Цифра в современном мире 2

   Сейчас никого не удивишь словосочетаниями цифровой фотоаппарат, цифровой проигрыватель, цифровой телевизор, не говоря уже про компьютер как самое "главное" цифровое устройство в нашем доме.

   Цифра, цифра, цифра сейчас везде. А почему именно цифра (digital) ? Для того, чтобы ответить на этот вопрос, впрочем, как и в большинстве других случаев, придется совершить экскурс в историю.

   Но приготовьтесь, экскурс будет углубленный.

Часть 2

Начало см. здесь

   Но вернемся к нашей истории информатизации человечества. Напомню, уже изобретено радио, телефон, телеграф, киносъемка. Вот начались первые, а потом и постоянные телепередачи. Миллионы людей получили возможность практически сразу же получить не только звуковую информацию с противоположного конца Земли, но и зрительную. Шли годы, количество информации накапливалось, возрастала потребность в быстрой передачи больших объемов информации. Все большие суммы и количество партнеров в сфере торговли, строительство гигантских сооружений, развитие артиллерии, авиации, судоплавания, полеты в космос и т.д. создали острую необходимость в быстрой и качественной обработке большого количества именно цифр. Вплоть до 60-х, 70-х годов прошлого века в учреждениях, где активно велись расчеты, было нормой наличие большого количества персонала с механическими счетными машинами которые целыми днями только то и делали, что считали, считали, считали. Расчеты производились либо в уме, либо на счетах, либо на механических машинах (арифмометрах) или логарифмических линейках. Каждый инженер умел пользоваться специальными справочниками в которых только то и было, что таблицы заранее рассчитанных величин по определенным функциям. Думаю, излишне говорить, что это было малоэффективно и значительно подвержено воздействию человеческого фактора. И вот изобрели ЭВМ.

   Сейчас мало кто использует аббревиатуру ЭВМ (электронная вычислительная машина), все говорят компьютер. И мало кто помнит, что эти самые машины вплоть до 80-х годов, а на территории бывшего СССР и до 90-х были громадны, медленны по современным меркам, устанавливались только на больших предприятиях, в НИИ, ВУЗах. Но это был очередной прорыв. Можно было производить расчеты с недоступной до этого скоростью!

   Появились решения для задач, которые в принципе невозможно выполнить силами людей с арифмометрами. Когда надо обрабатывать миллионы цифр за короткое время, когда надо получить, обработать информацию и принять решение за долю секунды – человек тут бессилен.

   Если говорить о боле конкретных примерах, то можно вспомнить суть и историю записи звуков. Суть заключается в том, что звук – это колебания среды передачи звука, например воздуха. При колебаниях создается звуковое давление которое действует на слуховой аппарат человека, давление преобразовывается в сигналы поступающие в мозг. Тот же принцип используется для записи звуков на механические или электронные устройства. Чувствительная мембрана колеблется в такт звуковому давлению, далее это давление преобразовывается в колебания иглы, колебания иглы переносятся на барабан или пластинку, покрытую мягким материалом, который в последствии затвердевает. На материале образуются бороздки с шероховатыми краями. Шероховатости повторяют колебания звука. Если затем иглу подсоединить к устройству, которое способно значительно колебаться в ответ на миниатюрные колебания иголки – то можно услышать ранее записанный звук. Так устроены граммофоны и патефоны – чисто механическое преобразование звука.

   Но пришла эра электричества и электроники и запись/воспроизведение звука возложили на электронные схемы. Носитель информации остался тот же – пластинка с бороздками, но вот преобразование звуковых волн от колебаний пьезоэлектрического звукоснимателя (замена иглы) происходит по-иному.

   Слово звукосниматель, как не трубно догадаться, произошло от двух известных всем слов: звук и снимать. Есть в природе материалы, которые при деформации создают разность потенциалов, т.е. электрическое напряжение. В звукоснимателе специальный элемент в виде очень тонкого стержня (иглы) касается стенок бороздки на пластинке и вибрирует, создавая небольшую разность потенциалов, повторяя по форме и высоте глубину и изгиб стенок бороздок. Таким образом с звукоснимателя "снимается" электрическая копия записанного сигнала, которая усиливается, затем передается на динамические диффузоры (динамики) где разность потенциалов обратно преобразовывается в колебания диффузора динамика и мы слышим звук.

   Зачем механику заменять электроникой? Основных причины две: звук можно усиливать и регулировать частотный диапазон. Да и снятый одним звукоснимателем звук можно тиражировать на, в общем-то, неограниченное количество громкоговорителей. Если для большого зала явно недостаточно силы звука граммофона, то в случае с электроникой звук можно либо усилить до необходимой громкости, либо разместить в зале несколько громкоговорителей меньшей мощности.

   Что касается частотного диапазона, то тут дело в особенности звуковой волны. Волна – это колебания. Колебания могут происходить с разной периодичностью, т.е. частотой. Измеряется в герцах. Одно колебание в такт – это один герц. Принято считать, что человек способен слышать звуки частотой от 20 Гц до 20 000 Гц. На самом деле этот диапазон уже и с возрастом становиться еще меньше, к тому же отпечаток накладывают болезни и сильная зашумленность современных городов. На практике, мало кто из взрослых способен слышать звуки частотой больше 13-15 тыс. герц. Подтверждено личной практикой. Старые ламповые телевизоры издавали ощутимый для меня (тогда еще ребенка) звук на частоте 15 КГц (частота генератора строчной развертки), но родители его не слышали. Попадись мне сейчас "на уши" работающий ламповый телевизор, скорее всего, я тоже не услышу звука "строчника". Чем выше частота, тем более звук тонкий ("писклявый"), чем ниже – тем более "грубый".

   Частота издаваемого звука, в свою очередь, зависит от физических характеристик источника звука. Например на гитаре для более высоких нот (выше частота) используются тонкие струны, для низких – толстые. В случае с граммофоном трудно разработать такой элемент, который бы не просто умел воспроизводить все необходимые частоты (чем больше, тем лучше), но и делал это одинаково хорошо во всем диапазоне. Есть такое понятие – завал частот. Это означает, что если на какое-то устройство подается одна частота, скажем 10 КГц, то устройство на выходе дает другую частоту, например 9, 5 КГц, т.е. вносит искажение. Часто искажения сносятся специально, для достижения определенного эффекта. Делается это с помощью всем известных (модное ныне словечко) эквалайзеров. Эффект основан как раз на сознательном "завале", или "подъеме" частот в том или ином поддиапазоне.

   В магнитофоне запись ведется на магнитную ленту: электрические колебания в такт со звуком преобразовываются в переменное магнитное поле и намагничивают ленту, покрытую магнитным материалом. А дальше все как с грампластинкой: магнитное поле изменяется в зависимости от изменения звука (как бороздки на пластинке). При воспроизведении магнитное поле преобразуется в электрическое, усиливается, выводится на динамики. Кстати, в традиционном кино звук записывается и воспроизводиться благодаря световому преобразованию – на пленку рядом с кадрами накладывается звуковая дорожка – изменяется прозрачность кинопленки в "такт" изменениям звука. При воспроизведении сквозь пленку пропускают свет, который, пройдя через пленку, изменяет свою интенсивность. Светочувствительный датчик улавливает этот свет, преобразует в электрический сигнал, сигнал повторяет ранее записанный звук, этот сигнал усиливается и… впрочем, дальше вы уже в курсе.

   В принципе, совершенно не важно, на чем и как записать звуковой сигнал: на пластинке, на магнитной ленте, на пленке или на … камне. Главное, чтобы бороздки, магнитное поле, прозрачность пленки и т.д. повторяли звуковой сигнал. Для преобразования записанного в электрический сигнал и звук, в конечном счете, найдется немало способов.

   На самом деле записать качественно звук, а потом воспроизвести – дело нелегкое. Все, начиная от микрофона должно обладать линейной частотной характеристикой (т.е. не искажать сигнал), а это и усилитель, и цепи передачи сигнала, и устройство хранения, заканчивая громкоговорителем. Так вот в случае с электронным сигналом намного легче добиться более широкого частотного диапазона, чем используя только одну механику. Например, в качественных аудиосистемах используются несколько громкоговорителей, каждый из которых лучше всего воспроизводит низкие, средние или высокие частоты. К тому же, зная, что какой-то из компонентов вносит заведомо известные искажения, электрический сигнал можно так обработать, чтобы компенсировать или снизить негативное воздействие искажений. Но для достижения хорошего качества необходимо расплачиваться усложнением всего проигрывателя в целом и обеспечивать высокое качество сборки/настройки. В СССР для радио бытовой аппаратуры были разработаны стандарты по качеству обработки ими сигналов и были введены классы. Самый дорогой и выдававшей приличный звук (в случае звуковоспроизводящей аппаратуры), с наличием широкого диапазон ручных настроек, была аппаратура высшего класса и ее цифровое обозначение начиналось с "0", затем первый класс – с "1", затем второй и третий класс, "2" и "3" соответственно. Например, если встретите название "Сириус - 309", то знайте – это радиола третьего класса. На практике это означало, что аппаратура данного класса не должна соответствовать характеристикам ниже определенных для этого типа. Чем выше цифра – там ниже характеристики: уже звуковой диапазон, больше допустимое значение искажений, менее качественные с точки зрения рабочих параметров детали и менее квалифицированные сборка/настройки.

   Зачем было все это рассказывать? Чтобы легче понять преимущество цифры. Итак, мы выяснили, что в случае со звуком механические колебания преобразовываются в электрические, затем наоборот. Это так называемое аналоговое преобразование.

   Можно считать, что аналоговый сигнал непрерывен. Понять это лучше на графике. Предположим, у вас есть прибор, который чертит график в ответ на звук, произнесенный в микрофон. Подойдем к микрофону и на протяжении секунд 10 попробуем "пропеть" звук "а". Прибор будет отображать в течении этих 10 секунд некоторую кривую которая не будет прерываться. А вот если прибор включать только на секунду с последующим секундным перерывом, то мы получим 5 отрезков не соединенных между собой. Это уже не будет непрерывный сигнал.

   В идеале, что запишешь, то и получишь при воспроизведении. Записывается весь сигнал полностью. По определению цифровой сигнал – дискретный. Объясню на примере измерения температуры. Мы привыкли измерять ее с дискретностью 1 градус. Т.е. мы не говорим 20 градусов и 345 тысячных. Хотя, если более точно измерить, значение может иметь несколько знаков после запятой, а на самом деле – бесконечность. Если записывать показания температуры непрерывно в виде графика – то получим непрерывную кривую. Если же записывать например каждый час, и отмечать на графике – получим набор точек. Вот это уже и есть дискретное представление. Соединим точки – опять получим непрерывную кривую. Зачем? Да затем, что нам-то в конечном итоге обычно нужен именно непрерывный сигнал (ну или кривая на графике). Если, к примеру, голос певца будет прерываться - приятного при прослушивании будет мало. Думаю, понятно, что чем чаще измерения – тем точнее полученная кривая. Частоту измерений называют частотой дискретизации. В идеале – чем чаще – тем лучше. Но бесконечность недостижима, поэтому частота дискретизации всегда конечна и определяется в каждом случае отдельно. Кстати, дискретизация в систему хранения и воспроизведения информации пришла давно, например запись движения – т.е. кино. На самом деле движение – непрерывный процесс, а на киноленту записывают всего 24 статических кадра в секунду. Но благодаря особенностям восприятия человеком зрительной информации, быстро сменяющиеся картинки кажутся нами как движущимися.

   Вернемся, однако, к звуку. Специальные устройства называемые АЦП (преобразователь аналог-цифра) заданное количество раз в секунду измеряют звуковой сигнал и записывают значения громкости и частоты. Например, уже отживающий свое формат Audio CD использует частоту 44 100 Гц. Популярный формат MPEG-1/2/2.5 Layer 3 (МП-тришки в простонародье) может "переварить" и 48 КГц. Для DVD-Audio существуют спецификации 96 КГц и 192 КГц.

   Кроме частоты дискретизации цифровой аудио поток характеризуется так называемым битрейтом и измеряется в битах в секунду. На практике это означает, сколько информации содержится в одной секунде, т.е. сколько и каких параметров о звуке было записано при каждом из 44 000 измерений в секунду. Чем больше битрейт, тем больше информации о звуке, соответственно, тем он качественнее. Считается, что на практике для прослушивания музыки в формате MP3 достаточно битрейта 196 Кб и частоты дискретизации 44 КГц. При таком битрейте удается записать достаточное количество информации для комфортного прослушивания на среднестатистической аппаратуре среднестатистическим слушателем. А вот для телефонного разговора вполне достаточно 22 КГц и 64 Кб. Почему? Да потому, что, во-первых частотный и динамический диапазон (разность между самым тихим и самым громким звуками) человеческого голоса не сравнимы с оркестром, во-вторых при телефонном разговоре не ставиться задача точно передать глубину и тембр голоса собеседника.

   С первого взгляда кажется, что в случае цифровой музыки все намного сложнее, чем при механическом или электронном преобразовании? Таки да, но давайте теперь рассмотрим выгоды от оцифровки звука.

   Во-первых звуковой поток можно выгодно сжимать – т.е. уменьшать хранимое количество цифр по сравнению с полученными от АЦП без существенной потери качества. Отсюда следует вторая выгода: достаточно один раз оцифровать звук с высоким параметрами, а дальше сохранять с необходимыми, так, для радиовещания это будет одно качество, соответственно и размер, для прослушивания на профессиональной аппаратуре – другое. Причем для преобразования достаточно обычного персонального компьютера, а вот для проделывания таких "фокусов" с аналоговым электронным сигналом необходима профессиональная аппаратура и профессионалы.

   Далее. Цифровую информацию научились быстро передавать и эффективно сохранять на самых различных носителях. Кассетный плеер более чем в 10 раз больше, чем цифровой, а музыки на нем помещается гораздо больше, чем на кассете. Традиционное радиовещание подразумевает профессиональную аппаратуру, мощные передатчики и солидный бюджет. "Домашнюю" же цифровую интернет-радиостанцию может осилить практически каждый, у которого имеется широкополосный интернет канал, персональный компьютером и знания на уровне пользователя ПК.

   Математический аппарат настолько развит, что с цифровым сигналом можно делать практически все что угодно: снижать шумы, корректировать частоту, добавлять различные эффекты и т.п. Если в случае с аналоговым электронным звуковым сигналом для подавления шумов необходима сложная электронная схема, то для обработки цифрового сигнала достаточно написать соответствующую программу. Возможно, это даже сложнее, чем аппаратно, но ведь написать ее надо всего один раз! А потом растиражировать простым нажатием кнопки. А вот электронную схему необходимо монтировать и настраивать для каждого нового пользователя. И, в случае цифры, что самое главное, качество будет то же, что и у оригинала! Хоть это пусть будет 100-я, пусть 9-ти миллионная я копия. А вот магнитофонную запись для приличного качества надо копировать все копии с оригинала. Копия с копии – это ощутимая потеря качества.

   Еще одно преимущество: как ни странно, цифры можно считать, а это позволяет эффективно контролировать ошибки или исправлять. Если производится копия обычного аналогового аудио сигнала, то эффективно контролировать получившуюся копию не получится. А вот с цифрой все намного проще: использую так называемую систему контрольных сумм, можно с уверенностью сказать, что на приемной стороне копия тютелька-в-тютельку соответствует оригиналу. В простейшем случае берут какой-то блок цифровых данных, высчитывают его сумму и посылают в начале блока. Затем на приемной стороне сравнивают присланную сумму с суммой всех цифр блока и, в случае несовпадения, дается запрос на повторную передачу. На самом деле применяемые в реальных программах алгоритмы сложнее и позволяют избежать некорректных данных на приемной стороне.

   При сохранении данных может применяться так называемая избыточность, когда объем сохраненных цифр больше, чем исходный. По специальным алгоритмам записываются дополнительные данные помогающие восстанавливать некоторое количество информации в случае сбоя носителя информации. К примеру, известный архиватор Rar умеет создавать архивы на нескольких дискетах плюс дополнительную дискету восстановления. В случае выходы из строя одной из рабочих дискет, дискета восстановления поможет восстановить потерянные данные. Причем такая дискета нужна одна и неважно, у вас 5 исходных дискет или 15. А если испортится и дискета восстановления, спросите вы? Никто не мешает сделать две копии дискеты восстановления, тем самым снизив риск потери данных на ней. Это все равно дешевле, чем, к примеру, если у вас 10 дискет с данными, понадобится 12 дискет (2 дубля дискеты восстановления), а не 20, если резервировать всю запись. А вдруг выйдут из строя две рабочие дискеты? Что же… как говорил Кузьма Прутков: нельзя объять необъятное © У каждой технологии есть свой предел.

   Однако, как и любая технология, цифровые системы обработки звуков не лишены недостатков. Но эти недостатки в основном обусловлены стремлением удешевить всю системы в целом. Один из недостатков связан с тем, что дешевые АЦП неспособны снимать так часто и столько параметров, сколько необходимо для качественного звучания. Затем, при сжатии звука в угоду уменьшению размера файла некоторую информацию просто выбрасывают, считая, что это сильно не влияет на выходное качество. В третьих, большинство распространенных цифровых проигрывателей, включая компьютер, не обладают нужными характеристиками для высококачественного воспроизведения. Это касается и устройству преобразования цифры в звук, и акустических систем. По-прежнему, для высококачественного воспроизведения необходимо дорогое профессиональное или полупрофессиональное оборудование. Но с каждым годом компьютеры становятся все мощнее, их АЦП совершеннее, и вместимость носителей информации больше. И средний уровень качества в целом растет.

   Существует еще мнение, что сама природа цифрового сигнала – дискретизация, никогда не сможет в полной мере отобразить реальную звуковую картину, так как, какая бы не была частота дискретизации и битрейт, все равно некоторая часть непрерывного звукового сигнала теряется. Но это относиться и к аналоговым акустическим системам: правильно записать и воспроизвести весь динамический и частотный диапазон, к примеру, оркестра, практически невозможно. Да, наверно на слух не отличишь, но все равно, искажения есть и будут. К тому же некоторые исследования показывают, что при прослушивании музыки "вживую" на общую картину восприятия влияют и звуки с частотами которые человеческое ухо не в состоянии услышать сами по себе, но в общей гамме они вносят свой вклад. Это так называемые ультразвуки (выше 20 000 ГЦ) и инфразвуки (ниже 20 ГЦ), а ведь они практически всегда "отсекаются" при записи звука аппаратурой.

   Но повода расстраиваться из-за вышеописанного я не вижу. Вносимые современной цифровой, даже любительской, аппаратурой искажения заметны только заядлым меломанам или людям с абсолютным слухом, а недостатки профессиональной аппаратуры смогут заметить наверно только единицы с уникальными слуховыми и музыкальными данными, да сверхчувствительная измерительная аппаратура.

   Вот и подошел к концу наш небольшой экскурс в цифру. Надеюсь, приведенный материал помог ответить на вопрос "Почему цифра? "