1.4 Audio-CD s. Hoeveel bytes passen er op een audio-cd? bytes. Volgende vraag. Hoe kom je daar aan?

Transcriptie

1 1.4 Audio-CD s Hoeveel bytes passen er op een audio-cd? bytes. Volgende vraag. Hoe kom je daar aan? Simpele wiskunde. Een audio-cd is maximaal 74 minuten lang. Op zo n CD staan er altijd twee kanalen, een linker en een rechter, hence stereo. Je weet ook dat PCM audio een sample rate heeft van samples per seconde per kanaal, en dat elke sample een getal is van 16 bits. Dus op één seconde muziek, op één kanaal, zitten keer 16 bits. Over de twee kanalen zit dan het dubbel aantal bits: 2 keer keer 16 bits. Zestig seconden in een minuut - dat maakt dan 60 keer 2 keer keer 16 bits, voor één minuut muziek. Op een audio-cd passen 74 minuten muziek en dus 74 keer 60 keer 2 keer keer 16 bits. Dat wordt een beetje moeilijk hoofdrekenen, en daarom verander je die16 bits in 2 bytes. Eén byte is immers gelijk aan 8 bits. Maakt: bytes. Putjes Om bytes, of: 747 megabytes aan informatie op een schijfje van slechts 12 cm diameter te krijgen, moeten de individuele bits wel heel erg klein zijn. Als je de fysieke constructie van een CD van naderbij bekijkt, dan begrijp je hoe klein die bits zijn. Een CD is een eerder eenvoudig stuk plastic met een dikte van zo n 1,2 mm. Het grootste deel van een CD bestaat uit spuitgegoten doorzichtig polycarbonaat - doorzichtig plastic, met andere woorden. Op dit plastic schijfje wordt een indruk gemaakt van microscopisch kleine putjes die gerangschikt zijn als een enkele, continue, en bijzonder lange spiraalvormige track van data. Later meer over die putjes. Eens het doorzichtige plastic schijfje is gevormd, wordt er een dun, reflecterend laagje aluminium (of een ander metaal) op het schijfje gespoten. Het bedekt alle putjes. Daarna wordt er een dunne laag acryl op het aluminium gezet om het te beschermen. Een label wordt op het acryllaagje gedrukt. Een dwarsdoorsnede van een CD ziet er zo uit (niet op schaal getekend): Huenga.com/multimedia 1CM april 2005 koen.vlecken@plantijn.be p.13

2 De data op een CD staat in één enkele spiraalvormige track. Die track begint aan het centrum van het schijfje en loopt naar de buitenzijde. Omdat de track in het centrum begint, kan een CD ook kleiner zijn dan 12 cm. Er bestaan bv. plastic naamkaartjes die je in een CD-speler kan stoppen. Op zo n CD naamkaartje past 2 MB aan data, vooraleer de afmetingen en de vorm van het naamkaartje de spiraal afsnijdt. Aan de afbeelding hiernaast kan je niet zien hoe verschrikkelijk klein de data track is: 0,5 micron breed, met 1,6 micron tussen twee delen van de track (een micron is een duizendste van een millimeter). De langwerpige bultjes die de track vormen, zijn ieder 0,5 micron breed, minimaal 0,83 micron lang en 125 nanometer hoog (een nanometer is een miljoenste van een millimeter). Als je doorheen de polycarbonaatlaag heen naar de bultjes kijkt, zien ze er zo uit: We hebben eerder van putjes gesproken, in plaats van over bultjes. Dat komt omdat het putjes zijn aan de aluminiumzijde van de CD, maar aan de kant waar de laser ze leest, zien ze er uit als bultjes. De CD-speler Op een CD staat muziek of andere bestanden in binaire en digitale vorm: de informatie op een CD staat in een reeks van nullen en enen. Deze nullen en enen worden voorgesteld door kleine bultjes enerzijds en het vlakke gebied op het reflecterende CD oppervlak, anderzijds. De bultjes en de vlakke gebieden zijn geordend in een continue track die 0,5 micron breed is, en 5 km lang. Een CD-speler volgt deze track met een laser. Wanneer de laser over een vlak gebied gaat, wordt de laserstraal rechtstreeks gereflecteerd naar een optische sensor. De CD-speler interpreteert dit als een 1. Wanneer de laser over een bultje gaat, wordt het licht weg gereflecteerd en valt er geen licht op de optische sensor. De CD-speler herkent dit als een 0. Huenga.com/multimedia 1CM april 2005 koen.vlecken@plantijn.be p.14

3 Een CD-speler leidt een kleine laser langs het data spoor van een CD. Bij een gewone CD wordt het laserlicht gereflecteerd door de vlakke gebieden, of: lands. De bultjes doen het laserlicht afbuigen zodat het niet naar het laseronderdeel wordt weerkaatst. De bultjes zijn gerangschikt in een lange spiraalvorm die in het midden van de CD begint. De CD-speler draait het CD schijfje rond en gelijktijdig beweegt het laseronderdeel vanaf het centrum van de CD, langzaam naar buiten. Als de CD met een contstante snelheid ronddraait, passeren de bultjes die zich aan de buitenzijde van de CD bevinden, veel sneller dan de bultjes die zich dicht bij het centrum van de CD bevinden. Opdat alle bultjes met contstante snelheid aan de laser zouden paseren, moet de CD-speler de snelheid van het ronddraaien vertragen naar mate het laseronderdeel naar buiten beweegt. Huenga.com/multimedia 1CM april 2005 p.15

4 Data formaten Met hele precieze lasers of met heel precieze metalen mallen creëer je een patroon van reflecterende en minder-reflecterende gebiedjes; m.a.w. een opeenvolging van enen en nullen. Dit principe zo elementair dat je eender welke digitale informatie op een CD-schijfje kan zetten. Je bent niet gebonden aan beperkingen inzake het soort patroon dat je op CD zet. Als je wil dat je data ook toegankelijk is voor een ander CD-station, of CD-speler, dan moet je die data in een begrijpbare vorm opslaan. De gevestigde norm voor muziek-cd s (of: CD-DA) wordt ook Red Book genoemd. Het beschrijft de eigenschappen van een compact disc en van digitale audio encodering: In 1980 door Philips en Sony gedefinieerd, en gepubliceerd in een rode kaft, vandaar de naam Red Book. De standaard is nodig opdat een CD van eender welke fabrikant, door eender welke CD-speler kan gelezen worden. Red Book vormt de basis van alle latere CD-formaten, die zijn o.a.: CD-ROM, ook Yellow Book genoemd. Later kwam er een standaard bij voor het opslaan van bestanden op CD-ROM: het ISO 9660 file interchange format. Orange Book, part II, dat o.a. de CD-R omschrijft. Orange Book, part III, voor de CD-RW. Het is onmogelijk een CD te maken waarvan elke bultje intact is. Nochtans hebben kleine fouten die bij het fabricatieproces ontstaan, geen invloed op de afspeelbaarheid van een CD. Zelfs kleine krasjes die uit normaal gebruik voortkomen, zijn toelaatbaar. Het Red Book formaat is namelijk speciaal ontworpen om het effect van datafouten te minimaliseren. Het doet dit door de digitale data nauwkeurig te schikken en te mengen met een hele hoop extra digitale informatie: 1) Omdat de laser de bultjes gebruikt om de track te volgen, kan er geen al te grote spatie zijn tussen twee opeenvolgende bultjes. Om te voorkomen dat de laser aldus het spoor bijster raakt, wordt de data op een CD in EFM (eight-fourteen modulation) gezet. EFM zet bytes van 8 bits om naar een noteringwijze met 14 bits. EFM voegt bits toe, en garandeert zo dat er niet meer dan drie opeenvolgende bits de waarde 1 hebben. 2) Opdat de laser van het ene naar het andere nummer zou kunnen springen, moet er tussen de muziek data staan die de CD-speler vertelt waar op het schijfje de laser zich bevindt. Deze data wordt subcode data genoemd, of: subcode kanalen. Subcode data vermeldt de absolute en de relatieve positie van de laser in de track, en kan ook dingen zoals songtitels bevatten. Nog voor het begin van het eerste nummer, in een gebied dat de lead-in wordt genoemd, staat er een inhoudstabel (of: TOC, table of contents). Die inhoudstabel vertelt de speler waar op de CD de verschillende nummers staan. Huenga.com/multimedia 1CM april 2005 koen.vlecken@plantijn.be p.16

5 Audio-CD s kunnen maximaal 99 muziektracks bevatten. Elke track kan verschillende indexen hebben. Zo wordt de 2 seconden-pauze tussen twee nummers geregeld door twee indexen aan het begin van een track. 3) CIRC (Cross Interleaved Read-Solomon Code) voegt informatie toe om eventuele fouten te corrigeren, en het vlecht de data ook dooreen. o o Omdat de laser wel eens een bultje verkeerd zou kunnen lezen, zijn er fouten-correctiecodes nodig om foutieve bits te kunnen detecteren en te corrigeren. Die correctiecodes zorgen voor extra bits. Het opgenomen geluid wordt in niet-sequentiële volgorde geëncodeerd. Op een CD staat de data in een door elkaar geweven patroon, of: interlaced. Dankzij het door elkaar weven van data wordt de kans op dataverlies sterk beperkt. Als een kras of een vuiltje een deel van de track onleesbaar maakt, dan worden verschillende bits uit verschillende delen van een nummer beschadigd, in plaats van een heel segment opeenvolgende bits. Omdat er slechts kleine onderdelen uit een segment beschadigd zijn, is het voor de CD-speler veel makkelijker om over de kras of het vuiltje heen te lezen. Een CD-speler leest telkens slechts één rondje, en stopt dan de door elkaar geweven data terug bij elkaar. Om het principe van het door elkaar weven te illustreren, nemen we volgende rij karakters: U N I V E R S I T Y O F W A S H I N G T O N Veronderstel dat een kras verschillende lettertekens uitwist. R S I T Y O F W A S H I N G T O N Huenga.com/multimedia 1CM april 2005 koen.vlecken@plantijn.be p.17

6 Het is nu heel moeilijk om het eerste deel van het woord te reconstrueren. Stel nu dat je eerst de letters van het oorspronkelijke woord door elkaar had geweven: U N I V E R S I T Y O F W A S H I N G T O N O N S T H U G R F S I I O T W N N V E I Y A Als je het dan beschadigt: U G R F S I I O T W N N V E I Y A En daarna de letters terug in de juiste volgorde zet, oftewel: de door elkaar geweven letters terug bij elkaar zet: U N I V E R I Y O F W A S I G T N Het is nu veel makkelijker om de ontbrekende letters te interpoleren, of: te raden. Als er paar bits fout worden gelezen op een audio-cd, dan hoor je in het ergste geval een klein geluidje. Op een CD-ROM daarentegen is elk data foutje catastrofaal. Daarom staan er op een CD-ROM nog bijkomende foutencorrectie codes. Huenga.com/multimedia 1CM april 2005 koen.vlecken@plantijn.be p.18

7 1.5 CD-R Het verhaal met de putjes (of bultjes) gaat alleen op voor een audio-cd die in een fabriek is gemaakt. Maar naast zulke CD s bestaan er ook CD-recordable discs, of: CD-R s, en die hebben geen bultjes. In de plaats daarvan is de reflecterende metaallaag volledig vlak. Onder de reflecterende laag zit een polymeer laagje. Wanneer de CD onbeschreven is, is die laag doorschijnend: licht schijnt er door en reflecteert op het metalen oppervlak. Als je de laag opwarmt met een brand-laser, dan wordt de laag ondoorzichtig. Een CD-R heeft geen bultjes zoals een conventionele CD. In de plaats daarvan zit er een polymeerlaagje onder een (vlak) reflecterend oppervlak. Op een onbeschreven CD is de laag volledig transparant, zodat alle licht reflecteert. De schrijf-laser verdonkert de plaatsen waar er op een conventionele CD bultjes zouden zitten, en vormt zo niet-reflecterende gebiedjes. Een CD-brander bezit twee lasers. Behalve een lees-laser, heeft het bovendien een brand-laser. De brand-laser is krachtiger dan de lees-laser: het verandert het oppervlak. Lees-lasers zijn niet krachtig genoeg om het laagje te verdonkeren. Bijgevolg zal het afspelen van een CD-R het schijfje niet beschadigen. De brand-laser verdonkert het materiaal om een 0 te creëren, en laat het transparant om een 1 te creëren. Dit digitaal patroon kan door een standaard CDspeler gelezen worden. Het laserlicht van de CD-speler reflecteert naar de sensor enkel op die plaatsen waar de laag transparant is. Alhoewel een CD-R geen bultjes heeft, gedraagt het zich dus net als een conventionele CD. De meeste CD-branders kunnen aan meervoudige snelheden CD s branden. Aan 1x de snelheid draait de CD bij het branden even snel rond als bij het afspelen. Dit betekent dat het zowat 60 minuten duurt om 60 minuten aan muziek op te nemen. Aan 12x de snelheid zou het 5 minuten in beslag nemen. Voor grote brandersnelheden heb je vooruitstrevender laser controle systemen nodig en ook een snellere verbinding tussen je computer en de CD-brander. Je hebt ook een blanco CD-schijfje nodig dat geschikt is om op te nemen aan deze snelheid. Huenga.com/multimedia 1CM april 2005 koen.vlecken@plantijn.be p.19

8 1.6 SACD / DVD-A Vijfentwintig jaar geleden is het ondertussen, dat Philips en Sony de krachten bundelden om de Compact Disc op de markt te brengen. Toen durfde niemand zijn hand in het vuur steken voor een wereldwijd succes van het blinkende schijfje. Het succes kwam er toch en de CD doet ondertussen dienst voor een veelheid aan formaten: CD-ROM, PHOTO-CD, VIDEO-CD... En daar komt nu het formaat bij voor meerkanaalsgeluid. Met minstens vijf luidsprekers die het geluid uit alle richtingen op je afsturen, en natuurlijk een subwoofer voor de bassen. Dat alles leidt tot een ervaring alsof je zelf midden in een concertzaal staat. Helaas slaagt de industrie er niet in om een gezamenlijke standaard te ontwikkelen. Op dit momenteel zijn zowel SACD als DVD-audio in de running om de standaard te worden. Op het eerste gezicht is er geen verschil tussen een gewone audio-cd en de twee nieuwe geluidsschijfjes: blinkend en 12 centimeter doorsnede. Het verschil hoor je wel. Ten eerste is er ruimte genoeg op de schijven voor meerkanaalsgeluid (ieder kanaal moet een eigen spoor hebben). Ze leveren ook een veel rijkere klank omdat ze een hogere sampling frequentie hebben. Dat is vooral belangrijk voor de weergave van hoge tonen, zoals bij een triangel en cimbalen. Goed om weten en zeker niet onbelangrijk: de grote meerderheid van de mensen hoort het verschil in die hoge tonen helemaal niet. De Super Audio-CD is een CD die uit twee lagen bestaat. Als je spreekt over een hybride-sacd bevat de eerste laag stereomuziek en staat er op de tweede dezelfde muziek, maar dan in zes (5.1) sporen.technisch komt het erop neer dat een gewone CD-speler enkel de eerste laag kan lezen, terwijl de laser van een SACD-toestel de tweede laag leest. Op die eerste (stereo-)laag past 780 MB of 74 minuten muziek. Op de tweede (meerkanaals-)laag stouwt de SACD tot 4,7 GB zoals op een DVD. Toch past ook op die tweede laag maar 74 minuten muziek, maar in betere kwaliteit. Naast deze hybride versies, zijn er ook SACD's die geen gewone stereolaag bevatten en dus enkel op een SACD-toestel kunnen worden gelezen. Het voordeel is dan dat beide lagen gebruikt kunnen worden voor meerkanaalsgeluid, goed voor 148 minuten muziek (74 op elke laag). DVD-audio is de geluidsvariant van DVD-video. De schijven zijn leesbaar door de high-end DVD-spelers die je onder andere vindt in de duurdere homecinemasystemen. Ook op DVD-audio past 74 minuten per laag en zijn er twee lagen. Hybride-varianten die ook leesbaar zijn met een gewone CD- of DVD-speler zijn er nog niet, maar zijn wel in ontwikkeling. Een DVD-audio kan trouwens ook beeldfragmenten en datagegevens bevatten. Het verschil tussen DVD-audio en PCM (Pulse code modulation, de encoding methode op audio-cd's) is nochtans significant. DVD-audio kan een sampling frequentie hanteren tot 192 KHz, terwijl PCM bij 44.1 KHz blijft steken. Het is dankzij de extra capaciteit op een DVD-schijfje dat dergelijke hoge kwaliteit kan gehaald worden. Huenga.com/multimedia 1CM april 2005 koen.vlecken@plantijn.be p.20

9 Wie ondersteunt wat? De fabrikanten zijn een beetje verdeeld over de twee technieken. Aan de kant van DVD-audio vind je Matsushita Electronics met de merken Panasonic,Technics en JVC, gesteund door Toshiba. SACD is dan weer de standaard van Philips en Sony met de steun van Yamaha en Sharp. Daarmee is de kous niet af, want ook de platenmaatschappijen zijn verdeeld. Sony Music, Universal en Virgin kozen voor SACD, terwijl EMI voor DVD-audio gaat. SACD en DVD-audio zijn vandaag enkel bedoeld voor rijke audiofielen. Zij die zowel een gehoor hebben dat het verschil onderscheidt als het geld om de apparaten én de schijfjes aan te schaffen. Op termijn is het de bedoeling van zowel de fabrikanten als de platenmaatschappijen om de audio-cd te vervangen. SACD en DVD-audio zijn niet goedkoop. Je hebt ten eerste de prijs van het toestel, waarbij je er rekening mee moet houden dat de meeste players enkel één van de twee standaarden aankunnen. Daarnaast heb je uiteraard nog vijf luidsprekers en een subwoofer nodig. Met al die luidsprekers ben je nog niets als je geen surroundversterker hebt. Bijkomende factor: om de volle rijkdom van het geluid te krijgen, moet alles nog eens van zeer goede kwaliteit zijn. Reken dus maar op minstens 2.000, en weet dat het kan oplopen tot Er zijn al titels beschikbaar in de winkel, zowel op SACD als DVD-audio. Maar je moet een beetje zoeken om ze te vinden en je zal geen grote hoeveelheden tegenkomen. Bovendien zijn het vaak compilatie-cd's of heel bekende albums. Zo vind je onder andere enkele symfonieën van Bach, jazz van Louis Armstrong, pop met A Night at the Opera van Queen... Niet zo bijster interessant omdat dit hernemingen zijn van oude opnamen, die dus niet speciaal gemaakt zijn voor de nieuwe standaarden. Ze werden enkel opnieuw gemasterd. Op die manier begrijp je wel waarom sceptici niet overtuigd zijn van de, nochtans met veel bravoure aangekondigde, heruitgave van de eerste albums van de Rolling Stones. Op dit ogenblik is het niet duidelijk of de twee formaten gaan doorbreken. Eén ding is wel zeker: in een oorlog rond standaarden zijn er op langere termijn nooit twee winnaars. In tegendeel, meestal verliest iedereen ten nadele van een nog nieuwere variant. Dat zal hier ook wel gebeuren. Je kunt immers op geen van beide varianten mikken, omdat er te veel kans is datje investering voor niets is geweest. Een nieuw formaat dat door de hele industrie wordt ondersteund, is haalbaarder. De enige echte reden om SACD en DVD-audio op de markt te brengen,vind je aan de commerciële kant. Er zijn drie aspecten: de mogelijkheid voor de fabrikanten om nieuwe toestellen te verkopen, een ideale gelegenheid voor platenmaatschappijen om nog eens dezelfde muziek te verkopen op een nieuw formaat en uiteraard ook om piraterij tegen te gaan. Een SACD of DVD-audio kopiëren vergt al veel meer moeite dan bij een gewone CD. De nieuwe standaarden worden zelfs geacht niet kopieerbaar te zijn. Maar het zou ons verbazen dat die stelling overeind blijft. Je moet je CD s nog niet vaarwel zeggen. Zowel de SACD-als de DVDaudiotoestellen lezen ook de traditionele audio-cd zonder problemen. De Compact Disc is dan ook nog een heel lang leven beschoren. En als de meerwaarde van SACD en DVD-audio zo klein blijft, zal de CD ze wellicht beide overleven. Huenga.com/multimedia 1CM april 2005 koen.vlecken@plantijn.be p.21