探讨高清音频的格式与输出.doc

随着大家生活水平的日益提高和高清平板电视的普及，享受高清影视已经开始成为不少家庭用户的潜在需求。但是值得注意的是，欣赏高清并不仅仅是在视觉方面，听觉方面的享受也同样重要。高清视频里的音频有哪些种类？高清播放设备如何将音频正确输出？成为不少新手家庭用户面临的问题。 高清，顾名思义就是高度清晰。但这个清晰包含两层意思，第一是视觉上的清晰，第二是听觉上的清晰，本期我们谈谈听觉清晰。要想更好地欣赏高清影片带来的震撼效果，正确的音频选择与输出必不可少。在讨论具体如何输出音频之前，大家必须先了解一些基础知识：高清影片中，常见的音频种类有哪些？它们的差别在哪里？ 什么是音频码率 首先我们要介绍的是关于LPCM音频码率的演变和概念。LPCM是一种不经过压缩的录音技术，概念上等效于wave文件，不需要运算解码，就可以直接输入功放进行DA转换。描述LPCM音轨规格，包括采样频率、采样精度和声道数，采样频率包含44.1kHz、48kHz、96kHz和192kHz，频率越高，还原高频信号和丰富谐波的能力就越强，采样精度包括16bit和24bit，精度越高保真和信噪比越高，动态范围也更宽。图1 传统的杜比认证标识 LPCM音轨由于码率和体积较大，数据量可以高达数GB，所以在CD和DVD时代一般只是用在两声道的音乐碟中。其中CD唱片的采样精度是16bit，采样频率是44.1kHz。所以其LPCM音轨码率就是1644.12=1411Kbps。DVD唱片的采样频率是48kHz，因此两声道的LPCM音轨码率就是16482=1536Kbps。当音频技术演进到多声道时，新一代的LPCM音轨升级到LPCM 5.1音轨，其码率变为是16486=4608Kbps，容量又提升了三倍。随后，当影片音频采取更精确的24bit采样精度，96kHz采样频率时，如果仍然保持5.1声道，那么LPCM音轨码率将提升至24966=13824Kbps。即使是48kHz采样，一条5.1声道的LPCM音轨容量就已经高达16GB，完全无法用在DVD碟片上。图2 传统的DTS环绕认证标识 所以，在DVD时代，我们听到的音轨普遍采用Dolby DD5.1有损压缩方式，虽然看上去仍是采用了48kHz/16bit的标准，但输出音轨码率一般会降至448Kbps。也就是说，相对于上面提到的LPCM 5.1声道源码输出，数据量压缩为原来的10分之一。而如果采取DTS有损压缩方式，如果输出码率是768Kbps（玩家术语称为半码DTS），如果输出码率是1536Kbps（称为全码DTS），相当于数据量大约压缩到原来的六分之一和三分之一。 数字环绕声音的格式 前面我们谈到，DVD时代的数字环绕音频格式是以Dolby Digital和DTS为主导。当进入高清时代以后，音频格式也有相应的升级，人们希望追求无损的音频，享受更“原汁原味”的音效体验。但是，如果使用LPCM源码输出，存在以下问题：首先，LPCM是不变码率的格式，也就是说它从头到尾没有任何节约的空间。其次，受限于带宽，S/PDIF和同轴接口都只能传输2声道的LPCM音频，多声道的LCPM需要通过HDMI接口传输，所以用户需要有HDMI接口的功放才能将无损的音频输出。在现实市场上，不少第一代HDMI接口功放也可满足这一要求，可以接收多声道的LPCM音轨信号。图3 杜比最新的高清音频认证标识 目前新一代高清影音碟片已经被SONY公司开发的Blu-ray碟片所垄断。Blu-ray碟片包含的高清数字音频环绕技术通常有两种规格：Dolby TrueHD和DTS-HD MA。这两种音频格式都是新一代无损压缩技术，声道数起点为7.1，未来可扩展到13.1（当前蓝光光盘将最大的声道数限制在7.1）。图4 DTS最新的高清音频认证标识 Dolby TrueHD是杜比专为高清影碟开发的无损压缩音轨格式，最高可支持八个分离的24bit/96kHz的全频带声道，在蓝光影碟中的码率最高为18Mbps。杜比宣称这也是100%无损的音频格式，它除了比同规格LCPM略微节省带宽外，还加入了对人物对白和整体音量的控制等功能，实现诸如如夜间影院等模式。不但如此，它的内核还带有一条640Kbps码率的AC3 5.1音轨数据，让用户连接老功放时，也能通过光纤传输实现5.1音效输出。图5 新一代有损压缩的杜比DD+标识 DTS-HD其实不止一个规格，其中的DTS-HD Master Audio才是无损压缩音轨格式，DTS宣称它是“bit for bit”地完整再现录音母带效果，它在蓝光影碟中最高码率可达24.5Mbps。DTS-HD内核同样带有1.5Mbps码率的DTS 5.1音轨数据，因此也可以通过S/PDIF传输到老功放实现5.1音频输出。图6 新一代有损压缩的DTS-HD HR标识 杜比和DTS还推出了新一代有损压缩音轨Dolby Digital Plus和DTS-HD High ResolutionAudio。前者可简称为DD+或者Eac3，在蓝光影碟中最高码率为1.7Mbps。后者可简称为DTS-HDHR，在蓝光影碟中最高码率为6Mbps，两者均可实现7.1声道环绕音效，同时也带有AC3或者DTS 5.1的音轨数据，具备向下兼容性。DD+和DTSHD HR在正式的蓝光碟中比较少见，发行商一般不愿意因为使用有损压缩音轨而失去顾客。但在网络流传的各种Rip版本视频中，这类有损压缩格式就比较常见了。 如何实现高清音频输出 了解了音频的格式，下面我们再来谈谈如何实现Dolby TrueHD和DTS-HD的输出与回放。作为杜比和DTS的新一代主打音频格式，这两种编码是需要经过解码才能转换输出的，其中涉及到音频解码的授权和专利费问题。图7次世代功放（上）的前面板有新的标识，早期的AV功放没有 之前的旧型号AV功放只能解码DVD时代的Dolby Digital和DTS音频，新一代格式需要次世代的功放才能解码。也有很多高清播放机没有通过认证，无法提供解码（特别是DTS系列格式）。只有电脑可以通过不同的软件较好地兼容各种格式的高清音频。图8 次世代功放（上）的后部接口有HDMI输入输出，早期的AV功放没有 在传输方式上，以往的S/PDIF接口也不能传输7.1声道的Dolby TrueHD和DTS-HD音频数据，必须通过HDMI 1.3接口才能实现这两类音频源码的传输，所以玩家要想获得比较完美的顶级音频效果，一台次世代功放必不可少。区分功放音频支持的类型可以从图7中功放前面板的标识和接口差异来辨别。HTPC如何输出高清音频 那么，我们应该如何从播放设备中解码高清影视中的音频信号呢？目前除了家电类的蓝光播放机和高清机顶盒，能播放来自网络的高清视频资源的设备就只有电脑和高清播放机两种。图9 支持高清音频源码输出的华硕Xonar HDAV1.3声卡 电脑在支持普通Dolby Digital和DTS音频的解码与输出方面已经非常成熟，同时具备此类音频的源码输出能力（通过主板或独立声卡自带的S/PDIF接口）。但在解码Dolby TrueHD和DTS-HD这类高清音频格式时，往往只能采用软件分离和再编码输出，对于真正的高清音频狂热者来说是难以接受的。不过随着支持次世代音频源码输出的声卡面市，高清发烧友总算了却这桩心愿。高清播放机如何输出音频 高清播放机目前的价格跨度很大，从几百元到3000元以下不等。从性价比的角度说，这类产品是普通用户体验高清的首选。不过高清播放机在音频输出方面还有不少的局限，例如现在市面上多数机器采用的SigmaDesigns 8635方案和Realtek 1073方案，虽然相比原来已经有了很大的改进，在外挂字幕、原盘播放、视频输出上有极大的提高和改良，但因为设计或授权的问题，往往存在不能输出源码Dolby TrueHD或DTS-HD、不能解码Dolby TrueHD或DTS-HD、甚至无法支持DTS的问题。因此在高清播放机选择上，需要详尽了解，货比三家。 值得注意的是大部分采用SigmaDesigns 8635方案的机器目前能内部解码Dolby Digital和DTS并支持S/PDIF输出，适合与早期AV功放接驳。在支持Dolby TrueHD或DTS-HD源码输出方面，则取决于厂家开发能力，全部或部分支持。而采用Realtek 1073方案的机器也类似，但有些不能支持Dolby TrueHD或DTSHD源码输出。因此对于音频效果完美追求者，建议采用SigmaDesigns 8635方案的机器搭配次世代功放，这样能再现完美的影视音频。而对于已经具备普通功放的用户，可以在不升级音频系统的基础上配置Realtek 1073芯片机器，一样能达到震撼的高清视听效果。 高清音频的连接与设置 下面我们来看看如何连接设备，进行高清音频的输出和设置。我们以组建HTPC搭配次世代功放这个方案为例。样机采用华硕Xonar HDAV1.3声卡，操作系统为Windows XP SP3，播放软件为ArcSoft.TotalMedia.Theatre.3（简称TMT3）。电脑软件安装略过，这里主要说明一下声卡和次世代功放的接驳。次世代功放接口大致相同，以图10为例。图10 以天龙AVR-1910次世代功放为例的后部接口布局 从左到右我们详细的介绍。左面第一列为HDMI接口，上面四组为输入，对应接驳华硕HDAV1.3声卡的HDMI输出端。下端一组HDMI输出，用于接驳显示设备。第二列为光纤和同轴接口，适合目前电脑输出的S/PDIF（光纤/同轴）信号，用于解码普通Dolby Digital和DTS音轨。第一和第二列均为数字传输端口，区别在于HDMI包含音视频信号，而S/PDIF只传输音频信号。第三列为视频信号接口，从上到下为两组色差输入、一组色差输出、S端子、复合视频（简称AV接口），最下面为超重低音输出端（SW）。第四列为普通音频接口，这里就不作过多介绍。图11 在搭配华硕HDAV1.3声卡时，TMT3音频选项中的HDMI Pass-through才是真正的源码输出 接好以后，需要对播放软件进行一点设置。在TMT3的设置项中，点击音频，把输出方式选为HDMI PassThrough（如图11）。当功放对应地显示出图12中的标识，就说明电脑已经正确输出和功放正确识别解码次世代音频信号了。图12 当你的次世代功放上显示出图中字样时，就意味着你的源码输出解码成功了 目前市面上普及型次世代功放的价格已经有低于3000元的，各位爱好者可以考虑入手，享受次世代音源更加清晰的音质和更加准确的定位和身临其境的感受。图13 如果你的高清播放器因为授权或方案本身功能限制的原因不支持DTS解码，可以选择用外接数字音频解码器来辅助解决。例如天敏的DSA100就可以搭配炫影DMP410，通过同轴接口输入对DTS音频进行解码。 我们也可以通过高清播放机加上次世代功放这个方案解决音频回放，主要设备改为高清播放机加上次世代功放。这也是最方便最简单的回放系统。唯一的问题就是高清播放机在输出Dolby TrueHD或DTSHD源码时要视厂家开发能力而定，有些产品可以全部源码输出，有些则受限不能输出。不过目前很多网友转压缩的高清视频已经去掉了高清音轨，只保留了普通的DD5.1和DTS音轨，这类视频就无法享受源码输出的优秀音质了。综述 到这里我们可以看到，在已经拥有早期AV功放和5.1音响系统的情况下，用户可以选择通过HTPC或者高清播放机的S/PDIF接口输出音频，实现Dolby Digital和DTS解码和回放，再加上平