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Sampling & Numérique

3 déc. 1999 - par Claude Borne
Comprendre le principe de l'échantillonage et éviter les pieges du numérique:
Sampling (ou échantillonnage)
    Principes de l'échantillonnage

    L'échantillonnage ou sampling est le processus de numérisation du signal acoustique. Il procède par prélèvements d'échantillons, c'est-à-dire de portions du signal sonore. A l'instar du cinéma, où une suite de photographies défilant à une vitesse déterminée produit l'illusion du mouvement, on mesure la pression acoustique du signal sonore à intervalles réguliers. La différence avec le cinéma est la cadence utilisée: si 24 images par seconde suffisent pour reproduire le mouvement, l'échantillonnage numérique d'un son requiert une cadence beaucoup plus élevée pour donner l'illusion d'un son continu. On appelle cette cadence la fréquence d'échantillonnage, exprimée en Hertz. La représentation numérique fidèle d'un son ne peut être obtenue qu'en échantillonnant celui-ci au moins au double de sa fréquence. Théoriquement, tout échantillonnage numérique doit donc s'effectuer à 40 kHz (40 000 valeurs par seconde), puisque l'oreille humaine peut percevoir les fréquences acoustiques de 20 Hz jusqu'à 20 kHz. Sur le Compact Disc, la fréquence d'échantillonnage est de 44,1 kHz.



    En plus de la fréquence, un second facteur intervient dans la qualité de l'échantillonnage numérique: la résolution. Exprimée en bits, l'unité de base informatique, la résolution détermine le nombre de valeurs choisies pour donner le résultat d'une mesure d'un échantillon. Par exemple, un codage 8 bits ne permet d'obtenir que 256 valeurs par échantillon, tandis qu'un codage 16 bits en autorise plus de 65 000. Chaque bit supplémentaire améliore le système de 6 dB. Il faut donc une résolution de 20 bits (plus d'un million de valeurs) pour coder le signal audio conformément aux possibilités de l'oreille humaine, mais jusqu'à, on s'est contenté généralement de 16 bits (la norme du Compact Disc). La nouvelle norme du DVD audio est de 24 bits et sera donc la norme audio de demain.

    La fréquence d'échantillonnage détermine donc la bande passante du signal numérisé, tandis que la résolution influence la dynamique de l'enregistrement.


    Techniques de l'échantillonneur

    Sur les échantillonneurs, l'enregistrement d'une seule note d'un instrument ne permet pas de recréer toutes les autres par une simple modification de la vitesse de lecture de l'échantillon (on entend ici par échantillon l'enregistrement complet d'une note, c'est un "extrait sonore" de l'instrument). En effet, le timbre d'un instrument varie en fonction de la hauteur de la note jouée. Il est donc nécessaire de prendre plusieurs échantillons d'un même instrument à des hauteurs différentes et de les affecter aux différentes notes du clavier. De même, la vélocité, c'est-à-dire la force avec laquelle une note est jouée, influe également sur le timbre. L'échantillonnage de plusieurs vélocités distinctes est donc souhaité si l'on désire obtenir une fidélité de reproduction satisfaisante. On parle alors de multisampling. Le multisamping sert aussi à répartir sur l'étendue du clavier un ensemble de sons de percussions.

    A la différence du synthétiseur pourvu d'oscillateurs générant un son, le sampleur rejoue l'enregistrement digital d'un son. Ce son, à moins d'être très long, doit se terminer à un moment ou un autre. On contourne ce problème par le bouclage ou looping qui permet de répéter une partie de l'échantillon à l'infini, donnant ainsi l'impression que celui-ci est sans fin. On pose pour cela un point dit point de début de boucle (start point) et un point de fin de boucle (end point) entre lesquels se reproduit le son.


    Traitements sonores d'un échantillonneur

    Le time stretching est une technique disponible sur les samplers et qui permet d'ajuster la durée d'un échantillon sans changer sa hauteur. Par exemple si vous avez trouvé une boucle rythmique idéale pour votre musique, mais que son tempo ne vous convient pas, le sampler vous permetta d'y remédier en changeant le tempo de base (donc sa durée) sans toucher à la hauteur d'origine. L'imperfection du processus peut être mise à profit de façon créative pour obtenir un son différent.

    Le pitch shift est une opération qui modifie la hauteur d'origine de l'échantillon sans affecter sa durée, par exemple l'accordage d'une phrase musicale sans changer son tempo.

    Le re-sampling permet d'échantillonner directement en interne, le résultat obtenu dans la machine, après de multiples traitements.
Travailler en numerique
    On dit souvent que les données numériques ( sons, vidéo etc...) ne s'altérent pas. Ce n'est qu'en partie vrai et il faut pour celà respecter quelques règles:

    La première chose à faire, c'est de choisir son matériel avec attention. Chaque conversion analogique/numérique ou numérique/analogique entrainant une altération du son, il faut donc vérifier que tout le travail se réalisera bien en numérique. Pour cela, vérifiez que chaque appareil où le son sera véhiculé dispose d'un entrée et d'une sortie en numérique. Cela garantit que le son ne sera pas altéré par des conversions multiples. Le son sera restitué exactement comme il est arrivé dans l'appareil, alors que ce n'est pas le cas d'un appareil analogique, où chaque prise, chaque mètre de câble en plus entraîne une perte de qualité du son. Vérifiez tout de même que le format numérique d'entrée et de sortie sera bien le même. Un appareil ayant une entrée sur 20 bits en 48Khz, peut avoir une sortie en 16 bits 44.1Khz. Le son sera alors moins précis bien qu'on reste en numérique. Assurez-vous donc que toute la chaine d'appareil est liée par le même format si vous voulez une qualité très élevée. En revanche, certains appareils proposent un format de travail de meilleure qualité que ce que son entrée ne permet (Ex : entrée 20 bits alors que l'appareil travaille en 24 bits). A quoi ca sert ? Imaginez que l'exemple donné soit appliqué à un multi-effet. En interne l'appareil effectuera un ensemble de calculs pour chaque effet. Puisque nous sommes en numérique, imaginez qu'un effet nécessite une division : la machine devra arrondir car elle ne travaille qu'avec des entiers. Imaginez qu'elle doive traiter 8 effets de même type : à force d'arrondis, le son sera un peu déformé, même en numérique. En travaillant avec une meilleure résolution, c'est comme si les calculs se faisaient avec des nombres à virgule: il sont plus précis. Le son sera alors beaucoup moins altéré par les effets, donc plus fidèle.


    Voici quelques consignes à respecter quand on travaille avec un ordinateur.

    Ayez à l'esprit qu'un ordinateur "plante" de temps en temps, c'est à dire qu'il se bloque et qu'il n'y a plus moyen d'accéder à la fonction d'enregistrement de vos logiciels. Sauvegardez fréquemment si vous ne voulez pas perdre des heures de travail. Ensuite, pensez qu'un disque dur n'est pas infaillible. Si celui-ci a un problème, cela peut être des mois de travail qui se perdent. Copiez régulièrement tous vos fichiers important sur un autre support afin de récupérer votre travail "au cas où... ". Le moyen le plus économique, pour sauvegarder vos données, l'un des plus fiables, et le seul à être facile à mettre en oeuvre avec de très gros fichiers, est de graver sur un CD enregistrable vos données si vous disposez d'un graveur. Cette opération de sauvegarde ne doit pas être prises à la légère : c'est long, lent, fastidieux, tout ce que vous voulez, mais très utile quand arrive l'incident. Pensez qu'à part une défaillance matérielle, il peut aussi arriver un bon gros plantage qui détruit vos fichiers, un virus qui vous bousille tout votre boulot, une mauvaise manipulation... Dans les entreprises, cette opération est faite tous les jours. Vous pouvez ne la faire que toutes les deux semaines tous les mois, tous les six mois, suivant le temps que vous passez sur votre ordinateur. En tout cas, je peux vous assurer que quand ça vous arrive (toujours quand vous êtes pressés), c'est la crise de nerfs assurée! Enfin, dernière recommandation, faites attention aux types de fichiers quand vous enregistrez votre travail sur le disque dur. Vérifiez que le format dans lequel vous sauvegardez votre oeuvre permet la même qualité que ce que vous avez enregistré, et qu'il n'y a pas de compression destructive genre Mpeg 3 qui altère le son pour mieux réduire la taille du fichier enregistré. Si vous ne savez pas si la compression d'un format est destructive, supposez qu'elle l'est et évitez ce type de fichiers. Pour illustrer, disons que vous enregistrez en 16 bits 44.1Khz en stéréo : n'allez pas choisir un format qui ne permet que du 8 bits 22Kh mono (ce qui donnerait un coté radio mal reçue du plus bel effet :-) ). Evitez aussi les formats exotiques ou propriétaires (utilisables par un seul logiciel) afin de pouvoir retravailler aisément le résultat avec d'autres logiciels.



    Pour retrouver ce texte ainsi que d'autres infos (dont un excellent article sur le midi), visitez ma page: http://perso.club-internet.fr/clborne
A propos de l'auteur: Claude Borne
Compositeur de musique à l'image
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