Spectrum Expert #02 31 марта 1998

Музыка

 (c) DANGEROUS                
                              
 Компьютерная музыка...  Music оп inter-
rupt,  DIGITAL STUDIO,  COVOX,  SB,  GS,
GUS, TURTLE BITCH... MOD, STM, S3M,  ХМ,
IT... Компьютерные music compo... Компь-
ютерщики  тащатся  от компьютерного зву-
ка...                                   
                                        
 Задумывались ли вы когда нибудь, уважа-
емые господа читатели, для  чего  вообще
персональный компьютер должен  извлекать
звуки? Почему многие пользователи подол-
гу слушают ее, собирают  музыкальные мо-
дуля? Безусловно,  компьютерные  эффекты
прекрасно  дополняют  игры и  демки,  но
можно  ли  назвать  их  музыкой?  Как  и
"просто модуля ниоткуда", сотнями храня-
щиеся на дисках  многих  пользователей и
регулярно переслушиваемые  ими?  Почему,
например, в мире РС идет постоянное  по-
явление новых карт, в мире Амиги появля-
ются новые рlаyerы, дающие,  якобы, луч-
шее звучание,  а в мире  Спектрума  звук
эволюционировал от бипера до GS? Похоже,
что в компьютерном мире  все  помешались
на технических характеристиках  звуковых
карт, забыв о том, что компьютер,  каким
бы мощным он ни был, не способен  родить
музыку. Прикупив более  совершенную зву-
ковую карту взамен старой, бежим  домой,
в предвкушении наслаждения чистым компь-
ютерным звуком...                       
 A стоит ли он того?                    
 Основываясь  на  инженерном  подходе  и
опираясь на технические  характеристики,
усвоенные из  руководства  пользователя,
мы инсталлируем наше приобретение, дрожа
от нетерпения  услышать  обворожительное
звучание и погрузиться  (или  воспарить)
сознанием в неизведанные просторы  Музы-
кальных  Событий.  Безусловно,   желание
сравнить настоящее с  прошлым  велико, и
мы, подсознательно вобравши в себя  сте-
реотип превосходства нашего приобретения
над предыдущим, начинаем ловить  (подсо-
знательно, а иногда  и  специально)  су-
ществующие и несуществующие  события.  И
доказывать появление оных себе и окружа-
ющим.                                   
                                        
 Прочитав в паспорте своей аудикарты "16
бит, 44 килогерца" и сравнив это с хара-
ктеристиками компакт-диска - 16 бит,  44
килогерца, неграмотный пользователь уве-
ренно заявляет своим неграмотным друзьям
- у моей карты  качество  компакт-диска!
То же самое он  подсознательно  заявляет
сам себе и, "зомбировавшись" собственным
заключением, с наслаждением слушает зву-
ки, издаваемые аудиокартой. При  попытке
продемонстрировать "суперзвук" ничего не
понимающим в компьютерах родителям, мама
стремительно   удаляется  на  кухню  под
предлогом, что у нее убегает суп, а папа
через некоторое время начинает угрожать,
что  если ты сейчас же не сделаешь поти-
ше, то он твой  компьютер...  (в  лучшем
случае выключит).                       
 Почему же не  обремененные  знаниями  о
битах и килогерцах люди не  в  состоянии
слушать компьютерную  музыку,  в  лучшем
случае равнодушны к ней?  В то же  время
пользователь получает определенное  удо-
вольствие от прослушивания  всяких   там
mod-ов, stm-ов, хм-ов и т.д. Парадокс?  
 Давайте разберемся  с  пресловутыми  16
битами и 44 килогерцами и тогда  поймем,
почему ни одна звуковая карта, даже  са-
мая дорогая, не родит настоящей музыки и
не проиграет вам модуля с качеством ком-
пакт-диска.  Хотя,  что  такое  качество
компакт-диска?  Надо  полагать,  это ка-
чество звука, который мы слышим при  его
воспроизведении. Воспроизведении.. опять
же, на чем? (Оказывается, есть  разница,
куда компакт-диск запихивать).          
 Для начала отбросим несовершенство ком-
пьютерного звучания и  обратим  внимание
на то, что музыкальная ценность подавля-
ющего большинства модулей  устремлена  к
нулю. Немногие  оставшиеся,  которые,  в
принципе, могут задеть за душу, словно в
клетке, бьются, ограниченные музыкальны-
ми и  техническими  возможностями  ауди-
окарт...                                
 На заре компьютерного  бума  тот  факт,
что компьютер может издавать звуки,  по-
хожие на реальные, сводил с  ума  многих
юзеров, некоторые  даже  записывали  эту
"музыку" на кассеты и потом слушали. Не-
которые пользователи просто  зациклились
на этих электронных звучках, погрузились
в мир компьютерной  музыки , забыв,  что
есть еще и другая музыка - настоящая.   
 Предвижу возражения, что, дескать,  вся
современная музыка создается  с  помощью
компьютеров.  Ответ довольно  прост: во-
первых, создается, а не  прослушивается.
Во-вторых, такая музыка невысокого поле-
та, как правило,  сопроводительная  (для
игр, демок) или дискотечная (чтобы своим
интеллектом  не мешать "двигать попой" и
думать об особях противоположного пола).
Истинную,  авторскую  музыку  невозможно
создать на компьютере, так как он никог-
да не сможет переживать и в музыке изли-
вать свою душу  (нет ее, души-то).  Если
даже взять самый навороченный  музыкаль-
ный редактор, то все  усилия  автора  по
донесению  своего  музыкального  замысла
разобьются о несовершенство компьютерно-
го цифрового тракта.  Пусть даже в  ком-
пьютере стоит дорогая аудиокарта.       
                                        
 Чтобы не показаться занудным при описа-
нии всяких музыкальных метафор,  развен-
чаю возможности компьютеров с чисто тех-
нической стороны.  Я уверен,  что  этого
вполне достаточно. Придется начать с са-
мого начала. Стиль выберу -  "науч-поп",
поэтому читаться должно легко.  Никакого
супервысшего образования  для впитывания
изложенного ниже материала  не  требует-
ся. Поначалу будет скучно (возможно).   
                                        
 Каким образом естественный звук перево-
дят в цифровой код? Известно, что,  тео-
ретически, непрерывный сигнал с  ограни-
ченной полосой частот может  быть  одно-
значно восстановлен  по  значениям  дис-
кретных отсчетов, если  выполнено  усло-
вие: F>2f, где F - частота   дискретиза-
ции, а f - полоса частот кодируемого на-
ми сигнала   (то  есть  верхняя  частота
спектра, которую мы планируем потом вос-
становить). Частота дискретизации  пока-
зывает, сколько раз за секунду  дигитай-
зер снимет  показание  амплитуды  нашего
сигнала, чтобы затем с помощью АЦП (ана-
лого-цифрового преобразователя)  иденти-
фицировать каждую  измеренную  амплитуду
двоичным кодом.                         
                                        
рис. 1.                                 
                                        
                
                
                
                
                
                
                
                
                
                
                
                
                                        
 Осталось только записать коды в  память
- и все. Нетрудно догадаться,  что,  чем
чаще мы будем снимать показания с сигна-
ла, то есть повышать F, тем больше веро-
ятность зафиксировать всякие мелкие осо-
бенности сигнала. Здесь есть  один  под-
водный камень. Если верхняя частота циф-
руемого   нами  сигнала  превысит  поло-
вину   частоты   дискретизации,  то  при
прослушивании   мы   услышим  существен-
ные искажения в виде посторонних призву-
ков (не шума, не скрипа, а  именно  при-
звуков, которые тянутся синхронно  с ос-
новными звуками. Очень заметно  на  ком-
пьютерах Амига, да и на РС тоже).  Чтобы
этого не произошло,  надо  бы  цифруемый
сигнал  предварительно  обрубить  сверху
фильтром низких частот (ФНЧ) с  частотой
среза в нашем случае 22.05 килогерца (на
самом деле еще чуть ниже).              
 Что происходит на практике? У вас в ру-
ках дигитайзер, вы загружаете программу,
которая управляет дигитайзером. После ее
загрузки вы можете выбрать частоту  дис-
кретизации (побольше, если  надо оцифро-
вать  качественней,  или  поменьше,  для
экономии памяти). Поскольку для  каждого
конкретного случая нужно иметь  конкрет-
ный ФНЧ, то непонятно, на какую  частоту
фильтр нужно настроить, если бы он стоял
в дигитайзере. Поэтому  его  там  просто
нет. Далее,  практически  никто  (до по-
следнего времени) не оцифровывал  сигнал
16 бит 44.1 кгц - слишком  много  памяти
потребуется. Посчитаем - 2 байта умножим
на 44100. Будет, грубо говоря, 90  кило-
байт в секунду. Поскольку суммарная дли-
тельность сэмплов у модуля средней  пар-
шивости может составлять 10 секунд,  то,
если опять посчитать, получится, что мо-
дуль средней паршивости должен  занимать
около 900 килобайт - и это только  сэмп-
лы! На самом деле так никто  не  делает.
На компьютерах Амига, например,  музыко-
делатели цифруют сэмплы с частотой около
8 кгц  в  8-битном  формате  (звук-то  у
Амиги 8-битный). Получается скромненькая
цифра - на секунду  звучания  сэмпла -  
около  8  килобайт.  Естественно,   звук
страдает. Но ничего, люди слушают,  мно-
гим даже нравится.                      
 На РС, кстати, немногим лучше. Только в
последнее  время   появились   16-битные
сэмплы, но тоже цифрованные на  довольно
низкой частоте. К тому же у  многих  ки-
тайских SoundBlasterob аналоговая  часть
настолько плохо выполнена, что различить
8 бит и 16 практически невозможно.      
 Теперь самое интересное. Если  проигры-
вать такие сэмплы на звуковой  карте  16
бит 44 кгц,  то,  по  всей  вероятности,
сэмпл, оцифрованный на частоте  8  кило-
герц, должен проиграться в 44/8=5.5  раз
быстрее и при этом стать писклявым. Что-
бы этого  не  произошло,  драйвер  карты
(или какая  другая  программа,  неважно)
производит пересчет и заставляет  кидать
на ЦАП   (цифро-аналоговый  преобразова-
тель) один и тот же байт, пока не подой-
дет время прихода следующего байта, если
бы сэмпл воспроизводился со своей родной
частотой дискретизации. Так что увеличи-
вай частоту дискретизации, не увеличивай
- сэмпл как игрался, так и будет играть-
ся, и никакого изменения в  качестве  не
будет. Поэтому к возгласам вашего  прия-
теля "У меня все играется на частоте  44
килогерца!" относитесь спокойно.        
 Теперь опять внимание. Мы не рассмотре-
ли вопрос о работе ЦАПа. Если вы  думае-
те, что в  проигрывателях  CD   значения
цифрового кода попросту   считываются  с
диска, кидаются на ЦАП, а затем поступа-
ют на выход, то вы круто ошибаетесь. Так
бывает только в COVOXax, бытовых компью-
терных звуковых картах да в компьютерных
CD-драйвах. Почему?  Потому,  что  голое
цифроаналоговое  преобразование  сигнала
не есть его  восстановление!  Для  того,
чтобы получить то,  что  мы  (или не мы)
когда-то  подавали  на вход  АЦП,  нужно
произвести именно восстановление!       
 Для восстановления сигнала, его необхо-
димо пропустить через специальную  штуку
- В.Ф - Восстанавливающий Фильтр (фильтр
Котельникова). Тогда на выходе мы и  по-
лучим искомый сигнал. Как  его  реализо-
вать - отдельный вопрос,  который  я  не
буду здесь освещать (это невозможно объ-
яснить на пальцах),  скажу  только,  что
его можно поставить в тракт  прохождения
сигнала либо до ЦАПа,  либо  после него.
В первом случае  фильтр  будет цифровым,
а во  втором  -  аналоговым.  Аналоговые
фильтры Котельникова не делают  -  очень
сложно, а вот цифровые реализовать  мож-
но. (На самом деле идеальный Ф.К. реали-
зовать теоретически  невозможно,  делают
лишь приближения с разной степенью  точ-
ности - чем "идеальнее" фильтр, тем выше
его стоимость). Функция  восстанавливаю-
щего фильтра - восстановление  сигнала в
рабочей полосе частот,  до половины  ча-
стоты дискретизации.  A также подавление
спектральных составляющих  за  пределами
рабочей полосы - выше  половины  частоты
дискретизации.                          
 Восстановление сигнала описывается  не-
безызвестной  формулой  Котельникова,  о
которой  сейчас  говорят  все,  кому  не
лень, которая мудрена  и  неподготовлен-
ному читателю внушит ужас:              
                                        
                
                
                
                
                
                
                                        
                                        
 S(Т) - восстановленный сигнал.         
  Т   - время                           
 Si   - значение i-го отсчета.          
                                        
 Частью этой формулы является  так назы-
ваемая функция Найквиста, которая  имеет
важное значение при восстановлении  ана-
лового сигнала из  цифровой  формы,  так
как являет собой импульсную реакцию иде-
ального Ф.К.:                           
                                        
                
                
                
                
                
                
                                        
 Итак,  цифровой  фильтр.  Его  задача -
принять    кодовую   последовательность,
обработать ее и кинуть на ЦАП СОВЕРШЕННО
ДРУПУЮ    ПОСЛЕДОВАТЕЛьНОСТь,   которая,
пройдя ЦАП, превратится в реальный  сиг-
нал.                                    
 Если  все-таки  чуть-чуть  проникнуться
формулой Котельникова, то можно прийти к
следующему выводу: операция  дискретиза-
ции и восстановления в корне  отличаются
друг от друга.  Процедура  дискретизации
последовательна,   то   есть  достаточно
знать только значение сигнала  в    мент
взятия отсчета. A для обратного преобра-
зования  дискретизированного  сигнала  в
непрерывный  необходимо  знать  значение
всех отсчетов сразу! То  есть  идеальный
Ф.К. должен принять в себя ВЕСь исходный
цифровой материал, а затем уже  выдавать
на ЦАП свои измышления. Если быть теоре-
тически точным, то на самом деле реакция
на выходе Ф.К. должна появиться до того,
как на него подадут сигнал - посмотрите,
функция Найквиста определена и для отри-
цательного времени!  В природе это,  ес-
тественно, невозможно, но  инженеры  из-
вращаются и придумывают всякие  обходные
маневры в виде линий задержек  и элемен-
тов памяти. В реальности  фильтр  должен
"помнить",   что  было  ранее,  а  также
"знать", что будет потом.  И чем в более
широких пределах он "помнит" и  "знает",
тем качественней фильтр.                
                                        
Что же конкретно делает цифровой восста-
навливающий фильтр?                     
                                        
 Суть процесса в следующем:  осуществля-
ется, так называемая передискретизация -
между существующими отсчетами с частотой
ЧЧкгц вставляются дополнительные, вычис-
ленные в соответствии с  импульсной  ха-
рактеристикой фильтра Котельникова,  ко-
торую и отражает вышеупомянутая  функция
Найквиста. (Импульсная  характеристика -
это реакция на  так  называемый  дельта-
импульс - некий гипотетический  импульс,
амплитуда которого  бесконечна,  а  дли-
тельность равна нулю). В дешевых  проиг-
рывателях используется  8-кратная  пере-
дискретизация (то есть между  двумя  от-
счетами вставляется еще семь),  в  доро-
гих - 256-кратная.  Это  значит,  что  в
дорогих проигрывателях значения кидаются
на ЦАП с частотой 44.1*256=11289.6  кПц,
т.е. 11.2896 мегагерц! Вот, кстати, одно
из объяснений, почему двухскоростной CD-
ROM стоит тридцать долларов,  а  хороший
проигрыватель CD - тысячу.              
                                        
                
                
                
                
                
                
                
                
                
                
                
                
                                        
 На рисунке показана  двухкратная  пере-
дискретизация (пунктирные  линии)    при
восстановлении сигнала, взятого с рисун-
ка 1. Между существующими отсчетами поя-
вились   новые  -  вычисленные передиск-
ретизатором.                            
 Рисунок довольно идеалистичный, так как
на самом деле здесь все  должно  быть  в
цифровых  "ступеньках",  я же,  заведомо
отбросив их, показываю, во  что  превра-
тился сигнал.                           
 При внимательном сравнении рисунков за-
метна разница форм сигналов -  исходного
и восстановленного. Это -  свидетельство
малой частоты исходной дискретизации,  а
также невысокой передискретизации. (Если
бы передискретизации не было,  то  форма
восстановленного сигнала  отличалась  бы
от   оригинала  катастрофически.)  Из-за
этого  утеряна  информация  об  участках
сигнала, характеризующаяся наиболее  ши-
роким спектром. В востановленном сигнале
пропал острый пик исходного  сигнала,  а
также резкий спад  стал  более  плавным.
(Кстати, может  получиться,  что  взятие
отсчета  все-таки  произойдет  в  момент
"пика", но  тогда  после  восстановления
поднимется уровень сигнала в окрестности
этого "пика". Интересный факт  -  дважды
цифруем одно и тоже,  а  результат  раз-
ный.)                                   
 Важно, что это не недостаток  фильтра -
информация о сигнале была утеряна еще  в
процессе перевода в цифровой код!  Посе-
му, каким бы хорошим не был восстанавли-
вающий фильтр, этот сигнал он  уже  пра-
вильно  не  восстановит.  Это  вовсе  не
означает, что появится цифровой скрежет.
Вот он  как раз-то и не появится. Фильтр
его прекрасно подавит, а  вот  музыкаль-
ность сигнала сильно пострадает - в пер-
вую очередь динамика и  тембр.  При  ис-
пользовании сигнала в  качестве  спецэф-
фектов в играх - по большому счету,  на-
плевать, а вот нормальную музыку слушать
будет, мягко говоря, неинтересно. Напри-
мер, невозможно будет  отличить,  играют
ли живые скрипки или их имитирует синте-
затор, звук двух разных тарелок  ударной
установки тоже будет неразличим,  скорее
всего он вообще  превратится  в  шипение
(при хорошем фильтре очень чистое),  все
будет звучать глухо и т.п, одним  словом
- демонстрация мертвых звуков  и  полная
потеря средств выражения.               
 Люди,  далекие от техники, ищут в музы-
ке  прежде всего  музыкальную  мысль,  а
когда им подсовывают компьютерную  тара-
барщину, чувствуют дискомфорт.          
                                        
 Почему для восстановления нужно исполь-
зовать именно фильтр Котельникова? Пото-
му,  что,  руководствуясь  его  работой,
можно  сколь  угодно   точно   вычислить
ИСТИННЫЕ  промежуточные  значения  между
основными отсчетами.                    
 Если бы звуковая карта работала в соот-
ветствии с  ИДЕАЛьНОЙ 256-кратной  пере-
дискретизацией в соответствии с формулой
Котельникова, то для сэмпла длиной 1 ки-
лобайт идеальный алгоритм ее работы  та-
ков: 44100*256=11289600  раз  в  секунду
умножить 1024 числа  на  соответствующие
коэффициенты, затем все  суммировать.  A
для сэмпла длиной 10  килобайт  придется
поумножать в 10 раз  побольше.  (Да,  во
втором канале надо будет делать  прибли-
зительно то же самое, а у карты  AWE64 -
64 канала). К тому же, в процессе вычис-
лений могут возникать числа разрядностью
до 64-х.                                
 Если так продолжать, то на одну  звуко-
вую карту можно будет заставить работать
все процессоры  в  мире.  Для  упрощения
процедуры берут не все байты, а, скажем,
50 ближайших (реальная цифра), тогда вы-
числительных   способностей  Пентиума200
вполне хватит для восстановления  сигна-
ла, и тогда уже можно кидать это на ЦАП.
Например, в карте General Sound для  пе-
редискретизации стоит Z80 на 12мгц.  Пе-
редискретизация - по двум  соседним  от-
счетам, как получится, вернее, как успе-
ется. Реально 3-4-кратная.  Интерполяция
там не "по Котельникову", а  среднеариф-
метическая, но субъективно чистота звука
улучшается  очень  сильно.  Фильтров  же
после ЦАПов там нет никаких - им там уже
просто нечего восстанавливать.          
 Кстати, если кто непосредственно  срав-
нивал звучание GS и  Амиги,  мог  иногда
замечать, что на GS некоторые модуля иг-
раются подозрительно глухо, а  некоторые
- совершенно нормально. Это - прямой ре-
зультат передискретизации.   В  сэмплах,
цифрованных с частотой 8 килогерц,  выше
4 килогерц нет никакой  музыкальной  ин-
формации - поэтому все, что выше  -  по-
давляется передискретизатором. Вот  поэ-
тому и появляется "глухота".   Амига  же
поставляет вместе с  сэмплами  приличную
долю высокочастотного шума - отсюда  ка-
жущаяся звонкость. Если же сэмпл  цифро-
вали на 22 килогерцах, то разница  будет
уже почти незаметна.                    
                                        
 Известно, что на звуковые карты Пентиу-
мов200 не ставят. Не ставят их и в  про-
игрыватели CD. В проигрывателях CD  роль
цифрового фильтра-восстановителя  выпол-
няет специальный  сигнальный  процессор,
который только и умеет делать это.  A  в
РС и  Амигах  теперь  пишут  специальные
плейеры, которые с горем пополам  произ-
водят какую-то интерполяцию. О  ее  вер-
ности никто не знает, кроме авторов этих
программ. В одном я  уверен  -  фильтром
Котельникова там даже не пахнет, но звук
они улучшают. (Вернее не улучают, а уби-
рают откровенную цифровую грязь, а заод-
но и немалую часть истинной  музыкальной
информации, привнося свою, ложную).  Вот
теперь, чем выше передискретизация,  тем
чище звук. Именно чище, а не правильней!
Так что о живой музыке забудьте.        
 Еще огорчение - компьютер при  этом  не
может выполнять свою прямую  функцию  по
назначению - его процессор загружен поч-
ти до предела. Об интерполированной  му-
зыке в динамических играх пока что  речи
тоже нет.                               
                                        
 Теперь  развенчаю  еще  один  "цифровой
миф", порожденный, в основном, рекламной
кампанией. Это динамический  диапазон  в
9бдБ. Для тех, кто не знает - это  пока-
затель отношения максимального  и  мини-
мального уровней  громкости  в  системе.
Описывается выражением D=20*lg(мах/min).
 Если посчитать по этой формуле  динами-
ческий диапазон  16-битовой  системы, то
как раз и получим число 96. A что в  ре-
альности? У любой цифровой системы  есть
один принципиальный недостаток - при ма-
лом уровне громкости возникают, так  на-
зываемые, искажения  квантования.  Ведь,
чем меньше  громкость,  тем  меньше  бит
используется для преобразования! При ма-
лом уровне громкости старшие биты цифро-
вого слова сидят себе в нуле и слыхом не
слыхивают о сигнале. Получается,  что  с
тихими звуками  проблема.  Поэтому,  как
показала практика, звуки оцифрованные  с
уровнем -ЧOдБ, уже  не очень  похожи  на
настоящие, при  цифровке -бOдБ от  звука
остаются рожки да ножки... A какая музы-
ка без настоящих тихих звуков?   Реально
используемый динамический диапазон - 30-
ЧOдБ. Посему удел компьютерной музыки  -
одна технота да попса, так как она обла-
дает ислючительно узким D.  (В  проигры-
вателях  CD опять же борятся с этим раз-
ными  методами).                        
 Фанатам Амиги предлагаю самим посчитать
динамический диапазон 8-битовой  системы
(кстати, этого вполне хватает для эффек-
тов и сопроводительной музычки в играх).
 Так что, может быть, не будем так серь-
езно относиться к  компьютерной  музыке,
аудиокартам, music compo, ведь  все  му-
уровнем -ЧOдБ, уже  не очень  похожи  на
настоящие, при  цифровке -бOдБ от  звука
остаются рожки да ножки... A какая музы-
ка без настоящих тихих звуков?   Реально
используемый динамический диапазон - 30-
ЧOдБ. Посему удел компьютерной музыки  -
одна технота да попса, так как она обла-
дает ислючительно узким D.  (В  проигры-
вателях  CD опять же борятся с этим раз-
ными  методами).                        
 Фанатам Амиги предлагаю самим посчитать
динамический диапазон 8-битовой  системы
(кстати, этого вполне хватает для эффек-
тов и сопроводительной музычки в играх).
 Так что, может быть, не будем так серь-
езно относиться к  компьютерной  музыке,
аудиокартам, music compo, ведь  все  му-
зыкальные прибамбасы сделаны  для  того,
чтобы в игры было интересней играть. Или
я не прав?