В этой статье мы расскажем о пути, который прошел цифровой звук. Как создавались компакт-диски, как они устроены и как ушли в прошлое, уступив пьедестал стримингу.
Чем цифровой звук отличается от аналогового?
Напомним, что звук – это волна, распространяющаяся в пространстве. Его можно представить как рябь на поверхности озера, в которое бросили камень. Наш мозг чувствует, насколько далеко происходит колебание воздуха и с какой частотой. Выглядит это вот так:
Во время записи звука эти волны улавливают микрофоны и переводят в слабый электрический ток. В случае с аналоговым звуком эти электрические колебания записывались на те же пластинки или магнитную ленту. Это и есть аналоговый звук.
В случае цифрового звука электрический сигнал от микрофона, попадая на звуковую карту компьютера, преобразуется в числа. Софт считывает уровень напряжения тока через определенные моменты времени и сохраняет эти данные.
Представьте, что это звуковая волна, а в этих точках компьютер фиксирует конкретное значение. Чем чаще это происходит, чем больше будет таких точек, тем качественнее будет финальная запись. Этот процесс называется дискретизацией.
Например, стандарт CD качества требует 44 и 100 считываний сигналов в секунду, или говоря техническим языком, 44.100 Гц. Это ничто иное, как частота дискретизации.
Т.е. за секунду вдоль этой волны появится 44.100 точек. Для YouTube звук и вовсе записывают и выводят в формате 48.000 Гц.
Кроме того, в мире цифрового звука важно количество информации, полученной в каждой точке на этом графике. Это так называемая “битность”, или разрядность.
1 бит – это минимальная ячейка для хранения информации.
Для передачи качественного звука этого недостаточно, нужно больше. На сегодняшний день стандартом для прослушивания и записи без обработки является 16 бит. Бывает больше, если требуется качественная обработка звука, но тогда сам звуковой файл будет весить намного больше.
Есть еще такое понятие, как “битрейт“. Он показывает, Сколько информации ушло на кодирование 1 секунды звука. Битрейт зависит от предыдущих двух параметров и вычисляется по следующей формуле:
Битрейт = дискретизация * разрядность * число каналов.
Например, битрейт обычного CD составит 1.411,2 кбит/сек.
Битрейт сжатого аудио намного меньше, но к этому вернемся чуть позже.
Первый компакт-диск
У нас есть цифровой аудиофайл, теперь для него нужен подходящий носитель. Он был представлен в марте 1979 года. Тогда компания Philips показала первый прототип компакт-диска. Но довести технологию до ума и сделать ее стандартом для всего рынка на долгие годы помогла компания Sony.
Первым альбомом, который был записан на CD, стал релиз группы ABBA “The Visitors”. Правда на прилавке музыкальных магазинов он по каким-то причинам не попал. А вот первым официально продававшимся альбомом на новом носителе стал релиз Billy Joel “52 Street”. Случилась это в 1982 году.
Исполнитель и альбом был выбран не случайно, ведь в 1979 году, когда был показан первый прототип компакт диска, эта пластинка Джоела получила Грэмми.
Первые CD диски
Самые первые CD-диски были объемом 650 Мб. На них умещалось 74 минуты музыки. А начиная с 2000 года, в продаже появились диски объемом уже в 700 Мб, вмещающие 80 минут звука.
Увеличить объем удалось благодаря снижению расстояния между дорожками с нанесенной на носитель информацией. И тут мы подходим к очень важной теме. Давайте разберемся, как устроена запись и считывание информации с компакт-дисков.
Устройство CD-R и CD-RW
Сам диск состоит из нескольких слоев. Поликарбонатная (пластмассовая) подложка – на ней размещается слой металла, чаще всего это алюминий. Ну а металлический слой защищается при помощи лака, на которой наносится графика, текст или изображение.
Готов поспорить, многие думали, что информацию содержит как раз металлический слой диска, его зеркальная часть, но это не так.
На самом деле данные нанесены на прозрачный пластиковый слой носителя. Принцип нанесения данных на CD схож с записью на виниловую пластинку. Дорожка с данными тоже идет по спирали.
Информация на дорожке представлена в виде углублений и выступов в прозрачном слое носителя. Выглядит это так: в так называемых питах и лэндах как раз и зашифрована информация.
Но теперь ее нужно как-то считать – в нашем случае при помощи лазера в приводе. Но тут все не так просто. Так как поликарбонат прозрачен, он по сути не видим для лазера. Именно поэтому один из слоев диска состоит из металла – все для отражения.
Луч лазера, попадая на пит (это то самое углубление) отражается от алюминиевого слоя диска и попадает на специальный фотодиод, который фиксирует сигнал. Если же луч лазера попадает на лэнд (возвышение), то свет рассеивается, и фотодиод не попадает. Появление и отсутствие сигнала переводится в самые нули и единицы – двоичный код.
Все вышесказанное относится к заводским компакт-дискам, которые штамм штампуются с помощью стеклянной матрицы, на которую уже нанесены дорожки с питами и лэндами. То есть вся информация наносится на каждый диск за секунду, а вот с болванками все иначе.
Запись CD-R/RW (прожиг диска)
Тут мы переходим к так называемому “прожигу“. В случае CD-R на прозрачной пластик носителя нанесены пустые дорожки без питов и лэндов. При этом между отражающим слоем и пластиковой основой расположен так называемый “регистрирующий слой” из органического материала.
Он темнеет при нагревании, а в процессе записи лазерный луч, проходя по дорожкам, оставляет на регистрирующем слое точки, которые темнеют и перестают пропускать свет фотодиоду. Участки, не подвергшиеся прожигу, свет пропускают. В этом случае датчик тоже фиксирует присутствие и отсутствие сигнала. Тем самым после прожига на болванке появляются аналоги питов и лэндов.
Но меломанам обычных болванок было мало. Хотелось получить возможность перезаписывать болванку, как когда-то перезаписывали аудиокассеты. И вот спустя какое-то время мир увидел их – перезаписываемые диски CD-RW.
Уже в этих носителях в качестве регистрирующего слоя используется специальный сплав, способный менять структуру под воздействием лазера. При прожиге нагреваемый участок сплава переходит из кристаллического состояния в аморфной.
Это значит, что частицы сплава на этом участке теряют строгий порядок расположения. Для простоты восприятия вот вам изображение с двумя состояниями вещества.
Аморфные точки на диске плохо отражают свет, а кристаллические хорошо. И вот у нас на диске снова есть участки, пропускающие и не пропускающие свет к фотодиоду.
Система воспринимает их как питы и лэнды. Повторный нагрев аморфных участков регистрирующего слоя CD-RW до определенной температуры восстанавливает их исходное кристаллическое состояние. Все участки диска снова хорошо отражают свет. Тем самым лазер стирает с диска записанную информацию, и можно прожигать диск снова.
Казалось бы, обычная болванка за условные 50 рублей, а ведь как сложно она устроена.
Первый CD-проигрыватель
Первым в мире CD проигрывателем стал Sony CDP-101. Он поступил в продажу 1 октября 1982 года в Японии по цене 730 долларов.
Несмотря на высокую стоимость, плеер стал чрезвычайно популярным, ведь у компакт-диска было много преимуществ, в сравнении с аудиокассетами. Это высокое качество звука, долговечность – сам по себе диск вряд ли выйдет из строя, если его не подвергать физическому воздействию, проще говоря, не царапать. Пленка в кассетах изнашивалась гораздо активнее, а еще ее часто зажевывало, и она просто рвалась.
Компакт-диски в отличие от кассет, копируются в домашних условиях без какой-либо потери качества, чем крайне активно пользовались пираты для всего вообще.
В 1984 году компания Sony выпускает первый портативный проигрыватель дисков Sony Sony Discman D50 на радость модникам того времени.
Музыка стала гораздо доступнее, диски стали постепенно вытеснять аудиокассеты, а CD проигрыватели стремительно дешевели. Со временем на этот формат перешли и автопроизводители.
MiniDisc: самый странный формат
А помните, был такой мини-диск. Популярным носитель он так и не стал. Младший брат компакт-диска появился в 1992 году. Считывание данных также велось с помощью лазера, но при этом запись на мини-диск возможна лишь при наличии магнита.
На рабочую поверхность носителя нанесен слой специального сплава, который может менять свою намагниченность под воздействием высоких температур. При записи информации лазерный луч нагревает микроскопические области диска, в этот момент кристаллы сплава начинают перемещаться под воздействием пишущей магнитной головки. После выхода из зоны действия лазера нагретая область диска остывает, а те самые кристаллы фиксируют полученное магнитное поле.
Таким образом на диске сохраняется информация в виде намагниченности определенной полярности: Север N или юг S. Эти полярности соответствуют нулю и единице.
Но как считать данные, зашифрованные с помощью магнита? Питов и лэндов, как у обычных CD, тут нет. Как ни странно, в чтении данных с магнита оптического диска – магнит не участвует. В этом случае используется только лазер, при этом на малой мощности, чтобы снова не нагреть диск и тем самым данные не повредить.
Итак, лазер проходит через магнитный слой диска, а специальный датчик анализирует отраженный луч. В зависимости от полярности конкретного участка носителя меняется поляризация луча – это явление называется “Эффектом Керра“.
Если очень грубо: луч лазера по-разному отражается от участков диска с разными полярностями. У пачка света будет два разных состояния: когда он отражается от точки на диске с полярностью Север и когда он отражается от точки с полярностью Юг. Специальный датчик считывает эти изменения и переводит их в те самые нули и единицы.
Главное преимущество мини-диска перед традиционным CD была улучшенная защищенность. Ведь сам диск всегда находится в корпусе со сдвижной шторкой, почти как у дискеты.
Другой плюс – это возможность многократной перезаписи.
Но ведь тоже было у CD-RW? Нет, в то время CD-RW еще не было. Перезаписываемый компакт-диск появился лишь через 5 лет после выхода мини-диска.
Пока пользователи спорили, что же лучше: компакт-диск или мини-диск, наступил 21 век. Это век интернета, файлообменников и плееров с флеш-накопителями. Мода на мини-диски быстро прошла. На излете популярности их стали использовать разве что на радиостанциях и в музыкальных студиях.
Да и популярность компакт-дисков тоже пошла на спад. Виной всему Audio кодеки, позволяющие сжимать цифровой звук.
Формат MP3
При всех своих плюсах компакт-диски и мини-диски имеют фундаментальные недостатки. Как ни крути, носители все равно довольно габаритные, портативные CD и md-плееры не помещались, например в карман штанов. Их чаще носили на ремне, как кобуру.
Также на диск умещалось в среднем лишь около 80 минут музыки. Один трек в максимальном качестве занимал бы на жестком диске по 30-50 МБ. Сейчас это кажется ерундой, но в то время емкость даже жестких дисков редко превышала 80 МБ.
И тут на помощь пришли алгоритмы сжатия цифрового звука. Еще в 1995 году в институте Фраунгофера был разработан революционный на тот момент формат сжатия аудиоданных mpeg1 audiolayer 3, который получил сокращенное название MP3.
Алгоритмы позволяли существенно уменьшить размер аудиофайлов в 5 и даже 10 раз, при этом качество воспроизведения звука в формате mp3 с битрейтом 320 кбит/сек не сильно отличается от оригинальной дорожки с аудио CD.
Но как работает сжатие? В процессе кодирования файла в формат MP3 из исходного файла удаляются определенные части звукового потока, которые человеческий слух различает слабо. Звуковая волна раскладывается на спектры разной частоты. В основном убирается весь спектр звука выше 16.000 Герц.
Информация, оставшаяся в результате такой фильтрации, записывается, а затем воспроизводится в урезанном виде. Среднестатистический слушатель не заметит никакой разницы в качестве звука аудио CD и файла MP3 с высоким битрейтом. Зато он оценит количество свободного пространства на диске или флешке.
Благодаря компактности файлов формат MP3 стал незаменимым атрибутом эпохи цифровых технологий. Без него сегодня невозможна передача и хранение большой части музыкального контента в интернете. Формат различают все операционные системы, а также поддерживают все без исключения портативные и стационарные аудиоустройства.
Сжатие без потери качества
Со временем появились другие форматы сжатия музыки по аналогии с MP3. Например, AAC от компании Apple. Этот формат считается более продвинутым, но исходный аудиофайл все же теряет часть информации.
В то же время качественная аудиоаппаратура становилась все доступнее, а слушатель становился более избирательным. Нужен был формат, который позволит сократить вес исходного аудиофайла, но при этом качество звука не пострадает.
В первую очередь, всем известный кодек FLAC. Он считается лучшим форматом для скачивания и хранения альбомов hi-res Audio.
Ну и конечно нельзя не отметить ALAC (Apple lossless). Это альтернатива FLAC от корпорации Apple. Оба формата одновременно дают и качество, близкое к оригиналу, и не запредельный размер файлов.
А каким образом можно сжать аудиофайл вообще без потери качества? Я напомню, в случае с форматом MP3 и его аналогами сжатие звука работает по принципу упрощения сигнала. Некоторые данные, считающиеся менее значимыми, просто удаляются.
А вот в случае с FLAC и ALAC все работает иначе. Алгоритмы сжатия не вносят изменений в звуковой поток, из него не вырезается ничего. В этом случае файлы сжимаются по аналогии с архивом rar или zip. В цифровой записи просто находятся закономерности, которые записываются в упрощенном виде.
Например, последовательность из 100 единиц в двоичной системе занимает 100 бит. Но если записать ее в виде 100х1, то размер уменьшится до 5 бит. А зная формулу, по которой исходный код упрощался, его можно легко восстановить, и даже в реальном времени.
При воспроизведении файла софт на компьютере или смартфоне, грубо говоря, “распаковывает” заархивированной музыкальный файл на лету. Так мы получаем звук без потери качества. При этом файл весит меньше, чем оригинальная дорожка с Audio CD.
Смерть физических компакт-дисков
Появление форматов сжатия привело к постепенному снижению продаж классических аудиодисков. На CD болванки чаще всего стали записывать именно MP3 файлы, выбирая между качеством звучания, которое в реальной жизни ощущал только небольшой процент потребителей, и максимально возможным количеством песен на одном диске, слушатель очевидно выбирал последнее.
Еще 10 лет назад на каждом рынке в любом городе в добавок к фильмам можно было найти тысячи пиратских сборников музыки. Уверен, вы их видели.
Но ничто не вечно под Луной, в том числе торговые точки с пиратскими сборниками. В какой-то момент на музыкальный рынок ворвалась компания Apple. Купертиновцы предложили слушателям легальные цифровые копии песен в своем магазине iTunes Store.
А в продаже появились плееры с жесткими дисками и флеш-накопителями от целого ряда производителей техники.
А в 2006 была основана компания Spotify, и началась эра стриминга. Идею подхватили и другие компании. С каждым годом доля компакт-дисков на музыкальном рынке снижалась.
Да, сейчас еще можно найти тот или иной альбом на физическом носителе, да и пираты на рынках еще встречаются. Но на фоне стриминга доля дисков ничтожна.
Итоги
Итоги подводить еще рано – эволюция звука продолжится. Понятно, что править балом будет именно стриминг, но со временем появится новые сервисы и вероятно новые форматы аудио.
Еще какое-то время назад мы не могли даже представить, что сможем транслировать музыку без потери качества. Компании продолжат развивать сам подход к воспроизведению звука.
Взять то же пространственное аудио в Apple Music. В этом смысле технологиям еще есть, куда расти. Индустрия не может стоять на месте – это бизнес. А не развиваясь, он умрет. С каждым годом качественный звук будет становиться все доступнее.
В смысле, что купить недорогую, но хорошую музыкальную аппаратуру будет все проще. Алгоритмами и эквализированием будут улучшать звучание на не самом дорогом и качественном оборудовании. Этот процесс не остановить, и это прекрасно.
