Цифровой звук, немного теории. Часть 5.

7. Программное обеспечение 

Тема программного обеспечения очень широка, поэтому здесь мы только вкратце обсудим основные представители программ для обработки звука.

Наиболее важный класс программ – редакторы цифрового аудио. Основные возможности таких программ это, как минимум, обеспечение возможности записи (оцифровки) аудио и сохранение на диск. Развитые представители такого рода программ позволяют намного больше: запись, многоканальное сведение аудио на нескольких виртуальных дорожках, обработка специальными эффектами (как встроенными, так и подключаемыми извне – об этом позже), очистка от шумов, имеют развитую навигацию и инструментарий в виде спектроскопа и прочих виртуальных приборов, управление/управляемость внешними устройствами, преобразование аудио из формата в формат, генерация сигналов, запись на компакт диски и многое другое. Некоторые из таких программ: Cool Edit Pro (Syntrillium), Sound Forge (Sonic Foundry), Nuendo (Steinberg), Samplitude Producer (Magix), Wavelab (Steinberg).

Основные возможности редактора Cool Edit Pro 2.0 (см. Скриншот 1 - пример рабочего окна программы в многодорожечном режиме): редактирование и сведение аудио на 128 дорожках, 45 встроенных DSP-эффектов, включая инструменты для мастеринга, анализа и реставрации аудио, 32-битная обработка, поддержка аудио с параметрами 24 бит / 192 КГц, мощный инструментарии для работы с петлями (loops), поддержка DirectX, а также управление SMPTE/MTC, поддержка работы с видео и MIDI и прочее.

Скриншот 1

Основные возможности редактора Sound Forge 6.0a (см. Скриншот 2 - пример рабочего окна программы): мощные возможности не деструктивного редактирования, многозадачная фоновая обработка заданий, поддержка файлов с параметрами до 32 бит / 192 КГц, менеджер предустановок, поддержка файлов более 4 Гб, работа с видео, большой набор эффектов обработки, восстановление после зависаний, предпрослушивание примененных эффектов, спектральный анализатор и прочее.

Скриншот 2

Не менее важная в функциональном смысле группа программ – секвенсоры (программы для написания музыки). Чаще всего, такие программы используют MIDI-синтезатор (аппаратный внешний или встроенный почти в любую звуковую карту, либо программный, организуемый специальным программным обеспечением). Такие программы предоставляют пользователю либо привычный нотный стан (как, например, программа Finale от CODA), либо более распространенный способ редактирования аудио на компьютере, так называемый, piano-roll (это более понятное представление музыки для людей, не знакомых с нотами; в таком представлении вертикально имеется ось с изображением клавиш пианино, а горизонтально откладывается время, таким образом, ставя на пересечении штрихи разной длинны, добиваются звучания определенной ноты с определенной продолжительностью). Встречаются и программы, позволяющие просматривать и редактировать аудио в обоих представлениях. Развитые секвенсоры помимо редактирования аудио во многом могут дублировать возможности редакторов цифрового аудио – осуществлять запись на CD, совмещать MIDI-дорожки с цифровыми сигналами и осуществлять мастеринг. Яркие представители такого класса программ: Cubase (Steinberg), Logic Audio (Emagic), Cakewalk (Twelve Tone Systems) и уже упомянутый Finale.

Основные возможности редактора Cubase 5.1 (см. Скриншот 3 – пример рабочего окна программы в режиме просмотра MIDI дорожек): редактирование музыки в реальном времени используя графическое представление информации, высокое разрешение редактора (15360 пульсов на четверть), практически не лимитированное количество дорожек, 72 аудио канала, поддержка VST32, 4 эквалайзера на канал и другие поканальные эффекты, встроенные инструменты обработки с использованием аналогового моделирования (виртуальные инструменты, эффект процессоры, инструменты микширования и записи) и множество других возможностей.

Скриншот 3

Основные возможности редактора Logic Audio 5 (см. Скриншот 4 – пример рабочего окна программы): работа со звука при точности в 32 бита, высокое временное разрешение событий, самоадаптируемый микшер аудио и MIDI, оптимизируемый интерфейс пользователя, синхронизация с видео, виртуально неограниченное число MIDI-дорожек, обработка звука в реальном времени, полная синхронизация с MTC, MMC, SMPTE, встроенные модули обработки и автоинструменты, поддержка большого количество аппаратного оборудования, а также множество других возможностей.

Скриншот 4

В наборе программ пользователя, занимающегося обработкой звука, имеется множество разных инструментов, так было раньше и так будет впредь – универсальных комбайнов для работы со звуком не бывает. Однако, не смотря на все разнообразие ПО, в программах часто используются схожие механизмы для обработки звука (например, процессоры эффектов и прочие). На каком-то этапе разработки аудио ПО, производители поняли, что удобнее сделать в своих программах возможность подключения внешних инструментов, чем каждый раз создавать заново инструменты для каждой отдельной программы.  Так что многие программы, относящиеся к той или иной группе ПО, позволяют подключать так называемые «плаг-ины» - внешние подключаемые модули, расширяющие возможности обработки звука. Это стало возможным в результате появления нескольких стандартов на интерфейс между программой и подключаемым модулем. На сегодняшний день существуют два основных стандарта на интерфейс: DX и VST. Существование стандартов позволяет подключать один и тот же плаг-ин к совершенно разным программам, не заботясь о возникновении конфликтов и неполадок. Говоря о самих плаг-инах, надо сказать, что это просто огромное семейство программ. Обычно, один плаг-ин является механизмом, реализующим какой-то конкретный эффект, например, реверберацию или низкочастотный фильтр. Из интересных плаг-инов можно вспомнить, например iZotope Vinyl, - он позволяет придать звучанию эффект виниловой пластинки (см. Скриншот 5 – пример рабочего окна плаг-ина в среде Cool Edit Pro), Antares AutoTune позволяет в полуавтоматическом режиме корректировать  звучание вокала, а Orange Vocoder являет собой замечательный вокодер (механизм для придания звучанию различных инструментов схожести со звучанием голоса человека).

Скриншот 5

Обработка звука и написание музыки – это не только творческий процесс. Иногда нужен скрупулезный анализ данных, а также осуществление поиска огрехов их звучания. Кроме того, аудио материал, с который приходится иметь дело, не всегда желаемого качества. В этой связи нельзя не вспомнить о целом ряде программ-анализаторов аудио, специально предназначенных для осуществления измерительных анализов аудио данных. Такие программы помогают представить аудио данные удобнее, чем обычные редакторы, а также внимательно изучить их с помощью различных инструментов, таких как FFT-анализаторы (построители динамических и статических амплитудно-частотных характеристик), построители сонограмм, и прочих. Одна из наиболее известных и развитых программ подобного плана – программа SpectraLAB (Sound Technology Inc.), чуть более простые, но мощные – Analyzer2000 и Spectrogram.

Программа SpectraLAB – наиболее мощный продукт подобного рода, существующий на сегодня (см. Скриншот 6 – пример рабочего окна программы, на экране: спектральная картина в трез представлениях и фазовая картина). Возможности программы: 3 режима работы (пост режим, режим реального времени, режим записи), основной инструментарий – осциллограф, спектрометр (двухмерный, трехмерный, а также построитель сонограмм) и фазометр, возможность сравнения амплитудно-частотных характеристик нескольких сигналов, широкие возможности масштабирования, измерительные инструменты: нелинейных искажений, отношения сигнал/шум, искажений и прочие.

Скриншот 6

Специализированные реставраторы аудио играют также немаловажную роль в обработке звука. Такие программы позволяют восстановить утерянное качество звучания аудио материала, удалить нежелательные щелчки, шумы, треск, специфические помехи записей с аудио-кассет, и провести другую корректировку аудио. Программы подобного рода: Dart, Clean (от Steinberg Inc.), Audio Cleaning Lab. (от Magix Ent.), Wave Corrector.
Основные возможности реставратора Clean 3.0 (см. Скриншот 8 – рабочее окно программы): устранение всевозможных потрескиваний и шумов, режим автокоррекции, набор эффектов для обработки скорректированного звука, включая функцию «surround sound» с наглядным акустическим моделированием эффекта, запись CD с подготовленными данными, «интеллигентная» система подсказок, поддержка внешних VST плаг-инов и другие возможности.

Скриншот 8

Трекеры – это отдельная категория звуковых программ, предназначенных именно для создания музыки. Ранее мы рассмотрели два принципиально отличных способа хранения звуковых данных (музыки): первый - хранение звука в виде сжатого или несжатого потока аудио, второй - хранение музыки в виде MIDI-файлов (в виде набора команд MIDI-синтезатору). Структура и концепция построения трекерных файлов очень похожа на принцип хранения MIDI-информации. В трекерных модулях (файлы, созданные в трекерах, принято называть модулями), также, как и в MIDI-файлах, содержится партитура в соответствии с которой должны проигрываться инструменты. Кроме того, в них содержится информация о том, какие эффекты и в какой момент времени должны быть применены при проигрывании того или иного инструмента. Однако, принципиальное отличие трекерных модулей от MIDI-файлов заключается в том, что проигрываемые в этих модулях инструменты (или, точнее сказать, сэмплы) хранятся в самих модулях (то есть внутри файлов), а не в синтезаторе (как это происходит в случае с MIDI). Такой способ хранения музыки имеет массу преимуществ: размер файлов невелик по сравнению с непрерывной оцифрованной музыкой (поскольку записываются только использованные инструменты и партитура в виде команд), нет зависимости звучания от компьютера, на котором происходит воспроизведение (в MIDI, как мы говорили, есть зависимость звучания от используемого синтезатора), имеется большая свобода творчества, поскольку автор музыки не ограничен наборов инструментов (как в MIDI), а может использовать в качестве инструмента любой оцифрованный звук. Основные программы-трекеры Scream Tracker, Fast Tracker, Impulse Tracker, OctaMED SoundStudio, MAD Tracker, ModPlug Tracker. 

Программа ModPlug Tracker является сегодня одним из тех трекеров, сумевших стать универсальной рабочей средой для множества типов трекерных модулей (см. Скриншот 7 – пример рабочего окна программы, на экране: содержание дорожек одного загруженного модуля и рабочее окно сэмплов другого модуля). Основные возможности: поддержка до 64 физических каналов аудио, поддержка почти всех существующих форматов трекерных модулей, импорт инструментов во множестве форматов, 32-битное внутреннее микширование, высококачественный ресэплирующий фильтр, поддержка MMX/3dNow!/SSE, автоматическое удаление потрескиваний, расширение басов, ревербератор, расширение стерео, 6-полосный графический эквалайзер и другие возможности.

Скриншот 7

На последок следует упомянуть о существовании огромного количества другого аудио ПО: проигрыватели аудио (наиболее выдающиеся: WinAMP, Sonique, Apollo, XMPlay, Cubic Player), подключаемые модули для проигрывателей (из «улучшателей» звучания аудио - DFX, Enhancer, iZotop Ozone), утилиты для копирования информации с аудио CD (ExactAudioCopy, CDex, AudioGrabber), перехватчики аудио потоков (Total Recorder, AudioTools), кодеры аудио (кодеры MP3: Lame encoder, Blade Encoderб Go-Go и другие; кодеры VQF: TwinVQ encoder, Yamaha SoundVQ, NTT TwinVQ; кодеры AAC: FAAC, PsyTel AAC, Quartex AAC), конвертеры аудио (для перевода аудио информации из одного формата в другой), генераторы речи и множество других специфических и общих утилит. Безусловно, все перечисленное – только малая толика из того, что может пригодиться при работе со звуком.

Цифровой звук, немного теории. Часть 4.

6. Аппаратура 

Немаловажная часть разговора о звуке связана с аппаратурой. Существует много различных устройств для обработки и ввода/вывода звука. Касательно обычного персонального компьютера следует подробнее остановиться на звуковых картах. Звуковые карты принято делить на звуковые, музыкальные и звукомузыкальные. По конструкции же все звуковые платы можно разделить на две группы: основные (устанавливаемые на материнской плате компьютера и обеспечивающие ввод и вывод аудио данных) и дочерние (имеют принципиальное конструктивное отличие от основных плат - они чаще всего подключаются к  специальному разъему, расположенному на основной плате). Дочерние платы служат чаще всего для обеспечения или расширения возможностей MIDI-синтезатора.

Звукомузыкальные и звуковые платы выполняются в виде устройств, вставляемых в слот материнской платы (либо уже  встроены в нее изначально). Визуально они имеют обычно два аналоговых входа - линейный и микрофонный, и несколько аналоговых выходов: линейные выходы и выход для наушников. В последнее время карты стали оснащаться также и цифровым входом и выходом, обеспечивающим передачу аудио между цифровыми устройствами.  Аналоговые входы и выходы обычно имеют разъемы, аналогичные разъемам головных наушников (1/8”). Вообще, входов у звуковой платы немного больше, чем два: аналоговые CD, MIDI и другие входы. Они, в отличие от микрофонного и линейного входов, расположены не на задней панели звуковой платы, а на самой плате; могут иметься и другие входы, например, для подключения голосового модема. Цифровые входы и выходы обычно выполнены в виде интерфейса S/PDIF (интерфейс цифровой передачи сигналов) с соответствующим разъемом (S/PDIF – сокращение от Sony/Panasonic Digital Interface - цифровой интерфейс Sony/Panasonic). S/PDIF - это «бытовой» вариант более сложного профессионального стандарта AES/EBU (Audio Engineering Society / European Broadcast Union). Сигнал S/PDIF используется для цифровой передачи (кодирования) 16-разрядных стерео данных с любой частотой дискретизации. Помимо перечисленного, на звукомузыкальных платах имеется MIDI-интерфейс с разъемами для подключения MIDI-устройств и джойстиков, а также для подсоединения дочерней музыкальной карты (хотя в последнее время возможность подключения последней становится редкостью). Некоторые модели звуковых карт для удобства пользователя оснащаются фронтальной панелью, устанавливаемой на лицевой стороне системного блока компьютера, на которой размещаются разъемы, соединенные с различными входами и выходами звуковой карты.

Определим несколько основных блоков, из которых состоят звуковые и звукомузыкальные платы.

1.  Блок цифровой обработки сигналов (кодек). В этом блоке осуществляются аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразования (АЦП и ЦАП). От этого блока зависят такие характеристики карты, как максимальная частота дискретизации при записи и воспроизведении сигнала, максимальный уровень квантования и максимальное количество обрабатываемых каналов (моно или стерео). В немалой степени от качества и сложности составляющих этого блока зависят и шумовые характеристики.
2.  Блок синтезатора. Присутствует в музыкальных картах. Выполняется на основе либо FM-, либо WT-синтеза, либо на обоих сразу. Может работать как под управлением собственного процессора, так и под управлением специального драйвера.
3.  Интерфейсный блок. Обеспечивает передачу данных по различным интерфейсам (например, S/PDIF). У чисто звуковой карты этот блок чаще отсутствует.
4.  Микшерный блок. В звуковых платах микшерный блок обеспечивает регулировку:

• уровней сигналов с линейных входов;
• уровней с MIDI входа и входа цифрового звука;
• уровня общего сигнала;
• панорамирования;
• тембра.

Рассмотрим важнейшие параметры, характеризующие звуковые и звукомузыкальные платы. Наиболее важными характеристиками являются: максимальная частота дискретизации (sampling rate) в режиме записи и в режиме воспроизведения, максимальный уровень квантования или разрядность (max. quantization level) в режиме записи и воспроизведения. Кроме того, так как звукомузыкальные платы имеют еще и синтезатор, то к их характеристикам относят и параметры установленного синтезатора. Естественно, чем с большим уровнем квантования карта способна кодировать сигналы, тем большее качество сигнала при этом достигается. Все современные модели звуковых карт способны кодировать сигнал с уровнем 16 бит. Одной из важных характеристик является возможность одновременного воспроизведения и записи звуковых потоков. Особенность карты одновременно воспроизводить и записывать называют  полнодуплексной (full duplex). Есть еще одна характеристика, которая зачастую играет решающую роль при покупке звуковой карты - отношение сигнал/шум (Signal/Noise Ratio, S/N).

Этот показатель влияет на чистоту записи и воспроизведения сигнала. Отношение сигнал/шум – это отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе устройства, этот показатель принято измерять в дБ. Хорошим можно считать отношение 80-85 дБ; идеальным – 95-100 дБ. Однако нужно учитывать, что на качество воспроизведения и записи сильно влияют наводки (помехи) со стороны других компонент компьютера (блока питания и проч.). В результате этого отношение сигнал/шум может изменяться в худшую сторону. На практике методов борьбы с этим существует достаточно много. Некоторые предлагают заземлить компьютер. Другие, дабы как можно более тщательно уберечь звуковую карту от наводок, «выносят» ее за пределы корпуса компьютера. Однако полностью уберечься от наводок очень тяжело, так как даже элементы самой карты создают наводки друг на друга. С этим тоже пытаются бороться и для этого экранируют каждый элемент на плате. Но сколько бы усилий не прилагалось к решению этой проблемы, полностью исключить влияние внешних помех невозможно.

Еще одна не менее важная характеристика – коэффициент нелинейных искажений или Total Harmonic Distortion, THD. Этот показатель также критическим образом влияет на чистоту звучания. Коэффициент нелинейных искажений измеряется в процентах: 1% - «грязное» звучание; 0.1% - нормальное звучание; 0.01% - чистое звучание класса Hi-Fi; 0.002% - звучание класса Hi-Fi – Hi End.. Нелинейные искажения – результат неточности в восстановлении сигнала из цифрового вида в аналоговый. Упрощенно, процесс измерения этого коэффициента проводится следующим образом. На вход звуковой карты подается чистый синусоидальный сигнал. На выходе устройства снимается сигнал, спектр которого представляет собой сумму синусоидальных сигналов (сумма исходной синусоиды и ее гармоник). Затем по специальной формуле рассчитывается количественное соотношение исходного сигнала и его гармоник, полученных на выходе устройства. Это количественное соотношение и есть коэффициент нелинейных искажений (THD).

Что такое MIDI-синтезатор? Термин «синтезатор» обычно используется применительно к  электронному музыкальному инструменту, в котором звук создается и обрабатывается, меняя свою окраску и характеристики. Естественно, название этого устройства пошло от его основного предназначения – синтеза звука. Основных методов синтеза звука существует всего два: FM (Frequency modulation – частотная модуляция) и WT (Wave Table – таблично-волновой). Поскольку мы не можем здесь подробно останавливаться на их рассмотрении, опишем лишь основную идею методов. В основе FM-синтеза лежит идея, что любое даже самое сложное колебание является по сути суммой простейших синусоидальных. Таким образом, можно наложить друг на друга сигналы от конечного числа генераторов синусоид и путем изменения частот синусоид получать звуки, похожие на настоящие. Таблично-волновой синтез основывается на другом принципе. Синтез звука при использовании такого метода достигается за счет манипуляций над заранее записанными (оцифрованными) звуками реальных музыкальных инструментов. Эти звуки (они называются сэмплами) хранятся в постоянной памяти синтезатора.

MIDI-синтезатор – это синтезатор, отвечающий требованиям стандарта, о котором мы сейчас поговорим. MIDI – это общепринятая спецификация, связанная с организацией цифрового интерфейса для музыкальных устройств, включающая в себя стандарт на аппаратную и программную части.

Рис. 7

Эта спецификация предназначена для организации локальной сети электронных  инструментов (рис. 7). К MIDI-устройствам относятся различные аппаратные и музыкальные инструменты, отвечающие требованиям MIDI. Таким образом, MIDI-синтезатор – это музыкальный инструмент, предназначенный обычно для синтеза звука и музыки, а также удовлетворяющий спецификации MIDI. Давайте разберемся кратко, почему выделен отдельный класс устройств, названный MIDI.

Дело в том, что осуществление программной обработки звука часто сопряжено с неудобствами, обусловленными различными техническими особенностями этого процесса. Даже возложив операции по обработке звука на звуковую карту или любую другую аппаратуру, остается множество различных проблем. Во-первых, зачастую желательно пользоваться аппаратным синтезом звучания музыкальных инструментов (как минимум потому, что компьютер – это слишком общий инструмент, часто необходим просто аппаратный синтезатор звуков и музыки, не более). Во-вторых, программная обработка звука часто сопровождается временными задержками, в то время как при концертной работе необходимо мгновенное получение обработанного сигнала. По этим и другим причинам и прибегают к использованию специальной аппаратуры для обработки, а не компьютеров со специальными программами. Однако при использовании аппаратуры возникает необходимость в едином стандарте, который позволил бы соединять устройства друг с другом и комбинировать их. Эти предпосылки и заставили в 1982 году несколько ведущих в области музыкального оборудования компаний утвердить первый MIDI-стандарт, который впоследствии получил продолжение и развивается по сей день. Что же в конечном счете представляет собой MIDI-интерфейс и устройства в него входящие с точки зрения персонального компьютера?

• Аппаратно - это установленные на звуковой карте: синтезатор различных звуков и музыкальных инструментов, микропроцессор, контролирующий и управляющий работу MIDI-устройств, а также различные стандартизованные разъемы и шнуры для подключения дополнительных устройств.
• Программно - это протокол MIDI, представляющий собой набор сообщений (команд), которые описывают различные функции системы MIDI и с помощью которых осуществляется связь (обмен информацией) между устройствами MIDI. Сообщения можно рассматривать как средство удаленного управления.

Рамки данной статьи не позволяют нам углубляться в частности описания MIDI, следует отметить однако, что в отношении синтезаторов звука MIDI устанавливает строгие требования к их возможностям, примененным в них способам синтеза звука, а также к управляющим параметрам синтеза. Кроме того, для того, чтобы музыка созданная на одном синтезаторе могла бы быть легко перенесена и успешно воспроизведена на другом, были установлены несколько стандартов на соответствие инструментов (голосов) и их параметров в различных синтезаторах: стандарт General MIDI (GM),  General Synth (GS) и eXtended General (XG). Базисным стандартом является GM, остальные два являются его логическими продолжениями и расширениями.

В качестве практического примера устройства MIDI, можно рассмотреть обычную MIDI-клавиатуру. Упрощенно, MIDI-клавиатура представляет собой укороченную клавиатуру рояля в корпусе с которой находится MIDI-интерфейс, позволяющий подключать ее к другим MIDI-устройствам, например, к MIDI-синтезатору, который установлен в звуковой карте компьютера. Используя специальное программное обеспечение (например, MIDI-секвенсор) можно включить MIDI-синтезатор в режим игры, например, на рояле, и нажимая на клавиши MIDI-клавиатуры слышать звуки рояля. Естественно, что роялем дело не ограничивается – в стандарте GM имеются 128 мелодических инструментов и 46 ударных. Кроме того, используя MIDI-секвенсор можно записывать исполняемые на MIDI-клавиатуре ноты в компьютер, для последующего редактирования и аранжировки, либо просто для элементарной распечатки нот.
Надо отметить, что поскольку MIDI-данные – это набор команд, то музыка, которая написана с помощью MIDI, также записывается с помощью команд синтезатора. Иными словами, MIDI-партитура – это последовательность команд: какую ноту играть, какой инструмент использовать, какова продолжительность и тональность ее звучания и так далее. Знакомые многим MIDI-файлы (.MID) есть нечто иное, как набор таких команд. Естественно, что поскольку имеется великое множество производителей MIDI-синтезаторов, то и звучать один и тот же файл может на разных синтезаторах по-разному (потому что в файле сами инструменты не хранятся, а есть лишь только указания синтезатору какими инструментами играть, в то время как разные синтезаторы могут звучать по-разному).

Вернемся к рассмотрению звукомузыкальных плат. Поскольку мы уже уточнили, что такое MIDI, нельзя обойти стороной характеристики встроенного аппаратного синтезатора звуковой карты. Современный синтезатор, чаще всего, основан на так называемой «волновой таблице» - WaveTable (вкратце, принцип работы такого синтезатора состоит в том, что звук в нем синтезируется из набора записанных звуков путем их динамического наложения и изменения параметров звучания), раньше же основным типом синтеза являлся FM (Frequency Modulation – синтез звука посредством генерирования простых синусоидальных колебаний и их смешения). Основными характеристиками WT-синтезатора являются: количество инструментов в ПЗУ и его объем, наличие  ОЗУ и его максимальный объем, количество возможных эффектов обработки сигналов, а также возможность поканальной эффект-обработки (конечно, в случае наличия эффект-процессора), количество генераторов, определяющих максимальное число голосов в полифоническом (многоголосном) режиме и, может быть самое главное, стандарт, в соответствии с которым выполнен синтезатор (GM, GS или XG). Кстати, объем памяти синтезатора - не всегда величина фиксированная. Дело в том, что в последнее время синтезаторы перестали иметь свое ПЗУ, а пользуются основным ОЗУ компьютера: в этом случае все используемые синтезатором звуки хранятся в файле на диске и при необходимости считываются в ОЗУ.

Цифровой звук, немного теории. Часть 3.

4. Преимущества и недостатки цифрового звука 

С точки зрения обычного пользователя выгоды много - компактность современных носителей информации позволяет ему, например, перевести все диски и пластинки из своей коллекции в цифровое представление и сохранить на долгие годы на небольшом трехдюймовом винчестере или на десятке-другом компакт дисков; можно воспользоваться специальным программным обеспечением и хорошенько «почистить» старые записи с бобин и пластинок, удалив из их звучания шумы и треск; можно также не просто скорректировать звучание, но и приукрасить его, добавить сочности, объемности,  восстановить частоты. Помимо перечисленных манипуляций со звуком в домашних условиях, Интернет тоже приходит на помощь аудио-любителю. Например, сеть позволяет людям обмениваться музыкой, прослушивать сотни тысяч различных Интернет-радио станций, а также демонстрировать свое звуковое творчество публике, и для этого нужен всего лишь компьютер и Интернет. И, наконец, в последнее время появилась огромная масса различной портативной цифровой аудио аппаратуры, возможности даже самого среднего представителя которой зачастую позволяют с легкостью взять с собой в дорогу коллекцию музыки, равную по длительности звучания десяткам часов.

С точки зрения профессионала цифровой звук открывает поистине необъятные возможности. Если раньше звуковые и радио студии размещались на нескольких десятках квадратных метров, то теперь их может заменить хороший компьютер, который по возможностям превосходит десять таких студий вместе взятых, а по стоимости оказывается многократно дешевле одной. Это снимает многие финансовые барьеры и делает звукозапись  более доступной и профессионалу и простому любителю. Современное программное обеспечение позволяет делать со звуком все что угодно. Раньше различные эффекты звучания достигались с помощью хитроумных приспособлений, которые не всегда являли собой верх технической мысли или же были просто устройствами кустарного изготовления. Сегодня, самые сложные и просто невообразимые раньше эффекты достигаются путем нажатия пары кнопок. Конечно, вышесказанное несколько утрировано и компьютер не заменяет человека – звукооператора, режиссера или монтажера, однако с уверенностью можно сказать, что компактность, мобильность, колоссальная мощность и обеспечиваемое качество современной цифровой техники, предназначенной для обработки звука, уже сегодня почти полностью вытеснило из студий старую аналоговую аппаратуру.

Конечно, цифровая техника тоже имеет свои недостатки.  Многие (профессионалы и любители) отмечают, что аналоговый звук слушался живее. И это не просто дань прошлому. Как мы сказали выше, процесс оцифровки вносит определенную погрешность в звучание, кроме того, различная усиливающая цифровая аппаратура привносит так называемые «транзисторные шумы» и другие специфические искажения. Термину «транзисторный шум», пожалуй, нет точного определения, но можно сказать, что это хаотичные колебания в области высоких частот. Не смотря на то, что слуховой аппарат человека способен воспринимать частоты до 20 кГц, похоже, все-таки, человеческий мозг улавливает и более высокие частоты. И именно на подсознательном уровне человек все же ощущает аналоговое звучание чище, чем цифровое.

Впрочем, у цифрового представления данных есть одно неоспоримое и очень важное преимущество – при сохранном носителе данные на нем не искажаются с течением времени. Если магнитная лента со временем размагничивается и качество записи теряется, если пластинка царапается и к звучанию прибавляются щелчки и треск, то компакт-диск / винчестер / электронная память либо читается (в случае сохранности), либо нет, а эффект старения отсутствует. Важно отметить, мы не говорим здесь об Audio CD (CD-DA – стандарт, устанавливающий параметры и формат записи на аудио компакт диски) так как не смотря на то, что это носитель цифровой информации, эффект старения его, все же, не минует. Это связано с особенностями хранения и считывания аудио данных с Audio CD. Информация на всех типах компакт-дисков хранится покадрово и каждый кадр имеет заголовок, по которому его возможно идентифицировать. Однако различные типы CD имеют различную структуру и используют различные методы маркировки кадров. Поскольку компьютерные приводы CD-ROM рассчитаны на чтение в основном Data-CD (надо сказать, что существуют различные разновидности стандарта Data-CD,  каждый из которых  дополняет основной стандарт CD-DA), они часто не способны правильно «ориентироваться» на Audio CD, где способ маркировки кадров отличен от Data-CD (на аудио CD кадры не имеют специального заголовка и для определения смещения каждого кадра необходимо следить за информацией в кадре). Это означает, что если при чтении Data-CD привод легко «ориентируется» на диске и никогда не перепутает кадры, то при чтении с аудио компакт диска привод не может ориентироваться четко, что при появлении, скажем, царапины или пыли может привести к чтению неправильного кадра и, как следствие, скачку или треску звучания. Эта же проблема (неспособность большинства приводов правильно позиционироваться на CD-DA) является причиной еще одного неприятного эффекта: копирование информации с Audio CD вызывает проблемы даже при работе с полностью сохранными дисками вследствие того, что правильное «ориентирование на диске» полностью зависит от  считывающего привода и не может быть четко проконтролировано программным путем.

Повсеместное распространение и дальнейшее развитие уже упомянутых lossy-кодеров аудио (MP3, AAC и других) открыло широчайшие возможности распространения и хранения аудио. Современные каналы связи уже давно позволяют пересылать большие массивы данных за сравнительно  небольшое время, однако самой медленной остается передача данных между конечным пользователем и поставщиком услуг связи. Телефонные линии, по которым пользователи в большинстве своем связываются с Интернетом, не позволяют осуществлять быструю передачу данных. Нечего и говорить, что такие объемы данных, какие занимает несжатая аудио и видео информация, передавать по привычным каналам связи придется очень долго. Однако появление lossy-кодеров, обеспечивающих десяти-пятнадцати кратное сжатие, превратило передачу и обмен аудио данными в повседневное занятие каждого пользователя Интернета и сняло все преграды, образованные слабыми каналами связи. Касательно этого нужно сказать, что развивающаяся сегодня семимильными шагами цифровая мобильная связь во многом обязана именно lossy-кодированию. Дело в том, что протоколы передачи аудио по каналам мобильной связи работают на приблизительно тех же принципах, что и известные всем музыкальные кодеры. Поэтому дальнейшее развитие в области кодирования аудио неизменно ведет к уменьшению стоимости передачи данных в мобильных системах, от чего конечный пользователь только выигрывает: дешевеет связь, появляются новые возможности, продлевается время работы батарей мобильных устройств и т.д. Не в меньшей степени lossy-кодирование помогает экономить деньги на покупке дисков с любимыми песнями – сегодня стоит только зайти в Интернет и там можно найти почти любую интересующую песню. Безусловно, такое положение вещей давно «мозолит глаза» звукозаписывающим компаниям – у них под носом люди вместо покупки дисков обмениваются песнями прямо через Интернет, что превращает некогда золотое дно в малоприбыльный бизнес, но это уже вопрос этики и финансов. Одно можно сказать с уверенностью: с таким положением вещей уже ничего нельзя поделать и бум обмена музыкой через Интернет, порожденный именно появлением lossy-кодеров, уже ничем не остановить. А это только на руку рядовому пользователю.

5. К вопросу об обработке звука 

Под обработкой звука следует понимать различные преобразования звуковой информации с целью изменения каких-то характеристик звучания. К обработке звука относятся способы создания различных звуковых эффектов, фильтрация, а также методы очистки звука от нежелательных шумов, изменения тембра и т.д. Все это огромное множество преобразований сводится, в конечном счете, к следующим основным типам:

1.  Амплитудные преобразования. Выполняются над амплитудой сигнала и приводят к ее усилению/ослаблению или изменению по какому-либо закону на определенных участках сигнала.
2.  Частотные преобразования. Выполняются над частотными составляющими звука: сигнал представляется в виде спектра частот через определенные промежутки времени, производится обработка необходимых частотных составляющих, например, фильтрация, и обратное «сворачивание» сигнала из спектра в волну.
3.  Фазовые преобразования. Сдвиг фазы сигнала тем или иным способом; например, такие преобразования стерео сигнала, позволяют реализовать эффект вращения или «объёмности» звука.
4.  Временные преобразования. Реализуются путем наложения, растягивания/сжатия сигналов;  позволяют создать, например, эффекты эха или хора, а также повлиять на пространственные характеристики звука.

Обсуждение каждого из названных типов преобразований может стать целым научным трудом. Стоит привести несколько практических примеров использования указанных видов преобразований при создании реальных звуковых эффектов:

• Echo (эхо) Реализуется с помощью временных преобразований. Фактически для получения эха необходимо на оригинальный входной сигнал наложить его задержанную во времени копию. Для того, чтобы человеческое ухо воспринимало вторую копию сигнала как повторение, а не как отзвук основного сигнала, необходимо время задержки установить равным примерно 50 мс. На основной сигнал можно наложить не одну его копию, а несколько, что позволит на выходе получить эффект многократного повторения звука (многоголосного эха). Чтобы эхо казалось затухающим, необходимо на исходный сигнал накладывать не просто задержанные копии сигнала, а приглушенные по амплитуде.
• Reverberation (повторение, отражение). Эффект заключается в придании звучанию объемности, характерной для большого зала, где каждый звук порождает соответствующий, медленно угасающий отзвук. Практически, с помощью реверберации можно «оживить», например, фонограмму, сделанную в заглушенном помещении. От эффекта «эхо» реверберация отличается тем, что на входной сигнал накладывается задержанный во времени выходной сигнал, а не задержанная копия входного. Иными словами, блок реверберации упрощенно представляет собой петлю, где выход блока подключен к его входу, таким образом уже обработанный сигнал каждый цикл снова подается на вход смешиваясь с оригинальным сигналом.
• Chorus (хор). В результате его применения звучание сигнала превращается как бы в звучание хора или в одновременное звучание нескольких инструментов. Схема получения такого эффекта аналогична схеме создания эффекта эха с той лишь разницей, что задержанные копии входного сигнала подвергаются слабой частотной модуляции (в среднем от 0.1 до 5 Гц) перед смешиванием со входным сигналом. Увеличение количества голосов в хоре достигается путем добавления копий сигнала с различными временами задержки.

Безусловно, как и во всех других областях, в обработке сигналов также имеются проблемы, которые являются своего рода камнем преткновения. Так, например, при разложении сигналов в спектр частот существует принцип неопределенности, который невозможно преодолеть. Принцип гласит, что нельзя получить точную спектральную картину сигнала в конкретный момент времени: либо для получения более точной спектральной картины нужно проанализировать больший временной участок сигнала, либо, если нас интересует больше время, когда происходило то или иное изменение спектра, нужно пожертвовать точностью самого спектра. Иными словами нельзя получить точный спектр сигнала в точке - точный спектр для большого участка сигнала, либо очень приблизительный спектр, но для короткого участка.

Механизмы для обработки сигналов существуют как в программном, так и в аппаратном исполнениях (так называемые эффект-процессоры). Например, вокодеры и гитарные процессоры, хорусы и ревербераторы существуют в виде аппаратуры, а также в виде программ.
Практическую обработку сигналов можно разделить на два типа: обработка «на лету» и пост-обработка. Обработка «на лету» подразумевает мгновенное преобразование сигнала (то есть с возможностью осуществлять вывод обработанного сигнала почти одновременно с его вводом). Простой пример – гитарные «примочки» или реверберация во время живого исполнения на сцене. Такая обработка происходит мгновенно, то есть, скажем, исполнитель поет в микрофон, а эффект-процессор преобразует его голос и слушатель слышит уже обработанный вариант голоса. Пост-обработка – это обработка уже записанного сигнала. Скорость такой обработки может быть сильно ниже скорости воспроизведения. Такая обработка преследует те же цели, то есть придание звуку определенного характера, либо изменение характеристик, однако применяется на стадии мастеринга или подготовки звука к тиражированию, когда не требуется спешка, а важнее качество и скрупулезная проработка всех нюансов звучания. Существует множество различных операций над звуком, которые вследствие недостаточной производительности сегодняшних процессоров нельзя реализовать «на лету», поэтому такие преобразования проводят лишь в пост-режиме.

Обработка сигнала – это сложная и, главное, ресурсоемкая процедура. Она сравнительно недавно стала проводиться в цифровых устройствах – раньше различные эффекты звучания и другие достигались путем обработки звука в аналоговых приборах. В аналоговой аппаратуре звук в виде электрических колебаний проходит через различные тракты (блоки электрических элементов), чем достигается изменение фазы, спектра и амплитуды сигнала. Однако такой способ обработки имеет массу недостатков. Во-первых, страдает качество обработки, ведь каждый аналоговый элемент имеет свою погрешность, а несколько десятков элементов могут критически повлиять на точность и качество желаемого результата. А во-вторых, и это, пожалуй, самое главное, почти каждый отдельный эффект достигается путем использования отдельного устройства, когда каждое такое устройство может стоить очень дорого.  Возможность же использования цифровых устройств имеет неоспоримые преимущества. Качество обработки сигналов в них намного меньше зависит от качества аппаратуры, главное – это качественно оцифровать звук и иметь возможность качественно его воспроизводить, и тогда качество обработки ложится уже только на программный механизм. Кроме того, для различных манипуляций со звуком не требуется постоянная смена оборудования. И, самое главное, поскольку обработка ведется программным путем, для нее открываются просто невероятные возможности, которые ограничены лишь мощностью компьютеров (а она увеличивается с каждым днем) и фантазией человека. Однако, (по крайней мере сегодня) здесь имеются и свои неприятности. Так, например, часто, даже для осуществления несложной обработки сигнала необходимо осуществить его разложение в спектр частот. В этом случае обработка сигнала на лету может быть затруднена именно из-за ресурсоемкости этапа разложения. Поэтому преобразования, требующие спектрального разложения,  выполняют чаще в пост-режиме.

Цифровой звук, немного теории. Часть 2.

2. Преобразование звука из цифрового вида в аналоговый 

Как после оцифровки прослушивать звук? То есть, как преобразовывать его обратно из цифрового вида в аналоговый?

Для преобразования дискретизованного сигнала в аналоговый вид, пригодный для обработки аналоговыми устройствами (усилителями и фильтрами) и последующего воспроизведения через акустические системы, служит цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Процесс преобразования представляет собой обратный процесс дискретизации: имея информацию о величине отсчетов (амплитуды сигнала) и беря определенное количество отсчетов в единицу времени, путем интерполирования происходит восстановление исходного сигнала  (рис. 4).

Рис. 4

Еще совсем недавно воспроизведение звука в домашних компьютерах было проблемой, так как компьютеры не оснащались специальными ЦАП. Сначала в качестве простейшего звукового устройства в компьютере использовался встроенный динамик (PC speaker). Вообще говоря, этот динамик до сих пор имеется почти во всех PC, но никто уже не помнит как его «раскачать», чтобы он заиграл. Если вкратце, то этот динамик присоединен к порту на материнской плате, у которого есть два положения – 1 и 0. Так вот, если этот порт быстро-быстро включать и выключать, то из динамика  можно извлечь более-менее правдоподобные звуки. Воспроизведение различных частот достигается за счет того, что диффузор динамика обладает конечной реакцией и не способен мгновенно перескакивать с места на место, таким образом он «плавно раскачивается» вследствие скачкообразного изменения напряжения на нем. И если колебать его с разной скоростью, то можно получить колебания воздуха на разных частотах. Естественной альтернативой динамику стал так называемый Covox – это простейший ЦАП, выполненный на нескольких подобранных сопротивлениях (или готовой микросхеме), которые обеспечивают перевод цифрового представления сигнала в аналоговый – то есть в реальные значения амплитуды. Covox прост в изготовлении и поэтому он пользовался успехом у любителей вплоть до того времени, когда звуковая карта стала доступной всем.

В современном компьютере звук воспроизводится и записывается с помощью звуковой карты, подключаемой либо встроенной в материнскую плату компьютера. Задача звуковой карты в компьютере – ввод и вывод аудио. Практически это означает, что звуковая карта является тем преобразователем, который переводит аналоговый звук в цифровой и обратно. Если описывать упрощенно, то работа звуковой карты может быть пояснена следующим образом.

Предположим, что на вход звуковой карты подан аналоговый сигнал и карта включена (программно) в режимРис. Сначала входной аналоговый сигнал попадает в аналоговый микшер, который занимается смешением сигналов и регулировкой громкости и баланса. Микшер необходим, в частности, для предоставления возможности пользователю управлять уровнями. Затем отрегулированный и сбалансированный сигнал попадает в аналогово-цифровой преобразователь, где сигнал дискретизуется и квантуется, в результате чего в компьютер по шине данных направляется бит-поток, который и представляет собой оцифрованный аудио сигнал. Вывод аудио информации почти аналогичен вводу, только происходит в обратную сторону. Поток данных, направленный в звуковую карту, преодолевает цифро-аналоговый преобразователь, который образует из чисел, описывающих амплитуду сигнала, электрический сигнал; полученный аналоговый сигнал может быть пропущен через любые аналоговые тракты для дальнейших преобразований, в том числе и для воспроизведения. Надо отметить, что если звуковая карта оборудована интерфейсом для обмена цифровыми данными, то при работе с цифровым аудио никакие аналоговые блоки карты не задействуются.

3. Способы хранения цифрового звука 

Для хранения цифрового звука существует много различных способов. Как мы говорили, оцифрованный звук являет собой набор значений амплитуды сигнала, взятых через определенные промежутки времени. Таким образом, во-первых, блок оцифрованной аудио информации можно записать в файл «как есть», то есть последовательностью чисел (значений амплитуды). В этом случае существуют два способа хранения информации.

Рис. 5

Первый (рис. 5) - PCM (Pulse Code Modulation - импульсно-кодовая модуляция) - способ цифрового кодирования сигнала при помощи записи абсолютных значений амплитуд (бывают знаковое или беззнаковое представления). Именно в таком виде записаны данные на всех аудио CD. Второй способ (рис. 6) - ADPCM (Adaptive Delta PCM - адаптивная относительная импульсно-кодовая модуляция) – запись значений сигнала не в абсолютных, а в относительных изменениях амплитуд (приращениях).

Рис. 6

Во-вторых, можно сжать или упростить данные так, чтобы они занимали меньший объем памяти, нежели будучи записанными «как есть». Тут тоже имеются два пути.
Кодирование данных без потерь (lossless coding) - это способ кодирования аудио, который позволяет осуществлять стопроцентное восстановление данных из сжатого потока. К такому способу уплотнения данных прибегают в тех случаях, когда сохранение оригинального качества данных критично. Например, после сведения звука в студии звукозаписи, данные необходимо сохранить в архиве в оригинальном качестве для возможного последующего использования. Существующие сегодня алгоритмы кодирования без потерь (например, Monkeys Audio) позволяют сократить занимаемый данными объем на 20-50%, но при этом обеспечить стопроцентное восстановление оригинальных данных из полученных после сжатия. Подобные кодеры – это своего рода архиваторы данных (как ZIP, RAR и другие), только предназначенные для сжатия именно аудио.

Имеется и второй путь кодирования, на котором мы остановимся чуть подробнее, – кодирование данных с потерями (lossy coding). Цель такого кодирования - любыми способами добиться схожести звучания восстановленного сигнала с оригиналом при как можно меньшем объеме упакованных данных. Это достигается путем использования различных алгоритмов «упрощающих» оригинальный сигнал (выкидывая из него «ненужные» слабослышимые детали), что приводит к тому, что декодированный сигнал фактически перестает быть идентичным оригиналу, а лишь похоже звучит. Методов сжатия, а также программ, реализующих эти методы, существует много. Наиболее известными являются MPEG-1 Layer I,II,III (последним является всем известный MP3), MPEG-2 AAC (advanced audio coding), Ogg Vorbis, Windows Media Audio (WMA), TwinVQ (VQF), MPEGPlus, TAC, и прочие. В среднем, коэффициент сжатия, обеспечиваемый такими кодерами, находится в пределах 10-14 (раз). Надо особо подчеркнуть, что в основе всех lossy-кодеров лежит использование так называемой психоакустической модели, которая как раз и занимается «упрощением» оригинального сигнала. Говоря точнее, механизм подобных кодеров выполняет анализ кодируемого сигнала, в процессе которого определяются участки сигнала, в определенных частотных областях которых имеются неслышные человеческому уху нюансы (замаскированные или неслышимые частоты), после чего происходит их удаление из оригинального сигнала. Таким образом, степень сжатия оригинального сигнала зависит от степени его «упрощения»; сильное сжатие достигается путем «агрессивного упрощения» (когда кодер «считает» ненужными множественные нюансы), такое сжатие, естественно, приводит к сильной деградации качества, поскольку удалению могут подлежать не только незаметные, но и значимые детали звучания.

Как мы сказали, современных lossy-кодеров существует достаточно много. Наиболее распространенный формат – MPEG-1 Layer III (всем известный MP3). Формат завоевал свою популярность совершенно заслуженно – это был первый распространенный кодек подобного рода, который достиг столь высокого уровня компрессии при отличном качестве звучания. Сегодня этому кодеку имеется множество альтернатив, выбор остается за пользователем. К сожалению, рамки статьи не позволяют привести здесь тестирования и сравнения существующих кодеков, однако авторы статьи позволят себе привести некоторую информацию, полезную при выборе кодека. Итак, преимущества MP3 – широкая распространенность и достаточно высокое качество кодирования, которое объективно улучшается благодаря разработкам различных кодеров MP3 энтузиастами (например, кодер Lame). Мощная альтернатива MP3 – кодек Microsoft Windows Media Audio (Файлы .WMA и .ASF). По различным тестам этот кодек показывает себя от «как MP3» до «заметно хуже MP3» на средних битрейтах, и, чаще, «лучше MP3» на низких битрейтах. Ogg Vorbis (файлы .OGG) – совершенно свободный от лицензирования кодек, создаваемый независимыми разработчиками. Чаще всего ведет себя лучше MP3, недостатком является лишь малая распространенность, что может стать критическим аргументом при выборе кодека для длительного хранения аудио. Вспомним и еще молодой кодек MP3 Pro, анонсированный в июле 2001 года компанией Coding Technologies совместно с Thomson Multimedia. Кодек является продолжением, или, точнее, развитием старого MP3 – он совместим с MP3 назад (полностью) и вперед (частично). За счет использования новой технологии SBR (Spectral Band Replication), кодек ведет себя заметно лучше других форматов на низких битрейтах, однако качество кодирования на средних и высоких битрейтах чаще уступает качеству почти всех описанных кодеков. Таким образом, MP3 Pro пригоден больше для ведения аудио трансляций в Internet, а также для создания превью песен и музыки.
Говоря о способах хранения звука в цифровом виде нельзя не вспомнить и о носителях данных. Всем привычный аудио компакт-диск, появившийся в начале 80-х годов, широкое распространение получил именно в последние годы (что связано с сильным удешевлением носителя и приводов). А  до этого носителями цифровых данных являлись кассеты с магнитной лентой, но не обычные, а специально предназначенные для так называемых DAT-магнитофонов. Ничего примечательного – магнитофоны как магнитофоны, однако цена на них всегда была высокой, и такое удовольствие было не всем «по зубам». Эти магнитофоны использовались, в основном, в студиях звукозаписи. Преимущество таких магнитофонов было в том, что, не смотря на использование привычных носителей, данные на них хранились в цифровом виде и практически никаких потерь при чтении/записи на них не было (что очень важно при студийной обработке и хранении звука). Сегодня появилось большое количество различных носителей данных, кроме привычных всем компакт дисков. Носители совершенствуются и с каждым годом становятся более доступными и компактными. Это открывает большие возможности в области создания мобильных аудио проигрывателей. Уже сегодня продается огромное количество различных моделей переносных цифровых плееров. И, можно предположить, что это еще далеко не пик развития такого рода техники. 

Об этом подробнее в следующих статьях....

Цифровой звук, немного теории. Часть 1.

В последнее время возможности мультимедийного оборудования претерпели значительный рост, однако этой области почему-то не уделяется достаточно внимания. Рядовой пользователь страдает от нехватки информации и вынужден учиться лишь на собственном опыте и ошибках. Этой статьей мы постараемся устранить это досадное недоразумение. Данная статья ориентирована на рядового пользователя и ставит своей целью помочь ему разобраться в теоретических и практических основах цифрового звука, выявить возможности и основные приемы его использования.

Что именно мы знаем о звуковых возможностях компьютера, кроме того, что в нашем домашнем компьютере установлена звуковая плата и две колонки? К сожалению, вероятно из-за недостаточности литературы или по каким-либо другим причинам, но пользователь, чаще всего, не знаком ни с чем, кроме встроенного в Windows микшера аудио входов/выходов и Recorder’а. Единственное использование звуковой карты, которое находит простой пользователь – это вывод звука в играх, да прослушивание коллекции аудио. А, ведь, даже самая простая на сегодняшний день звуковая плата, установленная почти в каждом компьютере, умеет намного больше - она открывает широчайшие возможности для всех, кто любит и интересуется музыкой и звуком, а для тех, кто хочет создавать свою музыку, звуковая карта может стать всемогущим инструментом. Для того чтобы узнать что же умеет компьютер в области звука нужно только поинтересоваться и перед вами откроются возможности, о которых вы, может быть, даже не догадывались. И все это не так сложно, как может показаться на первый взгляд.

Некоторые факты и понятия, без которых тяжело обойтись.
В соответствии с теорией математика Фурье, звуковую волну можно представить в виде спектра входящих в нее частот (рис. 1).

Рис 1.

Частотные составляющие спектра - это синусоидальные колебания (так называемые чистые тона), каждое из которых имеет свою собственную амплитуду и частоту. Таким образом, любое, даже самое сложное по форме колебание (например, человеческий голос), можно представить суммой простейших синусоидальных колебании определенных частот и амплитуд. И наоборот, сгенерировав различные колебания и наложив их друг на друга (смикшировав, смешав), можно получить различные звуки.
Справка: человеческий слуховой аппарат/мозг способен различать частотные составляющие звука в пределах от 20 Гц до ~20 КГц (верхняя граница может колебаться в зависимости от возраста и других факторов). Кроме того, нижняя граница сильно колеблется в зависимости от интенсивности звучания.

1. Оцифровка звука и его хранение на цифровом носителе 

«Обычный» аналоговый звук представляется в аналоговой аппаратуре непрерывным электрическим сигналом. Компьютер оперирует с данными в цифровом виде. Это означает, что и звук в компьютере представляется в цифровом виде. Как же происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой?

Цифровой звук – это способ представления электрического сигнала посредством дискретных численных значений его амплитуды. Допустим, мы имеем аналоговую звуковую дорожку хорошего качества (говоря «хорошее качество» будем предполагать нешумную запись, содержащую спектральные составляющие из всего слышимого диапазона частот – приблизительно от 20 Гц до 20 КГц) и хотим «ввести» ее в компьютер (то есть оцифровать) без потери качества. Как этого добиться и как происходит оцифровка? Звуковая волна – это некая сложная функция, зависимость амплитуды звуковой волны от времени. Казалось бы, что раз это функция, то можно записать ее в компьютер «как есть», то есть описать математический вид функции и сохранить в памяти компьютера. Однако практически это невозможно, поскольку звуковые колебания нельзя представить аналитической формулой (как y=x², например). Остается один путь – описать функцию путем хранения ее дискретных значений в определенных точках. Иными словами, в каждой точке времени можно измерить значение амплитуды сигнала и записать в виде чисел. Однако и в этом методе есть свои недостатки, так как значения амплитуды сигнала мы не можем записывать с бесконечной точностью, и вынуждены их округлять. Говоря иначе, мы будем приближать эту функцию по двум координатным осям – амплитудной и временной (приближать в точках – значит, говоря простым языком, брать значения функции в точках и записывать их с конечной точностью). Таким образом, оцифровка сигнала включает в себя два процесса - процесс дискретизации (осуществление выборки) и процесс квантования. Процесс дискретизации - это процесс получения значений величин преобразуемого сигнала в определенные промежутки времени (рис. 2).

Рис. 2

Квантование - процесс замены реальных значений сигнала приближенными с определенной точностью (рис. 3). Таким образом, оцифровка – это фиксация амплитуды сигнала через определенные промежутки времени и регистрация полученных значений амплитуды в виде округленных цифровых значений (так как значения амплитуды являются величиной непрерывной, нет возможности конечным числом записать точное значение амплитуды сигнала, именно поэтому прибегают к округлению). Записанные значения амплитуды сигнала называются отсчетами. Очевидно, что чем чаще мы будем делать замеры амплитуды (чем выше частота дискретизации) и чем меньше мы будем округлять полученные значения (чем больше уровней квантования), тем более точное представление сигнала в цифровой форме мы получим. Оцифрованный сигнал в виде набора последовательных значений амплитуды можно сохранить.

Рис. 3

Теперь о практических проблемах. Во-первых, надо иметь в виду, что память компьютера не бесконечна, так что каждый раз при оцифровке необходимо находить какой-то компромисс между качеством (напрямую зависящим от использованных при оцифровке параметров) и занимаемым оцифрованным сигналом объемом.

Во-вторых, согласно теореме Котельникова частота дискретизации устанавливает верхнюю границу частот оцифрованного сигнала, а именно, максимальная частота спектральных составляющих равна половине частоты дискретизации сигнала. Попросту говоря, чтобы получить полную информацию о звуке в частотной полосе до 22050 Гц, необходима дискретизация с частотой не менее 44.1 КГц.

Существуют и другие проблемы и нюансы, связанные с оцифровкой звука. Не сильно углубляясь в подробности отметим, что в «цифровом звуке» из-за дискретности информации об амплитуде оригинального сигнала появляются различные шумы и искажения (под фразой «в цифровом звуке есть такие-то частоты и шумы» подразумевается, что когда этот звук будет преобразован обратно из цифрового вида в аналоговый, то в его звучании будут присутствовать упомянутые частоты и шумы). Так, например, джиттер (jitter) – шум, появляющийся в результате того, что осуществление выборки сигнала при дискретизации происходит не через абсолютно равные промежутки времени, а с какими-то отклонениями. То есть, если, скажем, дискретизация проводится с частотой 44.1 КГц, то отсчеты берутся не точно каждые 1/44100 секунды, а то немного раньше, то немного позднее. А так как входной сигнал постоянно меняется, то такая ошибка приводит к «захвату» не совсем верного уровня сигнала. В результате во время проигрывания оцифрованного сигнала может ощущаться некоторое дрожание и искажения. Появление джиттера является результатом не абсолютной стабильности аналогово-цифровых преобразователей. Для борьбы с этим явлением применяют высокостабильные тактовые генераторы. Еще одной неприятностью является шум дробления. Как мы говорили, при квантовании амплитуды сигнала происходит ее округление до ближайшего уровня. Такая погрешность вызывает ощущение «грязного» звучания.
Небольшая справка: стандартные параметры записи аудио компакт-дисков следующие: частота дискретизации - 44.1 КГц, уровень квантования – 16 бит. Такие параметры соответствуют 65536 (2¹⁶) уровням квантования амплитуды при взятии ее значений 44100 раз в секунду.
На практике, процесс оцифровки (дискретизация и квантование сигнала) остается невидимым для пользователя - всю черновую работу делают разнообразные программы, которые дают соответствующие команды драйверу (управляющая подпрограмма операционной системы) звуковой карты. Любая программа (будь то встроенный в Windows Recorder или мощный звуковой редактор), способная осуществлять запись аналогового сигнала в компьютер, так или иначе оцифровывает сигнал с определенными параметрами, которые могут оказаться важными в последующей работе с записанным звуком, и именно по этой причине важно понять как происходит процесс оцифровки и какие факторы влияют на ее результаты.

Аудиоформаты высокого разрешения

Аудиофайлы высокого разрешения 192/24, 176/24 и т.п. – несжатые или сжатые без потерь цифровые файлы для точного воспроизведения звука, распространяемые через Интернет или другими способами для размещения на жёстком диске компьютера. Обычно аудиофайлы считаются файлами высокого разрешения, если они имеют частоту дискретизации 88,2 или 176,4 кГц (кратную 44,1 кГц) и 96 или 192 кГц (кратную 48 кГц) с разрядностью 24 бит и выше. Разрядность 20 или 22 бита встречается реже.

Для целей точного звуковоспроизведения файлы должны быть представлены в форматах без потерь. Чаще всего используются форматы (кодеки) WAV, FLAC, WMA и AIFF.  WAV (Waveform Audio Format) – формат, который обычно применяется в качестве оболочки для несжатого звука, оцифрованного с использованием ИКМ (импульсно-кодовой модуляции). FLAC (Free Lossless Audio Codec — свободный аудиокодек без потерь) – популярный формат для сжатия аудио, который не удаляет никакой информации из аудиопотока и подходит как для прослушивания музыки на высококачественной аудиоаппаратуре, так и для хранения аудиоколлекции на жёстком диске. WMA (Windows Media Audio) – формат со сжатием, разработанный компанией Майкрософт (США). Для точного воспроизведения звука предпочтительнее использовать его версию Lossless (без потерь). AIFF (Audio Interchange File Format) был разработан компанией Apple Computer (США) в двух версиях: с сжатием и без сжатия, и чаще всего используется в компьютерах Apple Macintosh. Существуют также другие форматы для хранения и воспроизведения аудиофайлов.

Аудиофайлы высокого разрешения (ВР) могут представлять собой точные копии студийных мастер-файлов (бит в бит) или их варианты с передискретизацией. Чтобы разместить такие файлы на музыкальном сервере, их можно скачать из Интернета, перенести с другого ПК, флэш-памяти  или оптического диска. Примером последнего являются диски HRx.

Кроме названных выше форматов, в которых сигнал оцифрован с помощью ИКМ, с 2010 года в Интернете стали распространяться аудиофайлы DSD, в которых для кодирования применена иная технология – Direct Stream Digital (прямой цифровой поток), которая используется в SACD (см. ниже). Аудиофайлы DSD имеют расширение DSDIFF или DSF. С помощью специального ПО и ЦАПа они могут воспроизводиться с компьютера или могут быть преобразованы в файлы ИКМ для последующего прослушивания.

HRx – выпускаемые компанией Reference Recordings (США) диски DVD-R, содержащие аудиофайлы ВР. Аудиофайлы 176/24 записаны в несжатом формате WAV и  предназначены для переноса на жёсткий диск музыкального сервера или обычного ПК.

С точки зрения качества звука компания Reference Recordings  достигла высочайшего уровня точности звуковоспроизведения, поскольку аудиофайлы на дисках HRx являются точными «бит в бит» копиями студийных цифровых мастер-файлов. Необходимо отметить, что подобные диски под названием SMRD (Studio Master Reference Disc – референсный диск студийной записи) с аудиофайлами ВР 96 кГц/24 бит, 192 кГц/24 бит и даже 192 кГц/32 бит выпускает компания Unipheye Music (США), а Acousence (ФРГ) предлагает комплект из двух DVD-дисков: DVD+FLAC192. Один диск может воспроизводиться на DVD проигрывателе и, кроме этого, содержит файлы 96 кГц/24 бит, а на втором записаны файлы 192 кГц/24 бит. Диски DVD-R с аудиофайлами ВР выпускают и другие звукозаписывающие компании.

Подробнее: www.referencerecordings.com; www.unipheyemusic.com; www.acousence.de; www.marecordings.com

DSD-диск – это оптический диск, содержащий файлы DSD с расширением DSF, и который может проигрываться на компьютере или другом оборудовании, поддерживающим воспроизведение этих файлов.

DSD-диск записывается на DVD-R, DVD+R, DVD-RW или DVD+RW и содержит аудиофайлы ВР с частотой дискретизации 2822,4 кГц. Качество аудиозаписи на DSD-диске такое же, как на SACD, с тем отличием, что на первом не может быть записан многоканальный сигнал. Фирмой Sony разработана спецификация под названием DSD Disc Format, которой пользуются некоторые звукозаписывающие фирмы для выпуска DSD-дисков. Этот формат является открытым, и при наличии специального ПО такой диск может быть подготовлен в бытовых условиях и содержать файлы DSD, полученные, например, через Интернет.

USB аудио-карта – название флэш-памяти, помещенной в пластиковую карточку размером с кредитку и используемой в качестве средства для записи и хранения аудиофайлов ВР. В 2010 году выпуск USB Audio Card начала компания Cardas, известный производитель кабелей из США, а затем, под названием MasterFlash, – компания звукозаписи Fidelio (Канада). При нажатии на край пластиковой карточки разъём USB переводится в рабочее положение, и аудио-карта может быть подсоединена к порту USB 2.0 музыкального сервера или обычного компьютера. Аудиофайлы с USB аудио-карты переносятся на жёсткий диск или могут воспроизводиться непосредственно с неё. Они представляют собой музыкальные файлы ВР, чаще всего формата WAV 96/24 или 176/24. Карта может содержать также файлы обложек дисков и другую информацию. Компания звукозаписи EMI для размещения всего каталога дисков Битлз в формате FLAC 44/24 также использует USB флэш-память (объёмом 16 ГБ).

Подробнее: www.cardas.com/audiocards; www.fidelioaudio.com

SACD (Super Audio Compact Disc), супер-аудио компакт-диск (для краткости - супер-аудио диск) – самый распространённый к настоящему времени цифровой аудиоформат ВР, разработанный компаниями Sony и Philips в 1999 г.

Супер-аудио диск имеет такой же размер, как и обычный компакт-диск, но, в отличие от последнего, его рабочая поверхность золотистая, а не серебристая. Более высокое качество звука достигается за счёт использования более совершенной технологии кодирования и сжатия, и увеличения скорости передачи данных.

Для кодирования аудиосигнала применяется технология прямого цифрового потока DSD (Direct Stream Digital), причём звуковой поток с оригинала переводится в цифровой вид с использованием частоты дискретизации 2822,4 кГц, что в 64 раза превышает частоту дискретизации компакт-диска. Уменьшение уровня сигнала кодируется как 0, увеличение - как 1. Это позволяет, с одной стороны, цифровому сигналу на супер-аудио диске максимально приблизиться к оригиналу, а с другой стороны – достичь таких параметров звучания (в том числе, динамического диапазона и частотной полосы), которые не были доступны при аналоговой звукозаписи. Супер-аудио диск может воспроизводить звуковой сигнал с полосой частот до 100 кГц (обычный компакт-диск - до 20 кГц), а его динамический диапазон превышает 120 дБ (у компакт-диска - 96 дБ). Для сжатия данных используется метод компрессии без потерь - Direct Stream Transfer (DST), уменьшающий  объём исходного цифрового потока примерно в два раза. Продолжительность звучания супер-аудио диска достигает 109 минут.

Запись на супер-аудио диске может быть одноканальной (моно), двухканальной (стерео) или многоканальной (до шести звуковых каналов). На гибридном супер-аудио диске (Нybrid SACD) имеется два слоя: на одном из слоёв содержится запись в формате SACD, на другом - в формате CD. Такие диски можно слушать и на обычных CD-проигрывателях. Для прослушивания записи в формате SACD  требуется специальный SACD-проигрыватель. На супер-аудио дисках используется защита от цифрового копирования.

Подробнее: www.super-audiocd.com/aboutsacd/?l=en

DVD-аудио (DVD-Audio) – цифровой формат, предназначенный для хранения аудиоинформации на DVD-диске, специально разработанный для высококачественного воспроизведения звука в 1998 г.

Формат поддерживает частоты дискретизации кратные 44,1 кГц (88,2;176,4 кГц) и 48 кГц (96;192 кГц) с разрядностью 16, 20 или 24 бит. Для  кодирования аудиоданных в несжатом виде используется импульсно-кодовая модуляция (ИКМ, англ. PCM – pulse code modulation), а для увеличения количества данных на диске используется метод компрессии без потерь, разработанный британской компанией Meridian Audio, - MLP (Meridian Lossless Packing).

Этот метод компрессии обеспечивает эффективность кодирования, достаточную для размещения на DVD-аудио диске шести каналов ВР. Как и в системе кодирования для супер-аудио диска, метод MLP обеспечивает отличную, с точностью до бита, верность воспроизведения исходных данных и не приводит к снижению качества звука. Суть этого метода заключается в том, что распакованный в реальном масштабе времени сжатый поток данных MLP абсолютно идентичен потоку данных до компрессии. Объём данных на диске при ИКМ модуляции может составлять до 4,7 Гб. Использование метода компрессии MLP обеспечивает примерно двукратное сжатие аудиоданных.

DVD-аудио диск обеспечивает частотный диапазон от 5 до 96000 Гц (до 48000 Гц для многоканальной записи), динамический диапазон до 144 дБ и время звучания до 74 мин. Максимальный битрейт – 9,6 Мб/с. Среди преимуществ этого формата можно отметить такие, как высокая точность звуковоспроизведения, большой динамический диапазон, возможность хранения многоканального звука и воспроизведения диска на компьютере, а также тот факт, что на студиях звукозаписи в основном используется формат кодирования ИКМ, что позволяет переносить студийные аудиофайлы на DVD-аудио диск без дополнительной перекодировки.

DVD-аудио диск может содержать как аудио- (каталог AUDIO_TS), так и видеоданные (каталог VIDEO_TS), расположенные в группах (максимум 9 групп), в каждой из которых может быть до 99 треков. Видеоинформация обычно представляет собой меню, информацию о музыкальных произведениях и исполнителях, а также фото и видеофрагменты. Для совместимости с проигрывателями обычных DVD-видео дисков иногда может присутствовать аудиосигнал объёмного звука в форматах Dolby Digital и DTS.

DualDisс является двухсторонним диском и содержит на одной стороне запись в формате DVD-аудио, а на другой – в формате СD.

Его толщина (1,6 мм) немного больше, чем у любого из обычных дисков (1,2 мм), и он может не проигрываться на некоторых проигрывателях. Несмотря на многообещающее начало в 2004 г. и достаточно большое количество вышедших дисков выпуск новых дисков этого формата в настоящее время практически прекращён.

Подробнее: www.dualdisc.com

DAD (Digital Audio Disc) и HDAD (Hybrid Digital Audio Disc) – разновидности DVD-дисков, в которых для записи звука используется формат DVD-видео, что позволяет прослушивать их на любых DVD-проигрывателях.

   

При этом DAD – это односторонний диск, а HDAD – двухсторонний диск, на одной стороне которого звук записан по спецификации DVD-видео, а на другой – по спецификации DVD-аудио.  Обе стороны содержат ИКМ-кодированные звуковые файлы ВР, однако на одной стороне – это файлы 96 кГц/24 бит (DVD-видео), а на другой – файлы 192 кГц/24 бит (DVD-аудио). DAD- и HDAD-диски содержат также различную видеоинформацию.  Примечательно, что на этих дисках, в отличие от супер-аудио и DVD-аудио дисков, не используется защита от копирования. Форматы введены фирмой Classic Records (США) и не получили широкого распространения, хотя на их логотипах прямо указано: «звук мастер-ленты».

Подробнее: www.classicrecords.com

SuperDisc Music – представляет собой DVD-диск, содержащий несколько вариантов многоканальной звукозаписи, соответствующих различным акустическим условиям микширования, причём слушатель может выбирать любой вариант, исходя из своих предпочтений, начиная с «первого ряда зала» или «в своей комнате» и заканчивая «на сцене» или «в студии».

На диске размещается несколько вариантов многоканальной записи в форматах Dolby Digital, DTS, стереозапись ВР в формате ИКМ 96/24, а также сопутствующая видеоинформация. Кроме этого, в комплекте с супер-диском идёт обычный компакт-диск.

SuperDisc введён в 2005 г. компанией Monster Cable Products, Inc. (США), известным производителем высококачественных кабелей для аудио- и видеосистем. По словам представителей компании звуковые стереофайлы являются точными копиями  студийных мастер-файлов, а многоканальный звук был смикширован с этих же источников с особой тщательностью. Супер-диски содержат специально подготовленные для скачивания цифровые музыкальные файлы (к сожалению не в форматах ВР), которые могут быть перенесены на жёсткий диск ПК. Для тех, кто хочет использовать музыку в мобильных устройствах, супер-диск содержит также готовые к употреблению файлы, закодированные в AAC, WMA, Apple Lossless, а также в формате Dolby Headphone.

Подробнее: www.monstermusic.com

MVI (Music Video Interactive) – ещё одна разновидность DVD-диска, который кроме хранения аудио- и видеоинформации даёт возможность с помощью ПК в интерактивном режиме создавать собственные мелодии для мобильных телефонов, иконки, обои для рабочего стола и пр.

Аудиозапись на диске MVI обычно представлена в виде ИКМ-кодированных стереофайлов 24 бит/48 кГц, но может содержать также вариант с более высокой частотой дискретизации.

Подробнее: www.mvimusic.com

Blu-ray Audio – диск, предназначенный для звуковых файлов ВР в соответствии со спецификацией Blu-ray Disc (BD) – формата оптических дисков последнего поколения.

BD в основном используется для записи и хранения видео высокой четкости, но может содержать также различные данные повышенной плотности, в том числе звуковые файлы ВР. Хотя формат Blu-ray был запущен в 2006 г., до настоящего времени диски Blu-ray Audio не получили широкого распространения.

Подробнее: www.blu-raydisc.com

РС и аудиофилия!

Многие читатели хотели бы знать, как из персонального компьютера извлечь наилучший звук.
В этом блоге постараемся обсудить тему и ответить на некоторые вопросы:

•  Можно ли вообще получить хороший звук с ПК?
• Что мешает использованию компьютера в качестве цифрового источника звука высокой точности?
• Как полностью устранить или хотя бы частично нейтрализовать проблемы качественного звуковоспроизведения с ПК?
• Какой вариант конфигурации компьютера и ПО выбрать?
• Мы проанализируем и опробуем различные решения, определим положительные и отрицательные стороны каждого из вариантов.

Первое, что хотелось бы обсудить,  а можно ли вообще получить высококачественный звук с компьютера? На этот вопрос существует простой и однозначный ответ – да, можно. И не только можно, но и нужно использовать ПК в качестве цифрового источника звука, надо только делать это правильно...

Задайте себе вопрос: с использованием какой аппаратуры записывается сегодня подавляющее большинство музыкальных фонограмм на студиях звукозаписи? Правильно, с помощью профессиональных студийных комплексов или цифровых звуковых рабочих станций, основанных на компьютерной технике. На каком оборудовании в студиях производится сведение, а затем прослушивание готовых записей в контрольных комнатах? – На оборудовании, основным элементом которого является опять-таки компьютер.

Можем ли мы, аудиофилы или меломаны, вообще любители музыки, приблизиться к звуку, который слышат звукорежиссеры и музыканты на студии? Уверены, что можем. И это стало возможным в последнее время благодаря развитию инфокоммуникационных технологий.
С точки зрения доступности высококачественных цифровых фонограмм, можно сказать, что уже сейчас с помощью Интернета можно получить много хорошей музыки различных жанров в высоком разрешении (ВР). Это или «бит в бит» копии цифровых мастер-файлов или приближенные к ним варианты с передискретизацией, если, например, оригинал записывался в профессиональном качестве 384 кГц/32 бит или в других цифровых форматах.  (Хотя следует заметить, что всё больше бытовых цифровых аудиокомпонентов выпускаются с характеристиками профессиональных стандартов).

С точки зрения технической – в продаже имеется масса музыкальных серверов и цифровых проигрывателей, которые по звуку и своим характеристикам практически не уступают профессиональной технике. А при наличии знаний, умений и навыков в технической области, и вовсе не фантастических (вполне скромных) сумм, можно сделать музыкальный сервер своими руками.

Так что будем оптимистами, что касается принципиальной возможности извлечения высококачественного звука из компьютера.