Digitální záznam

Digitální zvukový záznam je ukládání zvukových nebo vizuálních signálů jako sekvence binárních číslic, které lze uložit na magnetickou pásku, optický disk nebo jiné médium. Tato technologie je široce používána v hudebním průmyslu a v mnoha dalších sférách.

Pro záznam zvuku převádí analogově-digitální převodník elektrickou zvukovou vlnu z mikrofonu nebo analogový vizuální obraz na informaci. Digitální technologie od svého vzniku pomalu, ale jistě nahradila analogová zařízení kvůli své levnosti a snadnému použití. Digitální audio je dnes standardem téměř všech studií, profesionálních i amatérských. Překvapivě málo lidí však skutečně chápe, jak to funguje. Dnes si tedy povíme o základech digitálního zvuku pro nahrávání hudby.

Historie stvoření

Mezi objevením prvního zařízení pro záznam zvuku a zavedením digitálního záznamu uplynulo sto let. Během této doby neustálý technologický pokrok a nekonečné inovace vědců a techniků vytvořily několik různých vln mechanického zachycení, zpracování a reprodukce zvuku. Nahrávací průmysl udělal obrovský krok vpřed s vynálezem počítačů a digitálního zvuku. Vycházelo to z jednoduchých pocínovaných fólií a voskových válečků, na které byly zvukové informace sbírány nahrávací membránou gramofonů a pečlivě vyryty. Poté vývoj pokračoval v kazetách, které umožnily posluchačům vychutnat si vícekanálové zvuky.

Japonci byli průkopníky digitálního záznamu, kteří na konci 60. let dokázali takový záznam uchovat magnetickou páskou a předvést ho veřejnosti. Za deset let se ukázal audiorekordér Sony. Byl schopen vytvořit digitální zvuk z analogového a uložit jej na VHS. Přesto se hudba stále prodávala na vinylu.

Věci se začaly měnit koncem 70. let, kdy Sony a Panasonic začaly předvádět CD, skutečné digitální médium schopné uložit až 150 minut vysoce kvalitního zvuku. CD uchovává informace pomocí tenké vrstvy hliníkové fólie, na které jsou vytištěny miliony bitů dat ve vzoru, který lze přečíst laserem a elektronicky převést na analogový signál.

Příchod CD konečně umožnil inženýrům eliminovat hluk způsobený třením mezi jehlou a skladovacím materiálem. Tato a mnohé další výhody umožnily CD stát se jedním z nejpopulárnějších nosičů zvuku na konci 20. a na počátku 21. století. Hudební průmysl byl však vůči CD skeptický, protože poskytovala téměř dokonalou kvalitu zvuku a uživatelé je snadno pirátili. K vyřešení těchto problémů vytvořili v roce 1987 další digitální médium nazvané digitální audio kazeta (DAT). Tento nový formát zaznamenal v Severní Americe mírný úspěch a dodnes přežívá jako jeden z preferovaných způsobů manipulace s profesionálními zvukovými nahrávkami.

V prvních letech 21. století došlo k růstu digitálního zvuku, který nebyl vázán na fyzická média. Pokroky v kompresních kodecích (především MP3), internetová infrastruktura a miniaturizace osobních digitálních přehrávačů umožnily uživatelům nosit své digitální nahrávky s sebou, kamkoli přišli. Přestože koncem 90. let existovalo několik vlivných MP3 přehrávačů, hudební průmysl se s uvedením Apple iPod výrazně změnil. To je velmi populární audio přehrávač, který položil základ dnešním obchodům s digitální hudbou a internetové distribuční infrastruktuře pro zákazníky.

Porovnání s analogovým záznamem

Analogové nahrávky byly jediné široce používané před digitální revolucí v 70. letech. Používali různé metody, které jsou dnes již zastaralé, jako jsou long play (LP) desky, osmistopé pásky (na kovové nebo magnetické pásky) a audiokazety. Od počátku dvacátého století do sedmdesátých let se analogový systém jevil jako ideální pro záznam, ale s počítačovou revolucí na konci století, vysoká rychlost a další vlastnosti digitálního zpracování učinily digitální záznam nejen možným, ale stále více vhodným pro mnohé. aplikací.

Významnou roli sehrály i trvale klesající náklady v důsledku hromadné výroby počítačů, optických disků, laserových přehrávačů a dalších zařízení. Digitální záznam je snazší pro dosažení vysoké věrnosti přehrávání, protože poskytuje široký dynamický rozsah a nízký šum a zkreslení při správné implementaci.

Formáty digitálního záznamu

Digitální zvukové soubory lze vytvářet v různých formátech. Obecně spadají do dvou kategorií – komprimované a nekomprimované.

Komprimované formáty (jako MP3) mají mnohem menší velikost souboru než nekomprimované formáty, ale obětují kvalitu zvuku. Přenosná zařízení (jako jsou MP3 přehrávače) dostávají kompromis mezi nižší kvalitou a schopností ukládat tisíce souborů. Kvalitu streamovacích služeb (jako je Spotify) lze zlepšit, pokud používáte Wi-Fi nebo máte dobré datové připojení.

Zvukové soubory lze vytvářet pomocí sekvencerů. Existují placené i bezplatné služby, jako je Amped Studio, které umožňuje vytvářet a upravovat hudbu, vytvářet složité mixy, nahrávat hlas a mnoho dalšího online. Skladby vytvořené v tomto programu lze uložit v různých digitálních formátech, o kterých bude pojednáno níže. Své nahrávky můžete také sdílet se svými přáteli a společně je upravovat.

Nekomprimované formáty

Takové formáty jsou považovány za nejlepší způsob ukládání dat pro přehrávání ve vysoké kvalitě, protože k produkci zvukových dat je potřeba velmi malé zpracování. Více komprimovaných formátů může na některých systémech způsobit selhání zvuku.

AIFF – standard Apple

WAVE (nebo WAV) – standard pro nekomprimovaný zvuk v CD kvalitě v systémech Windows, který používá nahrávání ve formátu PCM. Záznam v CD kvalitě má vzorkovací frekvenci 44,1 kHz s 16bitovým rozlišením.

Velikost souboru: přibližně 10,1 MB za minutu. Toto číslo je stejné pro všechny soubory WAV v kvalitě CD, protože velikost souboru závisí pouze na délce souboru, nikoli na jeho zvukovém obsahu.

BWF (Broadcast Wave Format) – používá se v přenosných audio rekordérech a digitálních audio pracovních stanicích pro vysílání.

Bezeztrátová komprese

Formáty v této kategorii obsahují úplné informace o zvuku. Ale se zmenšenou velikostí souboru na úkor efektivnějšího ukládání dat.

Bezztrátové WMA (Windows Media Audio) – navrženo s možností správy digitálních práv (DRM) pro ochranu proti kopírování.

ALAC (Apple Lossless Audio Codec) – open source a zdarma k použití od roku 2011 (ačkoli byl původně ve vlastnictví společnosti Apple).

FLAC (Free Lossless Audio Codec) – open source, bezplatné licencování formátu.

Ztrátová komprese

MP3 – formát komprimovaného zvukového souboru vyvinutý společností Motion Picture Expert Group (MPEG) jako součást jejich video standardu MPEG1 a později rozšířený na standard MPEG2 Layer 3.

Odstraněním částí zvukového souboru, které jsou prakticky neslyšitelné, jsou soubory mp3 komprimovány na přibližně jednu desetinu velikosti ekvivalentního souboru PCM, přičemž je zachována dobrá kvalita zvuku.

Existují 2 parametry, kterými můžete změnit kvalitu a velikost souboru MP3:

• Bitrate;
• Vzorkovací frekvence.

MP4 nebo M4A – nástupce MP3 založeného na kompresi AAC.

M4P – Proprietární verze AAC ve formátu MP4 se správou digitálních práv, vyvinutá společností Apple pro použití v hudbě stažené z jejich iTunes Music Store.

OGG Ogg Vorbis – Bezpatentový komprimovaný audio formát s otevřeným zdrojovým kódem.

Výhody a nevýhody digitálního záznamu

Digitální technologie dala uživatelům mnoho příležitostí. Například za starých časů, abyste mohli nahrát nahrávku, museli jste použít studia, která zabírala spoustu místa a stála spoustu peněz. Nyní potřebujete pouze výkonný počítač, který je mnohonásobně výkonnější než studio a stojí mnohem méně.

Taková dostupnost umožňuje pořizovat zvukové záznamy nejen profesionálům, ale i amatérům. Programy, které se dnes používají, vám dávají prakticky neomezené možnosti pro zpracování zvuku, zatímco dříve se k tomuto účelu používaly skutečné nástroje. Nyní můžete v Amped Studio vytvořit jedinečný efekt pouhými několika kliknutími.

Pro běžné uživatele má digitální záznam zvuku také řadu výhod:

• mnohá paměťová média jsou velmi kompaktní a mohou ukládat digitální nahrávky po celá léta na flash disky, CD atd.;
• speciální software umožňuje vyčistit staré nahrávky a zbavit se šumu;
• všechny zvuky lze navíc upravit a přidat efekty, hlasitost, frekvenci atd.

Uživatelé díky internetu získali možnost posílat si své oblíbené hudební skladby, poslouchat desítky tisíc různých skladeb a vydávat vlastní hudební díla.

Také analogové systémy mají tu nevýhodu, že zkreslení se zvyšuje, když hrajete a znovu nahráváte. Každá další kopie bude slyšet hůř. V digitálním záznamovém systému k tomuto zkreslení nedochází. Master záznam může mít minimální chyby kvantizace, ale kopírováním se nezhorší. Digitální předloha dokáže vytvořit tisíce kopií bez zkreslení. Podobně lze digitální média na CD přehrát tisíckrát bez zkreslení.

Digitální technologie má jistě i své nevýhody. S jejich vývojem si mnoho lidí začalo všímat, že analogové nahrávky mají „živější zvuk“. To ale není jen nostalgie po starých časech. Všechno je to o digitalizaci, která někdy přidává do zvuku chyby. Také „tranzistorový šum“ může provádět své vlastní úpravy. Neexistuje jediný výklad tohoto pojmu, ale jeho význam je chaotická vibrace na vysokofrekvenční úrovni. Ačkoli je lidské ucho navrženo tak, aby vnímalo frekvence nepřesahující 20 kHz, zdá se, že náš mozek je schopen vnímat i vyšší frekvence. Tato funkce nás nutí si myslet, že analogový zvuk je čistší než digitální zvuk.

Kromě toho jsou všechny nosiče záznamu nedokonalé kvůli prachu nebo jinému znečištění, které brání zařízení v zachycení dat na médium. U analogového záznamu se vady projevují jako slyšitelný šum, zatímco u digitálního záznamu způsobují chyby v bitovém toku, které mohou vést k šumu nebo selhání přehrávání. K vyřešení tohoto problému jsou do datového toku vloženy kódy pro opravu chyb. Některé z těchto kódů mohou být velmi složité a také způsobují, že data zabírají více úložného prostoru. Výsledkem je však vysoce spolehlivé přehrávání disků s rozumnou úrovní prachu a škrábanců.

Klíčové pojmy v digitálním záznamu

Bity a bajty

Bit je nejmenší prvek, který obsahuje data v paměti počítače. Osm bitů tvoří bajt, se kterým počítače nakládají jako s celou položkou.

Vysoká hustota

To znamená možnost ukládat velké audio, video nebo datové soubory na malém prostoru.

Parametry digitálního záznamu

Mezi parametry, které ovlivňují kvalitu digitálního záznamu, patří:

• Rozlišení analogově-digitálního převodníku (ADC) a digitálně-analogového převodníku (DAC);
• vzorkovací frekvence ADC a DAC;
• Jitter (zkreslení signálu) ADC a DAC;
• Převzorkování.

Kromě toho hrají důležitou roli následující nastavení:

• Kolik šumu je ve vztahu k signálům;
• Míra zkreslení nelineárního typu;
• Intermodulační interference;
• Nepravidelnosti amplitudy a frekvence;
• Proces vzájemného pronikání kanálů;
• Dynamika rozsahu.

Popis procesu digitálního záznamu

Nahrávání se provádí následovně:

1. Analogový signál je přenášen do ADC;
2. Převod tohoto signálu, během kterého je analogová vlna měřena mnohokrát. Poté je mu přiřazena binární hodnota s počtem bitů (délkou slova);
3. Pak je zde vzorkování, což je frekvence, kde ADC měří úroveň analogové vlny;
4. Přednastavená délka slova, což je digitální vzorek zvuku, představuje úroveň zvuku v délce jedné sekundy;
5. Velikost délky slova určuje přesnost zobrazení úrovně zvukové vlny;
6. Frekvence digitálního signálu závisí na výšce vzorkovací frekvence;
7. Výsledné digitální audio vzorky, které jsou konstantním proudem čísel, jsou odesílány do ADC;
8. Výsledná binární čísla pak mohou být uložena na různých nosičích médií.

Způsob přehrávání:

1. Čísla se odesílají ze středního nosiče do DAC, který je přemění zpět na analogové, sloučením dat úrovně. Tím se analogový průběh obnoví do předchozího tvaru;
2. Signál se zesílí a začne se odesílat do reproduktorů nebo obrazovek.

Závěr

Digitální nahrávání způsobilo revoluci v hudebním průmyslu i mimo něj a odsunulo svého analogového předchůdce do historie. Technologie si díky svým výhodám a cenové dostupnosti našla uplatnění v mnoha oborech a dnešní svět si bez ní jen těžko dokážeme představit.