Исследование ресемплеров для foobar-а

[E.Sokol]

Здесь представлены результаты передискретизации одиночного импульса 44.1кГц/16 в 96кГц/24 посредством аудио-плеера foobar версии 1.3.9 с использованием нескольких разных ресемплеров.
Поводом послужила вот эта статья, авторы которой, на мой взгляд, не совсем корректно провели анализ.

Стандартные:

PPHS и SSRC

PPHS:


PPHS в режиме Ultra:


dBpoweramp/SSRC:

[свернуть]

SoX 0.8.3, скачанный отсюда, фишка которого, как я понял, в скорости. У него есть варианты настроек, я выбрал максимальное качество с 3-мя вариантами параметра Passband. В нормальном качестве незначительно отличается форма кривой.

SoX

Passband = 90:


Passband = 95:


Passband = 99:

[свернуть]

MultiResampler, скачанный с официальной страницы foobar-а.
Поддерживает несколько алгоритмов, варианты настроек отсутствуют.

MultiResampler

Zero Order Hold:


Blep Synthesis:


Linear Interpolation:


Blam Synthesis:


Cubic Interpolation:


Sinc Interpolation:


По поводу графиков Linear, Cubic и Sinc Interpolation хочется сразу же сделать важное уточнение: это - не истина в последней инстанции, а результат работы конкретно этого ресемплера. Другие ресемплеры могут давать совсем другие результаты при использовании тех же названий.

[свернуть]

SRC - Secret Rabbit Code - он же libsamplerate.

Примечателен тем, что широко используется в Linux, в частности, был обнаружен в плеере DeaDBeeF и последней версии ALSA (1.0.29 от 26.02.15).
Реализация для foobar-а (для версий младше 1.0) была найдена здесь. Там же указана и причина, по которой нет поддержки более новых версий foobar-а.
Имеет 5 режимов работы.

SRC

Linear Interpolator:
Вложение 257455

ZOH Interpolator:
Вложение 257456

Fastest Sinc Interpolator:
Вложение 257457

Medium Sinc Interpolator:
Вложение 257458

Best Sinc Interpolator:
Вложение 257459

[свернуть]

[ViktKors]

"сумма сигнала с ним-же самим, но ослабленным и задержанным/выдвинутым вперед" - это гребенчатый фильтр, и АЧХ в ней отличается от нашей. Пример (задержанный на 16 семплов и уменьшенный на одну четверть):
Вложение 257603Вложение 257539
Видно, что "волнистость" здесь - ровная.

В нашем же случае ..

И "в нашем случае", с высокой вероятностью то-же самое. Там же кпомянуто "в полосе пропускания". просто увеличьте масштаб чтоб полоса пропускания была виднаа с разрешением в 0.хх1 дБ.
А БПФ тут вообще не при делах, ну считайте фильтр в временном домене и анализируйте бесконечно долго..

[E.Sokol]

Что касается эффекта Spectral leakage, то можно получить более точное изображение, если выбрать апсемплинг в целое количество раз.
Возьмём PPHS с 48кГц на 96 кГц:

И видим прямо-таки образцово-показательные лепестки.

Для сравнения можно взять ресемплер из плеера Wave Pcm Upconverter Player, обсуждаемый в соседней ветке.

Здесь хорошо видно использование IIR, а шум в полосе подавления вызван 24-битным квантованием. В этом легко убедиться, если сделать экспорт в 32 бита:


Также в обоих случаях выглядит сомнительным выбранная частота среза, вследствие чего часть гармоник попадает в полосу воспроизведения. Более целесообразным представляется пожертвовать частью полезного сигнала, но при этом паразитные гармоники подавить полностью - как это, например, сделано в SoX.

---------- Сообщение добавлено 06.02.2016 в 00.00 ---------- Предыдущее сообщение было 04.02.2016 в 14.24 ----------

Там же упомянуто "в полосе пропускания". просто увеличьте масштаб чтоб полоса пропускания была видна с разрешением в 0.хх1 дБ.

Как пожелаете!

PPHS:

PPHS-Ultra:

SoX:

SSRC:

[E.Sokol]

Тестом же именно ресемплера было-бы (помимо достаточности подавления внеполосных, скажем от 120 дБ) еще и оценить точность работы (а-ля вычислений).

Так любое отклонение от точности и приводит к появлению всех этих внеполосных компонент, что линейного, что нелинейного характера. И наложение спектра по тем же характеристикам оценивается. Единственное, что я бы сейчас добавил - это ещё один спектр, дополненный до единицы - чтобы более наглядно оценить неравномерность АЧХ.

Для "углубленного" изучения можно было-бы путем оценки х-ки в полосе пропускания оценить время и интенсивность "пре-эха"* .

Можно.

Неравномерность АЧХ в полосе пропускания часто выглядит как равномерная волнистость в линейном масштабе частот (ну или как сумма нескольких "равномерных волнистостей").

Если говорить о непрерывном спектре, а не о дискретном, и об ограниченном во времени сигнале - то да. Эффект Гиббса никто не отменял. Ну а если используется НЧ-фильтр Чебышева 2-го рода - то там эти волнистости в сам фильтр заложены по определению. А в Баттерворта - заложено обратное и в нём никаких волнистостей не будет.

[Traktorist3d]

Интересно как качественно работает рессемплер в hqplayer , который очень не дешёвый однако..

[E.Sokol]

Интересно как качественно работает рессемплер в hqplayer

Навскидку мне не удалось сграбить с него звук - он как-то коряво с WASAPI работает.

---------- Сообщение добавлено 13:57 ---------- Предыдущее сообщение было 11:15 ----------

А может, это из-за несовпадения 32-64 бит.

[Traktorist3d]

он как-то коряво с WASAPI работает.

Ответил в личку

[E.Sokol]

С фильтром poly-sinc-ext2 картина для 44.1->96kHz получилась следующая:

Второй график красным - это дополнение до 0 дБ, чтобы уровень шума и пульсации в полосе пропускания лучше видеть. И как видим - пульсаций нет, уровень шума -120 дБ (как и в оригинальном тест-сигнале), спад АЧХ начинается после 20 кГц. Импульсная характеристика симметричная - значит, фильтр фазолинейный.

Заключение: в реализации ресемплинга плеер плеер полностью оправдал своё название.

---------- Сообщение добавлено 10:18 ---------- Предыдущее сообщение было 09:39 ----------

А вот что показал всеми любимый APlayer:

Уровень шума в полосе пропускания -110 дБ, спад АЧХ начинается уже после 13 кГц. Ну хоть с подавлением внеполосных компонент проблем нет, -130 дБ - это предел.

[Igor_A]

ровень шума в полосе пропускания -110 дБ, спад АЧХ начинается уже после 13 кГц. Ну хоть с подавлением внеполосных компонент проблем нет, -130 дБ - это предел.

Для расширения полосы там же в панели настроек можно включить опцию "Steep filter (99%)". Для повышения точности - опцию "Ultra High Quality".
Кроме того, ресемплер в аплеере по умолчанию выдаёт поток в разрядности исходника. Для 16 бит это будет 16 бит. Для повышения точности надо включать в той же панели настроек выходную разрядность 32 бита или 24 бита.

[E.Sokol]

Вариант со Steep filter (99%)

24-бит вход, Ultra High Quality включён, как и в предыдущий раз. А вот сравнение с выключенным (красный):

Разница на мой взгляд небольшая для столь громкого названия.

[Igor_A]

E.Sokol
В белом шуме, преобразованном ресемплером аплеера из 44100 в 96000 с настройками по умолчанию завал на ВЧ начинается с частоты 20700. До этой частоты спектр - горизонтальная полка.

[E.Sokol]

E.Sokol
В белом шуме, преобразованном ресемплером аплеера из 44100 в 96000 с настройками по умолчанию завал на ВЧ начинается с частоты 20700. До этой частоты спектр - горизонтальная полка.

Угу, а ниже 20 гЦ - спад на НЧ внезапно. О какой точности тут можно говорить, если неравномерность АЧХ у вас порядке нескольких децибел и видна невооружённым глазом? Ну ок, можно просто масштаб увеличить до 0.1 дБ:

[Оллема]

Это катастрофа.

[Igor_A]

Угу, а ниже 20 гЦ - спад на НЧ внезапно. О какой точности тут можно говорить, если неравномерность АЧХ у вас порядке нескольких децибел и видна невооружённым глазом?

Эта неравномерность точно повторяет неравномерность исходного файла 44100 с белым шумом.
Вот этот файл.
https://disk.yandex.ru/d/pswFbwqcsNIGLA

То есть, претензия абсолютно не по делу.

А на Вашей последней диаграмме спад на 0,0025 dB на 20000 Гц, даже если он есть, то это нормально.

[E.Sokol]

А на Вашей последней диаграмме спад на 0,0025 dB на 20000 Гц, даже если он есть, то это нормально.

Он там точно есть - я же не сам его нарисовал. Могу сделать то же самое в Wolfram Mathematica, которому точно доверять можно. Насколько это нормально - это уже совсем другой вопрос, на других ресемплерах и неравномерность в полосе пропускания может быть сильнее, и подавление внеполосных компонент хуже, и наложения спектра присутствовать. В данном случае показательно другое - вы слышите разницу между бит-перфектными сигналами и спектром шума в -130 дБ, но не слышите спад АЧХ на высоких частотах, который конечно небольшой - но таки сильно больше заявленной чувствительности слуха.

[Igor_A]

В данном случае показательно другое - вы слышите разницу между бит-перфектными сигналами и спектром шума в -130 дБ, но не слышите спад АЧХ на высоких частотах, который конечно небольшой - но таки сильно больше заявленной чувствительности слуха.

Я пояснял уже выше:
Я не утверждаю, что кто-то может услышать то, что я измерил.
Нет, я утверждаю, ссылаясь на исследования о слышимых уровнях джиттера, что может быть услышано даже то, что невозможно измерить в бытовых условиях.

Что касается "спад АЧХ на высоких частотах, который конечно небольшой - но таки сильно больше заявленной чувствительности слуха"
- то кто и где утверждал, что человек может услышать спад АЧХ на 0,0025 dB на частоте 20000 Гц?

Передёргивания - это Ваша родная стихия?

В то же время, при воспроизведении таким образом ресемплированного в 96000 сигнала ЦАПом с выбранным фильтром Slow Roll-off, имеющим лучшую импульсную характеристику, уровень на той же частоте 20000 на 3,2dB выше, чем при воспроизведении оригинального сигнала:

[E.Sokol]

Интересно как качественно работает рессемплер в hqplayer, который очень не дешёвый однако..

Как-то так:

ASRC


poli-sinc-short-lp


poly-sinc-ext2


poly-sinc-hb


poly-sinc-long-ip


poly-sinc-mp


poly-sinc-short-mp


poly-sinc-xtr-lp

[E.Sokol]

poly-sinc-xtr-mp



poly-sync-long-mp


poly-sync-lp


---------- Сообщение добавлено 11:21 ---------- Предыдущее сообщение было 11:20 ----------

Длину фильтра в семплах можно увидеть в названии правой картинки.

---------- Сообщение добавлено 11:22 ---------- Предыдущее сообщение было 11:21 ----------

С фильтром poly-sinc-xtr-mp автор явно накосячил. UPD: а может, он просто обрезался по уровню.

---------- Сообщение добавлено 11:23 ---------- Предыдущее сообщение было 11:22 ----------

mp значит минимально-фазовый.

---------- Сообщение добавлено 11:41 ---------- Предыдущее сообщение было 11:23 ----------

Забыл уточнить: уровень -2dB был при конвертации, поэтому шумовая полка до идеала чуть не дотягивает.

---------- Сообщение добавлено 15:14 ---------- Предыдущее сообщение было 11:41 ----------

Для сравнения, вот ресемплер по умолчанию от Windows (как минимум 8.1)

Длина - 131 семпл, пульсации есть как в полосе пропускания, так и в полосе подавления - причём равномерные. И их величина в -90 дБ наталкивает на мысль, что это совсем не случайно и как раз покрывает 16-битный диапазон, а сам фильтр проектировался исходя из минимизации размера, и соответственно, задержки.

[Orion33]

Ни ссылки, ни исходников, ни описания, ни графиков, ничего.

Судя по названию файла со ссылки на Яндекс диск, которая присутствует на второй странице того форума, этот ресемплер написал мой бывший коллега, Сергей Петров, который вместе с Евгением Овсянниковым (тем самым, который писал переводы для Дмитрия Гоблина Пучкова) на протяжении 10 последних лет разрабатывают видеокодек на основе дискретного косинусного преобразования. Три года назад, когда я поставил себе Вин11 и у меня начались проблемы с переключением частоты из Фубара на старой карточке, я поделился с Сергеем за чашкой чая, что никак не могу найти ресемплер, который меня устраивал бы по качеству звука. Тогда он предложил сделать плагин на основе своих наработок. Вот его исходный код:
https://github.com/PetrovSE/fftrate.

После 2022 года мы перестали с ним общаться, и сейчас, когда мне снова понадобился хороший ресемплер, я сделал попытку собрать его под х64, а также добавил возможность отключать ресемплирование для списка частот:
https://github.com/3bagorion33/foo_dsp_fftrate.
Было бы интересно взглянуть на тесты, если бы у Вас нашлось время протестировать.

[E.Sokol]

Было бы интересно взглянуть на тесты

Режим по умолчанию - fft-vorbis, передискретизация с 44.1 на 96, квантование 32-bit float.

Единичный импульс он вообще не переварил, выдал мусор в начале и постоянную составляющую в конце. После чистки получилась такая АЧХ (в лог. масштабе):

В общем, где-то косяк.

Со времени старта темы у меня появился ещё один инструмент для тестирования - синусоидальный свип-тон с идеально ровной АЧХ. С ним результат получился чуть получше (линейная шкала):

Но виден выраженный резонанс на частоте Найквиста:

[E.Sokol]

Единичный импульс он вообще не переварил, выдал мусор в начале и постоянную составляющую в конце.

Это оказался глюк фубара, версии 1.5.4. Внезапно.

---------- Сообщение добавлено 12:49 ---------- Предыдущее сообщение было 11:55 ----------

Нет, фубар тут тоже не причём, это у меня оказался баг при экспорте. Всем сорян.