• Thứ Ba, 16/12/2003 16:08 (GMT+7)

    Trung thực và sống động


    Số hóa âm thanh cho phép nâng cao chất lượng và làm giàu hiệu ứng âm thanh, giúp phổ biến âm nhạc rộng rãi. Những thành tựu của công nghệ âm thanh số đủ sức mang không gian nhà hát đến phòng giải trí của gia đình bạn.
    Bản chất của âm thanh tự nhiên là sóng liên tục nên ý tưởng ban đầu để ghi lại âm thanh được bắt nguồn từ kỹ thuật analog. Thomas Edison đã chế tạo thành công máy quay đĩa (phonograph) đầu tiên vào năm 1877 cho phép ghi và phát lại âm thanh. Âm thanh được hứng qua một ống hình phễu, màng cuối phễu rung làm cho đầu kim nhọn di chuyển và khắc lên trục được mạ thiếc đường rãnh liên tục. Khi phát, đầu kim di chuyển theo đường rãnh trên trục khiến cho màng dao động, phát ra sóng âm. Năm 1887, Emil Berliner cải tiến sản phẩm của Edison, dùng đĩa phẳng thay cho trục mạ thiếc để tăng thời gian lưu nhạc. Máy cassette cũng sử dụng kỹ thuật ghi âm tín hiệu tương tự trên băng từ và có ưu điểm: gọn nhẹ, cơ động, thao tác nhanh và có thể xóa đi ghi lại được.
    Tuy nhiên, độ trung thực của kỹ thuật ghi âm tương tự chưa cao, âm thanh tái tạo bị xen tạp âm và suy giảm chất lượng theo số lần sử dụng.

    Số Hóa Âm Thanh

    Mục đích chính của ghi âm kỹ thuật số (ghi âm số) là tăng độ trung thực cho âm thanh, bằng cách giảm sự sai biệt giữa tín hiệu gốc với tín hiệu tái tạo, đồng thời đảm bảo chất lượng âm thanh ổn định giữa các lần phát.
    Ghi âm số chuyển hóa thông tin dạng sóng của âm thanh thành chuỗi số nên cần đến ADC (analog-to-digital converter - bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số) và DAC (digital-to-analog converter - bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự). Tính chất, khả năng của ADC và DAC quyết định rất nhiều đến chất lượng âm thanh cuối cùng.
    ADC thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu từ dạng tương tự sang dạng số bằng cơ chế lấy mẫu; đây là cơ chế được ứng dụng phổ biến trong ngành kỹ thuật số chứ không chỉ riêng cho sóng âm thanh. Hình minh họa cơ chế PCM cho thấy độ trung thực của tín hiệu tái hiện được quyết định bởi tỷ lệ mẫu và độ chính xác mẫu. Tỷ lệ mẫu thể hiện số giá trị mẫu được lấy trong một giây. Độ chính xác mẫu thì thể hiện số mức qui chiếu khi lấy mẫu. Tăng tỷ lệ mẫu và độ chính xác, mức trung thực được nâng lên nhưng đồng thời cũng làm tăng dung lượng lưu trữ.
    Để ghi lại 1 giây âm thanh có chất

      CÁCH BIỆT VỀ CHẤT LƯỢNG MÃ HÓA

    lượng CD, bạn cần 1,4 Mb dữ liệu. CD âm thanh của thập niên 80 sử dụng công nghệ PCM (Pulse Code Modulation - biến điệu mã xung) mã hóa ở mức 44.100 mẫu/kênh/giây (44,1KHz) và mỗi giá trị mẫu được lưu thành 2 byte với 65.536 mức qui chiếu mẫu. Vì thế, dung lượng 650MB hiện nay của CD chỉ đủ để lưu trữ 74 phút âm thanh chất lượng CD.
    CD có chất lượng âm thanh thật sự vượt trội so với đĩa nhựa, băng từ được sử dụng trước đây mà lại gọn, bền, cơ động nên nhanh chóng trở thành phương tiện lưu trữ âm thanh phổ biến. Âm thanh CD được mã hóa thành 2 kênh độc lập cho loa trái/phải để tạo được hiệu ứng stereo, Hi-Fi. Tuy nhiên, trong quá trình biến đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, chuẩn âm thanh CD đã lọc bỏ đi dải tần số trên 20KHz.
    Giới công nghệ muốn ghi nhận trung thực âm thanh thì phải tăng tỷ lệ và mức chính xác khi lấy mẫu, nhưng lại vướng mắc về dung lượng lưu trữ. Vật chứa mới và kỹ thuật nén là hai giải pháp đang được tập trung phát triển hiện nay.

     

    Nén Dữ Liệu Âm Thanh
    Năm 1987, dựa trên dự án Digital Audio Broadcasting (DAB), đoạt giải thưởng Eureka EU147, Fraunhofer IIS-A hợp tác với giáo sư Dieter Seitzer (Đại Học Erlangen) đã đưa ra giải thuật ISO-MPEG Audio Layer-3 (IS 11172-3 và IS 13818-3) rất mạnh. Đây chính là cơ sở tạo nên trào lưu nhạc nén MP3 hiện nay.

        KIẾN TRÚC MÃ HÓA MP3

    Trước đó đã có chuẩn MPEG layer-1, layer-2 nhưng độ tương thích và khả năng nén không cao bằng chuẩn mới này. Mức nén cao nhất của MPEG layer-1 và layer-2 lần lượt là 1:4, 1:8, trong khi layer-3 nén được 1:12 mà vẫn đạt chất lượng tương đương CD và tương thích hoàn toàn với các layer trước (xem bảng 'Mức nén MPEG'). Nhờ mức nén cao, dung lượng tập tin một bài hát nhỏ xuống còn vài chục KB nên tập tin âm thanh có thể trao đổi qua mạng dễ dàng, nhanh chóng. Nhờ vậy, các website cho tải nhạc MP3 miễn phí như Napster, AudioGalaxy Satellite... phát triển bùng nổ.
    Trong chuẩn nén video MPEG-4 sắp công bố, âm thanh được mã hóa có cấu trúc (MPEG-4 Structured Audio). Đây là phương pháp tổng hợp hoàn toàn khác biệt so với các chuẩn quốc tế hiện nay do Media Lab (Đại Học MIT, Mỹ) đưa ra. Chuẩn hiện tại mã hóa âm thanh theo chuỗi bit, còn Structured Audio thì lưu nội dung cùng thông tin dẫn xuất dưới dạng chương trình máy tính và cho phép chuyển đổi thành âm thanh chất lượng tương đương CD trên PC. Truyền nhận chương trình máy tính dễ dàng hơn nhiều so với dữ liệu dạng chuỗi bit, tác động tích cực đến ngành truyền thông đa phương tiện trên mạng. Bạn có thể tham khảo thêm tại sound.media.mit.edu/mpeg4.

     

    Nâng Cao Dung Lượng
    Năm 1999, Sony và Philips đưa ra chuẩn SACD, còn Diễn Đàn DVD (DVD Forum) giới thiệu DVD Audio.


    Sony DAV-S500 Hỗ trợ SACD

    SACD (Super Audio Compact Disk) sử dụng công nghệ DSD (Direct Stream Digital - số hóa theo dòng trực tiếp) với tỷ lệ lấy mẫu là 2,8224MHz, ghi âm không dùng bộ lọc nên chất lượng âm thanh ghi nhận rất đầy đủ, chính xác. Dải âm vực (dải tần số âm thanh mà tai người có thể nhận biết được) của SACD là 120dB. Hiện tại sản phẩm Sony DAV-S500 hỗ trợ SACD có giá khoảng 9 triệu đồng. Thời lượng SACD cao gấp bốn lần CD, lưu từ 2 đến 6 kênh âm thanh; cho phép lưu thêm chữ, hình ảnh, khóa bảo vệ bản quyền... Tham khảo thêm 'SACD sẽ thay thế CD', PC World A 5/2002, trang 64.
    Vẫn sử dụng cơ chế PCM nhưng DVD Audio dùng định dạng nén MLP (Meridian Lossless Packing) không làm mất dữ liệu của Meridian Audio. MLP có khả năng nén khối dữ liệu PCM chưa nén xuống một nửa mà không hề lọc bỏ bất cứ thông tin nào; cả Dolby Digital và DTS đều đang sử dụng phương pháp nén có lọc bỏ thông tin. Nói cách khác, phương pháp nén MLP cho phép bộ giải mã tái tạo lại tín hiệu gốc chính xác đến từng bit.
    DVD-Audio lưu âm thanh theo 6 kênh 24-bit/96KHz độc lập (gồm cả hai kênh bass tần số thấp) hoặc 2 kênh 24-bit/192KHz; tái hiện được âm vực lên đến 144dB, trong khi CD chỉ thể hiện đến 96dB. Vì vậy, bạn có thể phân biệt chính xác âm thanh của từng nhạc cụ và cảm nhận được không gian hòa nhạc.
    Cả hai định dạng DVD-Audio, SACD đều chưa phổ biến rộng rãi vì số đĩa và đầu phát tương thích chưa nhiều. Ngoài Sony và Philips, SACD đang nhận được sự ủng hộ của Accuphase, Aiwa, Denon, Kenwood, Marantz và Sharp. Các đầu DVD hiện nay trên thị trường Việt Nam chưa hỗ trợ DVD-Audio. Nhưng card âm thanh Sound Blaster Audigy 2 của Creative có thể giúp bạn nghe DVD-Audio với ổ đọc DVD 6X thông thường trên máy tính.

    Tạo Hiệu Ứng Không Gian
    Tiến bộ trong phương pháp điều chế tín hiệu tương tự sang tín hiệu số - tương ứng với định dạng CD-Audio, SACD và DVD-Audio - giúp ghi nhận trung thực hơn nguồn âm thanh thực tế. Nhưng để tái hiện đúng âm thanh, thiết bị DAC và hệ thống loa cũng đã được đầu tư nghiên cứu. Dolby Laboratories vẫn đi đầu trong lĩnh vực này.


     Sơ đồ loa 6.1

    Dolby Surround là tên gọi của quá trình mã hóa ma trận dùng 2 kênh âm thanh stereo để lưu thông tin âm thanh cho từng kênh trái, giữa, phải và vọng (surround). Chỉ có bộ giải mã Dolby Pro Logic mới tách được dữ liệu mà Dolby Surround đã mã hóa ra thành 4 kênh âm thanh riêng biệt ứng với loa trái, phải, giữa và vọng; thiết bị không có bộ giải mã Pro Logic vẫn có thể phát nhưng âm thanh chỉ đạt mức stereo.
    Dolby Pro Logic II, phát triển từ Pro Logic, có khả năng giải mã nguồn âm thanh stereo bất kỳ thành 5 kênh âm thanh tách biệt tương ứng cho hệ loa trái, phải, giữa, vọng trái và vọng phải; trong khi chuẩn Pro Logic chỉ xuất ra một kênh vọng. Khác với Pro Logic, Pro Logic II không yêu cầu âm thanh nguồn phải mã hóa Dolby Surround và̀ nâng cao chất lượng cho cả nguồn âm thanh không mã hóa như CD.

    Giải pháp mã hóa nhiều kênh âm thanh trên 2 kênh stereo chỉ là giải pháp quá độ khi dung lượng còn bị giới hạn, chủ yếu sử dụng cho CD nhạc, phim VCD, băng từ. Trong đĩa DVD, truyền hình cáp kỹ thuật số, vệ tinh, âm thanh được lưu thành nhiều kênh độc lập, đầy đủ với mục tiêu tạo lập được không gian nhà hát ngay tại phòng giải trí gia đình. DTS (digital theater system) và Dolby Digital đang là hai chuẩn âm thanh đa kênh phổ biến nhất.
    DTS được nhà khoa học Terry Beard đưa ra năm 1990, sau đó Universal Studios nhận tài trợ và ứng dụng lần đầu tiên trong phim Jurassic Park (Công viên kỷ Jura) năm 1993. Dolby Digital dĩ nhiên vẫn là sản phẩm của Dolby Laboratories. DTS và Dolby Digital đều lưu thông tin độc lập cho từng kênh âm thanh nên phải dùng cơ chế mã hóa âm thanh kỹ thuật số có lọc bỏ thông tin để giảm dung lượng. Điểm khác biệt chính giữa DTS và Dolby Digital là tỷ lệ dữ liệu lưu trữ. DTS được thiết kế với tỷ lệ 1.411Kbps, nhưng trong phim DVD thường được dùng ở mức 754Kbps hoặc 1.509Kbps. Tùy theo số kênh âm thanh và đặc tính ứng dụng, Dolby Digital mã hóa với tỷ lệ từ 192Kbps đến 448Kbps mà vẫn đảm bảo được chất lượng nhờ áp dụng thêm nhiều công nghệ nén dữ liệu độc quyền khác. Chuẩn Dolby Digital đang được ứng dụng phổ biến trong phim DVD và rạp chiếu phim.
    Dolby Digital 4.1 và 5.1 là hai phiên bản khác nhau của Dolby Digital được thiết kế ứng với hệ thống loa 4.1 (trái, phải, giữa, vọng, siêu trầm) và 5.1 (trái, phải, giữa, vọng trái, vọng phải, siêu trầm). Loa siêu trầm, được biểu diễn .1, có chức năng tạo âm bass vang, mạnh để thể hiện tốt hơn tiếng trống, tiếng nổ...
    THX (Tomlinson Holman eXperiment) là một trường hợp đặc biệt. Ban đầu, THX được đạo diễn George Lucas dùng để chứng nhận cho hệ thống thiết bị rạp hát thể hiện chân thực, đầy đủ hiệu ứng âm thanh của phim Star War. Về sau, nó được phát triển để chứng nhận chất lượng cho hệ thống âm thanh rạp hát thỏa mãn được yêu cầu khắt khe về công suất, tần số đáp ứng,... do giới công nghệ điện ảnh và game đưa ra.
    Hệ thống loa 5.1 chưa làm hài lòng các nhà phát triển âm thanh, họ đưa ra chuẩn Dolby Digital Surround EX và THX Surround EX hỗ trợ hệ thống loa 6.1 và 7.1 nhằm tăng thêm số loa vọng, giúp thể hiện âm thanh máy bay lượn vòng, tiếng động di chuyển sau lưng... tốt hơn. Kênh vọng bổ sung được tổng hợp từ hai kênh vọng trái, vọng phải nên sản phẩm theo hai chuẩn mới này hoàn toàn có khả năng tương thích với hệ thống thiết bị 5.1.
    Gần đây, Dolby Laboratories vừa giới thiệu chuẩn Dolby Digital Virtual Speaker và Dolby Pro Logic II Virtual Speaker cho phép dùng hệ thống hai loa để tạo hiệu ứng tương đương hệ thống loa 5.1. Dựa trên hai nguyên lý: âm thanh có định hướng, phản xạ và hai sóng ngược pha sẽ triệt tiêu nhau, tín hiệu âm thanh gốc được mã hóa và tổng hợp lại để phân định vùng âm thanh riêng cho từng kênh. Ví dụ, tín hiệu kênh loa phải chỉ được tái hiện trong vùng bên phải người nghe; tại các vùng còn lại, sóng này sẽ bị triệt tiêu bởi sóng ngược pha.

    Biến Máy Tính Thành Trung Tâm Giải Trí Số
    Một số nhà sản xuất card âm thanh và loa đang chú trọng nâng cao chất lượng âm thanh, biến máy tính thành trung tâm giải trí số cao cấp, với chất lượng tương đương hệ thống thiết bị rạp hát gia đình. Trong sản phẩm mới nhất của Creative là Sound Blaster Audigy 2 và loa Inspire 6600 (bài 'Cặp bài trùng: Creative Audigy 2 và Inspire 6600', PC World A 12/2002), bạn có thể bắt gặp hầu hết các biểu tượng âm thanh chuyên nghiệp như Dolby Digital EX, DVD Audio, THX.
    Điểm nổi bật của SB Audigy 2 là khả năng xử lý âm thanh 24-bit và nâng ngưỡng SNR (Signal-to-Noise Ratio - tỷ suất Tín hiệu/nhiễu) lên 106dB. Máy điện tử cao cấp trị giá hàng ngàn USD cũng chỉ mới đạt SNR 103dB. Chỉ số SNR càng cao thì mức độ lọc nhiễu của thiết bị càng tốt, giúp bạn nghe rõ được tín hiệu âm thanh mà trước đây bị nhiễu át đi. Nhờ khả năng xử lý 24-bit, card âm thanh Audigy 2 không chỉ phát tốt nguồn tín hiệu âm thanh 24-bit (trong đó có DVD-Audio) mà còn nâng cao được chất lượng âm thanh 16-bit (MP3, CD...).
    SB Audigy 2 còn là card âm thanh đầu tiên nhận được chứng nhận THX. Vì thế, bạn có thể yên tâm tận hưởng đầy đủ chất lượng âm thanh như tại rạp hát trên dàn máy tính có card âm thanh Audigy 2. Tuy nhiên, để cho hệ thống phát huy hết tính năng, bạn cũng cần phải có dàn loa 6.1 tốt.
    Giới khoa học vẫn đang trên đường vươn đến hai mục tiêu: ghi nhận trung thực âm thanh gốc và tái hiện sống động hiệu ứng không gian, và họ đã tạo được nhiều thành tựu ấn tượng. Còn chờ gì nữa, bạn hãy tận hưởng những cảm xúc mà công nghệ âm thanh số mang lại trong căn phòng của mình!

    Duy Khánh

    Sony DAV-S500 hổ trợ SACD


    Trang web tham khảo

    www.dolby.com

    www.dtsonline.com

    sound.media.mit.edu/mpeg4/

    interprod.imgusa.com/son-403/multichannel.asp

    ID: A0302_41