Dithering Grundlagen

Was geschieht mit einem Audiosignal wenn wir die Bitrate von 32 Bit auf 16 Bit reduzieren? Oberflächlich betrachtet nichts weltbewegendes: die Auflösung auf der Y-Achse sinkt, die einzelnen Dynamikstufen werden größer und hörbare Klangveränderungen sind, wenn überhaupt nur an sehr leisen Stellen zu erwarten. Kurz gesagt nichts was uns schlaflose Nächte bereitet.

    Geht das wirklich ohne Nebenwirkungen?
Geht das wirklich ohne Nebenwirkungen?

Perfektionisten wie Mastering Engineers wissen jedoch, dass bei diesem Vorgang schlicht die untersten Bits abgeschnitten werden und Verzerrungen sowie unschönes tonales Quantisierungsrauschen entstehen. Wäre die Modulation der Bitwerte hingegen zufällig ließe sich beides minimieren und die Qualität verbessern – selbst wenn wir es nicht bewusst hören.

Dieses Signal (440 Hertz Sinus) wurde von 32 Bit auf 8 Bit reduziert. Ohne Dither entstehen deutlich Obertöne und das Signal klingt verzerrt.
Dieses Signal (440 Hertz Sinus) wurde von 32 Bit auf 8 Bit reduziert.
Ohne Dither entstehen deutlich Obertöne und das Signal klingt verzerrt.

Dither

An dieser Stelle kommt nun der Dither zum Einsatz. Als spezieller Rauscherzeuger überlagert sich sein Signal mit dem Input und sorgt bei der Requantisierung für eine zufällige Verteilung der sonst gleichen Amplitudenwerte. Der zugemischte Pegel entspricht dabei einem [tippy title=”LSB” header=”off”]Last Significant Bit, die letzte Stelle einer Binärzahl oder bei uns im Audiobereich eine Lautstärkestufe.200px-lsb0-svg_[/tippy] oder bei 16 Bit circa -96 dB und liegt damit weit ausserhalb des hörbaren oder relevanten Bereichs.

Ein Sinus mit einem 6 Bit Dither überlagert. Jede Periode unterscheidet sich in Details von den anderen
Ein Sinus mit einem 6 Bit Dither überlagert. Jede Periode unterscheidet sich in Details von den anderen

Die Wirkweise des Dithers lässt sich sehr gut an einem kleinen Beispiel verdeutlichen. Liegen mehrere Samples hintereinander in der Nähe einer Quantisierungsstufe, wird aus der Schwingung eine stehende Welle mit 0 Hz. Ein Dither vor der Quantisierung sorgt hingegen für eine zufällige Verteilung zwischen den beiden Stufen und erhält so die Schwingung.

    Der Dither erweckt geringe Schwingungen zum Leben
Der Dither erweckt geringe Schwingungen zum Leben

Anwendung

Das schöne am Dither ist, er besitzt nur wenig Optionen und lässt sich innerhalb von Sekunden einstellen. Halten wir uns an folgende Regeln, kann nichts daneben gehen.

  1. Dither ist nur notwendig wenn die Bitrate reduziert wird, beim Mastering ganz am Ende aller Bearbeitungen zum Export in das Zielformat
  2. Marke und Hersteller des Plugins spielen eine untergeordnete Rolle, wichtiger als das Modell ist die generelle Anwesenheit des Dithers.
  3. Wähle im Plugin die selbe Bitrate wie dein Export. Um von 32 Bit auf 16 Bit zu gelangen, steht der Dither ebenfalls auf 16 Bit
    UV22 - ein beliebiges Dithertool
UV22 – ein beliebiges Dithertool

Dither im Vergleich bei Grafiken

Noch einfacher als bei Audiodaten lässt sich Dither und seine Auswirkungen (Vorteile) anhand von Grafiken zeigen. Wird hier die Bitrade reduziert, sprich die Anzahl der möglichen Farben verringert, geschehen interessante Dinge …

Viel Bit

Unser Startbild entspricht einem unbearbeiteten WAV in 24 Bit, alias Schmetterling mit 16 Mio Farben.

    Originalbild mit 16 Mio möglichen Farben
Originalbild mit 16 Mio möglichen Farben

3 Bit ohne Dither

Nun werden wir die Farben (Bitrate) auf 5 reduzieren und neben den Farben gehen auch feine Details verloren. Ob da ein Ditherrauschen wirklich etwas verbessern kann?

    5 Farben im Bild - Truncate ohne Dither
5 Farben im Bild – Truncate ohne Dither

3 Bit mit Dither

Auch mit Dither fehlen die Farben, jedoch wirken die vorher glatten Flächen deutlich strukturierter und detailreicher.

    Diffuser Dither bringt Details zurück
Diffuser Dither bringt Details zurück

3 Bit alternativer Dither

    Noise Dither. Ob besser oder schlechter als Diffusion muss jeweils im Einzelfall abgewägt werden.
Noise Dither. Ob besser oder schlechter als Diffusion muss jeweils im Einzelfall abgewägt werden.

Ein Dither lässt sich unterschiedlich Programmieren und je nach Material kann das eine oder andere Setup zum besseren Ergebnis führen. Das untere Bild verwendet anstelle des diffusen Dithers einen Noise Dither, ebenfalls bei 5 Bit.

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