Хронограф
18152229
29162330
310172431
4111825
5121926
6132027
7142128

<декабрь>

Путеводители

Красные против синих,
или У каждого своя цифра

Разнообразие возможностей, даваемых современными технологиями звукозаписи, приходит в противоречие с требованиями стандартизации

  
Странные законы квантовой механики буквально ворвались в повседневную жизнь миллионов обывателей с лучом лазера. Из-за них в мире звукозаписи разразилась революция. Фото (SXC license): © martin@party-mania.nl

Новостные ленты без устали сообщают нам о новом всплеске «войны форматов»: сейчас решающее преимущество переходит то к HD DVD, то к Blu-Ray. Однако знающие люди поговаривают, что и эти два — не панацея. Война продолжится, и полезно помнить, что началась она не вчера. И даже не в этом веке.

Парад могильщиков

Началось все с того, что диски похоронили цилиндры, хотя на стороне последних был величайший авторитет в истории звукозаписи Томас Альва Эдисон (Thomas Alva Edison, 1847–1931). Виниловым пластинкам было непросто устоять против магнитной ленты, но и для нее нашелся могильщик — компакт-диск. А механизм дискредитации старого доброго аналогового метода звукозаписи начался ещё задолго до того, как на рынок неудержимым потоком хлынули CD, неприхотливые и воистину компактные. Хотя мы уже почти забыли о ленте как носителе информации, метод хранения звука в цифровом виде на первых порах внедрялся именно в устройствах, использующих её, — в магнитофонах. Однако более десяти лет оцифровка звука при помощи импульсно-кодовой модуляции (Pulse Code Modulation) не выходила за пределы университетских лабораторий и исследовательских центров производителей электроники.

В продажу первый цифровой магнитофон фирмы NHK (Japan Broadcasting Corp) поступил только в 1967 году. В нем запись оцифрованного звука осуществлялась на 2-дюймовую ленту четырьмя вращающимися головками. Аппарат был громоздок, весил больше двухсот килограммов и был фантастически дорог. Технология дешевела не быстро, и в 1979 году компания Sony начала выпускать 4-килограммовую аудио-приставку стоимостью $1000 к обычному VHS-видеоплееру, при помощи которой можно было слушать звук в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. Это весьма странное в функциональном отношении приспособление все же имело определенный спрос. Однако снова появились признаки возобновляющихся боевых действий: способы превращения звука в последовательность нулей и единиц начали множиться.

  
Магнитные головки внутри портативного DAT магнитофона. Несмотря на то что появлению подобных устройств на западных рынках противились многие мощные корпорации еще 30 лет назад, они до сих пор не утратили своей актуальности. Фото (Creative Commons license): Seven Morris

Потребность в унификации удовлетворили общими усилиями через четыре года. Представители восьмидесяти одной фирмы, преимущественно японских, приняли предложенный и реализованный Sony и Philips стандарт для цифровой магнитозаписи — формат DAT (Digital Audio Tape). В этом формате используются 16-битная импульсно-кодовая модуляция без сжатия при двух фиксированных частотах — 48,44 или 32 кГц. Как станет ясно из дальнейшего, при втором значении частоты дискретизации запись и воспроизведение происходят без частотных потерь, в связи с чем магнитофоны DAT используют для получения мастер-записей при тиражировании их на компакт-дисках

Формат DAT был задуман и реализован для использования его профессионалами. В 1992 году компании Philips и Matsushita, замыслив осчастливить и рядовых меломанов, запустили на рынок магнитозаписывающую аппаратуру формата DCC (Digital Compact Cassette). DCC-магнитофоны, выпускавшиеся под марками Philips и Panasonic, были хороши — надежны, практичны и недороги.

Однако финал истории известен: в 1996 году технику DCC сняли с продаж. Это было неизбежно, поскольку на широком потребительском рынке ленте конкурировать с CD становилось невозможно. Диск в сравнении с лентой обладает множеством потребительских достоинств: не «осыпается» со временем, не боится колебаний температуры и внешних электромагнитных полей, в считывателе нет истираемых магнитных головок, имеется возможность немедленного доступа к любому треку. Но кроме того, у CD есть и достоинства технологические — штамповка диска занимает у автомата не больше времени, чем закупоривание пивной бутылки. 

Дискоболы

Несмотря на то, что лазеры появились ещё в 60-е годы, а исследования в области цифровой звукозаписи начались и того раньше, прогрессивное человечество познакомилось с компакт-диском лишь в середине 80-х. Произошло это благодаря все тем же Sony и Philips, которые в 1979 году зарегистрировали стандарт Red Book на цифровую запись звука оптическим способом. А ещё через три года завод в немецком городе Лангенхаген начал массовое изготовление компакт-дисков, которые украшал логотип «Compact disс digital audio». Время звучания первых CD составляло ровно 74 минуты, что было вызвано обстоятельством не технического характера.

  
Первые лазерные компакт-диски диаметром 12 см, и способные полностью вместить 9-ю симфонию Бетховена, появились в продаже только в 1982 году. Фото: © Philips Company Archive 

Эксперты Philips полагали, что время звучания диска должно равняться одному часу. Но руководитель проекта со стороны Sony Охга Норио (Norio Ohga) не согласился. По его представлениям, сложившимся ещё в годы учебы в Берлинской консерватории, время следует мерить музыкой. По опросам общественного мнения, наибольшей популярностью среди классических произведений в Японии пользовалась Девятая симфония Бетховена. Самая длинная запись этого произведения была сделана во время Байройтского фестиваля 1951 года — оркестром тогда дирижировал знаменитый Вильгельм Фуртвенглер (Wilhelm Furtwängler), и продолжительность этой записи была именно 74 минуты. Диаметр в 12 см появился из требования уместить симфонию на диске. Впоследствии время компакт-записей было доведено до 80 минут.

Компакт-диск изготавливается из поликарбоната толщиной 1,2 мм, покрытого тончайшим слоем алюминия (на первых порах использовалось золото), на который наносится защитный слой лака. С рабочей стороны диска имеется кольцевой выступ 0,5-миллиметровой толщины, предохраняющий диск от соприкосновения с поверхностью стола. 

Двоичная информация (единички и нолики) записывается на диске по спиральной дорожке в алюминиевом слое в виде углублений — питов, — которые соответствуют единичкам. Нулевые биты информации не изменяют состояние информационного носителя. Глубина каждого пита — 125 нм, ширина — 500 нм, длина — от 850 нм до 1,5 мкм. Расстояние между соседними дорожками спирали — 1,6 мкм. Спираль длиной 5,7 км упакована в шестьдесят раз плотнее, чем звуковая дорожка на виниловой пластинке.

  
Поверхность компакт-диска с явственно различимыми ямками-питами. Каждая из них выглядит, как крошечная белая черточка. В действительности, они много меньше — ширина каждой 500 нм, а длина колеблется от 830 до 3000 нм. Фото (Creative Commons license): Jason Kennerly

Считывание информации осуществляется лазерным лучом с длиной волны 780 нм, который отражается от алюминиевого носителя в местах отсутствия питов. Отраженный луч попадает на фотоприемник. При попадании же луча на пит происходит интерференция двух потоков света — отраженного от углубления и от ровной площадки, его окружающей. В результате попадающий на фотоприемник луч имеет недостаточную для срабатывания фотодиода интенсивность. 

Заклинатели ультразвука

Для того, чтобы превратить плавное (аналоговое) изменение какого-то сигнала (например, значение звукового давления или величину электрического тока на выходе микрофона) в последовательность чисел, надо определить, как часто этот плавно меняющийся сигнал необходимо измерять и оцифровывать. Для этого в теории передачи данных существует теорема Котельникова, гласящая, что, если непрерывный спектр сигнала ограничен частотой Fmax, то сигнал может быть однозначно и без потерь восстановлен по результатам дискретных измерений, сделанных с вдвое большей частотой (2 х Fmax). Поскольку человеческое ухо практически не воспринимает звук частотой больше 20 кГц, то для аутентичного прослушивания цифровых записей необходимо промерять сигнал не реже 40 тыс. раз за секунду. 

В формате CD частота дискретизации равна 44,1 кГц, и, следовательно, он удовлетворяет требованиям теоремы: что «слышит» микрофон, то должен уловить и слушатель на выходе записывающей и воспроизводящей цепочки. Приемлемо обстоят дела и с квантованием сигнала, то есть с точностью представления его амплитуды в двоичном коде. Для кодирования сигнала (каждого отсчета) используется 16-разрядное двоичное слово, позволяющее фиксировать 65 536 различных уровней громкости. Это соответствует динамическому диапазону порядка 100 дБ. Правда, некоторые музыкальные произведения, скажем, «Болеро» Равеля, выходят из этого диапазона. Человек же способен кратковременно воспринимать без вреда для здоровья 120 дБ.

Как и у всякого нового явления, у CD появились критики — винилофилы, утверждающие, что цифровой звук отличается от аналогового некой «деревянностью», «пластмассовостью» и «стерильностью». При этом конкретизировать эти субъективные характеристики, естественно, никто не мог. Более продвинутые в вопросах преобразований Фурье даже поставили под сомнение истинность теоремы Котельникова: мол, для перевода из аналога в цифру она справедлива, в обратном направлении насквозь лжива.

  
Трудно не оценить возможность списывать музыку с виниловой пластинки в iPod в режиме реального времени. Лишь на первый взгляд это не экономично: раньше на промежуточные преобразования приходилось тратить значительно больше времени. Фото: Ion Audio

Правы, однако, были и винилофилы, и теорема Котельникова. Дело все в том, что спектр музыкального звука вовсе не ограничен. А ухо, по-разному воспринимая частоты из различных частей спектра, преобразует звук совсем не так, как процедура «квантования» и превращения «оцифрованного» звука в живой. Да и границу в 20 кГц тоже следует считать довольно условной и индивидуальной. Поэтому для мизерного процента людей, обладающих запредельным слухом, разница в звучании виниловой пластинки и CD есть. 

Эта проблема была решена в конце минувшего века сразу двумя «командами» практически одновременно. Тандем Sony–Philips выпустил на рынок новый формат — SACD (Super Audio CD), а консорциум, включающий Matsushita, Toshiba, Thomson, Hitachi и JVC, — DVD Audio. DVD имеют значительно больший объем, чем CD, на двухслойные и двухсторонние болванки удается записать тем же самым оптическим методом 17 Гбайт информации, расширив динамический диапазон воспроизводимых звуков до 130 дБ. При этом максимальная частота дискретизации — 192 кГц. Столь же высокие показатели демонстрирует и формат SACD. То есть самым несгибаемым винилофилам теперь приходится изощряться на пределе мыслительных способностей, чтобы доказать свою сомнительную правоту.

Иллюзионисты

Помимо чистоты записи, существует и проблема объема. Запись всегда хочется по возможности сжать, чтобы она не отбирала слишком много места на носителях. За эту задачу взялся в конце 80-х годов комитет MPEG (Moving Pictures Expert Group, Экспертная группа по вопросам движущегося изображения), сформированный Международной организацией стандартов ISO (International Standards Organization). Комитет разработал три стандарта — MPEG-1, MPEG-2 и MPEG-4. В рамках двух первых существуют форматы хранения звуковой информации — Layer-1 (наиболее простой), Layer-2 и Layer-3 (наиболее сложный и эффективный). 

Формат Layer-3, который более известен под именем МР3, позволяет добиваться десятикратного сжатия практически без потери качества воспроизведения. При дальнейшей компрессии, вплоть до 25-кратной, потери неизбежны, но качество удовлетворит любого поклонника отечественной «Фабрики звезд».

Алгоритм, который применяется для получения МР3-файлов, основывается на использовании психоакустических законов. Он отбрасывает те звуки, которые среднестатистический человек не воспринимает. Например, во время раската грома мы не слышим звук падающих в лужу дождевых капель. Или ухо точно определяет направление, в котором находится источник средних звуковых частот, а низкие и высокие частоты такой идентификации поддаются плохо. У идеи появились последователи: FLAC (Free Lossless Audio Codec — бесплатный аудиокодек, сжимающий без потерь) и OGG. Причем оба формата претендуют на исправление основных дефектов MP3.

  
В «военной истории» звукозаписи огромное значение имело даже не столько изобретение лазера само по себе, сколько создание миниатюрного и дешевого. Возможно, в будущем столь же большое значение будет иметь радикальное уменьшение длины волны генерируемого излучения. Фото: Sony Corporation 

Голубоглазая бестия

Основной новостью стало появление недорогих и относительно коротковолновых лазеров: на смену стандартному красному лучу с длиной волны 780 нм пришел голубой — 405 нм. Под новый лазер был разработан и новый формат, и новый носитель — Blue-ray. Как во всяком новом деле, не обошлось без проблем: диски оказались слишком «нежными», так как слой, на который пишутся данные, располагался очень близко от поверхности. Поэтому первые диски приходилось выпускать в специальных картриджах.

Впоследствии в лабораториях фирмы TDK было создано специальное покрытие «Durabis», позволившее защитить диски от царапин и иных повреждений. В некоторых СМИ сообщалось, что такие диски можно даже царапать отверткой. Сейчас емкость Blue-Ray дисков составляет 25 Гб на один слой. И это составит целых 100 Гб для четырехслойных дисков, И даже 200 Гб для восьмислойных, уже созданных разработчиками. Это стало возможным именно благодаря применению коротковолнового лазера.

Но приверженцы «красноглазого» лазера тоже пока не сдаются. Формат HD DVD разрабатывался компанией Toshiba в содружестве с компаниями NEC и Sanyo. Основной целью было использовать с максимальной эффективностью оборудование, созданное для производства CD и DVD дисков и устройств, чтобы уменьшить стоимость производства, а значит и цены. Емкость одного слоя составляет 15 Гб, и на данный момент существуют трёхслойные диски, то есть емкостью 45 Гб.

Пока «война» не окончена, и не станем предсказывать её исход. Единственное, что можно предположить уже сейчас, что к победителю будут предъявлены жесткие требования относительно защиты записи от несанкционированного копирования. Если, конечно, эта война закончится чьей-то победой.

Владимир Тучков, 01.02.2008

 

Новости партнёров