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NAUTILUS-88KORG

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本体のサンプリング結果に不満があれば・・・

2021/10/08 11:30(1ヶ月以上前)


シンセサイザー・キーボード > KORG > NAUTILUS-88

スレ主 CDoryAさん
クチコミ投稿数:183件 Bug head Nontallion 

低音消失のリサンプル周波数表

200万タップのリサンプル処理後

KORG NAUTILUS-88 を使い、音楽再生ソフトの研究開発を進めていますと、24bit WAV でサンプリングしていても、NAUTILUS-88 でリサンプル処理されており低音域が不鮮明になるトラブルを確認しました。内蔵曲 Abyss を例にしますと、幻想的な音調に聞こえる点が大問題です。オーディオのように聞こえますと、音楽制作では都合が悪いです。ヘッドホン BDJ-1000によりシーケンサーで鳴らしても、何かおかしいバランスに聞こえます。

そこで、自作ソフトによる最高3,000万タップのリサンプル処理プログラムを作りました。最初は512点処理の2倍の1024点で処理するだけでしたが、参照点数を多くすると失われた低音を復元できると分かりました。10万タップまで対応したら、低域は良くなりました。それを800万タップまで対応して、さらに良くなったので3,000万タップまで対応させました。

こうしたプログラムは配布で権利侵害があると嫌な事になると想定して、精度を若干ですが落としています。

円周率の精度
3.1415926535897932384 本来の精度
3.1415926535897932380 4ビットの劣化(自作ソフト)

リサンプル計算
位相 0.5 本来の位置
位相 0.25 ずらした位置(自作ソフト)

このように品質を劣化させています。それでもプロ品質です。

リサンプル処理の演算テーブル精度
FPU演算時にSSEレジスタを使用、低精度 52ビット
FPU演算時にSSEレジスタを未使用、高精度 64ビット(自作ソフト)

FPU演算時にxmmレジスタへ入れて変数へ入れる処理で仮数52ビットへ精度が落ちます。FPU演算時はFPUのみとして仮数64ビットの精度を維持して、演算テーブルを作成、演算テーブル作成の最後で倍精度 double の変数へ書き込むことで高精度になります。音楽再生ソフトで再生しますと、とても大きい差になります。

仮数 64ビット - 仮数 52ビット = 12ビット

12ビットは数字にして4で割り、3文字分です。ほとんど音楽編集ソフトは3文字分の影響を受けます。

円周率の精度
3.1415926535897932384 本来の精度
3.1415926535897932000 12ビットの劣化となり、音質へ影響(通常のコンパイラー)
3.1415926535897932380 4ビットの劣化(自作ソフト)(手書きアセンブラ)

KORG NAUTILUS-88 は ATOM プロセッサーを採用している可能性があるのですが、様々な演算処理において、12ビットの劣化が起きている感じの音です。

音響処理演算のSINC定義関数
返値 xmm0
ここで、xmm0 を使用した時に仮数52ビットへ落ちます。FPU演算時、FPU命令だけですべてを書くと高精度 仮数64ビットを維持するため解決します。

最高3,000万タップのリサンプル処理プログラム
入力 WAV FLAC
出力 32bit Float WAV
タグ情報の引き継ぎ制限 xrecode変換のWAVのみ

演算時間、Intel Core i3-10300 3.7GHz TB-OFF 4C/8T
2分の音楽、200万タップ 3時間、800万タップ 12時間、3,000万タップ 48時間

Bug head Nontallion のホームページで配布しています。

書込番号:24385040

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スレ主 CDoryAさん
クチコミ投稿数:183件 Bug head Nontallion 

2021/10/09 17:11(1ヶ月以上前)

知人から分かりにくい所を指摘されたので、Q&Aで答えたい。

Q「NAUTILUSで気を付けたい事とは?」

自作ソフトで200万タップのりサンプル処理をすると、NAUTILUSのPCM音源 HD-1 High Definition Synthesizer の音色が消滅してしまう。これはスタジオの編集内容によっては、また未来の音響処理演算で、音色の消滅によって意図した通りに鳴らない可能性がある。サンプリング周波数の10分の1ぐらいタップ数でリサンプル処理していれば、トラブルは起きない。44.1KHz なら 4092、96kHz なら 8192 のリサンプル処理であれば消えないが、44.1kHz で 16384 のリサンプル処理をすると、おかしいバランスになる。

HD-1 へ対応しているリサンプル処理の参照点数
44.1kHz リサンプル処理 タップ数 1024 2048 4096
96.0kHz リサンプル処理 タップ数 2048 4096 8192

Q「Bug head Nontallion の 7点飛ばしとは?」

演算処理から推定されるイメージです、調査するのに100万円以上かかります。

7点飛ばしですので、実際の参照点は8倍になります。
高域のデータを参照しないので、高域は聞こえにくくなります。
128点×8 = 1024点(Low)
512点×8 = 4096点(SuperBlack)
2048点×8 = 16,384点(Extreme)

128点 44.1kHz では
低域ディザは、21Hz〜172Hzにランダムな低域情報が離散的に存在
高域ディザは、2,756.25Hz 高域ロスト限界点、2756Hz〜22,050Hzでディザ
しかし、
172Hzから2756Hzの音データに関してディザは発生しない。

512点では、低域ディザ 5Hz〜43Hz、高域ディザ 2756Hz〜22,050Hz
2048点では、低域ディザ 2Hz〜11Hz、高域ディザ 2756Hz〜22,050Hz

ほとんどのJPOPやアニソンは128点で鳴らすと良好なバランスへ
ピアノ曲は 512点で鳴らすと完璧なバランスへ、2048点は実験的

Q「位相 0.25 はどのように決まったか?」

通常のリサンプル処理は位相を 0.5 とする教科書、音は変化しない。
リサンプル処理というと、位相 0.5 にして処理するのが普通です。

SINCリサンプル処理の基礎研究を始めて、約4日ほどで分かる話
位相 0.5 では良くならない。位相 0.25 では良くなる。
位相 0.0 に近付く 0.15 にすると原音に近いけど音は悪い。
色々と試して、2009年の時点で 0.25 が最も良くなる数値だった。

Q「SINCリサンプル処理で、FPU処理とは?」

FPUには x87命令、SSE命令、AVX命令、SIN関数を用いるFPUはx87命令

参考文献 C言語によるサウンドプログラミング
Procedure.d Sinc(x.d)
If x = 0
ProcedureReturn 1.0
Else
ProcedureReturn Sin(x)/x
EndIf
; double では通常 xmm0 が使用される。
EndProcedure

Procedure CreateSincTable(sample.l)
#PI_64 = 3.1415926535897932385
Protected i.l
For i=-sample To sample
PokeD(*sinc_table+(i+sample)*8, Sinc(#PI_64*(0.5+i)))
Next
; double で演算テーブルを作成、0.5 を 0.25 へ変更した。
; Sinc() の返値は double 仮数52ビット、低精度になる。
; PI_64前半+PI_64後半で2分割の演算で、PokeD(*table, xxx)
; xxx へ、この開発環境ではFPU演算をまとめると、すべてx87命令で実行される。
EndProcedure

信号値の前後を参照して、演算テーブルと掛け算、合計値をリサンプル値とする。
演算テーブルは プラスとマイナス で作られるので、足したり引いたりする。
ネットに転がっているソースコードは権利侵害等の問題があるので、
このリサンプル処理の演算については、手書きアセンブラで書くべき。

書込番号:24387103

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スレ主 CDoryAさん
クチコミ投稿数:183件 Bug head Nontallion 

2021/10/15 08:34(1ヶ月以上前)

Q 「0.25、どういう根拠で決めたのですか?」

2009年の研究では音楽によって 0.25 が正しい場合と正しくない場合、様々に変化する理由がよく分かりませんでしたが、音楽再生ソフトの研究開発で超低ジッターを実現できる様になりますと、その理由は明瞭に把握できるようになりました。

0.50 = 100/200、AD変換時の周波数 20,000Hz 教科書の数値
0.25 = 100/400、AD変換時の周波数 40,000Hz Bug head Standard
-
0.23 = 100/441、AD変換時の周波数 44,100Hz
0.21 = 100/480、AD変換時の周波数 48,000Hz Standard Reference
-
0.11 = 100/882、AD変換時の周波数 88,200Hz
0.10 = 100/960、AD変換時の周波数 96,000Hz 2nd Reference
-
0.06 = 100/1764、AD変換時の周波数 176,400Hz DSD64録音?
0.05 = 100/1920、AD変換時の周波数 192,000Hz

このように 0.5 をAD変換時の周波数に合わせて変更させますと、リサンプル処理は正確になると分かっていますが、この根拠はよく分かりません。音楽再生ソフトの研究開発で、超低ジッター出力を実現できる条件を達成して、微妙な差が把握できるようになり、ようやく条件が分かってきました。普通の音楽再生ソフトでは、ジッター影響で正しく判断できません。

このうち、48,000Hz にしますと、ほとんどの音楽では最も正確になると判明しています。誤差によって大きな差になりますので、FPU演算だけで処理を記述しなければなりません。割り切れない数値は最後のFPU演算で計算するように、計算式を最適化します。

Q「なぜ、512点の参照点数ではダメですか?」

世界で問題となっているスマホ難聴問題とは、日本のアニソンなど、リサンプル処理で低域消失した編集をしたり、CD製造時かCDRIP時に128点リサンプル処理したり、スマホで軽い演算にしようとして16点リサンプル処理しました。それで重低音が無いため、イコライザー補正して鳴らしますと中高域は強くなりすぎ難聴になります。このような原因を想定しています。最初に添付したリサンプル処理で消失する低域表を参考にして下さい。これは正しい計算に基づいていませんが、だいたい把握できると思います。

512点の編集ソフト、48.0kHz 48Hzで48Hz未満はリサンプル処理され、50Hz以上は正確に鳴らせます。しかし、96kHz を編集すると95Hzで95Hz未満はリサンプル処理され、95Hz未満は不鮮明になります。音楽再生環境が良い場合、プリアンプ回路で不鮮明の低域は復元されて、問題には気付きません。若い人が買い求めるアンプでは、プリアンプ回路が中途半端な設計になるため、低域は復元できません。イコライザー補正で重低音強化しますと、中高域は強く鳴りすぎ、騒音問題や難聴問題になります。

BRZHifi TPA3255-A デジタルアンプ(Amazonで買える)、中華製品ではプリアンプ回路を完璧に作ってありトラブルに気付きにくいです。一方、日本製品の Denon PMA-600NE ではオーディオを追求しているため、低域復元の不完全なプリアンプ回路となっており、この問題に気付きやすいです。モニタースピーカー(アクティブ型)では、低域復元できないので、問題は明瞭に把握できます。

KORG NAUTILUS ではリサンプル処理してサンプリングしています。低域が不鮮明になりやすいです。無理して低域を増幅しますと、スタジオでの仕事が増えると思います。4096点 48,000Hz で低域復元のリサンプル処理を行えば、この問題に対応できると思います。4096点より大きくなりますと、前述したように PCM音源 HD-1 の音色が消えかかります。重厚な低音を求めていないなら、2048点で処理すれば良いと思います。

Q「どこにも根拠となる資料はありません」

超低ジッターの音楽再生ソフトの研究開発をしていると問題に気付きます。この問題の対処方法は説明できますが、具体的な科学的根拠は説明できません。資料は無いと思います。

書込番号:24396461

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スレ主 CDoryAさん
クチコミ投稿数:183件 Bug head Nontallion 

2021/10/25 11:11(1ヶ月以上前)

素人作成のリサンプラーでも、オーディオマニアは素晴らしいと言ってくれます。それで、Bug head Resampler というユーティリティを作り、配布しています。EXEをバイナリ編集すれば、3,000万タップを試せる仕様です。

以前から分かっている話についても、シェアしておきたいと思います。

ADコンバーター、リサンプル説 256点の確認 86.1Hz-22kHz、512点以上でリサンプル処理しますと、低音域の復元が見られます。オーディオのプリ回路で低音域の復元をします。

高音質CD、リサンプル説 128点の確認 172.3Hz-22kHz、256点以上でリサンプル処理しますと、低音域の復元が見られます。オーディオのプリ回路で低音域の復元をします。

KORG NAUTILUS、リサンプル仕様 512点の可能性 43.1Hz-22kHz、1024点以上でリサンプル処理しますと、低音域の復元が見られます。512点の処理ではなにも変化ありませんが、256点の処理では低音域の消失が起きます。1024点にすれば 23.4Hz ... 24000.0Hz となりますけれど、市販される音楽の水準に達しません。最低 2048点で 11.7Hz ... 24000.0Hz 、業界の基準は 4096点 5.9Hz ... 24000.0Hz、高級オーディオマニアで評価の高い音楽では 8192点 2.9Hz ... 24000.0Hz となります。しかし、Abyssを聞いた限りでは 8192 点になりますと PCM音源 HD-1 の音色消滅が起きやすいです。

こうした結果は、自作ソフトで確認すれば、15分ぐらいで確認できます。KORG NAUTILUS で512点のリサンプル処理をしていると分かれば、低域の下限を 45Hz とするクラブ系EDMでは問題にならないと思われるけれど、市販される音楽を想定する用途では本体でサンプリングすると良くありません。

TRSフォーン出力(バランス)を(プリアンプを経由して低域復元をかけてから)アナログ録音してからADコンバーターで処理すると問題は解決されると思っています。プリアンプ回路を経由してADコンバーターへ入力されるタイプのDTMインターフェースを使えば、この問題は分からないと思います。オシレーター式という仕様になっているようだけれど、A0とB0を弾いた時、リサンプル処理している感じの音程変更を感じられますので、帯域制限フィルターが 30Hz 未満をカットする仕様になっていると思います。

まとめ
88鍵のSGX-2などオシレーター式は A0 B0 を正しく鳴らせません。
NAUTILUS のサンプリングは 512点 リサンプル処理 と予想されます。
45Hz未満の音を録音する際は、プリアンプ経由である必要性。

書込番号:24412626

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