高清演進,從輝煌到迷茫 數字音頻標準的變遷
夏昆岡 尚吉剛 于 2009.09.28 11:48:52 | 源自:www.soomal.com | 版權:原創 | 平均/總評分:09.13/73

本文系Soomal與PC Magazine《電腦時空》雜志合作撰寫,因各自對應的讀者群有所不同,文字上亦略有不同。
轉載此文,請注明出處來自Soomal和PC Magazine《 電腦時空》

彈指一揮間,從1979年飛利浦演示了首個基于激光光碟的數字音樂播放系統到如今,CD已經迎來了30歲的生日。1982年8月17日,第一張CD誕生,宣告了一個數字音頻時代的開始;時至今日,我們無時無刻不被數字音頻所包圍,但數字音頻的未來卻充滿著變數和不確定性。

  • 往日的輝煌與未來的迷茫相交織,匯成了數字音頻波瀾壯闊的演進史!

    數字在CD之前,人們使用磁帶或者LP唱片來保存資訊,這些載體都用于記錄模擬訊號。而CD記錄的是數字訊號,所謂數字訊號,就是數字組成的訊號,就這么簡單。對模擬訊號經過采樣、量化、編碼三個步驟后,可以得到數字訊號。其中會涉及到兩個數字訊號的參數——采樣率和采樣大小。

    • 強力插入小貼士:

      什么是采樣率和采樣大小(位/bit)?

      聲音其實是一種能量波,因此也有頻率和振幅的特征,頻率對應于時間軸線,振幅對應于電平軸線。波是無限光滑的,弦線可以看成由無數點組成,由于存儲空間是相對有限的,數字編碼過程中,必須對弦線的點進行采樣。采樣的過程就是抽取某點的頻率值,很顯然,在一秒中內抽取的點越多,獲取得頻率資訊更豐富,為了復原波形,一次振動中,必須有2個點的采樣,人耳能夠感覺到的最高頻率為20kHz,因此要滿足人耳的聽覺要求,則需要至少每秒進行40k次采樣,用40kHz表達,這個40kHz就是采樣率。常見的CD,采樣率為44.1kHz。光有頻率資訊是不夠的,我們還必須獲得該頻率的能量值并量化,用于表示訊號強度。量化電平數為2的整數次冪,我們常見的CD位 16bit的采樣大小,即2的16次方。采樣大小相對采樣率更難理解,因為要顯得抽象點,舉個簡單例子:假設對一個波進行8次采樣,采樣點分別對應的能量值分別為A1-A8,但我們只使用2bit的采樣大小,結果我們只能保留A1-A8中4個點的值而舍棄另外4個。如果我們進行3bit的采樣大小,則剛好記錄下8個點的所有資訊。采樣率和采樣大小的值越大,記錄的波形更接近原始訊號。采樣率和采樣大小都是以數字方式記錄,連續記錄這2個數字,就能完成的記錄一段訊號,完成訊號的保存。回放時,根據這兩個數字還原出當前的頻率和訊號強度,就能實現還原成聲音的過程。

      為什么CD時長74分鐘?

      1987年日本大賀典雄經過他遍查古典樂曲后發現,以日本人最愛的貝多芬第九交響曲“合唱”,所花的七十四分鐘時間最長,他就以這個為標準。此后,音樂CD的時長還都沿用當年大賀典雄所訂的標準。

    過去的王者即將退位——30年中CD已經遲暮

  • 最為常見的CD,采樣率是44.1kHz,理論能記錄0∼22.05kHz內的頻率,采樣大小為16bit,理論最大能產生65536級聲壓的變化。CD的出現,極大滿足了音樂愛好者的需求,CD迅速地被消費者和唱片公司接受。迄今為止全球共賣出的CD超過了2500億張,這個數字還在迅速增長,這還不包括被燒錄復制的CD。CD迅速的取代了磁帶和LP,成為市場的主流。數字音頻因此成為訊號記載的主要方式。

    但CD也存在著天生的不足。CD的采樣率為44.1kHz,這也決定了它記錄高頻訊號時的不足。人耳聽音上限為20kHz,而記錄一個波形最少需要2個點,也就是說,CD的采樣率在記錄20kHz的訊號時,采樣點是嚴重不足的,這樣還原出來的訊號近乎一個三角波,對聽感的影響很大。有發燒友指出,CD的數位味太重,真正的原因就是CD采樣率的不足。

    無冕之王已老去——SACD花季將逝

  • 1999年,飛利浦與索尼又聯合推出了SACD。SACD即Super Audio Compact Disc 縮寫,意思為超級音樂光碟。這種光碟的物理尺寸與CD一致,但容量最高能達7.95G,為CD的10∼12倍左右。它能記錄的訊號可以更多。SACD的錄音方式是用Direct Stream Digital(DSD,即直流數位技術)方式錄音,DSD技術是用來錄制SACD的音頻。它可以記錄到最高100kHz的訊號,動態范圍高達120dB左右,基本等效于192kHz/24bit。

  • SACD還有一種拓展模式,稱為SACD DXD。它采用的采樣方式與CD類似,但采樣率高達352.8KHz,采樣大小24bit。這比DSD模式又更進了一步。相比CD,SACD所記錄的最高規格的訊號精度,是CD的2000倍,不但如此,它不但支援雙聲道,而且還支援多聲道的音樂訊號的記錄。

    養在深閨君不識——DVD-Audio頗為艱難的十多年

  • 2000年,出現了DVD-Audio碟片,它的物理尺寸同樣與CD一致。它采用的記錄方式與CD類似,支援采樣率高達96kHz或者192kHz,采樣大小24bit。它與同時期的SACD的訊號品質相當,也同樣支援多聲道的訊號記錄。不管是SACD還是DVD-Audio,相對于CD都是巨大的進步,而且,音質有了非常大的提升。但有趣的是,技術上領先太多的SACD和DVD-Audio,在市場競爭中,并沒有取代CD成為主流。它們甚至還不被消費者熟知。這又是為什么?

    DVD-Audio雖然有著非常多的硬體支援,但缺乏足夠有效的防復制的技術手段,復制一張DVD-Audio是非常容易的事情。而錄制一張DVD-Audio的成本,絲毫不亞于SACD,因此成本也居高不下。另外,DVD-Audio更多是DVD播放器的一個附加功能,它的消費群體決定了,消費力有限,基于這些原因的考慮,唱片公司也不太愿意推出DVD-Audio的產品。

    沒有勝利的持久戰——SACD 與 DVD-Audio 的混戰

    SACD是飛利浦與索尼主導的標準,DVD-Audio則是DVD論壇主導的標準,它們之間存在競爭。

    SACD陣營的飛利浦與索尼,也是CD的發明者,雖然SACD和DVD-Audio技術上相當,但SACD更能獲取支援者信任,而且飛利浦與索尼,不但是硬體公司,旗下還有很大規模的文化產業,通過旗下的唱片公司支援SACD,并說服了一些發燒級唱片公司予以支援,在軟體方面,SACD要走的更遠。而DVD-Audio更多被DVD播放器的廠商支援,把播放DVD-Audio作為一個附加功能集成到DVD播放器當中。而且DVD-Audio還可以在電腦平臺上播放,因此,能支援DVD-Audio硬體裝置,遠比SACD的多。兩方都沒有取得絕對優勢,近10年過去了,這種情況依然延續。雖然SACD陣營的成員動用了自己旗下的唱片公司助陣,推出了不少SACD唱片,但這對市場來說,還遠遠不夠。SACD雖然技術指標非常高,但錄制的成本要高昂許多,唱片公司制作相同內容的SACD與CD,CD的成本要低不少,CD的競爭力顯然要高,加上SACD的硬體播放器,售價都偏高,市場的保有量并不樂觀,這也降低了唱片公司推出SACD的興趣。即便是那些已經推出SACD唱片的公司,其主力產品依然還是CD。

    從用戶端出發的反思——多聲道系統為何不夠普及

    盡管DVD發展了10多年,也曾經掀起過一場多聲道家庭影院的普及熱潮。但這個熱潮過去得太快,還沒來得及普及就退燒了。根本原因就是多聲道系統的擺放是一個很麻煩的問題。擺放一套多聲道家庭影院系統,需要足夠大的空間,布線也是非常麻煩的事情,很多人寧可退而求其次,使用雙聲道的系統。我們認為,在無線音頻技術沒有成熟之前,多聲道的系統始終難以普及。多聲道系統變成了少數人的玩物,而沒有真正走入千家萬戶,大部分寧可選擇更大熒幕,也不愿意去折騰喇叭。這個現實可以通過喇叭市場的銷售情況看出點什么來,多聲道喇叭系統的銷售不及總量的5%。

  • 這種情況導致了,SACD以及DVD-Audio多聲道音樂回放的優勢無用武之地。大部分人還認為,DVD的多聲道系統已經夠燒錢了,而SACD和DVD-Audio對喇叭的要求更高,投資也會更大,從而產生了一種畏懼心理,不敢輕易建立多聲道的音樂欣賞系統。

    MP3才是真正主流——普通用戶對音質的態度

  • 大部分人都可以輕易的聽出SACD以及DVD-Audio比CD的音質強很多,即便是雙聲道的SACD和DVD-Audio。新一代的音頻技術,讓聲音動態以及整體層次、解析力等重要指標都獲得了全面提升,如果從這個角度來說,SACD和DVD-Audio不取代CD簡直不可想象。

    這些年,CD的消費量的增長已經呈現放緩的趨勢,CD已經進入衰退期。到底是誰在遏制CD的增長?顯然不是SACD和DVD-Audio。我們認為是MP3。蘋果的iTunes的音樂銷售記錄就可以看出,美國的小青年們,已經習慣從網上購買MP3并下載來聽,這樣直接越過了CD這個音樂載體。在中國,版權保護并不完善,大部分MP3下載都是侵權的,因此我們不能提及“消費”二字,但它構成了對CD唱片的沖擊。典型的案例就是百度的MP3檢索,百度是中國訪問量最大的網站,而MP3檢索占其近15%的訪問量。由此可見MP3的需求是多么龐大。

  • 另外的例子就是硬體銷售,幾年前說起隨身聽,大家還會聯系起索尼的Walkman,老一代的隨身聽,還需要磁帶或者CD,隨身聽銷量的增長會帶動磁帶或者CD市場的擴容。但現在情況不同了,以iPod為代表的新一代數字隨身聽的普及,對CD不但沒有促進作用,帶來的反而是遏制甚至剿殺。

    從上面這些敘述可以看出,消費者對音質的需求不是沒有,但如果要為此付出高成本卻不太愿意。MP3雖然音質不如CD,但市場卻非常驚人,如果算上盜版MP3,音樂的最大載體應該不再是CD,而是MP3和網路。隨著網路頻寬的成本增加和儲存介質的低價化,如果能夠保持簡單易用,那么用高品質無損壓縮格式取代CD或者MP3也是很可能的。由此可見,普通用戶對音質的需求并不是那么強烈而緊迫,所以升級音質不能以大幅度提升采購和使用成本為前提。

    是否該安靜的走開——實體光碟的是否氣數將盡?

    美國的年輕人已經習慣購買MP3來欣賞,中國的消費者也習慣直接從網上下載音樂,全球其他國家的情況也應該差不多,這說明了什么?

  • 我們是不是可以認為光碟這種載體已經開始變得不合時宜?現在下這個結論可能還太早,但它遲早會變成現實。不管是CD、SACD還是DVD-Audio,它都開始與年輕人的消費習慣對立。唱片公司始終認為光碟才是保護自己利益的最佳手段,當年MP3播放器剛剛興起時,唱片協會大動干戈的要扼殺這種新興播放器,就能足以證明這個行業十分容不下這種新事物。萬物的發展不會以某個行業的意志而轉移,決定方向的始終是消費。這么多年過去了,有些唱片公司已經開始發現MP3并不是敵人,它一樣可以帶來收入,蘋果iTunes上的音樂銷售額度越來越高,也是唱片公司積極嘗試參與的結果,Google的音樂搜索,也是與唱片公司合作后才有的。這說明,唱片公司也發現網路+檔案化的音頻檔案已經形成一種趨勢,光碟的需求會越來越少的。

    技術進步無法推進需求進步,這是一個非常尷尬的現狀。SACD和DVD-Audio用了10年時間無法打敗一個30多年前就有的CD,這其中肯定是大有問題。唱片不夠,導致需求不夠,對硬體消費失去興趣,還是硬體不夠導致唱片公司不愿意出高規格唱片?這如同先有雞還是先有蛋的爭論一樣。我們認為,保守主義害死人,不管是SACD、DVD-Audio陣營,對授權的開放都太過于保守,唱片行業更是一片死腦筋,因此,短期內,這些高規格的高科技產物,還是無法走進尋常百姓家,只會是少數發燒友的玩物。

    高清時代的明星——杜比TrueHD與DTS HD Master Audio

  • 隨著藍光在高清制式大戰中獲勝,Blu-ray光碟已經確定為下一代的光儲主流介質。與之相伴而生的是新一代的音頻標準。杜比TrueHD是專為高清光碟媒體所開發的下一代無損壓縮技術,該技術所提供的高質量音頻與清晰度最高的錄音棚母帶基本一樣,它支援100%無損的編碼技術,碼率高達18 Mbps,支援多達八個分離式24比特96 kHz全頻帶聲道。Blu-ray光碟當前將其最大的聲道數目限制在八個。

    DTS-HD Master Audio是DTS-HD標準中的一個子集,能與錄音原本1比特1比特地對應相同,因而用DTS-HD Master Audio能享受到高保真的音樂,甚至電影的配樂也可以成為高保證音源。在數字錄音時,取樣率高,量化深度深,數據量就大,數據的傳輸率也就高。數據資訊的傳輸率越高,聲音的質量也就越高。DTS-HD有能力處理很高的數據率,從而捕捉到更豐富的原始資訊細節。

    高碼流、高清晰度是新一代音頻規格的一致性特點,不過有藍光光碟多達25GB的容量保證,大容量似乎并不是一個問題,現在反而是內容商的支援顯得更為重要。我們不認為杜比TrueHD與DTS HD Master Audio會形成勢若水火的競爭態勢,因為他們都是要借助于藍光的發展而發展,硬體物理規格上并不沖突,只是編碼規格和技術上各有優勢,就像現在的影碟機會同時支援杜比和DTS一樣,未來也非常有可能是藍光播放器同時支援這兩種制式。

    高容 高質 低價——對數字音頻未來格局的預測

    其實MP3有損壓縮格式的盛行,是當時在存儲成本和網路頻寬現實下的折中方案而已,它只是在適合的時間,以自己適合的特點,適合了當時人們對音頻格式的需求罷了。

    隨著存儲技術的進一步發展,我們相信,用戶會逐漸的存儲音質更好的音樂,代價就是付出更大的存儲空間。一個長度為1分鐘,雙聲道的44.1kHz/16bit的檔案,它的碼率則為 44.1K×16×2 =1411.2 Kbps。這個參數也被稱為數據頻寬,它和ADSL中的頻寬是一個概念。將碼率除以8,就可以得到它的的數據速率,即176.4KB/s。這表示存儲一秒鐘采樣率為44.1KHz,采樣大小為16bit,雙聲道的PCM編碼的音頻訊號,需要176.4KB的空間,1分鐘則約為10.34M。而一個1分鐘,雙聲道的192kHz/24bit的檔案,需要存儲空間為67.5M,一個分鐘,六聲道的96kHz/24bit的檔案,需要的存儲空間為101.25M。如果以CD標準長度74分鐘計算,存儲雙聲道的192kHz/24bit和六聲道的96kHz/24bit的檔案,分別需要將近5G和7G多的空間。加上無損壓縮技術能降低30~40%的存儲開銷,存儲一張碟需要3~5G的空間。當前主流硬碟的容量為1TB左右,主流閃存的容量可以輕易超過4GB,存儲一些高規格的無損音頻檔案成本并不算高了。因此也不排除唱片公司用類似iTunes的方式銷售這種高規格的音樂檔案。

    不滿足是人類進步的核心動力,數字音頻也莫非如此,所以我們對未來數字音頻流行趨勢的判斷是高碼流、高音質、低價格。

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    認清潮流趨勢,少走彎路
    發表于2014.02.26 18:35:37
    15
    116.232.104.***
    116.232.104.***
    發表于2011.08.16 17:32:48
    14
    058.241.***.***
    058.241.***.***
    “也就是說,CD的采樣率在記錄20kHz的訊號時,采樣點是嚴重不足的,這樣還原出來的訊號近乎一個三角波,”decoder算法還原的都是正弦波形鋸齒波都會被拉平滑,哪來的三角波?
    ”DVD-Audio更多是DVD播放器的一個附加功能“起碼在中國不是這樣的。具有DVD-A播放功能的機器普通賣場難見。普通DVD機能放也就是放的Video-ts里的內容。如同hybrid-sacd.
    "大部分人都可以輕易的聽出SACD以及DVD-Audio比CD的音質強很多"心理學范疇。
    發表于2010.01.08 17:17:01
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    期待DSD128甚至DSD256或32Bit384KHz.更期待數字放大技術的發展與平民化.
    發表于2009.10.02 14:55:25
    11
    210.192.***.***
    210.192.***.***
    這部分是錯的...
    發表于2009.10.01 06:34:12
    10
    03
    http://www.2l.no/hires/index.html可以下載到高清音頻
    發表于2009.09.28 23:10:12
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    118.213.***.***
    118.213.***.***
    發表于2009.09.28 18:40:01
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    發表于2009.09.28 16:40:09
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    發表于2009.09.28 15:39:36
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    國內已經開始有錄音棚群組計劃數字下載業務了,錄音起點是24Bit 48KHz(96KHz、192KHz),在不久就會為用戶提供高清音頻下載業務,當然這是收費的,正版的。
    發表于2009.09.28 14:58:25
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    03
    發表于2009.09.28 14:47:42
    4
    221.222.***.***
    221.222.***.***
    支援32bit\192k的音樂
    發表于2009.09.28 12:34:10
    2
    114.245.***.***
    114.245.***.***
    發表于2009.09.28 12:18:49
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