Читайте также:
|
Форматы и стандарты цифровой записи звука
Цифровое представление звука
Основные понятия
Фундаментом цифровой звукозаписи является преобразование непрерывного аналогового сигнала в последовательность чисел, называемых отсчетами и отображающих его амплитуду, измеряемую через равные промежутки времени. Такая процедура называется аналого-цифровым преобразованием, а устройство для ее реализации - аналого-цифровым преобразователем (АЦП).
Числа, полученные в результате аналого-цифрового преобразования, выражаются в двоичной системе исчисления, т.е. в виде комбинаций всего двух цифр - "нулей" (0) и "единиц" (1).
Процесс преобразования непрерывного аналогового сигнала в последовательность его мгновенных значений (выборок) называется дискретизацией (рисунок 2.48, б).
Определение численного значения величины выборки (отсчета) называется квантованием. Для этого весь диапазон возможных изменений амплитуды преобразуемого сигнала делится на множество уровней квантования, количество которых определяется разрядностью используемого при этом двоичного числа. Чем больше число разрядов квантования, тем меньше расстояние между уровнями квантования (шаг квантования) и тем выше получается точность преобразования.
В процессе квантования за величину выборки (отсчет) принимается номер ближайшего уровня квантования (рисунок 2.48, в).
В большинстве ныне существующих цифровых звуковых форматов используется 16-разрядное квантование. Это позволяет получить точность преобразования 1/216 = 1/65536.
С числом разрядов квантования N физически связан динамический диапазон D звукового сигнала:
D=6N+1,8=6х 16+1,8=98 дБ
Следовательно, для цифровых систем звукозаписи с 16-разрядным квантованием:
D»6х16+2= 98 дБ
Скорость следования отсчетов в секунду называется частотой дискретизации, а расстояние между двумя соседними отсчетами - периодом дискретизации.
Выбор частоты дискретизации в общем случае определяется известной теоремой Котельникова (теоремой отсчетов).
При этом минимально возможная частота дискретизации Fд = 2fm называется частотой Найквиста Fн.
Fн=2fm
На практике частота дискретизации Fд = (2,1 - 2,4)fm.
В зарубежной литературе в аналогичных случаях ссылаются на теорему Шеннона, которая, по сути, имеет тот же смысл, что и теорема Котельникова.
Дальнейшие рассуждения будут более понятными, если взглянуть на полную схему тракта аналого-цифрового преобразования, показанную на рисунке 2.49.
Чаще всего требуемая полоса звуковых частот ограничивается 20-22 кГц, а частота дискретизации при этом выбирается равной 44,1 или 48 кГц.
Рисунок 2.49 Схема структурная. Блок АЦП
 |
Это связано с тем, что между наивысшей частотой звукового диапазона fm и половиной частоты дискретизации Fд/2 должен быть некоторый интервал, в который нужно поместить срез амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтра низких частот (ФНЧ), расположенного на входе блока аналого-цифрового преобразования. Этот ФНЧ, который называется анти-элайсинг фильтром, нужен для того, чтобы ни одна составляющая спектра выше Fд/2 не попала на преобразователь. Дело в том, что спектр дискретизованного сигнала обладает периодической структурой. Кроме низкочастотной части, отображающей сам звуковой сигнал, он имеет еще и высокочастотные компоненты в виде боковых полос с центрами в точках, кратных частоте дискретизации (рисунок 2.50). Если спектр звукового сигнала перед преобразованием не ограничить, то его высокочастотная часть может наложиться на смежную боковую полосу. При этом в преобразованном сигнале возникнут неустранимые искажения субдискретизации в виде паразитных высокочастотных составляющих (рисунок 2.50, б). Звучание фонограммы будет безнадежно испорчено.
 |
Очевидно также, что влияние шума сильно зависит от уровня преобразуемого аналогового сигнала. Если его амплитуда мала, то возникают характерные искажения, обусловленные появлением высших гармоник из-за зубчатой формы шума квантования. Причем, на слух это воспринимается именно как искажения, а не как шум.
Ослабить влияние таких искажений можно - как ни парадоксально это звучит - с помощью добавления другого шума. Если подмешать во входной сигнал так называемый "белый" шум (шум, амплитуда которого практически постоянна в широком диапазоне частот), то корреляция (связь) между шумами квантования и амплитудой сигнала нарушается. При этом воспроизведенный сигнал уже не будет выглядеть искаженным Добавление такого шумоподобного маскирующего сигнала (дифера) является весьма важной частью процесса преобразования.
 |
До сих пор речь шла о таком виде аналого-цифрового преобразования, когда расстояние между уровнями квантования одинаково во всем диапазоне изменения амплитуды преобразуемого сигнала.
Этот вид квантования называется линейным или квантованием с постоянным шагом (рисунок 2.48). Однако иногда для преобразования используют нелинейное квантование или квантование с переменным шагом. В этом случае шаг квантования увеличивается с увеличением уровня преобразуемого сигнала. Для слабых сигналов шаг квантования маленький, для сильных сигналов - большой. При прочих равных условиях такой вид квантования позволяет лучше передавать слабые сигналы, поскольку отношение сигнал/шум в этом случае будет выше, чем в случае линейного квантования.
Кроме того, нелинейное квантование позволяет значительно повысить плотность записи (или скорость передачи информации), так как малым числом разрядов можно передавать большой динамический диапазон сигнала.
На рисунке 2.52 б характеристика квантования имеет вид логарифмической кривой, что оптимальным образом отвечает условиям задачи. Но на практике реализовать такую характеристику затруднительно. Поэтому ее аппроксимируют ломаной линией, состоящей из отрезков, разбивающих весь диапазон преобразования на ряд поддиапазонов, в пределах которых шаг квантования остается постоянным. Такие поддиапазоны называются сегментами квантования (рисунок 2.52 в). Сегментов может быть от трех до 10 и более. Чем их больше, тем лучше. Но при этом реализация системы становится сложнее.
Преобразование линейной характеристики в нелинейную осуществляется после АЦП с помощью специального цифрового кодирующего устройства. Обратное преобразование в воспроизводящем (или приемном) устройстве реализуется декодером с характеристикой, представляющей собой зеркальное отражение характеристики кодера относительно линейной характеристики.
Однако, при всех своих достоинствах, нелинейное квантование имеет один очень существенный недостаток. Слабые сигналы (или обертоны) на фоне сильного сигнала (на участках характеристики с широким шагом квантования) могут сильно искажаться или даже исчезать совсем. Поэтому качество звука при нелинейном квантовании всегда хуже, чем при линейном.
Процесс обратного преобразования последовательности отсчетов в аналоговый сигнал называется цифро-аналоговым преобразованием, а устройства для его осуществления - цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП) (рисунок 2.53).
На выходе ЦАП получается ступенчатый аналоговый сигнал, величина ступенек которого равна численному значению соответствующих отсчетов. Чтобы из ступенчатого сигнала получить гладкую кривую, его необходимо пропустить через ФНЧ с характеристикой, аналогичной той, которую имел ФНЧ на входе АЦП (рисунок 2.50). Здесь так же важно, чтобы спектр звукового диапазона не перекрывался со спектром ближайшей боковой полосы, ибо это также приведет к появлению искажений.
Для этого характеристика ФНЧ должна иметь достаточно крутой срез так же, как в случае анти-элайсинг фильтра при аналого-цифровом преобразовании. Порядок такого ФНЧ должен быть не ниже 12-го. Однако построение фильтров высокого порядка связано с известными трудностями. Здесь требуется применение прецизионных пассивных элементов и высококачественных операционных усилителей с хорошей температурной и временной стабильностью. Причем, поскольку все это предназначено для использования в бытовом аппарате небольших размеров, все компоненты должны быть к тому же малогабаритными.
Кроме того, всякий фильтр высокого порядка обладает нелинейной фазовой характеристикой. А это приводит к заметным на слух искажениям звуков с крутыми перепадами уровня - барабанов, тарелок, рояля и пр.
Чтобы облегчить требования к фильтрации преобразованного сигнала, перед ЦАП устанавливается цифровой фильтр. Выполнить такой фильтр с нужными характеристиками значительно проще, чем аналоговый. Он может иметь достаточно высокий порядок и при этом обладать линейной фазовой характеристикой.
 |
Проблема может быть решена путем искусственного увеличения частоты дискретизации Fд в несколько раз. При этом недостающие значения сигнала вычисляются по известным значениям методами интерполяции (рисунок 2.54). Схема блока цифро-аналогового преобразования в этом случае приобретет вид, показанный на рисунке 2.55.
 |
Передискретизация позволяет значительно снизить требования к характеристике аналогового ФНЧ. Даже удвоение Fд дает возможность сделать срез егоАЧХ довольно пологим (рисунок 2.56, а). А при увеличении частоты дискретизации в четыре, восемь и более раз, требования к аналоговому ФНЧ снижаются до вполне заурядных (рисунок 2.56 б, в). За счет этого отношение сигнал/шум, а следовательно, и динамический диапазон, можно сделать даже большим, чем определяемая 16-разрядным квантованием величина в 98 дБ.
2.4.2 Формат «компакт-диск»
Рассмотрим наиболее известный и распространенный формат CD. При этом достаточно будет обратить внимание только на то, что впрямую влияет на качество звука, не углубляясь в работу систем автоматики, синхронизации и обработки служебной информации.
Вся процедура отображения состоит из трех основных этапов (рисунок 2.57). Первый — это аналого-цифровое преобразование, во время которого непрерывный аналоговый сигнал приобретает вид последовательности 16-разрядных двоичных чисел. Второй — это помехоустойчивое кодирование, защищающее цифровую информацию от воздействия всякого рода искажений. И, наконец, третий этап — это канальная модуляция полученного двоичного потока кодом EFM.
Квадрат с надписью «Блок АЦП» на рисунок 2.57 означает не только само аналого-цифровое преобразование, но и предшествующую ему фильтрацию звукового сигнала фильтрами низких частот (ФНЧ), необходимую для устранения из спектра преобразуемого сигнала всех частотных составляющих выше 20 кГц.
Помехоустойчивое кодирование включает в себя два этапа непосредственно самого кодирования информации кодами Рида-Соломона и три этапа перемежения. Вся эта система в целом носит название CIRC (Cross Interleave Reed-Solomon Code).
Канальная модуляция нужна для того, чтобы преобразовать полученный ранее цифровой поток к виду, удобному для записи на носитель с высокой плотностью и последующего считывания с высокой достоверностью. Код модуляции носит название EFM (Eight to Fourteen Modilation), потому что основан на преобразовании 8-разрядных двоичных групп (символов) в 14-разрядные группы.
Рисунок 2.57 Преобразование звукового сигнала перед записью на носитель
Это что касается процесса преобразования звука перед записью на носитель. При воспроизведении все будет происходить наоборот (рисунок 2.58). Сначала считанный сигнал демодулируется (т. е. преобразуется из 14-разрядной формы в 8-разрядную). Затем производится декодирование помехоустойчивого кода; позволяющее обнаружить и исправить искажения в считанном сигнале. И, наконец, в блоке цифро-аналогового преобразования двоичный поток приобретает форму непрерывного аналогового сигнала, который можно подать на усилитель и услышать звук. Показанный на рисунке 2.58 блок ЦАП также, кроме самого преобразователя цифра/аналог, содержит в себе аналоговые и цифровые ФНЧ и может содержать фильтры передискретизации и модуляторы дельта-сигма.
Рисунок 2.58 Преобразование считанного с носителя цифрового звукового сигнала.
Теперь рассмотрим все это чуть подробнее. Как известно, преобразование аналогового звукового сигнала в цифровой осуществляется путем кодирования мгновенных значений его амплитуды (отсчетов) 16-разрядным двоичным кодом (см. рисунок 2.59). Тем самым обеспечивается возможность отображения звуковой программы с динамическим диапазоном;
Д=6N+1,8=6х 16+1,8=98 дБ,
где N - число двоичных разрядов, используемых для кодирования.
Отсчеты следуют с частотой 44,1 кГц, которая называется частотой дискретизации.
В формате CD наивысшая частота спектра равна 20 кГц. Таким образом, частота дискретизации 44,1 кГц вполне подходит для целей преобразования такого сигнала.
Поскольку система стереофоническая, то такому преобразованию подвергаются оба стереоканала.
Рисунок 2.59 Преобразование аналогового звукового сигнала в цифровой при 16-разрядном кодировании.
Затем 16-разрядные выборки обоих каналов делятся пополам на 8-разрядные кодовые символы, и объединяются в одну последовательность (поочередно), каждые 24 последовательных символа образуют один кадр информации. После этого, с целью защиты от возможных искажений при воспроизведении, над ними дважды производится операция кодирования кодами Рида-Соломона и трижды — перемежения.
На каждом из этапов кодирования кодами Рида-Соломона, по имеющимся в пределах одного кадра информационным символам вычисляются по четыре так называемых проверочных символа. Кадр в том случае будет называться кодовым словом. Проверочные символы содержат в себе данные обо всех информационных символах кодового слова и друг о друге. При воспроизведении, с помощью этих символов можно будет установить, достоверны ли символы данного кодового слова. И если это так, и среди них оказались искаженные, то узнать, какие именно и восстановить их первоначальные значения.
В каждом кодовом слове (кадре) таких проверочных символов получается восемь. Значит, вместе с 24-мя информационными всего получается 32.
Перемежение (перемещение символов на другие позиции в цифровом потоке) также является одним из способов защиты информации от искажений. Дело в том, что коды, обнаруживающие и исправляющие ошибки (коды Рида-Соломона), могут откорректировать не более двух искаженных символов на кадр. А если повреждение будет более или менее длинным, то в один кадр попадет значительно больше ошибок, и исправить их будет невозможно. Если же информацию перед записью перемещать так, чтобы символы одного кадра прераспределились между символами других кадров на достаточно длинном участке дорожки, то даже очень сильное повреждение не сможет испортить более одного-двух символов на каждый кадр. И, после того, как порядок следования будет восстановлен, корректирующие коды легко справятся с такими ошибками.
После выполнения операций помехоустойчивого кодирования и перемежения, к каждому кадру добавляется еще один — 33-й символ. Он является служебным и содержит информацию, необходимую для управления работой проигрывателя. Кроме того, добавляется синхрогруппа, которая определяет границу между соседними кадрами (рисунок 2.60).
После этого полученный цифровой поток модулируется канальным кодом EFМ и записывается на оптический диск с помощью лазера.
На компакт-диске — записанный сигнал имеет вид спиральной дорожки, состоящей из микроуглублений — «пит» — и промежутков между ними. Длина пит колеблется от 0,9 до 3,3 мкм, ширина— 0,6— 0,8мкм и глубина— 0,1мкм.Длина промежутков — такая же, как и у самих пит.
Рисунок 2.60 Построение кадра информации.
Шаг дорожки — 1,6мкм. Питы и промежутки между ними соответствуют «единицам» и «нулям» записанного на диске двоичного кода. При считывании информации лучом полупроводникового лазера, питы рассеивают падающий на них свет, а промежутки — отражают назад в объектив. Разница между интенсивностью попадающего в объектив света при рассеянии на питах и отражении от промежутков соответствует «единицам» и «нулям» цифрового кода.
Информационный слой компакт-диска находится со стороны этикетки, а считывание информации осуществляется со стороны прозрачной основы, т. е. через всю толщину диска, которая составляет 1,2 мм.
Таким образом, записанная информация защищена от повреждений с одной стороны материалом самого компакт-диска, с другой — слоем прочной пластмассы с этикеткой. Поскольку при считывании луч лазера фокусируется только на самой дорожке, то мелкие царапины и пылинки на поверхности диска не особенно влияют на качество воспроизведенного сигнала.
По характеру воздействия на компакт-диск можно выделить три основных фактора:
Первый — это сам носитель информации — диск или лента. Точнее — искажения, обусловленные его качеством и состоянием.
Второй — это механические воздействия на работающее воспроизводящее устройство, а также связанный с ним вопрос устранения влияния неравномерности перемещения носителя (детонации).
Третий — это особенности принципа аналого-цифро-аналогового преобразования и операций, его сопровождающих.
Формат DVD
Последние годы нашего столетия ознаменовались появлением новой технологии записи в цифровом виде видеоизображения и звука, а также компьютерных программ различного назначения. Эта технология предусматривает использование ставшего уже привычным носителя в виде компакт-диска (CD) диаметром 120 мм и толщиной 1.2 мм. Недавно появился новый носитель - DVD (digital versatile disk), диск многоцелевого назначения, или только для видеозаписи - digital video disk. В данном параграфе рассматриваются основные вопросы, связанные с выбором формата и стандарта записи аудиовизуальной информации на DVD диске; такая технология, была выбрана лишь к концу 1996 г. и по ряду причин начала массово внедряться лишь с середины 1997 г. Кроме того, здесь кратко описан новейший инструментарий для производства DVD дисков, а в заключение рассмотрены некоторые перспективы их использования.
DVD диск - это компакт-диск второго поколения емкостью от 4,7 до 18 Гбайт. Наряду с использованием новых способов сжатия, большая емкость DVD диска позволяет одновременно записывать оцифрованное изображение высокого разрешения, объемный звук, субтитры на нескольких языках и интерактивную программу. Промышленный стандартный формат записи позволяет проигрывать эти диски на встроенных в телевизор плеерах и считывающих компьютерных устройствах DVD-ROM, а также совмещать мультимедийные программы, реализуемые на компьютере, с домашним театром.
DVD диск может быть односторонним и двухсторонним, с одним или двумя рабочими слоями на каждой стороне. В зависимости от информационной емкости DVD диски подразделяются на: DVD-5 (однослойный односторонний) на 4.7 Гбайт; DVD-9 (односторонний двухслойный) на 8.5 Гбайт; DVD-10 (двухсторонний однослойный) на 9.4 Гбайт; DVD-18 (двухсторонний двухслойный) на 17 Гбайт. Для изготовления двухстороннего диска склеиваются два диска толщиной 0.6 мм. При изготовлении DVD дисков обычно используется технологическое оборудование для производства обычных CD дисков и аналогичные полимерные материалы.
С точки зрения сохранности информации DVD диски могут, по-видимому, успешно конкурировать с традиционными носителями аудиовизуальных материалов - магнитными лентами и кинопленкой, срок хранения которых исчисляется десятками лет. Следует сказать, что со временем DVD диски смогут сохранять архивную информацию (например, страховые копии кино- и видеопродукции, звуковые записи "полных собраний сочинений" известных музыкальных и концертных исполнителей) дольше, чем магнитные ленты.
Основные понятия
Прежде всего, необходимо четко разграничить два близких понятия, которые часто смешивают - "формат" и "стандарт". К формату относится все связанное с геометрическим оформлением носителя информации. В нашем случае имеется в виду форма и размещение дорожек записи, способ модуляции носителя и форма отдельных информационных элементов ("питов"), размещение блоков данных на носителе. Под стандартом понимают полную совокупность стандартизуемых электрических параметров записываемого сигнала. Эти два понятия взаимосвязаны, во многом пересекаются и дополняют друг друга. Отсюда вытекает необходимость их параллельного использования.
Когда в 1982 г. фирма Philips выпустила первый компакт-диск, предвидел ли кто-нибудь будущий феноменальный успех и стремительный рост рынка? Компакт-диски преобразовали музыкальную индустрию, они инициировали семейство новых областей использования, создав платформу, объединившую информационную технологию с потребительской электроникой. Признано, что такие диски - лучшие носители для звуковых и видеопрограмм, мультимедиа, компьютерных игр и даже фотографий, они идеальны при распространении программного обеспечения. Внушителен уже действующий в мире парк проигрывателей компакт-дисков - их более 500 млн. Но это не означает, что диски как носители информации и проигрыватели не нуждаются в усовершенствовании. Кинопромышленности нужны цифровые видеодиски для записи полнометражных лент с качеством изображения не хуже, чем по стандарту CCIR-601, при этом речь идет как об обычных, так и о широкоэкранных вариантах фильмов, звуковое сопровождение может быть аналоговым или цифровым. Обычным звуковое сопровождение производится на нескольких языках.
Сейчас идет процесс насыщения компьютеров средствами мультимедиа с видеоизображением, трехмерной анимацией и высококачественным звучанием. Для хранения и распределения такой информации необходим пятикратный запас памяти. Можно сказать, что в 90% случаев использования CD-ROM требуется применение подобных сверхъемких носителей. Значительно выросла потребность в новом и универсальном стандарте мультимедиа.
Лазерные дисковые системы впервые появились 15 лет назад, и с тех пор постоянно совершенствуются: увеличился объем записи, выросла скорость воспроизведения. Тем не менее, выход на уровень современных требований стал возможен лишь недавно - после того, как в 1992 г. был осуществлен прорыв к новым технологиям в микроэлектронике. Появились лазерные диоды, излучающие в видимой части спектра - 0.635 мкм, а не в инфракрасной - 0.78 мкм. Соответственно уменьшается шаг дорожек записи и линейные размеры одного пита, а значит, при прочих равных условиях возрастает плотность. В 1997 году появились сообщения о создании лазеров, излучающих в голубой части спектра, а это означает возможность многократного повышения плотности записи.
Заметно снижены размеры элементов на микросхемах стандартных размеров, а поэтому в каждом стандартном корпусе их больше. Значительно возросла скорость обработки данных. В совокупности это означает доступность более мощных и эффективных средств кодирования, коррекции ошибок, канального кодирования. Новые технологии позволили реализовать алгоритмы глубокого сжатия данных, и даже в домашнем видео появилась возможность применить стандарт сжатия MPEG-2(3).
Виды форматов
В начале 1995 г. компании Sony и Philips заявили о совместной разработке нового поколения цифрового формата MultiMedia CD (MMCD). Toshiba приняла вызов и предложила свою версию формата и перспективного диска. Так началось противостояние компаний, в котором сегодня лидирует Toshiba. Важным преимуществом ее формата SD считался больший объем хранящейся на диске информации - 5 Гбайт и большее время проигрывания фильма - 142 мин при односторонней записи. По формату MMCD, соответственно, объем хранимой информации - 3.7 Гбайт, время проигрывания широкоэкранного фильма - 135 мин. Оба формата предполагали двухслойную запись, при которой приведенные параметры удваиваются.
Ситуацию обострило вмешательство в войну форматов компьютерной индустрии. Альянс, возглавляемый самыми мощными компьютерными компаниями, указал на существенный недостаток формата SD - двустороннее воспроизведение с двухслойного диска. Toshiba использовала в производстве двухслойных дисков технологию склеивания дисков половинной толщины, что позволило довести информационное поле диска до 10 Гбайт. Со своей стороны в формате MMCD была применена технология двухслойной записи при одностороннем считывании, которая была до конца отработана фирмой 3М.
Требование одностороннего считывания для компьютерных фирм важно, поскольку это позволяет создавать малые по размеру дисководы для ПК. Не менее важна и совместимость с перспективными лазерными проигрывателями. Разработчики Toshiba не слишком долго сопротивлялись оказываемому давлению и согласились на одностороннее считывание в формате SD.
Основным пунктом разногласий стала система модуляции или канального кодирования. Оба формата используют применяемый в обычных дисководах канальный код 8/14 или, что то же самое, модуляционную систему EFM. На ее основе Philips и Sony предложили систему EFM plus, которая предусматривает введение двух дополнительных бит (код 8/16). Эти биты снижают вероятность ошибок при считывании. Система модуляции SD использует код 8/15 (только один дополнительный бит).
Однако компромисс был достигнут не сразу, поскольку многих настораживало, что системы EFM и EFM plus являются собственностью Sony. В середине сентября 1995 г. было принято компромиссное решение, согласно которому дисковый носитель должен быть двухслойным, но считываться с одной стороны, как это и предусматривалось в MMCD.
По новому стандарту коррекция ошибок - это проверенный в течение 20 лет код Рида-Соломона. Для канального кодирования избрана система модуляции EFM plus. Компромиссный формат получил название MMSD.
Завершая рассказ о войне стандартов можно заметить: несколько фирм объявило о хороших результатах работы над многослойными дисками (до 10 и более слоев), что сулит многократное увеличение плотности записи информации.
Новый стандарт
Формулируя новые требования к цифровому видеодиску (DVD) с позиций бытового применения члены Motion Picture Studio Advisory Committee постановили следующее:
· запись полнометражного кинофильма должна осуществляться на одном диске;
· качество записи должно быть выше, чем в любом из существующих форматов;
· важна совместимость систем воспроизведения звука с существующими системами объемного звучания, а также с цифровыми звуковыми системами;
· звуковое сопровождение следует рассчитывать на 3 - 5 дублирующих языков на одном диске, субтитры - на 4-6 языках;
· следует обеспечить совместимость с разными форматами экрана;
· необходимо предусмотреть введение пароля и обеспечить защиту от копирования.
Свои требования к новому стандарту выдвинули и те, кто занимается мультимедиа на базе ПК. Новый стандарт должен удовлетворять требованиям технических рабочих групп основных компаний, занимающихся производством таких компьютеров. Коротко их условия можно свести к следующему:
· должен быть единый стандарт для компьютеров, совместимый с устройствами считывания информации существующих компакт-дисков;
· следует добиваться совместимости с дисками типа WORM и CD-R;
· необходима единая организация файлов для информационного содержания и операционных сред.
Стандарт должен удовлетворять и требованиям массового рынка. Вот они:
· новый формат может быть эффективен только при относительно низкой стоимости по сравнению с обычными дисководами для CD-ROM и самими дисками;
· не следует требовать дополнительного обучения пользователей;
· необходимо надежное хранение и воспроизведение данных;
· широкие возможности последовательного расширения емкости записи;
· обязательны высокие характеристики при линейном и интерактивном режимах работы.
Стандарт, естественно, должен быть открыт для возможного усовершенствования, впрочем, как и будущая технология. Но здесь недопустим компромисс между надежностью, длительностью записи и рентабельностью процессов изготовления продукции.
Следует обеспечить легкость и рентабельность выпуска проигрывателей, которые, в принципе, должны работать не только с новыми дисками, но и с обычными, к которым относятся и звуковые компакт-диски, и CD-ROM, и CD-i, и Video CD, и Photo CD.
Таковы требования, часть которых очевидна, другая, напротив, может быть решена только с помощью опытных инженеров и конструкторов
Формат и стандарт MMSD, равно как и его источники и составные части: MMCD и SD, отвечают почти всем перечисленным требованиям. Максимально повышена емкость одностороннего диска и, достигнуто это при минимальном изменении его стоимости. Основные усилия были направлены на разработку новых способов кодирования, благодаря чему удалось удержать на приемлемом уровне стоимость и сложность продукции. Технологии производства дисков и проигрывателей нового формата и стандарта приближены к существующей инфраструктуре производства - тем самым заметно снижены потенциальные расходы покупателей новой продукции. Кроме того, совместимость с обычными компакт-дисками полностью обеспечена, и компрессия сигналов используется с максимальной эффективностью. Новые технологии являются удачным компромиссом надежности и взаимозаменяемости.
Емкость записи данных и скорость считывания примерно в 10 раз выше достигнутых на CD-ROM. Все диски будут односторонними. Предусмотрено два типа дисков с одним и двумя слоями, а также два размера с диаметрами 120 и 80 мм. Двухслойный диск диаметром 120 мм может вместить до 7,4 Гбайт информации. Такой емкости достаточно для воспроизведения 270 мин непрерывной видеозаписи со студийным качеством. При этом предусматривается параллельное многоязыковое, звуковое сопровождение и, если нужно, субтитры. Формат совместим с системами телевидения высокого качества ТВЧ и интерактивного видео, а также может применяться для записи до 7,4 Гбайт программ мультимедиа с односторонним считыванием.
Вернемся к однослойному диску диаметром 120 мм. Его информационное поле записи составляет 3,7 Гбайт. Этого достаточно, чтобы при использовании стандарта сжатия MPEG-2 записать и воспроизвести 135-минутный широкоэкранный (формат 16:9) кинофильм со студийным качеством, стереозвуковым и титровым сопровождением.
Стандарты записи звука в формате DVD
Для записи звука в формате DVD предусмотрено три различных стандарта:
· линейный ИКМ-стандарт (цифровой стереозвук), в котором применяется нескомпрессированный поток данных для стереофонического звука с качеством CD. Дополнительно этот поток данных может быть перекодирован для системы Dolby Surround, как, например, цифровой звук лазерных дисков;
· стандарт MPEG-Audio, который, как и MPEG-Video, представляет собой способ компрессии данных. Он существует в двух вариантах: MPEG-1-Audio для стереофонического звука, требующий меньшего информационного места, чем не скомпрессированный ИКМ-сигнал, и способ MPEG-2(3)-Audio, позволяющий подавать кодированный звуковой сигнал на пять каналов (отсюда наименование "5.1-канальный звук"), который по расположению громкоговорителей называют: передние- правый, центральный и левый; задние - левый и правый, а также басовый канал эффектов. Аудиосигнал MPEG-2 может быть также подан через декодер, который по стандарту встроен в DVD проигрыватель, на обычные устройства Dolby Surround в аналоговой или цифровой форме;
· стандарт АС-3, базирующийся на тех же принципах, что и MPEG-2-Audio, и тоже предусматривающий 5.1 каналов. Через встроенную в DVD проигрыватель схему "Downmix" сигнал АС-3 может передаваться также в виде двухканального surround-сигнала. Некоторые диски DVD, в частности, с NTSC-версией фильма "Papillon", обладают только возможностью воспроизведения двухканального звука по системе АС-3.
Какой из приведенных звуковых стандартов использовать в DVD, решают создатели фильмов. В любом случае DVD проигрыватель может передавать цифровой звук на внешний декодер и аналоговый стереозвук - на усилитель или на громкоговорители и не может передавать монофонический звук на телевизор.
Технология DVD позволяет слушать звуковое сопровождение воспроизводимого с него изображения на восьми языках, точнее, на одном из восьми языков, и читать подзаголовки и титры на 32 языках. Обязательно должна быть защита диска от копирования, которую еще следует разработать. Пока применяется вариант защиты с помощью помех, как в видеокассетах. С этим средством видеопираты успешно борются. Кроме того, в интересах защиты рынка в DVD используется региональный код, препятствующий, например, воспроизведению мастера - на прозрачной поликарбонатной подложке формируется оттиск первого информационного слоя. На следующем этапе поверх оттиска информационного слоя наносится полупрозрачный слой. Этот слой затем покрывают жидкой, резиноподобной субстанцией, способной к полимеризации под воздействием ультрафиолетового облучения. При одновременном воздействии ультрафиолетового облучения и матрицы-мастера формируется второй информационный слой. Полимер с оттиском имеет размеры предшественника - компакт-диска, а именно толщину, диаметры внешний и центрального отверстия. По-прежнему на обратной стороне наклеивают этикетку. Допуски на изготовление нового диска примерно в 2 раза жестче, что вполне выполнимо на существующих производственных линиях. Следует заметить, что рассмотренная технология изготовления дисков применима как к дискам толщиной 1,2 мм, так и 0,6 мм.
В лазерных оптических системах диаметр сфокусированного светового пятна прямо пропорционален длине волны света и обратно - относительному размеру апертуры фокусирующих линз. Переход от инфракрасных полупроводниковых лазеров к красным с длиной волны 0.635 мкм и относительной апертуре 0.52 означает двукратное снижение размеров светового пятна. Это ведет к ужесточению соответствующих требований к точности изготовления дисков. Современные технологии производства позволяют выдержать такие точностные характеристики. В итоге снижаются радиальные расстояния между соседними дорожками, и длина пита в тангенциальном направлении. Реальная физическая плотность записи возрастает в 3,5 раза. Ожидаемый переход к голубым лазерам сулит еще больший выигрыш по плотности. Номинальная скорость считывания по формату MMSD повышается с 1,2 до 4 м/с.
Диск Dual-Layer (двухслойный) диаметром 120 мм производства компании 3М емкостью 7,4 Гбайт имеет полупрозрачный слой с коэффициентом отражения, лежащим в интервале 20-40%. Второй слой, информационный, наносится в соответствии с известным фотопроцессом 2Р (Photo Polymerization- фотополимеризация). Этот процесс в начале 80-х гг. был освоен производителями лазерных дисков. Он же используется в полиграфии для изготовления фотополимерных печатных форм.
Переключение с одного слоя на другой в двухслойном диске не вызывает особых затруднений: привод фокальных плоскостей работает так же, как в обычном аппарате. При этом к функции плавного отслеживания поверхности информационного слоя, который перемещается за счет вертикальных биений вращающегося диска, и соответствующего изменения положения фокальной плоскости объектива считывающей оптической головки, добавляется функция шагового переключения с поверхности одного информационного слоя на другой. Порядок воспроизведения следующий: данные считываются сначала с одного информационного слоя, затем - с другого.
Записываемые DVD
В отличие от СD, записываемые версии DVD дисков появились на рынке практически одновременно с видеодисками DVD-ROM, тиражируемыми на заводском оборудовании. Сегодня имеется три вида записываемых видеодисков: DVD-R (recordable) для разовой записи, перезаписываемый диск DVD-RAM (в корпусе с крышкой) и перезаписываемый чистый диск DVD-RW (rewritable).
Из-за своей относительно невысокой стоимости DVD-R, DVD-RAM и DVD-RW (как носитель, так и аппаратура) займут надлежащее место, например, в области вещания или хранения архивных материалов.
Дата добавления: 2015-07-21; просмотров: 74 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Майбутнє поруч | | | Формат R-DAT |