정보 디지털 오디오

[Bison_Guitar22]

MIDI를 이용하여 컴퓨터음악을 하고 있는 저희와 같은 이들에게
디지털오디오에 대한 개념정리는 필요조건일것입니다.
단순히 "이러이러한 것이 있어" 정도가 아닌, 적어도 누군가에게는 비교적
논리정연하게 설명해줄수 있는 정도의 정리는 되어 있어야할거 같아서
이렇게 글을 쓰게 되었습니다.
이미 많은 내용들이 인터넷, 서적 등의 매체에 정리가 되어 있습니다만,
먼가 2%부족한거 같아서, 저 나름의 방식으로 더하고 빼서 정리를 해보았습니다.
잘못된 부분이나 부족한 부분은 지적해 주시면 고맙겠습니다..

1. 디지털 오디오 (Digital Audio) 

디지털 오디오는 아날로그 오디오(신호)를 디지털의 형태로 나타내거나 저장한 것을 말합니다.
이런 과정을 AD(Analog to Digital) Converting - (ex. 디지털저장매체로 녹음,저장하는것) 이라 하고
반대의 경우는 DA(Digital to Analog) Converting - (ex. 스피커를 통하여 재생하는 것) 이라고 합니다
AD/DA Converter라는 고가의 장비가 있긴 하지만,
통상 오디오인터페이스에는 스펙이 조금 떨어지기는 하나, 이러한 기능을 가지는 전자회로가 내장되어있습니다.

 

2. 아날로그의 디지털로 전환 (Analogue to Digital Conversion)

먼저 AD converting에 대한 이야기를 해볼까 합니다
AD컨버팅의 과정에서 아날로그 신호의 연속되는 무한한 값을 디지털의 유한한 값으로 표현하는데에는 한계가 있습니다.
그래서 아날로그 오디오(신호)의 일부값을 추출해서 디지털로 표현하게 되는데,
이 과정을 샘플링(Sampling)이라고 합니다.
다시말해서 디지털포맷의 오디오는 유한한 개수의 샘플데이터들의 집합이라고 할수 있습니다.
(유한하다고는 하지만, 기술의 발전으로 인하여 현재의 포맷들은 일반인의 귀로는 쉽게 구별이 힘듭니다)
그리고 초당 얼마나 많이 추출할건지(빈도,간격), 즉 얼마나 많이 샘플링할건지 결정하는 것을
샘플레이트(Sample Rate or Sampling Frequency, Hz)라고 합니다.

 

 
샘플레이트가 높을수록, 즉 초당 더 많이 샘플링할수록 더 정확한 결과를 가져올겁니다.
당연한 얘기지요.. 그런데 여기서 문제가 있습니다.

 

 
사진에서 보시는 것처럼 적어도 샘플레이트는 아날로그 신호의 정확한 표현을 위해 나타내고자 하는
아날로그파형의 주파수보다 높아야합니다.
왜냐하면, 만약 샘플레이트가 해당 주파수보다 낮다면 컨버팅과정에서
사진에서처럼 파형의 일부 -절반이나 한 주기 를 놓치게 되겠지요.
이러한 경우에는 Aliasing(앨리어싱)이라고 하는 효과가 생깁니다.
고주파수임에도 더 낮은 주파수로 인식하여, 결과적으로
이러한 저주파가 가청범위인 경우에 가짜 저주파수의 연속으로 인한 오글오글거림 ^^; 이 더해져 버리는 것입니다
이를 제거하기 위해(Anti-Aliasing) low pass filter가 AD converter input에 내장되기도 합니다.
<최악의 상황을 가정해보자면 파형과 같은 샘플레이트 쉽게. 440hz의 소리에 440의 샘플레이트
라면 디지털상으로는 무음이 되는것입니다.>

------------------------------------------------------------------------------------------

[1차수정-첨가] 

< * Sample rate이 변함으로 인한 디지털 사운드 추이

  위쪽의 10Hz Sine Wave의 신호를 아래쪽 11Hz 20Hz... 100Hz 샘플레이트의 디지털사운드로 변경해가는 과정입니다>

-----------------------------------------------------------------------------------

자, 이러한 문제를 피하기 위해 샘플레이트는 샘플링하려는 아날로그파형의 주파수보다
2배 이상이어야 한다는 Nyquist이론이 등장합니다.
통상 인간이 인식할수 있는 가장 높은 주파수는 약 20khz라고 합니다
그러면 적어도 샘플레이트는 40000 이상이어야 별탈없이 아날로그신호처럼 인식할수 있습니다.
CD포맷 16bit / 44100Hz 는 여기서 유래합니다..
(근래에는 기술의 발전으로, 작업의 편의상 혹은 매체의 발달로 인해 48000,88200,96000,192000Hz가 사용되기도 합니다)
 
3.Bit(Bit depth)

컴퓨터란 놈은 모든 정보를 0과1(1bit)- 2진수 의 디지털데이터로 변환합니다.
얼마나 많은 비트가 사용되는지에 따라 구체적인 숫자(개수)를 인식하게 되는데요,
예를 들어 8비트에서는 0-255(2의 8승) 24비트에서는 0-16777215(2의 24승) 범위에서
인식하게 됩니다.
ex) 8bit 00000000 = 0 , 11111111 = 255

디지털오디오에 관계해서 이야기를 해보면, 이러한 비트의 수는 각 샘플마다 아날로그 파형의 볼륨을 측정할
때 사용되는 analogue voltage(아날로그 전압)의 수를 결정합니다.
위의 예에서 8비트는 수치상 256(Resolution)단계의 볼륨차로 인식가능

이는 곧 전체적인 다이나믹레인지(Dynamic Range)와 관계되는 부분이기도 한데요,
비트가 클수록 다이내믹레인지가 커진다고 합니다.
1비트당 6dB의 다이나믹레인지를 확보할수 있어서, 이론적으로 16비트면 96dB, 24비트면 144dB의 다이내믹레인지를 가집니다
큐베이스의 경우 32bit Float로 연산한다고는 합니다만, 제대로 처리하는지는 저도 잘 모르겠습니다..

더 나을지도 의문스럽구요. 회원님들의 고견을 부탁드립니다.

비트가 다이내믹 레인지를 결정하는데 있어서 중요한 한가지는 디지털로 녹음하는 경우
S/N 비(Signal to Noise ratio) 에서 N이 양자화 잡음에 해당하기 때문입니다..
<음향에서 다이나믹레인지는 오디오 장비에 의해 발생되는 일반노이즈(통상 노이즈플로어, 간단히.. 들을수 있는 최소볼륨으로 이해하세요.)와  찌그러짐없이 낼수 있는 볼륨최대값의 차이를 말합니다. 음악적인 측면에서는 가장 조용한 부분과 가장 큰 부분의 차이를 말합니다>

예를 들어보겠습니다.
1비트의 경우에는 같은주파수 아날로그신호의 볼륨차에 상관없이 같은 볼륨를 갖게 됩니다
볼륨을 측정하는데 0과 1의 경우, analogue voltage가 한번밖에 사용되지 않았기 때문이죠.

< a)는 1비트 ; 2단계, b)는 5비트 ; 32단계>
그럼 8비트의 경우는.. 256(0-255)가지의 다른 아날로그 전압 배열이 사용되어짐으로 해서
그 신호의 다이내믹레인지를 나타내게 됩니다.

# 이런식으로 디지털화 하는 과정, 샘플링하는 동안에 아날로그신호와 디지털화된 신호의 차이, 즉
양자화오류(큐베이스의 퀀타이즈를 생각하세요 ^^;)중에서... 
가청의 잡음, 즉 Quantization Noise(양자화 잡음)이라는 것이 발생합니다.

 

 < 점선(아날로그) 과 점의 연속(디지털) 의 차이에서 노이즈 발생>

이러한 잡음을 줄이기 위해 아주 낮은 레벨의 노이즈를 첨가해서 노이즈를 줄여주는 작업인
Dither를 거치기도 합니다.
높은비트에서 낮은 비트로 컨버팅할때에도 Dithering을 해줍니다

ex>

 

 < 16비트에서 6비트로 컨버팅과정에서 노이즈발생 >

양자화잡음은 디지털화 될수록 축적되는데요, 비트를 늘려줌으로 해서 이 잡음이 상대적으로
줄어드는 효과를 얻을 수도 있습니다.
시디포맷이 16비트임에도 그 이상의 비트로 작업하는 이유중 하나입니다.

그리고 최종작업전에는 같은 비트로 통일해주어야하는 이유이기도 합니다.
하지만 주의할점은 저 에서 고 에는 적용X .. 한번 클리핑이나 노이즈가 낀 디지털오디오는 복구불가입니다 ㅡㅡ;;

비교체험 ㅡㅡ;; 도표로 나타내보면 아래와 같습니다.

매끈한 라인은 아날로그신호, 막대그래프라인은 디지털신호입니다

큐베이스에서 웨이브를 확대해보시면 막대그래프라인을 확인해보실수 있을겁니다.

 

 

4. Bit rate (비트레이트)
마지막으로 비트뎁스와 혼동하지 말아야 할 비트레이트(Bit rate, bps)란 것이 있습니다.
초당 저장,전송되는 비트의 비율.. 즉 1초당 디지털데이터의 양을 나타냅니다.
ex) 128 ,192, 320kbps 등등등
MP3, Wma 등과 같은 손실압축방식이 도입되면서 비교적 큰용량의 디지털 오디오데이터에서 인간이 인지하는데
별 차이를 못느끼는 부분을 압축하여 오디오데이터의 용량을 획기적으로 줄이게 됩니다.
wav의 경우 무손실음원(PCM)을 저장하는 윈도우오디오포맷중 하나인데 통상 1410kbps이구요
일반적인 계산공식은 다음과 같습니다.

Bit rate = 샘플레이트 * 채널 수 * 비트(비트뎁스)
파일크기(byte) = 재생시간(초) * bit rate / 8
(1byte = 8bit)
샘플레이트와 비트뎁스의 차이로 인해 파일크기가 변하는 이유가 설명되겠지요
인간의 귀는 훈련하느랴에 따라 달라지긴 하겠지만 상당히 둔한편입니다.

일반적인 모니터환경과 일반인이라면 차이를 인지하는데에는 한계가 있기는 합니다.

------------------------------------------------------------------------------------------------------

정리하다보니 양이 많아졌습니다...

복잡하고 전문적인 내용들이 조금 포함되어있어서 스르륵 넘어간 부분도 있지만,

한번쯤 정리해두면 도움이 될만한 지식입니다.

끝까지 읽느라 수고하셨습니다

잘못된 곳이나 부족한 부분은 언급해주세요.. 제게도 큰 도움이 될거 같습니다

도움이 될만한 지식들 또 정리해서 올려보도록 하겠습니다(오늘 만우절맞죠? ^^;)

고맙습니다~ ^^

---

질문과 자료 공유 요청글 자작곡및 작품, 개인 디지탈음원소개는 해당 게시판이 따로 있습니다. 이 게시판에는 올리지 말아 주십시요.

그리고 학원광고,개인레슨광고 등 상업적인 요소가 들어있는 내용의 글을 올리시면 글 삭제후 해당회원 즉각 등급조취합니다.

[Soulshine]

좋은 글이네요~!!! 이론까지 공부하려면 어렵겠지만(저같은사람 ㅎㅎㅎ), 용어의 개념들이라도 알고있으면 유용하더군요.

[구름보이]

^^....예전에.....광 전화기 이론 교육 받던 생각이 뭉실 납니다.......다이얼링 계산법이 까다롭긴 하지만 재미있게 배웠던...기억이...^^.....비슷한 원리 이군요...글 잘보고 갑니다...^^

[知我以始™]

바이즌님 덕에 정리 제대로 했습니다.. 저도 불확실하거나...잘못 알고있는 부분이 있네요..

[리네]

좋은 글 감사합니다. 여러 도표들이 확실한 설명을 돕고 있군요. 수고하셨어요. ^^

[신비블루]

어렵군요 머리가 아파지네요^^ 좋은 정보 감사합니다~~

[한국조르바]

어디선가 비슷한 글을 본 적 있는데 다시 한번 정리하니 수월해지는군요. 좋은 정보 감사합니다~ 위에 쓴 글이 거짓말은 아니겠죠? ^^

[Wony]

아...두번 천천히 읽어봤습니다..샘플레이트는 어느정도 마음에 와닿는데 사실 비트뎁과 비트레이트는 아직까지도 마음으로 이해가 안되고 그냥 이론적으로만 공식화되어 외워지는듯 합니다....언젠가 컴프레서의 원리에 대해 그냥 강의듣고 공부해서 나름 이해했다고 생각했는데 실질적으로 소리를 들으며 마음으로 이해된건 몇개월 후였습니다..계속 실험하면서 소리를 비교해듣고 파형을 보고..어택이며 릴리즈며 어떤 작용을 하는지 반복학습을통해 익혀지더군요...귀로듣는 소리를 이론적으로 풀어서 이해한다는게 어려운거 같네요...

[Wony]

자전거의 원리를 이해하는 가장좋은방법은 내가 직접 타보는게 제일 좋을거라 생각됩니다. 다른 플러긴이나 이펙터들을 직접 사용하면서 이론과 병행하면 진짜 빠르게 이해되면서 마음에 와닿는데....이놈의 샘플레이트랑 비트에대해서는 어떻게 실험도 못하고 막연히 그림보며 이해를 하려니 100프로 공감하기가 어렵네요...ㅎ..나중에 개인교습 부탁드릴께요...감사합니다

[(주)겸손]

쏙쏙 정리가 잘되어있네요~ 좋은글 감사합니다~^^

[ETCGOD]

좋은 정보 갑사합니다.

[본조비]

저는 무슨말인지...아직 초보라 그런가?ㅋㅋㅋ

[midist02]

유용한 글 감사드립니다.

[Gold Castle]

관련 용어들을 보면서 대충 이런거겠지 하고 추측만 하다가 용어의 뜻을 확실히 알게 되니 좋네요,
글 쓰시느라 수고하셨어요 ^^

[옥감자]

이글 이해할수 잇다면 서울대 가야 하겠어요

[취생몽사]

초보라...;;; 감사하고 어렵네요...^^;

[김 산]

아구! 역시 어렵네요...^^;

[Bison_Guitar22]

용어정리 차원에서라도 알아두시면 좋을듯 싶습니다... 몇년 공부한 전공자가 아니고서야 한눈에 딱 알기는 힘든분야입니다. 그 속에 또다른 영역이 숨겨져 있기도 하구요. 저 역시 100% 아는가? 아닙니다. 좀 더 익숙할 뿐입니다. 미흡한 글 읽으시느라 고생하셨어요~ ^^; 그리고 고맙습니다

[o오디오시스트]

노이즈 중요하죠 좋은정보 감사합니다 ^^ 공부잘하였읍니다^^

[DJGoa909]

제 싸이월드 홈피로 퍼가도 되나요 바이슨님 ?? ㅎㅎ 승낙 기다리겠읍니다 ~~좋은 글이네요 이글은 비단 미디뿐만아니라
음악 을 다루는 모든분들이 꼭 알고 가야할 글입니다 소중한글 잘보았읍니다 ^^

[Bison_Guitar22]

예 가져가셔도 되요 ^^

[흠니야~]

너무 좋은글 감사합니다~

[고무밴드]

가끔 한번씩 상기주시니 감사합니다...^^

[jiny]

말씀대로 필수적인 지식이네요~지식공유 감사합니다. (__)

[메테오스]

좋은 정보 감사합니다~~

[포포리]

뭐시다요? ㅋㅋㅋㅋ

[아델나나]

유용한 정보 감사합니다

[멋쟁이]

감사합니다

[al2di2]

좋은정보 감사해요

[godsladk]

오오~다시한번 정리할수 있었습니다!감사합니다 ㅎ

[가을 나그네]

좋은정보 감사합니다~~

[Lemar]

왕왕;;; 저에겐 너무너무 어렵지만 꼭 필요한 정보 감사드립니다!