Vote đăng trang chủ bởi anh0424

anh0424 · 18/7/14

anh0424 đã báo cáo bài viết hay lên trang chủ.

Ý kiến:

great!
Click to expand...

Bài hay: Âm Thanh độ phân giải cao : Cái nhìn khoa học bên cạnh những con số

Bài đăng của: longakka
Nội dung bài được vote đăng trang chủ:

Em có hiểu một chút về chuyện này, giờ thử giải thích theo cách nhà quê các bác xem thử nhé

Ở đây ta đang muốn coi cái âm thanh high res - độ phân giải cao - nó có thực sự "hay" như mong muốn không. Mà tại sao lại gọi là high resolution ? Thuật ngữ này bắt nguồn từ ngành bản đồ cách đây vài trăm năm khi những ông vua bà chúa lùa quân lính đi vòng quanh để vẽ sơ đồ lãnh thổ chi tiết hơn, từ đường biên giới các quận huyện, dần dần xuống tới khu rừng dòng sông, xịn nữa tới giếng nước cây đa ao làng các thứ (mỗi lần vẽ lại ngon hơn, vì thế nó được gọi là re-solution) ... Trong lãnh vực digital lúc đầu nó được chỉ mức độ hiển thị của hình ảnh, thuở ban đầu màn hình máy tính chỉ hiểu được 40 cột và 20 dòng, có nghĩa ảnh các bác tự sướng xinh trai là thế mà chỉ hiện ra bằng vài điểm ảnh nhem nhuốc. Cho tới bây giờ thì chiếc điện thoải cỏn con cũng lên tới vài ngàn điểm ảnh mỗi chiều rồi, nghĩ mà kinh. Cho tới độ 20 năm gần đây thì ngay cả âm thanh số hóa cũng bắt đầu dùng từ high resolution, ý nghĩa không hề thay đổi.

Nói nhảm vậy cho thư giãn thôi, giờ em tính bàn với các bác về :

1. Nhạc số ở đâu mà ra

Hỏi sao mà ... ngu, ở trên in tẹc nét chứ đâu nữa . Thực ra để có được một bản nhạc nằm đâu đó cho ta tải về, âm thanh đã phải trải qua một quá trình dài đầy đau khổ, không bút nào tả xiết nhưng hình ảnh dưới đây thì có thể

Đây là một sơ đồ đơn giản, mỗi biểu tượng con con đó lại có thể phân tích bằng một loạt các sơ đồ khác. Nhưng ta cứ hiểu sơ sơ vậy được rồi. Như vậy khi Ricky Martin hát thì phải sau một quá trình chạy qua vô số thiết bị, thuật toán thì khúc ca đó mới tới tai chúng ta, đang thưởng thức sự huyên náo diễn ra ở đâu đó rất rất xa. Những thứ đó đều có nguyên tắc của riêng mình và đáng buồn thay, không phải khi nào âm thanh cũng được tôn trọng nâng niu cho lắm. Về lý thuyết thì những thứ có thể làm sai lệch âm gốc :

- Thu âm : thiết bị thu tồi thường bỏ sót những âm nhỏ, mỏng, hoặc ở tần số cao (>20KHz, tuy không nghe được nhưng không phải là đồ bỏ, lát bàn sau). Những gì nó thu được là dao động cơ học thuần túy, được chuyển thành dao động điện từ, chuyển tới thằng tiếp theo :

- Analog to digital / Digital to analog (ADC / DAC) : Thủ phạm chính gây nên những hiểu lầm và sự hoài nghi đáng tiếc trong giới thẩm âm. Đây là 2 cửa ngõ chính giúp âm thanh có thể đi vào/ra các thiết bị điện tử. Giống như cái cửa trước nhà chúng ta, xây không đàng hoàng có khi chui qua đụng bể đầu chảy máu. Ở giữa 2 cái cửa này, âm thanh chỉ còn là các tín hiệu số.

- Sound compressor/encoder, sound decompressor/decoder : Bộ nén và giải mã âm thanh số, file nhạc nhỏ hay to cũng từ nó mà ra. Được sinh ra để giải quyết nhu cầu lưu trữ từ xa xưa, nói vậy chứ mới hơn chục năm trước thôi . Nhớ hồi mới có máy tính, cái HDD của em chỉ chứa được 250MB và internet dial-up, Fraunhofer IIS đã phát minh ra MP3 encoder như một cái phao cứu sinh. Về cơ bản thì các encoder sẽ lọc bỏ phần lớn những tín hiệu âm thanh mà nó cho là "không cần thiết" để thu gọn dung lượng lưu trữ xuống mức tối thiểu. Đôi khi nó quá tay khiến Sarah Brightman bỗng có chất giọng ... khàn khàn hiếm gặp . Thời gian dần trôi, mấy ông thần làm ổ cứng chế ra HDD hàng trăm Gigabyte, ISP cung cấp đường truyền hàng chục Megabit, các bộ nén/giải mã lossy (như mp3, wma, m4a ...) dần trở nên lỗi thời. Những định dạng làm các bác mê muội : flac, wav, ape ... đã giữ nguyên chất lượng tín hiệu một cách chấp nhận được, chúng được gọi là lossless (không mất gì hết).

Em nói thêm một chút về lossless : Mấy cái thuật toán này có kỳ diệu đến đâu thì nó vẫn phải nằm sau ADC (đã nói ở trên). Nếu ADC cùi, thì âm thanh số không thể không cùi. Khả năng cao nhất nó đạt được là tương đương tín hiệu ngay sau ADC, bất kể bitrate có vượt xa muôn trùng sóng bể. Như vậy có thể nói lossless chẳng giúp được gì ? Có thể coi là như vậy, đau đớn chưa. Thuở sơ khai thì 2 ông bự con Microsoft + IBM quan hệ và đẻ ra định dạng WAV để lưu trữ âm thanh bằng thuật toán LPCM - Linear Pulse-Code Modulation, kiểu như có nhiêu ghi nhiêu, chị đưa em 3 quả cam với nửa con gà thì em bỏ tủ lạnh đúng như thế, chấm hết. Sau những định dạng tiên tiến hơn, ví dụ FLAC, nó nén lại chút ít (xếp 3 quả cam vào bụng gà cho gọn) và để ra chỗ đặt tag, nghĩa là thông tin kèm theo (dán tem vô gà : "Nhập khẩu từ Trung Quốc" chẳng hạn), vậy thôi, bản chất không có gì cao siêu cả. Tất nhiên âm thanh sau khi giải mã của WAV với FLAC chẳng có gì khác nhau, các định dạng lossless khác cũng thế. Nếu các bác viết một tệp .txt có thông tin về ca sĩ, nhạc sĩ, nén cùng với file WAV thành một file .Rar chẳng hạn, thì nó cũng thành như flac, có khi còn gọn gàng hơn.

Nói đi cũng phải nói lại, lossless encoder không hoàn toàn ăn hại, thời đại internet sinh ra một thói trưởng giả vô cùng : Nghe nhạc trực tuyến, tụi tây nó gọi là streaming audio. Thay vì phải tải toàn bộ bài hát WAV nén thành .Rar vài chục MB, về giải nén xong bật lên nghe, tổn hao thời gian quý báu của chúng ta, FLAC hỗ trợ streaming từ trong trứng nước. Bằng cách nó chia bài nhạc thành nhiều khoang (segment), tải xong khoang nào về giải nén nghe luôn khoang đó, trong khi nghe tải khoang tiếp theo ... là những việc mà thuật toán nén thông thường (rar, zip, 7z..) không thể làm nổi, vì thông tin nó tản mát từ đầu đến cuối file. Em nói hình tượng như vậy cho dễ hiểu, chứ nén(compress) là một công việc tương đối phức tạp, mà ta kệ bà nó chẳng cần biết làm gì.

- Loa : Đứa vô lại không khác gì thiết bị thu, hay hoặc dở là do nó. Mà cái hay cũng vô biên lắm, thằng này nó uốn éo méo mó làm sao đó, một số người ghét cay ghét đắng, ai khác lại thấy ô mê ly, thế mới tài.

Tóm lại, cái gì ảnh hưởng đến âm thanh mà người dùng phổ thông, có thể kiểm soát là encoder/decoder, nay có thể loại bỏ. Thứ còn lại buộc phải nhờ cậy vào các đại ca cơ khí điện tử : ADC, DAC, đầu thu, loa. Có thể thấy công cuộc thưởng thức âm nhạc của chúng ta - những linh hồn mong manh nhạy cảm, hoàn toàn phụ thuộc vào nhà sáng chế, bị động vô cùng, thật càng nghĩ càng xót xa.

Em đã trình bày hết ấm ức trong lòng, giờ xin trở về chủ đề chính :

2. Số hóa âm thanh

Tai của con người là một thiết bị siêu hạng, nó hoạt động 24/7, phân biệt được hàng trăm âm thanh khác nhau, có phải vậy không ? Không hề. Về mặt khoa học mà nói, với một dàn nhạc giao hưởng hàng trăm nhạc cụ nhạc sĩ, âm thanh khi đến tai bạn, khi xuyên qua không khí, vang động trong ống tai, đập vào màng nhĩ, chỉ còn là một xung động duy nhất. Thế anh nói coi, tại sao tôi nghe được tiếng hắt xì của ngài nhạc trưởng trong lúc 20 chiếc cello đang được kéo khí thế ? Là vì bộ não thần kỳ của ta phân tích được như thế. Vấn đề tâm sinh lý học này quá phức tạp và sẽ chấm dứt tại đây. Nói vậy để chị em hiểu thiết bị thu âm, ở đây là micro, hoạt động tương tự, cũng chỉ thu được đúng 01 dao động trong không khí tại một thời điểm bất kỳ. Axl Rose khề khà ca cẩm, Slash sau lưng lead guitar điên cuồng là vậy nhưng khi tới mic chỉ còn là một xung dọc (sóng âm). Nếu mỗi giây ta đo một lần (sample - lấy mẫu), bản nhạc chỉ còn là vài tiếng ọt ẹt. Nếu chịu khó sample 300 lần, thỉnh thoảng sẽ có tiếng cắc bụp gì đó. 3000 lần, tiếng hát nghe thấy rồi, còn lại như tiếng bánh xe chạy trên sỏi. 30000 lần, a ha, thấy được anh hát anh đàn đan xen với nhau, nhưng vẫn có lúc khọt khẹt do 2 âm thanh đó (thực tế là hàng trăm hàng ngàn tạp âm khác) cộng hưởng giao thoa với nhau. Điều này giải thích vì sao thay đổi chỗ ngồi khiến ta cảm thấy âm thanh có khác đi đôi chút.

Mỗi âm thanh xuất phát từ nguồn khác nhau tạo ra các tần số rung khác nhau, và chúng không hề liên tục mượt mà như các đồ thị hình sin hay được lấy làm ví dụ. Một chiếc saxophone tạo ra vô vàn các xung động rất khác biệt, chúng kết hợp thành âm thanh nghe hay ho, anh George Micheal mở miệng cũng tạo ra không ít xung lệch pha so với tiếng kèn, nhưng chúng lại tiếp tục "pha" lẫn vào nhau để tạo thành ca khúc Careless whisper bất hủ từ hàng triệu triệu những xung động đơn. Nếu anh ta mà ca ra những xung trùng với tần số của chiếc kèn thì chắc cộng hưởng làm điếc tai mất. Đi sâu về chuyện này quá lằng nhằng, mà ta chỉ cần biết một điều cơ bản : Nếu lấy các nhiều mẫu (sampling rate cao), thì càng bắt được nhiều xung động trong không khí, âm thanh thu được càng chân thực. Một ví dụ, nếu ta lấy 40 ngàn tín hiệu trong một giây, xung do tiếng kèn tạo ra chiếm chừng 7-10% trong đó, tiếng hát chừng 20-25%, các thứ khác nữa .... chính bộ não của ta là thủ phạm khiến hiểu nhầm mỗi âm thanh là thứ liên tục và riêng biệt. Nói về mặt kỹ thuật số thì chúng chưa từng như thế.

Có 2 con số đang làm điêu đứng giang hồ : Tần số lấy mẫu (sampling rate) và định mức phân giải (bit depth). Em xin loại bit-rate ra khỏi vòng chiến vì nó chỉ tượng trưng cho hạn mức dung lượng, là hệ quả của 2 ông thánh kia. Một số trình encoder cho phép đặt bit-rate tối đa để giúp suy ra dung lượng file sau khi encode, dễ hiểu hơn với ai không bận tâm kỹ thuật, và giải quyết sự phức tạp trong việc nén vary bit-rate, nghĩa là thay đổi sampling-rate và bit-depth tùy thuộc vào âm thanh nguồn tại từng thời điểm khác nhau. Nếu ta nghe âm thanh lossless, ta không cần quan tâm đến bit-rate.

Coi như ta đã hiểu sampling rate càng cao thì âm thanh càng chân thực (chứ không phải hay đâu nhé). Có thể diễn đạt bằng biểu đồ này

Có thể thấy sampling rate mà thấp thì đã bỏ sót đi khá nhiều tín hiệu âm thanh. Việc này phụ thuộc vào ADC, quyết định toàn bộ chất lượng bản thu, thằng đó thi thoảng sẽ hỏi Micro :
- Ê Mic, mầy có đó không ? Bây giờ là giây thứ 8 + 22192 nano giây, mầy thu được gì ?
- Dạ được dao động tần số 3329Hz anh ơi
ADC xịn thì sau đó 2 nano giây sẽ hỏi tiếp, Mic trả lời liền. ADC dổm thì ngủ quên con bà nó mất, tới 18 nano giây sau mới giật mình dậy kêu, như vậy sót mất 16 nano giây không thu được gì cả, không hiểu có gì đã diễn ra . Nếu có một tần số âm thanh nào đó xảy ra cực nhanh dưới 16 nano giây thì tức là ADC chết tiệt đã mất cơ hội thu lại nó.

Vấn đề nãy dễ hiểu, nên ta sẽ nói tiếp tới cái chuyện bit-depth, mơ hồ hơn một chút. Thô thiển thì thế này, các bác coi bit-depth như một cái thước kẻ. Những tín hiệu "tầm thường" nhất ta từng có được mã hóa tại 1bit là một cái thước kẻ có 2 vạch chia, 0m và 1m. Khi có âm thanh thằng ADC sẽ chép lại "ngày...giờ... đo được 443852 nanomet, thước ta có vạch 1m thôi, vậy oánh dấu vào đó là ... 1m hihi", vậy âm thanh xập xòe đó chính là tín hiệu morse. Tín hiệu đàng hoàng hơn vẫn được dùng là 16 bit là cái thước có 65536 vạch chia, vẫn tín hiệu âm thanh có biên độ tối đa 1m, nhưng lần này ADC sẽ chép khác "ngày...giờ...đo được 443852, thước ta có 65536 vạch, vậy oánh vào đó là (443852/1 tỉ)*65536 ~ 29", vẫn bị sai số ít nhiều.

Đây là con số biểu thị tỉ lệ

Bây giờ thiên hạ chơi sang xài 24bit (16777216 vạch) không hà, cái ADC ngon lành thơm tho đó sẽ ghi lại (443852/1 tỉ)*16777216 ~ 7446, rồi, thằng encoder mầy chép lại con số 7446 cho tao, hoàn toàn là một con số không đơn vị. Như vậy ta đã thấy với bit-depth cao hơn thì định mức phân giải âm thanh sẽ nhiều hơn, tinh tế hơn. Điều này cũng giải thích dung lượng file tất nhiên sẽ tăng lên.

Thước kẻ 1m có thể chia thành mét, centimet, milimet, nanomet tùy sở thích, nó là tín hiệu analog, muốn bao nhiêu cũng được, đi đâu nó cũng thế, nhưng khi ADC ghi nhớ và chuyển qua encoder thì nó đã thành tín hiệu digital, đơn giản là số, nếu ADC không bảo "tao đang thu ở 24bit đấy nhớ" thì encoder hiểu sai chết người ngay. Có thể dễ hiểu hơn khi các bác nhìn một cái lá sẽ thấy màu xanh, gân lá lông tơ các thứ, rung rinh thế thôi, đấy là tín hiệu bitdepth thấp. Còn dùng kính hiển vi thấy được từng cấu trúc tế bào đang quang hợp, đấy là bitdepth cao, chúng ta hiểu tường tận hơn về bản chất tự nhiên.

Không hề có giới hạn cao nhất cho 2 con số này, càng cao âm thanh càng chân thực, chỉ phụ thuộc vào năng lực cảm thụ thôi.

Hình ảnh nầy khá tổng quát

Nếu mô tả bằng hình ảnh đầu bài thì sẽ như nầy

3. Tín hiệu > 20KHz có ích không
Vì dùng chung đơn vị KHz cho nên một số người bị nhầm lẫn cái này với sampling rate, thực chất chúng không liên quan gì với nhau. Đây là tần số của một xung dao động trong không khí, vật lý cấp 3 đã giải thích rất nhiều. Màng nhĩ tai người khi rung cùng với không khí chỉ đạt được 20KHz, cao hơn là nó chịu chết, đứng yên, ta không nghe thấy gì. Càng về già thì màng nhĩ càng yếu, rung chậm đi. Tuy nhiên em nghĩ rằng những sóng âm cao hơn ngưỡng đó không phải là đồ bỏ. Vì ta đã biết rằng, sóng âm khi đến tai người chỉ còn là một xung duy nhất, tất cả đã hòa trộn lẫn nhau, sóng tần số cao cũng ảnh hưởng tới sóng tần số thấp. Chiếc đàn violin tạo ra những sóng tần số rất cao, 30KHz, chúng tác động lại những sóng nằm trong ngưỡng nghe (<20KHz) tạo ra một chất âm đặc biệt. Nếu thiếu đi những anh chàng lực lưỡng đó thì tiếng đàn sẽ khác (mặc dù rất nhỏ).

Vậy nếu Mic thu về chỉ dưới 20KHz và loa phát ra đúng như thế thì sao ? Đúng là âm thanh vẫn thế, chẳng có gì để tiếc nuối. Nhưng chúng ta đã biết để âm thanh tới tai thì nó đã qua một rừng các thiết bị lẫn thuật toán, sai số nhất định phải có, bắc nhiều cầu thì sai số phát sinh thêm và lớn lên. Vậy tội gì ta không cố gắng thu hết những gì có thể và dàn dựng lại y như nó vốn có. Đây chính là ý nghĩa của quá trình reproduction mà mấy ông chế đồ hay sử dụng, là tái tạo là đúng không gian của bài nhạc lúc nó được thu, đề phòng mấy thằng cha khó tính hay thắc mắc lắm chuyện. Thực tế là em cũng nhận thấy sự khác biệt khi nghe một số bản nhạc trong phòng thu có cách âm 6 vách, nhất là với nhạc cụ bộ dây, và volume lớn.

4. CD vs nhạc số

Vì có mấy bác hay hỏi CD nghe có thực sự hay hơn các file nhạc số ta tải trên mạng về hay không, nên sẽ bàn thêm một chút. Thực tế đáng buồn là, CD chính là một dạng thức lưu trữ số, khác về bản chất so với vinyl hoặc cassette ... Tín hiệu trên bề mặt đĩa CD chỉ có phẳng hoặc lõm (do tia laser đốt cháy - burn), tương ứng với 0 hoặc 1. Cho nên nó cũng gặp phải sự phiền phức không hơn gì các file nhạc số. Nhưng có nhiều người vẫn chọn nghe CD vì sao ?

Vì để có bản nhạc số, đến giờ các thánh vẫn thu lại từ đĩa CD (RIP), vậy nếu bạn dùng file nhạc đó, bạn phải phụ thuộc vào :
- Đầu đọc/ghi đĩa của hắn ta
- Encoder/Compressor
- Dây dợ các thứ

Và không may gặp cha nội Ripper nào đó thiếu ý thức thì bản thu tới tay bạn sẽ là thảm họa. CD sao chép cũng gặp phải vấn đề này. Vậy để chủ động hơn và có điều kiện thì bạn nên kiếm CD gốc từ nhà xuất bản, người không thể cẩu thả với chính sản phẩm của họ. Một lý do nữa là cầm cái đĩa trên tay có hộp bìa cũng đã tay hơn nhiều

Hôm nay rảnh lảm nhảm nhiều quá, em cảm ơn bác nào đã đọc tới cuối bài. Nếu các bác ưng cái bụng, lần sau em xin góp vui câu chuyện về năng lượng âm thanh, con số bí ẩn nằm sau các thiết bị thu (Mic), phát (Loa), mà các hãng luôn ra sức ẩn dấu, dẫn tới cuộc chiến vô tiền khoáng hậu suốt nửa thế kỉ : Loudness war
Click to expand...

Đăng nhập

Vote đăng trang chủ bởi anh0424

anh0424 Active Member

Chia sẻ trang này

Thông tin

Chuyên HD

Giải trí

Cộng đồng