Dźwięk cyfrowy -

sposób zapisu, formaty

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty

Dźwiękiem nazywamy drgania akustyczne
rozchodzące się w ośrodku sprężystym zdolne
wytworzyć wrażenie słuchowe, które dla
człowieka zawarte są w pasie od 20 Hz do 20
kHz. Drgania akustyczne, których
częstotliwość jest tak mała, że nie są
słyszalne nazywamy infradźwiękami, zaś
których częstotliwość jest tak duża, że
również nie są słyszalne nazywamy
ultradźwiękami. Dźwięk, jako drgania
cząsteczek, może  rozchodzić się tylko w
ośrodku sprężystym.

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty

Cyfrowy zapis dźwięku

jest ostatnim ze

znanych sposobów na zapisywanie dźwięku. Na
początku dźwięk był cyfrowo kodowany systemem
PCM (po prostu zamieniany w ciąg liczb i znaków).
Tak zakodowany sygnał dźwiękowy nagrywano
(nanoszono laserowo) na płytę kompaktową (płytę
CD). Dźwięk zapisywany jest za pomocą lasera,
który jakby wypala w płycie ścieżkę dźwiękową,
którą potem można przy pomocy odpowiednich
programów wymazać. Jest to jednak możliwe tylko w
przypadku płyt CD-RW (Compact Disk ReWritable) ,
czyli tzw. płyt wielokrotnego zapisu.

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty

Zalety zapisu cyfrowego dźwięku:



Wyższy stosunek sygnału do szumu w
odniesieniu do systemu analogowego;



Możliwość równoczesnego zapisu wielu sygnałów;



Możliwość przetwarzania komputerowego;



Możliwość zapisu multimedialnego (dźwięk obraz
ruchomy zniekształceń nieruchomy);



Brak zniekształceń czasowych, wywoływanych
nierównomiernością prędkości przemieszczania
przesuwu nośnika względem głowicy czytającej;



Brak przesłuchu między kanałami;

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty



Brak efektu przekopiowywania sygnałów;



Doskonałe kasowanie - nie występuje
przesłuch starego nagrania;



Możliwość wielokrotnego kopiowania
sygnałów bez straty jakości dźwięku;



Mała czułość na zmiany temperatury
systemu przetwarzania cyfrowego;



Duża odporność na zakłócenia;



Trwałość zapisu.

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty

Wady zapisu cyfrowego dźwięku:



ograniczenie dynamiki przetwarzanego
sygnału słowa i częstotliwością próbkowania;



błędy sprzętowe, wynikające z niewłaściwego
działania układów pracujących w systemach
cyfrowych w tym np.

›

zniekształcenia nieliniowe, powstające w wyniku
nawet niewielkiego przesterowania sygnału
wejściowego poza obszar pracy przetwornika AC;

›

zniekształcenia spowodowane nierównomiernością
okresu próbkowania (tzw. Jitter);

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty



zakłócenia sygnału związane z defektami
nośnika zapisu powstałymi w procesie
rejestracji, produkcji jak też eksploatacji
mimo stosowania technik ochrony zapisu
przed tymi błędami;



błędy związane z wpływami otoczenia, np.
zakłócenia powodujące przekłamania
danych w trakcie rejestracji lub odczytu.

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty

Najważniejszymi współczynnikami jakości utworu
w danym formacie są:



Częstotliwość próbkowania - oznacza ilość próbek
sygnału na jedną sekundę. Zasada Nyquista mówi, że
częstotliwość próbkowania musi być co najmniej dwukrotnie
większa od najwyższej użytecznej częstotliwości sygnału.
Dla granicy ludzkiego słuchu równej 22 kHz, częstotliwość ta
wyniesie więc 44 kHz.



Bitrate (przepływność danych) - określa ilość informacji
w kilobitach przesyłanych w jednostce czasu (sekundzie).



CBR (Constant Bit Rate)/ VBR (Variable Bit Rate)-
stała/zmienna przepływność danych. VBR umożliwia
dostosowanie przepływności do aktualnego stopnia
skomplikowania sygnału, a tym samym zmniejszenie
wielkości pliku muzycznego.

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty

Formaty audio możemy podzielić
na trzy grupy:



Pliki bez kompresji. Zasadniczo w dziedzinie
cyfrowej takie pliki to "oryginały". Zabierają one
najwięcej miejsca. Ich jakość jest określona przez
częstotliwość próbkowania i rozdzielczość bitową.
Zawierają one dane w takiej samej postaci jaka
jest stosowana na płytach CD (tu częstotliwość
próbkowania wynosi 44,1kHz a rozdzielczość 16
bitów). Głównym przedstawicielem plików tego
rodzaju jest WAVE (WAV).

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty



MIDI (Musical Instrument Digital
Interface) - specyficzny format, ponieważ
nie zawiera spróbkowanego dźwięku, lecz
rodzaj zapisu nutowego. Składa się z wielu
tzw. ścieżek, z których każda odpowiada
brzmieniu określonego instrumentu.
Charakteryzuje się mierną jakością, lecz
małą wagą. 
Rozszerzenia: *.mid, *.midi, *.rmi 

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty



CD Audio i WAVE - CD Audio jest jednym ze standardów
zapisu danych na płytach kompaktowych. Compact Disc
Digital Audio umożliwia nagranie 74 minut materiału
muzycznego w maksymalnie 99 utworach. Częstotliwość
próbkowania wynosi 44.1 kHz. Przy dwóch kanałach można
otrzymać przepływność równą 1411.2 kb/s. Niewielkie pliki z
rozszerzeniem .cda nie zawierają danych audio, lecz są
wskaźnikami na miejsce utworu na płycie CD. Plik dźwiękowy
zapisany w formacie WAVE ma dokładnie takie same
właściwości jak sygnał na płycie CD. Można powiedzieć, że
jest to forma przetłumaczenia kodu CD Audio na kod PC. 
Rozszerzenia: *.wav, *.cda 

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty



AIFF (Audio Interchange File
Format)- współstworzony przez firmę
Apple. Dane audio zapisane są jako
nieskompresowany PCM. AIFF jest
wykorzystywany głównie na
komputerach Macintosh. 
Rozszerzenia: *.aiff, *.aif, *.aifc 

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty



Pliki z kompresją bezstratną. Te pliki
zawierają dokładnie taką samą informację jak
pliki bez kompresji, ale dzięki inteligentnym
technikom kodowania zajmują mniej miejsca
na nośniku. Oszczędność jest inna w każdym
przypadku i zależy ona od wielu czynników,
ale w przybliżeniu możemy przyjąć, że
zajmują one połowę miejsca potrzebnego dla
plików bez kompresji. W tej grupie jest wiele
formatów takich jak: FLAC, WMA Lossless,
Apple Lossless, Monkeys Audio i inne.

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty



FLAC (Free Lossless Audio Codec) - format
bezstratnej kompresji dźwięku z rodziny kodeków
Ogg. Kompresja FLAC potrafi zmniejszyć rozmiar
pliku nawet o połowę zachowując oryginalną
częstotliwość próbkowania oraz rozdzielczość
bitową. Istnieje możliwość kompresji
maksymalnie 8 kanałów, zgrupowanych w
różnych konfiguracjach (stereo, 5.1). Pomimo
stosunkowo dużych rozmiarów plików format ten
jest dosyć popularny.

Rozszerzenia: *.flac

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty



Monkey's Audio- format oferujący
podobną kompresję jak FLAC
(nieznacznie lepszą), jednak kodowanie i
dekodowanie trwa odrobinę dłużej.
Głównym problemem jest natomiast
bardzo ograniczona kompatybilność z
platformami nienależącymi do rodziny
Windows oraz ze stosunkowo małą ilością
odtwarzaczy odczytującą ten format.

Rozszerzenia: *.ape

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty



Apple Lossless- jak sama nazwa
wskazuje - format stworzony przez
korporację z Cupertino. Poziom
kompresji dochodzi nawet do 60%.
Popularny dzięki możliwości
odtwarzania na urządzeniach Apple.

Rozszerzenia:*.m4a

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty



Pliki z kompresją stratną. Te pliki nie zawierają
pełnej oryginalnej informacji. Algorytmy kodujące
używane do tworzenia tego typu plików odrzucają
część informacji (starają się to zrobić w sposób
jak najmniej słyszalny dla ludzkiego ucha) aby
jeszcze bardziej zmniejszyć wielkość plików. Jest
wiele możliwych wariantów kompresji do wyboru.
Im mniejszy plik, tym niższa jest jakość. Pliki
wykorzystywane do zapisu muzyki są typowo od
4 do 11 razy mniejsze niż oryginały bez
kompresji. W tej grupie jest wiele formatów,
takich jak MP3, Ogg Vorbis, WMA, AAC i tak dalej.

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty



MP3 - popularny format, który całkowicie zdominował rynek muzyczny. Kodowanie
MP3 korzysta ze standardu MPEG-I warstwy trzeciej. Czym jest warstwa trzecia?
MPEG posiada trzy warstwy różniące się od siebie stopniem złożoności oraz
efektywnością algorytmów kodujących. Największą zaletą tego zapisu jest
możliwość skompresowania pliku typu WAV do MP3 nawet 12,13-krotnie, czyli dużo
bardziej niż przy pomocy popularnych programów kompresujących. Warto również
dodać, iż ten sam kodek służy do kodowania obrazu. 
Dla wszystkich warstw zdefiniowane są również typowe częstotliwości
próbkowania - 32, 44.1 oraz 48 kHz oraz przepływności: 32-192 kb/s dla sygnału
mono oraz 64-384 kb/s dla sygnału stereo. W warstwie trzeciej dostępny jest tryb
VBR. Dzięki temu plik może mieć mniejszy rozmiar i jednocześnie zapewniać
lepsze odtworzenie materiału muzycznego. Dodatkowo MPEG-I oferuje kilka trybów
pracy: mono, stereo, joint stereo oraz dual channel. Joint stereo wykrywa
podobieństwa wartości sygnału na kanale lewym i prawym. Stereo wykorzystuje
algorytm kodowania left/right stereo, zaś dual channel zapisuje sygnał jako dwa
odrębne kanały monofoniczne. 
Rozszerzenia: 
*.mp3 

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty



MP3 PRO- w założeniach format ten miał całkowicie
zastąpić bardzo popularny format MP3. Nowa
technologia, w której powstał Mp3Pro, pozwala na
zmniejszenie objętości plików dźwiękowych nawet o
50% dzięki technice replikacji pasma
częstotliwościowego stosowanej również w formacie
ACC. MP3Pro jest w pełni kompatybilny jedynie z
odtwarzaczami MP3 produkowanymi przez firmę
Thomson, przez co format ten jest mało
rozpowszechniony. 
Rozszerzenia: *.mp3 

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty



WMA i WMA PRO (Windows Media Audio) - Rodzina WMA to kodeki
opracowane przez Microsoft. Przy kodowaniu CBR, dla sygnałów
stereofonicznych, oferuje przepływności do 320 kb/s oraz częstotliwości
próbkowania do 48 kHz. VBR jest także dostępne. Użytkownicy zauważyli, że o
ile WMA znakomicie radzi sobie z kompresją muzyki, to kompresja nagranej
mowy pozostawia wiele do życzenia. Wprawdzie wiele z tych wad
wyeliminowano lub chociaż poprawiono w najnowszej wersji kodeka Windows
Media Audio 8, ale jakościowo nadal brakuje mu dużo do MP3. WMA PRO jest
ulepszeniem algorytmów kompresji WMA. W porównaniu do podstawowej wersji
pozwala na kodowanie dźwięku wielokanałowego (do 7.1), wykorzystywanie
większych przepływności danych: stereo maksymalnie 440 kb/s, dźwięk
wielokanałowy maksymalnie 768 kb/s. WMA PRO oferuje kodowanie VBR dla
obydwu rozdzielczości bitowych oraz częstotliwości próbkowania 44.1-96 kHz.
Ogromną zaletą podstawowej wersji WMA jest jej kompatybilność z szeroką
gamą sprzętu i oprogramowania. Niestety WMA PRO obsługiwane jest tylko
przez niektóre odtwarzacze sprzętowe (np. Microsoft Zune czy Xbox 360). 
Rozszerzenia:*.wma 

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty



AAC (Advanced Audio Coding) - format stworzony
przez firmę Apple. Powszechny na urządzeniach iPod,
iPhone i w iTunes. Obsługuje częstotliwości
próbkowania do 96 kHz, co w połączeniu z obsługą aż
48 kanałów czyni go bardzo dobrym formatem
stratnej kompresji dźwięku wielokanałowego. Posiada
również lepszy tryb kompresji sygnału
stereofonicznego joint-stereo w porównaniu z MP3. 
Rozszerzenia:*.m4a, *.m4b, *.m4p, *.m4v, *.m4r,
*.3gp, *.mp4, *.aac 

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty



Vorbis - określany często jako Ogg (z racji połączenia z
kontenerem ogg), jest darmowym kodekiem rywalizującym z
MP3. Może wydawać się niepopularny, jednakże korzysta się z
niego na dużą skalę. Wiele popularnych gier posiada ścieżkę
dźwiękową zapisaną właśnie w tym formacie, np. Devil May
Cry 3, Grand Theft Auto: San Andreas czy Unreal Tournament.
Format ten oferuje kodowanie VBR o nominalnych
przepływnościach sięgających 500 kb/s (niektóre
implementacje posiadają tryb CBR). Największa oferowana
częstotliwość próbkowania to 48 kHz. W przeciwieństwie do
MP3 i AAC, kodowanie możliwe jest tylko w mono lub stereo
(nie ma trybów joint stereo). 
Rozszerzenia:*.ogg, *.oga 

Dźwięk cyfrowy - sposób
zapisu, formaty



Musepack - format oparty o standard MPEG-1 warstwy
2, jednak w stosunku do podstawowych rozwiązań,
posiada dużo usprawnień. Algorytm zaprojektowano tak,
aby przechowywał jak najwięcej informacji, dlatego
najlepiej sprawdza się dla wysokich przepływności (od
140 kbit/s wzwyż), natomiast dla przepływności poniżej
112 kbit/s jakość dźwięku w tym formacie gwałtownie
spada. Maksymalny możliwy bitrate wynosi 320 kb/s.
Podobnie jak Vorbis, MPC obsługuje częstotliwości
próbkowania do 48 kHz i tylko dwa tryby: mono i stereo.
Większość implementacji tego algorytmu nie daje
użytkownikowi wyboru konkretnych przepływności. 
Rozszerzenia: *.mpc