Ich nutze den HQPlayer schon seit Jahren und ich bin immer noch überfordert von der Vielzahl an Filtern und Modulatoren. Deshalb habe ich interaktive kostenlose Konfiguratoren entworfen. Auch wenn du den HQPlayer nicht nutzt, bekommst du vielleicht nach dem Lesen meines Blogs Lust darauf?
Und wenn du dich gerade mit einer Neuanschaffung eines DACs beschäftigst, probiere unbedingt den Konfigurator „HQPlayer Modulator-Dither Settings“ aus. Denn der enthält eine DAC Geräteliste mit zum Beispiel NOS-fähigen DACs – die meiner Meinung nach beste Variante für die Klangqualität und Flexibilität bei Nutzung des HQPlayers.
In den Grundlagen gehen wir die wichtigsten Aspekte der digitalen Signalverarbeitung durch und im Praxisteil zeige ich dir die Konfiguratoren.
Grundlagen
Filter
Merkmale für eine gute Filterqualität
Bei einer CD (44,1 kHz) darf der hörbare Bereich nur bis maximal 22,05 kHz gehen. Grundlage ist das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem, welches nur die halbe Abtastrate (Nyquist-Frequenz) berücksichtigen soll. Wird das Abtasttheorem durch eine zu niedrige Abtastrate verletzt, so werden Frequenzanteile, die ursprünglich höher waren als die halbe Abtastrate, als niedrigere Frequenzen interpretiert, da für diese eine Unterabtastung stattfindet. Diese sogenannten Spiegelfrequenzen müssen durch Tiefpassfilter ausgesperrt werden.
Es kommt daher auf die Filterqualität an, welche Frequenzen in der Praxis durchgelassen werden (Passband), ab wann die Sperrwirkung (Cutoff) einsetzt und wie lange es dauert (Transitionsbereich), bis der Tiefpassfilter seine volle Wirkung (Stopband) entfaltet. Unabhängige Messungen haben gezeigt, dass die Filter vom HQPlayer sehr gut konstruiert sind.
Wirkungsweise eines Tiefpassfilters Wenn die Sperrwirkung sehr tief liegt, spricht man von einer extrem hohen Dämpfung. Das ist eine gute Sache, weil Spiegelfrequenzen effektiv unterdrückt werden. Eine hohe Dämpfung führt zu weniger Lärmartefakten und auch zu einer besseren Rekonstruktionsgenauigkeit.
Ebenso wichtig ist, ab wann der Cutoff beginnt. Manche Filter setzen schon im hörbaren Frequenzbereich ein, was natürlich nicht wünschenswert ist. Günstig ist auch ein steiler Filter, womit ein sehr schmales Übergangsband (Transitionsbereich) erreicht wird. Wenn wir am Beispiel die Eingangsrate von 44,1 kHz (CD) nehmen, geht beim Filter „poly-sinc- gauss-xl“ das Passband bis 20 kHz, der Transitionsbereich ist mit 250 Hz extrem schmal und erreicht die maximale Dämpfung bei der Nyquist-Frequenz fs/2 bei 22,05 kHz. Filter dieser hohen Qualität werden oft mit schnellem oder scharfen „Rolloff“ oder „Cutoff“ bezeichnet.
Pre-Ringing und Post-Ringing
Pre-Ringing (Vorecho) und Post-Ringing (Nachecho) sind zwei Arten von Artefakten, die bei der digitalen Signalverarbeitung auftreten können. Pre-Ringing bezeichnet das Phänomen, dass ein Signal vor einem abrupten Übergang bereits ansteigt oder abfällt, bevor es den eigentlichen Wert erreicht. Post-Ringing bezeichnet das Phänomen, dass ein Signal nach einem abrupten Übergang noch oszilliert, bevor es sich stabilisiert.
Beide Effekte können die Qualität und Genauigkeit eines Signals beeinträchtigen und können hörbare Effekte auslösen. Besonders das Pre-Ringing kann sehr störend wirken, da es in der Natur nicht vorkommt.
Impuls Analog im Vergleich zu Digital Beim Filterdesign kommt es darauf an, Vor- und Nachechos zu vermeiden oder möglichst gering zu halten.
Wirkungen auf Räumlichkeit (Space) und Transienten und Musik-Genres
Die Gruppe der poly-sinc-lp (linear phase) Filter verbessern die Räumlichkeit (Space). Sie gehören zu den FIR-Filtern und wirken in der Time-Domain. Empfohlen für Klassik und für „in der realen Welt“ aufgenommenen Musik (Konzerthalle). Eine Unterart davon sind die AsymFIR-Filter, welche sich besonders für Jazz/Blues eignen.
Die Gruppe der poly-sinc-mp (minimum phase) Filter verbessern die Transienten. Sie gehören zu den MinPhaseFIR-Filtern und eignen sich besonders für Rock/Pop/Elektronik, sowie im Musikstudio aufgenommenes. Implizit gilt das auch für IIR-Filter.
Manche Filter haben auch einen Fokus auf das Timbre, also die Klangfarben.
Apodisierend und Nicht-Apodisierend
Der Einsatzzweck des Apodisationsfilters ist es, die Impulsantwort des ursprünglichen Dezimationsfilters durch eine andere zu ersetzen. Dies ermöglicht das Ändern des Zeit- und Frequenzbereichsverhaltens des ursprünglichen Filters. Ein möglicherweise wichtigerer Punkt ist das Bereinigen des Aliasing-Bands bei den höchsten Frequenzen. Abhängig von den ADC / Mastering-Werkzeugen kann es zu einem gewissen Aliasing-Band am oberen Rand des Frequenzbands kommen.
Nicht apodisierende Filter lassen die (möglicherweise fehlerhaften) produktionsseitigen digitalen Filtereigenschaften durch. Apodisierende Filter sind für Red-Book-/CD-Formate (44.1/48kHz) wegen der niedrig liegenden Nyquist-Rate am wichtigsten. Nicht apodisierende Filter sind für HiRes-Aufnahmen (ab 88.2/96kHz) gut einsetzbar, da die Nyquist-Rate sehr hoch liegt.
Modulatoren – DSD
Was viele nicht wissen ist, dass im eigenen DAC durch den sehr verbreiteten Delta Sigma Chip vor der Wandlung in Analog die PCM-Signale in DSD umgewandelt werden. Die Delta-Sigma-Modulation kann seit den 1970er Jahren mit den Fortschritten in der CMOS-Technologie preiswert umgesetzt werden. Delta-Sigma-Modulatoren werden von vielen großen Halbleiterherstellern als fertige integrierte Schaltung angeboten.
Bei vielen modernen DACs kommt intern eine Delta-Sigma-Modulation zum Einsatz. Ein PCM-Signal wird dabei zunächst digital gefiltert und hochgerechnet und anschließend durch einen Delta-Sigma-Modulator in einen hochfrequenten Datenstrom mit geringerer Wortbreite umgewandelt. Dieser Datenstrom muss nicht zwingend 1 Bit breit sein, da viele DAC-Chips intern mit mehreren Bits arbeiten.
Ein Delta-Sigma-Modulator arbeitet mit einer Rückkopplungsschleife. Vereinfacht ausgedrückt wird die Abweichung zwischen dem gewünschten Signal und dem quantisierten Ausgang fortlaufend in die Berechnung der nachfolgenden Werte einbezogen. Dadurch wird der Quantisierungsfehler spektral geformt: Das Quantisierungsrauschen wird aus dem für Musik relevanten Frequenzbereich in höhere Frequenzen verschoben. Je nach Aufbau des Modulators entsteht dabei beispielsweise ein 1-Bit- oder Mehrbit-Datenstrom.
DSD ist ein spezieller Fall dieser Technik. Hier liegt ein 1-Bit-Signal mit sehr hoher Abtastrate vor. DSD64 arbeitet beispielsweise mit 44,1 kHz × 64 = 2,8224 MHz, DSD128 mit 5,6448 MHz und DSD256 mit 11,2896 MHz. Der momentane Signalpegel wird dabei nicht wie bei PCM durch ein einzelnes mehrbittiges Zahlenwort dargestellt, sondern ergibt sich aus der zeitlichen Verteilung der Einsen und Nullen im hochfrequenten 1-Bit-Datenstrom.
Bei einem DAC mit einem echten direkten DSD-Pfad kann ein extern erzeugter DSD-Datenstrom die interne PCM-Oversampling- und Delta-Sigma-Modulation des DACs teilweise oder vollständig umgehen. Dadurch kann diese rechenintensive Signalaufbereitung bereits vor dem DAC mit leistungsfähigeren Algorithmen durchgeführt werden. Ob dies tatsächlich möglich ist, hängt jedoch von der Architektur des jeweiligen DACs ab.
Dither / Noise-Shaper – PCM
Beim PCM-Upsampling wird ein digitales Audiosignal auf eine höhere Abtastrate umgerechnet. Aus beispielsweise 44,1 kHz können 176,4 kHz, 352,8 kHz oder noch wesentlich höhere Abtastraten entstehen. Dabei werden nicht einfach zusätzliche Samples zwischen die vorhandenen Werte gesetzt. Ein digitaler Rekonstruktionsfilter berechnet vielmehr neue Abtastwerte, die den ursprünglichen Signalverlauf möglichst genau beschreiben.
Diese Berechnungen erfolgen mit einer wesentlich höheren internen Genauigkeit als der Bittiefe des späteren Ausgangssignals. Ein typischer DAC nimmt beispielsweise PCM mit 24 oder 32 Bit entgegen, seine tatsächlich analog nutzbare Auflösung liegt aufgrund von Rauschen und anderen physikalischen Grenzen nochmals darunter. Die hohe interne Rechengenauigkeit dient also nicht dazu, einen „64-Bit-DAC“ zu erzeugen, sondern Rundungsfehler während der Signalverarbeitung extrem klein zu halten.
Das ist insbesondere beim Upsampling wichtig. Die neu berechneten Abtastwerte fallen praktisch nie exakt auf die später verfügbaren 24- oder 32-Bit-Werte. Auch digitale Lautstärkeregelung, Equalizer, Faltung und andere DSP-Berechnungen erzeugen hochpräzise Zwischenwerte.
Genau an dieser Stelle werden Dither und Noise-Shaping wichtig. Muss beispielsweise ein intern hochpräzise berechnetes Signal als 24-Bit-PCM ausgegeben werden, können nicht sämtliche Nachkommastellen erhalten bleiben. Ohne Dither müssten die Werte einfach gerundet oder abgeschnitten werden. Die dadurch entstehenden Quantisierungsfehler können mit dem Musiksignal korrelieren und sich als sehr leise Verzerrungen bemerkbar machen.
Dither verhindert dies, indem vor der endgültigen Quantisierung eine sehr kleine Menge definierten Rauschens hinzugefügt wird. Dadurch werden die Quantisierungsfehler vom Musiksignal entkoppelt. Das Ergebnis enthält zwar etwas zusätzliches Rauschen, verhält sich dafür aber wesentlich linearer. Gerade sehr kleine Signalanteile können dadurch korrekt dargestellt werden, anstatt durch die begrenzte Ausgangsbittiefe systematisch verfälscht zu werden.
Beim Upsampling kommt ein weiterer Vorteil hinzu. Durch die höhere Abtastrate steht zwischen dem eigentlichen Audiobereich und der Nyquist-Frequenz wesentlich mehr Frequenzraum zur Verfügung. Bei 44,1 kHz liegt die Nyquist-Frequenz beispielsweise bei 22,05 kHz. Nach einem Upsampling auf 352,8 kHz liegt sie dagegen bei 176,4 kHz.
Diesen zusätzlichen Frequenzraum kann ein Noise-Shaper nutzen. Statt das Quantisierungsrauschen gleichmäßig über das gesamte Spektrum zu verteilen, verändert er dessen Frequenzverteilung. Ein größerer Anteil des Rauschens kann in höhere Frequenzbereiche verschoben werden, während der Rauschpegel im musikalisch relevanten Bereich sinkt. Das Rauschen verschwindet also nicht – seine Energie wird lediglich günstiger verteilt.
Je höher die PCM-Ausgaberate ist, desto mehr Spielraum besteht grundsätzlich für diese spektrale Verteilung. Deshalb können für hohe PCM-Abtastraten speziell ausgelegte Noise-Shaper besonders interessant sein. Sie können einen sehr niedrigen Quantisierungsrauschpegel im Audiobereich erreichen und den dafür notwendigen höheren Rauschanteil weit oberhalb des Hörbereichs platzieren.
Damit wird auch verständlich, warum Upsampling und Noise-Shaping zusammen betrachtet werden sollten. Das Upsampling stellt eine hohe Abtastrate für die weitere Verarbeitung bereit. Die hohe interne Rechengenauigkeit hält Berechnungs- und Rundungsfehler während der DSP-Verarbeitung sehr klein. Erst am Ende wird das Ergebnis auf die für die Ausgabe erforderliche Bittiefe quantisiert. Dither sorgt dabei für eine lineare Quantisierung, während Noise-Shaping das unvermeidbare Quantisierungsrauschen in weniger kritische Frequenzbereiche verschiebt.
Die höhere Abtastrate und die hohe interne Rechengenauigkeit erzeugen dabei keine musikalischen Informationen, die in der ursprünglichen Aufnahme nicht vorhanden waren. Sie schaffen vielmehr günstigere mathematische Bedingungen für Rekonstruktionsfilterung, digitale Lautstärkeregelung und andere Signalverarbeitung sowie für die abschließende Anpassung des Signals an die begrenzte Auflösung des DACs.
Praxis
Dir stehen ab sofort zwei voneinander unabhängige interaktive Konfiguratoren zur Verfügung. Wichtig ist, dass es sich nicht um eine exakte Wissenschaft handelt, sondern um Näherungswerte. Letztendlich sollen immer deine Ohren entscheiden.
Interaktiver Konfigurator für HQPlayer Filter Settings
Im Konfigurator legst du links deine musikalischen Vorlieben fest, während auf der rechten Seite die technischen Vorgaben wichtig sind. Wenn du auf die Hilfe-Icons klickst, erhältst du Informationen über den Inhalt und die Auswirkungen auf die Berechnung. Deshalb fass ich mich hier kurz.
Interaktiver Konfigurator für HQPlayer Filter Settings Ich hatte heute Lust Blues zu hören und ich habe mir ein Album von Pete Alderton rausgesucht. Also habe ich im Konfigurator wie oben im Bild „Blues“ ausgewählt, verbunden mit der Priorisierung einer hohen Räumlichkeit und einer „Prise“ Klangfarben. Die PCM Inputrate liegt bei 44,1 kHz und die Ausgabe soll in DSD1024 (45,1584 MHz) „ganzzahlig“ erfolgen. Der Konfigurator setzt automatisch die Vorgabe Apodizing = Ja. Die Vorgabe der technischen Qualität ist mit Stufe 4 von 5 recht hoch.
Roon Quelldatei mit 44,1 kHz und 24 Bit Herausgekommen ist eine Empfehlungsliste. An erster Stelle steht der Filter poly-sinc-long-ip / *-2s. Bei sehr hohen Ausgaberaten empfehle ich unbedingt die Version mit dem zweistufigen Oversampling poly-sinc-long-ip-2s. Dadurch werden gegebenenfalls sehr lange Initialisierungszeiten vermindert.
Die Beschreibung des Filters und Eigenschaften wurden dem Handbuch, bzw. der Hilfedatei des HQPlayer entnommen.
Filter Empfehlungsliste Schauen wir uns das Spektrogramm vom Musikstück „Ain’t No Sunshine“ an. Da haben wir am oberen Ende abgeschnittene Transienten und insgesamt viel Rotanteil über den gesamten Frequenzbereich, also viel Energie. Ganz schlimm ist der Apod-Zähler auf der linken Spalte mit 5258! Ohne Apodisierungsfilter würde ich mir das nicht anhören wollen. Und genau das schlägt der Konfigurator bei PCM-Quellen ≤ 50 kHz vor.
HQPlayer Client – Spektrogramm Die Empfehlungsliste ist ein Vorschlag und du solltest immer mehrere Filter ausprobieren. Mit dem HQPlayer Client kannst du die Filter on the fly umschalten und so im laufenden Musikfluss die Klangunterschiede hören. Der HQPlayer Client ist kostenlos und Bestandteil des Installationspakets HQPlayer Desktop, welches es für macOS, Windows und Linux gibt.
HQPlayer Client – Filter on the fly umschalten Hier kannst du es selbst ausprobieren:
Musikalische Vorgaben
012345
Egal
012345
Egal
012345
Egal
Interaktiver Konfigurator für HQPlayer Modulator – Dither / Noise Shaper Settings
Die Auswahl von Modulatoren
Bei den qualitativen Vorgaben wählst du aus, ob du die digitale Lautstärkeregelung des HQPlayers nutzt und wie die Mindestanforderung an die technische Qualität der Modulatoren sein soll. Nicht ganz unwichtig: Wie ist deine Hardware aufgestellt? Je nach vorhandener Rechenleistung gibst du die Priorisierung vor. Bei den technischen Vorgaben ist der Ausgabemodus (DSD oder PCM) und die Ausgaberate wichtig. Zum DAC Gerät komme ich weiter unten.
Interaktiver Konfigurator für HQPlayer Modulator Settings Die Empfehlungsliste listet hier bevorzugt die relativ neuen AHM Modulatoren auf, welche bei DSD1024 vergleichsweise wenig Rechenleistung erfordern.
Empfehlungsliste Modulatoren bei hoher Qualität und geringerer Rechenleistung und DSD1024 Wäre mir die Rechenleistung egal, werden auch andere Modulatoren vorgeschlagen. Aber Vorsicht, den Modulator ASDM7EC-super könnte ich bei DSD1024 selbst mit meinem Intel® Core™ i9-14900K nicht spielen. Eine hohe Anforderung des Modulators an die Rechenleistung bedeutet übrigens nicht unbedingt eine bessere Qualität. Frühere Modulatoren waren zum Beispiel ineffizienter als die heutigen.
Empfehlungsliste Modulatoren bei hoher Qualität und hoher Rechenleistung und DSD1024 Die Auswahl von Dither / Noise Shaper
Bei PCM gibt es keine Modulatoren, aber hier kommt es auf die Dither / Noise Shaper Settings an. Als technische Vorgabe wählst du die PCM Ausgaberate aus.
Interaktiver Konfigurator für HQPlayer Dither / Noise Shaper Settings Gefunden wurden 7 Dither / Noise Shaper Settings. Der LNS15 Noise Shaper ist ein guter Allrounder bei Ausgaberaten ab 352.8 / 384 kHz (8x rates). Darunter sollte man diesen nicht verwenden.
Empfehlungsliste Dither / Noise Shaper Settings bei PCM 705.6/768 kHz Die Empfehlungen und Informationen bei bestimmten DAC Geräten
Wenn ich bei den technischen Vorgaben zum Beispiel den DAC Spring 3 / May von Holo Audio auswähle, bekomme ich links qualitative Vorgaben für die HQPlayer Settings, bzw. Informationen eingeblendet. Für jemanden, der sich zum Beispiel einen DAC kaufen möchte, ist die erste Zeile meines Erachtens die wichtigste Information: NOS / bit-perfect für PCM: Ja. Das heißt, der Holo Audio DAC ist NOS-fähig (Non Oversampling). Er kann also das Upsampling vom HQPlayer bit-perfect entgegen nehmen, ohne dass intern eine weitere Umwandlung oder Berechnung erfolgt.
Der HQPlayer bietet für einige DACs eine sogenannte DAC Korrektur an. Jussi Laako, der Entwickler vom HQPlayer, hat diese DACs am Analogausgang gemessen und korrigiert bestimmte Schwachstellen. Welche das sind, ist sein Geheimnis. Ob das eine Verbesserung bringt, entscheidest du wieder mit deinen Ohren.
Für sehr wichtig halte ich die Empfehlung der DAC Bits. Wenn du diesen DAC mit 24 Bit oder 32 Bit bestückst, kann es zu Qualitätsverlusten kommen. Bei einem R2R-DAC, dessen Widerstandsleiter beispielsweise nur bis etwa 20 Bit ausreichend linear arbeitet, können die darunterliegenden Bits statt zusätzlicher Auflösung zunehmend Nichtlinearitätsverzerrungen erzeugen. Eine kontrollierte Reduzierung auf den linearen Bereich des DACs mit Dither und Noise-Shaping kann deshalb technisch genauer sein als die ungefilterte Ausgabe einer höheren nominellen Bittiefe.
Die PCM Gain Kompensation ist nur wichtig, wenn du häufiger zwischen PCM und DSD wechselst. Das kompensiert die Lautstärkeungleichheit.
DAC Gerät qualitative Vorgaben und Empfehlungen für PCM Das gleiche gibt es auch für DSD. Hier kommt die Information, dass der Holo Audio DAC für DSD 48k geeignet ist. Damit erhöht sich die mögliche Bitstreamrate von 45,1584 MHz auf 49,152 MHz (48 kHz x 1024).
Und auch DSD kann der DAC im NOS-Modus entgegennehmen: NOS / bit-perfect für DSD: Ja
Ebenso bietet der HQPlayer auch für DSD eine DAC Korrektur an.
DAC Gerät qualitative Vorgaben und Empfehlungen für DSD Und hier kannst du verschiedene Einstellungen selbst ausprobieren:
Qualitative Vorgaben
012345
Egal
012345
Egal
DSD 48k möglich: —
NOS / bit-perfect für DSD: —
DAC Korrektur möglich: —
NOS / bit-perfect für PCM: —
DAC Korrektur möglich: —
DAC Bits: Auto
PCM Gain Kompensation: —
Technische Vorgaben
Ausgabemodus
Zusammenfassung
Eine gute Filterqualität ist ganz wesentlich in der digitalen Signalverarbeitung. Kriterien sind geringes Pre-Ringing und Post-Ringing, die Art des Filters (FIR – lineare Phase) und (IIR – minimale Phase) und vor allem die Dämpfung des Tiefpassfilters.
Jeder Filter hat Auswirkungen auf die Räumlichkeit (Space), Transienten und Musik-Genres. Manche verwechseln das mit einem Equalizer (EQ). Dieser Vergleich ist irreführend. Der EQ wirkt auf das Frequenzband, während ein guter Filter das Frequenzband bestmöglich rekonstruieren und den Zeitbereich optimieren soll. Der Filter hat auch eine ganz andere Funktion, nämlich die Spiegelfrequenzen auszusperren.
Insbesondere bei Musikfiles in CD Qualität können apodisierende Filter ein Segen sein. Ein hoher Apod-Counter kann auf problematische digitale Verarbeitungsschritte während der Produktion oder des Masterings hinweisen.
Bei DSD sind gute Modulatoren wichtig. Jussi Laako sagt dazu, dass 50% der Klangqualität vom Filter bestimmt werden und die andere Hälfte von den Modulatoren.
Dither / Noise-Shaper kommen bei PCM zum Einsatz und hier ist die Ausgaberate von entscheidender Bedeutung.
Mit dem interaktiven Konfigurator für HQPlayer Filter Settings musst du nicht mehr herumrätseln, welche sich für deine Musikgewohnheiten und Quell-/Ausgaberaten am besten eignen.
Der interaktive Konfigurator für HQPlayer Modulator – Dither / Noise Shaper Settings ermöglicht dir
- bei DSD die Auswahl von Modulatoren in gewünschter Qualität und verfügbarer Rechenleistung,
- bei PCM die Auswahl von Dither / Noise Shaper in Abhängigkeit von der Ausgaberate und
- gibt dir Empfehlungen und Informationen zu bestimmten DAC Geräten.
Ich habe jedenfalls viel Freude zum ausgewählten Album die passenden Filter auszuprobieren und staune über die unterschiedlichen klanglichen Auswirkungen.
Quellenverzeichnis
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