Звук в конце туннеля

Выход в свет нового многофункционального оптического носителя Digital Versatile Disc (DVD), пришедшего на смену морально стареющему Compact Disc, продолжает вызывать споры. Один из них, и, судя по всему, не последний, так и не утих вокруг применения DVD в звукозаписывающей индустрии.

В начале восьмидесятых два крупнейших производителя - Sony и Philips - наглядно продемонстрировали всем, как можно заработать миллиарды, сменив для народа пластинку. И вот вновь началось нечто подобное: диски меняют. Разница лишь в том, как.

SACD

Проигрыватель SACD компании Sony. Это и другие устройства, приведенные в статье, являются прототипами, представленными в январе этого года на выставке "CES".Фотографии предоставлены журналом"Салон AV".

Компакт-диск дебютировал в одном-единственном качестве - музыкальном. Он радикально изменил представления потребителей об удобстве пользования музыкальными носителями, чем обеспечил успех себе и забвение виниловым "блинам". И только после он проник в иные сферы, расплодившись в виде CD-ROM, CD-R, CD-RW, VideoCD, PhotoCD и пр. Новый же носитель как внешне, так и в плане удобств легко принять за тот же CD. А весь радикализм инновации состоит в том, что DVD, как носитель с куда большей информационной емкостью, будет теснить CD сразу во всех возможных позиций. Если не сразу, то поэтапно.

Этап первый, а вместе с ним и первые дебаты между разработчиками, начался четыре года назад - с принятия стандарта самого диска DVD. Альянс Sony-Philips предложил высокоплотный односторонний двухслойный диск, в основе которого лежали "компакт-дисковые" технологические разработки. Toshiba, имея за спиной таких китов, как Time Warner и Matsushita, выдвинула двухсторонний вариант высокоплотного диска. За первый, как более унифицированный и доступный, заступился даже Билл Гейтс. За второй, как более емкий и передовой, стала горой вся видеоиндустрия. Однако "войне стандартов" не дали разгореться. Стандартизационная комиссия мудро послала всех дорабатывать DVD, дав установку сделать любые, но согласованные между собой варианты. Так и появилось вскоре четыре разных, но совместимых между собой спецификации носителя: однослойный односторонний DVD-5 (емкость 4,7 Гбайт), двухслойный односторонний DVD-9 (8,54 Гбайт), однослойный двухсторонний DVD-10 (9,4 Гбайт) и двухслойный двухсторонний DVD-18 (17,08 Гбайт). К стандарту также были представлены непререзаписываемый мультимедиа-диск DVD-ROM, однократно записываемый DVD-R (3,95 и 7,9 Гбайт) и многократно перезаписываемый DVD-RAM (2,6 и 5,2 Гбайт). Все доработанные "болванки" универсального носителя были единодушно приняты.

SACD

КомпанияYamahaпредставила устройство, воспроизводящее как SACD, так иDVD-Audio.

Но тут возопили киношники, которым выпала честь проложить дорогу DVD в народные массы. Хороший носитель нуждается в хорошей защите от незаконного копирования, иначе ни одного фильма зрителю не видать, - так сказали люди в Голливуде. Защита по-голливудски выглядела так: мир надо поделить на сферы влияния. Как это может помешать пиратам, до сих пор не понятно, тем не менее, производителям пришлось пойти на уступку. Мировой рынок был разделен на шесть регионов - для каждого надлежало выпускать закодированные проигрыватели и диски. Пока трудно сказать, выиграл от этого потребитель или остался с носом. Пройдя череду согласований, новый видеоформат наконец-то обрел свои законченные "геополитические" и технические спецификации и получил официальный статус DVD-Video.

SACD

Так выглядит диск SACD внутри проигрывателя. Sony.

Но тут вновь начали ломать копья. Третий этап продвижения нового носителя в качестве музыкального DVD-Audio оказался еще более витиеватым, чем первые два. И тут лучше по порядку.

Компакт-диск, восторженно встреченный рядовым потребителем, оставил след глубокой печали у специалистов. Используемая в CD линейная импульсно-кодовая модуляция (Pulse-Code Modulation, PCM - так нам ее удобнее будет называть далее по тексту) с частотой дискретизации 44,1 кГц и 16-битовым квантованием оказалась далеко не идеальным представлением звука в цифровой форме. С компакт-диском даже связано появление такого дикого для технарей термина, как "музыкальность" - ничем не измеряемая ценность аналогового оригинала, которая, несмотря на все великолепие технических звуковых характеристик цифровой аудиотехники, хоть убей, а не сохраняется в потоке PCM 16/44,1! А ведь в некоторых студиях сгоряча вообще уничтожили требующие специального хранения аналоговые "мастера" [1] после перевода их в "цифру"...

SACD

SACD-проигрыватель известнейшего японского производителя hi-fi-оборудования Marantz.

Конечно, с одной стороны, приобретенный от PCM 16/44,1 "консервный" характер звучания CD ничтожен, раз его "не заметили" 99 процентов потребителей, - в наше время надо быть особо отпетым меломаном, чтобы хранить верность "винилу". С другой - сам факт "бездуховности" CD перевел его из разряда музыкальных носителей в разряд суррогатов. Чему даже есть и техническое обоснование.

"Сетка" в 65536 уровней на 44100 отсчетов, накладываемая на секундный отрезок аналогового звука, достаточно полно описывает его. Но, во-первых, в PCM 16/44,1 нарастает ошибка квантования с уменьшением уровня звуковых сигналов (а ведь именно в них, нюансах, живет тонкая музыкальная информация!): ниже -50-55 дБ искажения негармонического свойства просто разрушают звук. Во-вторых, достаточная лишь по теореме Котельникова [2] частота дискретизации в 44,1 кГц на самом деле слишком груба для описания сложного спектра и в результате "скрещивания" с оригинальным музыкальным спектром образует в нем новые составляющие - эдакий псевдомузыкальный фантом. Психоакустика насчет последнего говорит следующее: если наши уши слышат даже ничтожное нечто, которого в живой природе не бывает, мозги просто перестают адекватно понимать звук, потому как не находят в нашей звуковой памяти образца для сравнения. Отсюда эффект "мертвятины" и головная боль после длительного прослушивания CD на естественной музыкальной громкости.

SACD

ПроигрывательDVD-Audioкомпании Pioneer. Прототип, как явствует из надписи на карточке рядомс аппаратом.

Все попытки привести компакт-диск "в чувство" не оправдали себя. Сперва появились так называемые Audiophile CD - записи, которые до переноса на диск записывались с заведомо лучшим качеством. Попыталась исправить положение дел сама Sony, подвергая PCM 16/44,1 специальной обработке Super Bit Mapping. Затем вышла в свет HDCD (High Definition Compatible Digital). Создавшая ее компания Pacific Microsonic пыталась доказать, что на компакт-диске можно записать 20-27-битовую информацию в... 16-битовой форме, для чего в неиспользуемые служебные сектора CD достаточно вписывать директивы управления последующей цифровой обработкой специальным HDCD-фильтром в проигрывателе. Еще одну разновидность - XRCD (Extended Resolution CD) - предложила JVC. Однако это просто очередная малоэффективная попытка с максимально возможной точностью "поставить" 20-битовый звук на 16-битовые костыли. К слову, лучше всего удалось справиться с CD звукооператорам!

Заметив, что перегрузка в цифровой системе не так страшна, как до того считалось, они стали записывать звук не на рекомендованных -12 дБ, а "под ноль", "мягко" срезая пики динамических всплесков, что позволило использовать от всей души кусок динамического диапазона от -12 до 0 дБ, который отличается самыми малыми искажениями. Теперь это хорошая манера так записывать компакт-диски - пусть неправильно, не по теории, пусть с динамической "лысиной", зато на 12 дБ "живее". [3]

width=400

Структура однослойного одностороннего диска DVD.

Резон менять CD на что-то более совершенное уже назрел. На что? Вот тут и начинается самое интересное. Аудиоиндустрия пошла на принцип: утром - стулья, вечером - деньги. То есть сперва вы, разработчики, сделайте все - и студийную аппаратуру, и технологическую, и на носитель звук запишите, и проигрыватели разные дайте послушать, а мы оценим ваш труд и, может быть, примем его в качестве индустриального стандарта. Это требование грозно дополняло перечень других: наличие сложной защиты от копирования, многоканальность, совместимость, возможность записи на диск параллельно со звуком дисковых меню, текстов, клипов и прочего.

В результате вариантов оказалось аж три. Первый не оригинален. В стандарте носителя DVD заложена возможность записи звука в линейной некомпрессированной форме PCM 24/88,2 или 24/96 (в этом формате работает большинство современных профессиональных цифровых магнитофонов и студийных консолей). Идея принять для DVD-Audio именно PCM 24/96 поступила от компании Pioneer, поддерживалась поначалу Toshiba и Matsushita и даже была рекомендована британской организацией Acoustic Renaissance for Audio (ARA), представляющей интересы звукозаписывающих фирм. Производители начали серийно выпускать проигрыватели, совместимые с Super Audio Disc - такое коммерческое название получила данная разновидность DVD.

width=400

Структура диска SACD.

   Однако альянсу Sony-Philips эта идея пришлась не по душе. Начав еще в начале девяностых разработку принципиально иной однобитовой цифровой технологии DSD (см. врезку) архивирования аналоговых "мастеров" с эталонным качеством, в 1996 году они предложили ее в качестве стандарта для перспективного DVD-Audio. А в прошлом, так и не дождавшись ее признания, заявили о выходе на рынок со своей технологией, дав ей название SACD (Super Audio CD). В чем они не одиноки: Yamaha и Marantz выпустили SACD-проигрыватели, некоторые звукозаписывающие авторитеты, включая Columbia Music, принялись готовить софт.

   SACD, стоит признать, вызвала очень большой интерес. Помимо своих выдающихся музыкальных качеств, эта технология оказалась совместимой с CD! Дело в том, что SACD-носитель на самом деле не является DVD - он гибридный, хотя и двухслойный. В первом слое высокой плотности записывается двух- или многоканальная дорожка DSD - ее "видит" лазер DVD- или SACD-проигрывателя. Второй слой стандартной плотности представляет собой запись в обычном стандарте CD - только его и "видит" обычный лазер.

   Sony-Philips понять можно. Фактически проиграв в битве за DVD (в существующем стандарте носителя большей частью приняты патенты Toshiba и ее сподвижников, зарабатывающих теперь на этом деньги), они своим SACD решили взять реванш и вернуть себе часть DVD-пирога. Но тут-то и появилась на свет третья версия аудионосителя, которая нынче и получила название DVD-Audio. Это напрочь несовместимый стандарт, в котором предполагается использовать все ту же PCM, но в самых разных вариантах: стереофоническом или многоканальном, с 16-, 20-, 24-битовым квантованием, с дискретизацией в 88,2, 96, 176,4 и 192 кГц. А самое интересное, что в нем будет применен алгоритм компрессии без потерь MLP (см. врезку), которую разработала небольшая, но весьма авторитетная в цифровой звукотехнике британская компания Meridian. Такой формат поддержало звукотехническое общество AES (у Meridian там свои люди), а также, как ни странно, и многие звукозаписывающие компании. В чем, кстати, видится сильная рука Matsushita - этакого серого кардинала в мире DVD и прямого конкурента Sony.

   Конечно, и у SACD, и у DVD-Audio есть преимущества и недостатки. Оба они способны обеспечить высочайший уровень воспроизведения музыки - примерно одинаковый, по оценкам экспертов, если DSD противопоставить PCM уровня не ниже 24/176,4 (меньшая частота дискретизации не раскроет в полной мере возможности PCM, это признают даже в Meridian). Однако отличия между форматами принципиальны. DSD ставит очень высокую планку качества перед звукозаписывающими фирмами и производителями проигрывателей, зато совместим даже с "бумбоксами". Формат, называемый теперь DVD-Audio, требует перехода на парк специально оборудованных проигрывателей, однако чрезвычайно гибок в своих вариантах реализации (включая, к сожалению, и заманчивую для музыкальных издателей возможность увеличения времени воспроизведения за счет снижения качества звучания).

   Сейчас все идет к тому, что приняты будут оба формата. Выходит, за нами, потребителями, и остается выбор.

Чем оцифровывают музыку?
В современной звукотехнике уже нашли применение несколько разных технологий передачи звука - как классических двухканальных, так и многоканальных. Однако подавляющее их большинство в сути своей является компромиссным решением между качеством передаваемого звука и необходимой скоростью передачи звукоданных. Некоторые из них отличаются принципиально, тем не менее, без существенного отличия по качеству. И только две последние технологии, представленные в конце врезки, - DSD и MLP/PCM - выделяются как раз своей "музыкальностью". Они на несколько порядков точнее описывают оригинал. Чем, собственно, и оправдывают все попытки создания аудионосителя нового поколения.
PCM. На популярном языке, это самое простое "двухмерное" описание звуковой волны. Может быть линейным или нелинейным, с разной зависимостью точности описания от амплитуды волны. Линейная 16-битовая модуляция применяется в CD- и DAT-технике, а также для записи звукового сопровождения в MiniDV. Нелинейная 8-, 10- или 12-битовая - в Video 8, MiniDV и некоторых системах цифрового радиовещания. Недостаток - избыточность: в канале необходимо передавать уйму "молчаливых" нулей. Стандарт PCM 16/44,1 обладает теоретическим динамическим диапазоном 97 дБ и полосой до 20 кГц. Стандарт PCM 24/96 - 146 дБ и 44 кГц соответственно.
NICAM. Одна из самых первых удачных попыток создания цифрового канала достаточно хорошего качества при пониженной скорости передачи данных. Используется для трансляции двуязычного, стереофонического или матричнокодированного многоканального звукового сопровождения в современном аналоговом телевидении. Правда, в стандартах на цифровое спутниковое и кабельное телевидение используются более совершенные алгоритмы компрессии многоканального звучания (например, MPEG).
ATRAC (Adaptive Transform Acoustic Coding). "Трехмерная" система передачи, использующая пятикратную компрессию данных за счет мощной предварительной психоакустической обработки. В последних версиях введено интеллектуальное перераспределение ресурсов на описание амплитудных или временных характеристик сигнала и их представление с плавающей запятой. Используется в MiniDisc. Недостаток: записанный сигнал отличается от оригинального. Достоинство: отсутствие цифровой "безжизненности" звучания (ATRAC 4,5). Теоретическая динамика - 120 дБ, реальная - 90 дБ.
www.amulation.co.uk/minidisc/index.html

MP3 (MPEG-1 Layer 3). В эту систему заложены те же идеи, что и в ATRAC: сжатие потока звуковых данных производится за счет мощной психоакустической обработки, однако реализация процесса все же отличается некоторыми нюансами. Изначально использовался в CD-Video. Теперь это отдельно живущий и быстро распространяющийся стандарт передачи аудиофайлов (*.mp3) в Интернете. Недостатки: изменение спектра сигнала за счет устранения наиболее "слабых" полос спектра, обычно страдают частоты от 16 КГц и выше. Достоинство: возможность использования с самими разными скоростями передачи (64-320 кбит/с для 44,1 кГц).
www.mp3.com

MPEG AAC, MPEG 5.1. Разновидности сжатия речевого, двухканального (Advanced Acoustic Coding) или же многоканального звучания (система 5.1) с гибким битрейтом в рамках универсального алгоритма компрессии MPEG-2. В финальном варианте для DVD-Video от Moving Picture Experts Group была принята только та структурная часть алгоритма, которая обрабатывает и сжимает цифровое видео. От применения звукового кодера MPEG-2 для дисков PAL впоследствии отказались.
http://whatis.com/mpegstan.htm

Dolby Digital AC-3. Эффективный алгоритм сжатия многоканального звучания (5.1), принятый вначале в качестве стандарта для дисков системы NTSC, а теперь и в качестве основного для DVD-Video (многие проигрыватели нынче серийно оснащаются встроенным процессором AC-3). Достоинства: очень экономичный битрейт, позволяющий "уложить" на диск несколько разноязычных многоканальных звуковых сопровождений Dolby Digital. Недостатки: жесткий, не очень естественный характер звучания, обусловленный значительными потерями при компрессии.
www.dolby.com/digital

DTS (Digital Theater Sound). Альтернативный алгоритм сжатия многоканального звучания (5.1) для DVD-Video. Достоинства: более высокое, чем у АС-3, качество звучания, возможность применения в LD или CD для записи многоканального звучания, причем в последнем случае - с качеством не хуже двухканального PCM 16/44,1. Недостатки: невысокая пока распространенность, необходимость покупать внешний процессор DTS.
www.digitalsound.com

SDDS (Sony Dynamic Digital Theater). По сути, это восьмиканальный ATRAC со всеми вытекающими отсюда преимуществами и недостатками. Для DVD-Video пока не используется, но получил довольно широкое распространение в кинематографических пленочных носителях. В перспективе может быть применен в бытовой сфере и стать серьезной альтернативой домашним многоканальным процессорам Dolby AC-3 и DTS.
www.isc.rit.edu/~axb8863/sdds.htm

DSD (Direct Stream Digital). В двух словах, это своего рода "одномерный" формат цифровой передачи звука однобитовым потоком данных с использованием дельта-сигма модуляции. Дискретизация осуществляется с чудовищной частотой 2,8224 МГц (в 64 раза выше, чем в системе CD), при этом все изменения сигнала регистрируются таким образом, что достигается точность описания, эквивалентная 20-24-битовой системе PCM, работающей с частотой дискретизации выше 200 кГц. Недостаток: необходима высокая скорость передачи данных для многоканального звукового сопровождения (шесть каналов - почти 8,5 Мбит/с при максимально допустимом потоке в DVD-Video 9,6 Мбит/с). Достоинства: звучание экспертами оценивается как "совершенно аналоговое".
www.disctronics.co.uk/dvd/dvdaudio/sacd.htm

MLP (Meridian Lossless Packing). Фактически это не формат передачи цифрового звука и не система компрессии, вносящая изменения в оригинальный сигнал, а архиватор, работающий в режиме реального времени с потоком звуковых данных PCM и не приводящий к потерям звуковой информации. Позволяет примерно вдвое уменьшить скорость передачи при неизменном качестве. Если бы эту систему использовали в компакт-диске, звук можно было бы дискретизировать с частотой 88,2 кГц для лучшего качества звучания или записывать его в многоканальном варианте.
www.meridian-audio.com/m_news.htm

1 (обратно к тексту) - "Мастер" - оригинальный носитель, на который записывается звук в студии или на концерте. - А.У.

2 (обратно к тексту) - Теорема Котельникова гласит, что любой непрерывный сигнал x(t) со спектром, ограниченным значением F, может быть точно представлен в виде последовательности равноотстоящих отсчетов x(TЧn), где T больше или равно 1/(2F). То есть, например, частота дискретизации 44,1 кГц позволяет оцифровывать спектр от 0 до 22,05 кГц. - А.У.

3 (обратно к тексту) - В цифровой системе за уровень "0 дБ" принят максимальный. Если до АЦП аналоговый сигнал превысит этот уровень, то на выходе ЦАП он все равно будет передан со значением 0 дБ, то есть исказится - такое явление называется перегрузкой. Раньше считалось, что такие искажения очень неприятны на слух - "верхушка" сигнала срезается плоско, с резкими краями. Потому и вводился "рекомендованный уровень": -12 дБ (соответствующий нулю в традиционной аналоговой технике). Диапазон от -12 до 0 дБ оставлялся для передачи музыкальных "пиков", что не рационально. Если при оцифровке музыкального сигнала завысить его средневзвешенный уровень на 12 дБ, а "вылетающие" за 0 дБ пики подвергнуть обработке, которая сделает резкие границы среза плавными, то субъективно от перегрузки системы, качество сигнала изменится не сильно (просто возникнет легкая подкраска звучания), зато существенно, на эти самые 12 дБ, снизятся искажения в самом информативном музыкальном диапазоне, что по уровню залегает существенно ниже максимального и среднего. - Прим. автора.