A qué suena el aliasing?
Publicado: Lun Feb 17, 2020 4:53 pmAl aliasing no se le presta tanta atención en el mundo de la imagen como en el mundo del audio, donde es un problema realmente grave que requiere tratamiento sí o sí. Muestrear (o procesar) señales de audio sin un filtrado AA (el que tantos fotógrafos parecen odiar) es directamente inviable.
Por qué con imágenes, que no deja de ser un sistema de muestreo digital, somos más permisivos con el aliasing y hasta se suelen preferir a menudo las cámaras que no llevan filtro AA? gracias a una unión de factores:
Para ver a qué suena el aliasing y lo importante que llega a ser en el mundo del audio, hasta el punto de arruinar un sonido, he grabado una secuencia de 30s con un tono de diente de sierra de 4,27 kHz (una señal periódica muy rica en armónicos y que por lo tanto requiere sí o sí un filtro AA previamente a ser digitalizada), alternando 1s con filtro AA y el siguiente segundo sin filtrado AA. El tono original ya de por sí es muy chirriante (esto no es lo importante) por ser muy agudo, pero cuando se mezcla con el aliasing se torna casi insoportable.
Junto a la forma de onda (donde en la señal digitalizada sin filtro AA podreís ver las muestras perfectamente alineadas según lo que sería una forma de onda de diente de sierra ideal), se puede ver el espectro. La señal original al ser un diente de sierra de 4,27kHz contiene 5 armónicos principales que son los únicos al alcance de los 48kHz de frecuencia de muestro. El último armónico de 5*4,27 = 21,35kHz está de hecho ya fuera del alcance del oído humano, y el penúltimo de 4*4,27 = 17,08kHz sólo al alcance de unos pocos, así que en realidad estaremos oyendo 3 armónicos. En la señal con aliasing el espectro se contamina de réplicas de sí mismo que invaden la zona audible llenándola de ruido que se percibe como una distorsión adicional muy molesta:
[youtube]http://www.youtube.com/watch?v=vIEHxinB134[/youtube]
Aunque un diente de sierra ideal tiene tramos perfectamente rectos:
Es imposible con un sistema digital generarlo ya que requeriría un ancho de banda infinito (infinita frecuencia de muestreo, infinitos Mpx en fotografía). Esto no es problema porque como nuestro sistema auditivo es muy pobre, incapaz de reconocer frecuencias por encima de 20kHz, lo que se hace es eliminar los armónicos por encima de la máxima frecuencia audible (en esto consiste precisamente el filtro AA). Es decir, que a nuestros oídos ese diente de sierra tan ondulante suena exactamente igual que sonaría un diente de sierra analógico con una rampa lineal y perfecta que enviáramos a nuestro equipo de sonido. Y eso suponiendo que nuestro equipo de sonido reprodujese frecuencias ultrasónicas, cosa que tampoco se da.
Aquí puede verse como la forma de onda que se tiene con los primeros 5 armónicos es idéntica a la versión con filtro AA de arriba:
Un correcto sistema de muestreo digital debería llevar un filtro AA previo, así que suprimirlo a las bravas no es ortodoxo se pongan como se pongan los haters del filtro. La realidad es que estos filtros en el dominio óptico son difíciles de diseñar: lo normal es que no nos libren al 100% del aliasing y además provoquen cierta pérdida de nitidez en las frecuencias que no deberían verse afectadas. Por este motivo y por los esgrimidos al principio, existen modelos de cámaras que suprimen el filtro AA porque se considera que el beneficio de ponerlo no supera los inconvenientes.
En mi opinión la mejor manera de no sufrir aliasing es el sobremuestreo: cuántos más Mpx, mejor. En esa situación el filtro AA en el sensor deja de ser necesario porque son la óptica y otros factores (micro trepidación, difracción,...) los que actúan como filtros AA efectivos completando el sistema de muestreo digital. La Pentax K3 por ejemplo usa una microtrepidación controlada inducida por el estabilizador como filtro AA de quita y pon.
Salu2!
Por qué con imágenes, que no deja de ser un sistema de muestreo digital, somos más permisivos con el aliasing y hasta se suelen preferir a menudo las cámaras que no llevan filtro AA? gracias a una unión de factores:
- Para que se note el aliasing en una captura fotográfica se tienen que alinear los planetas: la escena debe tener un detalle muy fino en alguna de sus partes y éste debe ser periódico, la óptica debe ser capaz de superar la resolución del sensor, y la zona donde pueda producirse este aliasing debe estar en perfecto foco, sin trepidación y usarse una apertura que no ocasione difracción.
- En todo caso en una cámara, en general la óptica ya hace cierto filtrado AA porque su resolución es limitada y continua. Aunque el sensor no lleve filtro AA, la óptica, sobre todo si no es muy resolutiva en comparación con la densidad del sensor, eliminará el detalle más fino de la escena evitando o minimizando el aliasing. Por este motivo cuantos más Mpx tenga un sensor más seguro es quitar el filtro AA. En audio para evitar aliasing, además de filtrado AA donde proceda, se recurre al sobremuestreo (lo equivalente en fotografía a trabajar con muuuchos Mpx), pero a costa de consumir mucha CPU en aplicaciones de tiempo real.
- Incluso aunque todo lo anterior no haya funcionado, los perjuicios del aliasing una vez se produce son subjetivamente mucho menos dañinos (patrones o colorines en cierta parte de la imagen). Es más, resulta habituar interpretar el aliasing (que en realidad es ruido indeseable) como detalle extra de la imagen, especialmente en zonas de detalle muy fino pero no repetitivo (follaje, texturas naturales,...). En audio es imposible confundir el aliasing con una señal que queremos que esté allí.
Para ver a qué suena el aliasing y lo importante que llega a ser en el mundo del audio, hasta el punto de arruinar un sonido, he grabado una secuencia de 30s con un tono de diente de sierra de 4,27 kHz (una señal periódica muy rica en armónicos y que por lo tanto requiere sí o sí un filtro AA previamente a ser digitalizada), alternando 1s con filtro AA y el siguiente segundo sin filtrado AA. El tono original ya de por sí es muy chirriante (esto no es lo importante) por ser muy agudo, pero cuando se mezcla con el aliasing se torna casi insoportable.
Junto a la forma de onda (donde en la señal digitalizada sin filtro AA podreís ver las muestras perfectamente alineadas según lo que sería una forma de onda de diente de sierra ideal), se puede ver el espectro. La señal original al ser un diente de sierra de 4,27kHz contiene 5 armónicos principales que son los únicos al alcance de los 48kHz de frecuencia de muestro. El último armónico de 5*4,27 = 21,35kHz está de hecho ya fuera del alcance del oído humano, y el penúltimo de 4*4,27 = 17,08kHz sólo al alcance de unos pocos, así que en realidad estaremos oyendo 3 armónicos. En la señal con aliasing el espectro se contamina de réplicas de sí mismo que invaden la zona audible llenándola de ruido que se percibe como una distorsión adicional muy molesta:
[youtube]http://www.youtube.com/watch?v=vIEHxinB134[/youtube]
Aunque un diente de sierra ideal tiene tramos perfectamente rectos:
Es imposible con un sistema digital generarlo ya que requeriría un ancho de banda infinito (infinita frecuencia de muestreo, infinitos Mpx en fotografía). Esto no es problema porque como nuestro sistema auditivo es muy pobre, incapaz de reconocer frecuencias por encima de 20kHz, lo que se hace es eliminar los armónicos por encima de la máxima frecuencia audible (en esto consiste precisamente el filtro AA). Es decir, que a nuestros oídos ese diente de sierra tan ondulante suena exactamente igual que sonaría un diente de sierra analógico con una rampa lineal y perfecta que enviáramos a nuestro equipo de sonido. Y eso suponiendo que nuestro equipo de sonido reprodujese frecuencias ultrasónicas, cosa que tampoco se da.
Aquí puede verse como la forma de onda que se tiene con los primeros 5 armónicos es idéntica a la versión con filtro AA de arriba:
Un correcto sistema de muestreo digital debería llevar un filtro AA previo, así que suprimirlo a las bravas no es ortodoxo se pongan como se pongan los haters del filtro. La realidad es que estos filtros en el dominio óptico son difíciles de diseñar: lo normal es que no nos libren al 100% del aliasing y además provoquen cierta pérdida de nitidez en las frecuencias que no deberían verse afectadas. Por este motivo y por los esgrimidos al principio, existen modelos de cámaras que suprimen el filtro AA porque se considera que el beneficio de ponerlo no supera los inconvenientes.
En mi opinión la mejor manera de no sufrir aliasing es el sobremuestreo: cuántos más Mpx, mejor. En esa situación el filtro AA en el sensor deja de ser necesario porque son la óptica y otros factores (micro trepidación, difracción,...) los que actúan como filtros AA efectivos completando el sistema de muestreo digital. La Pentax K3 por ejemplo usa una microtrepidación controlada inducida por el estabilizador como filtro AA de quita y pon.
Salu2!
