Digitaal opnemen

Digitale audio-opname is het opslaan van audio- of visuele signalen als een reeks binaire cijfers die kunnen worden opgeslagen op magneetband, optische schijf of andere media. Deze technologie wordt op grote schaal gebruikt in de muziekindustrie en op vele andere gebieden.

Om geluid op te nemen, zet een analoog-naar-digitaal-omzetter een elektrische geluidsgolf van een microfoon of een analoog visueel beeld om in informatie. Sinds de opkomst ervan heeft digitale technologie langzaam maar zeker analoge apparatuur vervangen vanwege de lage kosten en het gebruiksgemak. Tegenwoordig is digitale audio de standaard voor bijna alle studio's, zowel professionele als amateurstudio's. Verrassend genoeg begrijpen maar weinig mensen echt hoe het werkt. Daarom gaan we het vandaag hebben over de basisprincipes van digitale audio voor muziekopnames.

Ontstaansgeschiedenis

Er verstreken honderd jaar tussen de ontdekking van het eerste geluidsopnameapparaat en de introductie van digitale opnames. In die tijd hebben voortdurende technologische vooruitgang en eindeloze innovaties door wetenschappers en technici geleid tot verschillende golven van mechanische geluidsopname, -verwerking en -weergave. De opname-industrie zette een enorme stap voorwaarts met de uitvinding van computers en digitaal geluid. Het begon met eenvoudige tinnen folies en wascilinders waarop de geluidsinformatie werd verzameld door het opnamemembraan van grammofoons en zorgvuldig werd gegraveerd. Daarna ging de ontwikkeling verder met cassettes, waarmee luisteraars konden genieten van meerkanaalsgeluid.

De Japanners waren de pioniers van de digitale opname. Eind jaren zestig slaagden zij erin om dergelijke opnames met magneetband te bewaren en aan het publiek te demonstreren. Tien jaar later werd de Sony-audiorecorder geïntroduceerd. Deze kon digitaal geluid maken van analoog geluid en dit opslaan op VHS. Toch werd muziek nog steeds op vinyl verkocht.

Eind jaren 70 begon er verandering in te komen toen Sony en Panasonic cd's introduceerden, een echt digitaal medium waarop tot 150 minuten geluid van hoge kwaliteit kon worden opgeslagen. De cd slaat informatie op met behulp van een dun laagje aluminiumfolie, waarop miljoenen bits aan gegevens zijn gedrukt in een patroon dat door een laser kan worden gelezen en elektronisch kan worden omgezet in een analoog signaal.

Door de komst van cd's konden technici eindelijk het geluid elimineren dat werd veroorzaakt door wrijving tussen de naald en het opslagmateriaal. Dit en vele andere voordelen zorgden ervoor dat cd's aan het eind van de 20e en het begin van de 21e eeuw een van de populairste dragers van audio werden. De muziekindustrie stond echter sceptisch tegenover cd's, omdat ze een bijna perfecte geluidskwaliteit boden en gemakkelijk door gebruikers konden worden gekopieerd. Om deze problemen op te lossen, creëerden ze in 1987 een ander digitaal medium, de digitale audiocassette (DAT). Dit nieuwe formaat was redelijk succesvol in Noord-Amerika en bestaat vandaag de dag nog steeds als een van de meest gebruikte manieren om professionele audio-opnames te bewerken.

In de eerste jaren van de 21e eeuw groeide het gebruik van digitale geluidsbestanden die niet aan fysieke media gebonden waren. Door de vooruitgang op het gebied van compressiecodecs (voornamelijk mp3's), internetinfrastructuur en de miniaturisering van persoonlijke digitale spelers konden gebruikers hun digitale opnames overal mee naartoe nemen. Hoewel er eind jaren negentig al een paar invloedrijke mp3-spelers waren, veranderde de muziekindustrie ingrijpend met de introductie van de Apple iPod. Dat is de enorm populaire audiospeler die de basis heeft gelegd voor de huidige digitale muziekwinkels en internetdistributie-infrastructuur voor klanten.

Vergelijking met analoge opnames

Analoge opnames waren de enige die op grote schaal werden gebruikt vóór de digitale revolutie van de jaren zeventig. Ze maakten gebruik van verschillende methoden die nu achterhaald zijn, zoals langspeelplaten (lp's), acht-sporenbanden (op metalen of magnetische band) en audiocassettes. Vanaf het begin van de twintigste eeuw tot de jaren zeventig leek het analoge systeem ideaal voor opnames, maar met de computerrevolutie aan het einde van de eeuw maakten de hoge snelheid en andere kenmerken van digitale verwerking digitale opnames niet alleen mogelijk, maar ook steeds geschikter voor veel toepassingen.

De gestaag dalende kosten als gevolg van de massaproductie van computers, optische schijven, laserspelers en andere apparaten hebben ook een belangrijke rol gespeeld. Digitale opname maakt het gemakkelijker om een hoge geluidskwaliteit te bereiken, omdat het bij een juiste implementatie een breed dynamisch bereik en weinig ruis en vervorming biedt.

Digitale opnameformaten

Digitale audiobestanden kunnen in verschillende formaten worden gemaakt. Over het algemeen vallen ze in twee categorieën: gecomprimeerd en ongecomprimeerd.

Gecomprimeerde formaten (zoals MP3) hebben een veel kleinere bestandsgrootte dan ongecomprimeerde formaten, maar dit gaat ten koste van de geluidskwaliteit. Draagbare apparaten (zoals MP3-spelers) bieden een compromis tussen lagere kwaliteit en de mogelijkheid om duizenden bestanden op te slaan. De kwaliteit van streamingdiensten (zoals Spotify) kan worden verbeterd als u wifi gebruikt of een goede dataverbinding hebt.

Geluidsbestanden kunnen worden gemaakt met behulp van sequencers. Er zijn zowel betaalde als gratis diensten, zoals Amped Studio, waarmee u online muziek kunt maken en bewerken, complexe mixen kunt maken, stemmen kunt opnemen en nog veel meer. De tracks die in dit programma worden gemaakt, kunnen in verschillende digitale formaten worden opgeslagen, die hieronder worden besproken. U kunt uw opnames ook delen met uw vrienden en ze samen bewerken.

Ongecomprimeerde formaten

Dergelijke formaten worden beschouwd als de beste manier om gegevens op te slaan voor weergave van hoge kwaliteit, omdat er zeer weinig verwerking nodig is om audiogegevens te produceren. Meer gecomprimeerde formaten kunnen op sommige systemen leiden tot audio-crashes.

AIFF – Apple-standaard

WAVE (of WAV) – een standaard voor ongecomprimeerde audio van cd-kwaliteit op Windows-systemen die gebruikmaakt van opnames in PCM-formaat. Opnames van cd-kwaliteit hebben een bemonsteringsfrequentie van 44,1 kHz met een resolutie van 16 bit.

Bestandsgrootte: ongeveer 10,1 MB per minuut. Dit cijfer is hetzelfde voor alle WAV-bestanden van cd-kwaliteit, aangezien de bestandsgrootte alleen afhangt van de lengte van het bestand en niet van de audio-inhoud.

BWF (Broadcast Wave Format) – wordt gebruikt in draagbare audiorecorders en digitale audiowerkstations voor uitzendingen.

Verliesvrije compressie

Formaten in deze categorie bevatten volledige audio-informatie. Maar met een kleinere bestandsgrootte ten koste van een efficiëntere gegevensopslag.

Lossless WMA (Windows Media Audio) – ontworpen met de mogelijkheid van digital rights management (DRM) ter bescherming tegen kopiëren.

ALAC (Apple Lossless Audio Codec) – een open source en sinds 2011 gratis te gebruiken (hoewel het oorspronkelijk eigendom was van Apple).

FLAC (Free Lossless Audio Codec) – open source, gratis formaatlicentie.

Compressie met verlies

MP3 – een gecomprimeerd audiobestandsformaat dat is ontwikkeld door de Motion Picture Expert Group (MPEG) als onderdeel van hun MPEG1-videostandaard en later is uitgebreid naar de MPEG2 Layer 3-standaard.

Door de delen van het audiobestand die praktisch onhoorbaar zijn te verwijderen, worden mp3-bestanden gecomprimeerd tot ongeveer een tiende van de grootte van het equivalente PCM-bestand, met behoud van een goede geluidskwaliteit.

Er zijn 2 parameters die u kunt aanpassen om de kwaliteit en grootte van het MP3-bestand te wijzigen:

• Bitrate;
• Samplingfrequentie.

MP4 of M4A – een opvolger van MP3 op basis van AAC-compressie.

M4P – Een eigen versie van AAC in MP4-formaat met digitaal rechtenbeheer, ontwikkeld door Apple voor gebruik in muziek die is gedownload uit hun iTunes Music Store.

OGG Ogg Vorbis – Een patentvrij, open-source gecomprimeerd audioformaat.

Voor- en nadelen van digitale opnames

Digitale technologie heeft gebruikers veel mogelijkheden geboden. Vroeger moest je bijvoorbeeld voor het maken van een opname gebruikmaken van studio's die veel ruimte in beslag namen en veel geld kostten. Nu heb je alleen nog maar een krachtige computer nodig, die vele malen krachtiger is dan een studio en veel minder kost.

Door deze toegankelijkheid kunnen niet alleen professionals, maar ook amateurs geluidsopnames maken. De programma's die tegenwoordig worden gebruikt, bieden je vrijwel onbeperkte mogelijkheden voor geluidsverwerking, terwijl hiervoor vroeger echte tools werden gebruikt. Nu kun je met slechts een paar muisklikken in Amped Studio een uniek effect creëren.

Voor gewone gebruikers heeft digitale geluidsopname ook een aantal voordelen:

• veel opslagmedia zijn zeer compact en kunnen digitale opnames jarenlang bewaren op flashdrives, cd's, enz.
• met speciale software kunt u oude opnames opschonen en ruis verwijderen;
• bovendien kunnen alle geluiden worden bewerkt om effecten, volume, frequentie enz. toe te voegen.

Dankzij het internet kregen gebruikers de mogelijkheid om hun favoriete muziekstukken naar elkaar te sturen, naar tienduizenden verschillende nummers te luisteren en hun eigen muziekwerken te publiceren.

Analoge systemen hebben ook het nadeel dat de vervorming toeneemt naarmate je afspeelt en opnieuw opneemt. Elke opeenvolgende kopie klinkt slechter. In een digitaal opnamesysteem treedt deze vervorming niet op. De masteropname kan minimale kwantisatiefouten bevatten, maar deze worden niet verergerd door het kopiëren. Van een digitale master kunnen duizenden kopieën worden gemaakt zonder vervorming. Ook digitale media op cd's kunnen duizenden keren worden afgespeeld zonder vervorming.

Digitale technologie heeft zeker ook nadelen. Met de ontwikkeling ervan begonnen veel mensen te merken dat analoge opnames een meer "live geluid" hebben. Maar dit is niet alleen nostalgie naar vroeger. Het heeft alles te maken met digitalisering, die soms fouten aan het geluid toevoegt. Ook kan "transistorruis" zijn eigen aanpassingen maken. Er is geen eenduidige interpretatie van dit begrip, maar de betekenis ervan is een chaotische trilling op een hoog frequentieniveau. Hoewel het menselijk oor is ontworpen om frequenties van niet meer dan 20 kHz waar te nemen, lijkt ons brein ook hogere frequenties te kunnen waarnemen. Deze eigenschap doet ons denken dat analoog geluid zuiverder is dan digitaal geluid.

Bovendien zijn alle opnamemedium onvolmaakt vanwege stof of andere verontreinigingen die verhinderen dat de apparatuur gegevens op het medium vastlegt. Bij analoge opnames verschijnen defecten als hoorbare ruis, terwijl ze bij digitale opnames fouten in de bitstream veroorzaken die kunnen leiden tot ruis of afspeelfouten. Om dit probleem op te lossen, worden foutcorrectiecodes in de datastroom ingebed. Sommige van deze codes kunnen zeer complex zijn en zorgen er ook voor dat de gegevens meer opslagruimte innemen. Het resultaat is echter een zeer betrouwbare afspeelkwaliteit van de schijf bij een redelijk niveau van stof en krassen.

Belangrijke termen bij digitale opname

Bits en bytes

Een bit is het kleinste element dat gegevens bevat in het computergeheugen. Acht bits vormen een byte, die door computers als een geheel wordt behandeld.

Hoge dichtheid

Dat betekent dat grote audio-, video- of gegevensbestanden in een kleine ruimte kunnen worden opgeslagen.

Parameters voor digitale opname

Parameters die van invloed zijn op de kwaliteit van een digitale opname zijn:

• De resolutie van de analoog-naar-digitaal-omzetter (ADC) en de digitaal-naar-analoog-omzetter (DAC);
• De bemonsteringsfrequenties van de ADC en DAC;
• Jitter (signaalvervorming) van ADC en DAC;
• Oversampling.

Bovendien spelen de volgende instellingen een belangrijke rol:

• Hoeveel ruis er is in verhouding tot de signalen;
• De hoeveelheid vervorming van het niet-lineaire type;
• Intermodulatie-interferentie;
• Amplitude- en frequentieonregelmatigheden;
• Het proces van wederzijdse kanaalpenetratie;
• Bereikdynamiek.

Beschrijving van het digitale opnameproces

De opname gebeurt als volgt:

1. Het analoge signaal wordt naar de ADC verzonden;
2. De conversie van dit signaal, waarbij de analoge golf vele malen wordt gemeten. Daarna wordt de binaire waarde met het aantal bits (woordlengte) eraan toegewezen;
3. Vervolgens vindt er een sampling plaats, wat de frequentie is waarmee de ADC het niveau van de analoge golf meet;
4. De vooraf ingestelde woordlengte, een digitale geluidsmonster, vertegenwoordigt het geluidsniveau van één seconde;
5. De grootte van de woordlengte bepaalt de nauwkeurigheid van de weergave van het geluidsgolfniveau;
6. De frequentie van het digitale signaal is afhankelijk van de toonhoogte van de bemonsteringsfrequentie;
7. De resulterende digitale audiosamples, die een constante stroom van getallen zijn, worden naar de ADC gestuurd.
8. De resulterende binaire getallen kunnen vervolgens worden opgeslagen op verschillende mediadragers.

De manier waarop het afspelen plaatsvindt:

1. De getallen worden van de gegevensdrager naar de DAC gestuurd, die ze weer omzet in analoge gegevens door de niveaugegevens samen te voegen. Hierdoor wordt de analoge golfvorm in zijn oorspronkelijke vorm hersteld;
2. Het signaal wordt versterkt en naar luidsprekers of schermen gestuurd.

Conclusie

Digitale opname heeft een revolutie teweeggebracht in de muziekindustrie en daarbuiten, waardoor zijn analoge voorganger tot het verleden behoort. Dankzij de voordelen en betaalbaarheid ervan, heeft de technologie op vele gebieden toepassing gevonden en is het moeilijk om de wereld van vandaag zonder deze technologie voor te stellen.