高採樣率是否有助於提高聲音的質量？

09-03

高採樣率是否有助於提高聲音的質量？

來自專欄每日星選1 人贊了文章

對於高採樣率（即高於44.1kHz的採樣率，如96kHz甚至是192kHz）是否會對音頻的質量產生顯著的改善一直存在著很大的爭議。很多人認為，沒有必要用這麼高的採樣率。然而有一些人則堅定的認為更高的採樣率能讓聲音聽起來更好。到底哪種說法是對的？我們將在本篇文章中進行討論。

劇透一下：答案是兩個說法都對 - 如果您不想進一步閱讀下面的文章，可以直接跳過，去聽音頻小樣。

我用96kHz的採樣率錄製過不少經典的音樂。根據我的經驗，如果使用96kHz採樣率來錄製音頻，在回放時，沒有人能夠確切地分辨出，到底播放的是96kHz採樣率的音頻，還是播放的是經過轉換（採樣率轉換為44.1kHz）的音頻。但是，我還是發現了使用不同的採樣率的音頻之間（比如44.1kHz或96kHz（圖1），或者是96kHz與192kHz）存在的比較明顯的差異。

圖1：在錄音時，有各種採樣率可以供您選擇，但是96kHz是否能夠體現出優勢，答案並不一定。

這個音頻小樣使用的是預設synth clav（基於脈衝波）的兩個measures，以44.1kHz渲染（渲染是指：將文件經過處理生成最終數字輸出的整個過程，在DAW中，通過export或者bounce來創建音頻文件）。之後，兩個measures被渲染到96kHz，兩個measures被渲染到192kHz。所有這些音頻文件都以44.1kHz進行回放。我想在您聽過它們之後，您會同意我剛才說的，它們之間的差異並不小。

採樣率 https://www.zhihu.com/video/1017832828377006080

差異如此明顯的原因是，像虛擬樂器還有amp sim這樣的信號源產生了能夠干擾音頻採樣頻率的諧波，這會造成失真，被稱為摺疊失真（也叫疊象失真，混淆失真，混疊）。當錄製直接接入音頻介面的音頻源時，不會產生這種現象，因為介面具有過濾器，用以防止這些諧波進入計算機。但計算機內部產生的聲音卻依然是個問題。

讓我們來討論一些理論問題：數字系統可以在使用低於採樣率一半的頻率時（這稱為奈奎斯特限制 - 例如，44.1kHz的音頻的奈奎斯特限制是22.05kHz）依然保證音頻的準確性。如果虛擬樂器的插件產生的諧波高於此頻率 - 例如是40kHz - 您聽到的不會是40kHz的聲音，您將聽到的是頻率降低到低於時鍾頻率時（在這種情況下為4.1kHz）產生的摺疊失真。因此，摺疊失真就會出現在可聽範圍，但是卻與原始信號沒有關聯，而且聽起來通常都相當的糟糕。

會多糟糕？

幸運的是，這個問題並不常見。它主要出現在比較陳舊的虛擬樂器和amp sim上。並不是所有的插件都會產生摺疊失真，其中的原因有四個：

聲音的諧波不夠強，或者說是失真不大，因此不能夠產生足夠高的頻率，也就不會干擾到project的時鐘信號。
插件或者host本身可以在內部進行過採樣，這就意味著就插件而言，其採樣率高於project的採樣率。因此，任何的摺疊失真都將發生在音域之外。
project的採樣率足夠高，可以提供與過採樣相同的環境。
插件本身帶有適當的防失真濾波功能。

現在許多的虛擬樂器和amp sim都能夠做到過採樣，或者至少有過採樣以供選項，所以可能您會以為這個問題已經得到了妥善的解決 - 大部分情況確實如此（圖2）。但是，過採樣也是存在局限性的，尤其是對虛擬樂器來說。

圖2：IK Multimedia AmpliTube 4可以在單塊效果器，前置放大器和/或放大器中使用過採樣。

雖然有些樂器可能會使用2倍的過採樣，但這樣做可能仍不足以消除脈衝波等諧波豐富的音源的摺疊失真 - 因此對過採樣樂器再次進行過採樣是一個改善聲音的辦法。此外，過採樣的插件的聲音質量將受到採樣率轉換演算法的質量的影響。他們必須工作在real time模式下，然而，offline的解決方案不受該約束的影響。

過採樣也會消耗更多的CPU資源。幸運的是，通過軟體上的設置，您可以選擇某個插件是否使用過採樣，如果您的CPU已經不堪重負，您可以在錄製時關閉過採樣以盡量縮小延遲，然後在混音的階段將過採樣打開，此時延遲不會造成太大的問題。

天啊！難道我現在必須要用高採樣率來錄製音頻？

這可不一定，接下來我就會講解如何以較低的採樣率進行錄製，但是卻能夠獲得高採樣率才有的效果。這是很實用的技巧，因為以更高的採樣率進行錄製會有一些難以避免的缺點：

96kHz採樣率的音頻所佔用的存儲空間是44.1kHz採樣率的音頻的兩倍。
以96kHz採樣率進行錄製會佔用更多的計算機資源，並讓您可以使用的音軌數量減少。
採用高採樣率進行錄製並不一定能提高音質。

在錄製時，我通常會採用44.1kHz的採樣率和24 bit的解析度，這樣可以保證我的計算機能夠平穩的運行，projects也不會佔用太多的存儲空間（當然，如果客戶希望使用其他的採樣率，我也會滿足他們的要求）。但是，因為對樂器和處理器來說，使用96kHz的採樣率會更有優勢，您可以使用下面所說的變通方法（通過上採樣）用較低的採樣率獲得較高採樣率才有的優勢。

請注意，對於那些已經存在摺疊失真的音頻，無法使用上採樣的方法。如果對已經產生摺疊失真的音頻提升採樣到96kHz，只會再現已有的失真。這個方法僅適用於在計算機中創建的音頻。同樣的道理，通過計算機的音頻介面錄製的上採樣音頻也不太可能有音質上的提升，因為音頻介面本身已經限制了信號的頻率範圍，所以不會有諧波干擾時鐘頻率。但是，有些人認為以96kHz採樣率錄製的虛擬樂器聽起來會比用44.1kHz錄製的更好，事實可能確實如此 - 正如您剛剛所聽到的，差異可能會非常明顯。

解決方案1：暫時更改採樣率

如果一個project僅包含虛擬樂器而沒有音頻，您可以暫時將project的採樣率提高，比如提高到96kHz甚至更高。如果您可以將音頻介面的採樣率調整為新的值，那麼您只需要對那些會受益於高採樣率的樂器軌道進行渲染。這樣就能夠以更高的採樣率將它們轉換為音頻，因此不會出現任何的摺疊失真。在渲染完這些聲音後，您可以將project的採樣率更改為原始值，44.1kHz或者48kHz。怎麼樣，這個方法不難操作吧。

在您將採樣率調低回44.1kHz時，不會失去上採樣所帶來的好處，因為以更高的採樣率進行渲染消除了音域內可能產生的所有摺疊失真 – 再以44.1kHz播放音域內的聲音時是不會有任何問題的。

解決方案2：創建一個臨時的project

如果音頻已經錄製完成了，想要再更改它的採樣率就沒那麼容易了。因此，解決方案1中的方法就無法實現了，但是在這裡我會給您提供另一個非常簡單且安全的方法。假設一個project的採樣率是44.1kHz，而且虛擬樂器的MIDI軌道已經錄製完成了，但是尚未被渲染成音頻，在這種情況下，如何對虛擬樂器進行「提升採樣」？

保存虛擬樂器預設項，因為在步驟6中我們會調用這個預設項。
確保驅動樂器的MIDI剪輯能夠在project開始時就啟動。如果需要，您可以在其中添加一些空白或者偽數據。
導出用來驅動樂器的MIDI片段。
關閉當前的project。
使用更高的採樣率創建一個新的project，比如使用96kHz甚至更高的採樣率。
插入先前使用的虛擬樂器，然後載入在第一步中存儲的預設項。
導入MIDI片段，從頭開始，然後將其指定給樂器軌道。
從樂曲的開頭開始對樂器軌道進行渲染。
導出渲染的音頻，然後關閉這個project。
使用44.1kHz的採樣率再次打開最初的project。
導入渲染好的音頻，您的錄製軟體應該會在導入時就將採樣率轉換到44.1kHz，並用它來作為樂器的音頻，不要使用在44.1kHz採樣率的project中渲染的樂器音頻。

使用amp sim時的過程與之類似的，不同之處是要保存amp sim的預設項，將驅動模擬器的音頻文件擴展到project的開頭，然後在高採樣率的project中進行渲染。

最後的一些感想

值得注意的是，以更高的採樣率或使用上採樣的方法錄製的樂器（或amp sim），可能並不一定會帶來您想要的結果。在一個研討會上，我在電子合成器上對一個demo進行了上採樣，但大多數的人卻更喜歡有摺疊失真的版本，原因是經過上採樣產生的聲音並不符合人們的預期，它表現的更亮一些。然而，使用不同的合成器，對amp sim進行上採樣，結果是大家都認為使用了上採樣的版本聽起來要好得多。

雖然上採樣並不能解決所有問題，但是沒有它的話可能會造成非常多的麻煩。對於許多合成器來說，使用上採樣不會帶來明顯的改變 - 但是對於某些合成器來說，使用上採樣會讓您得到更清晰的聲音，有時這個差異會非常巨大。就像我們一直強調的，請用您的耳朵來判斷一段聲音是不是好。

關鍵是，現在您多了一種選擇，您可以繼續使用現在的帶有失真的聲音，也可以選擇使用（通過本文的方法所獲得的）樂器原本的聲音，這一切都取決於您的喜好。畢竟，失真並不一定是一件可怕的事情 – 想像一下，如果沒有它，有多少吉他手會失業！