СОДЕРЖАНИЕ

Введение

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время очень остро стояли вопросы совершенствования в области создания компактных быстродействующих систем постоянной памяти, звуко- и видеозаписи с переходом на цифровое кодирование  и на бесконтактные процессы запись-воспроизведение, и,  наконец, в области передачи изображения на расстояния. Есть конечно  и  другие  не столь известные направления. Качественный скачок был сделан при переходе на оптические лазерные  системы  записи,  возможности которых достаточно велики и разнообразны. Они могут быть  применены  для  цифровой, растровой, а также аналоговой записи изображений  и  текстов.

 

     10.1  ЦИФРОВАЯ  ДИСКОВАЯ  ЗАПИСЬ  ИНФОРМАЦИИ

 

     К настоящему  времени  разработано много оптических дисковых систем записи информации, которые в основном аналогичны, но отличаются средой  для  записи, применяемым  лазером  и  оптикой.  Упрощенная  схема  такой  установки  представлена  на  рис.10.1.

 

 

     Рис.10.1. Схема установки цифровой записи информации:

     1 - лазер;  2 - оптическая система;  3 - диск-оригинал;   4. электропривод

     вращения диска;   5 - модулятор;  6 - электропривод   поперечного   сме-

     щения   объектива;  7 - электродинамический  двигатель;   8 - емкостной

     датчик  ошибок  фокусировки;   9 - система  стабилизации  частоты  вра-

     щения  двигателя  4

 

      Световой  пучок  лазера 1  оптической  системой  2 фокусируется на поверхность  вращающегося  диска-оригинала 3. Диск диаметром  100 - 300 мм  в зависимости от длительности  записи  изготавливается  из оптического стекла толщиной 0,6-1,0 мм,  на  поверхность  которого  наносится тонкопленочное металлическое покрытие толщиной  5-50 нм. Он приводится во вращение стабилизированным электроприводом  4 с  постоянной угловой  или  линейной скоростью в пределах  200-800 об/мин. Модулятор 5 предназначен для внесения в световой пучок информации путем изменения интенсивности пучка в соответствии с подаваемым на его вход цифровым потоком. Формируемые оптической системой и модулятором  световые  импульсы от лазера образуют в пленке отверстия-питы. В процессе записи объектив смещается к центру диска приводом  6,  в  результате  чего на диске образуется спиральная дорожка из питов.  Оптимальный шаг дорожки при звукозаписи  1,5-2 мкм  при погрешности  0,05-0,1 мкм,  поперечный  размер  питов  0,4-0,6 мкм.

      При видеозаписи и при записи информации на дискеты  требования к  плотности  записи  еще более жесткие.  Понятно,  что такую плотность невозможно обеспечить без применения лазеров. Перемещение линзы   осуществляется  электродинамическим  двигателем  7,  обычно используемого в  громкоговорителях  для  возбуждения   колебаний диффузора.

     Преимуществом цифровой  лазерной  записи  на   металлических пленках является  возможность контроля ее качества одновременно с записью. Для этого в систему записи через тот же объектив, но под небольшим углом,  посылается  считывающий  лазерный  пучок меньшей мощности. Отраженный от дорожки луч используется для оперативного отслеживания качества  записи.

 

     10.1.1.  СИСТЕМА  ФОРМИРОВАНИЯ  ЗАПИСЫВАЮЩЕГО

     ЛАЗЕРНОГО  ИЗЛУЧЕНИЯ

         

      Мощность излучения записывающего лазера должна  быть  достаточной, чтобы локально изменить оптические свойства металлического покрытия диска.  В последнее время на смену  газовым  лазерам пришли полупроводниковые  диодные  лазеры,  что позволило создать компактные системы с меньшими размерами и меньшей  стоимостью  по сравнению с системами на газовых лазерах. Очень важно, что выходная мощность полупроводниковых лазеров легко модулируется входным сигналом, что  позволило  упростить  схему  записи, ранее разработанную для газовых лазеров.

     Типовая оптическая  схема записывающей системы характеризуется   тем, что на входе лазера установлен модулятор 5 (см.рис.10.1), управляемый входным сигналом. Оптическая система включает в себя коллимирующее устройство, представляющее собой телескопический расширитель излучения  (см.рис.4.2),  а для осуществления одновременного с записью контрольного считывания  в  оптическую  систему включается поляризационный  делитель,  который свет, отраженный от дорожки и  поляризационно смещенный, отделяет от основного и  направляет на фотодетектор (фотоэлектрический  преобразователь).

 

     10.1.2.   СРЕДЫ  ДЛЯ  ЗАПИСИ

 

     Требованиям постоянной записи наиболее  всего  удовлетворяют тонкие пленки  сублимирующихся  или легко плавящихся или испаряющихся материалов.  Простейшим типом такой среды  являются  тонкие пленки, осажденные в вакууме.  Тонкие пленки удовлетворяют многим требованиям по минимизации устройств памяти. Тем не менее необходимость минимизации размеров записанного бита информации предъявляет дополнительные жесткие требования как к фокусирующей оптике, к лазерному излучению,  так и к тонкопленочным материалам записывающей среды.  Материал должен иметь малую  тепло- и температуропроводность, низкую температуру фазового перехода,  используемого для записи, в результате которого изменяются оптические свойства бита  информации,  причем это изменение должно быть достаточным, чтобы обеспечить высокое отношение сигнал-шум при считывании информации.

     Кроме того, материал наряду с такими свойствами, как высокая разрежающая способность  (не менее 1000 линий/мм при размере бита 1 мкм), стойкость к окружающей среде должен, обладать высокой чувствительностью, поскольку мощности существующих лазеров,  пригодных для использования в системах  записи  информации,  составляет несколько милливатт.  Отсюда  появляются требования к уменьшению пороговой плотности  лазерного  излучения  I_о  для  записи.

 

     10.1.3.  СПОСОБЫ  ЗАПИСИ  С  ПОМОЩЬЮ  ЛАЗЕРА

 

     Основной процесс  записи  на  тонкопленочных материалах осуществляется их локальным нагреванием лазерным лучом с последующим разрушением и  удалением области нагрева.  Механизм записи представляет  собой  плавление  со  скатыванием  жидкой  фазы   (см.стр.67).  Энергетичес-

кие пороги этого механизма можно определить из выражений (7.2-7.3).  Так, для полупрозрачных пленок (имеющих коэффициенты поглощения А₁ и пропускания  D₁ ) и непрозрачных подложек пороговая плотность лазерного  излучения  при   _и < 100 нс  равна

           I = (с_vТ_п  + L_g) h  /  [(A₁ + D₁)  _и].                             (10.1)

Из  (10.1)  видно, что наименьшими значениями  I_о будут обладать пленки малой  толщины  с  малыми значениями  Т_п  и  L_п  и низкой теплоемкостью с_v ,  но сильным  поглощением на  длине  волны  падающего  излучения.

      Дальнейшего уменьшения порога записи добиваются  уменьшением коэффициента отражения  лазерного луча за счет применения антиотражающих многослойных тонкопленочных структур,  которые создаются следующим образом.  На подложку наносится слой хорошо отражающего материала  (чаще всего  Al),  затем прозрачный слой диэлектрика  и полупрозрачная пленка поглощающего металла,  играющего роль cреды для записи.  Такая структура позволяет иметь большую энергетическую добавку  за счет отражения от пленки  Al  в процессе локального разрушения (записи) и повысить контраст при считывании  от  записанных битов информации по  сравнению  с матрицей.

     В последнее время ведутся успешные  разработки  материалов, изменяющих свои оптические свойства за счет локального вздутия поглощающей пленки, которое происходит из-за давления паров промежуточного  диэлектрического слоя.  В случае  когда температура разложения или испарения диэлектрика меньше  Т_п  поглощающей пленки,  можно понизить критический порог записи почти на порядок.  Оптический контраст в этом случае  будет  следствием разных отражающих  способностей  записанной  (вздутой)  и  не записанной  области.

 

     10.2.  АНАЛОГОВАЯ  ЗАПИСЬ  ИНФОРМАЦИИ

 

     В ряде случаев оказывается важным сохранить оригинальный вид информации  (в виде рисунков,  текстов и т.д.).  Большинство  систем для такой записи построено по принципу фотокопира,  схематично изображенного  на рис.10.2. Оригинал со штриховым (текст) или полутоновым (рисунок)  изображением на прозрачной основе  2  вращается на одном валу с формной  пластиной  клише  5.  В  качестве формного материала используется   гладкая   алюминиевая  фольга  или  алюминиевая   тонкая пленка  с  нанесенным  на   ее  поверхность  лаковым   слоем  и   полимерным   анти-

адгезионным пленочным покрытием.  Считывающая головка 4, состоящая из источника света 1, линзы и фотоприемника 3  при  перемещении вдоль оси цилиндра последовательно преобразует яркостную картину оригинала в электрический  сигнал, пропорциональный яркости изображения  в  данной  его  точке.

 

 

Рис. 10.2. Структурная схема установки для  аналоговой записи  информации,  работающая  по  принципу  фотокопира:

1 - источник света;  2 - основа;  3 - фотоприемник;  4  - считывающая  головка;  5 - клише

 

     Усиленный электрический сигнал управляет  электрооптическим затвором лазера  (чаще всего это СО₂-лазер).  Модулированное излучение лазера в соответствии с изображением  оставляет  след  на формной пластине в виде непрерывной канавки или точек-лунок, размер которых определяется количеством прошедшего света.  Такой лазерный гравировальный автомат обеспечивает скорость записи до  300 об/мин, при минимальном размере штриха  0,1 мм.  Качество полученных рисунков сравнимо с черно-белой фотографией.  Дальнейшее развитие способов аналоговой записи,  по-видимому,  повлекут  за собой  коренное изменение в системах памяти.

 

     

Достоинства и недостатки аналоговой и цифровой записи

Во время механической записи на грампластинку резец вырезал на поверхности диска канавку, извивы которой просто повторяли колебания звуковой волны. В результате получалась как бы физическая копия звука, которую игла затем могла «пощупать» и вновь превратить в звуковые колебания. Этот непрерывный способ записи принято называть аналоговым.

По-иному обстоит дело, когда звук записывают цифровым способом. Сперва, он попадает в устройство, названное аналогово-цифровым преобразователем (АЦП). Там, через очень короткие интервалы характеристики аналогового сигнала, звуки замеряются и кодируются двоичным кодом (1 – импульс, 0 – пауза). В результате непрерывная звуковая волна копируется не целиком, а отдельными «замерами», но промежутки между ними такие крохотные, что эту дискретность человеческое ухо просто не в состоянии почувствовать.

Разницу между аналоговым звуком и цифровым звуком хорошо иллюстрирует сравнение стрелочных и электронных часов. Если в первом случае мы видим непрерывное движение стрелки, то во втором – только сменяющиеся через определенные интервалы цифры.

Объективно, аналоговая копия звука, несомненно, точнее цифровой. Зато, цифровому сигналу не страшны шумы и искажения – вечный бич кассет и грампластинок – ведь код (в отличие от непрерывной аналоговой записи) можно просто исправить. В результате, шумы в цифре становятся слабее основного сигнала в 100 млн. раз, то есть, практически неслышны!

В следующем устройстве – цифрово-аналоговом преобразователе (ЦАП) – код расшифровывается и превращается в привычный аналоговый звук, который, учитывая то, что с ним сделали, всё равно предпочитают называть цифровым.

Надо сказать, что достоинства цифрового звука (чистота записи, диапазон, многократно превосходящий возможности человеческого уха) до сих пор ставятся под сомнения музыкальными гурманами. В вину новому носителю, часто вменяется излишняя «стерильность», «холодность», «безжизненность» и прочие атрибуты совершенства.

Давно известно, что для человеческого уха полная тишина невыносима, а наиболее комфортным как раз является легкий шумовой фон (вроде природных звуков – шума ветра, шелеста листьев). Поэтому, практически очищенная от шумов цифровая запись, при прослушивании её в наушниках, действительно способна вызвать определенный дискомфорт.

Что касается главного недостатка «цифровой» записи – ее дискретности, то и тут есть любопытные аргументы в защиту.

Д. Симаненков «Загадки и парадоксы цифрового звука»:

«Несколько читателей справедливо отмечают, что так называемые аналоговые ленточные магнитофоны, по своей сути, являются цифровыми устройствами. Дело в том, что число магнитных доменов, попадающих в зазор звукоснимающей магнитной головки магнитофона, конечно. Но, в любом случае, это относительно небольшое число и уж точно это не бесконечность. ...Из всего вышесказанного следует, что мы просто не можем слышать чисто аналоговых записей, так как ленточные магнитофоны применялись и при создании виниловых пластинок. А значит, со старого доброго винила тоже идет цифровой звук! Поэтому, когда утверждается, что аналоговый звук лучше цифрового, на самом деле утверждается, что одна цифровая система лучше другой!»

CD-ROM под электронным микроскопом (Фото: en.wikipedia.org)

Теперь перейдем к описанию первого, широкодоступного, цифрового звуконосителя.

CD изготавливается из прозрачного полимера, на который затем наносится отражающий слой из серебра, золота или алюминия. На рабочей поверхности имеются канавки (как и на виниловых пластинках), однако сами по себе они никакой информации не содержат. Нарезаются эти канавки значительно плотнее, чем на виниле – с шагом 1,6 мкм.

Затем, с помощью лазера, в них выжигаются углубления – так называемые питы (англ. pit – ямка). То есть, по сути, это та же глубинная запись, как и на фонографе Эдисона. Только на фонографе эти ямки с ухабами были непосредственным отображением колебаний звуковой волны, а на CD с их помощью записывается двоичный код. Ямки-питы, в этом коде, являются как бы «нулями», а холмики-«лэнды» (англ. land – земля) – «единицами». После нанесения такой закодированной информации, рабочая поверхность диска покрывается защитным слоем лака.

Для считывания информации применяется также полупроводниковый лазер. Компакт диск вращается, луч скользит по ухабистой дорожке, отражается и улавливается датчиками в виде импульсов разной частоты. После чего, прочитанная информация раскодируется и возвращается нам через динамики в виде звука.

Преимущества оптического диска были налицо. Во-первых, благодаря деликатному (фактически бесконтактному) лазерному звукоснимателю, CD были на несколько порядков лучше защищены от механических повреждений, нежели те же виниловые пластинки. Также, компакт-диски были менее чувствительны к толчкам и годились для прослушивания в плеерах и автомобилях.

Рассмотреть всех персонажей на обложке, переизданного на CD "Сержанта Пеппера..." BEATLES, весьма затруднительно...

Ну и, конечно же, не стоит забывать о скромных размерах этого звуконосителя (толщина – 1,2 мм, диаметр – 12 см), хотя и здесь не обошлось без недовольных. Так, небольшие размеры коробочек для CD вызвали замешательство в рядах оформителей обложек, привыкших к большим конвертам грампластинок. Теперь приходилось работать с площадью в четыре раза меньшей, и о полотнах с множеством мелких деталей пришлось забыть.

В результате, обложки CD приобрели формат книжных брошюрок. В них, уже чуть ли не в обязательном порядке, стали печататься тексты песен и подробнейшая информация о группе и альбоме. Всё это, конечно же, сопровождалось картинками.

Свои плюсы и минусы имело и возросшее (почти в два раза по сравнению с грампластинками) время звучания. Концепция двусторонней грампластинки (т.е., по сути, деление ее на две части) ушла в небытие. Зато, длительные произведения (вроде той же «Девятой симфонии») могли записываться без ненужных пауз. Соответственно, возросло и среднее количество песен на одном альбоме (14-17 вместо 8-10 на виниловом лонгплее). Это безусловное достоинство имело и свою обратную сторону, а именно потакало своеобразному «графоманству», когда, вместо тщательного отбора песен. в альбом втискивали весь музыкальный материал, имевшийся в наличии.

Еще одно достоинство CD-проигрывателя – удобство управления. Теперь слушатель мог легко переключать треки, а также программировать их прослушивание в желанном порядке. Здесь тоже крылся маленький недостаток – теперь нетерпеливый слушатель мог легко игнорировать композиции, толком их и не расслушав. Ведь есть немало песен, которые начинаешь понимать и любить только после многократного прослушивания (переставлять иглу или, еще хуже, перематывать ленту зачастую было просто лень).

Но, что все эти мелкие придирки, по сравнению с той «миной», которую цифровая запись подложила в само основание аудио индустрии?...

Лазерная запись информации на формные материалы

Разновидности процессов. Лазерное излучение, используемое для записи информации, обеспечивает протекание в приемных слоях формных материалов определенных процессов. В зависимости от интенсивности лазерного излучения, его длины волны, продолжи­тельности действия и ряда других параметров, а также природы облучаемого материала различают процессы двух типов: световые и тепловые.

Световые процессы происходят в формных материалах, если интенсивность лазерного излучения невелика и оно поглощается частицами вещества, способными к фото- и физико-химическим ре­акциям. Инициированные лазерным излучением световые процессы могут быть аналогичны фотохимическим, которые происходят под действием обычных источников светового излучения, но интенсивность протекания превращений исходных реагентов выше.

Тепловые процессы под действием излучения проходят ряд по­следовательных стадий: нагревания, плавления и испарения или воз­гонки — сублимации (от лат.sublimo — возношу), т. е. перехода ве­щества в результате нагревания из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое.

Развитие процесса в формных материалах при повышении плотности лучистой энергии (отношения мощности к площади из­лучения) происходит следующим образом: при повышении плот­ности лучистой энергии первоначально наблюдается умеренное на­гревание, сопровождаемое протеканием относительно энергоемких физико-химических превращений (фазовых переходов, химических реакций, полимеризации, разрушения структурных связей и т.д.). В дальнейшем с повышением плотности энергии начинаетсяплавле­ние материала и граница между жидкой и твердой фазами (поверх­ность расплава) смещается в глубину материала. Чем больше плот­ность лучистой энергии, тем интенсивнее происходитиспарение, и часть вещества переходит в другое фазовое состояние с выбросом продуктов химической деструкции. Тепловой процесс может раз­виваться и по другой схеме. В ряде случаев, например, в слоях ма­лой толщины основная часть поглощенной лучистой энергии мо­жет расходоваться не на плавление, а на термическое разрушение в результате возгонки.

Различают механизмы теплового воздействия лазерного излуче­ния в металлах инеметаллах. В металлах кванты излучения погло­щаются в основном электронами проводимости, которые отдают энергию кристаллической решетке, увеличивая тепловую энергию колебаний атомов.

Процессы, происходящие в неметаллах, более разнообразны. Возможна фотоэмиссия электронов с последующей передачей им энергии излучения и нагреванием материала. Может происходить также процесс непосредственного взаимодействия квантов со структурными элементами материала. В результате поглощения ла­зерного излучения повышение температуры материала иногда со­провождается и другими изменениями: в ряде случаев активизиру­ются диффузионные процессы в твердом теле, протекают некоторые химические реакции на поверхности и в приповерхност­ных слоях материала и др.

Последние в ЛГ записи служат для управления положением фокального пятна, а в ЛГ воспроизведения наряду с этим выполняют основную функцию - воспринимают отраженное от носителя излучение лазера и преобразуют его в электрический сигнал.  На рис.1 показана ЛГ, применяемая для воспроизведения компакт-дисков, а на рис.2 - вариант оптической схемы такой головки. Излучение полупроводникового лазера проходит через поляризационный расщепитель, линзу коллиматора, четвертьволновую пластинку и фокусируется объективом на отражающем слое компакт-диска.О траженное излучение, промодулированное питами на компакт-диске, через расщепитель и призму поступает на светоприемники. Компоненты данной системы выполняют следующие функции. Линза коллиматора расширяет пучок лучей до заполнения входного зрачка фокусирующего объектива, что необходимо для полного использования его апертуры и, следовательно, получения минимального по размеру фокального пятна. Поляризационный расщепитель пропускает линейно поляризованное излучение лазера к диску и блокирует идущее к лазеру излучение, отраженное от диска, поляризация которого перпендикулярна исходной. Перпендикулярность поляризаций прямого и отраженного излучения достигается с помощью четвертьволновой пластинки. В результате почти все отраженное диском излучение от расщепителя попадает на светоприемники. Здесь на пути излучения имеется призма для автофокусировки по способу Фуко. Автотрекинг осуществляется дифракционным способом. Применение четырех светоприемников позволяет пространственно разделить падающее на них излучение и выделить из чего записанный сигнал и сигналы автофокусировки и автотрекинга.  ЛАЗЕРНАЯ ЗАПИСЬ запись информации остросфокусированным лучом лазера, использующая тепловое или световое действие луча. Носители ЛЗ чаще всего имеют форму диска. В процессе записи под действием лазерного луча происходят локальные изменения физического или химического состояния рабочего слоя носителя, влияющие на его отражательную способность. Воспроизведение записи также происходит остросфокусированным лучом лазера и основано на различных эффектах, связанных с отражением излучения лазера рабочим слоем носителя.  Сигнал регистрируется на лазерном диске в виде ЧМ-записи или импульсов двоичного кода, т.е. в виде двух состояний носителя, соответствующих 0 и 1. Ячейки памяти, содержащие 0 и 1 (см. цифровая запись звука), располагаются на лазерном диске по спиральным или концентрическим дорожкам. Размер каждой ячейки определяется свойствами носителя записи и диаметром сфокусированного на рабочем слое лазерного пятна и составляет около 1 мкм. Плотность записи достигает 1 Мбит/мм².  Известно большое разнообразие систем и средств ЛЗ, отличающихся характером превращений, происходящих в носителе под действием лазерного луча; возможностью или невозможностью стирания и повторной записи информации на носителе и др. Общими по назначению элементами всех систем ЛЗ являются дисковод, лазерная головка, устройства автофокусировки и автотрекинга, дисковый носитель записи (см. компакт-диск, мини-диск, лазерный видеодиск). Системы ЛЗ подразделяют на три основные разновидности. К первой относят системы, в которых запись производит изготовитель лазерного диска на специализированном предприятии, а потребитель получает диск с нестираемой записью и может только воспроизводить ее, т.е. применять лазерный диск как грампластинку. Лазерные диски для таких систем получили наименование ROM (Read Only Memory). В данной разновидности наиболее важна система компакт-диск (CD), получившая в звукотехнике широкое распространение.  Другую разновидность представляют системы, в которых потребитель сам может записать информацию на лазерном диске, но только один раз. Воспроизводить запись можно многократно. Лазерные диски для этих систем получили наименование WORM (Write Once Read Many) или DRAW (Direct Read After Write). Запись на них может происходить различно: прожиганием отверстий (испарением материала) в одном из слоев лазерного диска, изменением фазового состояния, цвета или формы поверхности рабочего слоя. Под изменением фазового состояния подразумевается переход вещества рабочего слоя из кристаллического состояния в аморфное, сопровождающийся изменением отражательной способности рабочего слоя. Системы WORM не нашли широкого применения в устройствах звуко- и видеозаписи.  Наконец, третьей разновидностыо являются системы ЛЗ, в которых потребитель может многократно записывать, воспроизводить и стирать информацию на лазерном диске. Применяемые в этих системах лазерные диски называются реверсивными, стираемыми или перезаписываемыми. К данной разновидности относятся получившие широкое применение в звуко- и видеотехнике системы записи с магнитооптическим воспроизведением (см. также запись сигналов на магнитооптический носитель, мини-диск). 

Аналоговая или цифровая запись.

Из всех средств, имеющихся в арсенале служб безопасности, наиболее широким спросом пользуются средства видеонаблюдения и именно они чаще всего упоминаются в списке "запланированных покупок" на следующий год. В результате развития цифровых и коммуникационных технологий появился целый ряд новшеств, которые значительно расширили потенциальные возможности их использования. В чем же заключаются эти новшества? Основные изменения состоят в том, что средства Сетевой Системы Цифрового Видеоконтроля (Networked Digital Video Management tools) предлагают лучшее качество, расширяемость, скорость, емкость, удаленный доступ и многие другие преимущества, которые невозможно получить при использовании традиционных аналоговых методов. Мы составили список проблем, которые заставляют специалистов искать альтернативу аналоговым технологиям.

1. Длительное сохранение качества видеоизображения  При выполнении цифровой записи качество видеоизображения сохраняется в течение длительного времени Аналоговая запись Цифровая запись Защитный слой пленки стирается после многократного использования. Качество изображения ухудшается после каждого использования пленки. После десяти - двенадцатикратного использования пленки VHS приходится менять. Пленки, используемые в мультиплексном режиме, изнашиваются быстрее. Так как видеосигнал цифровой, качество изображения не ухудшается независимо от того, сколько раз используется пленка Цифровая запись сохраняется длительное время без необходимости постоянной замены пленок VHS. Используются перезаписываемые DVD диски и новые интеллектуальные пленки, разработанные для длительного хранения. По заявлению изготовителя, такие пленки позволяют осуществлять цифровую запись и воспроизведение изображения до 20,000 раз. Это значит, что если пленка используется раз в неделю, она может прослужить примерно 300 лет. 2. Использование Автоматизированной системы хранения записей позволяет сократить расходы на оплату труда и снизить потребность в площади  При использовании устройств цифровой записи участие работника и оплата его труда сводятся к минимуму. Автоматическая система хранения цифровой записи не требует больших затрат рабочего времени и не занимает много места Аналоговая запись Цифровая запись Аналоговые методы записи основаны на использовании видеомагнитофонов и пленок VHS. Этот процесс требует ручной смены кассет и больших затрат времени. Аналоговые cистемы занимают много места. В момент замены кассеты запись прерывается, что может привести к потере видеоинформации. Для включения и выключения видеомагнитофона требуется оператор. Цифровая запись практически не требует вмешательства человека. В автоматической системе хранения цифровой записи используются малогабаритные кассеты "AIT cartridges". На одной кассете AIT можно хранить такой же объем информации, как на 10 кассетах VHS. Смена кассет автоматизирована. Для этого используется Видеотека, оснащенная манипулятором, с помощью которого производится перемещение и смена кассет AIT. В качестве носителей для цифровой записи применяются также жесткие или DVD диски. Цифровая запись не прерывается даже в момент смены кассет. Возможна такая конфигурация цифровой системы, при которой по истечении заданного срока хранения пленки в Видеотеке она будет использована для повторной цифровой записи. Для увеличения срока хранения и сокращения стоимости системы режим автоматизированной смены пленок может раз в неделю задаваться оператором. 3. Технические и программные решения  Программные решения значительно сокращают зависимость аппаратного обеспечения Аналоговая запись Цифровая запись Аналоговая запись в значительной мере зависит от качества работы оборудования, что повышает требования к его техническому обслуживанию. Необходимо постоянное обновление оборудования. Требуется дополнительное оборудование для передачи видеосигнала, идентификации активности и детектирования потери видеосигнала. Цифровые системы записи зависят исключительно от программного обеспечения. Эти системы могут анализировать сделанную запись при помощи программного обеспечения без использования дополнительного оборудования. С помощью программного обеспечения осуществляются такие функции, как детектирование движения или трансфокация (увеличение) видеокадра. 4. Техническое обслуживание и надежность  Сетевые цифровые системы записи снижают требования к техническому обслуживанию и сокращают время простоя Аналоговая запись Цифровая запись Видеомагнитофоны нуждаются в постоянном техническом обслуживании, включая чистку головок, замену деталей лентопротяжного механизма. Часто возникает необходимость в замене видеомагнитофона, так как при его круглосуточной работе происходит износ движущихся и трущихся деталей. Видеомагнитофон может сломаться без предупреждения или оповещения пользователя. В результате может потеряться важная видеоинформация или прерваться запись. В сетевом цифровом видеомагнитофоне единственной подвижной частью является жесткий компьютерный диск, который имеет высокий показатель среднего времени безотказной работы. Видеотека также имеет подвижные элементы, но при изготовлении лентопротяжных устройств для видеотек используются стандарты и допуски, соответствующие принятым в военной промышленности Практически отпадает потребность в чистке головок, так как кассеты AIT имеют специальное металлическое напыление. Кроме того, лентопротяжные механизмы для кассет AIT способны самоочищаться. Сетевые цифровые видеомагнитофоны имеют встроенную систему защиты от поломок. Если вследствие перегрева или повреждения жесткого диска происходит сбой в работе цифрового видеомагнитофона, в течение пяти минут система оповещает об этом соответствующую рабочую станцию. Возможно, использование запасного записывающего устройства на случай поломки. Система может быть сконфигурирована таким образом, чтобы можно было переключить запись на резервный диск. Запасное записывающее устройство возобновляет цифровую запись в течение пяти минут после отказа основного. Это обеспечивает непрерывность записи. 5. Стандартная и аварийная скорость записи  Сетевые цифровые системы записи позволяют конфигурировать скорость видеозаписи Аналоговая запись Цифровая запись Стандартные мультиплексоры производят запись с определенной частотой, обычно около 7 кадров в секунду. При такой скорости и при использовании шестнадцати камер на один мультиплексор, время между кадрами, принимаемыми с каждой камеры, составляет более двух секунд. Если в аварийной ситуации требуется повысить скорость видеосъемки одной камеры, мультиплексор должен остановить запись с некоторых других камер. Цифровые видеомагнитофоны позволяют конфигурировать скорость записи видеоинформации с каждой видеокамеры. Цифровые видеомагнитофоны позволяют регулировать скорость записи от каждой камеры с 0.5 до 7.5 (и более) кадров в секунду. Этим экономится место в видеотеке, так как в стандартном режиме система записывает лишь 1 или два кадра в минуту, и переключается на более высокую частоту в случае возникновения тревоги. Например видеомагнитофон Loronix Wavelet может осуществлять цифровую запись с 16 камер со скоростью 7.5 кадров в секунду с каждой. Это значит, что на самом деле видеомагнитофон принимает 120 кадров в секунду с 16 камер. 6. Быстрый и простой просмотр записи  Сетевые цифровые системы записи автоматически осуществляют запись, хранение и индексацию видеоинформации, полностью исключая вмешательство человека и значительно упрощая доступ к записям Аналоговая запись Цифровая запись Для просмотра записи необходимо остановить видеомагнитофон. Это значит, что запись новой видеоинформации не производится. Чтобы просмотреть сделанную запись, пользователь должен остановить магнитофон, заменить кассету и возобновить запись. Это может привести к ошибке. Смена кассет может затруднить их каталогизацию, так как на одной и той же пленке может содержаться пятиминутная запись с одной камеры и 10-минутная запись с другой. Если инцидент происходит во время использования кассеты, может оказаться весьма сложным найти его на пленке и просмотреть. Запись продолжается, так как видеомагнитофон не останавливается и не включается вновь. Например, в системе Loronix запись происходит непрерывно, и копия записи пересылается в Видеотеку, где она автоматически индексируется с помощью спецкода и заносится в базу данных. Система находит необходимую пленку по спецкоду. Если пленка изъята из Видеотеки, система сообщает пользователю правильный номер пленки, необходимый для поиска. По наклейке с кодом пользователь может легко найти нужную для просмотра пленку. 7. Аутентификация записи  Цифровые системы записи предлагают механизмы, гарантирующие сохранность записи от подделки Аналоговая запись Цифровая запись Отсутствует Цифровые системы записи используют методику цифровой сигнатуры, гарантирующей, что запись не была изменена. С помощью этой методики можно обнаружить изменение даже одного пикселя записи, что очень важно для юридических процедур. 8. Мультиплексирование Аналоговая запись Цифровая запись Требуются внешние мультиплексоры или квадраторы для подключения дополнительных камер к каждому устройству. Модели видеомагнитофонов имеют встроенные средства мультиплексирования. 9. Удаленное наблюдение и доступ. Интеграция с другими технологиями Работа аналоговых систем ограничивается рамками определенной территории. Сетевая цифровая система видеонаблюдения позволяет осуществлять наблюдение в любой точке мира посредством инфраструктур локальных и глобальных сетей и сети Интернет. Благодаря открытой архитектуре сети цифровые системы, подобные тем, что предлагает фирма Axis Communications, легко интегрируются с другими технологиями, включая контроль доступа, опознавание по фотографии, контроль торговых точек и системы баз данных.

Об аналоговой и цифровой записи

Что лучше: аналоговая или цифровая запись? У той и другой есть свои поклонники и приверженцы. Но давайте все-таки разберемся в сути этих двух технологий, и рассмотрим принципиальные различия между ними. Что такое аналоговая запись? Звук как таковой имеет аналоговую природу. Он распространяется в воздухе и при этом неизбежно искажается. На искажения звука оказывают влияние самые разные условия: расстояние от источника, скорость движения относительно него, особенности отражения от окружающих предметов и т.д. Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания в диапазоне от 20 Hz до 20 000 Hz. Однако далеко не каждый может похвастаться такими выдающимися слуховыми возможностями. Основная масса взрослых слышит частоты до 16 000-18 000 Hz. Стоит уточнить, что даже частоты выше 6 000-8 000 Hz обычно являются только дополнительными гармониками и призвуками. С другой стороны, качество записи во многом определяется как раз правильным воспроизведением гармоник и иных высокочастотных элементов. При аналоговой записи звуковая волна, попадая в микрофон, превращается в электрическое колебание, которое потом подается или на механический резец, если речь идее о виниловой пластинке, или на магнитную головку, если запись производится на магнитную ленту. Чтобы воспроизвести звук, следует протянуть намагниченную ленту вдоль магнитной головки, причем скорость этого процесса должна быть равной скорости записи. В случае же с винилом для воспроизведения будет нужно прогнать иглу по канавке, в которой записана информация. Механические колебания будут преобразованы в электрические, которые передадутся в усилитель, а с усилителя соответственно в громкоговорители. При внимательном ознакомлении с вышеизложенным материалом вполне очевидно несовершенство аналоговой записи. 1. Записывая на магнитную ленту, следует побеспокоиться о качестве магнитной головки и учесть ее калибровку относительно ленты. 2. Неточности лентопротяжного механизма порождают непостоянство ее скорости. 3. Нельзя не упомянуть о способности ленты растягиваться, об изменениях ее характеристик на всем протяжении, о случайных посторонних частицах на ней и т.д. 4. В случае с виниловой пластинкой имеют место детонация, попадание пыли в канавки и всевозможные механические повреждения. Кроме того, канавка, так или иначе, деформируется после каждого проигрывания. 5. Ну и, наконец, стоит вспомнить, что практически невозможно сделать копию виниловой пластинки или магнитной записи без потери качества. Да и все аналоговые носители со временем стареют и теряют в качестве звучания, даже если их не использовать слишком часто. Что такое цифровая запись? Для записи звука в цифровую форму достаточно простой фиксации значений звукового колебания, которое изменяется во времени, в числах с максимально возможной точностью. Выборка Для понимания принципов цифровой записи разберемся в таком понятии, как выборка. Выборкой, или дискретизацией, называют значение сигнала в определенный момент времени в цифровом виде. Из-за непрерывных изменений аналогового сигнала во времени стает очевидной необходимость бесконечного количества выборок. Однако теорема Котельникова гласит, что сигнал может быть точно восстановлен из цифровых выборок, созданных с частотой, превышающей вдвое максимальную частоту этого сигнала. Например, у стандартного Audio CD частота дискретизации 44.1 kHz, а соответственно можно восстановить с большой точностью сигнал с частотами вплоть до 22.05 kHz, что уже превышает возможности человеческого уха. Интерполяция Восстановление значений сигнала в промежутках между снятыми выборками называют интерполяцией. Этот процесс применяется при воспроизведении звука, который записан в цифровой форме. От качества интерполяции зависит качество восстановления сигнала. Восстановленный без применения интерполяции сигнал будет сильно отличаться от оригинала. Если же установить даже небольшой коэффициент интерполяции, то это прибавит сигналу куда большей схожести с оригиналом. Увеличивая коэффициент интерполяции, можно существенно увеличить и качество восстановления сигнала. Разрядность Если копнуть глубже, становиться понятно, что создание выборки сигнала на нужной частоте – это только полдела. Нужно еще и зафиксировать значение с максимально возможной точностью или, как ее называют, разрядностью. Запись выборки сигнала будет тем точнее, чем выше будет разрядность, которая измеряется в битах. Если разрядность будет слишком низкой, например, 4 bit, то не спасёт даже высокий коэффициент интерполяции, и восстановленный сигнал будет ужасного качества. Но если тот же сигнал оцифровать с разрядностью, например 16 bit, то он будет практически неотличимым на слух от оригинала. Кстати, у стандартного Audio CD глубина разрядности как раз 16 bit. В студиях звукозаписи обычно применяют более высокие разрядности 24 и 32 bit, частоты дискретизации 48, 96 и даже 192 kHz, что объясняется необходимостью наличия максимально доступного цифрового качества, необходимого для дальнейшей обработки. Цифровая запись Нельзя не упомянуть, что цифровая запись не подвержена старению или каким-либо другим временным изменениям. С нее можно создать сколько угодно копий с одинаковой точностью. Как можно заметить из всего вышесказанного, теория цифровой записи не подразумевает наличия каких-либо в ней изъянов. Давайте разберемся, что же происходит на практике. 1. Во-первых, для получения высокого качества требуется высококачественная оцифровка аналогового звука, которая главным образом зависит от качества АЦП – аналого-цифрового преобразователя. Высококлассный микрофон или дорогостоящие соединительные кабели не помогут в ситуации, когда качество работы АЦП оставляет желать лучшего. Запись отсчетов с недостаточной точностью, создание выборок с неравномерной частотой и т.п. приведут к получению звука, далекого по качеству от оригинала, и исправить это уже не удастся потом ничем. 2. А во-вторых, оцифрованный звук нужно ведь еще и качественно воспроизвести, что возможно только при наличии качественного ЦАП – цифро-аналогового преобразователя. Из-за неравномерной частоты дискретизации, недостаточной точности или отсутствия интерполяции звук испортится так, что никакая современная акустическая система этого не компенсирует. Таким образом, можно понять что, на качество цифровой записи и воспроизведения главным образом влияет качество преобразователей. Преобразователи, встроенные в современные (причем, отнюдь не в самые дешёвые) аудиоинтерфейсы, в своей основной массе не способны выдавать действительно высококачественный звук и по этой причине многие отдают предпочтение аналоговой записи. Но, всё же, резюмируя вышесказанное, стоит отметить, что цифровая запись обладает определёнными и достаточно выраженными преимуществами, по сравнению с аналоговой. Хотя на практике для получения действительно качественного цифрового звука нужно потратить немало средств на высококачественные преобразователи.

ЗАПИСЬ

 

Записывать звук люди научились очень давно. Ещё древние египтяне придумали записывать мелодии с помощью рисунков, а древние греки – с помощью букв. В средние века появились ноты. Но вот воспроизводить записанный звук люди научились относительно недавно, а именно, когда физик Эдисон в 1877г. создал фонограф, прибор механической записи, который умел как записывать, так и воспроизводить. Звук записывался с помощью мембраны, улавливающей звуковые волны и передающие эти колебания резцу, который отпечатывал их на фольге. А воспроизводились эти отпечатки движущейся иглой. 

 

Усовершенствование фонографа породило граммофоны, патефоны и проигрыватели виниловых пластинок (приборы электро-механической записи).

Через 11 лет (1888г.) был изобретён принцип магнитной записи на стальную проволоку. Позже идею развили, придумав магнитную ленту и магнитофон. С тридцатых годов XX века повсеместно начали появляться бобинные магнитофоны, а с шестидесятых – кассетные.

Ещё через 16 лет (1904г.) была изобретена оптическая запись – принцип записи звука на киноплёнку. Звук в буквальном смысле научились фотографировать. Нанесение звука на киноплёнку параллельно с изображением стало началом звукового кино и, конечно же,  видеорекламы.

 

Кинопленка с цифровой и аналоговой записью звука

 

Механическая, электромеханическая, оптическая и магнитная запись – изначально были способами аналоговой записи – записи и воспроизведения звуковых колебаний в их естественном виде (волн).

Многие уверены, что лучшей записи звука, чем аналоговая, не существует. Тёплое аналоговое звучание магнитной ленты – эталон звучания лучших аудиозаписей за всё человечество. Все, от Элвиса Пресли и Битлз до самых современных музыкантов-электронщиков использовали и используют для создания своей музыки аналоговую запись на магнитную ленту или её эмуляцию.

Но аналоговая запись не является наиболее точным способом записи звука. Скорее самым красивым. Аналоговый звук приятен человеческому уху благодаря наличию «тёплых» гармоник, являющихся, по сути, искажениями звука. Самым точным на сегодня принципом записи звука является цифровая запись.

Отцом цифрового звука стал 25-летний Володя Котельников, создав в 1933г. знаменитую «теорему отчётов» (она же «теорема Котельникова» или «теорема Найквиста-Шеннона). Эта теорема стала началом создания принципа оцифровки звука – кодирования звукового сигнала в биты, то есть преобразования аналогового сигнала в цифровой. На создание знакомых нам компакт-дисков ушло всего лишь 49 лет. Стандарт CD, первый широко распространённый в мире цифровой носитель звука был принят только в 1982 году.

Полный перечень видов записи цифрового звука, применяющихся на сегодняшний день – это цифровая магнитная запись (формат: DAT-кассета), магнито-оптическая запись (формат miniDisc), лазерная запись (форматы CD, SACD), оптическая цифровая запись (dolby digital)

 

 

Развитие компьютеров и цифровых технологий открыло огромные возможности для обработки и записи звука.  Огромные аналоговые студии с бесчисленным количеством звукозаписывающей аппаратуры, пультов, многокилограммовых процессоров обработки звука сменяются на виртуальные студии, вмещающиеся в системный блок компьютера.

Чтобы обрабатывать звук на компьютере, его необходимо предварительно записать в цифровом виде – закодировать. Кодирование аналогового сигнала осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП).  Чтобы воспроизвести запись, нужно выполнить обратное преобразование звука из цифрового в аналоговое с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). ЦАП и АЦП входят в состав звуковой карты компьютера и другого цифрового звукового оборудования. От качества ЦАП и АЦП во многом зависит как качество записи звука, так и воспроизведения.

 

 

ЦАПы и АЦП

 

Основные параметры цифрового звука это частота семплирования (Sample Rate) и битность (Bit Depth). От них напрямую зависит как качество оцифрованного звука, так и размер записанного файла.

 

Частота семплирования (дискретизации)

 

Аналоговая запись начинается нажатием кнопки «запись» и заканчивается нажатием кнопки «стоп». Цифровая же запись дискретна. Она состоит из множества фрагментов записи (семплов), которые следуют один за другим. Количество записанных семплов в секунду является частотой семплирования.  Она исчисляется в Герцах. Частота семплирования 44 100 Гц (стандарт для CD) говорит о том, что звуковой сигнал измерян 44 100 раз за секунду. Чем меньше частота семплирования, тем меньший частотный спектр записывается. Чем выше частота семплирования исходного материала, тем выше его качество и больше размер файла. Когда вы говорите по телефону, то слышите лишь небольшой диапазон средних частот. Это потому что частота семплирования телефонных переговоров всего 8 000 Гц. Чтобы передать диапазон частот, который слышит ухо среднестатистического человека и передаёт бытовая звуковая аппаратура – достаточно 40 000 Гц. Если разница в качестве звучания между частотой 32 и 44,1 кГц очевидна, то чем выше частота семплирования, тем разница в качестве между двумя разными частотами менее заметна или совсем не заметна на слух. Более высокая частота дискретизации более точно описывает звук, но вместе с тем описывает те частоты, которые человеческому уху уже не слышны, хотя изменения звука в неслышимом частотном диапазоне всё же могут влиять на слышимые частоты, поэтому студийная запись осуществляется при более высокой частоте дискретизации. Поскольку бытовая аппаратура в основном рассчитана на воспроизведение звука, частотой семплирования 44,1 кГц, то, когда запись готова, её перекодируют в общепринятый стандарт.

 

Запись с частотой семплирования 8 кГц

 

Если посмотреть на запись звука с невысокой частотой семплирования 8 кГц, вы заметите, что его волна имеет острые углы. Ведь чтобы сделать волну более плавной, понадобилась бы большая точность при её описании и большее количество семплов, как в следующем примере с частотой семплирования  44,1 кГц.

 

Запись с частотой семплирования 44.1 кГц

 

В телефонии частота семплирования звука – 8 кГц, в системах цифровой связи принята частота семплирования 32 кГц, в проигрывателях CD – 44,1 кГц., в телевещании – 48 кГц, в студийной записи – 96кГц и выше. При изготовлении звуковой рекламы нужно учитывать частоту семплирования принятую за стандарт там, где эта реклама будет выходить. Для радио это 44,1 кГц, для телевидения – 48 кГц, для телефонных автосекретарей – всего лишь 8 кГц.

Частота семплирования это исходный параметр, который устанавливается при записи. Если же изменить частоту семплирования уже записанного файла, качество исходного материала не улучшится при повышении частоты и ухудшится при её понижении. Это значит, что если вы вдруг понизите частоту семплирования, то качество звука ухудшится, а файл станет более лёгким. Но потом, позже, если вы снова увеличите частоту семплирования, то файл увеличится в размере, а вот качество – уже нет. Поэтому записывать и хранить записи стоит с наибольшей частотой семплирования. 

 

Битность (разрядность)

 

Вспомните видеоизображение плохого качества, в котором различимы лишь разноцветные квадраты.  Или мозаику, рисунок которой состоит из довольно крупных элементов. В таких изображениях довольно трудно увидеть мелкие или мельчайшие детали, такие, как волосок ресницы, или сеточка морщин, например. Принцип цифровой записи звука – такой же, как и у мозаики.  Битность – это разрешение семплов или количество битов памяти, которые выделяются для записи каждого семпла.  Чем выше разрешение -  тем детальнее и качественнее звучание. 

Если частота семплирования лимитирует частотный спектр, то битность лимитирует динамический диапазон сигнала. Небольшая битность записи оставит только громкие звуки (крупные детали мозайки), чем больше битность, тем более тихие звуки (нюансы, обертона – все мелкие детали мозаики) будут присутствовать на записи.

Большинство звуковых записей, от компакт дисков до mp3 файлов, и звуковых дорожек к видео имеют разрядность 16 битов памяти на один семпл. В студийной записи же чаще используются  24 или 32 бита. Поскольку бытовая аппаратура в основном НЕ рассчитана на воспроизведение 24 и 32-битного звука, то, когда запись готова, её перекодируют в «народные» 16 бит. 

Размер звукового файла зависит от частоты дискретизации и от разрядности звука. Так, при частоте дискретизации 44,1 кГц и разрядности звука 16 бит 1 минута звучания займёт 5,3 Мб, а при частоте дискретизации 11 кГц и разрядности 8 бит – всего лишь 660 кБ.

В настоящее время существует много алгоритмов сжатия, которые позволяют сократить объём звукового файла без снижения битности и частоты семплирования без потери качества (например, формат flac) или с минимальной потерей качества (например, mp3). 

 

Принципы сжатия

 

Алгоритмы сжатия без потерь качества – это, по сути, файловые архиваторы, настроенные на работу со звуковым потоком. При воспроизведении звук распаковывается из архива. Алгоритмы сжатия с потерями качества основаны, на отсечении некоторых несущественных элементов звука по принципу маскировки звука. Громкие звуки маскируют более тихие, поэтому более тихие звуки, звучащие вместе или рядом с громким, человеческое ухо не слышит, поэтому их можно убрать из записи. На слух разницу между форматами сжатия иногда затруднится определить даже аудиофил. Бытует мнение, что звук форматов, основанных на алгоритмах сжатия с потерей качества (mp3, ogg) – более плоский, тусклый, однообразный, а звук форматов, основанных на алгоритмах сжатия без потери качества (wav, flac, ape) более сочный и прозрачный. Но оба типа алгоритмов мирно сосуществуют. Одни, например – для радио, звучащего фоном через пластмассовые динамики компьютера, а другие – для прослушивания любимого музыкального альбома на качественной аппаратуре.

Алгоритмов сжатия аудиофайлов и аудиоформатов существует достаточно много, так как  для решения разных задач нужны звуковые файлы разного формата: для видео, для игр, для плееров, для компакт дисков, для музыки, для речи... Общее для всех форматов это: чем выше битрейт – тем выше качество звука и больше объём файла, чем ниже – тем качество звука ниже, а объём – меньше. 

 

Битрейт

 

Основной параметр, определяющий качество воспроизведения форматов сжатия – это битрейт (Bit rate).

Битрейт – это параметр, выражающий степень сжатия аудиопотока. Он измеряется в килобитах в секунду. Например, при битрейте 128 кБит/с тридцатисекундный аудиоролик ролик будет занимать 470 Кб. При битрейте ниже 128 кБит/с звучание будет откровенно плохим.  При битрейте 320 кБит/с не будут обрезаться высокие частоты – это битрейт, при котором потеря качества минимальна.

Переменный битрейт (vbr) – это когда значение битрейта в течении кодируемого фрагмента может меняться в зависимости от характера звучания. Усреднённый битрейт (cbr) это гибрид постоянного и переменного битрейта. Битрейт задаётся пользователем, но он немного варьируется в ходе кодирования в большую или меньшую сторону в зависимости от характера звучания.  

 

Пространственное звучание записи

 

В реальном мире мы слышим множество звуков, каждый из которых имеет свой собственный источник. Вы определяете далёкие звуки, как щебетание птиц и шум машин как некий однородный шум издалека, хотя каждая птица и машина – это отдельный источник звука. По звуку мы можем определить точное местонахождение всего того, что находится в непосредственной близости: хлопнувшая дверь сзади, поскрипывание стула под вами,  плач ребёнка слева за стеной. Для того, чтобы добиться реального звучания записанного звука, не важно цифровой это звук или аналоговый, необходимо так же дать ему пространство. И это достаточно быстро поняли производители звуковоспроизводящей аппаратуры. Ведь при одноканальном (моно) звучании пространство ограничено только понятиями близко (для более громких звуков) и далеко (для более тихих звуков). Поэтому было решено добавить один канал и получилось стерео.

С появлением стерео, мы получили более объёмную палитру звучания. Двух каналов достаточно, чтобы заставить звук исходить откуда угодно – слева, справа и даже спереди и сзади. Точнее говоря, с помощью использования приёмов стерео-панорамирования мы можем заставить слушателя поверить, что источник звука находится там, где его нет. Ведь реальных источника звука у стереосистемы всего два (по количеству пар динамиков). 

Стереозвук очень напоминает двухмерное видеоизображение. Экран плоский, но благодаря нашему воображению мы видим предметы в объёме. Совсем другое дело 3-D. Но вернёмся к звуку. Единственным способом сделать звучание более реальным, было увеличить количество реальных источников звука (то есть каналов). Так появились квадро звук, сферозвук, системы 5.1, 6.1 и так далее. Современная звуковоспроизводящая техника  сегодня способна погрузить вас в мир объёмного звука, неотличимого от реального. Но, не смотря на существование высокотехнологичной звуковой виртуальной реальности, до сих пор основное количество воспроизводящей аппаратуры и аудиозаписей в мире являются моно и стерео. И если завтра вы купите двадцатиканальную систему –  подумайте, сколько времени пройдёт, прежде чем выпустят диски с музыкой и фильмами, поддерживающий этот формат? 

И сегодня для многих  саундпродюсеров 5.1 – это целая проблема. А ведь вам, возможно, придётся размещать рекламные ролики в кинотеатрах, или на дивиди. И всё же на сегодняшний день основными форматами для звуковой рекламы являются моно (большинство телеканалов, а так же объявления в торговых центрах, общественном транспорте, на улице) и стерео (радио, интернет).

 

Моно

 

Стерео

 

5.1

 

При заказе или изготовлении аудиоролика нужно указывать формат, в котором его требуется предоставить для размещения. Формат указывается развёрнуто, следующим образом: расширение файла (wav, mp3 и т.д.) формат, (PCM, CCITT A-Law и т.д.) частота семплирования (Гц, кГц, Hz, kHz), битность или битрейт (bit, kbps),  пространственность (mono, stereo, 5.1 и т.д.)

Примеры возможных форматов:

для автоответчика: wav CCITT A-Law 8 kHz 8 bit mono

для радио: mp3 44.1 kHz 320 kbps stereo

для озвучивания видео: wav PCM 48 kHz 16 bit mono

 

Очень часто мы слышим такие определения, как «цифровой» или «дискретный» сигнал, в чем его отличие от «аналогового»?  Суть различия в том, что аналоговый сигнал непрерывный во времени (голубая линия), в то время как цифровой сигнал состоит из ограниченного набора координат (красные точки). Если все сводить к координатам, то любой отрезок аналогового сигнала состоит из бесконечного количества координат.

У цифрового сигнала координаты по горизонтальной оси расположены через равные промежутки времени, в соответствии с частотой дискретизации. В распространенном формате Audio-CD это 44100 точек в секунду. По вертикали точность высоты координаты соответствует разрядности цифрового сигнала, для 8 бит это 256 уровней, для 16 бит = 65536 и для 24 бит = 16777216 уровней. Чем выше разрядность (количество уровней), тем ближе координаты по вертикали к исходной волне.

Аналоговыми источниками являются: винил и аудиокассеты. Цифровыми источниками являются: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) и файлы в WAVE и DSD форматах (включая производные APE, Flac, Mp3, Ogg и т.п.).

Преимущества и недостатки аналогового сигнала

Преимуществом аналогового сигнала является то, что именно в аналоговом виде мы воспринимаем звук своими ушами. И хотя наша слуховая система переводит воспринимаемый звуковой поток в цифровой вид и передает в таком виде в мозг, наука и техника пока не дошла до возможности именно в таком виде подключать плееры и другие источники звука напрямик. Подобные исследования сейчас активно ведутся для людей с ограниченными возможностями, а мы наслаждаемся исключительно аналоговым звуком.

Недостатком аналогового сигнала являются возможности по хранению, передаче и тиражированию сигнала. При записи на магнитную ленту или винил, качество сигнала будет зависеть от свойств ленты или винила. Со временем лента размагничивается и качество записанного сигнала ухудшается. Каждое считывание постепенно разрушает носитель, а перезапись вносит дополнительные искажения, где дополнительные отклонения добавляет следующий носитель (лента или винил), устройства считывания, записи и передачи сигнала.

Делать копию аналогового сигнала, это все равно, что для копирования фотографии ее еще раз сфотографировать.

Преимущества и недостатки цифрового сигнала

К преимуществам цифрового сигнала относится точность при копировании и передачи звукового потока, где оригинал ничем не отличается от копии.

Основным недостатком можно считать то, что сигнал в цифровом виде является промежуточной стадией и точность конечного аналогового сигнала будет зависеть от того, насколько подробно и точно будет описана координатами звуковая волна. Вполне логично, что чем больше будет точек и чем точнее будут координаты, тем более точной будет волна. Но до сих пор нет единого мнения, какое количество координат и точность данных является достаточным для того, что бы сказать, что цифровое представление сигнала достаточно для точного восстановления аналогового сигнала, неотличимого от оригинала нашими ушами.

Если оперировать объемами данных, то вместимость обычной аналоговой аудиокассеты составляет всего около 700-1,1 Мб, в то время как обычный компакт диск вмещает 700 Мб. Это дает представление о необходимости носителей большой емкости. И это рождает отдельную войну компромиссов с разными требованиями по количеству описывающих точек и по точности координат.

На сегодняшний день считается вполне достаточным представление звуковой волны с частотой дискретизации 44,1 кГц и разрядности 16 бит. При частоте дискретизации 44,1 кГц можно восстановить сигнал с частотой до 22 кГц. Как показывают психоакустические исследования, дальнейшее повышение частоты дискретизации мало заметно, а вот повышение разрядности дает субъективное улучшение.

Как цап строят волну

ЦАП – это цифро-аналоговый преобразователь, элемент, переводящий цифровой звук в аналоговый. Мы рассмотрим поверхностно основные принципы. Если по комментариям будет виден интерес более подробно рассмотреть ряд моментов, то будет выпущен отдельный материал.

Мультибитные цап

Очень часто волну представляют в виде ступенек, что обусловлено архитектурой первого поколения мультибитных ЦАП R-2R, работающих аналогично переключателю из реле.

На вход ЦАП поступает значение очередной координаты по вертикали и в каждый свой такт он переключает уровень тока (напряжения) на соответствующий уровень до следующего изменения.

Хотя считается, что ухо человека слышит не выше 20 кГц, и по теории Найквиста можно восстановить сигнал до 22 кГц, остается вопрос качества этого сигнала после восстановления. В области высоких частот форма полученной «ступенчатой» волны обычно далека от оригинальной. Самый простой выход из ситуации – это увеличивать частоту дискретизации при записи, но это приводит к существенному и нежелательному росту объема файла.

Альтернативный вариант – искусственно увеличить частоту дискретизации при воспроизведении в ЦАП, добавляя промежуточные значения. Т.е. мы представляем путь непрерывной волны (серая пунктирная линия), плавно соединяющий исходные координаты (красные точки) и добавляем промежуточные точки на этой линии (темно фиолетовые).

При увеличении частоты дискретизации обычно необходимо повышать и разрядность, чтобы координаты были ближе к аппроксимированной волне.

Благодаря промежуточным координатам удается уменьшить «ступеньки» и построить волну ближе к оригиналу.

Когда вы видите функцию повышения частоты с 44.1 до 192 кГц в плеере или внешнем ЦАП, то это функция добавления промежуточных координат, а не восстановления или создание звука в области выше 20 кГц.

Изначально это были отдельные SRC микросхемы до ЦАП, которые потом перекочевали непосредственно в сами микросхемы ЦАП. Сегодня можно встретить решения, где к современным ЦАП добавляется такая микросхема, это сделано для того, чтобы обеспечить альтернативу встроенным алгоритмам в ЦАП и порой получить еще более лучший звук (как например это сделано в Hidizs AP100).

Основной отказ в индустрии от мультибитных ЦАП произошел из-за невозможности дальнейшего технологического развития качественных показателей при текущих технологиях производства и более высокой стоимости против «импульсных» ЦАП-ов с сопоставимыми характеристиками. Тем не менее, в Hi-End продуктах предпочтение отдают зачастую старым мультибитным ЦАП-ам, нежели новым решениям с технически более хорошими характеристиками.