CD-DA
Compact Disc Digital Audio
CD-DA(Compact Disc Digital Audio)は、コンパクトディスク (CD) に音楽などの音声データ(デジタルデータ)を記録する規格である。コンパクトディスク開発に伴って、1980年にフィリップスとソニーによって規格化され、1982年10月1日に世界初の商用ソフトとしてビリー・ジョエルのアルバム『ニューヨーク52番街』が発売された。これは音楽の供給媒体として実用化されたデジタルオーディオとしても世界初である。
CD-DAが一般化したことと、人間の聴覚に対して十分な品質であることから、CD-DAの44.1 kHz/16 bitの解像度はデジタル音声データの標準解像度として扱われている。
一般的な音楽CDがこれにあたる。普通に「CD」と言う場合、ほとんどがこの項目で説明するCD-DAの規格に沿った光ディスク、またその光ディスクを媒体とする音楽ソフトそのものを指す。
CD-DAの規格策定当時の技術水準では著作権保護機能を設ける余裕が無く、この仕様には著作権保護機能が存在しない。そのため、1990年後半のWindowsパソコン普及後に無制限なデジタルコピーの問題を抱える事になった。CD-DAの仕様から逸脱して、コピーガードを設ける(いわゆるコピーコントロールCD)事は可能だが、エラーが多発して音質が低下したり、プレイヤーによっては再生自体ができかったりする弊害がある。
またCD-DAはデジタルの黎明期に作られた古い規格で、ハイレゾ対応と著作権保護などIT全盛の時代に備えるべき機能の幾つかが存在しない。しかし、多くの一般人が未だに利用している規格である。CD-DAの仕様から逸脱した方法でデータを記録した場合、ディスクにCD-DAのロゴマークを付与することはできず、再生できないプレイヤーも大量に出てくることになるため、音質向上と著作権保護機能付与について様々なトリック(規格を逸脱する極端な例ではコピー防止のためにエラー訂正機能をわざと酷使させてCDプレイヤーに多大な負荷を掛ける手法も存在)が考案され続けている。
規格書「レッドブック」によりライセンスされているが、これは表紙の色が赤であったことに由来する。レッドブックは機密文書のため契約者以外には公開されないが、IEC-60908 Audio recording - Compact disc digital audio systemで標準化されている。
コピーガードが掛けられていたり、DTS-CD等のサラウンドデータが収録されている場合を除いて、CD-DAの本体およびパッケージには、「compact disc digital audio」ロゴが付いている。
主な仕様は下記である。他にも詳細な規定がある。
データ形式 - リニアPCM
サンプリング周波数 - 44.1 kHz
ビットレート - 1411.2 kbps
チャンネル数 - 2.0 chステレオ
スピンドル穴直径 - 15 mm
プログラムエリア内周 - 25 mm
プログラムエリア外周 - 58 mm
CD-DAは最大99のトラックを納めることが可能であり、各トラックには最大99のインデックスを付与することが可能となっている。
各セクターには2352バイト(24×98)のオーディオ・データ、及び96バイトのサブチャンネル・データが配される。
各セクターの96バイトのサブチャンネル情報には各24バイトのパケットが4つ配される。内容は1バイトのコマンド、1バイトのインストラクション、2バイトのパリティQ、16バイトのデータ、4バイトのパリティPである。
96のサブチャンネル・データの各バイトは8ビットにわけて考えられる。その各ビットは、それぞれ別個のデータ・ストリームに対応している。これらのストリームは“チャンネル"と呼ばれ、Pから始まるラベルを付されている。
チャンネルP及びQは通常のオーディオCDではタイミング情報の為に用いられる。これらはCDプレーヤがディスク内での現在位置を追跡するのを補助し、同時にCDプレーヤの時間表示の為の情報にも供される。
チャンネルQは、より高性能なプレーヤの制御目的で使われる。MCNやISRCを含む。ISRCはメディア産業で用いられ、他に含まれる情報として、オリジナル盤の国、発売年、権利者、そしてシリアル・ナンバー、及び以下の様ないくつかの追加タグがある。
データ:このトラックは(オーディオよりも)データを含む。オーディオCDプレーヤをミュートさせる為に用いる事が可能。
SCMSフラグ:トラックのデジタル・コピーに関するパーミッションを示すSCMSの為に使用される。
4チャンネルCD:このトラックは4チャンネル・オーディオを用いる。CDに於いては使われる事が無かった。
プリエンファシス:オーディオ・トラックがプリエンファシス記録されている。CD黎明期に多く用いられたが、段々と利用されなくなった。
チャンネルRからWはユーザーデータを格納する為の領域としている。曲名などを書き込むCD-TEXTや、画像を格納するCD+G、MIDIを格納するCD-MIDIなどの規格が存在する。
それまでのレコードでは一定回転(角速度一定)により外周から内周に向けて記録信号を読み出していたのに対し、CD-DAでは逆に内周から外周に向け回転速度は落ちて行き、線速度一定で読み出される(CLV)。線速度は規格により1.2から1.4 m/sと定められている。これにはデータの先頭位置である最内周で最低459 rpm、最外周で最低198 rpmの回転数が必要となる。
音楽CD(CD-DA形式)のデータの転送速度は等倍速で1倍速(1.2 Mbps=150 kiB/s)であり、この1倍を基準として、転送速度を表すのに「○倍速」という言い方をする。最大記録時間は640 MBのディスクで約72分、650 MBのディスクで約74分、700 MBのディスクで約80分となる。ただし規格上は97分まで可能。
規格策定当時に業務用途のデジタル録音で使われていたPCMプロセッサーと同等の記録性能を持つ。
16 bitというビット深度は96 dBのダイナミックレンジを持つ。規格策定時、フィリップスが14 bitでの妥協案を示したが、ソニーがクラシック音楽のダイナミックレンジの大きさを考慮して16 bitを主張し続けた経緯がある。
概ね20 kHz前後の周波数まで記録出来る。これは標本化定理によるものである。リニアPCMは理論上サンプリング周波数の2分の1までの周波数の音を標本化可能であるため、CD-DAのサンプリング周波数44,100 Hzの半分の値である22,050 Hzが記録可能な周波数の上限値となる。この値を超える周波数帯は折り返し雑音となるため、通常は録音から音楽CDが作られるまでの間にフィルターが掛けられる。そのため22,050 Hzより高い周波数、フィルターのカットオフ周波数の領域はカット・減衰され記録されていない。ちなみにサンプリング周波数が44.1 kHzという一見中途半端な値であるのは初期のデジタル録音にVTRを流用していたことに起因する。CDの開発当時はリニアスキャン方式の音声用テープにデジタル記録することが不可能であったため、PCMプロセッサーで映像信号に変換してヘリカルスキャン方式のビデオテープに記録する事が多かった。
音楽CDとして流通するディスクの大部分はCD-DAであるが、一部例外もある。CD EXTRA (CD-DA+) はCD-DAに後方互換性があり、CD-DA用のプレーヤー(CDプレーヤー)やPCのCDドライブで再生可能である。また、リッピングを防ぐため独自規格としたコピーコントロールCD (CCCD) やセキュアCD(ライセンスを逸脱した製品のため、厳密には「CD」とは呼べない)は、オーディオメーカーやPCメーカーでは動作保証外としており、一部のCD-DA用プレーヤーやPCのCDドライブでは再生不可能である(最悪の場合は機器が破損することもある)。詳細はコピーコントロールCD#問題点を参照。
また、時代が進むにつれて、CD-DAの枠を超えた高音質がCD-DAの仕様を逸脱しない範囲で実現できるように、様々な信号処理技術やデータ圧縮技術が投入されてきており、初期のCD-DAと21世紀以降のCD-DAでは別物と言える程の音質の違いがある。最先端では、CD-DAの仕様に抵触しないもののグレーな方法として、MQA-CDのハイレゾデータの隠しコード化技術隠しコード化とは、LSB(Least-Significant Bit,最下位ビット)側に音が聴き取れない程度の微小振幅のビット列を入れ込むということ。つまり隠しコードをデコードせずに通常のCD-DAとして再生する場合には下位数ビットが無意味なデータで破壊された状態(ノイズ)になる。従って、各サンプル16 bitの本来の利用方法からするとグレーと言える。隠しコード化を行う理由は、将来の拡張に備えたオプション領域といったものが全く用意されていないため、元々の音声データ区画の他に追加の音声データを入れられる場所が無いためである。がある。但し、隠しコードのハイレゾデータを利用するためには専用デコーダーを通す必要がある。
これらはいずれも既存のCDプレーヤー、PCのCDドライブで再生できる。PCではリッピングも可能。あくまでもCD-DAの枠組み内で改良しただけであり、CDが嵩張ることもあって、高音質という役割は後のハイレゾ配信に取って代わられている。
エンコードの改良
CDのビット深度の16 bitから単純計算される96 dBより広いダイナミックレンジを、ディザやコンパンダの原理を駆使して16 bitに落とし込む方法が中心であったが、エンコード技術の進歩によりハイレゾデータをCD-DAの枠内に記録可能とした規格も現れている。
20bit K2スーパーコーディング -  JVCケンウッド・ビクターエンタテインメントが開発。1993年に実用化され、20 bit相当のダイナミックレンジをディザによって16 bitデータに織り込んだCDにマークが記載された。
Extended Resolution Compact Disc (XRCD) - JVCケンウッド・ビクターエンタテインメントが開発。現在あまり生産されていない。
HDCD - 隠しコードが埋め込まれており、対応プレイヤーでは隠しコードを読み取って適応型ローパスフィルターやディザ、プリエンファシスや波形のピーク拡張のオプション機能などで音質が向上できる。HDCDに対応しない一般的なプレイヤーでは隠しコードは聞き取れない程度の微小ノイズとして再生される。
MQA-CD - ハイレゾデータの20 kHzを超える周波数成分をCD-DAの下位ビット(主にLSBを含む下位数ビット)に隠しコードとしてエンコードしたCD。HDCDの発展形のような方式で、従来のCD-DAでは不可能な20 kHzを超える超高音域も専用のデコーダーを通すことで下位ビットの隠しコードから元通りに展開することが可能になった。公式にはCD-DAで記録可能な可聴帯域に超高音域を折り畳む圧縮技術を『オーディオ折り紙』と呼んでいる。20 kHzより高い周波数成分の振幅が小さく、CD-DAの下位ビットだけでも劣化させずに記録可能であることを仮定しており、従来のCD-DAと同じデータサイズで、352.8 kHz/24 bitのマスターからのデータも劣化させずに記録可能としている。音のにじみを生むプリーエコーやポストエコーを人間の知覚限界に迫る水準まで抑えながら、ハイレゾマスターの音を消費者に届けるシステムとしてMQAが作られており、その一部として配信用のMQAエンコード済みファイルや、CD-DAにMQAエンコードを行ったMQA-CDという製品が想定されている。当然のことながら、MQAデコーダー無しでCD-DAとして再生した場合にはハイレゾデータがエンコードされた下位ビットがノイズとして再生されるため、有効ビット深度が14 bit程度に落ちるというデメリットが生じてしまう(ノイズの振幅が小さいため聞き取れるかどうかは微妙であるが)。
素材の改良
CDプレイヤーで読み取りやすい素材に変更することで、ジッターなどの性能を向上させて音質を向上させる。
GOLD CD - アルミニウムの代わりに金を反射材として蒸着したCD。アルミニウムと比べて金は金属の粒子が細かいため、読み取りレーザーの反射時の波形歪が少なく、金自体も極めて腐食しにくいという特長がある。
スーパー・ハイ・マテリアルCD (SHM-CD) - ユニバーサルミュージックが主導。
ハイ・クオリティCD (HQCD)  - ポニーキャニオンが主導。SHM-CDに類似する。
ブルースペックCD (Blu-Spec CD、BSCD) - ソニー・ミュージックエンタテインメントが主導。ブルーレイディスクの技術を応用。
CD EXTRA (CD-DA+) - CD-DA規格の音楽データと、PCで表示できるデータを1枚に収録できる。2000年代初頭まで製造され、音楽CDの付録として特典映像などを収録することが多かったが、DVDを付けることが増えたため衰退した。
Super Audio CD -「次世代CD規格」と呼ばれるが、物理的な構造はDVDに近い。通常のCDと互換性はなく、コピーガードを採用している。PCでは再生できない。
これらは「レッドブック」のライセンスを意図的に逸脱した製品のため、厳密には「CD」とは呼べない。
コピーコントロールCD (CCCD) - リッピング防止のため意図的にエラーを仕込んだ規格外の製品であり、様々な問題から2006年までに衰退した。
セキュアCD - 2005年から2006年まで流通した新規格のコピーコントロールCD。東芝EMIが開発したが、短期間で消滅した。
パーソナルコンピュータ(パソコン)などを使用し、CD-RやCD-RWなどのメディアにオーディオCDとして書き込むことで一般のCDプレーヤーで再生できるディスクが作成できるが、メーカー各社では、完全な互換性は保証していない(記録状態や機器とメディアの相性によっては、再生できない場合がある)。
2010年現在発売されているCD-ROMドライブ(CD-R/CD-RWなど書き込み可能なドライブを含む。DVDドライブではできない製品がある)は、いくつかの規格によってCD-DAを読み出すことができる。CD-DAを読み出し、デジタルデータとして保存することをリッピング(Ripping)と呼ぶ。CD-DAの実体データはパソコンで閲覧できる形式のものでないため、リッピングによりWAVなどの実体ファイル形式でのデータ抽出を行う(パソコンでCD-DAを閲覧した際に表示されるCDAファイルは、実体データへのショートカットにすぎない)。
かつてリッピングは著作権法的に微妙な問題を提起し、、リッピングツールはアングラ的な存在であった。
また標準化されたアクセス手段が存在しなかったため、ドライブによってできたりできなかったり、あるいはできても低品質なデータしか得られない場合があるなど、一般ユーザー向けではなかった。中にはCDドライブでアナログ信号に変換してサウンドカードで再度デジタル化するアナログモードでの読み出しなども存在した。
2008年現在、CD-DA読み出しに関する規格は、SCSI規格で定義され、それに基づいてATAPI規格に反映された。多くの携帯オーディオ機器付属のソフトウエアもリッピング機能を標準で備え、また、AppleのiTunesや、マイクロソフトのWindows Media Player、ソニーのSonicStageなども標準化された規格に対応した(Windows自身もアナログオーディオをCD-DA読み出しに置き換えるオプションを備えた)。
なおCD-ROMとは異なり、CD-DAではセクタに対するアドレス情報が存在しない。ある瞬間ピックアップの下を通過しているセクタが物理的にどこに存在しているかを判断する方法は一つしかなく、トラックから何個目のセクタか数えることだけである。これは通常のオーディオ用プレーヤーでは問題にならない。トラック位置で指定された場所から連続してセクタを再生していけばよいので、セクタへは物理的な位置を記す必要がないからである。
しかしリッピングではこのアドレス情報が存在しないことが問題を起こすことがある。例えば52倍速のドライブで連続して読み込もうとしたが、コンピューター側が読み込みに追従できず、一旦データ取り込みを中断してシークコマンドを発行しても、その場合に読み取れるセクタが正確な位置である保証がないためである(もっとも近いトラックから読み直すか、ドライブ自身が読み込みを中断してもセクタ位置を追従し続ける機能が必要である)。このような状態になるとセクタが不足したり重複したりする(なお、セクタが1〜2個おかしくなっても聴感上0.1秒前後の現象であるため、その不具合に気づかない場合がある)。この現象の対策として、CD-DA読み出し時には回転数を落とす措置がとられることがある。また海賊版防止の観点から、民生機のCD-DA変換機能には同じCDを実時間を超えて繰り返しリッピングできないように保護された製品が多いが、パソコン向けの機器にはこれらの保護はなされていない。
また、アドレス情報が存在しないことにより、オーディオの読み込みを開始する絶対位置がドライブによって異なってしまう現象が発生する(オフセット問題)。つまり、この問題を考慮しない一般的なソフトウェアでリッピングを行うと、ディスクの先頭または末端で欠損が発生し、オリジナルよりも早く、または遅く音声が開始されるデータが生成される。ただし、これは最大でも数百サンプル(≒数十ミリ秒)程度という多くのCDでは誤差として許容できる範囲であり、先頭または末端以外の大部分には何の影響も及ぼさない。なお、この問題を解決して読み取りを行うソフトウェアの一つにExact Audio CopyやCueTools等がある。
かつてパソコン用や家庭用ゲーム機用ゲームソフトの媒体がCD-ROMであった時代には、BGMをCD-DAで収録している作品もあった。BGM演奏にCD-DAが採用された理由としては、当時のパソコンや家庭用ゲーム機に搭載されていた内蔵音源よりも高音質だったためである例えばPCエンジン、メガドライブでCD-ROMを使用するための周辺機器であるCD-ROM2、メガCDが発売された際は、それまでのゲーム機よりも音質の高い音楽や効果音、人間の肉声などをゲーム内で多く用いることができる点が特長の1つとして大きく取り上げられた。。
こうした作品は1980年代末期以降から登場するようになり、一時は広く用いられたものの、以下の理由などにより次第に少なくなった。
ゲーム中はゲームディスクが必要となる。
1枚のディスクにゲームプログラムとCD-DAデータの両方を入れる必要がある。ただしこれは利点でもあり、一種のコピープロテクトとなりソフトの不正コピー対策として一定の効果があり、不正コピーを試みる悪質消費者から忌避された。
音楽データとして収録する場合よりもCDの容量を大きく取る。
仕様上の最大収録時間の関係から、比較的短時間しかBGMを収録できない一例として、PC-98版『信長の野望・天翔記』ではBGMとして内蔵音源とCD-DA音源の2種類が選べるが、CD-DA音源は内蔵音源よりも曲数が少なくなっている。。
家庭用ゲーム機のソフト供給媒体がDVD-ROMに移行したこと、内蔵音源性能やプロテクト技術の向上、音楽データ圧縮規格の普及などにより、2000年代以降はゲームソフトのBGM演奏にCD-DAが使用されることは少なくなった。