Правильная цифра

Музыка, которую мы слушаем дома, в метро, машине или на лекциях, записана на разнообразные носители и проигрывается, соответственно, с самым разным качеством. Между тем человеческое ухо способно чрезвычайно тонко различать малейшие нюансы качества записи. Так что звук, который нас сопровождает теперь повсюду, иногда в буквальном смысле слова отравляет нам жизнь.

До 1982 года, когда на заводе в Лангенхагене, под Ганновером, началось массовое производство компакт-дисков (CD), мир потреблял «музыкальные консервы» только с аналоговых носителей: виниловых грампластинок и магнитных лент. Хорошие виниловые пластинки, проигрываемые на хорошей аппаратуре, давали превосходное качество звука, однако, увы, с каждым прослушиванием немного портились как от механического износа при движении иглы по звуковой бороздке, так и от всепроникающей пыли.

 

 

То есть «винил», как бы это странно ни звучало, был… одноразовым. Конечно, производители аппаратуры пытались бороться с такими недостатками: создавали бесконтактные считыватели информации с бороздок, помещали пластинки в жидкую среду и так далее, но все эти агрегаты являлись очень дорогостоящими и редкими. Приемлемого решения для массовых изделий так и не нашли. Что касается магнитофонов, то им для безупречного воспроизведения требовались прецизионные считывающие головки и относительно большая скорость протяжки ленты. Кроме того, со временем лента размагничивалась, магнитный слой осыпался. Но главный недостаток магнитной записи, как, впрочем, и любого аналогового тиражирования, — неизбежные потери качества при копировании.

В 1979 году, за три года до начала массового производства компакт-дисков, компании Sony и Philips предложили стандарт Red Book («Красная Книга») на цифровую запись звука. Аналоговый звук по новому стандарту оцифровывается и записывается в виде спиральной дорожки из чередующихся нулей и единиц (микронных лунок-питов и гладкой поверхности) на 12-сантиметровый, чуть толще миллиметра, диск из поликарбоната, покрытый поначалу тончайшим слоем золота, позже — алюминия. Лазер проигрывающего устройства освещает такой диск и детектирует двоичные «нули» и «единички», которые после соответствующей обработки превращаются обратно в звук. Понятно, что если в случае аналоговой записи и воспроизведения ошибиться на малую долю вольта довольно просто, то в случае цифровой — перепутать нуль с единицей, при должном отношении сигнал—шум, практически невозможно. Более того, возможные проблемы, связанные с ошибками при считывании и царапинами на поверхности диска, в большинстве случаев компенсировались специально разработанным цифровым методом коррекции ошибок. В результате уменьшились не только физические размеры диска-носителя по сравнению с виниловой пластинкой, но и заметно увеличилась музыкальная емкость: до 74 (позже — 80) минут. Интересно, что цифра 74 возникла из-за музыкальных предпочтений тогдашнего владельца фирмы Sony: он пожелал, чтобы на один диск уместилась целиком его любимая Девятая симфония Бетховена.

Едва компакт-диски стали завоевывать мир, разгорелись долго не стихавшие споры-войны между консервативными любителями «винила» и «CD-прогрессистами». Первые обвиняли цифровые записи в «пластмассовости» и «деревянности» звука, наличии специфических шумов и цифровых искажений. Однако число преимуществ цифровых музыкальных дисков, понятных массовому потребителю, оказалось так велико, что их победа была неминуема, но и в словах консерваторов было немало правды. И если так называемый «джиттер» (паразитные искажения формы сигнала) успешно преодолевался по мере совершенствования аппаратуры, с «деревянностью» никто ничего поделать не мог. Она даже стала эдаким общим местом в разговорах интеллектуалов, что весьма едко высмеял Вуди Аллен в реплике героя фильма «Всякое бывает»: «Но компакт-диск слушать нельзя: он же стерилизует звук!»

Чтобы понять причину этой «стерилизации», надо коснуться собственно принципа оцифровки звука: мгновенного измерения амплитуды звуковой волны и записи результатов через очень короткие промежутки времени. Принцип основан на теореме Котельникова, которая гласит, что если фиксировать значения некоего переменного сигнала, имеющего ограниченный спектр с частотой сэмплирования, вдвое превышающей присутствующие в нем частоты, то первоначальный сигнал из такой цифровой записи может быть восстановлен полностью и без искажений. То есть, сэмплируя аудиосигнал с частотой 44,1 кГц (44 100 колебаний в секунду), а именно эта частота принята в CD-стандарте, мы должны восстановить при воспроизведении неискаженный звук в диапазоне до 22,05 кГц. Поскольку человеческое ухо, даже самое чуткое и молодое (с возрастом чувствительность слуха к высоким частотам заметно падает), не способно услышать звук выше 20 кГц (что доказали исследования), то частоты сэмплирования (нарезки, если угодно) 44,1 кГц должно с избытком хватить любому, самому придирчивому уху.

Однако в этих грубых выкладках не учитываются некоторые тонкости. Например, что оцифровываемый сигнал не должен иметь внутри себя составляющих с частотой выше половины частоты сэмплирования (в конкретном случае с CD — выше 22,05 кГц), а таких составляющих в музыке сколько угодно, и их не так просто полностью удалить перед оцифровкой. При этом они попадают в фонограмму в качестве специфического вполне слышимого шума. К тому же на CD точность квантования (измерения амплитуды) определяется 16-битным двоичным словом, то есть имеется всего 216 = 65 536 градаций громкости. И если, к примеру, взять «Болеро» Равеля, то звукорежиссеру придется уложить в эти 65 с небольшим тысяч делений всю силу звука от почти нулевой в начале до «тутти оркестра» в конце. Так называемый динамический диапазон CD-дисков обычно оценивают величиной, близкой к 100 дБ, а наше ухо в состоянии переварить 120 дБ. Поэтому в принципе человек вполне может услышать возможные огрехи цифровой аудиозаписи. Виниловые пластинки редко позволяют воспроизвести сигнал с динамическим диапазоном более 80 дБ, однако присущие им шумы и искажения имеют другую природу и многими воспринимаются как более естественные.

Компакт-диски безраздельно господствовали в качестве цифровых носителей музыки почти двадцать лет. Ситуация начала меняться в 1999 году, когда закончился двадцатилетний срок лицензионных отчислений в пользу Sony и Philips (держателей патента на CD).

Этому способствовало, во-первых, широкое распространение нового носителя информации — DVD-диска. Digital Versatile Disk, или, по-русски, Цифровой Многоцелевой Диск, при тех же размерах и похожем принципе записи умещает в семь раз (а в двухслойном варианте — в четырнадцать раз) больше информации, чем обычный CD. Во-вторых, по мере роста количества компьютеров и широкополосного подключения к всемирной Сети стали набирать популярность сжатые, то есть компрессированные, форматы звукозаписи: MP3, позже wma, ogg, — и рост продаж компакт-дисков стал на глазах падать, несмотря на то, что сжатая с учетом физиологических особенностей слуха музыка по качеству уступает CD-записям. При этом сегодня массовыми и дешевыми стали DVD-проигрыватели, читающие CD, DVD и MP3-форматы звукозаписи.

Как раз к этому моменту Sony и Philips, с одной стороны, и консорциум известных производителей электроники, включающий Matsushita (Panasonic), Toshiba, Thomson, Hitachi и JVC, — с другой, вышли на рынок с двумя новыми форматами звукозаписи: Super Audio CD (сокращенно — SACD) и DVD Audio. Забавно, что DVD Audio должен был появиться в широкой продаже на год раньше SACD, однако буквально накануне объявления стандарта в алгоритме защиты от копирования обнаружилась «дыра», которую латали целый год, и это позволило SACD появиться на свет буквально одновременно с DVD Audio. Защита от возможности цифрового копирования — важнейшая черта новых форматов: бесплатное тиражирование пресекается всеми возможными способами. Лишь совсем недавно появились первые несовершенные программы для «кражи» звука с DVD Audio, о краже же с SACD вот уже седьмой год ничего не известно.

И тот, и другой форматы в принципе могут воспроизводиться на стандартных DVD-проигрывателях, однако для этого во встроенных декодерах должна быть специализированная «прошивка». Естественно, что проигрыватели от Sony и Philips, даже самые недорогие, стали тут же снабжаться «прошивкой», понимающей SACD, а проигрыватели Panasonic, Toshiba, Thomson, Hitachi и другие — DVD Audio. Более того, Sony, владеющая звукозаписывающей фирмой Columbia, тут же налегла на выпуск SACD-дисков, как новых, так и «переделанных» со старых аналоговых лент, и стала прикладывать к проигрывателям бесплатные диски с образцами сделанных по-новому записей. На диски же DVD Audio, вместе с собственно DVD Audio-дорожками, стали записывать звук в формате DVD Video, что позволяло слушать их на обычных DVD-проигрывателях. Достаточно быстро появились фирмы, например Pioneer, которые обеспечили поддержку обоих форматов. Однако из-за незначительного распространения таких записей настоящая «война форматов» так и не разгорелась, а серьезные попытки взлома защиты от копирования на прочность не предпринимались.

Новые форматы записи пока малопопулярны. И не потому, что не слишком отличаются качеством записи от стандартного CD, совсем наоборот — автор этого текста не знает ни одного аудиофила, который положа руку на сердце сказал бы, что «винил» лучше, чем SACD или DVD Audio. И не потому, что диски слишком дороги: они сегодня не дороже, чем фирменные CD три–четыре года назад, — около 15 долларов (Sony даже открывает повсюду киоски и магазины с SACD-дисками по фиксированным низким ценам). Просто основную массу слушателей качество звука, увы, не слишком-то волнует. Тем не менее количество дисков новых форматов хоть медленно, но постоянно растет, в музыкальных магазинах для них появляются специальные витрины и даже отделы.

В форматах SACD или DVD Audio много общего: оба они применяют DVD-носитель с большой емкостью, используют многоканальную запись (до 5.1 включительно), дают несравнимое с CD и сравнимое между собой качество звука. В DVD Audio используется стандартный, как в CD, LPCM-метод цифроаналогового преобразования, а в SACD — так называемая однобитная сигма-дельта модуляция. Разница между ними заключается в том, что при LPCM-методе звук нарезается на равные дольки (столбики, если вообразить себе график в декартовых координатах), и с той или иной степенью точности измеряется высота каждой. Точность измерения определяется так называемым уровнем квантования — числом делений на виртуальной измерительной линейке: чем деления мельче, тем выше точность. Для DVD Audio стандарт допускает частоту нарезки от применяемой на компакт-дисках 44,1 кГц до 192 кГц, а уровень квантования — до 24 бит (напомним, что каждый бит повышает точность передачи звука вдвое и при такой глубине квантования динамический диапазон воспроизводимых звуков может превышать 130 дБ).

В случае же однобитной сигма-дельта модуляции мгновенная величина силы звука не измеряется, а фиксируется только факт его уменьшения или роста. Зато измерения проводятся с очень большой частотой — 2,8224 МГц!

При формальном сравнении двух стандартов получается, что качество звука SACD приблизительно равно качеству LPCM-звука DVD Audio, записанного с глубиной в 24 бита и частотой сэмплирования около 120 кГц. И действительно — отличить на слух фонограмму, записанную на диске DVD Audio с частотой сэмплирования 96 или 192 кГц, от фонограммы, записанной на SACD, достаточно трудно.

Когда вы слушаете записанный на SACD или DVD Audio со старой магнитной мастер-ленты давно знакомый вам по CD или даже винилу концерт, вы просто поражаетесь вновь обретенной кристальной чистоте и прозрачности звука, причем это в равной степени относится как к высоким, так и к низким частотам. Если же вам в руки попадает новый многоканальный диск, записанный «в цифре» с учетом всех возможностей многоканальности, вы понимаете, что открылся новый музыкальный мир. В такой мир не всегда попадешь даже на живом концерте: вряд ли, скажем, кому-нибудь удастся сесть прямо среди музыкантов…

И самое удивительное, что это качество слышат и поражаются ему не только завзятые меломаны и аудиофилы, но и совершенно неискушенные люди. Так что длившаяся почти четверть века «война» между сторонниками цифровой записи и поклонниками «винила», похоже, кончилась естественным образом — не за что стало воевать. Выяснилось, что проблема не в «цифре», как таковой, а в ее количестве. И идеальный звук стал доступен всем.