Van
analoog naar digitaal, een beknopt overzicht.
Een van de eerste “digitale dingen” waar de modale burger op
grote schaal bewust mee geconfronteerd werd is mogelijk het digitale polshorloge.
Ik weet het, er zijn nog een half dozijn andere dingen te vinden, maar dat
polshorloge laat mij toe om op een overzichtelijke manier de overgang van
analoge naar digitale meettechnieken te illustreren.
Hieronder de Pulsar Hamilton horloge de eerste digitale polshorloge op
de markt, in 1972, kostprijs toen : 2100 $. (omgerekend kostte een
Eerst was er de zon.
De mens leefde volgens het ritme van de seizoenen, van de dag en de
nacht. Tot iemand ongetwijfeld vond dat dat nauwkeuriger moest. Zo zijn we via
o.a. zonnewijzers,
zandlopers, mechanische klokken, elektrische klokken tot aan de atoomklok gesukkeld.
De zon, die draaide rond de aarde, of zo leek het toch, je kon dus van
die cirkelvormige beweging gebruik maken om een zonnewijzer te construeren die
toeliet om die dag in kleinere eenheden op te delen (uren). Men had nu een
instrument dat de tijd kon meten, en dat deed op een manier die visueel analoog
was aan de beweging van de zon. Als men dan later klokken is gaan ontwikkelen,
is men die klok opnieuw “analoog” gaan bouwen aan de zonnewijzer,
m.a.w. de cirkelvormige beweging die de (uren)wijzer maakt is analoog aan de
schijnbare cirkelvormige beweging die de zon maakt (vroege klokken hebben een
24 uurs wijzerplaat). Uiteraard is men voor het definiëren van die uren,
minuten seconden gebruik gaan maken van getallen, getallen die “digitaal”
cijfermatig weergaven wat er van de zonnewijzer/klok afgelezen kan worden.
In een volgende stap heeft men de analoge voorstelling van tijd helemaal
laten vallen en doet de digitale klok zijn intrede.
Wat heeft dit nu met digitaal beeld/geluid te maken.
Zoals reeds gezegd is zowel beeld als klank om te zetten naar een
(analoog) video- en audio signaal dat zich manifesteert als variaties in
stroomsterkte, over een verloop van tijd. We gebruiken daar respectievelijk
microfoons en ccd’s voor.
Die variaties in stroomsterkte zijn analoog met het signaal, een
klankvoorbeeld
figuur 1 figuur
2
voor meer informatie over de eigenschappen van geluid, zie ook hier
twee voorstellingen van telkens twee geluiden met een vaste frequentie.
De tekening is (alweer) een analoge voorstelling van verschillen in
stroomsterkte, weergegeven op de verticale as, over een verloop van tijd, de
horizontale as. Stel dat de tekening 1 seconde voorstelt, dan zien we in
tekening 1 een signaal van 1 Herz (blauw) en een signaal van 2 Herz, (groen),
met dezelfde amplitude, dus allebei even luid. Tekening twee is dan datzelfde signaal
van 2 Herz, en een signaal van 100 Hz, maar wel 10 maal stiller
In het rood zien we datgene wat we horen, en dus ook zal geregistreerd
worden : de optelsom van signaal 1 + 2 .
Voor video gelden dezelfde principes, zij het uiteraard voor een
complexer signaal. Omwille van die reden zal ik voor de verdere uitleg gebruik
maken van klankvoorbeelden.
Nemen we bijvoorbeeld een 33-toeren vinyl plaat, en zouden we de groef
die door de naald wordt afgetast zeer sterk uitvergroten, dan zouden we zien
dat en langsdoorsnede ervan verbazend sterk zou lijken op wat
klankmontageprogramma’s als “waveforms” laten zien.
Pick-up naald screenshot
van soundforge
Dit analoge systeem heeft nogal wat nadelen, vooral bij het kopiëren
van beeld en klank. Zowel de band, als de audio/video recorder
voegen aan het nuttige signaal hun eigen “ruis” toe, dit in
meerdere of minder mate, afhankelijk van de gebruikte materialen en apparatuur.
Dat wil zeggen dat bij veelvuldig kopiëren steeds maar meer
“ruis” zal toegevoegd worden aan het “nuttige” signaal.
Een voorbeeld uit de analoge klank postproductie van speelfilms (Daens, 1993 bijvoorbeeld, een van de laatste films waarvan de klank nog volledig analoog is afgewerkt) :
Opname op de set op Nagra, ¼ inch tape
kopie op 35 mm magneetband
Montage op filmmontagetafel, met slijtage en beschadiging van de
magneetband tot gevolg
Premixage dialogen = kopie naar multitrack 48 sporenbandopnemer
Eindmixage = kopie naar multitrack 48 sporenbandopnemer
Reductie (kopie) naar 4 track LCRS master
Reductie (kopie) naar 2 track LTRT voor de dolby SR master
Kopie naar optisch negatief
Kopie van het optisch negatief op de distributiekopijen
Dat zijn dus heel wat kopijen, heel wat electronica die gepasseerd is
geweest, een heel pakket toegevoegde ruis en zelfs een heleboel fysieke manipulatie van het material.
Terug naar de tekeningen
Op de grafische voorstelling, of als je heel snel zou kunnen lezen op
een heel snelle en gevoelige VU meter, kan je per tijdseenheid een waarde voor
de stroomsterkte aflezen op de vertikale schaal. (getallen op de tekening zijn ter
illustratie, en verwijzen niet naar reële waarden)
Dat is dus precies wat er gebeurt tijdens de digitalisatie van
beeld/klank. Het analoge signaal wordt bemonsterd (gesampled) met een van te
voren bepaalde regelmaat, de samlplerate.
Voor een audio-CD is dat 44.1 kHz ofwel 44.100 Hz, m.a.w. 44.100 keer
per seconde.
44.100 keer per seconde wordt het signaal dus “gemeten”, en
het resultaat van die meting wordt, ook 44.100 keer per seconde op de
band/schijf/cd/DVD weggeschreven. Dat is het werk van de AD (voor analoog /
digitaal) converter. De DA converter zal er bij de weergave voor zorgen dat al
die waarden die weer worden gelezen, opnieuw in een analoog audiosignaal wordt
omgezet.
Om na AD/DA conversie de oorspronkelijke klank terug te vinden moeten er
genoeg samples genomen zijn, moet de samplerate hoog genoeg zijn.
In bovenstaande tekening: als we op elk punt tussen O en 120 een sample
hebben genomen, zal de “reconstructie” van het analoog signaal
nagenoeg perfect zijn, samplen we maar om de 15 eenheden en een complexer
signaal, dan geeft dat het volgende resultaat (rode lijn), met veel
“detail” verlies tot gevolg.
We kunnen dus
stellen dat de kwaliteit van de digitale klank rechtevenredig is aan de
samplerate.
Waarom er voor 44,1 kHz gekozen is kan je in de volgende link
achterhalen (als je tenminste een wiskundeknobbel hebt).
Nyquist-Shannon sampling theorem
Blijft er nog de kwaliteit van de samples zelf.
Nogmaals in de tekening hierboven kan je zien dat de amplitude alle
waarden kan hebben tussen 0 en 280 (nogmaals, de waarden hier zijn louter
illustratief).
Dit is dus de volgende bepalende factor voor de kwaliteit : de sample depth.
Sample depth wordt steeeds uitgedrukt in bits.
Audio-CD’s hebben klank die gesampled is met een bit depth van 16
bits. D.w.z. elke sample wordt gedefinieerd als een binair getal. Een binair getal
van 16 bits kan maximaal 2 tot de 16de macht zijn = 65536.
Hieronder weer een vereenvoudigd voorbeeld :
Respectievelijk 5 bits = 32 (hier dus stappen van
275/32= 8.6)
4
bits = 16 (hier dus stappen van 275/16= 17.1)
3
bits =8 (hier dus stappen van 275/8= 34.4)
2
bits = 4 (hier dus stappen van 275/4= 78.7)
Waaruit ook
hier blijkt dat:
de
klankkwaliteit is rechtevenredig aan de bit depth
hoe
nauwkeuriger de onderverdeling van de vertikale schaal, hoe beter de definitie
van de klank zal zijn. Veel voorkomende waarden zijn 12 ( bv. MiniDV), 16
(audio CD), 24 (nagrra DII, met een sample rate van 96kHz momenteel een van
beste aucdiorecorders)