Twoja wyszukiwarka

EDWIN BENDYK
CYFROWE UCHO I OKO
Wiedza i Życie nr 4/1999
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 4/1999

CYFROWY STANDARD JUŻ PRZED LATY PODBIŁ ŚWIAT DŹWIĘKU. DZIŚ CYFRY WKRACZAJĄ W OBSZAR FILMU I FOTOGRAFII, POWOLI WYPIERAJĄC ELEKTRONICZNY ZAPIS FILMOWY I "MOKRE" TECHNOLOGIE SREBROWE.

Cyfrowa telewizja to najbardziej spektakularny przejaw cyfrowego życia. Jeśli jednak rozejrzymy się wokół lub damy nieco wiary przekazom reklamowym, okaże się, że już niemal wszystko opisywane jest przymiotnikiem cyfrowy. Cyfrowe telefony komórkowe, cyfrowa fotografia, cyfrowe kamery wideo, cyfrowy montaż telewizyjny, cyfrowe efekty specjalne w filmie, cyfrowa muzyka, cyfrowe centrale telefoniczne. Tak niemal w nieskończoność.

Jeszcze do niedawna synonimem nowoczesności było określenie elektroniczny. Wśród urządzeń przez nie opisywanych wymienić można telefaks lub tradycyjną kamerę wideo. Choć elektroniczne, ale jednak nie cyfrowe. W czym tkwi różnica? Zasady cyfrowej reprezentacji świata nie będę opisywał, gdyż wyczerpująco robimy to w artykule Nowa epoka. Powtórzę natomiast z całą mocą najważniejszą konkluzję - cyfryzacja świata to bezpośredni skutek rozpanoszenia się komputerów i technologii informatycznych. To one, wciąż głodne kolejnych strumieni zer i jedynek, bitów, którymi żywią swoje procesory, wprowadzają cyfrowy kanon do wielu dziedzin życia.

DŹWIĘK

Pierwszej cyfryzacji na skalę masową uległy techniki zapisu dźwięku. Przypomnijmy, że historyczny wynalazek metody rejestracji dźwięku należy do Thomasa Edisona, który w sierpniu 1877 roku zademonstrował fonograf. Urządzenie było na wskroś analogowe: fala głosowa wzbudzała drgania membrany z przymocowaną igłą. Igła żłobiła ślad na cynowym bębnie, proporcjonalny do amplitud fali. Odtwarzanie zapisu przebiegało dokładnie w odwrotnej kolejności: igła przesuwająca się po wyżłobieniach wprawiała w drgania membranę, która emitowała falę dźwiękową. Choć brzmi to nieprawdopodobnie, wszystkie późniejsze patefony na korbkę i jeszcze późniejsze - nafaszerowane elektroniką - gramofony hi-fi działały na tej samej zasadzie. To one wraz z kieszonkowymi pieniędzmi młodzieży uczyniły przemysł muzyczny jedną z ważniejszych gałęzi gospodarki.

Już jednak w 1925 roku opracowano naukowe podstawy cyfrowego przetwarzania dźwięku. Jak często bywa, pomysł wyprzedził techniczne możliwości realizacji. Koncepcja uległa zapomnieniu i przypomniano ją sobie w 1939 roku, lecz ponownie pokrył ją kurz. Dopiero w drugiej fazie II wojny światowej zasłużone dla wprowadzenia wielu technologii komunikacyjnych Bell Laboratories wykorzystało odłożone do lamusa pomysły do szyfrowania rozmów telefonicznych.

Od końca wojny musiało jednak upłynąć kilkadziesiąt lat, nim w 1979 roku firmy Philips i Sony wprowadziły na rynek technologię CD. Stało się to możliwe za sprawą dwóch czynników. Po pierwsze, za stosunkowo niewielką cenę stały się dostępne urządzenia do przetwarzania zapisu analogowego w postać cyfrową, tzw. przetworniki analogowo-cyfrowe (A/D) i cyfrowo-analogowe (D/A). To skutek rozwoju technologii informatycznych. Drugi czynnik to rozwój laserów półprzewodnikowych, które umożliwiają zapis cyfrowej informacji na 12-centymetrowym krążku CD, a w odtwarzaczu pozwalają na jej odczytanie.

Nowy wynalazek, pierwotnie kosztowna zabawka dla bogatych, mozolnie przez lata osiemdziesiąte torował sobie drogę do masowego użytkownika. Pamiętam jeszcze dyskusje o wyższości klasycznego zapisu na płycie winylowej nad "płaskim" dźwiękiem z "kompaktu". Cóż, ktoś, kto przez lata uzbierał wielką kolekcję czarnych płyt, musiał bronić stanu posiadania. Dziś z trudem w komisie można kupić analogowy gramofon.

Dlaczego zwyciężyła technologia cyfrowa? Bo za stosunkowo niewielką cenę zapewnia bardzo wysoką jakość dźwięku. Raz zamieniony w bity sygnał jest doskonałym materiałem dla różnego typu przetworników (jest nimi nafaszerowany każdy odtwarzacz płyt kompaktowych), wykorzystujących matematyczne algorytmy, które eliminują zbędne szumy i poprawiają jakość odbioru.

Płyta CD nie wyczerpuje oczywiście tematu cyfrowej reprezentacji dźwięku. Innym ważnym wynalazkiem, który jednak nie przebił się poza zastosowania profesjonalne, jest cyfrowa taśma audio, czyli DAT. Standard opracowało konsorcjum ponad 100 japońskich firm elektronicznych. W klasycznej, analogowej taśmie magnetofonowej przebieg fali głosowej opisuje stan namagnesowania cząstek ferromagnetycznych, jakimi pokryty jest nośnik z tworzywa sztucznego. Taśma, przesuwając się pod głowicą, "przekazuje" zawartą w magnetycznej postaci informację do wzmacniacza, a dalej do głośnika, w którym ulega ona zamianie na drgania membrany.

System do cyfrowego przetwarzania obrazu (na podstawie materiałów firmy Olympus)

Ryc. Joanna Murawska wg Olympusa

Taśma DAT przypomina zwykłą taśmę magnetofonową, tyle że głowica czytnika nie sczytuje ciągłych zmian namagnesowania fragmentów taśmy, lecz niejako "zlicza" punkty namagnesowane (stany 1) i rozmagnesowane (stany 0), dostarczając zrozumiały dla cyfrowego przetwornika binarny ciąg zer i jedynek opisujący dokładnie dźwięk. Standard DAT nie podbił i nie podbije masowego rynku. Owszem, reprezentuje zalety zapisu cyfrowego, czyli wysoką jakość. Ma również podstawową wadę taśmy magnetofonowej - informacja zapisana jest w sposób liniowy. Aby dostać się do ulubionego utworu, należy przewinąć taśmę do wskazanego miejsca. W przypadku czytników CD odbywa się to natychmiast- soczewka skupiająca promień odczytującego informację lasera może w każdej chwili trafić w dowolny fragment płyty.

KOŃ TROJAŃSKI - MP3

Doniesienia ostatnich kilku miesięcy pokazują, że na rynku "dźwięku" pojawił się nowy, nieoczekiwany czynnik - niezwykle efektywny sposób kompresji sygnału opisany standardem MP3 (lub w pełni: MPEG Layer 3). Dzięki tej metodzie można ponad dziesięciokrotnie zmniejszać objętość oryginalnego pliku dźwiękowego bez utraty jakości. MP3 rewolucjonizuje sposób dystrybucji muzyki, otwierając szeroko nowy kanał, jakim jest Internet. Rzecz jasna, tradycyjne wytwórnie fonograficzne są pełne obaw, przewidując spadek sprzedaży oryginalnych płyt. Oczywiście, głównie za sprawą piractwa. Użytkownicy posiadający aplikację Microsoft Media Player (standard w pakiecie Windows '98) mogą zajrzeć pod internetowy adres http://www.musicmatch.com.
To legalny serwer oferujący bezpłatnie muzykę.

CYFROWE RADIO

Podobne dyskusje, jak w wypadku cyfrowej emisji sygnału telewizyjnego, toczą się w środowisku radiowców. W promowaniu standardu DAB (Digital Audio Broadcasting) prym wiedzie Europa, której udało się wypracować wspólną platformę cyfrowej emisji Eureka '97. Zalety platformy cyfrowej w radiu są analogiczne, jak w wypadku cyfrowej telewizji: możliwość "gęstszego" upakowania kanałów, możliwość emisji dodatkowej informacji tekstowej, wysoka jakość.

Cyfra pierwsza podbiła świat dźwięku. Dlaczego? Otóż do dokładnego opisania sygnału dźwiękowego potrzeba stosunkowo niewielu bitów informacji. Do zapisu 1 minuty dźwięku o jakości stereofonicznej potrzeba około 10 megabajtów informacji. Gdy podczas zapisu zastosuje się różne techniki kompresji (opisane w artykule Nowa epoka), liczba ta jeszcze bardziej się zmniejsza. Mogły sobie z nią poradzić nawet przestarzałe systemy przetwarzania z początku lat osiemdziesiątych. Trudności pojawiają się w wypadku cyfrowego zapisu obrazu, zarówno stałego (fotografia), jak i ruchomego (film).

PODSTAWY "CHWYTANIA OBRAZU"

Najmniejszą jednostką obrazu cyfrowego jest piksel (picture element) -punkt. W przypadku grafiki czarno-białej, pozbawionej półtonów, w punkcie zawarta musi być informacja: czarne czy białe, 0 czy 1. Wystarczy jeden bit. Czarno-białe zdjęcie sprawia więcej kłopotów. Fizjologia wzroku określa, że dobrym przybliżeniem zakresu tonalnego jest 256 odcieni szarości zawartych między kompletną bielą a całkowitą czernią. W języku informatycznym jeden punkt obrazu czarno-białego zawierać musi 8 bitów informacji. Obraz barwny komplikuje rzecz jeszcze bardziej. Każdy jego punkt musi być opisany przez trzy barwy podstawowe: czerwoną, zieloną i niebieską (ich złożenie da wrażenie koloru), a każda z nich przez 256 odcieni. Razem blisko 16.8 mln możliwości. Informatyk powie 24 bity informacji. I tylko jeden punkt. Ile punktów trzeba, by powstało zdjęcie lub film?

Wszystko zależy od potrzeb. Przy zdjęciach pamiątkowych wystarczy stosunkowo niewielka liczba punktów, by powstał obraz zadowalający rodzinę. Klient agencji reklamowej zamawiający wspaniały kalendarz będzie miał jednak zupełnie inne oczekiwania. Przyjmuje się, że jedna małoobrazkowa klatka klasycznego, srebrowego filmu fotograficznego o czułości 100 ASA zawiera około 18 mln bitów informacji. W przypadku stosowanych w profesjonalnych studiach błon szerokoformatowych liczba ta się zwielokrotnia.

Film dokłada kolejny etap trudności. Dla uzyskania wrażenia ruchu w ciągu sekundy przed okiem musi przewinąć się 25 obrazów. A więc informacja ze zdjęcia znów zwielokrotniona.

Przedstawiony wyżej problem matematyczny inżynierowie rozłożyli na kilka problemów technicznych.

ZASTĄPIĆ ŚWIATŁOCZUŁY FILM

W tradycyjnej fotografii i filmie obraz rejestrowany jest na błonie pokrytej światłoczułymi związkami srebra. To one pod wpływem światła odbitego od rejestrowanego przedmiotu ulegają reakcji fotochemicznej, ujawnionej w laboratorium podczas procesu wywoływania. Inżynierowie zastąpili srebro fotosensorami, elektronicznymi komórkami wrażliwymi na światło, które tworzą w kamerze tzw. układ CCD (Charge Coupled Device). To one zamieniają sygnał świetlny na impuls elektryczny, proporcjonalny do natężenia światła. Jeden punkt obrazu może być opisywany przez jeden fotosensor, wówczas wrażenie koloru uzyskuje się, stosując filtry rozkładające rejestrujący obraz na barwy podstawowe. Punkt obrazu może być również opisywany przez trzy fotosensory, każdy wrażliwy na inną barwę.

Rzeczywistym wyzwaniem dla inżynierów była, i ciągle jest, konieczność ciągłego miniaturyzowania fotosensorów, tak by w miejscu, w którym tradycyjnie znajdowała się błona fotograficzna, było ich jak najwięcej. Wyzwanie drugie to osiąganie jak największej światłoczułości fotosensorów. Tradycyjna błona fotograficzna nie dość, że jest w stanie "pomieścić" dużą ilość informacji, to jeszcze umożliwia wykonywanie zdjęć z migawką ustawioną np. na 1/8000 sekundy (takie ustawienia często stosują fotografowie sportowi).

FOTOGRAFIA CYFROWA

Kluczem do popularyzacji fotografii cyfrowej (o fotografii cyfrowej szerzej pisaliśmy w nr. 9/1994 "WiŻ") na masowym rynku było przekroczenie magicznej bariery możliwości rejestrowania miliona pikseli przez elektroniczny układ światłoczuły. Poniżej tej granicy fotografia cyfrowa była w zasadzie faktem reklamowym, ale nie rynkowym. Owszem, istniał rynek zastosowań profesjonalnych, gdzie wysokie parametry techniczne uzyskuje się za jeszcze wyższe ceny. Cyfrowe aparaty wykorzystywane przez profesjonalnych fotoreporterów czy artystów-fotografików ciągle kosztują dziesiątki tysięcy dolarów.

Zdobycie rynku masowego wiązało się z przekroczeniem bariery miliona pikseli za cenę kilkuset dolarów. Gdy to się dokonało, sprzedaż aparatów cyfrowych zaczęła rosnąć, osiągając w ub.r. poziom około 3 mln sztuk na całym świecie. Dla porównania jednak aparatów klasycznych sprzedano blisko 70 mln.

Powolny rozwój masowej fotografii cyfrowej związany był również z drugą barierą - niedorozwojem technologii informatycznych. Uchwycony przez fotosensory obraz trzeba zarejestrować. Po przetworzeniu w przetworniku analogowo-cyfrowym sygnału elektrycznego na bity coś z tą ilością informacji trzeba zrobić. Długo brakowało odpowiednio pojemnych i tanich nośników. Dopiero ostatnie lata spowodowały gwałtowny wzrost pojemności różnego typu pamięci przy jednoczesnym gwałtownym spadku cen. Do tego na tyle wzrosły moce obliczeniowe procesorów, że możliwe jest stosowanie różnych metod kompresji informacji już w samym aparacie.

Dziś aparat cyfrowy jest nie tylko luksusowym gadżetem. W swej ofercie rozwiązania cyfrowe mają wszystkie renomowane firmy produkujące sprzęt, od konserwatywnej niemieckiej Leiki po różne modele Canona, Nikona, Olympusa. Bocznymi drzwiami, ale z impetem, na fotograficzny rynek weszły firmy dominujące w dziedzinie elektroniki, jak choćby Sony, a ostatnio Nintendo - gigant wśród producentów gier. Rozwiązania cyfrowe, profesjonalne i dla mas oferują firmy takie, jak Agfa i Kodak. Wymieniać można jeszcze długo.

Co nowego wnosi fotografia cyfrowa? Sam aparat cyfrowy, tani, a jednocześnie doskonały, jest urządzeniem kalekim. Wymaga dalszego cyfrowego zaplecza. W fotografii klasycznej po naświetleniu rolki idziemy do laboratorium, by nam ją wywołali i zrobili odbitki. Właściciel aparatu cyfrowego po zrobieniu zdjęcia biegnie do peceta i zaczyna ucztę. Przenosi z aparatu obraz do pamięci komputera (wszak jest już w zrozumiałym dla komputera cyfrowym formacie). Potem, wykorzystując różnego typu oprogramowanie, dokonuje wiwisekcji zarejestrowanego obrazu. W efekcie może powstać fotomontaż, elegancka publikacja, kalendarz, ilustrowana strona internetowa, okraszona zdjęciami aplikacja multimedialna. Listy pomysłów nie wyczerpię. Produkt pracy entuzjasty cyfrowej rzeczywistości można wydrukować, opublikować w Internecie, zapisać (w postaci cyfrowej, rzecz jasna, na krążku CD-ROM).

Oczywiście, ci, którzy nie mają aparatów fotograficznych, nie powinni tracić nadziei. Mogą skorzystać ze skanera, pośrednika między analogowym a cyfrowym światem. Dziś urządzenia te kosztują bardzo niewiele i zazwyczaj stowarzyszone są z umożliwiającym obróbkę obrazu oprogramowaniem. Zasada działania skanera i zamiany obrazu na sygnał cyfrowy jest taka sama jak w aparacie - kluczem do sukcesu są fotosensory. Tyle tylko, że w skanerze nie muszą wypełniać całego pola obrazu. Zazwyczaj ustawione są w linii, na listwie, która przesuwa się podczas procesu skanowania.

CYFROWE WIDEO

Ewolucja rejestracji ruchomych obrazów przeszła przez etap praktycznie nie znany fotografom - elektronicznych, ale nie cyfrowych kamer (i odtwarzaczy). W fotografii nie miało to miejsca z zasadniczego powodu. Zdjęcia robi się albo po to, aby je oglądać w rodzinnym albumie (wówczas technologia srebrowa jest nie do pokonania), albo by je publikować w kolorowym magazynie (tu dopiero cyfryzacja wraz z rozwojem technik DTP - Desktop Publishing - wniosła coś nowego).

Przykład systemu do cyfrowego przetwarzania obrazu filmowego (na podstawie materiałów firmy Sony)

Fot. Archiwum

Z filmem jest inaczej. Film robi się po to, by go obejrzeć, najlepiej w ulubionym telewizyjnym formacie. Kto dziś pamięta męki kręcenia filmu rodzinnego w formacie 8 mm na niskoczułej taśmie filmowej ORWO? Rolka wystarczała zaledwie na trzy minuty. Potem było wywoływanie, klejenie kolejnych odcinków, montowanie projektora, wymiana przepalonych żarówek. Wielki ceremoniał, który normalny człowiek mógł znieść najwyżej kilka razy w roku.

Dlatego pojawienie się możliwości zapisu obrazu ruchomego w wersji elektronicznej zostało powitane niemal jak objawienie. Lata siedemdziesiąte to wejście na rynek magnetowidu - naturalnej przystawki do telewizora. Lata osiemdziesiąte to wkroczenie na scenę i zwycięski marsz kamer wideo (jeszcze analogowych). Któż nie pamięta pierwszych triumfalnych szyldów reklamowych: Wideofilmowanie- śluby, chrzciny, uroczystości rodzinne?

Podstawą rejestracji obrazu w kamerze jest opisany już fotosensor. W kamerze analogowej obraz następnie zapisywany jest na taśmie magnetycznej. Można go obejrzeć w odtwarzaczu w chwilę po zakończeniu zdjęć. W zasadzie więcej nic nie trzeba. A jednak ostatnie dwa lata to wkraczanie na rynek cyfrowych kamer wideo. Sytuacja jest podobna do tej w fotografii. Motorem zmian są profesjonaliści, ich zaś zachęcił do działania rozwój technologii informatycznych.

O zaletach komputerowego przetwarzania zdjęć już pisaliśmy. Te same zalety wiążą się z cyfrowym opracowywaniem filmu. Uzyskiwanie przeróżnych efektów specjalnych, cięć montażowych, podkładania napisów i animacji jest przynajmniej teoretycznie proste przy użyciu metod cyfrowych. Teoretycznie, gdyż przypomnijmy sobie, że wrażenie ruchu otrzymamy wówczas, gdy przed okiem przemknie w ciągu sekundy 25 obrazów. Zmontowanie minutowego filmu to konieczność przetworzenia tysięcy zdjęć! Z taką ilością informacji poradzić mogą sobie tylko potężne komputery zaopatrzone w specjalne oprogramowanie, kosztujące setki tysięcy dolarów. Na szczęście, popularne komputery nabrały w ciągu ostatnich lat takiego wigoru, że nawet w domowych warunkach można myśleć o karierze Stevena Spielberga. Tym samym nastał właściwy czas na wprowadzenie kamer cyfrowych.

Liderem tego segmentu rynku są firmy Sony i Panasonic. One to wprowadziły popularny standard zapisu cyfrowego DV. Obraz, jest jak dawnej rejestrowany na taśmie, tyle tylko że w postaci zer i jedynek. Zaletą standardu DV jest niezwykle wysoka, jak na amatorskie przeznaczenie, jakość obrazu i dźwięku. Obie firmy zaproponowały również profesjonalne rozwinięcie standardu DV. Jest to DV Pro (Panasonic) i DVCAM (Sony). Różnią się od amatorskich pierwowzorów możliwością zapisu większej ilości informacji niezbędnej przy późniejszym montażu. Ostatnią nowością jest wprowadzony przez Sony miniaturowy standard Digital 8, będący pomostem między analogowym standardem Hi-8 używanym w kamerach Handycam a DVD.

Najważniejszym argumentem, przemawiającym za cyfrowym rejestrowaniem obrazów wideo, jest znakomita jakość obrazu i dźwięku. Zaleta dodatkowa to fakt, że cyfrowa kamera wideo może jednocześnie spełniać funkcje aparatu fotograficznego, tworząc swoiste połączenie 2 w 1. Oczywiście, cyfrowy zapis ułatwia również dalszą obróbkę materiału. Tyle tylko, że nie jest to wielka nowość, gdyż użytkownikom pecetów możliwości "cyfryzacji" obrazu z tradycyjnej taśmy VHS znane są już od wielu lat.

NOWY, WSPANIAŁY, CYFROWY ŚWIAT

W artykule pt. Nowa epoka znajdziemy ostrzeżenie, że technologie cyfrowe w połączeniu z nowoczesnymi technologiami komunikacyjnymi i kontrolą nad kluczowymi mediami mogą przyczynić się do urzeczywistnienia wizji czarnych wizji George'a Orwella z Roku 1984. Nie można wykluczyć takiego zagrożenia. Tyle tylko, że technologie cyfrowe co najmniej w tym samym stopniu mogą służyć zniewoleniu, co i wyzwoleniu jednostki.

Podpięty do telekomunikacyjnej sieci domowy komputer, cyfrowa kamera, kilka podstawowych programów komputerowych i każdy może być niezależnym "baronem medialnym" - wysyłać w świat zdjęcia, filmy, skomponowaną muzykę. Jak potężne to narzędzie, dowiódł komendant Marcos kierujący w Meksyku powstaniem zapatystów. W epoce analogowej bunt wieśniaków z meksykańskiej dżungli minąłby niezauważony. W cyfrowym świecie jest to już niemożliwe.

O tym, jak technologie cyfrowe wpływają na sposób międzyludzkiego porozumiewania się, napiszemy w czerwcowym numerze "Wiedzy i Życia".