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EBU R128 : Bases

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Présentation des notions de base de la recommandation EBU R128.

Logo EBU R 128 © EBU

[Mise à jour de ce billet disponible ici]

Contexte

S’il vous arrive de regarder la télévision, vous avez probablement été confronté au problème des différences de niveau sonore qui existent tant d’une chaîne à l’autre que d’un programme à l’autre au sein d’une même chaîne. L’objectif de la recommandation R128 est de parvenir à une harmonisation de ce niveau sonore afin d’améliorer le confort des téléspectateurs. Cette notion de sentiment d’intensité sonore ressentie (par l’auditeur) s’exprime en anglais par le terme loudness. C’est ce terme que j’utiliserai par la suite.

Le loudness

Le loudness d’un programme dépend de nombreux facteurs. C’est d’abord une notion subjective qui dépend de l’auditeur et du contexte d’écoute. Mais un certain nombre de caractéristiques du signal ont aussi une influence directe, notamment le contenu fréquentiel, la dynamique ou l’origine spatiale du son dans le cas d’un système multicanal.

La première difficulté consiste donc à établir un procédé de mesure objectif qui puisse quantifier le loudness d’un programme, tout en gardant à l’esprit qu’un tel procédé ne pourra avoir de valeur que statistique, c’est à dire qu’il sera pertinent pour la moyenne des auditeurs.

La recommandation ITU R-BS1770-1

Cette recommandation (qui n’est malheureusement pas officiellement accessible en téléchargement gratuit qui est désormais téléchargeable gratuitement) décrit un algorithme standardisé de mesure du loudness pour des signaux mono, stéréo ou 5.1.

Le principe en est le suivant :

  • Le signal audio de chaque canal est filtré pour tenir compte de caractéristiques fréquentielles de l’audition humaine. Il s’agit de prendre en compte l’effet de la tête de l’auditeur sur les signaux acoustiques qui lui parviennent et les caractéristiques fréquentielles de l’audition humaine. Ce filtre (qui est défini comme la succession de deux filtres, le pre-filter et le filtre RLB) est appelé  pondération K.
  • On mesure l’énergie moyenne de chaque canal en calculant le carré de la valeur RMS du canal concerné.
  • La mesure du loudness est ensuite obtenue effectuant la somme des énergies moyennes de chaque canal pondérées d’un coefficient dépendant du type de canal (avant ou arrière). Ces coefficients augmentent la contribution relative des canaux arrières ( de 1,5 dB environ) car nous sommes plus sensibles aux sons provenant de l’arrière. Une petite cuisine logarithmique que je ne détaillerai pas ici permet d’obtenir la valeur du loudness exprimée en LUFS (Loudness Units referenced to Full Scale), c’est à dire un résultat relatif à la pleine échelle numérique.

Dans la version actuelle de la recommandation, le canal LFE n’est pas pris en compte pour la mesure du loudness. Cela est susceptible de changer à l’avenir lors d’une révision de la recommandation.

Notez bien que cette recommandation ne spécifie pas de notion de temps d’intégration, on peut aussi bien mesurer le loudness d’un programme de deux heures que d’un extrait de dix secondes. Dans les deux cas, on obtiendra une valeur (probablement différente) : le loudness du signal mesuré.

Cette recommandation ayant vocation à reléguer aux oubliettes la mesure QPPM, cela a été l’occasion de réfléchir à la problématique de la mesure des crêtes d’un signal audio en numérique. Le principe même de l’échantillonnage peut conduire à des situations où le mesure de la valeur maximale des échantillons constituants le signal numérique (sample peaks) ne représente pas les crêtes originales du signal analogique. Lors de la conversion numérique-analogique ou lors de traitements numériques (notamment réduction de débit), ces crêtes peuvent être reconstituées, et donc poser des problèmes de distorsion si leur valeur est supérieure à la valeur maximale autorisée.

La recommandation décrit une méthodologie de mesure des crêtes d’un signal audio numérique prenant en compte cette problématique. La mesure ainsi obtenue s’exprime en dBTP (dB true peak). Sur certains signaux, cette mesure pourra avoir une valeur supérieure à celle d’une mesure sample peaks, voire une valeur supérieur à 0 dBTP.

La recommandation EBU R128

La recommandation EBU R128 s’appuie sur la recommandation ITU-R-BS1770-1, mais elle y adjoint deux notions importantes : le seuil relatif de mesure (relative gating threshold) et le temps d’intégration. Elle définit en outre un descripteur supplémentaire d’un programme audio : le loudness range (LRA), une mesure statistique de la plage dynamique d’un programme.

La mesure momentary loudness

La mesure momentary loudness, définie dans EBU Tech 3341, est la mesure du loudness du signal sur une fenêtre glissante de durée 400 ms. Elle s’exprime en LUFS. Cette mesure se comporte approximativement comme un VU-mètre.

La mesure short-term loudness

La mesure short-term loudness, définie dans EBU Tech 3341, est la mesure du loudness du signal sur une fenêtre glissante de durée 3 s. Elle s’exprime en LUFS.

La mesure gated integrated loudness

La notion de seuil relatif de mesure qui est introduite dans EBU TECH 3341 est destinée à prendre en compte la question des programmes comportant de manière volontaire, et à bon escient, des passages relativement silencieux. Un tel programme mesuré avec ITU R-BS1770-1 produira un niveau de loudness qui ne sera pas forcément représentatif du loudness des passages « significatifs » du programme (ceux qui modulent normalement). Pour remédier à ce problème, l’EBU a choisi de proposer une méthode de mesure qui ignore les passages relativement faibles d’un programme.

Voici comment cela se passe :

  • On effectue à intervalles réguliers une mesure de l’énergie moyenne de chaque canal du programme sur une fenêtre de 400 ms. La recommandation précise que le chevauchement entre deux fenêtres de mesure successives doit être supérieur à 50%, mais on s’oriente vers une révision qui indiquera que le chevauchement doit être de 75%. Un chevauchement de 75% implique de faire une mesure toutes les 100 ms.
  • On peut donc calculer le loudness de chaque fenêtre (ou bloc). Les blocs dont le loudness est inférieur à -70 LUFS sont purement et simplement ignorés. Pour les autres, on mémorise la mesure d’énergie moyenne par canal dans une table.
  • On peut ainsi calculer le loudness que produirait un signal composé uniquement des blocs mémorisés dans la table. Le seuil relatif de mesure est placé 8 dB en dessous de cette mesure. Il est probable que lors d’une prochaine révision, le seuil relatif sera finalement placé 10 dB en dessous.
  • On peut maintenant déterminer le relative gated loudness : c’est celui que produirait un signal composé uniquement des blocs mémorisés dans la table et dont le loudness est supérieur au seuil relatif. [Quelques précisions sur cette notion de seuil relatif ici.]

La recommandation R128 préconise que le loudness d’un programme complet ainsi mesuré soit de -23 LUFS.

Il faut donc faire bien attention quand on parle du loudness d’un programme de préciser s’il s’agit du loudness BS-1770-1 ou du loudness avec seuil de mesure. L’EBU le nomme Programme Loudness Level.

Le loudness range

Le loudness range est un descripteur qui est basé sur une analyse statistique des niveaux de loudness d’un programme à une échelle macroscopique. L’algorithme de mesure du loudness range est décrit dans EBU Tech 3342. Comme dans le cas de la mesure du gated loudness, l’algorithme utilise un seuil de mesure absolu suivi d’un seuil de mesure relatif. Il donne une idée de la manière dont les niveaux de loudness (mesurés sur une fenêtre glissante de 3 s) sont répartis au cours du programme. Le loudness range s’exprime en LU (loudness units relative).

Le maximum true peak

La recommandation R128 inclut la mesure des crêtes véritables conformément à ITU-R-BS1770-1.

Les valeurs spécifiées dans R128

La recommandation R128 précise notamment :

  • Que les trois descripteurs Programme Loudness, Loudness Range et Maximum True Peak Level doivent être utilisés pour caractériser un signal audio.
  • Que le niveau cible du Programme Loudness est fixé à -23 LUFS, avec une marge de ± 1 LU pour les programmes en direct.
  • Que le Maximum True Peak Level d’un programme durant la phase de production est fixé à -1 dBTP.
  • Que le Loudness Range doit être utilisé pour déterminer si le programme nécessite un traitement pour que sa dynamique soit adaptée à un système de diffusion/reproduction donné.

Tout cela est un peu théorique, quelles sont les conséquences pratiques lors de la fabrication ou la diffusion de programmes ? Ce sera l’objet d’un autre billet.

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Written by manu

02/04/2011 à 08:58

Publié dans Standards

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7 Réponses

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  1. on peux trouver celà dans soundtrack pro ?

    sundvold

    07/10/2011 at 17:11

    • Je n’en ai aucune idée, mais sans doute pas en natif. Est-ce que Soundtrack Pro supporte les plugins AU ?

      manu

      07/10/2011 at 18:28

  2. Super interressant et trés explicite. neanmoins vous dites au milieu de l’article :
    [On peut ainsi calculer le loudness que produirait un signal composé uniquement des blocs mémorisés dans la table. Le seuil relatif de mesure est placé 8 dB en dessous de cette mesure. Il est probable que lors d’une prochaine révision, le seuil relatif sera finalement placé 10 dB en dessous.
    On peut maintenant déterminer le relative gated loudness : c’est celui que produirait un signal composé uniquement des blocs mémorisés dans la table et dont le loudness est supérieur au seuil relatif.]

    Je comprends pas bien ce que veux dire : Le seuil relatif de mesure est placé 8 dB en dessous de cette mesure.
    – Qu’est ce que c’est que ce seuil ?
    – Pouquoi et comment un seuil relatif de mesure peut il etre placé 8dB en dessous de cette mesure ?
    – Je comprends pas la relation qu’il y a entre « La mesure » et « Le seuil relatif de mesure ».
    – Qu’est ce que signifie « relatif » ?

    Pouvez vous etre plus explicite concernant ce point. Comment ça marche ?
    Merci

    chabb

    05/11/2011 at 23:44

  3. Pour faire suite a ma question precedente, je suppose que la reponse est celle-ci : (en Anglais dans le document EBU – TECH 3341)

    Note:
    The gating function excludes from the measurement those blocks of audio that are below a threshold. For the relative-threshold based gating function this requires the computation stages described above, as the threshold to be used is itself based on a measurement of loudness. In a live meter the integrated loudness has to be recalculated from the preceding (stored) loudness levels of the blocks from the time the measurement was started, by recalculating the threshold, then applying it to the stored values, every time the meter reading is updated.

    C’est un seuil (-10 dBLU) calculé en fonction de la mesure precedent et qui donc evolue en fonction de celle-ci à chaque mesure.

    Est ce que cela signifie que le niveau des signaux en dessous de ce seuil relatif ne sont pas pris en compte pour etablir le niveau du « loudness level » ?

    Si je comprends bien, c’est un peu comme une pente. Toutes les asperités en creux inferieures à -10 dB LU/100ms ne sont pas prise en compte,
    Par contre si le niveau general du signal diminue plus progressivement dans une pente moins raide que -10 dB/100 ms, le signal continue d’etre pris en compte jusqu’a ce qu’il atteigne eventuellement -70 dB LUFS.

    J’ai bon ?

    chabb

    06/11/2011 at 00:12

  4. Merci beaucoup pour ce schéma, il permet de visualiser la différence entre un niveau résultant d’une mesure intégrant le seuil relatif (en rouge) et une mesure ne l’intégrant pas (en vert).

    Mais, excusez moi si je suis bouché, vous décrivez ces deux mesures et ce seuil comme des lignes droites, et comme si ces mesures étaient déjà le résultat d’un calcul, d’une intégration.
    Votre schéma semble décrire la « courbe » du seuil relatif comme si elle était une droite, un peu comme celle d’un Gate classique à seuil fixe. Est ce que la ligne en pointillé bleue ne devrait pas être une courbe ?

    Si je ne me trompe pas, la mesure d’un signal fluctuant donne par essence des valeurs qui fluctuent, je parle d’une mesure pure. Une succession de mesures à fréquence régulière d’un signal fluctuant donne une courbe.

    Quand je mesure un signal fluctuant a l’aide d’une fenêtre régulière (une sorte d’échantillonnage) dans des intervalles de 100 ms ou de 3 secondes, j’obtiens une courbe, qui va être plus douce, avec moins d’aspérité que si je l’avais mesurée avec une fenêtre de 1/1000 de sec ou à 44,1 Khz.

    Donc le résultat des mesures pondérées par la fréquence d’échantillonnage va donner une courbe.

    A cette courbe, je vais affecter une seuil relatif. Ce seuil devrait donc être décrit comme une courbe, puisqu’il est relatif. ça devrait être décrit comme une courbe parallèle celle du niveau mesuré.(de cela je ne suis pas très sur, je ne sais pas exactement de quel manière ce seuil est relatif au niveau mesuré)

    Mais donc, si on admet que la courbe du seuil suit parallèlement la courbe du niveau mesuré, et que la courbe de ce seuil est placé 10 dBLU en dessous de celle du niveau mesuré, ma question porte essentiellement à savoir et comprendre à quel moment et par quelle mécanique ce seuil « agit » et fait que la courbe de mesure des niveaux faibles n’est pas prise en compte pour établir le niveau du « Loudness Level » cible.

    J’espère que mon cheminement est clair.

    Les explication de l’article EBU – TECH 3341 semble donner ces éléments de réponses, à savoir :
    Que le seuil relatif « agit » (cad qu’il fait que la mesure du niveau du signal n’est pas prise en compte) quand une mesure de ce signal est 10 dBLU en dessous de celle de LA mesure précédente ou DES mesures précédentes. (j’arrive pas a savoir exactement)

    Ce qui semble être dit dans cette phrase :
    [In a live meter the integrated loudness has to be recalculated from the preceding (stored) loudness levels of the blocks from the time the measurement was started, by recalculating the threshold, then applying it to the stored values, every time the meter reading is updated.]

    Comme je suis pas très sur de bien comprendre cet anglais, j’aimerais une confirmation d’un ingénieur du son Français.

    Puisque ce seuil n’est pas fixe, je voudrais comprendre avec qu’elle « pente » il agit.

    Je vous remercie de votre attention et pour votre patience.

    PS : je voudrais moi aussi faire un schéma pour tenter d’être plus clair mais je sais pas comment l’intégrer à cet article.

    chabb

    06/11/2011 at 10:50

    • Re,
      tout d’abord, attention, le vert représente la mesure avec seuil relatif, le rouge la mesure sans.
      En fait, un des points de confusion vient du fait que vous vous intéressez à l’évolution de la mesure au fur et à mesure du temps, tandis que le schéma considère la mesure finale sur l’ensemble du programme.
      Effectivement, dans le cas d’une mesure temps réel, la mesure évolue sans cesse, ainsi que la valeur du seuil relatif, en fonction du contenu du programme. (« live meter » : outil de mesure en temps réel).
      Donc les fameux traits horizontaux représentent les valeurs à l’issue de la mesure du programme complet, et non pas l’évolution de la mesure en fonction du temps.
      Ce seuil est relatif dans le sens où à un instant donné, il est 10 LU en dessous de la valeur sans seuil mesurée à cet instant. Donc à la fin du programme, on a la mesure sans seuil de la totalité du programme, on peut en déduire la valeur du seuil, et déterminer la valeur de la mesure avec seuil de l’ensemble du programme.

      manu

      06/11/2011 at 11:31


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