Отличный материал о истории и становлении различных форматов многоканального звука.
Как все начиналось
На заре кинематографа зритель мог наблюдать только картинку с беззвучно двигающимися автомобилями, поездами, повозками, снующими по улицам людьми. Весь художественный замысел режиссера передавался лишь через движения и мимику актеров – это была эпоха немого кино. В 20-ее годы прошлого века в кино стало звуковым. Звук самым кардинальным образом изменил подход к процессу производства фильма – интонации героев во время разговоров, нежный шепот влюбленных, жаркие споры, звук автомобильной погони, перестрелки, музыкальное сопровождение, подчеркивающее самые яркие и драматичные моменты, звон бокалов – весь этот богатый мир звуков стал, словно новым измерением. Теперь режиссер получил гораздо больше возможностей, для того чтобы донести свои задумки до зрителя, который, в свою очередь, мог полнее воспринимать происходящее на экране – «визуальные» впечатления дополнились «звуковыми». Многоканальный звук, как собственно следует из названия, предполагает передачу звуковой информации зрителю не через один канал, а через несколько. Тем самым создается впечатление, что звук идет от нескольких источников. Звук словно окружает зрителя, дает ощущение погружения. Впервые многоканальный звук использовали всего через 15 лет после появления звукового кино - в далеком 1940 г. в диснеевском мультфильме “Fantasia”, который сопровождался трехканальным дискретным звуком. Формат получил название Fantasound, однако больше с тех пор нигде не применялся. В 50-х в кино использовались другие дискретные форматы (четырехканальный CinemaScope и шестиканальный Todd-AO).
Dolby Stereo
Рэй Долби (Ray Dolby)
Настоящую революцию в области многоканального звучания совершил английский инженер Ray Dolby - основатель одноименной компании. Он занимался шумоподавлением для аудиосистем. Без его разработок, к слову, развитие многоканальных систем не представлялось бы возможным: шумы из-за смешения сигналов соседних звуковых дорожек были бы невыносимыми.
В 1975 году компания Dolby представила формат Dolby Stereo. Применялась так называемая матричная система кодирования - в пространстве, выделенном для обычной оптической звуковой моно дорожки, размещались две дорожки, которые несли информацию не только о левом и правом каналах, но и о центральном канале, и четвертом тыловом канале для объемного звука и спецэффектов (surround канал), создающем эффект «погруженности». Левый и правый каналы (Lt и Rt как их принято называть в системе матричного кодирования) идут в звуковой трек в неизменном виде, канал эффектов сперва ограничивают – обрезая все частоты выше 7 кГц и ниже 100 Гц, обрабатывают системой шумоподавления, а затем канал делится надвое – одна часть поворачивается по фазе на -90 градусов, другая - на +90 (или же одна поворачивается на 180 градусов, а вторая остается неизменной). После чего, части добавляются в левый и правый каналы, соответственно. Уровень центрального канала понижают на 3дБ, и подмешивают его в равных частях в левый и правый каналы. При декодировании левый и правый каналы подаются на соответствующие громкоговорители, как правило, в неизменном виде. Канал эффектов получают вычитая Rt из Lt (переворачивая фазу), выделяя при помощи фильтров полосу частот 100 Гц – 7 кГц, после обрабатывают системой шумопонижения и создают небольшую задержку (от 20 до 100 мс в зависимости от помещения). После этого сигнал идет на громкоговорители. Задержка необходима для субъективного разделения центрального и surround каналов.
Здесь присутствует так называемый эффект Хааса – если один сигнал приходит немного позже другого и звучит чуть громче, то сигнал, приходящий раньше маскируется, и мы его практически не воспринимаем. В нашем случае, хотя звук заднего канала присутствует в левом и правом каналах, но сигнал заднего канала имеет более высокий уровень звука и приходит с задержкой, поэтому звук эффектов приходит к зрителю именно сзади, как собственно это и должно быть.Кроме этого задержка – помощник в больших кинозалах. Очень часто эхо сигнала какого-либо и передних каналов записывается в задний канал. В результате чего может сложиться ситуация, когда зрители, сидящие на последних рядах, будут сначала слышать эхо, а потом уже сам сигнал. Точная настройка задержи для конкретного зала, позволяет решить эту проблему.
Раскодирование и последующая обработка центрального канала требует применения нетривиальных подходов. На первый взгляд – все просто – сложили Lt и Rt подняли уровень на 3 дБ – и все отлично, все работает. Однако при этом, диалоги, для которых важна четкая локализация в центре, будут звучать одновременно из правого и левого каналов, уровень сигнала в которых всего на 3 дБ ниже, чем в центральном. Инженеры Dolby использовали набор логических схем, для различных ситуаций. Во время диалога, уровень сигнала в боковых каналах понижается, но возникает проблема, при воспроизведении одновременно с диалогом музыкального сопровождения. В промежутках между фразами музыка, служившая на протяжении диалога лишь тихим фоном, словно «выскакивает» на зрителя из боковых каналов. Для «гармоничного» совместного воспроизведения музыки и речи, к правому каналу подмешивается левый в противофазе и наоборот, получается, что сигнал центрального канала вычитается из боковых, и музыка во время диалогов звучит в моно варианте, при этом левый и правый каналы находятся в противофазе.
В других ситуациях также успешно применяют технику заглушения соседних каналов. Например, часто требуется выделить какой-либо звук, который превалирует над другими (звук взрыва, выстрел, удар и т.п.). В этом случае, декодер заглушает звук соседних каналов (при условии, конечно, что он этот самый звук определил), тем самым, придавая звуку большую направленность. Когда звук не имеет четкой локализации (например – шелест листьев), нет необходимости использовать сложные логические схемы, декодер их просто отключает и раскодирует звук пассивно.
Теперь, зритель мог не только наблюдать динамику происходящего на экране, но и отлично воспринимать на слух движения персонажей и объектов. Например, звук шагов героя, бредущего по дороге, послушно следовал за хозяином из одного конца экрана в другой. Популярность пришла к новому формату в 1977 г., когда на экраны вышли два чрезвычайно популярных фильма: « Звездные войны» и «Близкие контакты третьего рода». Маркетинговые исследования показали, что кинопрокатчики выбирают для показов кинотеатры, оборудованные системой Dolby Stereo, обходя, при этом, стороной кинотеатры с моно звуком. Вплоть до 1979 кодирование осуществлялось по модифицированной технологии Sansui QS, изначально разработанной для квадро. Разделение между каналами, при этом, составляло 8 дБ. В 1979 г. компания изменила технологию кодирования, благодаря чему разделение между каналами возросло до 15 дБ. Полоса частот заднего канала, однако, так и осталась ограниченной (от 100 Гц до 7 кГц). В настоящее время в мире действует около 40 тысяч кинотеатров, оборудованных системами Dolby Stereo.
Dolby Surround и Dolby Surround Pro Logic
Система Dolby Surround Pro Logic
В компании Dolby верно оценили перспективы многоканального звука для домашних пользователей, в 1982 был представлен формат Dolby Surround. Он позволил в домашних системах при просмотре фильмов со звуком в формате Dolby Stereo декодировать тыловой канал, получая, тем самым, трехканальный звук. Этого, в принципе, было достаточно – отсутствие реального центрального канала компенсировалось «фантомным» центральным каналом который создавался левым и правым громкоговорителями. Ситуация изменилась после того стали распространяться телевизоры с большой диагональю экрана (27-32 дюйма). «Фантомный» канал уже не мог полноценно заменить реальный центральный канал, поэтому в 1987г. был представлен формат Dolby Surround Pro Logic, который позволил декодировать на домашних системах все четыре канала. Теперь зритель, сидя дома в уютном кресле, мог в полной мере насладиться возможностями технологии Dolby Stereo.
THX
После выхода на экраны «Звездных войн», режиссер фильма Джордж Лукас понял, что далеко не все кинотеатры технически в состоянии воспроизвести звуковые дорожки фильма должным образом, как, собственно задумывал сам режиссер. Лукас дал задание техническому директору Lucasfilm Томлинсону Хольману разработать новые требования для кинотеатров, а именно – требования к их оборудованию - декодерам, усилителям, акустическим системам. Получившаяся в результате система была оформлена в виде набора лицензионных требований и получила название THX - Tomlinson Holman’s eXperiment (дословно – эксперимент Томлинсона Хольмана).
Она, по существу, не является отдельным форматом. THX - это дополнение к уже существующим форматам многоканального звука Dolby. По всему миру предполагалось развернуть программу сертификации кинотеатров. Логотип «THX» присваивался только тем, которые имели самую высококачественную аппаратуру для воспроизведения звука, позволявшую выполнять требования THX.
Система не зависит от источника звукового сигнала. Источником сигнала может быть любая многоканальная запись. Дальнейшая обработка в тракте воспроизведения выполняется таким образом, чтобы обеспечить максимальное качество звучания. Сигнал дополнительно обрабатывается процессором THX, в процессе обработки сначала корректируются частотные характеристики. В кинотеатре сигнал нуждается в дополнительных коррективах, связанных со специфическими условиями эксплуатации, таких как, например, частичное приглушение сигнала полотном экрана, закрывающим акустические системы. Окраска звучания в тыловых каналах также определенным образом корректируется – в схему матричного декодирования тылового сигнала введен адаптивный декоррелятор. Декорреляция превращает моносигнал Dolby Surround в псевдостереофонический, что позволяет лучше распределить сигналы в пространстве. Помимо этого, выделили дополнительную басовую составляющую - сигнал для сабвуфера. Для более комфортного звучания введена система ре-эквализации сигнала, смягчающая высокие частоты, также выполнена более точная обработка сигнала в голосовом диапазоне.
Система позволяет обеспечить воспроизведение расширенного частотного и динамического диапазонов. Для того, чтобы зрители получали полноценную информацию о перемещении объектов в поперечном направлении (т.е. для достижения высокой степени локализации звучания) акустические системы фронтального и центрального каналов должны работать синхронно и иметь специальную диаграмму направленности – максимально широкую в горизонтальной плоскости и более узкую в вертикальной.
Тыловые колонки должны обладать характеристиками диполя или триполя, т.е. излучать одинаково в двух или трех различных направлениях, но в противофазе. При размещении на стене кинозала, они излучают звук вдоль нее, при этом к зрителю идет не прямой, а отраженный звук. Существуют спецификации THX 4.0 для четырехканального звука и THX 5.1 для шестиканального.
Dolby Digital
Расположение цифровой и аналоговой звуковых дорожек на стандартной 35-мм пленке.
В 1992 г.компания Dolby представила новый, цифровой формат – Dolby Digital (Dolby AC-3). Произошло это на премьере фильма Batman returns («Возвращение Бэтмена»).На обычной 35-мм пленке вместе с двумя оптическими аналоговыми дорожками, в пространстве между отверстиями перфорации, размещается цифровая оптическая запись, такое размещение сделалось возможным благодаря битовому представлению сигнала, что позволяет делать дорожку, состоящую из отделенных друг от друга фрагментов. Аналоговая дорожка является резервной, к тому же, она позволяет воспроизводить фильм не только в кинотеатрах, оборудованных системой Dolby Digital, но и там где еще применяются аналоговые системы вплоть до моно.
Шестиканальный звук кодируется в единый цифровой поток, при воспроизведении он декодируется, усиливается и подается на шесть каналов: левый, центральный, правый, левый и правый тыловые (окружающие) и канал низкочастотных эффектов LFE (Low-Frequency Effect).Причем, звуковая информация в каждом из 6-ти каналов отдельная и совершенно не зависит от других каналов. Каналы разделяются между собой по уровню плюс/минус 50-60 дБ. Такая система каналов получила обозначение 5.1 – 5 каналов с полным частотным диапазоном от 3 Гц до 20 кГц и один низкочастотный работающий в диапазоне от 3 до 120 Гц.
Система Dolby Digital
Передача больших массивов цифровых данных, которые представляет собой звук, требует применения специальных алгоритмов сжатия, кодирования и, соответственно, последующего декодирования и восстановления информации. Причем, все эти процессы должны быть незаметны для зрителя. В Dolby Digital используется алгоритм кодирования AC-3. Базовая скорость цифрового потока составляет при этом 384 кбит в секунду (для сравнения скорость потока для компакт-диска более 1400 кбит/сек). Сжатие данных осуществляется с потерями от 9:1 до 16:1. Но, в результате, по качеству, Dolby Digital превосходит аналоговые форматы.
Этот алгоритм как и большинство других, используемых для сжатия звука, использует особенности слухового восприятия человека. Например, громкий сигнал маскирует более тихие и имеющие более низкую или более высокую частоту сигналы, то есть эти сигналы будут либо слаборазличимыми, либо вовсе будут неслышны. Поэтому их либо кодируют с небольшой разрядностью, или совсем не кодируют. Правила, которые использует кодирующее устройство, удаляя малозначимую информацию из аудиопотока, называются психоакустической моделью. Также удаляется избыточная информация (повторяющиеся фрагменты). Данные считываются с пленки с помощью специальной насадки на кинопроектор, затем данные поступают в декодер, который встроен в кинопроцессор. Данные в декодер поступают в виде блоков по 512 или 256 семплов. Прежде всего проверяется целостность блока, и если обнаруживается ошибка, декодер использует предыдущий, признанный годным блок.
В декодер не заложена функция восстановления ошибок – он может только их отслеживать. А, поскольку, блоки перекрываются на 50% то это не вызывает каких либо проблем при воспроизведении звука. Более того, декодер может использовать один и тот же фрагмент несколько раз. Если информация престает поступать в течение нескольких блоков, декодер автоматически переключает кинопроцессор на аналоговую дорожку.
На сегодняшний день система Dolby Digital 5.1 занимает лидирующие позиции в области вещательного звука. Именно с таким звуком транслировался конкурс Евровидение проводившийся в Киеве. Многие крупнейшие мероприятия в США, например Grammy Awards, уже не один год транслируются с многоканальным звуком Dolby. Зрители Старого света могли в полной мере получить удовольствие от многоканального звука Dolby Digital, следя за событиями Афинской олимпиады и чемпионата мира по футболу.
Dolby Digital Surround EX и Dolby Digital Surround EX THX
Система Dolby Digital Surround EX (слева) и Dolby Digital Surround THX EX (справа)
Следующим шагом стала система Dolby Digital Surround EX. К шести каналам Dolby Digital добавился центральный тыловой канал, что соответствует конфигурации 6.1. Дополнительный канал кодируется матричным способом – записывается в противофазе в левый и правый тыловые каналы. Если даже кинотеатр не оборудован динамиками для дополнительного канала, звук этого канала будет воспроизведен через левый и правый тыловые каналы.Lucasfilm предложила применить к новой системе свой адаптивный THX декоррелятор, о котором мы уже говорили ранее, для раделения центрального тылового канала на правый и левый. Таким образом, получилась восьмиканальная конфигурация 7.1. Процесс воспроизведения в такой системе выглядит следующим образом: после декодирования шести каналов, с помощью матричного декодера выделяется седьмой канал, после этого к работе подключается декоррелятор, разделяющий седьмой канал на два. Система получила название Dolby Digital Surround THX EX.
Система Dolby Pro Logic II
Для домашних пользователей компания Dolby представила систему Dolby Pro Logic II. Которая позволяет получить на домашних системах конфигурацию 5.1 из аналоговой записи Dolby Stereo, или даже из обычной стерео - записи.
DTS
Небольшая американская компания DTS (Digital Theatre System) предложила одноименный формат. Впервые он был представлен в 1993 году в фильме Jurassic park, снятом Стивеном Сплибергом. В разработке формата активное участие принял сам Спилберг, а также компания Universal, являющаяся совладельцем DTS. Необходимо сразу отметить, сто существуют две системы DTS – одна для кинотеатров, другая для домашних пользователей. Эти две системы, несмотря на одно и то же название, довольно сильно разнятся в отношении способов кодирования степени, сжатия и качества звука. Поговорим сначала о «киношном» варианте DTS. В этом формате звук записывается не на пленку, как в Dolby Digital, а на CD-ROM, на пленке же записывается только синхросигнал, а также, две аналоговые звуковые дорожки. DTS, как и Dolby Digital, использует шестиканальный звук 5.1. Также может применяться и восьмиканальная конфигурация 7.1, при этом добавляются левый и правый центральные каналы. В системе DTS используется деструктивное (т.е. с потерями) сжатие данных. Если говорить о варианте DTS для кино, то здесь используется алгоритм компрессии apt-X100, который был разработан компанией Advanced Processing Technology, принадлежащей компании Solid State Logic. Эта компания занимается передачей высококачественного звука по телефонным сетям ISDN, и алгоритм apt-X100 изначально был разработан именно для телефонной связи. Компания DTS лишь адаптировала его для использования в многоканальном звуке. В DTS кодируются пять независимых каналов разрядностью 16 бит и с частотой дискретизации 44.1 кГц. Шестой сабвуферный канал подмешивается в два задних surround-канала, частота раздела составляет 80 Гц. Другими словами в DTS для кино канал для сабвуфера не является полностью независимым. Однако, это обстоятельство не является особым недостатком, так как в большинстве кинозалов surround громкоговорители не воспроизводят сигнал с частотой ниже 80 Гц. В основе алгоритма apt-X100 лежит способ кодирования ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation). Такой способ не предполагает использования психофизических моделей восприятия, и является довольно простым как для кодирования так и для декодирования. Простота алгоритма обуславливает невысокую стоимость кодирующего/декодирующего оборудования, а также снижает время от момента поступления сигнала на устройство до момента кодирования/декодирования. Все это является безусловными плюсами такого алгоритма. Потери при сжатии составляют от 3:1 до 4:1, то есть значительно меньше по сравнению Dolby Digital. Скорость потока данных составляет 882 Кбит/с, что также превосходит Dolby Digital и, теоретически, обеспечивает лучшее качество звучания. Спецификация DTS предусматривает и сжатие без потерь. Система DTS для бытовых медиа-носителей. Впервые система DTS появилась на видеодисках формата Laser Disc (с цифровым звуком и аналоговым видео). Позднее DTS стала применяться для записи обычных Audio-CD, а с приходом DVD заняла свое место и там. В отличие от «киношного» формата, на носителях звук кодируется другим способом - Coherent Acoustics, который был разработан фирмой AlgoRhythmic Technology. Основан он на том же ADPCM, но здесь уже учитывается психоакустическая модель. Помимо этого алгоритм обеспечивает высокую гибкость при работе – позволяет закодировать от одного до восьми независимых каналов с разрядностью от 16 до 24 бит, частотой дискретизации от 8 до 192 кГц. Битрейт лежит в диапазоне от 32 до 4096 Кбит/с. На практике все вышеперечисленные возможности, разумеется, не используют. Наиболее часто применяемый вариант следующий: звук кодируется в формате 5.1 – в этой системе, в отличие от киноншого варианта, канал сабвуфера отдельный, частота дискретизации 44.1 кГц (для LD и CD) или 48 кГц (для DVD), разрядность составляет от 16 до 24 бит. На LD и CD звук записывается с битрейтом 1235 Кбит/с. При этом степень сжатия составляет от 2,9:1 – при использовании 16-битного исходного сигнала, до 4,3:1 – при использовании 24-битного исходного сигнала. На DVD, поскольку используется рабочая частота дискретизации равная 48 кГц, битрейт составляет 1509 Кбит/с. Также, для DVD предусмотрен формат и с меньшим битрейтом – 754 Кбит/с, однако качество звука, при этом, конечно же страдает.
DTS 96/24
Система DTS 96/24 была представлена в 2001 году. Предназначена для кодирования звука на бытовых носителях, в основном на DVD. В ней используется уже описанный алгоритм сжатия Coherent Acoustcs. Система, как это следует из названия, позволяет кодировать многоканальный звук с частотой дискретизации 96 кГц и разрядностью 24 бит. Предполагается, что DTS 96/24 будет применяться на носителях DVD-Audio как дополнительная фонограмма. Закодированный звук располагается в видеообласти диска, таким образом, он может быть воспроизведен на любом DVD-проигрывателе. Несжатый звук располагается в специальной аудиозоне диска и для его воспроизведения требуется специальный проигрыватель DVD-Audio. Система совместима с декодерами DTS предыдущих поколений, правда в этом случае, звук, закодированный в новом формате, будет раскодирован с частотой дискретизации 48 кГц.
DTS-ES, DTS-ES 6.1 Matrix, DTS-ES 6.1 Digital и NEO-6
Система DTS-ES Matrix. Входящий в систему матричный декодер (Matrix Decoder) декодирует из двух общих тыловых каналов - правого (Rst) и левого (Lst) три тыловых канала - правый (Rs), левый (Ls) и центральный (Cs).
В системе DTS-ES, также как и в Dolby Digital Surround EX, матричным способом кодируется дополнительный шестой канал в правый и левый surround-каналы. Таким образом, получается конфигурация 6.1. В DTS-ES, используемой для домашних кинотеатров шестой канал отдельный, а не закодирован матричным способом. Системы получили названия DTS-ES 6.1 Matrix (для кинотеатров) и DTS-ES 6.1 Digital (для домашних кинотеатров).Для домашних систем DTS представила систему NEO-6, позволяющую, также как и Pro Logic II, получать 5-ти и 6-ти канальный звук дома, при прослушивании треков, закодированных в формате Dolby Stereo и в обычных стерео-форматах.
DOLBY и символ двойного D являются зарегестрированными торговыми марками Dolby Laboratories.
Источник: http://www.avreport.ru