ZOOM F6 : le moment qui a bouleversé le monde de l'enregistrement en 2019

En 2019, ZOOM lance son enregistreur de terrain F6, un produit qui a redéfini l'approche de l'enregistrement numérique sur le terrain. Premier enregistreur au monde à utiliser la technologie DUAL AD (double convertisseur A/N) et à associer à l'enregistrement en 32 bits à virgule flottante, pour éliminer la nécessité de régler les niveaux d'entrée (gain). Sur les appareils d'enregistrement classiques, le réglage de niveau d'entrée est fixe et réalisé en amont de la prise. Un réglage inapproprié ou un changement non anticipé de niveau de la source peut rendre un enregistrement inexploitable. Le F6 a introduit une nouvelle approche, permettant d'enregistrer sans risque d'écrêtage dû à des réglages de gain incorrects, et d'ajuster et de restaurer ultérieurement le signal. Nous allons explorer les avancées techniques qui ont permis de dépasser les limites de l’enregistrement 24 bits, pour aboutir à l’introduction du DUAL AD et à l'avènement de l’enregistrement en 32 bits à virgule flottante. Mais aussi découvrir comment ces technologies se sont finalement imposées comme des normes dans les environnements de production modernes.

L'écart entre la théorie et la réalité de l'enregistrement en 24 bits

Avant l’avènement du 32 bits à virgule flottante, le PCM linéaire 24 bits était la norme en matière d'enregistrement numérique. Bien que ce format offre théoriquement une plage dynamique assez large (environ 144 dB), dans la pratique, des contraintes telles que le rapport signal/bruit (S/N) et la marge dynamique des circuits analogiques empêchaient de l'exploiter pleinement.

● Avec un niveau d'entrée réglé haut, des sons soudains et puissants peuvent dépasser 0 dBFS, provoquant un écrêtage numérique.

● Lorsque le niveau est réglé trop bas par mesure de sécurité, le bruit de fond et le bruit de quantification peuvent devenir perceptibles en remontant le niveau au montage.

Le réglage de gain analogique sur le terrain

Pour les raisons évoquées plus haut, le réglage du gain d'entrée constituait l'une des tâches les plus critiques sur un plateau d'enregistrement, et déterminait directement la qualité de l'enregistrement. Il demandait une attention constante dans les situations où les niveaux sonores étaient imprévisibles, telles que :

● Des enregistrements musicaux en direct,

● Des changements de volume lors de la prise de son de films et de séries télévisées,

● L’enregistrement de documentaires et d'effets sonores.

Un seul passage critique saturé, et c'est l'intégralité de l'enregistrement qui pouvait être inutilisable.

Le concept d'enregistrement de sûreté

Pour dépasser les limites des méthodes d'enregistrement conventionnelles, ZOOM propose en 2015 une solution particulièrement ingénieuse avec l'enregistreur de terrain F8.

Le principe consiste à enregistrer une même source sur deux canaux distincts, avec deux niveaux de gain différents.

Cette approche fait l'objet du brevet n° 6 506 623.

Concrètement, le F8 génère simultanément deux flux d'enregistrement distincts à partir d'une même source :

• Une piste principale, enregistrée au niveau choisi par l'opérateur ;
• Une piste de secours, dont le gain est réduit de 12 dB par rapport à la piste principale, afin de disposer d'une marge de sécurité supplémentaire.

La redondance comme filet de sécurité

Grâce à cette méthode, si la piste principale est écrêtée à la suite d'une augmentation inopinée du volume, l’enregistrement peut être récupéré à l’aide de la piste de secours, à priori sans distorsion. Cette solution présentait toutefois deux limites :

● Une intervention humaine reste nécessaire pour déterminer quelle piste utiliser,

● La gestion de deux fichiers reste une contrainte.

C'est pourquoi le F8 n'a pas entièrement résolu le problème. Il ne générait pas automatiquement l'enregistrement unique et optimal souhaité.

Le concept de synthèse numérique

S'appuyant sur cette expérience, l'équipe de développement de ZOOM s'est lancé un nouveau défi : réunir ces deux signaux en temps réel grâce à un traitement numérique. L'objectif était d'obtenir un fichier unique sans distorsion, évitant à l'utilisateur d'avoir à gérer des pistes principales et de secours distinctes.

La double conversion (DUAL AD)

Ce concept a donné naissance au système qui allait plus tard être baptisé « DUAL AD ». Ce système fonctionne en divisant le signal en deux voies :

● Un circuit à fort gain pour amplifier les signaux faibles,

● Un second circuit à gain modéré pour les signaux de forte amplitude.

Les défis techniques menant à la commercialisation

La mise en œuvre de ce concept a posé des défis :

● Atténuer les erreurs de phase et de niveau causées par la séparation analogique,

● Atténuer le bruit lors de la commutation et de la synthèse de la sortie AD,

● Garantir la stabilité du traitement en temps réel,

● Concevoir un circuit adapté à la production en série.

L'équipe de développement a testé cette solution au travers de nombreux prototypes et autant de vérifications, afin d'affiner la méthode DUAL AD pour la rendre exploitable et pertinente.

Les défis techniques menant à la commercialisation

La mise en œuvre de ce concept a posé des défis :

● Atténuer les erreurs de phase et de niveau causées par la séparation analogique,

● Atténuer le bruit lors de la commutation et de la synthèse de la sortie AD,

● Garantir la stabilité du traitement en temps réel,

● Concevoir un circuit adapté à la production en série.

L'équipe de développement a procédé à de nombreux prototypage et autant de vérifications, afin d'affiner la méthode DUAL AD pour la rendre exploitable et pertinente.

Repenser les formats d'enregistrement

Parallèlement au développement du DUAL AD, ZOOM procédait à des tests sur les formats d'enregistrement. Si les fréquences d'échantillonnage élevées suscitaient un vif intérêt, il est apparu que la dynamique du signal, dépendante de la profondeur en bits d'un enregistrement audionumérique, était un paramètre qui offrait le plus de perspectives d'amélioration pour les enregistrements.

La véritable valeur du DUAL AD et les limites du format à virgule fixe 24 bits

Le principe technique du système DUAL AD est le suivant : même les sons les plus faibles, une fois passés par un circuit à gain élevé, peuvent bénéficier d’une résolution proche de la largeur totale des 24 bits disponibles. Car dans un enregistrement normal, avec un gain fixe, les sons les plus faibles n'utilisent que les quelques bits les plus bas, ce qui se traduit par une résolution inférieure.

Avec le DUAL AD, les sons faibles sont au contraire capturés par un convertisseur analogique-numérique (AD) précédé d'un préamplificateur à gain élevé, ce qui permet de conserver un maximum d’informations sonores. Cela soulève toutefois un autre problème : le système DUAL AD génère une large gamme de données entre les sons forts capturés par le couple analogique-numérique à faible gain et les sons faibles capturés par celui à gain élevé. Une fois réunis dans un fichier conventionnel à virgule fixe de 24 bits, la pleine résolution capturée par le convertisseur à gain élevé est pour ainsi dire perdue.

Adoption du format de fichiers 32 bit à virgule flottante

Afin de conserver un maximum d'informations, le format à virgule flottante 32 bits a été choisi. On présente souvent le 32 bits à virgule flottante comme un format dénué de distorsion, mais il n'est que l'ultime étape d'une chaîne audio. Ce format est un conteneur parfait pour conserver sans dégradation les données générées par les deux convertisseurs. Un nombre à virgule flottante 32 bits se compose d’une mantisse et d’un exposant, permettant, avec un encombrement 1,5 fois plus élevé que celle des fichiers 24 bits, de proposer une résolution plus de dix fois supérieure. Ceci permet d'accueillir les signaux en sortie du système DUAL AD, du murmure le plus discret au son fort et soudain, sans perte de données.

En 2019, ZOOM a lancé le F6, le premier enregistreur de terrain au monde à associer la technologie DUAL AD à l’enregistrement en 32 bits à virgule flottante.

La particularité du F6 est qu'il évite à l’ingénieur du son d’avoir à régler le gain d’enregistrement. Le signal d’entrée est divisé en deux voies :

● Les sons faibles sont capturés en haute résolution via le convertisseur A/N à gain élevé,

● Les sons forts sont capturés sans écrêtage via le convertisseur A/N à faible gain.

Le résultat est enregistré sous la forme d’un seul fichier audio en 32 bits à virgule flottante.

Le point essentiel est que le F6 n’est pas conçu pour corriger a posteriori un son déformé. Il est conçu pour éviter dès le départ toute distorsion et tout manque de résolution. Par conséquent, le F6 a complètement supprimé la nécessité de régler le gain dans l’environnement d’enregistrement, et de le surveiller en cours d'enregistrement.
Ceci élimine les risques d'erreur et les imprévus, et sécurise les opérateurs qui peuvent se concentrer sereinement sur d'autres tâches.

L'arrivée du F6 a révolutionné la manière dont les professionnels de la vidéo et de l'audio abordent l'enregistrement sur le terrain. Les opérateurs n'ont plus besoin de régler le gain pendant l'enregistrement et peuvent désormais ajuster librement le volume au montage sans altérer la qualité sonore. Cela correspond à un type RAW, appliqué à de l'audio. Ceci est un avantage évident pour les configurations légères où une seule personne gère à la fois la caméra et le son, ainsi que dans le vlogging et la production YouTube.

Variations pendant l'enregistrement

Avec le F6, il n’est plus nécessaire de surveiller le réglage fin du gain pendant l’enregistrement, même dans des situations telles que :

● Un cri soudain d’un acteur,

● Des pics de volume inattendus causés par le bruit ambiant,

● Des changements brusques de volume pendant une représentation en direct.

Grâce au système DUAL AD qui capte simultanément les informations provenant des canaux à gain élevé et à gain faible, et les enregistre au format 32 bits à virgule flottante, ces changements de volume inopinés n'affectent plus la qualité de l'enregistrement.

Ce qui change pour l'édition

L'acquisition avec double conversion et le stockage au format 32 bits à virgule flottante offrent un meilleur rapport signal/bruit que l'enregistrement classique en 24 bits avec une conversion unique. Le fait d'amplifier a posteriori des sons extrêmement faibles fait remonter le bruit de fond provenant des circuits analogiques et introduit un bruit de quantification dû à la résolution limitée des contenus à faible volume. En 24 bits, il peut être difficile de restaurer des sons faibles à une qualité utilisable.

Avec un appareil DUAL AD tel que le F6, les sons faibles sont amplifiés par un circuit AD dédié à gain élevé, apportant :

● Un rapport signal/bruit amélioré : le signal analogique étant enregistré bien au-dessus du seuil de bruit, le bruit de fond reste faible même après amplification.

● Une résolution préservée : l’amplitude de la forme d’onde étant augmentée avant la conversion analogique-numérique, la résolution des convertisseurs est mieux exploitée, ce qui permet de capturer des détails qui auraient été perdus sinon.

Ces données sont ensuite stockées dans un fichier 32 bits à virgule flottante, qui offre une dynamique très importante. Ainsi, même lorsque la forme d’onde est considérablement amplifiée dans un logiciel de montage, le son reste exempt de bruit et de distorsion.

● Absence d’écrêtage (grâce à une conversion analogique-numérique à faible gain) : le son ne subit aucune distorsion lors de pics soudains.

● Faible niveau de bruit (grâce à une conversion analogique-numérique à gain élevé) : l’amplification des sons faibles n’introduit pas de granularité.

Ces deux facteurs permettent un flux de travail dans lequel une marge de sécurité est maintenue pendant l'enregistrement, et où les réglages sont effectués lors du montage, sans aucune perte de qualité sonore.

Initialement mises au point pour le F6 et destinée au son à l'image, les technologies DUAL AD et le 32 bits à virgule flottante ont été mis en application dans d’autres catégories de produits :

● ZOOM UAC-232 : interface audio

● ZOOM L6 (LiveTrak) : console de mixage numérique

● MicTrak : enregistreur portable

● Série Essential : enregistreurs portables

La prise en charge de l’audio en 32 bits à virgule flottante se généralise dans le secteur. ZOOM a toutefois été le premier à mettre en pratique sur le terrain un système d’enregistrement combinant la technologie DUAL AD et l’audio en 32 bits à virgule flottante. 32 bits à virgule flottante

En 2006, le H4 a démocratisé l’enregistrement portable de haute qualité. En 2019, le F6 et la technologie DUAL AD ont établi une nouvelle norme : l’enregistrement sécurisé. Cette évolution a apporté plusieurs avantages :

● Une réduction du stress lié à l'enregistrement,

● Une plus grande liberté créative lors du montage,

● La possibilité pour les créateurs de se concentrer sur les autres aspects de la réalisation de leurs contenus.

La combinaison de la technologie DUAL AD et du traitement du signal en 32 bits à virgule flottante améliore la fiabilité du processus d'enregistrement lui-même.