gototopgototop

Главное меню

Анонс

Главная Описание Секреты DVD-Audio

Секреты DVD-Audio

Звук - явление волновое, сугубо аналоговое. Аудиосигнал, поступающий, например, с микрофона, непрерывен, поэтому представить его в дискретной форме (или, как говорят, в "цифре") без потерь невозможно. Однако с увеличением количества информации, которой описывается такой сигнал, потери становятся все меньше.

 

Что содержит в себе цифровая запись DVD-Audio.

 

Первоочередная задача оцифровщиков - найти разумный компромисс между потерями и количеством (скоростью) передаваемых данных. Но "разумный" - понятие относительное, определяемое уровнем развития технологий. Параметры формата CD, разработанные около четверти века назад, тогда казались фантастическими, но сейчас у истинных аудиофилов они вызывают лишь снисходительную усмешку. Что это за параметры? Их два: частота дискретизации и длина двоичного слова.

Пусть мудреные термины вас не пугают: поясним, в чем дело. Возьмем аналоговый звуковой сигнал и для оцифровки будем через определенный промежуток времени измерять его величину (амплитуду), считая, что до следующего замера она не изменится. При записи на CD замеры делают 44100 раз в секунду, то есть с частотой 44,1 кГц (это - частота дискретизации). Очевидно, чем она выше, тем, во-первых, ближе форма получившихся цифровых ступенек к исходной, и, во-вторых, шире передаваемый частотный диапазон.

DVD-Audio логитипИзвестно, что для корректной передачи информации частота дискретизации, по крайней мере, в два раза должна превышать максимальную частоту исходного сигнала (для CD, диапазон которого ограничен 20 кГц, частота дискретизации составляет 44,1 кГц). Но мало измерить амплитуду, необходимо с высокой точностью выразить результат в двоичном коде, представив его как совокупность нулей и единиц. Обычно сигнал на выходе CD-проигрывателя меняется по напряжению от 0 до 3 вольт.

Формат CD представляет амплитуду с точностью до пяти десятичных знаков (0,0000-2,9999 В). Длина двоичного слова составляет шестнадцать бит, поэтому CD "замечает" разницу в 1/65536 вольта. При таком раскладе со стереозаписи (44,1 кГц/16 бит) за секунду считывается 1,4 миллиона бит информации. Для DVD-Audio сигнал кодируют тем же способом, что и на CD (LPCM - линейная импульсно-кодовая модуляция). Но современный суперформат рассчитан на гораздо более высокую точность: стереозвук с частотой дискретизации 192 кГц и 24-битовым словом или шестиканальный звук 96 кГц/24 бита.

При этом информационной емкости одностороннего однослойного DVD (4,7 Гб) при максимальной скорости передачи данных (9,6 Мбит/с) хватит только на 45-минутную запись DVD-Audio. Для передачи шестиканального сигнала с разрешением 96 кГц/24 бита скорость цифрового потока должна составить "неподъемные" 13,824 Мбит/с... Как же научиться продевать верблюда в игольное ушко?

MLP - Meridian Lossless Packing.

Решить задачу вызвалась сравнительно небольшая английская фирма Meridian, известная цифровой аппаратурой класса High End, выполненной по принципу "открытой архитектуры". Специалисты компании разработали принцип компрессии данных- MLP (Meridian Lossless Packing - дословно "упаковка без потерь от Meridian"). Нет ли в этом противоречия? Англичане так не считают. Разработанный ими метод официально включен в стандарт записи высококачественного звука на DVD-Audio.

Авторы подчеркивают следующие особенности MLP: возможность компрессии как пиковых, так и средних величин скорости потока цифровых данных; чтение переменного и фиксированного потока; автоматическое снижение скорости передачи данных для программ, не использующих всех возможностей DVD-формата (например, для частот дискретизации до 48 кГц или при коррелировании стереосигнала); исчерпывающая служебная информация; иерархический доступ к многоканальной информации; простота декодирования.

Рассмотрим основные принципы MLP. Сейчас нашли широкое распространение методы перцептуальной компрессии (Dolby Digital, DTS, ATRAC, MP3, AAC). Для уменьшения объема записи и скорости цифрового потока в этих методах за основу приняты различные психоакустические модели восприятия, согласно которым из полезного сигнала удаляется "избыточная" информация. В итоге приемлемый коэффициент сжатия, например, в MPЗ достигает 10:1. Принципиальное отличие алгоритма MPL заключается в том, что формально он ничего из исходного сигнала не выбрасывает.

MLP нацелен па умеренное сжатие (от 1,85:1 до 3,2:1), но может работать даже с 63 каналами и в некоторых случаях допускает десятикратную компрессию. При этом аудио упаковывается по принципу, напоминающему работу компьютерных программ-архиваторов, где, помимо самих данных, передается исчерпывающая служебная информация. Допустим, при кодировании используется 24-битовое слово, а в конкретный момент для точного выражения амплитуды сигнала хватило 13 битов.

Разница в качестве CD и DVDЗначит, остальные биты можно не передавать, а в канал служебной информации записать сообщение: "слово окончено". Для такого сообщения достаточно одного бита! Вот вам и "компрессия без сжатия". Похожий подход применен для выделения из стереосигнала общей информации (декорреляция). Здесь пригодилась так называемая "матрица без потерь", которая превращает стереосигнал (левый и правый каналы) в совокупность "сумма/разность левого и правого каналов". В отличие от обычного матрицирования, когда при восстановлении сигнал округляется, в MLP подобных ошибок удается избежать.

Еще одно сильнодействующее средство для безболезненного сжатия - энтропийное (вероятностное) кодирование. В чем суть? Предположим, есть три человека: один среднего роста, второй значительно ниже, а третий - за два метра. Естественно, люди среднего роста встречаются куда чаще, чем карлики или великаны. Первого условно назовем Васей, второго - Василием, а третьего Васисуалием. Улавливаете? Первое имя самое короткое и используется чаще.

Для наших условий принцип энтропийного кодирования формулируется так: если сигнал по своим параметрам приближается к среднему значению, он выражается наименьшим числом бит. И наоборот. Музыка в отличие от белого шума (никакой компрессии, кстати сказать, не поддающегося) развивается по гармоническим законам, поэтому музыкальный сигнал может быть заранее предсказан с определенной вероятностью. Если так, то в каких-то случаях допустимо отказаться от передачи самого сигнала, заменив его законом, которому он подчиняется, воссоздавая сигнал на приемной стороне по известному алгоритму.

Так транслируется не само написание букв телетекста, а информация о символах. Вот почему на разных TV телетекст воспроизводится не-одинаковыми шрифтами. А как быть, если сигнал очень широкополосный (близок к белому шуму), и никакие ухищрения не позволяют втиснуть его в прокрустово ложе 9,6 Мбит/с? Meridian использует проверенное средство - буферизацию. Житейский пример: крупногабаритную мебель продают в разобранном виде, чтобы при покупке шкафа не ломать дверные проемы. Для записи без потерь MLP-кодер оснащают специальным устройством памяти (буфер) емкостью всего 86 Кбайт.

Работает он по принципу FIFO (First In- First Out или "первым пришел - первым и вышел"). При обнаружении на входе сложного (не поддающегося компрессии) сигнала кодер записывает в буфф предшествующую информацию и некоторую часть "неподдающегося" сигнала. В результате осуществляется временной сдвиг/наложение (обычно - на 75 мс) этих сигналов так, чтобы суммарный поток не превысил заданной скорости 9,6 Мбит/с. При этом в служебную информацию параллельно вводятся указания для декодера, что и как с этим наложением делать при считывании.

Два слова - об иерархической структуре доступа. Когда на стереосистеме воспроизводится звук Dolby Digital 5.1, аппаратура должна работать в режиме Down-Mix (вместо раздельных шести каналов - стерео). Особенность MLP-декодера состоит в том, что для этого ему не надо "переваривать" всю 5.1-информацию и объединять ее в два канала. На такой случай предусмотрен дополнительный поток данных, организующих двухканальный Down-Mix.

Как видим, метод сжатия MLP в отличие от других "компрессоров" имеет весьма непростую структуру. Субъективную оценку его работы пока дать трудно. Однако специалисты звукозаписывающих фирм, производители DVD-Audio-проигрывателей и сами разработчики утверждают, что метод дает абсолютно надежные результаты - не в последнюю очередь благодаря мощной системе проверки и самодиагностики как при кодировании, так и при декодировании информации.

Meridian MHR Smart Link

Данные передаются блоками (от 40 до 160 отсчетов), собранными в пакеты (величину пакета может изменять продюсер-оцифровщик, предусмотрен и автоматический режим). Обычно в пакете находятся от 640 до 2 560 двоичных слов плюс полная информация о рестарте и инициализации. Иными словами, MLP, восстанавливающему работу в среднем за 7 миллисекунд, не страшны ошибки, возникшие при переносе данных на диск или при считывании.

MLP позволяет звукорежиссеру найти приемлемый компромисс между длительностью звучания, частотным диапазоном, числом активных каналов и разрядностью цифрового слова. Как говорится, возможны варианты. При оцифровке с часто той дискретизации 48 кГц можно варьировать разрядностью слова и тем самым увеличивать время звучания за счет экономии на точности приближения к исходному сигналу. Например, вместо 24 бит можно использовать 23 или 22 (сокращение на один бит дает прибавку 8% к длительности звучания). Оцифровка с частотой 96 или 192 кГц не позволяет радикально увеличить время звучания, но режиссер может ограничить число каналов или ввести в систему фильтр высоких частот (например, ограничить верхнюю частоту, скажем, 30 кГц).

В результате длительность MPL-записи на односторонний однослойный DVD-Audio составит:

  • 120 минут (два полнодиапазонных канала, 192 кГц/24 бита);
  • 240 минут (два канала, 9б кГц/24 бита);
  • 86 минут (6.0-каналов, 96 кГц/24 бита);
  • 100 минут (5.1-каналов, 96 кГц/24 бита);
  • 12 часов (два канала, 44,1 кГц/16 бит);
  • 25 часов (один канал, 44,1 кГц/16 бит).


Цифровое сжатие Meridian Lossless Packing построено так, что будущее совершенствование методов кодирования не приведет к устареванию DVD-Audio-плейеров с MLP-декодерами. Не стоит опасаться, что купленный сегодня проигрыватель через год-другой не сможет прочесть информацию с новенького диска: Meridian и DVD-Forum официально гарантируют. В заключение добавим: инженеры компании Meridian идут дальше по пути использования цифровых технологий.

Раньше фирма гордилась тем, что использует цифровой канал передачи аудиоданных с CD-плейера непосредственно на активную акустику собственной разработки. Известно, что закон о защите авторских прав делает недоступной информацию DVD-Audio в дискретной форме Внедрение цифрового интерфейса Meridian MHR Smart Link фактически снимает это ограничение, поскольку теперь можно собрать DVD-Audio-систему любой конфигурации. Из фирменных компонентов, разумеется...