B. La numérisation des sons

B.
La numérisation des sons
1.
Le mécanisme de l'audition
a.
Qu'est-ce que le son ?
I.
DE LA VIBRATION NAIT LE SON :
Phénomène moins évident à saisir que pour les images, il est nécessaire de rappeler quelques notions de base sur le
son. Le son est créé lorsqu'un objet vibrant transmet sa vibration à l'air ambiant. La vibration de l'air se propage alors
et atteint nos oreilles, où elle fait vibrer nos tympans. L'oreille interne transforme alors cette information mécanique
en signaux électriques et chimiques que le cerveau sait interpréter. Le son est donc une grandeur analogique qu'il
convient de transformer si on veut la stocker pour la reproduire. C'est le rôle du microphone (qui transforme la
vibration acoustique en un signal électrique), puis du préamplifcateur (qui amplife le niveau électrique extrêmement
faible du microphone).
II.
ENREGISTREMENT ANALOGIQUE:
Pendant de nombreuses années, la seule technologie connue était l'enregistrement analogique du son.
Enregistrements sur des cylindres, puis des disques en cire et en vinyle, et enfn sur des bandes magnétiques. La
technologie analogique a atteint ses limites dans les années 80. Les dispositifs ne permettaient plus d'amélioration
signifcative de la qualité, notamment l'augmentation de la dynamique et la diminution du bruit de fond.
Historique rapide de l'enregistrement des sons :
•
1807: L'Américain Thomas Young invente un instrument capable d'inscrire les variations acoustiques sur la surface
d'un cylindre couvert de suie.
•
1877: Thomas Edison construit le premier système permettant l'enregistrement et la reproduction des sons, le
phonographe. La transformation entre les ondes acoustiques et les informations enregistrées était accomplie par la
gravure d'une feuille d'aluminium recouvrant un cylindre rotatif.
•
1889: Le premier enregistrement magnétique est réalisé par le physicien Danois Valdeman Poulsen. Cet appareil, le
"Télégraphon", utilise un câble d'acier enroulé hélicoïdalement autour d'un cylindre tournant sous un électroaimant, connecté à un microphone au charbon ou à un casque.
•
1905-1926: L'industrie du 78-tours croit rapidement, et la recherche sur l'enregistrement magnétique piétine.
•
1931: En Allemagne, Pfeumer et AEG conçoivent et utilisent le premier magnétophone avec une bande similaire à
celles d'aujourd'hui.
•
1947: Lancement du 45-tours microsillon
•
1948: L'utilisation des magnétophones devient plus courante, mais ils sont toujours lourds et encombrants. Les
magnétophones mobiles sont installés dans des camions.
•
1949 : disque microsillon en vinyle, commercialisé en France
•
1955: Lancement des magnétophones stéréophoniques.
•
1974: Les premiers magnétophones numériques PCM pour instrumentation font leur apparition.
•
1979 - Les frmes Philips, Sony et Hitachi présentent le Compact Disc (CD), marque déposée, qui remplacera petit à
petit le disque microsillon.
•
1983 - Le DAT (magnétophone numérique) est annoncé par la frme Sony (la commercialisation sera faite en 1987).
•
1992 - Sony présente le MiniDisc numérique et Philips commercialise la Digital Compact Cassette, cette dernière
devant prendre la suite de la Compact Cassette (CC).
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•
1995/96 - Apparition des premiers graveurs de CD-R vendus dans le grand-public, puis des disques CD-RW
réenregistrables (disques magnéto-optiques).
•
1998 -Premier microphone numérique (Beyer).
III.
ENREGISTREMENT NUMÉRIQUE:
C'est au cours des années 80 que la numérisation du son a progressivement envahi les studios d'enregistrement, puis
s'est installée chez l'utilisateur fnal. Les ordinateurs multimédias modernes permettent de donner un nouvel intérêt
au son numérique, puisqu'il devient possible d'enregistrer des sons à moindre frais sur son disque dur ou sur un CD
enregistrable. Le tout est de savoir comment s'y prendre, car le numérique n'est pas un gage de qualité en soi. Un
enregistrement raté restera toujours un enregistrement raté... fût-il numérique !
2.
Les différents types de documents analogiques "sons" à numériser
Des enregistrements sur tous types de supports :
•
•
•
•
•
•
•
disques vinyles 78, 45 et 33 tours/min (1899– 1960s)
cassettes audio et micro cassettes (1965– Present)
bandes (6,25 et 6,35 mm, 1,2 - 2,4 - 4,75 - 9,5 - 19 cm/s, 2 et 4 pistes - c. 1945– Présent)
cylindres29 de cire (2 à 4 minutes d'enregistrement - 1888– 1929)
fl magnétique (15 à 30 minutes d'enregistrement - c. 1945– 1955)
son des vidéo (Hi8, Video 8, DV)
...
Sans oublier les événements « live » !
3.
Les concepts de base (Définitions/Vocabulaire)
a.
Numérisation d'un son
Voir les préconisations du rapport « Best Practices For Audio Preservation »30 pour compléter les informations cidessous.
Comme nous l'avons défni dans l'introduction du cours, le son à numériser doit être échantillonné et quantifé.
I.
L'ÉCHANTILLONNAGE D'UN SON
Le son doit être échantillonné à une fréquence au minimum supérieure au double de la fréquence maximale contenue
dans le signal analogique (théorème de Shannon). Notre oreille perçoit les sons environ jusqu’à 20000 Hz (au grand
maximum et à partir de l'adolescence, ça ne cesse de baisser). Donc la fréquence d'échantillonnage doit être au moins
de l'ordre de 40 000 Hz. Quand ce n'est pas le cas comme on le verra ci-dessous, il est indispensable de supprimer les
fréquences supérieures à la moitié de l'échantillonnage prévu, par un fltre passe-bas. Seules les fréquences inférieures
à une valeur fxée seront transmises au sortir du fltre. On parle aussi de « limitation de la bande passante ».
Fréquences d'échantillonnage normalisées :
•
•
•
•
II.
32 kHz : pour la radio FM en numérique (bande-passante limitée à 15 kHz)
44.1 kHz : pour l'audio professionnelle et les compact-disques
48 kHz : pour les enregistreurs numériques multipistes professionnels et l'enregistrement grand public (DAT,
MiniDisc…).
96 kHz (en 5.1) : norme pour le DVD-Audio.
LA QUANTIFICATION D'UN SON
Plus le nombre de bits utilisé pour le codage sera grand, meilleure sera la ressemblance avec le signal original.
Les systèmes grand-public actuels (CD, DAT) travaillent avec 16 bits, soient 65536 niveaux.
29 http://cylinders.library.ucsb.edu/ (visité le 19/07/2007)
30 http://www.dlib.indiana.edu/projects/sounddirections/papersPresent/sd_bp_07.pdf (visité le 24/07/2008)
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Le standard du DVD audio et des nouvelles machines professionnelles est de 24 bits à 96 kHz. Ces caractéristiques
permettent encore d'améliorer la dynamique et la bande-passante des signaux audio, une reproduction encore plus
proche de la réalité, ainsi que la possibilité de se livrer à des traitements numériques plus sophistiqués.
Comparaison des formats CD-Audio et DVD-Audio31 :
CD-audio
DVD-audio
Capacité
640 Mo
4,7 Go
Nombre de canaux
2 (stéréo)
2à6
Durée d’enregistrement
74 minutes
74 min en 6 canaux
Nature du signal audio
PCM32
PCM et MLP33
Fréquence d'échantillonnage
44, 1 kHz
Jusqu’à 192 kHz
Taux de transfert
1,4 Mbps
9,6 Mbps
Le concurrent du DVD-Audio est le Super-Audio CD dont les performances sont comparables mais les technologies
sont différentes et incompatibles. Jusqu'à preuve du contraire, les lecteurs aussi sont incompatibles.
Quel format employer en fonction de la qualité souhaitée ?
Type d'enregistrement
Musique stéréophonique
Voix ou musique mono
Qualité souhaitée
Format à employer
Studio / Master
48~96 KHz - 16~24 bits linéaire - stéréo
CD
44,1 KHz - 16 bits linéaire - stéréo
Archive qualité CD
44,1 KHz - 16 bits - MPeg 256K - Stéréo
Assez bonne qualité pour
transmission sur Internet
32 KHz - 16 bits - MPeg 128K Stéréo-joint
Studio / Master
48~96 KHz - 16~24 bits linéaire - mono
CD
44,1 KHz - 16 bits linéaire - mono
Archive qualité CD
44,1 KHz - 16 bits - MPeg 128K - mono
Assez bonne qualité pour
transmission sur Internet
32 KHz - 16 bits - MPeg 64K mono
Son type "téléphone"
16 KHz - 8 bits - Mono
La taille mémoire occupée par du son numérique :
•
Un
enregistrement
de
qualité
CD
1,4 Mbits/s soit environ 10 Mo / mn (environ)
(44,1
kHz,
16
bits
stéréo)
occupe
A la différence des images, les sons numériques doivent subir un processus de reconversion en valeurs électriques
analogiques pour pouvoir être représentés. Les images, elles, peuvent être constituées directement de pixels de
valeurs de couleurs ponctuellement très précises et correspondant directement à l'information numérique. Pour le
son, on ne peut pas se passer de microphones, d'enceintes et de casques (et de nos oreilles ...)
31 http://www.son-video.com/Conseil/Hif/DVDAudio.html (visité le 19/07/2007)
32 http://en.wikipedia.org/wiki/PCM (visité le 19/07/2007)
33 http://en.wikipedia.org/wiki/Meridian_Lossless_Packing (visité le 19/07/2007)
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b.
I.
La mesure des sons
LES DÉCIBELS
(Source34).
C'est un fait d'expérience ... nos sensations physiques " varient peu " lorsque la grandeur provoquant la stimulation
" varie beaucoup ". Fait surprenant mais vérifable : lorsque nous doublons la puissance d'un appareil producteur de
son, c'est à peine si nous nous apercevons de l'augmentation de volume !
C'est l'équipe de Graham Bell qui, pour la première fois de l'histoire, a développé une technique dont l'aboutissement
était à l'appréciation de l'un des sens humains : l'audition. Il fallait s'adapter et l'on chercha une fonction qui, comme
les sensations, varie peu quand la variable varie beaucoup. Tous les types de logarithmes répondent à ce critère, en
particulier le logarithme décimal.
Observons qu'il s'agit, non pas de mesurer, mais de comparer deux sensations. Dès lors, on établit cette comparaison
en prenant le logarithme du rapport des puissances (au sens de la physique) des grandeurs qui provoquent les deux
sensations. Ce nombre, censé représenter une différence de sensations, est donné en Bel, en hommage à Graham Bell.
Ecart de sensations en déciBel (dB) =
1 0∗log
P2

P1
Jusqu'ici, les décibels on servi à mesurer des variations d'une grandeur. Ils peuvent servir à repérer le niveau d'une
grandeur physique par rapport à un repère appelé 0 dB et choisi par pure convention. La puissance sonore (en mW)
qui correspond à 0 dB résulte d'une convention internationale. C'est la puissance considérée comme minima de
perception par un échantillon moyen de population. Cette défnition est très arbitraire et dépend à la fois des
conditions de vie des personnes (campagne calme ou ville bruyante) et du type de bruit considéré (stridences, bruit
sourd des autos, pétarades etc.).
La mesure de la pression acoustique se fait en décibel (dB)35
La formule
X dB=10×log
X

X0
signife qu'une augmentation d'un déciBel correspond à une pression acoustique
multipliée par 10. La valeur de référence est le seuil de l'audition (un moustique volant à 3 mètres de notre oreille).
Le seuil de l'audition est fxé à 0dB, le seuil de la douleur est de 120dB. Pour bien comprendre ce que signifent ces
chiffres, la pression acoustique est multipliée par un facteur 1000 milliards entre 0 et 120 dB.
Quelques chiffres sur les intensités sonores :
•
•
•
•
•
•
•
•
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•
•
•
•
•
0 dB : seuil d'audibilité
De 0 à 10 dB : désert
De 10 à 20 dB : cabine de prise de son
De 20 à 30 dB : conversation à voix basses, chuchotement
De 30 à 40 dB : forêt
De 40 à 50 dB : bibliothèque, lave-vaisselle
De 50 à 60 dB : lave-linge
De 60 à 70 dB : sèche-linge, sonnerie de téléphone, téléviseur, conversation courante
De 70 à 80 dB : aspirateur, restaurant bruyant
De 80 à 90 dB : tondeuse à gazon, klaxon de voiture
De 90 à 100 dB : route à circulation dense, tronçonneuse, atelier de forgeage
De 100 à 110 dB : marteau-piqueur à moins de 5 mètres dans une rue, discothèque
De 110 à 120 dB : tonnerre, atelier de chaudronnerie
120 dB : seuil de la douleur
De 120 à 130 dB : sirène d'un véhicule de pompier, avion au décollage (à 300 mètres) , concert amplifé
180 dB : décollage de la fusée Ariane, lancement d'une roquette
194 dB : son le plus bruyant possible
Source : wikipedia36
Attention de ne pas confondre compression dynamique des sons avec la compression informatique (voir ci-après).
La dynamique (audio) c'est l'écart existant entre le son le plus faible et le plus fort dans un morceau. La 9e symphonie
de Beethoven est connue pour être une des oeuvres de la musique classique ayant la plus grande dynamique. Cela
34 http://perso.orange.fr/arsene.perez-mas/signal/decibels/decibels.html (visité le 19/07/2007)
35 http://en.wikipedia.org/wiki/Decibels (visité le 19/07/2007)
36 http://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9cibel (visité le 25/09/2008)
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signife que dans cette oeuvre il existe des passages qui sont extrêmement doux (pianissimo) et d'autres au contraire
extrêmement forts (fortissimo). Il est possible suivant les interprétations et les effectifs qu'en concert les 100 dB de
dynamique soient dépassés, ce qui est énorme. La compression dynamique audio consiste à réduire artifciellement
cette dynamique, cet écart entre les sons faibles et les sons forts. Une série d'articles de blog retrace l'histoire de la
compression dynamique du son enregistré et diffusé. C'est passionnant mais cela dépasse largement la portée de ce
cours37.
II.
LES FRÉQUENCES DES SONS
Les fréquences des signaux sonores se mesurent en Hz, et sont l'inverse de la longueur d'onde du signal. Si vous avez
d'excellentes oreilles, les limites fréquentielles de votre spectre d'audition s'étendront de 20Hz (vers le grave) jusqu'à
15-20kHz (dans les aiguës).
Attention, notre audition n’est pas aussi transparente qu’on pourrait le croire : nous avons l'impression d'entendre
aussi bien les sons aigus, que le médium ou les graves mais ce n'est pas le cas. L'oreille est très sensible aux alentours
de 2,8-3 kHz, ce qui n'est pas un hasard puisque c'est la fréquence moyenne de la voix humaine38.
Important : il n'y a aucune raison de limiter la numérisation de l'audio aux fréquences et puissances admises et
reconnues par l'oreille humaine. Les infra sons et surtout les ultrasons peuvent parfaitement être captés et numérisés.
Il faudra simplement un dispositif de transcodage (visuel ou audio) pour les rendre accessibles (visibles) aux
humains.
c.
La « visualisation » d'un son
Outre l'écoute, le travail sur un son sera grandement facilité par les techniques permettant de le visualiser...
I.
VOIR LA PUISSANCE DU SON EN FONCTION DU TEMPS
En utilisant Audacity, on peut « visualiser » un graphique représentant la puissance acoustique en fonction du temps.
Les zones faiblement actives représentent des silences.
II.
VOIR LA DISTRIBUTION INSTANTANÉE DES FRÉQUENCES D'UN SON
D'autres visualisations sont possibles, par exemple un diagramme fréquence instantané :
37 http://blog.formations-musique.com/index.php?2009/04/02/49-sommaire-de-l-histoire-de-la-compression-dynamique-audio (visité le
29/8/2009)
38 http://www.restauration-audio.com/Les-traitements-psychoacoustiques_a22.html (visité le 19/07/2007)
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... et un sonagramme qui représente en dynamique quelles fréquences sont présentes dans un signal à un instant
précis :
4.
La présentation de la chaîne numérique
On peut représenter la chaîne de traitement numérique par le schéma suivant :
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Chaîne de traitement numérique du son
Capteur analogique :
microphone, tête de lecture
magnétophone, diamant
platine tourne-disque
CAN
amplificateur
analogique
Domaine analogique
Traitement
10110010
01001011
00111101
10110100
10110010
01001011
00111101
10110100
10110010
01001011
00111101
10110100
Transducteur analogique :
haut-parleur
CNA
Conver t i sseur
numé r i q ue
anal og i q ue
AA
Conver t i sseur
anal og i q ue
numé r i q ue
Onde
sonore
Stockage,
traitement ou
transmission
Domaine numérique
AA
amplificateur
analogique
Onde
sonore
Domaine analogique
Une fois converti en numérique, le son peut « subir » toutes sortes de traitement de transformation et de stockage.
Pour un exposé complet des meilleures pratiques de numérisation des sons, cf « Capturing Analog Sound for Digital
Preservation: Report of a Roundtable Discussion of Best Practices for Transferring Analog Discs and Tapes, March
2006 »39 voir aussi, en français, l'article « Numérisez vos vinyles grâce à GarageBand »40 à
http://www.cuk.ch/articles/3040
5.
Les matériels et logiciels
Voir sur le site d'un passionné de restauration numérique une liste d'appareils de niveau professionnel41.
a.
I.
La lecture
POUR LES DISQUES
Nécessite un capteur de la meilleure qualité possible et un support analogique le plus propre possible. Il existe des
appareils spécialisés : la KEITH MONKS cleaning machine. Machine professionnelle destinée à nettoyer en
profondeur les 78 tours et les vinyles.
Il existe des platines disques professionnelles, telles que :
•
•
II.
la Platine tourne disques Bang & Olufsen BEOGRAM 4002 à bras tangentiel.
Platine tourne disques professionnelle STANTON avec un choix de plusieurs cellules et diamants de différentes
tailles, pour s'adapter le mieux possible aux caractéristiques du sillon à lire. Possibilité de lecture à l'envers,
souvent utile pour les sillons fatigués d'être lus à l'endroit...
POUR LES BANDES
La référence reste le STUDER REVOX PR99. Machine professionnelle de fabrication Suisse, la plus utilisée dans les
radios et les studios d'enregistrement durant ces 20 dernières années. 2 pistes Vitesses 19 et 38 cm/s.
39 http://www.clir.org/pubs/reports/pub137/pub137.pdf
40 http://www.cuk.ch/articles/3040 (visité le 29/08/2009)
41 http://www.restauration-audio.com/index.php?action=article&id_article=174098 (visité le 19/07/2007)
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b.
La pré-amplifcation
Le préamplifcateur effectue un premier traitement analogique sur le son (cette étape inclut les opérations de mixage
dont la complexité dépasse le cadre de ce cours).
On branche ensuite le préamplifcateur à l'entrée « line-in » de la carte son de l'ordinateur (où, pour des projets très
pointus, on branche à un Convertisseur Analogique Numérique externe)
c.
Les logiciels d'enregistrements
Un logiciel spécialisé intervient alors pour numériser le son entrant dans l'ordinateur (réglages à effectuer pour la
qualité de l'échantillonnage et de la quantifcation).
•
•
Par exemple on peut employer Audacity, logiciel Open Source, multi-plate formes et très complet permettant
d'effectuer toutes sortes de traitements. Des experts utilisent Audacity pour numériser professionnellement des
sons. Voir l'excellent article « Digitizing records and tapes with Audacity »42
Par contre, la référence reste Pro Tools HD distribué par DIGIDESIGN. Éditeur audio réputé dans tous les studios
du monde.
d.
Le traitement
Vise à supprimer les silences non désirés, à nettoyer l'enregistrement d'éventuels « cracks », de fltrer les fréquences
contenant trop de souffe, etc... Des logiciels très spécialisés permettent d'effectuer ces opérations très coûteuses en
temps de façon semi-automatique. Exemple :
•
CEDAR DC1 Declicker. Capable d'effectuer 50 millions d'opérations à la seconde ce qui lui permet
d'éradiquer plus de 2500 "scratches" ou "clicks" par seconde. Système coûteux mais un des meilleurs.
Aural exiter APHEX 204. Permet de redonner de l'épaisseur, de la brillance et ses harmoniques natives à
un enregistrement analogique altéré par le temps et l'usure des lectures.
•
Il est possible d'écouter des exemples sonores43 de restauration44.
6.
Enregistrement et compression de l'audio
Ci-dessous un tableau des tailles de fchiers non compressés en fonction de la qualité de la numérisation voulue. On
comprends vite la nécessité de trouver un moyen d'en réduire la taille.
Qualité
Echantillonnage (kHz) Quantifcation (bits)
Mono/Stéréo
Taille (1 min, en Ko)
Téléphone
11
8
mono
660
Radio
22
8
stéréo
2560
Radio
22
16
stéréo
5120
CD Audio
44
16
stéréo
10 240
Les formats audio sont multiples et il est parfois diffcile de s'y repérer. Consultez un tableau complet 45 et très
documenté sur le site « Sustainability of Digital Formats Planning for Library of Congress Collections ».
Voici les plus courants :
a.
Formats « sans pertes »
Note : les codecs généralistes de compression de fchiers informatiques tels que zip, bzip, ... sont notoirement
ineffcaces sur les fchiers de données audio.
Pour une analyse détaillée des différents formats audio « sans pertes », c'est-à-dire à partir desquels on peut
reconstituer la version numérique du fchier audio initialement numérisé, voire la page « Lossless comparaison »46.
42
43
44
45
46
http://www.linux.com/articles/119550 (visité le 17/06/2008)
http://www.restauration-audio.com/index.php?action=article&id_article=174099 (visité le 19/07/2007)
http://www.restauration-audio.com/Qu-est-ce-que-la-restauration-sonore-_a13.html (visité le 19/07/2007)
http://www.digitalpreservation.gov/formats/fdd/sound_fdd.shtml (visité le 19/07/2007)
http://wiki.hydrogenaudio.org/index.php?title=Lossless_comparison (visité le 19/07/2007)
Cours numérisation (c) JMM – 2009-2010
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I.
WAV (FORMAT OUVERT)
Wav (.wav) Wave est le standard pour l'audio en format non compressé, en utilisant l'encodage PCM 47. Les CD Audio
stockent leurs données dans un format proche du WAV. Les logiciels d'édition sonore nécessitent également que les
sons soient dans ce format pour pouvoir les éditer. Des logiciels comme Audacity permettent tout de même
d'importer des fchiers mp3 qu'ils reconvertissent d'abord en .Wav (Source48).
Codage/décodage dans Audacity notamment.
II.
MPEG-4 AUDIO LOSSLESS CODING (ALS) MPEG
La compression sans pertes est l'extension la plus récente du standard audio MPEG-4, destinée aux signaux audio en
haute défnition. La technologie de base a été développée par le NUe Group (Fachgebiet Nachrichtenübertragung) à
l'université technique de Berlin. La norme ISO du MPEG-4 ALS est ISO/IEC 14496-3:2005/Amd 2:2006.49 Ce format
n'est pas encore répandu du fait du manque (depuis 2006) d'encodeurs et de décodeurs.
III.
APPLE AAC LOSSLESS (FORMAT PROPRIÉTAIRE)
Apple Lossless Audio Codec (ALAC) est un format d'encodage sans perte (lossless) apparu en 2004. Le format a été
développé par Apple pour combler une lacune de la norme MPEG-4, dont la partie consacrée à l'encodage sans perte
tarde encore à être fnalisée (cette extension existe depuis 2006, cf le codec ALS). ALAC est un format propriétaire et
qui s'adresse majoritairement aux utilisateurs d'iTunes et de l'iPod.
À l'instar de tous les formats sans perte, ALAC permet de compresser sans aucune dégradation des fchiers musicaux
au format PCM à un taux de compression voisin de 40 à 50% (les ratios mesurés peuvent cependant grandement
varier en fonction principalement du volume de la piste : plus le volume est fort (pour la pop music par exemple),
plus le ratio est mauvais, à l'inverse du classique.
En regard des formats concurrents, ALAC présente une effcacité moindre. Cette contre-performance est toutefois
partiellement délibérée, puisque le format a été essentiellement développé en vue d'être décodé par des appareils
bien moins puissants et autonomes que les ordinateurs de bureau (comprendre des baladeurs et l'ipod en
particulier). Une meilleure compression suppose en effet une complexité accrue, complexité ayant pour conséquence
de réduire l'autonomie des appareils nomades.
Ainsi, les quelques pourcentages perdus en terme de ratio de compression sont compensés par une implémentation
matérielle facilitée. Néanmoins, ALAC reste actuellement inférieur aux autres formats sans perte de faible complexité.
FLAC présente ainsi une rapidité supérieure pour un taux de compression quasi-identique, alors que WavPack
bénéfcie de performances en tout point (ratio de compression, vitesse d'encodage et de décodage) supérieures.
Codage/Décodage : iTunes, QuickTime
(Source50).
IV.
FLAC (FORMAT OUVERT)
Free Lossless Audio Codec (FLAC) est un codec libre de compression audio sans perte. Un enregistrement
numérique (tel qu'un CD) codé en FLAC peut être décompressé pour obtenir une copie identique des données audio.
Les sources audio peuvent être codées en FLAC pour permettre une réduction de taille de 30 à 70 %. La réduction de
taille est dépendante de la source : plus le signal est constitué d'ondes régulières (sons naturels), meilleure est la
compression. Par contre, un signal aléatoire (bruit) ne se compresse pas très bien. Ce phénomène se constate pour tous
les formats de compression sans perte.
FLAC est approprié pour tous les archivages de données audio, avec le support des métadonnées, image de
couverture, ainsi que pour la recherche rapide. FLAC est libre et open source ; ne nécessitant pas le paiement de
redevances, il est bien supporté par de nombreux logiciels.51
Codage/décodage par de nombreux outils gratuits ou OpenSource dont Audacity, lecture par VLC.
47
48
49
50
51
http://fr.wikipedia.org/wiki/Modulation_d%27impulsion_cod%C3%A9e (visité le 29/08/2009)
http://fr.wikipedia.org/wiki/WAVEform_audio_format (visité le 7/09/2009)
http://en.wikipedia.org/wiki/MPEG-4_ALS (visité le 29/08/2009)
http://fr.wikipedia.org/wiki/Apple_Lossless (visité le 19/07/2007)
http://fr.wikipedia.org/wiki/Free_Lossless_Audio_Codec (visité le 7/09/2009)
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b.
formats « avec pertes »
On utilise pour ce faire les limitations de l'oreille humaine qui ne perçoit pas certaines données audio 52 et on code de
façon compacte des données répétitives.
I.
MP3 (FORMAT PROPRIÉTAIRE)
Le MPEG-1/2 Audio Layer 3, plus connu sous son abréviation de MP3, est la spécifcation sonore du standard MPEG1, du Moving Picture Experts Group (MPEG). C'est un algorithme de compression audio (voir aussi codec) capable de
réduire drastiquement la quantité de données nécessaire pour restituer de l'audio, mais qui, pour l'auditeur,
ressemble à une reproduction du son original non compressé, c'est-à-dire avec perte de qualité sonore signifcative
mais acceptable pour l'oreille humaine.
L'extension de nom de fchier est .mp3 et le type MIME est audio/mpeg[1]. Ce type de fchier est appelé « fchier
MP3 ».
Le codage MPEG-1/2 Layer 2 est né avec le projet Digital Audio Broadcasting (radio numérique DAB) qui fut lancé
par le Deutsche Luft und Raumfahrt. Ce projet a été fnancé par l'Union européenne, et faisait partie du programme
de recherche EUREKA
Ce format populaire de compression audio permet une compression approximative de 1:4 à 1:12. Un fchier audio
occupe ainsi quatre à douze fois moins d'espace une fois compressé au format MP3.
Le taux de compression peut être augmenté en choisissant un débit binaire (en anglais bitrate) plus faible. On
considère en général qu'il faut au moins 128 ou 192 kilobits par seconde (kbit/s) pour bénéfcier d'une qualité audio
acceptable pour un morceau de musique. À 8 kbit/s, le son est fortement altéré (bruits parasites non attendus, spectre
« sourd », …).
Ce format de données utilise un système de compression partiellement destructif. Il ne stocke pas intégralement le
spectre des fréquences audio. En revanche il tente d'annuler d'abord les sons les moins perçus de façon à ce que les
dégradations se fassent le moins remarquer possible. Ce n'est pas une compression à proprement parler, mais plutôt
une suppression d'informations.
La compression au format MP3 exploite un modèle psycho-acoustique de l'effet dit de « masque » : si deux fréquences
d'intensités différentes sont présentes en même temps, l'une peut être moins perçue que l'autre selon que ces deux
fréquences sont proches ou non. La modélisation de notre audition selon ce principe est au départ empirique, mais
assez effcace.
Toutefois, si le taux de compression est trop important, on peut être amené à faire ressortir certaines harmoniques de
façon non attendue. Cela donne alors l'impression de bruits parasites et désagréables au milieu du son.
On peut améliorer la qualité à débit moyen égal en utilisant un débit binaire variable (VBR ou Variable Bit Rate par
opposition à un débit constant Constant bit rate, CBR). Dans ce cas, les passages peu complexes, comme les silences
par exemple, seront codés avec un débit d'information plus faible. On code à 64 kbit/s au lieu de 128, réduisant ainsi
la taille totale du fchier tout en gardant une très bonne qualité lors des passages riches en harmoniques.
L'amélioration apportée est variable selon le morceau codé. L'encodage en VBR peut néanmoins poser des problèmes
de compatibilité avec certains lecteurs.53
La popularité du format MP3 ne se dément pas, même compte tenu de son obsolescence technique. Le dernier
magasin de vente de musique en ligne, sur Amazon, utilise encore ce format (mise à jour du 7/09/2009).
Codage/décodage avec le codec LameEncoder, encoder MP3 Open Source, qui produit, de l'avis général, la meilleure
compression. LameEncoder est intégrable à Audacity.
II.
REALAUDIO (FORMAT PROPRIÉTAIRE)
RealAudio (.ra)54 est un format de stream (de diffusion en continu) souvent utilisé par les radios qui diffusent sur
internet. A qualité équivalente, les fchiers en RealAudio sont plus petits qu'encodés en MP3 mais de moins bonne
qualité si le débit est faible.
Codage/décodage : RealProducer55, décodage simple avec le lecteur RealPlayer.
52
53
54
55
http://en.wikipedia.org/wiki/Psychoacoustics (visité le 19/07/2007)
http://fr.wikipedia.org/wiki/Mp3 (visité le 7/09/2009)
http://en.wikipedia.org/wiki/Realaudio (visité le 19/07/2007)
http://www.realnetworks.com/products/producer/index.html (visité le 19/07/2007)
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III.
OGG (FORMAT OUVERT)
Ogg (prononcer « augue ») est le nom du principal projet de la fondation Xiph.Org dont le but est de proposer à la
communauté des formats et codecs multimédias ouverts, libres et dégagés de tout brevet.
C’est aussi le nom du format de fchier conteneur proposé par ce même projet. L’extension .ogg est une des extensions
possibles pour les fchiers au format Ogg. Par abus de langage, on appelle couramment « fchier Ogg » un fchier
audio au format Ogg contenant des données audio compressées en Vorbis, l’un des codecs du projet Ogg.
La fondation Xiph.Org a pourtant créé un ensemble d'extensions pour les différents types de contenus : .oga pour les
fchiers audio uniquement, .ogv pour la vidéo (généralement encodée avec Theora)56
codage/décodage : Audacity
IV.
MP3PRO (FORMAT PROPRIÉTAIRE)
La compression mp3Pro57 se présente comme un successeur avantageux au mp3. En effet, les fchiers générés par un
encodeur mp3PRO sont compatibles avec tous les lecteurs mp3. Cependant seuls les lecteurs certifés mp3PRO
bénéfcient des avantages supplémentaires de cet encodage.
L'encodage mp3Pro présente trois particularités qui en font un système de compression offrant de meilleurs résultats
sonores que ceux d'un simple mp3 standard :
•
L'utilisation du VBR (pour Variable Bit Rating) qui adapte en temps réel le débit en fonction de la densité et de
la complexité sonore ;
•
La préservation de la bande passante aiguë normalement sacrifée par le mp3 standard ;
•
Une qualité sonore équivalente au 320 kbit/s du layer III en VBR (qui varie entre 64 kbit/s et 128 kbit/s) si
bien qu'à qualité égale un fchier mp3Pro permet un gain de place substantiel par rapport à un fchier mp3
standard (entre 25% et 50% de gain).
Le Codec mp3PRO est propriétaire. Néanmoins un lecteur MP3 standard saura lire un mp3PRO, avec une qualité
moindre.
Très peu de logiciels prennent en compte le mp3PRO et seuls les baladeurs de marque Thomson et ses fliales savent
en tirer pleinement proft. Codage/décodage : Thomsom Encoder58, ou Audion pour Mac59.
V.
AAC (FORMAT OUVERT)
AAC - Advanced Audio Coding - L'Advanced Audio Coding ou AAC est un algorithme de compression audio avec
perte de données ayant pour but d'offrir un meilleur ratio qualité/compression que le format plus ancien MPEG-1/2
Layer 3 (plus connu sous le nom de MP3). Utilisé dans iTunes, iPod et largement répandu grâce au succès de l'Itunes
Store. Peut-être utilisé avec des DRM. Il est défni dans la « partie 3 de la norme MPEG-4 ». Les améliorations
apportées par l'AAC touchent notamment :
•
•
•
•
•
•
les fréquences d'échantillonnage : de 8 kHz à 96 kHz (MP3 offciel : 16 à 48 kHz) ;
le nombre de canaux : jusqu'à 48 ;
une meilleure gestion des fréquences au-delà de 16 kHz ;
Ces avancées techniques devant apporter à l'auditeur un message audio d'une qualité et d'une stabilité
accrue par rapport au MP3 à fréquence d'échantillonnage équivalente ou inférieure.
L'AAC adopte une approche modulaire du codage : en fonction de la complexité du fux à coder, de la qualité
visée et de la taille du fchier que l'on souhaite obtenir. L'utilisateur peut créer des profls afn de défnir
l'outil qu'il souhaite utiliser parmi le jeu de réglages prédéfnis.
l'intégration de systèmes de DRM.
L'extension de fchier généralement adoptée est .mp4 (pour MPEG-4), .m4a (pour MPEG-4 audio) ou .m4p (pour
MPEG-4 protégé).
Codage/décodage : iTunes, QuickTime, VLC pour le décodage des fchiers sans DRM.
56
57
58
59
http://fr.wikipedia.org/wiki/Ogg (visité le 7/09/2009)
http://fr.wikipedia.org/wiki/Mp3PRO (visité le 7/09/2009)
http://www.mp3prozone.com/download.htm (visité le 19/07/2007)
http://www.panic.com/audion (visité le 9/10/2007)
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VI.
WINDOWS MEDIA AUDIO (FORMAT PROPRIÉTAIRE)
Windows Media Audio60 aussi appelé WMA est un format propriétaire de compression audio de type « lossy »
(destructeur) développé par Microsoft. Le format WMA offre pour spécifcité la possibilité de protéger dès l'encodage
les fchiers de sortie contre la copie illégale par une technique de gestion des droits numériques (DRM en anglais).
Le format existe sous deux formes :
•
•
le WMA Standard, le premier à être sorti, le plus répandu sur Internet et le seul à être lisible (actuellement)
sur de nombreux baladeurs numériques
le WMA Pro, théoriquement de meilleure qualité mais bien moins répandu.
Les deux sont capables de coder en débit constant (CBR) ou en débit variable (VBR). Le codec wma est parmi tous les
formats d'encodage avec pertes disponibles l'un des plus rapides.
c.
Cas du MIDI
Le Musical Instrument Digital Interface ou MIDI est parfois confondu avec les formats décrits ci-dessus. C'est un
protocole de communication et de commande permettant l'échange de données entre instruments de musique
électronique, un ou plusieurs de ces « instruments » pouvant être des ordinateurs. Il permet de préciser le type
d'instrument, la note, la durée, etc... Les fchiers MIDI sont reproduits sur ordinateurs ou sur instruments MIDI à
l'aide de sons pré-numérisés ou synthétisés. En ce sens, les fchiers MIDI sont l'équivalent des formats vectoriels pour
les images. Ils prennent en général très peu de place puisque ne sont codées que des descriptions textuelles des sons à
reproduire.
d.
Le(les) formats à choisir pour l'archivage
Les formats à privilégier pour un archivage des sons (on parle de fchiers « master » ou « maîtres » à partir desquels
seront dérivés les fchiers de diffusion) sont ceux qui contiennent toute l'information numérisée, et qui sont donc de la
qualité maximale. On choisira préférentiellement le format Wav (aucune compression) ou FLAC (compression sans
pertes).
e.
Les formats à choisir pour la diffusion
Pour la diffusion, on peut choisir un format avec pertes (MP3, MP4 ou OGG), dont les paramètres seront
soigneusement choisis pour minimiser la perte d'information et, suivant les besoins, streamé. Éviter les formats
propriétaires tels que WMA. On voit apparaître de nouvelles façons de diffuser, en intégrant le son dans un fchier
fash. L'avantage est l'absence de plugins supplémentaires nécessaires à la lecture (Flash étant extrêmement répandu)
et une certaine barrière à la récupération du fchier son en tant que fchier indépendant. Cette protection est
cependant bien facilement contournable.
L'année 2005/2006 a aussi été marquée par le développement du podcast qui combine une diffusion de fchiers MP3
ou MP4 à un abonnement RSS.
Cf Best Practice Guidelines for Digital Collections at the UM Libraries 61 appendice VIII pour des exemples de bonnes
pratiques. Cf Appendix IV: A Typology of Formats pour des guides de référence sur les formats audio.
f.
Paramètres de numérisation et de compression
Les paramètres de numérisation et de compression s'expriment d'une façon légèrement différente de ce qui a été
présenté jusqu'à présent. On utilise l'échantillonnage d'une part, exprimé en Hz, et le débit, exprimé en kbps. En
dehors de contraintes spécifques liées aux technologies de diffusion (téléphone, bande FM, …) l'échantillonnage n'est
pas une valeur qu'on peut modifer à loisir à cause du théorème de Shannon. Il est le plus souvent fxé à 44,1 kHz ou
48 kHz de plus en plus souvent. Par contre, le véritable paramètre sur lequel on peut ajuster la qualité de compression
est le débit (et le CODEC de compression choisi en sélectionnant le format de compression).
Un débit de 1 kbps = 1000 bits par seconde.
Un fchier de 3 minutes numérisé et compressé au débit constant (ou moyen) de 320 kbps aura la taille suivante :
3*60*320000/8 = 7,2 Mo
Prenons l'exemple d'une compression en mp3 en utilisant Audacity avec le plugin LameEncoder. Le fux « bitrate » est
ici choisi en mode « moyenne » (ABR : Average Bitrate) ce qui permet au compresseur de « dépenser » plus
60 http://en.wikipedia.org/wiki/Windows_Media_Audio (visité le 19/07/2007)
61 http://www.lib.umd.edu/dcr/publications/best_practice.pdf (visité le 19/07/2007)
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d'information dans les passages sonores qui le nécessitent tout en assurant une taille moyenne prédictible. Voici
quelques uns des paramètres qu'on peut conseiller pour la diffusion :
•
•
•
•
•
•
réglage « téléphone » : 16kbps/mono
voice : 56kbps/mono
fm/tape : 112kbps
hif : 160kbps
cd : 192kbps
studio : 256kbps
La meilleure qualité en MP3 s'obtient en choisissant un mode « constant bitrate » et un fux de 320kbps, en
échantillonnant à la fréquence d'échantillonnage maximale (48kHz). Faut-il encore que le son analogique et numérisé
soient de grande qualité, sinon, c'est inutile.
Un contrôle auditif est toujours conseillé (attention à la qualité du matériel de reproduction et aux conditions
environnementales).
g.
Restitution du son
Comme indiqué ci-avant, la restitution d'un son nécessite son codage inverse en analogique à l'aide d'un processeur
ou d'un processus CNA (Convertisseur Numérique Analogique). Si le format n'est pas un format directement
exploitable il faut d'abord « ramener le son » à un format WAV puis le convertir en analogique.
7.
Étude de cas : le Cornell Lab of Ornithology
a.
Introduction
Ce qui suit est la traduction partielle et à grands traits de l'article « Digitizing the World’s Largest Collection of
Natural Sounds : Key Factors to Consider when Transferring Analog-Based Audio Materials to Digital Formats »62 de
la revue RLG DigiNews (février 2004). Il est fortement recommandé de le lire en intégralité !
Projet de la Macauly Library63 :
•
•
•
b.
I.
Concerne : the Macaulay Library of Natural Sounds (MLNS)[1] at Cornell University, 160 000 enregistrements
d'oiseaux, d'insectes, de grenouilles, et de cris de mammifères.
Formats analogiques : disques acétates, cassettes, bandes, dans des états de conservation très variés (certaines
bandes ont nécessité un traitement spécifque avant exploitation).
6 studios de numérisation complètement équipés
Etapes cruciales de ce projet
LES MÉDIA ET FORMATS ANALOGIQUES
•
Examen des bandes, et traitement préventif pour temporairement les "stabiliser" par une cuisson à 50°C pendant
24 heures. Certaines avaient leurs axes brisés, d'autres avaient des traces d'adhésifs.
•
Examen du format d'enregistrement de chaque bande, rendu aisé par des "métadonnées" complètes sur
l'enregistrement et le modèle de magnétophone utilisé pour les produire. Pour les cas litigieux, utilisation d'un
"développeur magnétique" permettant de visualiser l'enregistrement magnétique et de déterminer quelles têtes
choisir.
•
Utilisation d'un magnétophone haut de gamme (Studer A-820) dont la propreté et la tension de la bande ont été
régulièrement vérifés.
•
Lecture en vitesse lente pour tenir compte des bandes fragiles
•
Calibration des têtes de lecture en utilisant des normes internationales : alignement des têtes (hauteur,
azimuth, ...), équalisation de la lecture, niveaux de lecture, vitesse, ...
Concernant les cassettes audio, lecture par un magnétophone professionnel Nakamichi CR-7A calibré et mis en
marche avec le même soin
62 http://worldcat.org/arcviewer/1/OCC/2007/08/08/0000070519/viewer/fle3226.html (visité le 7/09/2009)
63 http://www.animalbehaviorarchive.org/loginPublic.do (visité le 19/07/2007)
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Les calibrations et alignements des têtes furent accomplies à l'aide de tests informatisés de la société Audio Precision,
spécialisée dans toutes les mesures audio. Les résultats des tests initiaux furent régulièrement comparés aux tests
réalisés en cours de numérisation pour suivre l'évolution des performances des lecteurs. Ceci permit de déceler les
problèmes avant qu'ils aient des incidences sur le processus de numérisation lui-même.
II.
LA CONVERSION ANALOGIQUE/ NUMÉRIQUE
Le convertisseur fut l'objet d'une attention toute particulière. Cet élément est l'un des maillons primordiaux de la
chaîne de numérisation et son mauvais fonctionnement pouvait détruire tous les efforts effectués par ailleurs.
Dans le cas présent, les sons sont d'excellente qualité, couvrant un large spectre. Les objectifs étaient ici de réaliser une
numérisation d'une qualité sans compromis.
Les tests réalisés sur 6 matériels aux caractéristiques techniques apparemment proches ont donné des résultats très
différents. Le choix s'est fnalement porté sur le Prism Dream AD-2, le seul dispositif à ne pas "colorer" les signaux.
Qu'est-ce qui constitue un bon convertisseur analogique/numérique ? :
•
•
capacité à prendre en compte l'intégralité du spectre sonore à numériser : de 4 à 32 kHz, échantillonné à 96 kHz
capacité à rendre la dynamique : quantifcation sur 24 bits (128 dB rendus)
(cf les autres caractéristiques dans l'article original)
Ces spécifcations ne sont pas facilement rencontrées dans les cartes sons présentes dans les ordinateurs, ni dans les
enregistreurs de CD-AUDIO grand public. Les équipements doivent de plus :
•
•
•
•
•
avoir un courant électrique très pur,
être fxés au sol pour éviter toute vibration
être pilotés par des horloges ultra précises
utiliser des composants électroniques de très grande qualité à faible tolérance,
un design de carte électronique de très grande qualité.
Tout ceci à un prix, mais cela en valait la peine pour ce projet
Un autre élément clé du processus fut la détermination du niveau de signal de transfert : utilisation d'un préamplifcateur Benchmark Media à très faible bruit, et faible distorsion entre le lecteur analogique et le convertisseur
A/N. Ses vue-mètres ont été très utiles pour déterminer le bon niveau d'entrée sur le convertisseur A/N (pas assez =
perte de dynamique, trop fort : saturation du signal).
En complément de la surveillance du signal par vue-mètres, un second dispositif de surveillance a été mis en place
utilisant l'oreille humaine. Il a fallu pour cela employer un convertisseur inverse (numérique => analogique) et des
hauts-parleurs de contrôle. Un dispositif permettait à l'opérateur de passer facilement de la lecture analogique à la
lecture du signal numérisé et, ainsi, de se rendre compte très rapidement de tout problème potentiel.
III.
L'ÉDITION DU SIGNAL NUMÉRIQUE
Grâce à une station digital audio workstation (DAW), le cas échéant, pour créer des fade-in fade out, ajouter des méta
informations vocales, attribuer à chaque fchier un nom unique et construire les fchiers permettant en fn de compte
de créer les DVD-R. Le modèle retenu a été un matériel Sonic, pour sa capacité à préserver la qualité du signal des
enregistrements initiaux vers les enregistrement fnaux en 48 bits tout au long du processus (à la différence de la
plupart des unités logiques qui travaillent en 32 bits en virgule fottante, le Sonic Studio HD utilise des unités logiques
de 48 bits - c'est une précision supérieure de 16 bits à ce qu'on a habituellement avec des signaux 24 bits). Ceci
améliore grandement les erreurs d'arrondis.
IV.
QUELS FORMATS ET MÉDIA CHOISIS ?
Données préliminaires :
•
•
le choix du stockage optique avait déjà été fait
les besoins de stockage allaient être énormes (32 Mo/minute en stéréo) à cause des paramètres de numérisation
choisis (échantillonnage à 96 kHz, sur 24 bits)
➞ le choix du DVD-R a été fait sur ces bases.
Concernant le format, le DVD-Audio a été envisagé mais ses contraintes en termes de protection par les industriels
ont étés jugées rédhibitoires. Le choix fnalement a été fait de graver les disques en format DVD-ROM et en AIFF
(équivalent du Wav). Chaque fchier audio comporte une identifcation audio au début qui est composée du numéro
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de l'asset. Ce numéro est repris dans le nom du fchier. Aucune autre métadonnée n'est inclue dans les fchiers audio.
Elles sont enregistrées dans une base de données relationnelle séparée.
Les disques ont été gravés en utilisant des Pioneer DVR-S201. Les disques ont été achetés par lots de 100 ou 200 chez
Maxell, TDK et Pionner. Il faut environ une heure pour enregistrer 4,3 Go de données (les disques ne sont pas remplis
car les tests ont révélé que leur qualité se dégrade au centre !)
Chaque disque a été gravé en double exemplaire et contient 125 minutes de stéréo ou 250 minutes de mono. Un
disque est placé dans un jukebox Plasmon D-480 pour la distribution en interne, le second est déplacé hors site, pour
un stockage sécurisé, à l'atmosphère contrôlée, sous terre.
V.
LE CONTRÔLE QUALITÉ
Les DVD-R, comme les CD-R peuvent poser problème lors de leur conservation au cours du temps. Des tests effectués
pour maximiser la durée de vie de chaque disque enregistré :
•
•
chaque disque vierge est analysé par le système "AudioDev Computer Aided Test System" qui consiste en 20 tests
différents.
chaque disque enregistré est vérifé. 50 paramètres importants sont testés à cette étape. Les disques rejetés sont
examinés en détail.
Surveillance des archives : Toutes les données du contrôle qualité sont stockées numériquement. Les disques sont
périodiquement et aléatoirement re-testés. Les données des tests sont comparées aux données de tests initiales. Toute
dégradation est rapidement analysée et un clone est créé.
Cf aussi le cours sur l'archivage pour plus de détail sur ces procédures qualité.
VI.
ACCESSIBILITÉ/DISTRIBUTION
Ces disques sont les "coeurs d'archive". Les données hautes-résolutions sont disponibles uniquement en interne. Pour
la distribution par internet, des fchiers dérivés de moindre qualité sont créés et notamment des enregistrement au
format CD-audio, des MP3 à 96kbps, des streams RealAudio et Quicktime. Ces données résident sur un serveur
Apple Xserve RAID de 25 teraoctets. Le backup de ces fchiers est assuré par un système à bandes.
c.
Autre étude de cas
Large Scale Digitization of Oral History64
64 http://www.dlib.org/dlib/may07/weig/05weig.html (visité le 19/07/2007)
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