Comprendre les fichiers 32 bits flottants

A la lecture d'un article publié par Sound Devices sur la généralisation du format 32 bits flottant, il m'a semblé utile de vous proposer sa traduction en français pour celles ou ceux qui ne maitrisent pas la langue de Shakespeare.

Ensuite cette tendance qui probablement va être le prochain format généralisé va avoir beaucoup de conséquences sur nos façons de travailler. Il y a là un vrai sujet à méditer.

Pour l'enregistrement de très haute dynamique, la virgule flottante 32 bits est un format d'enregistrement idéal. Le principal avantage de ces fichiers est sa capacité à enregistrer des signaux dépassant 0 dBFS. En fait, il y a tellement de marge que, du point de vue d’une reproduction fidèle, peu importe où les gains sont fixés pendant l'enregistrement. Les niveaux audios dans le fichier WAV 32 bits flottant peuvent être ajustés à la hausse ou à la baisse après l'enregistrement avec la plupart des principaux logiciels d'enregistrement audio, sans bruit ni distorsion supplémentaire. Pour comprendre les rouages des fichiers 32 bits, lisez la suite.

Cet article traite des différences entre les fichiers à virgule fixe 16 bits, à virgule fixe 24 bits et à virgule flottante 32 bits.

Fichiers 16 bits

Les fichiers WAV 16 bits traditionnels stockent des échantillons audios non compressés, où chaque échantillon est représenté par un nombre binaire de 16 chiffres (chiffre binaire = "bit"). Ces nombres sont "à virgule fixe", car ce sont des nombres entiers (sans valeur des décimales).

Un nombre de 16 bits sous forme binaire représente des nombres entiers allant de 0 à 65535 (2^16).

Les valeurs numériques représentent un niveau de tension discret correspondant à l'amplitude du signal. 65535 représente l'amplitude maximale (la plus forte) que le signal peut avoir, et les valeurs les plus basses représentent le plancher de bruit du fichier, le bit le plus bas basculant entre 0 et 1. Comme il y a 65536 niveaux, le bruit = (1/65536).

En mettant ce bruit en valeur en dB : dBnoise = 20 x log (1/65536) = -96,3 dB

Le niveau maximum en valeur en dB : dBmax = 20 x log (65536/65536) = 0 dB

La gamme dynamique maximale pouvant être représentée par un fichier WAV 16 bits est de

(0 dB - (-96,3 dB)) = 96,3 dB

Les fichiers WAV 16 bits, que ce soit dans un enregistreur audio numérique ou dans un logiciel d'enregistrement audio numérique, appellent le plus grand signal capturé 0 dBFS, c'est-à-dire 0 dB par rapport à la pleine échelle (du fichier). Ainsi, les fichiers WAV 16 bits peuvent stocker de l'audio de 0 dBFS à -96 dBFS. Chaque échantillon audio consomme 16 bits d'espace sur un disque dur ou une mémoire, et à une fréquence d'échantillonnage de 48 kHz, cela signifie qu'il faut 16 x 48 000 = 768 000 bits par seconde pour stocker un fichier 16 bits à un seul canal, en 48 kHz.

Fichiers 24 bits

Les fichiers WAV 24 bits (virgule fixe) améliorent la résolution d'amplitude de 16 bits en étendant le mot de 16 bits, ceci en ajoutant 50 % de bits supplémentaires, pour en faire un mot de 24 bits.

Avec plus de chiffres, il y a plus de niveaux de tension possibles pour diviser le signal audio. 24 bits en notation binaire vont de 0 à 16 777 215 (2^24)

En faisant le même calcul avec des fichiers 24 bits pour calculer le niveau de bruit et les niveaux maximums, on obtient les résultats suivants :

• dBnoise = 20 x log (1/16777216) = -144,5 dB

• dBmax = 20 x log (16777216/16777216) = 0 dB

La gamme dynamique d'un fichier 24 bits (virgule fixe) est de

(0 dB - (-144,5 dB)) = 144,5 dB

Tout comme pour les fichiers 16 bits, les enregistreurs audio et les logiciels d'enregistrement audio numérique appellent le plus grand signal dans un fichier WAV 24 bits 0 dBFS. Chaque échantillon audio consomme 24 bits d'espace de stockage numérique, et à une fréquence d'échantillonnage de 48 kHz, cela signifie que 24 x 48 000 = 1 152 000 bits par seconde sont nécessaires pour un fichier à un seul canal, 24 bits, 48 kHz. Pour une augmentation de 50% de l'espace de stockage par rapport aux fichiers 16 bits, la gamme dynamique captée passe de 96 dB à 144 dB, ce qui représente une augmentation substantielle des performances. Actuellement, les fichiers WAV 24 bits et 48 kHz sont les plus utilisés dans la communauté audio professionnelle.

32 bits Flottants

Par rapport aux fichiers à virgule fixe (16 ou 24 bits), les fichiers à virgule flottante de 32 bits stockent les nombres dans un format à virgule flottante. Ce format est fondamentalement différent de celui à virgule fixe, car les nombres dans ces fichiers WAV sont stockés avec une "notation scientifique", utilisant des décimales et des exposants (par exemple "1,4563 x 10^6" au lieu de "1456300"). Cette différence est significative car des nombres beaucoup plus grands et plus petits peuvent être représentés par rapport à une représentation à virgule fixe. Le formatage et l'encodage du mot 32 bits n'est pas intuitif - il a été optimisé pour que les ordinateurs puissent y effectuer des fonctions mathématiques courantes plutôt que pour qu'il soit lisible par l'homme. Le premier bit indique une valeur positive ou négative, les 8 bits suivants indiquent l'exposant, et les 23 derniers bits indiquent la mantisse. Plus d'informations sont disponibles concernant ce format (appelé IEEE-754).

Le plus grand nombre pouvant être représenté est ~3,4 x 10^38, et le plus petit nombre est ~1,2 x 10^-38.

En faisant les calculs en dB :

• dBnoise = 20 x log (1,2 x 10^-38) = -758 dB

• dBmax = 20 x log (3,4 x 10^38) = 770 dB

La gamme dynamique qui peut être représentée par un fichier 32 bits (en virgule flottante) est d'environ 1528 dB. Comme la plus grande différence de pression sonore sur Terre peut être d'environ 210 dB, de la chambre anéchoïque à l'onde de choc massive, 1528 dB est bien au-delà de ce qui sera jamais nécessaire pour représenter l'amplitude du son acoustique dans un fichier informatique.

Il y a un autre aspect des fichiers flottants 32 bits qui n'est pas immédiatement évident. Les fichiers enregistrés en 32 bits flottants enregistrent un son où 0 dBFS du fichier 32 bits s'aligne sur 0 dBFS du fichier 24 ou 16 bits. Gardez à l'esprit que contrairement aux fichiers 24 ou 16 bits, le fichier 32 bits va jusqu'à +770 dBFS. Ainsi, par rapport à un fichier WAV 24 bits.

Les logiciels modernes et professionnels de gestion des données peuvent lire des fichiers flottants de 32 bits. Lorsqu'une station de travail audionumérique lit un fichier 32 bits pour la première fois, les signaux supérieurs à 0 dBFS peuvent d'abord sembler écrêtés puisque, par défaut, les fichiers sont lus avec un gain de 0 dB. En appliquant une atténuation au fichier dans la station audionumérique, les signaux supérieurs à 0 dBFS peuvent être ramenés en dessous de 0 dBFS, sans distorsion, et utilisés comme n'importe quel fichier 24 ou 16 bits.

Pour l'enregistrement en 32 bits flottants, le réglage exact du gain du trim et du fader pendant l'enregistrement n'est plus un souci, du point de vue de sa reproduction fidèle. Les niveaux enregistrés peuvent sembler très faibles ou très élevés pendant l'enregistrement, mais ils peuvent être facilement mis à l'échelle après l'enregistrement par le logiciel DAW sans bruit ni distorsion supplémentaire. C'est ce que l'on peut constater avec ces exemples de fichiers (à la fin de l’article)

Il s'agit de la même source, l'un enregistré avec 24 bits fixes et l'autre avec 32 bits flottants. Les deux fichiers semblent écrêtés lors de leur lecture initiale dans le logiciel DAW, mais le gain du fichier 32 bits peut être mis à l'échelle par station audionumérique (DAW).

Chaque échantillon audio pour les fichiers 32-bit flottants consomme 32 bits d'espace sur un disque dur ou une mémoire, et pour un taux d'échantillonnage de 48 kHz, cela signifie que 32 x 48 000 = 1 536 000 bits par seconde sont nécessaires pour les fichiers 32-bit, 48 kHz. Ainsi, pour 33% d'espace de stockage en plus par rapport aux fichiers 24 bits, la gamme dynamique capturée va de 144 dB jusqu'à, essentiellement, l'infini (plus de 1500 dB). Mais surtout, les signaux audios supérieurs à 0 dBFS sont préservés dans le fichier, ce qui fait que l'audio écrêté appartient au passé.

L'enregistrement de fichiers audio 32 bits flottants, ainsi que l'électronique analogique et numérique de haute performance qui peut tirer profit de sa gamme dynamique massive, offrent aux concepteurs et aux mélangeurs de son une nouvelle façon d'enregistrer l'audio. Cela est particulièrement utile pour les applications où des sons très forts et inattendus peuvent être captés sans l'utilisation de limiteurs. Le compromis pour l'utilisation de fichiers flottants 32 bits est une taille de fichier plus importante que celle des fichiers 24 bits.

Liens vers (en anglais):

Différence 24bits/32bits flottants dans une station de travail audionumérique

La chaîne sonore en 32 bits flottants

Exemple de configuration de la chaîne sonore avec une MixPre II

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