Симфония цифровых потоков. История эволюции звуковых карт
Для большинства людей персональный компьютер давно является не только рабочим инструментом, но и мультимедийным центром. Он с легкостью заменяет игровую приставку, DVD-проигрыватель, телевизор и музыкальный центр. Но далеко не всегда ПК способен опередить по качеству свои бытовые аналоги. Если с играми и просмотром видео все обстоит неплохо — мощная видеокарта и качественный монитор являются неотъемлемыми спутниками геймерского компьютера, — то в плане звука ПК зачастую показывает не лучшие результаты. Причина банальна: звуку обычно уделяют мало внимания. Меж тем хорошая озвучка может резко изменить мнение о фильме или игре в лучшую сторону, ну а хрип из колонок, наоборот, свести все впечатления и атмосферу на нет.
Первопроходцы звукового фронта
Сегодня воспроизведение и запись звука кажутся настолько естественным процессом, что сложно себе представить, что недавно все обстояло иначе. Были времена, когда звук казался чем-то бесполезным и ненужным для ПК, а о естественности звучания никто даже не задумывался.
Самые первые компьютеры семейства IBM PC снабжали примитивным динамиком PC Speaker (спикером). В народе это чудо было прозвано «пищалкой», что совершенно справедливо: устройство могло воспроизводить за раз не более одного тона, а регулировка громкости была сильно затруднена. Назначение у динамика было одно — воспроизводить диагностические сигналы при загрузке и работе ПК. Однако создатели игр нашли устройству иное применение: задавая частоту и очередность звучания, они создавали что-то вроде музыки. К концу 80-х каждая уважающая себя игра имела подобный «саундтрек». За прошедшие четверть века спикер никуда не делся, и им по-прежнему комплектуется почти каждый компьютер.
В 1984 году в свет вышел компьютер IBM PCjr , обладавший встроенным трехголосным синтезатором, являвшимся, по сути, модернизированным компьютерным динамиком. Спустя еще пару лет на рынок было выпущено устройство Covox. Подключалось оно через принтерный LPT-кабель и представляло собой 8-битный ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь).
Следующим этапом в развитии компьютерного звука стало появление в 1987 году фактически первой звуковой карты — Creative Music System (CMS). Созданное сингапурской компанией Creative устройство основывалось на двух 6-голосных звукогенераторах Philips SAA 1099 и было в состоянии воспроизводить стереозвук: один звуковой чип обрабатывал сигнал для правого канала, второй — для левого. Высокая цена (более $300) отпугнула покупателей, тем более что почти в то же время появился еще один игрок — канадская компания AdLib. Одноименная карта обладала всего одним чипом Yamaha YM3812 , но этот 11-голосный синтезатор FM-типа давал более естественное звучание, чем CMS! Вторым неоспоримым плюсом стала низкая цена — порядка $100. В этой битве Creative потерпела поражение.
В 1991 году на рынке появилась новая звуковая карта от Creative — Sound Blaster. После этого события название карты долгое время оставалось синонимом понятия « звуковая плата ». Оно и понятно: более семи лет у устройств этой серии не было конкурентов. Меж тем ничего принципиально нового в SB не было, просто компания объединила два чипа — Yamaha YM3812 и 8-битный ЦАП типа Covox. В результате синтезатор мог воспроизводить различные MIDI-мелодии с качеством, идентичным AdLib, а ЦАП позволял выдавать предварительно оцифрованный аналоговый звук, например человеческую речь. Все это было дополнено еще одним чипом, позволявшим записывать аудиосигналы. Качество воспроизведения и записи было весьма посредственным: 8-битное моно с частотой дискретизации 22 кГц по звучанию уступало даже магнитофонам.
SB начал эволюционировать. Сначала появилась версия карты с поддержкой стерео, потом частота дискретизации воспроизводимого звука увеличилась до 44,1 кГц, а чуть позже в свет вышла Sound Blaster 16 — первая 16-битная звуковая плата от Creative. Недолго думая, компания обвесила свое творение патентами. И поскольку копировать архитектуру SB16 конкурентам уже было нельзя, на рынке стало появляться множество карт, не похожих друг на друга. Это вызвало головную боль у разработчиков игр, так как им пришлось реализовывать поддержку каждой мало-мальски популярной карты. В один прекрасный день девелоперам это надоело и подобная практика прекратилась.
Кстати, SB16 стала первой платой, поддерживающей Microsoft Direct Sound , что только усилило любовь разработчиков к ней. Конкуренты вымирали естественным путем, Creative выиграла борьбу, правда, затем сделала большую промашку, решив, что будущее за воспроизведением синтезированных MIDI-мелодий. Последующие творения бурно развивались в этом направлении, но большинству пользователей от этого не было толку: MIDI-синтезаторы предназначались скорее для полупрофессионального сегмента рынка и в сфере домашних ПК востребованы не были. Ничего принципиально нового Creative не выпускала вплоть до 1998 года…
Эпоха трехмерного звука
Толчок к дальнейшему развитию в сфере компьютерного звука дала компания Aureal , разработавшая первый серьезный формат воспроизведения 3D-звука A3D и соответствующий чип AU8820. Реализацией карт на его основе занялась Diamond Multimedia , карта получила название Monster MX300. Произошло это событие ровно десять лет назад — в 1997 году.
В основе разработки лежали исследования особенностей человеческого слуха. Технологии разрабатывались для нужд военных летчиков и космонавтов. Целью компании было научить простые наушники правильно позиционировать звук в пространстве — и Aureal с задачей справилась. Чип в реальном времени рассчитывал отражения звука от объектов виртуального мира с учетом геометрии помещения и наличия в нем препятствий. Таким образом, в обработанном аудиосигнале появлялись фазовые запаздывания — эхо с различной задержкой. Мозг, привыкший воспринимать эти запаздывания в повседневной жизни, не чувствовал обмана, что и гарантировало невиданный доселе реализм звучания. Помимо этого, карта аппаратно поддерживала алгоритмы, позволяющие эмулировать механизмы ориентации человека в пространстве: пользователь мог определять, что источник звука располагается «сзади» или «спереди», а не только «слева» или «справа». Официально алгоритмы поддерживали и вертикальное позиционирование звука («сверху» и «снизу»), на практике это было незаметно.
Кроме поддержки A3D, MX300 отличалась качественным звучанием, популярность была гарантирована. В комплекте с платой шла программа для демонстрации возможностей A3D — в ней пчела летала вокруг головы пользователя. И все бы хорошо, но после появления первых игр с поддержкой A3D выяснилась страшная вещь: алгоритмы замечательно работали в случае с движущимися объектами, однако позиционировать статичные объекты технология не умела, кроме того, A3D отличался прожорливостью и сильно нагружал процессор.
Звуковая карта SB Live! — ответ Creative — вышла в 1998 году и использовала совершенно новые технологии. Сингапурская компания сделала ставку на Direct Sound 3D , который занимался довольно примитивным позиционированием звука, и дополнила его своей разработкой, получившей название EAX (Environmental Audio Extensions). Технология изменяла звук в зависимости от типа помещения, который выбирался из фиксированного набора предустановок. Таким образом, эффект трехмерности создавался в большей степени благодаря имитации окружающей среды игрового персонажа. Если последний падал в воду, то звук вокруг него приобретал характерное подводное звучание, в том случае, если персонаж забирался в трубу, его окружало металлическое эхо. Чип мог работать с восьмью звуковыми потоками одновременно и поддерживал 26 вариантов звучаний различных сред. Благодаря простоте и надежности EAX получил одобрение со стороны разработчиков и вскоре стал неотъемлемой частью компьютерных игр.
Дальнейшая судьба Creative связана с непрерывным совершенствованием EAX и выпуском звуковых карт, поддерживающих новые версии. В EAX 2.0 количество звуковых потоков увеличилось до 32, упростился процесс программирования, повысилась функциональность: для точной настройки слушателя могло использоваться до 14 параметров, для источников — до 13. Появились эффекты окклюзии и обструкции, позволявшие имитировать поглощение звука различными преградами. Вторая версия EAX отличалась от первой как небо и земля.
С приходом серии звуковых плат Creative Audigy в 2001 году была представлена EAX Advanced HD. В ней был добавлен эффект эксклюзий, имитировавший особенности звука, проходящего через открытые окна или двери, появилась частотная фильтрация и морфинг, позволявший делать плавные звуковые переходы при резкой смене типа помещения — ранее это делалось мгновенно, что сильно било по ушам. Advanced HD поддерживала уже 64 звуковых потока.
В 2003 году вышла EAX Advanced HD 4.0 , в которой реализовали поддержку многопространственности. Это позволило моделировать акустические условия не только в помещении, где находился слушатель, но и в смежных. Таким образом, учитывались особенности пространства, где находился источник звука, даже если слушатель был в это время в другом помещении! Кроме того, HD 4.0 позволяла использовать различные аппаратные звуковые эффекты в реальном времени вроде частотного сдвига, хоруса, эха и многих других. EAX Advanced HD 5.0 увеличила количество обрабатываемых потоков до 128.
А что же Aureal? После выхода MX300 компания прожила недолго: сил хватило только на то, чтобы разработать A3D 2.0 , после чего в середине 2000 года, не выдержав конкуренции, Aureal заявила о банкротстве. По иронии судьбы компания была куплена Creative и тут же закрыта. С тех самых пор и до сегодняшнего дня Creative практически безраздельно властвует на рынке звуковых карт.
MIDI-синтезаторы
Что такое MIDI-синтезатор? Синтезатором называется электронный музыкальный инструмент, в котором звук создается и обрабатывается, меняя свою окраску и характеристики. Приставка « MIDI » означает принадлежность инструмента к стандарту MIDI (Musical Instrument Digital Interface), содержащему набор стандартных команд для взаимодействия между звуковыми устройствами и позволяющему тем самым воспроизводить и записывать музыку путем выполнения/записи специальных команд. В звуковой дорожке, записанной в MIDI-формате, нет самой записи звука — есть лишь команды, которые должно выполнить устройство стандарта MIDI для того, чтобы получить требуемое звучание. Благодаря такому подходу подобный файл занимает намного меньше места, чем стандартный звуковой файл, к тому же его будут понимать все MIDI-устройства вплоть до мобильных телефонов. На сегодняшний день самым популярным является стандарт GM (General MIDI), в котором содержится 128 музыкальных инструментов и 46 звуков ударных, то есть MIDI-синтезатор этого стандарта способен эмулировать звучание этих инструментов, причем для каждой ноты. Насколько будет отличаться звучание различных инструментов, в какой степени оно будет близко к оригиналу — зависит от качества синтезатора.
Методов синтеза звука существует два: WT (Wave Table — таблично-волновой) и FM (Frequency Modulation — частотной модуляции). Синтезатор, основанный на волновой таблице, воспроизводит звук из предварительно записанного набора, изменяя при необходимости параметры звучания — в современных звуковых картах и профессиональной аппаратуре используется именно этот метод. При частотной модуляции звук синтезируется посредством генерирования и смешения простых синусоидальных колебаний, так как именно из них состоит любое, даже самое сложное колебание. Звучание при использовании этого метода сложно назвать естественным.
Также существует специальный разъем для соединения MIDI-устройств. Его иногда устанавливают на полупрофессиональные звуковые карты, что дает возможность подключать к компьютеру MIDI-клавиатуру.
Основные параметры звуковых карт
Однако перейдем от теории к практике. Сделать примерную оценку качества воспроизводимого и записываемого звука можно основываясь на ряде характеристик звуковых карт.
Например, возьмем параметр сигнал/шум (Signal/Noise Ratio). Это отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе устройства принято измерять в децибелах (дБ). Хорошим можно считать отношение 80-85 дБ, идеальным — 95-100 дБ. Но в случае с компьютерами ситуация иная, из-за наводок (помех) со стороны других компонентов реальное отношение всегда будет несколько ниже заявленного.
Следующий важный параметр — коэффициент нелинейных искажений (Total Harmonic Distortion). Он измеряется в процентах: 1% — «грязное» звучание; 0,1% — нормальное звучание; 0,01% — чистое звучание. Нелинейные искажения — это результат неточности в восстановлении сигнала из цифрового вида в аналоговый.
Максимальная частота дискретизации (Sampling Rate), измеряемая в герцах (Гц), в режиме записи показывает, сколько раз в секунду АЦП произведет замер частоты аналогового сигнала, в режиме чтения — сколько раз в секунду ЦАП способен считать частоту записанного сигнала. Для стерео и многоканального звука эти характеристики, как правило, различаются. В стереорежиме норма частоты дискретизации для MP3-файла составляет 44,1 кГц; для DVD-видео — 48/96 кГц; для DVD-аудио — до 192 кГц. Соответственно, чтобы воспроизвести звук без потерь, звуковая карта должна поддерживать данные частоты дискретизации.
Максимальный уровень квантования (Max Quantization Level), или разрядность/битность, показывает количество бит, выражающих амплитуду сигнала. Чем больше значение, тем ближе оцифрованный сигнал к аналоговому. Эталоном на сегодняшний день является 24-битный звук.
На сегодняшний день рынок наводнен звуковыми картами с различными возможностями и различных поколений, однако чаще всего критерий оценки платы у покупателя всего один — цена. Дорогая — значит, хорошая. Однако при таком подходе пользователь часто переплачивает деньги. Стоит четко понимать, с какой целью покупается звуковая карта и какие параметры являются критическими.
Для геймера поддержка EAX последней версии куда важнее, чем запредельные максимальные частоты дискретизации. Для меломана главными критериями станет чистота воспроизводимого звука, а не трехмерные технологии. Ценитель домашних кинотеатров отдаст предпочтение звуковой карте с наибольшим количеством выходов для подключения многоканальной акустики и наиболее чистым звуком, а пользователь, занимающийся созданием музыки, обратит внимание на частоты дискретизации при записи и MIDI-составляющую карты. Ну и, конечно, хорошая звуковая плата подразумевает наличие достойной акустической системы: пищалки, купленные на «сдачу» с покупки компьютера, сведут все усилия к нулю.
Фанатам качественного звука стоит присмотреться, например, к ESI Juli@ (4500-4800 руб.). Плата, благодаря своему необычному дизайну, может предоставить пользователю как набор профессиональных балансных джеков, так и более привычные тюльпаны (RCA). В случае с играми никак не обойтись без моделей от Creative. Линейка Audigy уже отжила свое, так что лучше обратить свои взоры на серию X-Fi. Тем более что в ней уже появились и весьма недорогие модели вроде X-Fi Xtreme Audio (1400-1700 руб.). Правда, есть одно «но», эта плата недалеко ушла от той же Audigy SE (600-900 руб.), так как в ней используется старый чип, а ряд фирменных технологий, свойственных X-Fi, реализованы на программном уровне. Лучше не экономить и взять полноценные X-Fi Xtreme Music (2800-3200 руб.) или X-Fi Xtreme Gamer (2600-2900 руб.). Первая снята с производства и в продаже ее практически нет, а вот вторую найти проблемы не составит.
Интересной альтернативой продукции Creative может стать Auzentech Prelude 7.1 , созданная на том же процессоре X-Fi. Плата существенно переработана, в ней появились разъемы S/PDIF Input/Output, использованы твердотельные конденсаторы, в наличии 64 Мб X-RAM, как и в топовых платах от Creative. Также обещают существенно переработанные драйвера. Объявленная цена за рубежом составляет $200. Когда эта экзотика появится у нас, неясно.
В любом случае, поклонникам хорошего звука лучше избегать общения с интегрированным звуком. В большинстве случаев ничего хорошего вы не испытаете. Конечно, HD-кодеки сделали шаг вперед, да и производители системных плат стараются минимизировать наводки, используя дополнительные конденсаторы. Кстати, Creative и на этом поприще отметилась. В некоторых системных платах вы можете увидеть самый натуральный чип Audigy или X-Fi. Это пока самое лучшее, что можно встретить в материнках, лучшим выбором остается дискретная звуковая карта.
Креативная алхимия
Выход операционной системы Windows Vista принес Creative массу проблем. Все дело в том, что в новой ОС Microsoft отказалась от использования Direct Sound , отдав предпочтение более совершенной OpenAL. Однако большинство современных игр основано на EAX 2.0 и EAX Advanced HD , которые, в свою очередь, базируются на Direct Sound. Таким образом, все эти игры при запуске в Vista лишаются трехмерного звучания!
Creative заявила, что новыми драйверами эту проблему не решить, и приступила к созданию специальной программы ALchemy , призванной вернуть трехмерный звук старым играм. В целом ей это удалось — с помощью ALchemy процедурные вызовы старых игр с EAX преобразуются в формат вызовов OpenAL.
И все бы хорошо, если бы не ложка дегтя — только пользователям X-Fi эта утилита достанется бесплатно, владельцам Audigy придется выложить $10.
Качество превыше всего!
Звуковая карта — важный компонент системы, экономить на ней не стоит. В конце концов, после стольких лет эволюции в этой сфере мы теперь можем рассчитывать на качественное звучание, которое не ударит по кошельку. Также не забывайте про акустику — без достойной пары колонок никакая звуковая карта вас не спасет.