第一章 緒論
1.1 研究動機
我從事流行音樂詞曲創作已有五年時間。對於學美術出身的我而言,流行音 樂創作是另一個截然不同的領域。
在從事詞曲創作的這段時間裡,美學的薰陶,卻從不曾停止餵養我在音樂上 的發揮。許多歌詞意境的描寫,和音樂的起承轉合間,都借助了過去我在繪畫上所 習得的經驗。也許就像古人所說:『詩中有畫,畫中有詩。』藝術原來是不分家的。
身為一個受過美學教育的音樂人,更大的使命是如何將視覺創意融入音樂創 作中。我自己未來也計劃成立個人音樂工作室,若能自己設計從自身精神出發的 視覺形象包裝,就更完美了。
目前台灣的流行音樂生態面臨重大變化，數位化錄音技術取代類比式錄音技 術，改變了原本的唱片生產方式，也影響到整個唱片工業的軟硬體組織架構。盜 版､MP3 以及 P2P 點對點傳輸正在瓜分唱片市場。種種的變革導致原本資本密集 的唱片工業，逐漸演變為技術密集。個人音樂工作室以及小型音樂工作室的風潮 正逐漸形成。夾著運用先進數位化錄音技術，精簡人事及器材成本的優勢，小型 音樂工作室在未來，將有可能取代預算過於龐大的唱片公司，而成為唱片市場的 主流。
我的研究是以我的個人音樂工作室出發。包含音樂工作室形象概念的設計､
規劃和統籌。進而到產品的包裝和未來發展等。工作室的營業項目以詞曲創作､
編曲､配樂和獨立製作發行為主。商品包含 CD 唱片､DVD､VCD､形象宣傳海報，
以及商品宣傳海報等。
1.2 數位化對流行音樂製作的影響
我們身處的時代,正是流行音樂工業從類比走向數位化的時代。數位技術對 各產業而言，都是一個劃時代的技術革命。就唱片錄音技術而言,數位化的作業 環境和軟硬體，取代了傳統盤帶錄音的方式。錄音數位化不但降低了唱片製作成 本，也讓工作效率更快速。
而什麼是數位化呢? 從字面上來說，數位化(Digital)就是以數字來描述事 物。例如用數字紀錄一張桌子的長寬高尺寸以及各木料間的角度，這就是一種數 位化。跟數位常常一起被提到的字是類比(Analog/Analogue)。類比的意思是用 相似的東西去表達，例如將桌子用傳統相機將三視圖拍下來，就是一種類比的紀 錄方式。
那麼音樂是如何數位化的呢? 將音樂數位化，首先必須將音訊數位化。將音 訊數位化的方式有很多，最常見的方式是透過 PCM(Pulse Code Modulation)。
音樂 CD 即是紀錄此種格式的數位訊號，轉換原理如下。首先我們考慮聲音經過 麥克風，轉換成一連串電壓變化的訊號，如圖一所示，我們現在開始將這聲音波 型的類比訊號數位化(Analog to Digital)。這張圖的橫坐標為秒，縱坐標為電 壓大小。要將這樣的訊號轉為 PAM(Pulse Amplitude Modulation)格式的方法，
是先以等時距分割橫坐標。假設用每 0.01 秒分割，則得到圖二。
接著我們把分割線與訊號圖形交叉處的座標位置紀錄下來，就完成了 PAM。
我們把橫坐標數字紀錄下來，得到如下資料，(0.01,11.65)、(0.02,14.00)、
(0.03,16.00)、(0.04,17.74)…..(0.18,15.94)、(0.19,17.7)、(0.20,20)。現 在我們已經把這個波形以數字紀錄下來了，也就是完成了來源訊號的 PCM。由於 我們已經知道時間間隔是固定的 0.01 秒，因此我們只要把縱座標紀錄下來就可 以了，得到的結果就是 11.65 14.00 16.00 17.74 19.00 19.89 20.34 20.07 19.44 18.59 17.47 16.31 15.23 14.43 13.89 13.71 14.49 15.94 17.70 20.00 這一 數列。這一串數字就是將以上訊號數位化的結果。看，我們確實用數字紀錄了事 物。在以上的範例中，我們的取樣頻率是 100Hz(1/0.01 秒)。其實電腦中的.WAV 檔的內容就是類似這個樣子，檔頭紀錄了取樣頻率和可容許最大紀錄振幅等資 訊，內容就是一連串表示振幅大小的數字，有正有負。前面提到音樂 CD 是以 PCM 格式紀錄，而它的取樣頻率(Sample Rate)是 44100Hz，振幅紀錄精度是 16Bits，
也就是說振幅最小可達-32768(-2^16/2)，最大可達+32767(2^16/2-1)。在這裡 我們可以發現無論使用多麼高的紀錄精度，紀錄的數字跟實際的訊號大小總是有 誤差，因此數位化無法完全紀錄原始訊號。我們稱這個數位化造成失真稱為量化 失真。
以上是 PCM 理論上的運作方式，但是實際上我們的電路沒有辦法紀錄瞬 間的振幅大小，而是紀錄取樣時距內的振幅最大值，也就是 Sample/Hold 的運作 方式。這樣的運作方式會造成波型的偏移，且很難用事後的運算來補償，為 PCM 的一大缺點。
1.3 音樂數位化技術的發展
數位化的最大好處是方便資料傳輸與保存，使資料不易失真。只要紀錄資料 的數字大小不改變，紀錄的資料內容就不會改變。傳統類比的方式紀錄訊號，如
使用 LP 表面的凹凸起伏或是錄音帶表面的磁場強度來表達振幅大小，在我們複 製資料時，無論電路設計多麼嚴謹，總是無法避免雜訊的介入。這些雜訊會變成 複製後資料的一部份，造成失真，且複製越多次訊噪比(訊號大小與雜訊大小的 比值)會越來越低，有意義的資料細節也越來越少。如果讀者曾經複製過錄音帶 或是錄影帶，一定有過發現拷貝版雜訊較大的經驗。在數位化的世界裡，數字轉 換為二進位，以電壓的高低判讀 1 與 0，並可加上各種檢查碼，使得出錯機率大 大降低，因此在一般的情況下無論資料複製多少次，都可以達到不失真的目標。
既然 CD 是數位化的儲存媒體，為什麼用燒錄機複製的燒片放到 CD Player 中音質往往比原版片來得差呢？數位化的複製不是不會失真嗎？這個問題在後 面會做探討。
那麼，數位化的資料如何轉換回原來的音樂訊號呢？這時候我們需要一項裝 置叫做 DAC(Digital to Analog Converter)，中文叫數類轉換器。DAC 的功能如 其名是把數位訊號轉換回類比訊號，在我們的 CD Player，音效卡中都有這裝置，
而在許多電路中也經常被用到，例如顯示卡的 RAMDAC。我們可以把 CD Player 中以 PCM 運作的 DAC 想像成 16 個小電阻，各個電阻值是以二的倍數增大。當 DAC 接受到來自 CD 讀取機構的二進位 PCM 訊號，遇到 0 時相對應的電阻就接上電路，
遇到 1 相對應的電阻不作用，如此每一批 16Bits 數位訊號都可以轉換回相對應 的電壓大小。這些電壓大小看起來會像階梯一樣一格一格，跟原來平滑的訊號差 異，因此再輸出前還要通過一個低通濾波器，將高次諧波濾除，這樣聲音就會變 得比較平滑。在 Hi-Fi 音響術語中，我們將讀取 CD 且輸出類比音訊的器材叫做 CD 唱盤，單純讀出 CD 資料輸出數位訊號的器材叫做 CD 轉盤。我們可以把 CD 唱 盤當作 CD 轉盤+DAC。在 Hi-End 音響的領域大部分傾向將 CD 讀取分成轉盤+DAC。
值得一提的是，雖然 CD 轉盤和 DAC 間傳遞的是純粹的數位訊號，但是我們往往 可以發現更換之間的線材(常用規格 S/PDIF 為阻抗 75 歐姆的同軸電纜或是 Toslink 塑膠光纖)，卻可以影響音質。
1.4 CD 與流行音樂工業的關係
CD 與流行音樂工業有著密不可分的關係。這個於 1982 年由 Sony 和 Philips 共同制定於紅皮書的儲存媒體，便於攜帶音質又比錄音帶好，流行至今毫無頹 勢。關於它的規格有許多有趣的故事，例如為什麼一片標準長度的 CD 是 74 分鐘 呢？話說這是因為設計者想要把貝多芬第九號交響曲存進一片 CD 中，於是開始 估計 CD 的直徑，另一套說法是著名指揮家卡拉揚(Herbert von Karajan)這樣要 求，也有人說是 Sony 公司當時主席的太太這樣要求，另一套說法是 Sony 當時的 Mr. Oga 所決定的。另外要補充的是 Herbert von Karajan 指揮的貝多芬第九號 交響曲總長度大概在 68 分鐘左右，一般的版本大概在 65~74 分中間分布。 根據 網友 nightmare 告知，大賀典雄的傳記記載當卡拉揚還活著時，跟大賀的交情匪 淺(算亦師亦友的感情吧)，因此當年 Philips 找上 Sony 制定 CD 規格時，大賀就 一口咬定一片 CD 一定要能裝得下貝多芬第九號交響曲(大賀本身是聲樂家)，因 為古典音樂單首曲目的長度比這個長的也寥寥無幾，為了在聆賞時不影響興致，
所以大賀對此非常堅持，而日後大賀用此錄卡拉揚預演的曲目，並讓卡拉揚聽，
而卡拉揚非常讚賞這個劃時代的數位媒體，甚至後來在說明會之類的活動時，卡 拉揚也幫 CD 說了不少好話。
CD 是以螺旋狀由內到外儲存資料，在一片標準 74 分鐘的 CD 中，從裡繞到 外總共有 22188 圈，把它全部伸展開來長達 5.7km。音樂的 CD 讀取方式是等線 速度(CLV)，每秒有 1.2m 長的資料經過雷射頭，雷射在真空中波長為 780nm，以 偵測 CD 表面的凹凸變化判讀訊號。表面的凹凸刻痕寬 0.5um，深度為 0.11um(約 為 780nm 雷射在 CD 塑膠材質內波長的 1/4)，長度為 0.8 到 3.1um。CD 是以由凹 變凸和由凸變凹定義為 1，平坦的部分為 0，所以改變刻痕的長度可以改變資料 內容。而讀取頭就是靠著凹變凸和由凸變凹時的光干涉作用來判讀訊號。
音樂 CD 的規格為什麼是 44.1kHz、16Bits 呢？關於 44.1kHz 這個數字的選 取分為兩個層面。首先我們知道人耳的聆聽範圍是 20Hz 到 20kHz，根據 Nyquist Functions，理論上我們只要用 40kHz 以上的取樣率就可以完整紀錄 20kHz 以下 的訊號。那麼為什麼要用 44.1kHz 這個數字呢？那是因為在 CD 發明前硬碟還很 貴，所以主要數位音訊儲存媒體是錄影帶，用黑白來記錄 0 與 1。而當時的錄影 帶格式為每秒 30 張，而一張圖又可以分為 490 條線，每一條線又可以儲存三個 取樣訊號，因此每秒有 30*490*3=44100 個取樣點，而為了研發的方便，CD 也繼 承了這個規格，這就是 44.1kHz 的由來。
一張刮痕累累的 CD 放到 CD Player 中聽起來聲音常沒有什麼問題，這又是 什麼原因呢？這是一個非常複雜的問題，我們必須從 CD 的訊號儲存格式說起。
首先要引入的名詞是 block，CD 每秒鐘的資料被分成 7350 個 block。每個 block 內有 588bits 的資料。可是這 588bits 無法全部用來儲存有意義的資料，因為過 度密集的凹凸變化會造成硬體設計難度的增加，且 CD 是以由凹變凸和由凸變凹 定義為 1，無法重複出現 1，因此每 14 個 bits 中只有 8 個 bits 是有意義的，這 就是所謂 EFM(Eight-to-Fourteen-Modulation)的目的。扣除 6bits 無意義的資 料，每個 block 剩下 588*8/14=336bits，再扣除同步(sync)與合併(merge)資訊，
剩下 264bits，等於 264/8=33bytes。在這 33 個 data bytes 中，有 1 個 sub-code byte、12 個 odd-audio bytes、4 個 Q-redundancy bytes、12 個 even-audio bytes 和 4 個 P-redundancy bytes。其中最有意義的就是那 12+12=24 個音訊 bytes，
每個 block 共有 24*8=192bits，由於 CD 以 16bits 紀錄資料大小，因此每個 block 有 6 個立體聲取樣點資料(6*16*2=192)。還記得前面說過每秒鐘有 7350 個 block 嗎？由此可以得知每秒鐘有 6*7350=44100 個立體聲取樣點！沒錯，就是這個數 字。順帶一提的是每 98 個 block 組成一個 frame，每秒有 75 個
frame(98*75=7350)。好了，我們還沒講到重點，為什麼有輕微刮痕的 CD 聽起來 還是很正常呢？
答案就在於這 24bits 的音訊資料，並非單純按照出現順序儲存在單一的 block 中，而是打散順序離散分布在接下來 109 個 block 中，因此若有刮痕造成 一部份的資料無法正確讀出，可以藉由前面提到的 P-redundancy bytes 和 Q-redundancy bytes 作同位檢查確保資料正確性，進而重建資料，還可利用聲 音連續變化的特性，由問題資料的前後取樣點來內插補點。實際編碼時，是先將 12bytes 的 even samples 重新排列然後經由 C2 編碼計算出 4 bytes 的
Q-redundancy 得到 28bytes 的資料，然後由這 28bytes 的資料來決定這 24bytes 的音訊要如何分布在 0 到 108 個 block 中。再來將這 28Bytes 的資料經過 C1 編 碼，如此就得到 4bytes 的 P-redundancy。P-redundancy 另外的用途是確保當取 樣點都為 0 時這 block 中的 32bits 仍不都為零。另外每個 block 還有一個 sub-code byte，其用途非常廣泛，在 lead-in 的區域 sub-code 紀錄了這張 CD 有幾軌、總長度多少﹔在音軌的部分則記錄了從這軌開頭已經經歷了多少時間、
從第一軌開頭又經歷了多少時間、這音軌是二聲道還是四聲道(不過從來沒聽說 過四聲道的 CD)、是否允許複製、以及該音軌是否有經過 Pre-emphasis 處理與 一些偵錯資訊。另外 sub-code 也可以用來記錄該 CD 的 UPC(Universal Product Code)碼與該音軌的 ISRC(International Standard Recording Code)碼。ISRC 由 IFPI 統一發放，前兩碼英文代表國名，再來三碼英文為發行者，最後五碼是 數字。
我們常在古典音樂 CD 上看到 DDD，ADD，AAD 字樣，又代表了什麼意思呢？
這三個英文其實是 Digital 或 Analog 的縮寫，第一個英文表示錄音時的母帶為 數位或是類比格式，第二的英文代表混音及剪輯時母帶使用數位或是類比格式，
最後一個英文字代表最終的 Master 母帶是用數位還是類比格式儲存，由於音樂 CD 的母帶一定是數位化的，因此最後一個英文字都是 D。
1.5 研究目的
個人音樂工作室將是 21 世紀音樂工業的新生態。由於現代錄音技術的數位 化，大幅降低了唱片製作的成本，使得原本需要高額製作費的唱片工業逐漸傾向 小型化和個人化的趨勢，個人工音樂作室於焉興起。身為流行音樂工作者，成立 個人工作室也是我未來的目標。因此希望藉由在視覺設計的學習，幫助未來在音 樂工作室的形象設計上能夠有自己的創意和見地。
在設計的專業領域中，對音樂了解的人並不多。許多從事多媒體和 3D 動畫 製作的工程師，往往對音樂並不了解，配樂和音效的技術總必須假手他人。我曾 經以美術的背景投身音樂工作，如今又以音樂工作的背景重回視覺設計領域，我 心中的使命是希望能把在音樂工作上的靈感，帶入視覺設計，也將視覺設計的創 意，加入音樂的創作當中。
目前台灣各動畫或多媒體研究所普遍缺乏配樂方面的師資。除了人才的缺乏之 外，教育方式也是主要的問題。台灣傳統的音樂教育需要深厚的古典音樂基礎，
然而台灣真正從事流行音樂或配樂工作的人員卻很少有音樂科班出身。在商業音 樂教育缺乏的環境下，這些人才往往依靠自學或出國進修。我希望以我自身在美 術,音樂工作和設計的所學，在未來能夠投入影音人才培育德行列，也能對台灣 的音樂及設計教育有所貢獻。
