Уровень в цифровой студии: индикатор OVER, опорные уровни и K-система

По материалам серии «Level Practices» Боба Каца (Bob Katz), инженера мастеринга студии Digital Domain, на сайте digido.com. Факты и числа взяты оттуда и по возможности сверены с другими источниками; рекомендации и оценки — позиция Каца как практика, а не стандарт.

VU-метр (VU meter, volume unit meter)?VU-метр (VU meter, volume unit meter) — Усредняющий измеритель уровня: стрелка доходит до 99 % показания за 300 мс. Показывает уровень, близкий к RMS, и не отображает короткие пики. создавали для аналогового тракта: 0 VU на его шкале — рабочий уровень, а выше остаётся запас, который лента и усилители переносят без резкого искажения. В цифровой записи предел 0 dBFS (decibels relative to full scale)?dBFS (decibels relative to full scale) — Уровень цифрового сигнала в децибелах относительно полной шкалы. Для пиковых значений 0 dBFS соответствует её границе; формат с плавающей точкой допускает значения выше неё. Соглашение об опоре RMS указывают отдельно. жёсткий, и привычки аналоговой студии перестали работать. На смену им пришли индикатор перегрузки OVER (over indicator)?индикатор OVER (over indicator) — Индикатор перегрузки цифрового измерителя. Срабатывает, когда несколько отсчётов подряд, обычно три, стоят на полной шкале: такая плоская вершина говорит о срезанном пике., соглашения о том, сколько dBFS соответствует 0 VU, и K-система (K-System)?K-система (K-System) — Предложенная Бобом Кацем система измерения уровня и калибровки мониторов. Ноль шкалы K-20, K-14 или K-12 лежит на 20, 14 или 12 дБ ниже полной шкалы и соответствует заданному уровню звукового давления в комнате., которая привязывает шкалу измерителя к громкости (loudness)?громкость (loudness) — Ощущение того, насколько сильным кажется звук. Зависит от звукового давления, частотного состава и условий восприятия. в контрольной комнате.

Цифровая шкала без запаса

Различаются и сами записи. Разность пикового и среднего уровня, пик-фактор (crest factor)?пик-фактор (crest factor) — Отношение пикового значения сигнала к его RMS. В децибелах равно разности пикового и RMS-уровней при одинаковой опоре; у синусоиды примерно 3 дБ., у аналоговой записи около 14 дБ, а у цифровой записи без компрессии — до 20 дБ. Если выровнять обе записи по пику, средний уровень находится из формулы (1).

При пике 0 dBFS аналоговая запись получает средний уровень около −14 dBFS, цифровая — около −20 dBFS. Слух оценивает громкость по среднему уровню, поэтому копия с ленты звучит примерно на 6 дБ громче цифровой записи того же материала, хотя пики у них одинаковы. Это одна из причин, по которым продюсеры цифровых записей начали сжимать и ограничивать сигнал: иначе запись проигрывала по громкости аналоговым.

Индикатор OVER

Пиковый измеритель цифрового магнитофона показывает наибольший модуль отсчёта (sample)?отсчёт (sample) — Значение сигнала в один момент дискретизации, одно число. В звукозаписи его также называют сэмплом.. Но отсчёт не может превысить полную шкалу, поэтому по одному отсчёту нельзя понять, был ли сигнал ровно на 0 dBFS или выше. При записи аналогового источника перегрузку видит АЦП (analog-to-digital converter, ADC)?АЦП (analog-to-digital converter, ADC) — Аналого-цифровой преобразователь: устройство, которое измеряет аналоговый электрический сигнал и выдаёт цифровые коды отсчётов.: если входное напряжение больше того, что соответствует 0 dBFS, все отсчёты на этом участке получают крайнее значение. На записи остаётся плоская вершина (рисунок 1).

Индикатор OVER?индикатор OVER (over indicator) — Индикатор перегрузки цифрового измерителя. Срабатывает, когда несколько отсчётов подряд, обычно три, стоят на полной шкале: такая плоская вершина говорит о срезанном пике. ищет такие вершины: он считает, сколько отсчётов подряд стоят на полной шкале. Стандарт OVER для процессора Sony PCM-1630 — три отсчёта подряд: если три соседних отсчёта равны крайнему значению, аналоговый сигнал почти наверняка превышал 0 dBFS где-то между ними. Цифровые измерители позволяют выбрать и 4, 5 или 6 отсчётов, но рекомендуется строгий порог в три. Процессоры серии 1600, к которой относится PCM-1630, записывали цифровой звук на видеокассеты U-matic, и с начала 1980-х на таких кассетах мастер отправляли на завод компакт-дисков (Wikipedia, PCM adaptor). То же правило «три и более отсчёта подряд на полной шкале» описано, например, в руководстве к интерфейсу Apogee Symphony I/O (Apogee, Symphony I/O).

При 44,1 кГц один отсчёт занимает около 22,7 мкс, а три — около 68 мкс. В оригинале для этого случая указаны 33 мкс; расчёт по формуле (2) даёт примерно вдвое больше, поэтому здесь используется 68 мкс. Вывод от этого не меняется: искажение такой длительности большинство специалистов считают неслышимым, а строгий порог нужен, чтобы заметить все слышимые перегрузки.

Пределы индикатора OVER

Есть и другие ограничения. Стандарта для передачи признака OVER по цифровым интерфейсам AES/EBU и S/PDIF нет: если запись идёт с внешнего АЦП, индикатор рекордера показывает только уровень отсчётов. Перегрузка внутри цифрового процессора, например в эквалайзере (equalizer)?эквалайзер (equalizer) — Обработчик, изменяющий относительные уровни частотных областей сигнала., может не дойти до выходного измерителя.

Опорный уровень: 0 VU в dBFS

Когда пульт с VU-метрами соединяют с цифровым рекордером, нужно договориться, какой цифровой уровень соответствует 0 VU. Для этого подают синусоиду 1 кГц, выставляют её на 0 VU и смотрят показание пикового измерителя рекордера. Распространены три значения: −20, −18 и −14 dBFS.

Например, при соглашении 0 VU = −18 dBFS дорожка, пики которой на 20 дБ выше показания VU-метра, достигнет $-18 + 20 = +2$ dBFS: два децибела (decibel)?децибел (decibel) — Логарифмическая единица отношения двух величин: для амплитуд L = 20 lg(A/A₀), для мощностей — 10 lg(P/P₀). Смысл числа задаёт опорная величина. будут срезаны. При −20 dBFS та же дорожка дойдёт ровно до 0 dBFS. Поэтому студиям, которые пишут по VU-метрам, соглашение −18 dBFS не подходит. Квазипиковый измеритель (peak programme meter, PPM)?квазипиковый измеритель (peak programme meter, PPM) — Измеритель пикового уровня программы с временем интеграции 5–10 мс и медленным возвратом показания. Пики короче времени интеграции занижает. реагирует медленнее цифрового пикового и занижает короткие пики. Для пульта с аналоговым PPM хватает запаса 5 дБ: наибольшее показание PPM сопоставляют с синусоидой −5 dBFS.

Вещательные организации закрепили такие соглашения в рекомендациях: EBU R68 задаёт для цифровой аппаратуры опорный уровень на 18 дБ ниже наибольшего кодируемого значения (EBU R68-2000).

Пиковый уровень, VU и громкость

K-система

Кац предложил связать шкалу измерителя с громкостью, которую инженер слышит из мониторов. В K-системе?K-система (K-System) — Предложенная Бобом Кацем система измерения уровня и калибровки мониторов. Ноль шкалы K-20, K-14 или K-12 лежит на 20, 14 или 12 дБ ниже полной шкалы и соответствует заданному уровню звукового давления в комнате. 0 на шкале — не полная цифровая шкала, а опорный уровень, который в откалиброванной комнате даёт заданный уровень звукового давления (sound pressure level, SPL)?уровень звукового давления (sound pressure level, SPL) — Логарифмическая мера среднеквадратичного звукового давления относительно опорного. В воздухе опора — 20 мкПа; уровень записывают в дБ SPL.. Шкал три: K-20, K-14 и K-12, у них 0 лежит на 20, 14 или 12 дБ ниже полной шкалы. Верх каждой шкалы — 0 dBFS, поэтому запас для пиков над нулём равен 20, 14 или 12 дБ (рисунок 2). Измеритель показывает два значения: средний уровень столбиком и последний наибольший пик отдельной меткой над ним.

Средний уровень на шкалах K-системы — среднеквадратичный, со временем интеграции и спада 600 мс. Пиковую и среднюю части калибруют по соглашению AES-17: синусоида даёт на них одинаковое показание. Это то же соглашение, по которому RMS (RMS level)?среднеквадратичный уровень (RMS level) — Корень из среднего квадрата значений сигнала на выбранном интервале. Имеет те же единицы, что и сигнал; у синусоиды за целое число периодов равен амплитуде, делённой на √2. синусоиды с пиком на полной шкале считается 0 dBFS; без него показание RMS синусоиды было бы на 3 дБ ниже пика (уровень сигнала, RMS).

Калибровка монитора

Шкалу K-20 калибруют так. В один канал подают розовый шум (pink noise)?розовый шум (pink noise) — Шум, PSD которого приблизительно обратно пропорциональна частоте в рабочей полосе: спад около 3 дБ на октаву и примерно одинаковая мощность октав. с уровнем RMS −20 dBFS и выставляют усиление мониторов так, чтобы шумомер показал 83 дБ SPL с частотной коррекцией C и медленной реакцией. Каналы калибруют по одному. Для точности лучше взять узкополосный розовый шум 500–2000 Гц: широкополосный шум от 20 Гц до 20 кГц даёт ошибки из-за стоячих волн в комнате и направленности микрофона (microphone)?микрофон (microphone) — Устройство, преобразующее звуковые колебания в электрический сигнал. В идеальной модели напряжение на выходе пропорционально звуковому давлению. шумомера. Коррекция C, в отличие от A, слабо подавляет низкие частоты, а медленная реакция (Slow) — усреднение с постоянной времени 1 с (Wikipedia, Sound level meter).

На каждой шкале 0 соответствует тем же 83 дБ SPL. Значит, для K-14 и K-12 усиление мониторов меньше, чем для K-20, на 6 и 8 дБ: тот же уровень в комнате получается от сигнала на 6 и 8 дБ выше в dBFS. Связь показания шкалы с уровнем от одного громкоговорителя записывается формулой (3).

Формула описывает калибровку розовым шумом; для музыки она даёт ориентир, а не точное значение, потому что спектр (spectrum)?спектр (spectrum) — Представление сигнала через его частотные составляющие: их частоты, амплитуды и фазы. Ограничение спектра задаёт, какие частоты допускаются в сигнале. и пик-фактор материала отличаются от шума. Пример: монитор откалиброван для K-14, на вход подан розовый шум −20 dBFS. Показание $L_K = -20 + 14 = -6$ дБ, уровень в комнате около 77 дБ SPL. Это число совпадает с измерением Каца для поп-музыки. Две колонки вместе дают примерно на 3 дБ больше.

Условия калибровки в реализациях различаются. В обзоре плагина (plug-in)?плагин (plug-in) — Программный модуль эффекта или инструмента, который загружается в DAW или другую программу-хост и обрабатывает переданные ему аудиоблоки. MeterPlugs K-Meter Хью Робджонс (Hugh Robjohns) называет опорный уровень 83 дБ C (Sound On Sound, MeterPlugs K-Meter), а справка FabFilter Pro-L 2 — 85 дБ SPL (FabFilter, Pro-L 2: Metering). Перед калибровкой стоит проверить, какой уровень, какой шум и какое соглашение об RMS приняты в конкретном измерителе.

Выбор шкалы и зона выше нуля

Шкалу выбирают по материалу (таблица 2). Сводить рекомендуется по K-20, а при мастеринге решать с продюсером, оставаться на K-20 или переходить к K-14. Робджонс в обзоре K-Meter распределяет шкалы так же: K-12 — вещание, K-14 — основная поп- и рок-музыка, K-20 — кино, классика и записи с широкой динамикой (Sound On Sound, MeterPlugs K-Meter).

Подъём выше нуля допустим. Оркестр без компрессии на fortissimo доходит до +3…+4 по средней шкале, а кульминации в роке звучат ненатурально, если их удерживать на 0. Но пользоваться этой зоной нужно изредка. Если средний уровень постоянно в красной зоне, значит монитор откалиброван неверно, материал необычен по характеру или запись пережата.

83 дБ SPL: опора из кино

Опорный уровень K-системы пришёл из кино. 83 дБ SPL на 0 VU аналоговой ленты предложил Айоан Аллен (Ioan Allen) из Dolby в середине 1970-х годов. Усиление громкоговорителей в кинозалах было стандартизовано, поэтому звук разных фильмов не отличался по громкости так, как музыка: громкость поп-музыки на разных компакт-дисках различалась на 10–12 дБ.

Как инженер мастеринга, Кац около 1993 года перешёл на регулятор громкости мониторов с шагом 1 дБ и стал записывать его положение для каждого проекта. Около 1994 года он поставил измерители Dorrough со шкалой, где 0 среднего уровня лежит на 14 дБ ниже полной шкалы: столько запаса над 0 VU давала аналоговая лента. В 1996 году он измерил усиление, при котором делал мастеринг большинства поп-альбомов, и оно оказалось на 6 дБ ниже кинематографического стандарта. При таком усилении 0 на шкале Dorrough давал те же 83 дБ SPL, что и в кино. Из этого сочетания выросла шкала K-14.

Статья с предложением K-системы вышла в сентябрьском номере Journal of the Audio Engineering Society за 2000 год: «An Integrated Approach to Metering, Monitoring, and Leveling Practices, Part 1: Two-Channel Metering». Версия на сайте Digido дополнена позже, в ней есть примечание от декабря 2007 года.

K-система после BS.1770 и R 128

K-система — предложение одного автора, а не стандарт организации, хотя автор рассчитывал на её общее принятие. Стандартом громкости стала другая разработка: алгоритм ITU-R BS.1770 с единицами LUFS, на котором построены рекомендация EBU R 128 и нормы стриминговых площадок (нормы громкости).

Сохранилась сама идея: 0 на шкале — опорная громкость, а запас до полной шкалы оставлен для пиков. В EBU R 128 между целевой громкостью −23 LUFS и пределом истинного пика −1 dBTP (decibels true peak)?dBTP (decibels true peak) — Уровень истинного пика в децибелах относительно полной шкалы, измеренный с передискретизацией по ITU-R BS.1770. 22 дБ; единицы другие, а устройство то же: громкость задана, и место над ней отдано пикам. FabFilter пишет, что R 128 теперь распространён шире, но K-система остаётся удобным способом регулировать уровни (FabFilter, Pro-L 2: Metering).

Самопроверка

Индикатор OVER настроен на три отсчёта подряд. Сколько длится такая серия при частоте дискретизации 48 кГц и при 96 кГц?

По формуле (2): $3 / 48\,000 \approx 62{,}5$ мкс и $3 / 96\,000 \approx 31{,}3$ мкс. При той же настройке индикатор на 96 кГц срабатывает на вдвое более коротких перегрузках.

Студия выставила 0 VU = −14 dBFS и пишет по VU-метрам дорожки без обработки, пики которых на 18 дБ выше показания VU. Что произойдёт и какое соглашение подойдёт?

Пики дойдут до $-14 + 18 = +4$ dBFS, то есть будут срезаны на 4 дБ. Запас должен быть не меньше 18 дБ: подойдёт −18 dBFS, а с учётом пиков до 20 дБ над 0 VU — −20 dBFS.

Монитор откалиброван для K-20. Включили мастер, сделанный по K-14: его средний уровень держится около −14 dBFS. Какое показание даст шкала K-20 и насколько громче мастер прозвучит по сравнению с материалом на 0 по K-20?

На шкале K-20 показание $-14 + 20 = +6$ дБ, по формуле (3) уровень около 89 дБ SPL от одного громкоговорителя. Мастер прозвучит примерно на 6 дБ громче, и средний уровень окажется в красной зоне шкалы K-20.

Почему счётчик отсчётов на полной шкале не заменяет измеритель истинного пика при выпуске мастера?

Он видит только значения отсчётов. Восстановленная волна может подняться выше полной шкалы между отсчётами, которые сами ниже 0 dBFS; серии на полной шкале тогда нет, и OVER не срабатывает. Перегрузка проявится в ЦАП или кодере.

Источники

• Katz B. Level Practices (Part 1). в списке литературы → — пик-фактор аналоговой (около 14 дБ) и цифровой (до 20 дБ) записи, разница громкости около 6 дБ; стандарт OVER Sony 1630 в три отсчёта и выбор 4–6 отсчётов; отсутствие передачи OVER по AES/EBU и S/PDIF; опорные уровни −20, −18 и −14 dBFS и рекомендации для вещания, студий записи и перезаписи; запас 5 дБ для аналогового PPM; пример с дублями −4 и 0 dBFS. Русский перевод В. А. Назарова — «Стыковка уровней в звукозаписи», ч. I.
• Katz B. An Integrated Approach to Metering, Monitoring, and Leveling Practices, Part 1: Two-Channel Metering. в списке литературы → — обновлённая версия статьи из J. Audio Eng. Soc., сентябрь 2000, с примечанием от 05.12.2007; недостатки VU-метра; 83 дБ SPL Айоана Аллена; измерения 1993 и 1996 годов; шкалы K-20, K-14, K-12; калибровка розовым шумом −20 dBFS RMS, коррекция C, Slow, узкополосный шум 500–2000 Гц; калибровка по AES-17, интеграция 600 мс; цвета шкалы и зона выше 0; версии K/ITU. Русский перевод — «Стыковка уровней в звукозаписи», ч. II.
• Robjohns H. MeterPlugs K-Meter. в списке литературы → — опорный уровень 83 дБ C, назначение шкал K-12, K-14, K-20, RMS по AES17, режимы на основе BS.1770 без интегральной громкости и стробирования.
• FabFilter. Pro-L 2 Help: Metering — K-System как протокол калибровки, шкалы и их назначение, опорный уровень 85 дБ SPL в реализации FabFilter, соотношение с EBU R 128.
• Apogee. Symphony I/O: Working with Front Panel and Maestro Level Meters — индикатор Over при трёх и более отсчётах подряд на полной шкале.
• ProSoundWeb. In The Studio: What Engineers Should Know About Meters, 2012, с. 2 — счётчики отсчётов годятся для проверки перегрузки АЦП; пики между отсчётами после ЦАП, преобразования частоты дискретизации и кодеков.
• EBU R68-2000. Alignment level in digital audio production equipment and in digital audio recorders — опорный уровень на 18 дБ ниже наибольшего кодируемого значения; занижение пиков квазипиковыми измерителями до 3 дБ.
• Wikipedia. PCM adaptor — процессоры Sony серии 1600 (1610, 1630) с видеомагнитофонами U-matic, мастеринг компакт-дисков с начала 1980-х.
• Wikipedia. Sound level meter — временные характеристики Fast (125 мс) и Slow (1 с), частотные коррекции A, C и Z по IEC 61672-1.