Александр Загуменнов - Компьютерная обработка звука
Сжатие данных
Любой идеальный метод сжатия не должен допускать заметных потерь качества, то есть сокращение объема данных не должно приводить к потере информации. Это означает, что все изменения звукового сигнала должны быть ниже порога слышимости. Это особенно важно при записи на жесткий диск, когда необходимо гарантировать возможность многократной перезаписи фонограммы. Временная задержка, возникающая при преобразовании сигнала, должна быть минимальной для сохранения синхронности сигналов звука и изображения (менее 20 мс).
Применяемые на практике способы сжатия звукового сигнала базируются на двух основных методах: сокращении избыточности и релевантности (уместности или «существенности» деталей).
При преобразовании звукового сигнала в цифровую форму применение линейного квантования является нецелесообразным, так как не все отсчеты имеют одинаковую вероятность. Поэтому можно уменьшить объем передаваемых данных, присваивая наиболее часто встречающимся значениям более короткие кодовые слова. При этом информационное содержание сигнала не меняется. Такой метод с успехом применяется при передаче текста и изображений. В звуковом сигнале, однако, не удается получить большого коэффициента сжатия.
Более эффективным является использование физиологических свойств слухового аппарата. Так, ухо по-разному улавливает различия уровней сигнала при изменении не только его частоты, но и абсолютного уровня. В упомянутом выше методе перцептуального кодирования Audio MPEG Layer-3 производится динамическое присвоение битов каждому отсчету в соответствии с разрешающей способностью уха человека.
Разность между объемом информации, фактически воспринимаемым на слух, и объемом данных, получаемым при линейном квантовании звукового сигнала, называют иррелевантностью восприятия (субъективным «исчезновением» несущественных деталей). Для дальнейшего уменьшения потока передаваемых данных допускается усиление шума квантования. Необходимо лишь добиться того, чтобы шум квантования был всегда ниже порога слышимости.
Выигрыш в качестве дает также использование маскирования, под которым понимают психологический эффект, проявляющийся при определенных условиях как маскировка одних сигналов другими. Различают эффекты маскирования в одной и той же и в разных полосах частот, а также временное маскирование, которое может быть одновременным, опережающим и последующим.
Глава 9 Хранение файлов и резервное копирование
Для создания копий, которые необходимы как для сохранения информации, так и для обмена ею между пользователями, используются различные устройства:
• стримеры;
• цифровые магнитофоны формата DAT (digital audio tape), ADAT (Alesis DAT), DCC (digital compact cassette) и др.;
• дисковые устройства, позволяющие осуществлять многократную запись и считывание данных (HDD, FDD, MO, ZIP, JAZ, CD-RW и др.);
• дисковые устройства однократной записи (CD-R).
В ряде случаев затраты времени на создание резервных копий оказываются сравнимыми с затратами на подготовку фонограмм. Поэтому для рационального использования аппаратуры копирование фонограмм целесообразно осуществлять в автоматическом режиме, когда студия не загружена.
Стример
Стример по своему принципу действия аналогичен аудио– или видеомагнитофону. Кассеты бывают разной емкости: от 30 Мбайт до 30 Гбайт. Сохранение любых данных с помощью стримера – способ неплохой, но не слишком оперативный с точки зрения удобства и времени доступа к записям: сказывается родство с магнитофонами. Кстати, данные на стримерах неплохо защищены от выпадений – гораздо лучше, чем на DAT и ADAT кассетах. Существуют стримеры на базе лентопротяжных механизмов DAT, но обычные DAT кассеты к ним не подходят.
В наиболее надежных стримерах типа DLT осуществляется продольная запись на магнитную ленту с помощью неподвижной магнитной головки. Головка стримера имеет такую конструкцию, что позволяет одновременно выполнять запись и считывание данных. Это дает возможность сразу же выявлять ошибки, возникающие в процессе записи. При обнаружении ошибки информация записывается повторно. Однако такой метод записи не исключает ошибок, которые могут появиться позднее, например в результате старения магнитной ленты или различных внешних воздействий. Поэтому, как правило, применяют дополнительные меры для коррекции ошибок. Скорость записи на хороший стример составляет 30 Мбайт/мин и более.
Жесткий диск
При использовании накопителей с несколькими жесткими дисками для защиты информации можно производить параллельную запись на несколько дисков (RAID-массивы). Таким образом, при выходе из строя одного диска записанная на нем информация может быть восстановлена.
Сменные диски большой емкости представляют собой альтернативу стримерам. Устройства со сменными дисками обеспечивают практически такое же быстродействие, как и устройства записи на жесткий диск, однако их стоимость все еще достаточно высока. Быстро завоевали всеобщее признание и популярность носители Jaz и Zip. Принцип работы с ними таков: в дисковод, подключенный к компьютеру, вставляются специальные сменные картриджи, напоминающие жесткий диск, только в мобильном варианте. Емкость таких картриджей составляет 100–250 Мбайт для Zip и 1–2 Гбайт для Jaz (сами дисководы в этих устройствах тоже разные). Применительно к звуку более интересен Jaz, хотя он дороже. Ввиду сходства с жестким диском Jaz обладает практически таким же высоким быстродействием. В настоящее время многие специализированные рекордеры вместо жесткого диска комплектуются дисководом Jaz.
Оптическая запись
Большое распространение получила технология оптической записи на диск. Предназначенные для этого устройства имеют большую емкость и хорошо защищены от внешних электрических и магнитных воздействий. Емкость каждого такого диска – 650 Мбайт, что эквивалентно 74 минутам стереозвука с частотой дискретизации 44,1 кГц.
Единственным широко известным способом оптической записи на сегодня является формат CD-R, в котором при помощи достаточно мощного лазерного луча осуществляется однократная запись на специальный многослойный диск. В точках воздействия луча материал отражающего слоя диска необратимо изменяет свои оптические свойства. Таким образом можно записывать любую цифровую информацию, в том числе и оцифрованный звук. Конечным результатом является компакт-диск либо звуковой диск, который можно проигрывать на обычных CD-проигрывателях.
Магнито-оптическая запись
В настоящее время для записи все активнее используются магнито-оптические диски, подобные жесткому диску компьютера. Стандартные сменные магнито-оптические диски емкостью 1,3 Гбайт стоят дешевле, нежели картриджи Jaz, хотя время доступа у них больше. По надежности хранения данных они представляются лучшим вариантом, нежели картриджи Jaz. Кроме того, появились магнито-оптические диски емкостью около 5 Гбайт и с более высокой скоростью доступа.
Близкий родственник магнито-оптического диска – мини-диск (MD), разработанный фирмой Sony. Информационная емкость MD составляет 130 Мбайт, однако время звучания такое же, как у CD (650 Мбайт) – порядка 74 минут. Чудес, естественно, не бывает. Столь удивительные показатели достигаются при помощи специального алгоритма компрессии звука ATRAC. В результате для записи требуется в 5–6 раз меньше места, а качество звука остается весьма высоким. Однако если переписать фонограмму с одного MD-рекордера на другой (даже через цифровые входы/ выходы), система компрессии еще раз пройдется по звуку, и на этот раз результат станет заметен на слух. Для копирования мини-дисков существуют специальные устройства линейного копирования, которые побайтно переносят информацию с одного диска на другой.
Долговечность MD очень высока. Фирмы-изготовители гарантируют миллион циклов перезаписи (на практике – обычно около ста). Минидиск очень удобен и применяется в основном на концертах для запуска фонограмм. Широко используется этот формат и на радиостанциях для выпуска в эфир заставок, джинглов и т. д.
Потеря информации
Цифровая магнитная запись отнюдь не безгрешна. Высокая скорость записи данных предъявляет повышенные требования к ленте, на которой делаются резервные страховочные копии, однако неизбежно происходит некоторая потеря информации. Для борьбы с этим используют принцип избыточности, то есть на ленту записывают значительно больше информации, чем нужно.
Цифровые магнитофоны оснащены специальной системой коррекции ошибок. В случае, если система обнаруживает потерю данных, она может в некоторой степени восстановить сигнал, пользуясь тем, что уцелело. Если же этого недостаточно для восполнения утраты, ей приходится делать интерполяцию, то есть самой дорисовывать пропавший сигнал. Из этого следует очень важный вывод: даже при полностью цифровой перезаписи с одного, скажем, DAT-магнитофона на другой в дело всегда вмешивается система коррекции ошибок аппарата, с которого записывают. При последующем воспроизведении система коррекции вмешается в процесс еще раз, и так далее. Звук будет меняться. Поэтому злоупотреблять цифровыми перезаписями не стоит. Само понятие «цифровая запись» еще не гарантирует качества звука. Для резервного копирования надо применять кассеты только хорошего качества. Если система коррекции не справляется со своими обязанностями, то появляются цифровые искажения, гораздо более заметные на слух, чем аналоговые.
