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2008-Jul

중급 MP3음질 과연 얼마나 나쁜가?

작성자: 토미™ 조회 수: 65499

배경
MP3는 CD보다 음질이 무조건 안 좋습니다. 왜 그런지 궁금하신 분들은 제가 예전에 작성을 한 "CD보다 MP3파일의 음질이 나쁜 이유는?" (http://goldenears.net/board/996) 게시물을 읽어보시기 바랍니다. 그런데 사람에 따라서는 그러한 차이를 느끼지 못하는 사람도 있습니다. 즉 사람마다 청각 능력이 다 달라서 어떤 분들은 mp3파일을 들으면 짜증이 난다는 분도 계시고 또 어떤 분들은 전혀 구분을 하지 못 하시는 분들도 계십니다. 그래서인지 mp3의 음질에 대하여 여러분들의 의견이 분분한 것 같습니다. 왜냐하면 본인은 MP3음악을 아무리 들어봐도 음질이 나쁜 것을 실제로 느끼지 못하기 때문에 다른 사람이 MP3는 음질이 너무 나쁘다고 하면 이해가 안되기 때문입니다. 그래서 MP3음질 과연 얼마나 나빠지는가?에 대하여 공정하게 그리고 객관적으로 알아보기 위하여 "측정을 하여" 분석을 해 보기로 하였습니다. 측정에 대하여 거부감이 있으신 분은 저의 이전 게시물 "음향관련 측정수치 및 그래프에 관한 기본지식"(http://goldenears.net/board/922)편을 먼저 읽으셨으면 합니다.


테스트 방법 설계



테스트 방법은 그림에서 보시는 것 처럼
   1. Rightmark Audio Analyzer(RMAA)에서 원본 WAV파일 생성하여
   2. LAME인코더를 사용하여 MP3파일로 변환한 후에
   3. Winamp/Foobar(Decoder)를 사용하여 WAV로 변환하고
   4. Rightmark Audio Analyzer(RMAA)를 사용하여 재생된 WAV파일과 원본 WAV와 비교하여 MP3 인코딩/디코딩시의 음질열화를 측정하는 방법으로 설계하였습니다.


음질 평가 인원
이번 테스트에서는 Rightmark Audio Analyzer(RMAA)가 원본 WAV파일과 디코딩 후의 WAV파일을 서로 비교하여 측정 후 그래프를 보여주는 방식으로 진행을 하였으므로 RMAA가 음질평가인원의 역할을 합니다. 따라서 개인의 청각능력과는 무관하게 객관적으로 진행이 되었습니다.

테스트 환경
OS : Windows Vista x64 Business English
Application : RightMark Audio Analyzer 6.06
Encoder : Lame 3.98
Decoder : Winamp v5.54, Foobar2000 v0.0954

선수 지식
RMAA에서 제공을 하는 여러 가지 측정치를 알고 있어야 이 게시물의 이해가 쉽습니다. 따라서 이전에 제가 작성을 한 "음향관련 측정수치 및 그래프에 관한 기본지식"편 ( http://goldenears.net/board/922 )을 먼저 읽고 보시면 도움이 되십니다.

테스트 결과
bit rate를 내리면 고음쪽의 cut-off 주파수가 내려오면서 소리의 폭에 해당하는 주파수 특성이 나빠지고 동시에 가장 작은 소리와 가장 큰 소리의 차이인 다이나믹 레인지 값이 나빠집니다. 한마디로 말하면 bit rate를 내릴수록 음질이 나빠집니다.



주1. Stereo Cross Talk, Noise Level은 인코딩 성능 비교시에는 관련이 별로 없으므로 생략하였습니다.
주2. Cut-off주파수는 대부분의 사람이 소리 크기의 차이를 인식할 수 있는, 기준점보다 약 -3dB 떨어지는 지점에서 측정하였습니다.
주3. decoder는 winamp의 프라운호퍼 코덱을 가지고 정리를 하였습니다.
주4. Foobar의 결과는 예전에 테스트를 한 "가장 음질 좋은 MP3 재생 프로그램"(http://goldenears.net/board/1033)편의 결과와 거의 동일해서 생략하였습니다.
주5. Cut-off 주파수(Frequency)는 아래의 주파수 특성 그래프의 오른쪽을 보시면 수평으로 진행이 되다가 특정한 지점에서 곡선이 아래쪽으로 내려오는 것을 보실 수 있습니다. 즉 그 주파수의 지점에서는 소리의 재생이 안된다는 의미입니다.
주6. Frequency Response (+) (-) : 주파수 특성은 기복이 없는 직선이 가장 이상적인 형태입니다. 따라서 RMAA에서는 기준점(0dB)을 기준으로 곡선이 올라가면(+), 내려가면(-)로 측정하고 내려간 지점의 값(dB)을 수치로 보여줍니다. 즉 값이 작을수록(곡선의 기복이 작을수록) 좋습니다.

이 표를 보시는 방법은 소리의 가장 큰 2가지 특징인 음의 높낮이를 나타내는 주파수 특성과 소리의 크기차이를 나타내는 다이나믹 레인지를 중심으로 보시면 됩니다. (주황,노랑,초록으로 색칠한 부분)
1. 주파수 특성의 경우, 가령 고음의 가청 한계치가 17KHz이신 분은, CBR인 경우 192Kbps이상, VBR인 경우 V2이상으로 인코딩된 MP3파일로 들어야 음질의 열화를 느끼실 수 없습니다.
2. 그리고 다이나믹 레인지의 경우 96dB이상의 소리의 크기차이를 구분하실 수 있는 분은, CBR의 경우 192Kbps 이상으로 인코딩하셔야 음질열화를 느끼실 수 없고, VBR인 경우는 대부분의 MP3파일의 소리에 만족을 못하시게 됩니다.


자세한 결과 첨부 (RMAA 테스트 결과 그래프 - CBR, winamp 코덱)

주파수 특성(Multi-Tone)



초당 전송율을 낮추면 고음의 cut-off주파수가 아래로 내려오며 전체적으로 주파수 특성이 위아래로 요동을 치는 모습을 보실 수 있습니다. (하얀색 그래프가 가장 좋은 모양입니다.)



고음부를 조금 더 확대하여 보면 112kbps는 약 15KHz, 160kbps는 약16KHz, 224kbps는 약18.8KHz, 320kbps는 약 19.8KHz를 중심으로 고음쪽의 소리가 잘라지고(cut-off) 있는 것을 보실 수 있습니다. 즉 bit rate가 낮을수록 고음의 재생이 더욱 나빠집니다.


다이나믹 레인지



고음의 cut-off주파수가 내려옴으로 인하여 그래프의 폭이 넓어짐을 볼 수 있습니다. 좀 더 자세히 보기 위하여 중심부를 확대하면



이렇게 보입니다. 1KHz의 신호를 중심으로 산 모양의 그래프가 조금 더 잘 보입니다. (하얀색 그래프가 가장 좋은 모양입니다.)


IMD + N



역시 bit rate가 낮아질수록 소리가 나빠지는 것을 보실 수 있습니다. 위로 올라간 만큼 소리가 나빠졌다고 생각하시면 됩니다. (하얀색 그래프가 가장 좋은 모양입니다.)

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melt-snow

2008.10.01 22:04
여기서 소리에 관한 많은 유용한 정보를 배워갑니다. 한 가지 질문이 있습니다.
foobar2000에는 ReplayGain을 이용하여 Peak와 Gain을 태그에 기록하고 이를 통해 노멀라이징을 하는데요.
음반의 과도하게 높은 음량의 dB로 인해 소리가 클리핑되지 않도록 하기 위한 것으로 알고 있습니다.

이 글의 본문을 보면 고음부의 cut-off라는 용어가 나오는데, 저기서 말하는 클리핑(원래는 재생되어야 할 가청 영역이 잘리는) 현상과 어떤 차이가 있나요? cut-off라는 게 그 영역은 아예 들을 수 없게 되는 것인지, 아니면 그 부분의 음질 열화가 발생하는 것인지 잘 이해되지 않습니다.
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토미™

2008.10.02 00:39
안녕하세요? melt-snow님.
질문하신 내용 을 보니 노말라이징과 클리핑에 대하여 간단히 설명 드리고 MP3의 cut-off를 설명드려야 되겠네요.

노말라이징(Normalizing)은 여러가지 의미가 있겠지만 푸바의 ReplayGain에서 사용되는 의미는 소리의 크기를 수정(보정)해 주는 기능입니다. 이 기능이 왜 필요하냐면 음반(CD)의 녹음된 음량이 음반마다 모두 제각각이기 때문입니다. 즉 작은 음량으로 녹음이 된 A곡을 최대음량으로 듣다가 큰 음량으로 녹음이 된 B곡이 A곡의 다음에 나오게 되면 갑자기 큰 소리에 놀라게 됩니다. 즉 볼륨을 곡마다 조절해 가면서 들어야 하는 불편함이 생기게 되죠. 따라서 ReplayGain을 사용하여 음량을 일정하게(작은 곡을 크게하고)하면 음량의 차이가 줄어들어서 듣기에 편하게 됩니다. 

클리핑(Clipping) 역시 소리의 크기와 관련이 있는 용어인데, 예전 아날로그 녹음을 하는 경우에 종종 발생을 하는 현상이었습니다. 예를들어 녹음 테입의 음량의 한계가 90dB인데, 100dB의 소리가 들어오게 된다면 90dB을 넘어서는 소리는 물리적으로 기록을 할 방법이 없으므로, 역시 90dB로 기록이 됩니다. 이때 신호의 모양을 보면 산 정상 부분이 잘라진(90dB이상의 크기가) 모양처럼 됩니다. 링크의 사진 참조.(http://en.wikipedia.org/wiki/Clipping_(audio)) 이런 현상을 클리핑이라고 합니다.

즉 ReplayGain과 클리핑과는 소리의 크기 관련이라는 공통점은 있으나 ReplayGain이 클리핑현상을 없앨수는 없습니다. 즉 Clipping을 없애기 위해서는 녹음시에는 입력볼륨을 줄여야 하고, 기기간에 발생하는 클리핑은 각각 재생기기의 볼륨조절을 통하여 없애야 합니다.

cut-off라는 용어는 소리의 폭(주파수)과 관련이 있는 용어입니다. 일반적으로 필터에서 사용이 되는데, 그 의미는 특정한 주파수 이상이나 그 이하에서 소리의 크기가 감쇄가 되는 경우(필터를 사용하여), 그 감쇄되는 시점을 cut-off frequency라고 합니다. 필터의 기본적인 개념은 http://goldenears.net/board/5963 게시물을 참조하시기 바랍니다.

그리고 질문하신 내용에 대한 대답만 간단하게 드리면, 아예 들을 수 없게 신호를 없애는 것입니다. 이렇게 하는 이유는 심리음향이론을 기반으로 용량을 줄이기 위해서인데요, 자세한 내용은 http://goldenears.net/board/996 게시물을 읽어보시면 도움이 되실 것 같습니다.

설명이 부족할 것 같은데, 읽어보시고 어려운 점 있으면 다시 질문해 주세요. 
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melt-snow

2008.10.02 01:41
답변 감사합니다.
ReplayGain에 대한 내용은 녹음시에 클리핑 되어버렸을 경우 재생시엔 복구할 방법이 없다는 걸로 알고 있습니다. 다만, 원본이 멀쩡하더라도 재생시에도 클리핑 현상을 일으키지 않기 않기 위해 ReplayGain으로 89dB으로 맞춘다고 이해했습니다. 사실 89dB을 기준으로 재생하니 소리가 좀 작긴 하더군요. foobar2000에서 PreAmp값을 통해 3dB 정도 높여서 듣고 있습니다. (http://bittalk.org/forum/showthread.php?t=18502 여기 글을 참고했습니다.)

그리고 본문에서 cut-off를 보고 고음부를 확대한 그래프를 보면서 생각이 났습니다. 사사키 유우코라는 가수의 노래 중 Pure Snow가 바이올린으로 고음이 상당히 높습니다. 128kbps으로 인코딩된 음원과 320kbps으로 인코딩된 음원이 고음에서 미세하게 차이가 나길래 몇 번 비교해서 들어본 적이 있습니다. 그때는 단순히 비트레이트가 높으니까 고음도 잘 나오는 거 아닐까 하고 생각했죠. 그런데 이 글을 보니 왜 그러한지 이유를 알겠습니다. 다만, 비교해서 들었을 때 128kbps 음원은 바이올린 소리의 고음부가 열화된다는 느낌이 있었는데, 그게 cut-off로 인해서 아예 해당 영역의 신호가 사라져버린 결과였다는 게 신기합니다.

자신의 고음 가청 영역이 어느 정도까지인지는 테스트 해보지 않아서 모르겠지만, 어릴 적에 피아노를 치고 각종 음악을 많이 들으면서 고음 영역은 제법 민감한 편이라고 느낍니다.
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토미™

2008.10.02 03:05
원본이 멀쩡한 경우, 재생시에 클리핑이 발생하는 경우를 말씀하신 것이었군요. 제가 오해를 했었네요. 저는 녹음시에 발생하는 클리핑을 말씀드린 것이었는데요. 
melt-snow님이 말씀하시는 그런 경우라면 아마도 앰프 또는 피스(앰프 내장 피씨용 스피커)의 앰프에서 클리핑이 발생하는 경우가 되겠네요. 즉 컴퓨터의 사운드카드 출력이 앰프의 허용입력 범위보다 높은 경우에 그럴 수 있을 것 같습니다. 일반적으로 그런 경우에는 앰프쪽에 Gain을 조절하는 것이 있는데, 생각해 보니 푸바의 ReplayGain에서도 해결 가능하겠군요.

그리고 링크로 보내주신 내용 재미있게 잘 보았습니다. 좋은 내용이네요. 조만간 시간을 내어 RepayGain에 대해서도 조금 더 알아봐야겠습니다. 감사합니다. ^___^
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포이보스

2008.10.23 14:01

요즘 토미님 글 하나씩 읽느라 바쁩니다. 너무나 잘 정리 해놓으셔서 제머리속이 교통정리가 되는 느낌이내요.
저는 왠만하면 M4A나 FLAC , 일반 가요는 VBR(V0)로 듣는편인데 V0와 무손실 음원을 들어서 구분할수 있는 것은 jazz음악 몇곡 정도 밖에 안되더군요. 좋은 음악을 제대로 듣는데는 좋은 장비도 한몫하지만은 더 중요하게 생각하는것은 잘 레코딩된 음반이 아닐까 하는 생각이 드내요. 그렇게 보면 턴테이블에서 들리는 따뜻한 느낌의 소리가 그립기도 합니다.

profile

토미™

2008.10.23 23:28
정리가 잘 되신다니 다행입니다. 좀 어려워하실만한 내용이 많이 있는 것 같은데 말이죠. 아마도 대부분 알고 계신 내용이라서 정리가 되시는 듯 합니다.
포이보스님 말씀대로 제일 중요한 것은 장비보다도 앨범의 녹음지요. Garbage In Garbage Out 이라는 말이 있죠. 원래 컴퓨터쪽에서 많이 사용하는 말인데, 오디오에도 딱 맞는 말인 것 같습니다.
profile

ensemble

2010.03.18 11:20
용량대비+재생시간까지 고려한다면 224kb(192kb)합리적이네요
profile

날건달

2011.03.18 16:10
꿩먹고 알먹는 리뷰는 이미 보신 거죠? 혹시나 싶어서요... 케닌님께서 수고해 주신...
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