栗子現場直播 千篇一栗
有很多簡單的道理,若不是被遺忘,不是察覺不到,就是知易行難。

2009年4月19日 星期日

黑膠

  好像是自從 DonKat 開始,我才開始認識音頻的數碼格式。對於音頻的原理,我還只是菜鳥一名。如有錯漏請多多指教。

  如果說到記錄音頻的方法,很多人都會說,黑膠會比 CD 好。到底為何黑膠會比 CD 好呢?現在我說一說其原理。
  黑膠記錄音頻的方法,和 CD 全然不相同。黑膠是利用物理上的高低起伏來記錄聲音,而 CD 則是利用 PCM 格式,把每秒的聲音分拆成 44100 個 sample ,每個 sample 可以有 16bit (65536) 級的變化。如果以攝影來做比喻, CD 就像是一張把畫面以 NxN pixel 保存的 bmp 檔案,而黑膠就是菲林片...這個例子似乎還是比較難以理解...
  就是由於記錄的方式不同,黑膠的質量會比 CD 高──如果黑膠的製作過程精度極高,也不會變形的話。

  到底黑膠要有多大的變形,才會產生比 CD 更大的失真度呢?我上網挖了 wikipedia ,做了一點資料搜集。
  就以最低密度,最高保真度的黑膠唱片來說,直徑是 30cm ,每分鐘 78 轉。就以這片黑膠唱片最低密度,最高保真度的邊緣區域計算,每秒大慨是移動 1.23m 。至於深度,由於找不到數據,假設是 1mm 。
  如果要做到比 CD 更高的保真度,這黑膠碟在時間軸上,不能有高於 2.778E-05m (27.78μm) 的誤差。而在深度上,不能有高於 1.526E-08m (15.26nm) 的誤差。
  失禮一點說,只要在這黑膠碟上打個噴嚏,或者在一個有塵埃濕氣的環境下放上一小時,或者像撥扇那樣撥上一兩下,被熱風筒吹一會,甚至在生產上出現了以納米為單位的誤差,在播放的時候輕輕地刮花了一下,這黑膠碟基本上就玩完了──擁有比 CD 更高的失真。

  儲存媒體不斷進步。以前的光學媒體是 CD ,後來是 DVD ,然後是 BD 。可能是由於技術及成本上的問題,從來沒有人提出過用 DVD 及 BD 來播放 PCM 的想法。如果不提高播放長度,純粹提高 sample 的密度, BD 可以做到 1575000 Hz 的密度。對比起黑膠碟,則在時間軸上等同於 7.779E-07m (777.9nm) 的精度。如果時間長度不變,Hz數減半 (787500Hz) ,sample bit提升到32 bit,時間軸精度會是 1.556E-06m (1.556μm) ,深度精度會是 2.328E-13m (232.8fm) ,比納米還要小上數千倍。這個數式只是以單面的 BD 計算,還未把多面的 BD 的加乘計算在內。

  另外,人耳對聲音的感知,是以比例上升的。20分貝是10分貝的十倍,而30分貝是20分貝的十倍。如此,比起時間軸的密度,音波高低起伏的精度則顯得更重要。當 PCM 的高低起伏精度提升至 128bit ,黑膠則要把精度提升到 2.94E-42m 才能與之相提並論,但實際上並不可行,因為這個長度比夸克世界還要小。

  現在這裡有個比較天方夜譚的數:要做到時間軸 32bit (4294967296Hz) 的精度,深度 128bit 的精度。那麼,單軌每秒的資料必須達到 6.87E+10byte (68.7GB),立體聲雙軌達到 1.37E+11byte (137GB,比4層BD還多),要播放 80 分鐘的音樂需要 6.60E+14byte (660TB,3299張8層BD)。每個 bit 的平均距離是 1.46E-11m ,比納米還要小,似乎很難做到。

  即使精度去到這麼深,但如果擴音器本身未能去到這個精度,在儲存裝置上的所有努力只會付諸流水。另外,即使擴音器能克服電壓的精度問題,金屬接觸點的精度問題,擴音器電磁鐵的精度問題,大氣電波干擾的精度問題,最後的問題還是來自聲音的本質:空氣。在隨機飛舞的空氣面前,再高精度的聲音也只會淪為空談。

  最後,我想說的是一個我近來發現,而叫我感到奇怪的媒體:SHM-CD。
  SHM-CD 聲稱透過更先進的物料,使資料讀入更準確。但是,在數碼格式上,單憑「更準確」的資料讀入,如果 Hz 數沒有提升, sample bit 沒有提升,是無助於音質的提高。 SHM-CD 有沒有提升 Hz 數和 sample bit 呢?我完全找不到相關資料。除了「物料改進」以外,我找不到它和一般 CD 會有甚麼分別。
  因此,同一個 sound track ,無論是 CD , SHM-CD ,甚至是 iso image ,只要大家都是 44100Hz 16bit ,只要資料完全一樣,那麼,讀到機器 byte buffer 區的二進位資料也該完全一樣,播出來的聲音也該完全一樣。
  但為何會某些網站會說 SHM-CD 能改善音質,甚至「很黑膠」?實在是鄙夷所思。

2 則留言:

Andy Li 提到...

聽聞街上賣的cd是「壓」出來的,在轉動時不會很stable, 所以會有很多read error(就像你之前9個不同的md5). 不過科技進步,這類問題應該比較少吧...

我也聽過有器材可以把cd的邊磨成slope, 令轉動更stable來提昇音質。

栗子捌貳 提到...

如果 CD 不夠 stable 的話,產生的問題不只是音質問題這麼簡單,而是更大殺傷力的跳線和爆音的效果。在二進制的世界裡,差一個bit就已經是天淵之別。

另外,無論 CD 是用了多麼穩定的材質也好,還是不能擺脫 44100Hz 16bit 的局限。

再者,如果普通 CD 真的這麼不穩定,拿它來安裝 OS 就麻煩大了。雖然這幾天我也開始感到不安...