Explication sur les formats numériques audio

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par L'audiophile Débutant

Que l’on manipule des fichiers audio sur un ordinateur ou bien lorsque l’on recherche un appareil de lecture, on est vite exposé à des listes entières de compatibilité auxquelles il n’est pas toujours évident de se retrouver. Je vous ai donc concocté un récapitulatif très simple des propriétés de chaque formats et codecs et de la qualité à attendre de ces derniers.

Les formats de compression et l’histoire de la création d’un fichier audio

Il existe 3 grandes catégories formats audio numérique :

  1. LOSSY : formats compressés avec pertes de données. Il permettent de réduire la taille du fichier. Il peuvent être de bonnes voir d’excellentes qualité, mais sont théoriquement inférieur à un CD ou à un master par exemple, car des données sont perdues.
  2. LOSSLESS : formats compressés mais cette fois sans perte ! Cela signifie que la partie audio est strictement identique en terme de qualité. L’intérêt est de réduire la taille du ficher sans faire de concession sur la qualité.
  3. UNCOMPRESSED : formats non compressés. Cela signifie qu’on a simplement appliqué aucune compression. La taille du fichier est énorme mais l’oeuvre est préservée telle qu’à sa création.

Tout commence avec l’enregistrement et le mixage

Faisons les choses dans l’ordre et commençons par le début de la chaine de production audio dans un studio d’enregistrement et de mixage.

Tout commence avec des musiciens qui composent leurs musiques puis l’enregistrent en studio. En 2020, tous le monde enregistre en numérique, peu importe si la composition est numérique, analogique, ou un mix des 2  comme c’est souvent le cas désormais. A la fin vous avez plein de pistes audio dans un grand fichier, une piste pour le chanteur, une autre pour le guitariste, batterie, synthé…etc

Le master de travail

Ce grand fichier « fourre tout », c’est le master de travail. A ce stade il est pas génial à écouter. J’ai tenté l’expérience avec ce type de fichier pour voir à quoi cela ressemblait. Une chanson de Bruno Mars avec une trentaine de piste, dont une douzaine rien que pour la batterie. Tout était bien sur à régler pour corriger la présence de chaque instrument et voix.

Une fois que ce master de travail est proprement calibré, il est écoutable. Vous êtes tout en haut de la chaîne d’écoute car vous entendez ce que l’ingénieur son entend juste avant de dire que le mixage est terminé. Le fichier est immense, dépassant parfois le gigaoctet par chanson.
Pour ceux qui ont déjà utilisé Photoshop, imaginez ce master comme un fichier .PSD, il n’est pas plus beau à regarder mais il a la qualité maximale. Sa force réside dans sa capacité à être édité / modifié !

Le format non-compressé, pour transferer et écouter le master sans donner accès aux éditions

Le premier problème d’un master de travail, c’est qu’il n’est écoutable que sur un logiciel d’édition de musique, à l’image de notre .psd ne pouvant être lu que sur un logiciel d’édition de photo.

Pour pouvoir rapidement et facilement écouter la musique pour validation par son client / son supérieur en ayant la même qualité que le master de travail, notre ingénieur son va créer un fichier non compressés regroupant toutes les pistes en 1 et pouvant être lu en un seul clic.
Pour nos amateur de photographie, cela pourrait correspondre à un fichier BMP ou RAW par exemple.

Parmi les formats audio non compressés on retrouve :

  • WAV
  • AIFF
  • DXD
  • PCM (LPCM)

Ces formats sont rigoureusement identiques au master de travail, ils servent à envoyer et écouter un fichier non éditable qui est identique au master, il n’y a donc aucune perte de qualité. C’est théoriquement le meilleur fomat audio possible. (mais ceci n’est que de la théorie 😉 ) 

Le format compréssé sans perte, pensé pour l’écoute


Le mixage de notre ingénieur du son a été validé, maintenant il s’agit de le presser sur des vinyles, des CD, des DVD Audio, des BluRay..etc. Selon le support, nous n’avons pas les mêmes capacité de stockage, et plus un support est vieux, moins il peut stocker de données.

Le CD, support le plus populaire mais aussi un des plus anciens, a une capacité de stockage d’environ 700Mo. A savoir qu’un fichier audio non compressé comme ceux vu au dessus a une taille d’environ 1Go pour 5 minutes de musique, on comprend qu’il est nécessaire de pouvoir compresser la taille de ces fichiers sans toucher à la qualité audio.

Voici les formats audio compressés sans perte les plus connus :

  • FLAC : efficience de compression d’environ 50%
  • ALAC : efficience de compression entre ~45 et 50%
  • WMA Lossless : efficience de compression d’environ 45%
  • APE : efficience de compression d’environ 55%
  • DSD : efficience de compression d’environ 40%, mais non pertinente car le fichier a une taille grandement gonflé lors de ses quantifications, résultant en un fichier parfois plus grand que l’original non compressé.

Les fichiers compressés sans pertes permettent donc d’avoir beaucoup plus de fichiers musicaux sur un même support et même de pouvoir les écouter en streaming. La qualité restituée est IDENTIQUE a celle des formats audio non compressés et donc au master d’origine. Certains de ces formats comme le FLAC sont d’ailleurs dit « non desctructif », cela signifie que l’on peut prendre un fichier directement issu d’un « master » en .wav et le convertir en .flac  et le restituer en .wav de nouveaux en retrouvant la taille du fichier de départ.

Vous êtes curieux de savoir comment on peut réduire fortement la taille d’un fichier audio sans l’altérer ? Cliquez pour lire le paragraphe sur ce sujet un peu plus bas 😉

Dans la pratique il s’agit des meilleurs formats audio possibles, car ils conservent la qualité des fichiers non compréssés et donc du master d’origine, tout en étant plus économe en stockage.

Le format audio compréssé avec pertes de données, pensé pour la distribution en ligne

Au début de l’ère internet, les premières musiques à vendre en ligne ne pouvaient se faire en qualité CD car le temps de téléchargement d’un album aurait été long et la capacité de stockage des ordinateurs et baladeurs de l’époque était trop faible. On a donc vu apparaitre des formats compressés, générant de la perte de données, afin de réduire drastiquement la taille des fichiers musicaux. Le plus connue à ce jour est le MP3.

Voici les formats et codecs compressés avec pertes les plus connus:

  • MP3
  • AAC
  • OGG
  • WMA
  • MQA
  • AC3 (Dolby Digital)

Ces codecs permettent d’obtenir une qualité très proche, à l’écoute, de la qualité d’un CD tout en préservant le stockage de vos appareils, à titre de comparaison avec 1Go vous pouvez stocker un album de chanson en FLAC et une centaine de MP3.

Pourquoi avions nous besoin de créer des codecs générant de la perte de données ?

Au démarrage des MP3 en ventes, nous avions besoin d’une compression drastique, avec un bitrate de 128kbps pour le MP3. Sachant que le CD à un bitrate de 1411kbps, vous voyez qu’on a réduit de plus de 10x la taille de nos fichiers.

C’est cette dernière qui a donné mauvaise réputation aux fichiers compressés, en particulier le MP3. Pourtant depuis nous n’avons plus les mêmes contraintes, le stockage des appareils, même nomades, ont grandement augmenté, les connexions internets sont bien plus rapides. Ainsi nous avons tout de même conservé les formats compressés mais ceux livré par les services de streaming musicaux sont bien meilleurs.

Codec et bitrate des services de streaming en 2020

Codecs de Spotify
  • HE-AAC en 24 kbps : HE-AAC est une version plus efficiente du codec AAC, compatible uniquement avec des terminaux relativement modernes (moins de ~10 ans), c’est l’un des codecs les plus efficients qui existe, permettant une écoute ‘acceptable’ en seulement 24 kbps. Pour ma part je trouve que la qualité « Low » de spotify en 24kbps est un peu trop basse et qu’elle n’est acceptable que sur les hauts parleurs du smartphone directement.
  • OGG en 96 kbps : Le format et codec OGG Vorbis est particulièrement efficient, offrant une meilleure qualité que le MP3 a bitrate égal. A mon sens 96 kbps ne doit se limiter qu’a l’écoute sur un smartphone ou des écouteurs bon marchés.
  • OGG en 160 kbps : A partir de 160kbps la qualité devient déjà bien plus acceptable sur des écouteurs, audio de la voiture…etc
  • OGG en 320 kbps : Rien a dire sur la qualité en 320 kbps que j’ai trouvé très bonne sur tout type d’appareil, même Hi-Fi !
Codecs de Apple Music
  • AAC en 256 kbps : Le format et codec AAC en 256kbps est aussi bon voir meilleur qu’un MP3 en 320 kbps. L’écoute est très bonne sur tout type d’appareil audio. L’enregistrement 256 kbps en AAC est parfois même surprenant avec les Apple Digital Masters en 24 bits.
Codecs de Tidal
  • HE-AAC à 96kbps : La qualité bas débit de tidal est surprenamment bonne pour une écoute en voiture ou en déplacement.
  • AAC à 320 kbps : en débit nommé « premium », la qualité est vraiment bonne sur tout types d’appareil audio.
  • ALAC ou FLAC à 1411 kbps : Le codec dépend de votre appareil, ALAC si c’est un appareil apple, sinon FLAC. Cette qualité nommé « HiFi » est sans faille
  • MQA à plus de 2000 kbps : Le codec utilisé pour la qualité « Master » est un codec faisant une compression avec perte de données, pourtant elle figure plus haut de gamme que la qualité « HiFi » car les sources sont des master en « Hi-Res », ou haute résolution, de 96/24 à 352/24. MQA génère un modèle de compression avec perte qui serait, d’après ses promoteurs, restituable et ferait donc du MQA (Master Quality Authenticated) un format de compression avec perte de données pratiquement pas destructeur. A l’écoute je l’ai trouvé très bon mais j’étais incapable de faire la différence avec les FLAC.
Codecs de Deezer
  • HE-AAC en 64 kbps ou MP3 128 kbps : Selon l’appareil.
  • MP3 320 kbps ou 256 kbps : Selon la musique, 80% du catalogue serait en 320 kbps.
  • FLAC en 1411 kbps
Codecs de Amazon Music
  • MP3 en 320 kbps : L’encodage est très bon, à se demandé s’il n’a pas été refait a partir de sources de meilleures qualité, comme le fait Apple Music avec les Apple Digital Masters
  • FLAC en 850 à 1411 kbps (indisponible en France)
  • FLAC en 3750 kbps

Codecs de Qobuz

  • MP3 à 320 kbps
  • FLAC à 1411 kbps en qualité CD (16 bits)
  • FLAC jusqu’à 3750 kbps en qualité Hi-Res (24 bits)

 


Comment est-il possible de faire une compression sans perte comme le fait FLAC ?

Pour vulgariser, nous allons voir ensemble un exemple qui ne représente pas le vrai fonctionnement de la compression de FLAC mais qui peut vous aider à comprendre l’approche de compression non destructrice. Imaginez la série suivante :

  • « AAAAA BBBBBBB CCCCC DD EEE FFFFFFFF »
  • WAV va compter 30 caractères et les stocker.
  • FLAC va compter 5xA, 7xB, 5xC, 2xD, 3xE, 8xF, et l’écrire de la manière suivante « 5A7B5C2D3E8F », ce qui revient à seulement 12 caractères mais contient pourtant exactement la même information et peut être réstitué à l’original tant qu’on connait la formule de compression.

L’inconvénient est le besoin supérieur de puissance de calcul pour appliquer ce type de formule, mais notre informatique est largement capable de résoudre des compressions bien plus poussées.


Support de stockage audio et formats utilisés

Voici d’autres capacités de stockages pour comparaison :

  • Le DVD et le Super Audio CD ont une capacité de stockage de 4,7Go (8,5Go en double couche). Le DVD-A ajoute la dimension multicanal et l’image aux musiques en utilisant une qualité audio comparable aux CD. Alors que le SACD bénécificie de sa capacité étendue pour stocker des fichiers compressés sans perte au format DSD.
  • Le BluRay Pure Audio a une capacité de stockage de 25Go (50Go en double couche). Ce dernier permet donc le stockage de fichier non compressés.
  • Le vinyle stocke du temps d’écoute et non pas des données, car il est analogique et non pas numérique, on « lit la forme des traits » sur le disque. Toutefois il est crée à partir du même ficher master que le CD, donc on peut essayer d’estimer qu’il a une capacité de stockage équivalente à 400Mo.

 

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