Путеводитель по аудио форматам (часть 2)

DSD

DSD (англ. Direct Stream Digital) — однобитный аудиоформат, разработанный компаниями Sony и Philips, в котором используется кодирование плотностно-импульсной модуляцией (англ. Pulse Density Modulation (PDM), разновидность сигма-дельта-модуляции) и применяется для хранения
звукозаписей на оптическом носителе SACD. Изначально предполагался как архивный формат звукозаписывающей компании Sony Music для перевода музыкального архива в цифровой формат.
Одноразрядное квантование:
Аналоговый звуковой сигнал конвертируется в цифровой с помощью дельта-сигма модуляции при частоте дискретизации 2 822,4 кГц (в 64 раза больше, чем у CD Audio), но с разрешением всего 1 бит, в отличие от используемых в формате CD 16 бит при частоте 44,1 кГц. Такое преобразование, при котором отсчеты аналогового сигнала берутся с частотой, многократно превышающей верхнюю граничную частоту сигнала, называется семплирование с передискретизацией (англ. oversampling).
Избыточное семплирование имеет большое значение при устранении шумов квантования, вносимых квантователем. Поскольку сигнал передискретизирован, соседние отсчеты коррелируют друг с другом. В итоге так называемого «сетевого эффекта» мощность шума в частотном диапазоне, занимаемом полезным сигналом, уменьшается пропорционально повышению частоты дискретизации. Таким образом, отношение сигнал/шум увеличивается, когда частота дискретизации становится больше. Передискретизация позволяет избежать необходимости предварительного фильтрования и сохраняет гармоники в их первоначальном состоянии (хотя они могут оказаться задавленными шумом квантования, особенно на высоких частотах). Фазовая характеристика становится более схожей с высокочастотной характеристикой аналоговых систем.
Чтобы иметь меньший уровень шумов в пределах частотного диапазона полезного сигнала применяется технология формированием шума (англ. noise shaping), которая перемещает шумы за пределы слышимого диапазона. Затем одноразрядные импульсы записываются напрямую на носитель.
Положительное изменение амплитуды будет представлено всеми «1». Отрицательное — всеми «0». Нулевая точка будет представлена сменой двоичного числа. Поскольку значение амплитуды аналогового сигнала в каждый момент представлено в виде плотности импульсов, этот метод иногда называют плотностно-импульсной модуляцией Pulse Density Modulation (PDM).
Цифро-аналоговое преобразование состоит в простом отфильтровывании одноразрядного представления для удаления сверхзвуковых шумов.
Преимущества формата:
• превосходные частотные и фазовые характеристики;
• помехоустойчивость;
• более простая обработка и коммутация;
• снижение влияния ошибок;
• возможность усовершенствования без ущерба для совместимости носителей.
Однобитный формат DSD не нуждается в кадровой структуре и не требует многоразрядных шин, что дает несколько важных технических преимуществ: • cоединение осуществляется одной парой проводников (как в аналоговой технике);
• нет необходимости создания буфера для хранения многоразрядного слова. Поскольку система одноразрядная, нет также необходимости усложнять её синхронизацией;
• эффекты задержек отсчетов (джиттер) незначительны, поскольку задержка нескольких отсчетов при передискретизации оказывает на аудиосигнал минимальное влияние, так как даже при самой высокой частоте сигнала составляет малую часть периода в многоразрядных системах задержка на один отсчет будет равняться уже половине периода высокочастотных компонентов сигнала;
• блоки обработки и микросхемы имеют меньше соединений и могут использовать последовательный интерфейс.
DSD способен обеспечить динамический диапазон 120 дБ от 20 Гц до 20 кГц. Значительное повышение уровня шума происходит за границей слышимого диапазона свыше 20 кГц.[1]
Форматы:
Для возможности записи, редактирования, мастеринга и авторинга в формате DSD, минуя преобразования в ИКМ, в 2000 году был разработан файловый формат DSDIFF (англ. Direct Stream Digital Interchange File Format)
Для снижения занимаемого дискового пространства и для уменьшения полосы передачи необходимых для DSD применяется сжатие звука без потерь DST (англ. Direct Stream Transfer ). В 2005 году DST стандартизован как MPEG-4 Аудио стандарт (ISO/IEC 14496-3:2001/Amd 6:2005 — Кодирование без потерь звука с передискретизацией)[3]. В 2007 году была опубликована эталонная реализация MPEG-4 DST как ISO/IEC 14496-5:2001/Amd.10:2007.
Некоторые профессиональные звукозаписывающие системы могут производить запись непосредственно в DSD. Для высококачественной записи выпускаются модели со 128-кратной передискретизацией, так что частота дискретизации получается равной 5,6 МГц, как например Korg MR-1000.
Из-за невозможности обработки сигнала формата DSD без преобразования в другой формат в 2004 году компанией Digital Audio Denmark был разработан ИКМ-формат для записи и обработки звука DXD с разрядностью квантования 24 или 32 бита и частотой дискретизации 352.8 кГц.[5]
Распространение:
Используется в носителях SACD
С 2010 года в Интернете стали распространяться аудиофайлы DSD, имеющие расширение DSDIFF или DSF. С помощью специального ПО и ЦАПа они могут воспроизводиться на компьютере, либо могут быть преобразованы в ИКМ-файлы для последующего прослушивания.
DSD-диск — оптический диск (DVD-R, DVD+R, DVD-RW или DVD+RW), содержащий файлы DSD с расширением DSF, который может проигрываться на компьютере или другом оборудовании, поддерживающим воспроизведение этих файлов. Содержит аудиофайлы высокого разрешения с частотой дискретизации 2822,4 кГц. Качество аудиозаписи на DSD-диске такое же, как на SACD, с тем отличием, что на первом не может быть записан многоканальный сигнал. Фирмой Sony разработана спецификация под названием DSD Disc Format, которой пользуются некоторые звукозаписывающие фирмы для выпуска DSD-дисков. Этот формат является открытым, и при наличии специального ПО такой диск может быть подготовлен в бытовых условиях и содержать файлы DSD, полученные, например, через Интернет.

DXD

DXD (англ. Digital eXtreme Definition  — цифровое предельное разрешение) — многоразрядный формат сверхвысокого разрешения цифрового кодирования звуковых данных, применяемый в профессиональной звукозаписи. DXD — это ИКМ-сигнал с разрядностью квантования 24 или 32 бита и частотой дискретизации 352.8 кГц. Поток данных 8.4672 или 11.2896 Мбит/с на канал. Был разработан в 2004 году фирмой Digital Audio Denmark для записи и обработки звука взамен формата DSD, не поддающегося обработке без преобразования в иной звуковой формат. Изначально применялся в звукозаписывающих станций Pyramix от компании Merging Technologies, использовавшихся при производстве SACD (Super Audio CD).

DVD-Audio

DVD-Audio – стандарт хранения аудио информации на DVD дисках. Принцип кодирования исходного аналогового сигнала схож с обычными CD аудио дисками, однако за счёт увеличения частоты дискретизации и разрядности цифровых данных оцифрованный звук существенно ближе к оригиналу. Для увеличения времени записи также происходит сжатие информации без потерь качества. Время записи на DVD-A дисках обычно составляет 74 минуты, количество каналов - от 2 до 6. Для совместимости с проигрывателями обычных DVD (видео) дисков, иногда может присутствовать аудиосигнал объёмного звука в форматах Dolby Digital и DTS.
Технические сведения о DVD audio:
Аудио сигнал записывается в формате PCM (ИКМ - импульсно-кодовая модуляция). Частота дискретизации может быть от 44 до 96 кГц (для стерео - до 192 кГц), разрядность данных от 16 до 24 бит. Воспроизводимый частотный диапазон - от 5 до 48000 Гц (до 96000 Гц для стереосигнала), динамический диапазон - до 144 dB. Объём данных - 4.7 Гб для однослойного диска. Использованием алгоритм сжатия звука без потерь MLP(5) (Meridian Lossless Packing), обеспечивающий примерно двукратное сжатие аудио данных.
Преимущества стандарта DVD-audio:
• Высокое качество звука, большой динамический диапазон.
• Запись многоканального звука.
• Возможность воспроизведения на компьютере.
• Распространённый на студиях звукозаписи формат кодирования PCM.

Blu-ray Disc

Blu-ray Disc, BD (blue ray — синий луч и disc — диск; написание blu вместо blue — намеренное) — формат оптического носителя, используемый для записи с повышенной плотностью и хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости. Стандарт Blu-ray был совместно разработан консорциумом BDA. Первый прототип нового носителя был представлен в октябре 2000 года. Современный вариант представлен на международной выставке потребительской электроники Consumer Electronics Show (CES), которая прошла в январе 2006 года. Коммерческий запуск формата Blu-ray прошёл весной 2006 года.
Blu-ray (букв. «синий луч») получил своё название от использования для записи и чтения коротковолнового (405 нм) «синего» (технически сине-фиолетового) лазера. Буква «e» была намеренно исключена из слова «blue», чтобы получить возможность зарегистрировать товарный знак, так как выражение «blue ray» является часто используемым и не может быть зарегистрировано как товарный знак.
С момента появления формата в 2006 году и до начала 2008 года у Blu-ray существовал серьёзный конкурент — альтернативный формат HD DVD. В течение двух лет многие крупнейшие киностудии, которые изначально поддерживали HD DVD, постепенно перешли на Blu-ray. Warner Brothers, последняя компания, выпускавшая свою продукцию в обоих форматах, отказалась от использования HD DVD в январе 2008 года. 19 февраля того же года Toshiba, создатель формата, прекратила разработки в области HD DVD. Это событие положило конец так называемой второй «войне форматов».
Вариации и размеры:
Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 23,3 ГиБ (25 ГБ), двухслойный диск может вместить 46,6 ГиБ (50 ГБ), трёхслойный диск может вместить 100 ГБ, четырёхслойный диск может вместить 128 ГБ. Ещё в конце 2008 года японская компания Pioneer демонстрировала 16-ти и 20-слойные диски на 400 и 500 ГБ, способные работать с тем же самым 405-нм лазером, что и обычные BD-плееры. Компания Pioneer Electronics уже представила привод BDR-206MBK поддерживающий трёхслойный диск 100 ГБ и четырёхслойный диск 128 ГБ. Диски имеют следующую индексацию BD-R XL[2].
5 октября 2009 года японская корпорация TDK сообщила о создании записываемого Blu-ray диска ёмкостью 320 гигабайт. Новый десятислойный носитель полностью совместим с существующими приводами, сообщает сайт TechOn. [3]
На данный момент доступны диски BD-R (одноразовая запись), BD-RE (многоразовая запись), BD-RE DL (многоразовая запись) вместимостью до 46,6 ГиБ (50 ГБ), в разработке находится формат BD-ROM. BD-R диски также могут быть LTH типа. В дополнение к стандартным дискам размером 120 мм, выпущены варианты дисков размером 80 мм для использования в цифровых фото- и видеокамерах вместимостью 14,5 ГиБ (15,6 ГБ).
Лазер и оптика:
В технологии Blu-ray для чтения и записи используется сине-фиолетовый лазер с длиной волны 405 нм. Обычные DVD и CD используют красный и инфракрасный лазеры с длиной волны 650 нм и 780 нм соответственно (635 нм для DVD-R for Authoring).
Такое уменьшение позволило сузить дорожку вдвое по сравнению с обычным DVD-диском (до 0,32 мкм) и увеличить плотность записи данных.
Более короткая длина волны сине-фиолетового лазера позволяет хранить больше информации на 12-сантиметровых дисках того же размера, что и у CD/DVD. Эффективный «размер пятна», на котором лазер может сфокусироваться, ограничен дифракцией и зависит от длины волны света и числовой апертуры линзы, используемой для его фокусировки. Уменьшение длины волны, использование числовой апертуры (0,85, в сравнении с 0,6 для DVD), высококачественной двухлинзовой системы, а также уменьшение толщины защитного слоя в шесть раз (0,1 мм вместо 0,6 мм) предоставило возможность проведения более качественного и корректного течения операций чтения/записи. Это позволило записывать информацию в меньшие точки на диске, а значит, хранить больше информации в физической области диска, а также увеличить скорость считывания до 432 Мбит/с.
Технология твёрдого покрытия:
Из-за того, что на дисках Blu-Ray данные расположены слишком близко к поверхности, первые версии дисков были крайне чувствительны к царапинам и прочим внешним механическим воздействиям, из-за чего они были заключены в пластиковые картриджи. Этот недостаток вызывал большие сомнения относительно того, сможет ли формат Blu-ray противостоять HD DVD — стандарту, который в то время рассматривался как основной конкурент Blu-ray. HD DVD, помимо своей более низкой стоимости, мог нормально работать без картриджей, так же как и форматы CD и DVD, что делало его более удобным для покупателей, а также более интересным для производителей и дистрибьюторов, которым было невыгодно нести дополнительные траты на изготовление картриджей.
Решение этой проблемы появилось в январе 2004 года с появлением нового полимерного покрытия, которое дало дискам более качественную защиту от царапин и пыли. Это покрытие, разработанное корпорацией TDK, получило название «Durabis». Оно позволяет очищать BD при помощи бумажных салфеток, которые могут нанести повреждения CD и DVD. Формат HD DVD имеет те же недостатки, так как эти диски производятся на основе старых оптических носителей.
Кодеки:
Кодек используется для преобразования видео и аудио-потока и определяет размер, который видео будет занимать на диске. Почти во всех видеодисках, которые появятся в начале, будет использоваться кодек MPEG-2.
На данный момент в спецификацию формата BD-ROM включена поддержка трёх кодеков: MPEG-2, который также является стандартным для DVD; MPEG-4 H.264/AVC кодек и VC-1 — новый быстро развивающийся кодек, созданный на основе Microsoft Windows Media 9. При использовании первого кодека на один слой возможно записать около двух часов видео высокой чёткости, другие два более современных кодека позволяют записывать до четырёх часов видео на один слой.
Для звука BD-ROM поддерживает линейный (несжатый) PCM, Dolby Digital, Dolby Digital Plus, DTS, Dolby TrueHD, DTS-HD Master Audio и Dolby Lossless (формат сжатия данных без потерь, также известный как Meridian Lossless Packing (MLP).
Совместимость:
Хотя Ассоциация Blu-ray дисков и не обязывает производителей проигрывателей, она настоятельно рекомендует им давать возможность Blu-ray-устройствам проигрывать диски формата DVD для обеспечения обратной совместимости.
Более того, компания JVC разработала трёхслойную технологию, которая позволяет наносить на один диск как физическую область для DVD, так и для BD, получая, таким образом, комбинированный BD/DVD диск. Прототипы дисков были показаны на международной выставке потребительской электроники CES, прошедшей в январе 2006 года. На данный момент у покупателей появилась возможность купить диск, который можно будет проигрывать как в DVD-проигрывателях, так и в BD-проигрывателях, получая картинку разного качества.
Коды регионов Blu-Ray:
Видеофильмы формата Blu-ray имеют отличные от DVD коды регионов. Существуют 3 региона.
1 или A : Америка, Восточная и Юго-Восточная Азия (исключая Китай), Океания
2 или B: Европа (кроме стран СНГ), Гренландия, Африка, Ближний Восток (вплоть до Турции и Ирана), Австралия, Новая Зеландия
3 или С: Центральная и Южная Азия, Монголия, Страны СНГ, Китай
Системы защиты авторских прав:
В формате Blu-ray применён экспериментальный элемент защиты под названием BD+, который позволяет динамически изменять схему шифрования. Стоит схеме шифрования быть взломанной, как производители могут обновить её, и все последующие копии будут защищены уже новой схемой. Таким образом, единичный взлом шифра не позволит скомпрометировать всю спецификацию на весь период её жизни. Также будет использована технология Mandatory Managed Copy, которая позволяет пользователям делать легальные копии видеоинформации в защищённом формате, эту технологию разработала компания Hewlett-Packard и потребовала её включения в формат. Именно отсутствие возможности динамически менять схему шифрования позволило создать программу DeCSS, которая стала настоящим проклятием киноиндустрии: как только Content Scramble System (CSS) был взломан, все последующие DVD взламывались уже без лишних проблем.
Следующий уровень защиты, которым обладают диски — это технология цифровых водяных знаков «ROM-Mark». Она будет жёстко «прошита» в ПЗУ приводов при производстве, что не позволит проигрывателю воспроизводить содержимое без специальной скрытой метки, которую, по утверждению Ассоциации, будет невозможно подделать. Так путём жёсткого регулирования и лицензирования заводов будут отбираться производители дисков, которым будет поставлено специальное оборудование.
В дополнение к этому, все Blu-ray проигрыватели смогут выдавать полноценный видеосигнал только через защищённый шифрованием интерфейс или незащищённый аналоговый интерфейс.
Защита Blu-ray была взломана 20 января 2007 года[5]. В ответ на это Ассоциация BDA ускорила время выпуска BD-Plus (Blu-Disc +), который был взломан в сентябре 2008 года.

BD-Live

BD-Live (Blu-ray Disc — Live) — технология Sony, используемая в Blu-ray дисках для реализации интерактивных функций.
Функция BD-Live предоставляет доступ к миру интерактивных развлечений: интернет-играм, конкурсам и другим интернет сервисам. После активации BD-Live также появляется возможность загрузки дополнительных материалов о фильме, которых нет на диске, например, эксклюзивные видеоролики или интервью с актёрами и режиссёром. Для доступа к этим материалам необходимо посетить специальную страничку, посвящённую фильму, и скачать нужную информацию.