在消除这些变化。奈奎斯特频率仅足以采样滤波后的音乐,而不一定是原始音乐。

想想以44.1kHz或48kHz提供打击乐器的录音。如果你查看这篇文章 http://www.drummerworld.com/forums/showthread.php?t=66957,你会看到镲片的频谱含量高达40kHz甚至更高。因此,将其纳入44.1kHz或48kHz信号的唯一方法是应用低通滤波器。现在想想在44.1kHz下这样做,使用一个在20kHz左右滚降的滤波器。你已经消除了所有高于20kHz的频谱内容——信号。如果你然后尝试从你的44.1kHz信号生成一个48kHz信号,你可以很容易地看到,新“样本”点上的预测值缺乏在滤波中丢弃的必要频谱信息,因此将永远只能凭运气与原始信号一致。

你可能会反驳说“哎,但这都高于人类听觉范围”,但这并不是重点。重点是预测样本点之间的值永远不会是准确的;它只是对原始波形的近似,我们永远不知道它会好到什么程度。

第三,你的评论“你需要更快、更快地采样它们,才能开始准确地表示它们”正中要害——你确实需要以比44.1kHz更高的采样率对音乐进行采样,才能获得对音乐的准确近似。同样,你、我或我的狗是否能听到这一点都无关紧要。

过采样与计算样本点之间信号值的合理近似值无关。

回复 ,评论者 CFWhitman

我不想就此无休止地争论下去,但我会尝试使其更清楚。

关于插值,我不想争论语义。我想明确地说明正在发生的事情。从技术上讲,任何时候你计算你没有收集到的数据,从数学的角度来看,那都是插值,就像从技术上讲,所有的正方形都是长方形一样,尽管在脱离语境的情况下将正方形称为长方形会产生误导。

“事实上,它正是线性插值。”

不,那是不正确的。正弦波不是线性计算的。三角学不仅仅是线性插值。声波是可预测的。只要你有足够的数据来准确描述波形,缺失的数据就可以被准确地计算出来。

“你可能会反驳说‘哎,但这都高于人类听觉范围’,但这并不是重点。重点是预测样本点之间的值永远不会是准确的;它只是对原始波形的近似,我们永远不知道它会好到什么程度。”

你刚刚否定了应用了三十多年的现代数字录音理论。高于我们试图捕捉范围的声波与讨论无关。为什么要引入它们?如果你想捕捉它们,你可以捕捉,但你需要达到这些频率的奈奎斯特速率才能做到(顺便说一句,在我的上一篇文章中,我应该说奈奎斯特速率,而不是频率,它们是相关的,但不是我真正想表达的术语)。如果你不这样做,那么你甚至无法开始计算它们的波形。出于实际目的,你听不到的镲片碰撞部分与你捕捉到的声波是不同的声波。

或许你应该进一步了解过采样实现了什么。

我将总结一下。如果你是正确的,那么应用了三十多年的数字录音理论就是一堆垃圾。奈奎斯特速率毫无意义,而那些声称你需要192kHz文件才能获得准确声音的人可能低估了这一点。另一方面,如果数字录音理论是正确的,那么你只需要奈奎斯特速率给你的那么多采样点,就可以准确地预测它们之间的所有点。

回复 ,评论者 clhermansen

CFWhitman,我永远不会否定现代数字录音理论。你一直在试图“把话塞进我的嘴里”,但我从未说过。我没有理由批评奈奎斯特-香农定理或任何与采样信号相关的内容。

该定理告诉我们,我们需要以什么速率对带宽受限信号进行采样,以便能够无误差地重建相同的带宽受限信号。但是,当我们首先过滤输入信号以限制其带宽时,我们正在丢弃任何高于滤波器频率的信号,这样我们就不会在结果中得到混叠。因此,重建的信号实际上可能与采样的带宽受限信号相同(或者在现实世界的限制和字长的情况下几乎相同)。

然而,如果我们以44.1kHz和88.2kHz等频率数字化原始信号,那么88.2信号中存在大量在44.1信号中不存在的频谱信息。因此,当我们尝试将44.1信号转换为88.2信号时,我们不会得到相同的结果(无法“找回”被滤波消除的信息)。

换句话说,如果我们能够安排两次数字化,使44.1样本正好落在每隔一个88.2样本上,我们也没有办法从44.1样本中确定另一半88.2样本。我们可以“猜测”(插值)一个值,使用线性插值或使用 sinc 函数或任何其他类型的重建滤波器,但最终我们丢弃了信息,并且没有办法找回它。

这两者之间的差异是否显著?我不打算讨论这个问题,那是尼尔·杨要争论的。

这让我想起来了!我不想再就此多说什么了,因为它离我一直试图表达的观点太远了——我更喜欢让我的音乐尽可能接近原始音源(而不是为了适应CD或方便通过56Kb调制解调器下载的大小而进行降采样)。

回复 ,评论者 CFWhitman

我没有把话塞进你的嘴里。重点是,如果奈奎斯特-香农定理是正确的,那么可听频率将被精确地再现。因此,当你将你捕捉到的内容升采样到任何更高的速率时,你不需要猜测更高速率的采样点,以用于信号的可听部分(旨在捕捉的部分)。该定理表明,你已经完美地捕捉到了信号的那部分,因此可以完美地准确预测捕捉到的声波上的任何点(无论如何,这在理论上是这样的)。如果你不能预测这些点,那么这个理论就是不正确的。

高于20kHz的信号(或高于你使用的奈奎斯特速率限制你的任何频率)根本没有被准确捕捉到。你没有足够的采样点来猜测缺失的采样点(这就像试图用一个端点重建一条直线)。但是,没有理由关心那些缺失的部分。仍然可以完美地准确地将44.1kHz捕获的可听部分升采样到48kHz(不涉及猜测)。没有人关心缺失的(听不见的)部分。它们已被过滤掉。链接的文章表明,如果不“猜测”缺失的采样点,你就无法做到这一点,因为它们位于你捕获的采样点之间。那是不正确的。当然,任何出于嘲笑以外的目的而展示阶梯状声波图的文章都不是由首先理解奈奎斯特-香农定理的人写的。

回复 ,评论者 clhermansen

我稍微阅读了一些关于这方面的资料,意识到我在上一篇文章中所说的一些内容已经过时了。它反映了30年前CD刚问世时的状况。然而,当前的数字录音设备可以录制音频,而无需使其通过任何类型的模拟滤波器。相反,信号以高采样率数字化,并在以更实用的采样率保存之前通过数字滤波器。显然,许多较新的音乐甚至从未以高于48kHz的速率进行原始录音(尽管24位当然用于且有必要用于母带制作之前的阶段)。

回复 ,评论者 clhermansen

CFWhitman,我再次感谢你提出的关于24位字长或高于CD分辨率对于适当享受音乐回放来说是不必要的观点。我相信本文的其他读者可以使用他们自己的标准来做出自己的判断。

与此同时,我将借此机会提醒你和其他人,我对这一切的看法是:1)非常动态的音乐(我有一些例子)可能无法通过16位字长得到很好的表现;2)我的经验是,以更高分辨率和采样率发行的录音可能以最大化其音乐价值的方式进行了准备;以及 3)我选择不购买以旨在减少56kB调制解调器和20Mb硬盘驱动器时代的带宽和存储消耗的格式的音乐。如果其他人不同意我的观点,那就这样吧!

回复 ,评论者 CFWhitman

供参考:MP3 在此时几乎可以肯定是无专利的。在 MP3 规范发布之前提交的最后一批美国专利已经过期。
https://plus.google.com/116809495975386153151/posts/4KJ1hwUT8Gh

一篇有趣且有启发性的文章——后续辩论也是如此。

感谢所有费心参与的人。

有一段我不明白:

“很容易判断你的音乐是否是从较低分辨率的音源升采样的——频谱图会告诉你。”

所以我下载了最新的 Bowers & Wilkins Society-of-Sound 下载之一。

Audacity 显示这是一个 88200Hz 立体声 32 位浮点录音。

但是 Audacity 频谱图在 20kHz 以上急剧下降,在 22kHz 左右降至 -90db。

因此,如何从频谱图中推断出采样率和比特率(在这种情况下,我会说它指示的是 16 位,44.1kHz?)

谨致问候

我可能在那里说得太轻率了!抱歉。让我试着更明确一点。

首先,我首选的 Linux 音乐播放器是 Guayadeque,它会告诉我正在播放的音乐的比特率。所以现在我正在听 Afro Celt Sound System 的 Whirly Reel,来自他们的第一张专辑,从我拥有的 CD 中抓取的。Guayadeque 显示我的比特率约为 800kbps。现在我正在听 Ali Farka Touré 和 Toumani Diabete 的 Kenouna,这是不久前免费下载的 MP3 文件。Guayadeque 显示我的比特率为 256kbps。现在我正在听 Beaten by Them 的 Damp Sky 1,这是从 Linn Records 获得的他们专辑 Invisible Origins 的 96/24 下载文件。Guayadeque 显示我的比特率为 2700kbps。

因此,我可以从 Guayadeque 中了解字长和采样率(组合)。有趣的是,不久前我购买了 Ronn McFarlane 的 Indigo Road 的下载文件。据说这是 96/24,但它显示的比特率是 1200kbps(只有我期望值的一半,例如基于我上面提到的 Invisible Origins)。我联系了供应商;他们对此进行了检查,并告知我它实际上是 96/16!嗯。好吧,肯定有什么不对劲。就此测试而言,它也可能是 44.1/24。

好的,频谱方面呢?我喜欢“spek”实用程序 http://spek.cc/,因为它对音乐的可视化会告诉你很多关于其中存在的内容——或不存在的内容!正如你所说,在更高分辨率的东西中,20kHz 以上的内容往往不多,但还是有一些的。

我有 Buena Vista Social Club 同名专辑的 96/24 下载文件。查看 Chan Chan,有信号明显与音乐相关,一直延伸到大约 35kHz,然后就没有高于此频率的信号了。请注意,任何高于 20kHz 的频率几乎都在 120db 及以下,但是当较高级别的内容中存在间隙时,在高频、较低级别的内容中也会存在相应的间隙。

我有 Counting Crows 的 August and Everything after 的 96/24 下载文件。查看 Mr. Jones,在高达 20kHz 的频率范围内,有相当多的 -60 - -70dB 信号,更低频率的泛音远超 20kHz,高达 30kHz。在 40-48kHz 之间还有一个相当恒定的噪声源,大约为 -100db,我猜是磁带偏置或类似的东西。

Darcy James' Secret Society 的一张非常动态的爵士专辑 Brooklyn Babylon,在 44.1/16 下清晰地显示出泛音在略低于 22kHz 的频率处被突然截断。可听见吗?抱歉,我不打算争论这个问题 :-)

所以试试这两款出色的软件,看看你的想法!

回复 ,评论者 rutherfordpaul (未验证)

我正在将我最喜欢的蓝光电影重新编码为 mkv 文件,并且我选择以 FLAC 格式存储音频。
它是无损的、多声道的,并且适用于我测试过的所有视频播放器。

好吧,我被说服了。请问你能否推荐一些购买 FLAC 格式音频的地方?我再也不会买 MP3 了。

谢谢!

Joseph,谢谢你的评论!

我住在加拿大,我们的选择比英国或美国(例如)稍微受限。但这里有一些我经常购买 FLAC 音乐的网站:

https://bandcamp.com/
https://bleep.com/ (有时也有 24 位 WAV)
http://www.linnrecords.com/
http://www.gimell.com/
https://ca.7digital.com/ (或你所在国家的网站;这里越来越倾向于 FLAC)

还有很多其他的;你应该回顾本文的评论,因为有读者提出了各种建议。

另一件要做的事情是,当你对某个特定艺术家感兴趣时,查看他们的官方网站或粉丝网站,或者有时是他们的唱片公司网站,看看他们是否推荐 FLAC 音源。这可能需要一些侦探工作……

还有一些网站以 FLAC 格式销售,但需要 Windows 或 OS/X 下载器。好消息是他们的目录非常不错,但坏消息是你必须使用 Wine 或借用别人的电脑,至少才能进行下载。

https://www.hdtracks.com/
http://store.acousticsounds.com/superhirez
http://www.prostudiomasters.com/ (加拿大网站)

别忘了,有时以合理的价格获得 FLAC 的好方法是购买 CD 并抓取它!如今 CD 通常非常便宜……而且你还有一个备份,至少在狗拿到它之前……

最后——不要对 MP3 说“永远不”。有时除了有损格式之外,没有其他明显的途径可以获得一段音乐。所以如果必须……

祝你收听愉快!

回复 ,评论者 Joseph S (未验证)

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