Способы хранения цифрового звука
Для хранения цифрового звука существует много различных способов. Как мы говорили, оцифрованный звук представляет собой набор значений амплитуды сигнала, взятых через определенные промежутки времени.
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:
1) Импульсно-кодовая модуляция PCM (Pulse Code Modulation) — способ цифрового кодирования сигнала при помощи записи абсолютных значений амплитуд. Именно в таком виде записаны данные на всех аудио CD.
2) Адаптивная относительная импульсно-кодовая модуляция (ADPCM (Adaptive Delta PCM) – запись значений сигнала не в абсолютных, а в относительных изменениях амплитуд (приращениях).
Во-вторых, можно сжать или упростить данные так, чтобы они занимали меньший объем памяти, нежели будучи записанными «как есть». Тут тоже имеются два пути:
1) 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.
2) 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).
Некоторые форматы звуковых файлов:
Формат AU. Этот простой и распространенный формат на системах Sun и NeXT (в последнем случае, правда, файл будет иметь расширение SND). Файл состоит из короткого служебного заголовка (минимум 28 байт), за которым непосредственно следуют звуковые данные. Широко используется в Unix-подобных системах и служит базовым для Java-машины.
Формат WAVE (WAV). Стандартный формат файлов для хранения звука в системе Windows. Является специальным типом другого, более общего формата RIFF (Resource Interchange File Format); другой разновидностью RIFF служат видеофайлы AVI. Файл RIFF составлен из блоков, некоторые из которых могут, в свою очередь, содержать другие вложенные блоки; перед каждым блоком данных помещается четырехсимвольный идентификатор и длина. Звуковые файлы WAV, как правило, более просты и имеют только один блок формата и один блок данных. В первом содержится общая информация об оцифрованном звуке (число каналов, частота дискретизации, характер зависимости громкости и т.д.), а во втором — сами числовые данные. Каждый отсчет занимает целое количество байт (например, 2 байта в случае 12-битовых чисел, старшие разряды содержат нули). При стереозаписи числа группируются парами для левого и правого канала соответственно, причем каждая пара образует законченный блок — для нашего примера его длина составит 4 байта. Такая, казалось бы, излишняя структурированность позволяет программному обеспечению оптимизировать процесс передачи данных при воспроизведении, но, как в подобных случаях всегда бывает, выигрыш во времени приводит к существенному увеличению размера файла.
Формат MP3 (MPEG Layer3). Это один из форматов хранения аудиосигнала, позднее утвержденный как часть стандартов сжатого видео. Природа получения данного формата во многом аналогична уже рассмотренному нами ранее сжатию графических данных по технологии JPEG. Поскольку произвольные звуковые данные обратимыми методами сжимаются недостаточно хорошо, приходится переходить к методам необратимым: иными словами, базируясь на знаниях о свойствах человеческого слуха, звуковая информация “подправляется” так, чтобы возникшие искажения на слух были незаметны, но полученные данные лучше сжимались традиционными способами. Это называется адаптивным кодированием и позволяет экономить на наименее значимых с точки зрения восприятия человека деталях звучания. Приемы, применяемые в MP3, непросты для понимания и опираются на достаточно сложную математику, но зато обеспечивают очень значительный эффект сжатия звуковой информации. Успехи технологии MP3 привели к тому, что ее применяют сейчас и во многих бытовых звуковых устройствах, например, плеерах и сотовых телефонах.
Формат MIDI. Название MIDI есть сокращение от Musical Instrument Digital Interface, т.е. цифровой интерфейс для музыкальных инструментов. Это довольно старый (1983 г.) стандарт, объединяющий разнообразное музыкальное оборудование (синтезаторы, ударные, освещение). MIDI базируется на пакетах данных, каждый из которых соответствует некоторому событию, в частности, нажатию клавиши или установке режима звучания. Любое событие может одновременно управлять несколькими каналами, каждый из которых относится к определенному оборудованию. Несмотря на свое изначальное предназначение, формат файла стал стандартным для музыкальных данных, которые при желании можно проигрывать с помощью звуковой карты компьютера безо всякого внешнего MIDI-оборудования. Главным преимуществом файлов MIDI является их очень небольшой размер, поскольку это не детальная запись звука, а фактически некоторый расширенный электронный эквивалент традиционной нотной записи. Но это же свойство одновременно является и недостатком: поскольку звук не детализирован, то разное оборудование будет воспроизводить его по-разному, что в принципе может даже заметно исказить авторский музыкальный замысел.
Формат MOD. Представляет собой дальнейшее развитие идеологии MIDI-файлов. Известные как “модули программ воспроизведения”, они хранят в себе не только “электронные ноты”, но и образцы оцифрованного звука, которые используются как шаблоны индивидуальных нот. Таким способом достигается однозначность воспроизведения звука. К недостаткам формата следует отнести большие затраты времени при наложении друг на друга шаблонов одновременно звучащих нот.
Источник
Сетевая музыка, часть 4. Правильное хранение для точного воспроизведения, статья. Онлайн-журнал «AVREPORT.RU»
Сохранить и прочитать потом —
Цифровые технологии, перенесшие музыку с физических носителей в сеть, существенно увеличили её доступность. Даже самые редкие и малотиражные записи перестали быть таковыми, их можно легко скачать из интернета в превосходном качестве. Качество музыкального материала в целом заметно возросло. Однако возникает вопрос: как правильно распорядиться этим богатством? Где хранить большую аудиоколлекцию музыки высокого качества? И как правильно воспроизвести эту музыку так, чтобы услышать все её преимущества?
Один музыкальный альбом среднего размера в CD-качестве, будучи конвертированным в формат FLAC, занимает порядка 300 Мб. Тот же самый среднестатистический альбом сохраненный в том же формате FLAC, но с качеством 24/96 потянет уже на 1 Гб, а качество 24/192 потребует 2-3 Гб дискового пространства. В памяти ноутбука такую коллекцию точно не соберешь, на стационарном ПК, в принципе, возможно поставить дополнительно 1-2 жестких диска на 2-3 Тб каждый, чтобы хранить там свою аудио коллекцию и прочие «тяжелые» файлы. Но, куда удобнее вынести функции хранения, а заодно и скачивания медиафайлов за пределы рабочего компьютера на отдельное устройство. Устройство такое называется NAS (Network Attached Storage) или, говоря по-русски, Сетевое Хранилище.
Простой домашний NAS на два жестких диска Synology DiskStation DS211+
NAS выглядит как миниатюрный системный блок, размер и форма которого определяется количеством встроенных туда жестких дисков размера 3.5″. По сути — это полноценный компьютер, по производительности сравнимый с нетбуком, но разработанный специально для роли универсального домашнего сервера. Он способен самостоятельно закачивать файлы и обеспечивать доступ к ним по сети. Также, через сеть или напрямую через USB-подключение на него можно копировать любые имеющиеся в вашем распоряжении файлы. Управление NAS осуществляется посредством веб-браузера с любого ПК, ноутбука или даже планшета, подключенного в домашнюю сеть. Основные преимущества NAS состоят в том, что он заметно компактнее и тише стационарного ПК, занимает мало места и потребляет мало энергии, благодаря чему может работать круглосуточно.
Есть у NAS еще одно крайне важное преимущество: он позволяет существенно повысить надежность хранения файлов. Двух- и более дисковые сетевые хранилища дают возможность создавать отказоустойчивые файловые массивы RAID. Плюс к этому, с любого, в том числе и однодискового NAS крайне удобно делать резервные копии данных, подключая внешний жесткий диск напрямую к сетевому хранилищу. Стоимость NAS конечно выше, чем у обычного внешнего жесткого диска аналогичного объема, но это вполне адекватная плата за то удобство и те возможности, которые он обеспечивает.
Возвращаясь непосредственно к теме высококачественного аудио, нельзя не вспомнить о том, что в аудиофильской среде выше всего ставится качество звучания, а вовсе не удобство использования, в связи с чем вполне уместен вопрос: а может все таки лучше слушать музыку не с сетевого хранилища и не с жесткого диска, а с оптических носителей? Например, скачать образ музыкального диска в сети, записать его на болванку соответствующего формата и вставить её в дорогой, высококачественный дисковый проигрыватель?
Более продвинутая и емкая модель на четыре диска Synology DS412+
Внимательно рассмотрев данный вопрос, можно прийти к единственному и, как может показаться, абсолютно парадоксальному выводу: правильно сделанная цифровая копия будет воспроизводиться с жесткого диска точнее, чем оригинальный оптический диск, воспроизводимый в приводе. Как такое возможно? Все довольно просто. При воспроизведении оптического диска плеер считывает информацию с него однократно, и полученные данные интерпретирует в реальном времени так, как покажется верным встроенной системе коррекции ошибок. Воспроизвести оптический диск идеально, так чтобы коррекции ошибок не потребовалось, можно, но только теоретически. Для этого сам носитель должен быть идеальной формы и идеально сбалансирован, на нем не должно быть ни одной пылинки или царапинки, дисковый привод должен также быть идеально сбалансированным и не должен испытывать на себе воздействия извне (в том числе и со стороны колебаний воздуха, создаваемых работающей акустической системой). На практике такие условия обеспечить, конечно же, невозможно, но так или иначе, к решению этих проблем стремятся разработчики топовых аудиопроигрывателей класса High End (стоимость которых вполне может превышать стоимость хорошего автомобиля). Ну а в обычных проигрывателях аудио дисков, мы имеем неизбежное накопление ошибок, возникающих в процессе чтения, и в результате слушаем не только ту информацию, которая была записана на диск, но еще и то, что «додумала» система коррекции ошибок, которая сама имеет право на ошибку.
Совершенно другую ситуацию мы имеем в случае создания и воспроизведения цифровой копии диска. Критический момент остается тот же — процесс считывания информации с диска. При создании цифровой копии, компьютер также сталкивается с ошибками чтения диска в приводе, но поскольку в данном случае задачей является максимально точное считывание, программа может перечитать сложный участок большое количество раз, сведя таким образом возможность ошибочной интерпретации данных к минимуму.
Пара высококачественных CD-приводов компании TEAC
Вывод из этого прост: цифровой транспорт, воспроизводящий музыку из файла, с точки зрения качества звучания, является более подходящим решением, чем цифровой транспорт, воспроизводящий оптические диски.
Пытливые аудиофилы справедливо заметят: жесткий диск в процессе работы создает немало помех, и если заменить им оптический привод, он может крайне негативно влиять на работу Hi-Fi системы. И действительно, жесткому диску нет места вблизи таких чувствительных компонентов как ЦАП или, скажем, предварительный усилитель. И тут на помощь вновь приходит решение, которое опять же может показаться парадоксальным: самым правильным способом воспроизведения цифровой музыки является воспроизведение её посредством проводной локальной сети. В чем преимущества такого подхода? Во-первых, жесткие диски оказываются настолько далеко от стереосистемы, насколько это необходимо. Длина проводов при таком способе передачи данных не играет ровным счетом никакой роли, поэтому NAS или ПК с музыкой может стоять хоть в соседней комнате, хоть в соседней квартире этажом выше. Во-вторых, сетевое подключение обеспечивает полную гальваническую развязку (каждый порт LAN оборудован развязывающими трансформаторами, которые исключают электрический контакт устройства с Ethernet кабелем). Если же мы подключаем жесткий диск к проигрывателю напрямую, посредством USB или SATA интерфейса, они оказываются связаны электрически, поэтому помехи от работы жесткого диска действительно могут влиять на работу плеера, снижая качество звучания.
SACD/CD транспорт класса High End — TEAC Esoteric P-05
Таким образом, мы приходим к концепции совершенного цифрового источника звука. Он состоит из двух компонентов: сетевого хранилища и сетевого плеера. В роли хранилища может выступать специально разработанное для этого устройство — NAS, а также компьютер или ноутбук, папки которого открыты для сетевого доступа. В роли плеера могут выступать опять же либо специально разработанные для этого устройства, спектр которых сегодня предельно широк, либо это может быть подготовленный для воспроизведения аудио компьютер или ноутбук. А то, как сделать из обычного компьютера машину для аудио мы расскажем в следующей публикации.
Источник
