Vertrieb & Personal - Dithering - Lästiges Übel oder geniale Idee?

Dithering - Lästiges Übel oder geniale Idee?


Dithering, jeder redet davon, jeder benutzt es - aber warum eigentlich?
Weil irgendjemand in den 90ern die Idee hatte, auftretende Verzerrungen bei digitalen Audiosignalen zu verhindern.
Dabei ging es nicht um Verzerrungen im herkömmlichen Sinne (durch zu laute Signale) sondern um genau das Gegenteil: Zu leise Signale führen in der Digitalen Audiowelt zu Verzerrungen.


Deshalb fange ich jetzt auch mal mit den Verzerrungen an:
Wie entstehen Sie?
Eine Signalabtastung funktioniert ja mit Hilfe der Samplefrequenz (Abtastgeschwindigkeit) und der Bitrate (mögliche "Lautstärkestufen" ). Wird ein Signal nun immer leiser, ist irgendwann das letzte Bit erreicht. Ein Audiosignal schwingt aber ja immer noch unregelmäßig hin und her, sodass es von diesem einen Bit (kann ja nur "an" oder "aus" wiedergeben) nicht korrekt erfasst wird. So wird einfach der nähergelegende Wert genommen. Dieser entspricht aber ja nicht dem eigentlich angestrebten Wert. So entsteht aus einem unregelmäßigen aber wohlklingendem Audiosignal ein unregelmässiges Rechteck-Signal. Und nichts hat mehr Obertöne als ein Rechteck-Signal. Obertöne = Verzerrungen.
So entstehen also Verzerrungen bei leisen Signalen.
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Bild A zeigt eine Sinuskurve, die zwischen zwei möglichen Werten schwingt. Bild B zeigt die digitale Speicherung. Es muss einfach knallhart entschieden werden, ob das letzte Bit "an" oder "aus" ist (1 oder 0). Heraus kommt eine unschöne Rechteck-Welle.
Bild C zeigt die gleiche Sinuskurve, aber diesmal mit Ditherrauschen. Bild D ist das digitale Resultat. Durch die Unregelmäßigkeit des Rauschens wurde viel öfter mal auf- und mal abgerundet. Das Ergebnis ist ebenfalls eine Rechteck-Welle, aber sie klingt besser (Siehe weiter unten zu Beispiel 5). Aber wie ist es, wenn ich eine schon digitalisierte Datei in 24 Bit habe und diese als 16 Bit speichern möchte?
Da gibt es 2 Möglichkeiten.
1. Entweder man schneidet die letzten 8 Bit einfach ab (Truncation). So wird im Grunde die ganze Zeit beim letzten Bit einfach abgerundet und das Signal verschlechtert sich an den leisen Stellen - die Verzerrungen treten auf. 2. Man benutzt Dithering. Beim Dithering werden die letzten 8 Bit (die ja sowieso abgeschnitten werden) durch zufällige Werte ersetzt (Rauschen). Nun unterliegt es dem Zufall, ob das 16. Bit abgerundet wird (wie bei der Truncation) oder aufgerundet wird. Es entsteht also im letzten Bit, welches wir mit der 16 Bit-Datei speichern, ebenfalls ein Zufallsfehler (Rauschen). Somit wird das Originalsignal nur minimal angetastet. Die bessere Möglichkeit, von XX Bit auf XX Bit zu kommen ist also mit Hilfe von Dithering.
Dithering "verrauscht" ja nur das letzte Bit, welches wir nur in Extremfällen hören. Wer hört das denn?
Gerade bei klassischen Aufnahmen gibt es z.T. extreme Dynamikschwankungen. Vom Paukenschlag bis zur absoluten Stille. Um genau diese Stille einzufangen ist Dithering notwendig. Es könnte ja so ruhig werden, dass nur noch der Raum etwas nachklingt. Wenn das jetzt verzerren würde (aufgrund des letzten Bits) wäre die Aufnahme ruiniert. Nimmt man auf Analogband auf, hat man dieses Problem nicht. Da verschwindet die Stille im Rauschen, kann aber eben vom Ohr auch aus diesem Rauschen herausgefiltert werden (Psychoakustik). Im Prinzip nutzt Dithering diesen Effekt.
Ditherrauschen liegt im Schnitt bei ca. -70dB (UV 22 HR). Es kann aber durch s.g. Noise-Shaping aber in "unempfindlichere" Hörbereiche transportiert werden. Aber Rauschen ist doch blöd?
Ja, aber Verzerrungen sind noch blöder
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. Ein psychoakustischer Effekt sorgt dafür, dass unser Gehör Rauschen leichter von wichtigen Geräuschen unterscheiden und somit "ausblenden" kann, als es bei Verzerrungen der Fall ist. Verzerrungen (gerade digitale) klingen immer unangenehm und unmusikalisch. Ich habe 5 Beispiele erstellt - alle in 16 Bit: 16 Bit, -48 dB, mit Dither (entspricht 8 Bit) 16 Bit, -48 dB, ohne Dither (entspricht 8 Bit) 16 Bit, -80 dB, mit Dither 16 Bit, -80 dB, ohne Dither 16 Bit, -90 dB, mit Dither Ich habe Wav-Files genommen, da mir mp3 zu ungenau sind.
Beim 1. und 2. Beispiel stand der Master-Regler in Cubase auf -48 dB, was der Ausnutzung von 8 Bit entspricht.
Beim 3. und 4. Beispiel habe ich den Regler in Cubase auf -80dB gestellt und als 16 Bit exportiert. Weniger als -80dB ohne dithering hat nichts gebracht, es war schon kein Signal mehr da, da das letzte Bit immer abgerundet wurde.
Deshalb noch mal Beispiel 5: -90dB mit Dithering. Klar rauscht es hier wie Hölle, aber man hört das Signal noch (könnte beim Klassik-Orchester das Atmen des Cellisten in der letzten Reihe sein
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). Ohne Dither war die Datei leer - obwohl die CD angeblich 96 dB Dynamik hat (bei 16 Bit). Diese Beispiele sind im Übrigen alle normalisiert, also LAUT! Ich übernehme keine Haftung für zerfetzte Hochtöner. Bitte dreht Eure Anlage erst etwas leiser als sonst. Zum Schluß noch etwas Mathematik. 1 Bit entspricht 6 dB Dynamikumfang. Das bedeutet, 16 Bit bieten 96 dB, 24 Bit 144 dB Dynamik. Diese Werte sind aber sehr theoretisch. Sonst hätte man bei -90dB ja noch etwas höhren müssen, auch ohne Dithering. Im Grunde habe ich Beispiel 5 nur 1 Bit effektiv genutzt. Durch Dithering ist es möglich, ein Nutzsignal zu hören. Dabei kann doch dieses eine Bit nur "an" oder "aus" sein? Der Clou ist folgender:
Das menschliche Ohr hört nicht einfach nur Schallwellen. Es ist auch in der Lage, den Effektiv-Wert eines Signals wahrzunehmen. Öffnet man die Datei in einem Wave-Editor, sieht man bei dieser "1 Bit-Datei" auch nur ein Rechtecksignal, aber es ändert sich so schnell, dass unser Gehör Rauschen daraus macht. Und in dieses Rauschen ist die Musik "eingebettet".
Vergleichbar ist das vielleicht mit dem Fernsehen. Dort werden 25 Bilder pro Sekunde gezeigt, aber das Auge macht daraus eine fließende Bewegung. Wären es nur 5 Bilder pro Sekunde, würden wir die Bilder auch "verzerrt" wahrnehmen.
Dithering erhöht also sozusagen die Auflösung innerhalb eines Bits und macht es flexibler. Um jetzt mal ganz dreist zu sein: Man kann so auf eine CD 19-Bit-Daten brennen! Wie ist das Möglich? Es sind natürlich nur im übertragenden Sinne 19 Bit. Eigentlich sind es 18dB mehr Dynamik. 18dB sind 3 Bit - also 19 Bit.
Dies funktioniert aber nur mit Hilfe von Dithering, da das Signal sehr weit im Rauschen verschwindet. Hier mal eine kleine Versuchsanleitung (mit Cubase): Ladet irgendein Projekt und stellt den Master-Regler auf -110 dB. Fügt in den untersten Insert-Slot im Master-Regler den UV 22 /UV 22 HR ein und stellt ihn auf 16 Bit, low & autoblack.
Dann exportiert dieses Projekt in 16 Bit und ladet es in Wavelab, Soundforge oder direkt in Cubase. Dort normalisiert Ihr es und siehe da, man hört noch Musik, wenn auch gaaanz weit im Rauschen, aber sie ist noch da! Genau so habe ich übrigens auch meine Beispiele erstellt. Ich hoffe, dass dieser Artikel vielen das Ditherin näher gebracht hat und es nunmehr nicht einfach nur irgendein Effekt ist, den man angeblich benutzen soll.