Systemy dźwięku wielokanałowego

Wprowadzenie

Zalety przestrzennych efektów dźwiękowych dostrzegano i wykorzystywano w muzyce już od czasów Monteverdiego. Jednak wówczas do wytworzenia efektu echa w jednym z koncertów skrzypcowych Vivaldiego wykorzystano drugiego skrzypka, który grał poza sceną tę samą partię co solista. Z powodu braku możliwości technicznych rejestracji tych efektów, pozostały one tylko w postaci zapisu nutowego. Dopiero realizacja w latach 50-tych ub. wieku zapisu stereofonicznego na płycie długogrającej LP na podstawie wynalazku z 1931 r. Anglika A.D. Blümleina wprowadziła odtwarzanie dźwiękowych efektów przestrzennych pod strzechy. Zapis stereofoniczny został podstawowym standardem dla zapisu muzyki na wiele lat. Próby wprowadzenia kwadrofonii skończyły się fiaskiem z powodu komplikacji technicznych związanych z realizacją zapisu w technice analogowej. Pojawienie się techniki cyfrowej i udane próby wprowadzenia dźwięku wielokanałowego do kina spowodowały wzrost zainteresowania konsumentów przeniesieniem efektów związanych z odtwarzaniem filmów do warunków domowych. Większość obecnie stosowanych rozwiązań technicznych w zakresie rejestracji dźwięku wielokanałowego jest związanych z jednym nazwiskiem – Ray Dolby. Trudno znaleźć inną dziedzinę techniki, której rozwój byłby tak silnie związany z działalnością jednej firmy jak w tym przypadku. Dlatego zasługuje ona na szersze przedstawienie.

Historia Dolby Labs

Ray Dolby urodził się 18 stycznia 1933 r. w Portland, w stanie Oregon ale dorastał w San Francisco w Kalifornii. Jeszcze jako licealista rozpoczął w 1949 r. pracę na część etatu w firmie Ampex Corp. w Redwood City w Kalifornii nad pierwszym magnetofonem szpulowym. W roku 1952 został członkiem małego zespołu, który w 1956 r. skonstruował pierwszy magnetowid stacyjny, studiując jednocześnie od 1953 r. na Wydziale Technicznym Uniwersytetu Stanforda. W 1957 r. uzyskał dyplom inżyniera i otrzymał stypendium fundacji Marshalla na Uniwersytecie Cambridge w Anglii, gdzie w 1961 r. obronił doktorat w dziedzinie fizyki. Następnie w latach 1963-65 pracował jako doradca techniczny z ramienia ONZ w Centralnej Organizacji Instrumentów Naukowych w Indiach.

Po powrocie do Londynu założył własną firmę pod nazwą Dolby Laboratories, Inc., która zajęła się opracowywaniem metod redukcji szumów w procesie rejestracji dźwięku na taśmie magnetycznej. Pierwszym produktem firmy był system redukcji szumów Dolby A, przeznaczony do celów profesjonalnych, a w 1968 r. jego odmiana konsumencka Dolby B. Zastosowanie w 1970 r. tego systemu do rejestracji dźwięku na kasecie kompaktowej spowodowało tak znaczącą poprawę poziomu jakości nagrania, że w konsekwencji nastąpiło wyparcie z rynku magnetofonów szpulowych. Należy wspomnieć, że firma nigdy nie zajmowała się produkcją urządzeń konsumenckich lecz jedynie sprzedawała licencje na wykorzystanie własnych patentów wraz ze znakiem „podwójne D” jak na poniższym rysunku.

Pod koniec lat sześćdziesiątych ub. stulecia Ray Dolby rozpoczął poszukiwania dodatkowych zastosowań dla swoich metod redukcji szumów. Jego wybór padł na film dźwiękowy, gdzie od lat 20-tych XX w. stosowano przeważnie zapis optyczny zapewniający jakość niewiele lepszą od telefonicznej. Pierwsze próby poprawy jakości zapisu optycznego polegały na zastosowaniu reduktora szumów Dolby A. Jednak rewolucji w tym zakresie dokonało dopiero wprowadzenie w 1975 r. zapisu czterech kanałów fonicznych, w tym niosącego zapis efektów specjalnych i dźwięku przestrzennego. System ten jest znany pod nazwą Dolby Stereo, a filmy i kina są oznaczane tym znakiem.

Pierwszymi znaczącymi filmami wyposażonymi w ścieżkę dźwiękową w tym systemie były „Gwiezdne wojny” i „Bliskie spotkania trzeciego stopnia”. Sukces obu filmów spowodował wzrost znaczenia oprawy dźwiękowej zarówno u publiczności jak i u producentów filmowych. System ten pozostaje w użyciu do dzisiaj ale w wersji znacznie ulepszonej po wprowadzeniu systemu Dolby SR w 1987 r.

Coraz bliższe związki z hollywoodzką branżą filmową skłoniły Dolby’ego do przeniesienia firmy do Kalifornii. Stało się to styczniu 1976 r. i od tej pory siedzibą firmy jest San Francisco. Ray Dolby zabrał z Londynu tylko siedmiu współpracowników. Historia Dolby Labs potwierdza tezę, że duże firmy, to są małe firmy, które osiągnęły sukces i pomyślnie się rozwinęły.

Ostatnie lata działalności firmy to kompresja i kodowanie cyfrowe dźwięku wielokanałowego na potrzeby kinematografii i użytku domowego.

Dźwięk dookólny (ang. Surround Sound) w kinie

Udoskonalanie wrażenia realności odtwarzanego dźwięku legło u podstaw wprowadzenia zapisu dźwięku wielokanałowego w kinematografii. Pierwsze praktyczne rozwiązania pojawiły się już w latach 50. ub. wieku wraz z wprowadzeniem filmu panoramicznego. Dotychczasowy zapis dźwięku na ścieżce optycznej został uzupełniony o ścieżki wykonane z tlenku żelaza, podobnie jak na taśmie magnetofonowej. Były to systemy: CinemaScopedla taśmy 35 mmi Todd-AO dla taśmy 70 mm.

W CinemaScope zapisywano 4 kanały: lewy, prawy, centralny i efektowy. Głośniki kanałów przednich były umieszczone za ekranem, natomiast kanał efektów specjalnych tworzyło wiele głośników umieszczonych na ścianach bocznych i ścianie tylnej sali kinowej, wokół widowni. Kanał centralny zwiększał czytelność dialogów dla widzów siedzących z dala od osi widowni.

W systemie Todd-AO wykorzystującym taśmę 70 mmudało się zmieścić 6 magnetycznych ścieżek zapisujących oprócz wcześniej wymienionych kanałów dwa dodatkowe – półlewy i półprawy, które likwidowały dziury dźwiękowe występujące dla dużych ekranów panoramicznych.

Ze względu na duże koszty produkcji i wyświetlania filmów panoramicznych z dźwiękiem zapisanym na ścieżkach magnetycznych oba systemy wyszły z użycia po niecałych 20 latach. Przełom nastąpił kiedy to pod koniec lat sześćdziesiątych ub. stulecia do gry wszedł Ray Dolby i zaproponował swoje ulepszenia do zapisu optycznego na taśmie 35 mm. Pierwsze próby poprawy jakości zapisu optycznego polegały na zastosowaniu reduktora szumów Dolby A i poprawę ogniskowania głowicy optycznej, co poprawiło dynamikę zapisu. Jednak rewolucji w tym zakresie dokonało dopiero wprowadzenie w 1975 r. systemu Dolby Stereo polegającego na zapisie czterech kanałów na dwóch ścieżkach optycznych: kanału lewego (L) i prawego (P), centralnego (C) – niosącego zapis dialogów i dookólnego (S) – niosącego zapis efektów specjalnych i dźwięku przestrzennego. Zapis czterech kanałów na dwóch ścieżkach był możliwy dzięki zastosowaniu techniki matrycowania sygnałów.

Pierwszym filmem wyposażonym w ścieżki dźwiękowe w tym systemie były „Narodziny gwiazdy” z Barbrą Streisand (1976), ale dopiero „Gwiezdne wojny” i „Bliskie spotkania trzeciego stopnia” zapewniły sukces nowej technice. System ten pozostaje w użyciu do dzisiaj, ale w wersji znacznie ulepszonej po wprowadzeniu systemu Dolby SR w 1986 r.

Dalszym rozwinięciem systemu Dolby Stereobyło wykorzystanie 6 ścieżek taśmy 70 mm. Zastosowano system redukcji szumów Dolby A oraz zoptymalizowano liczbę i rozdział kanałów w porównaniu z systemem Todd-AO. Pozostawiono trzy kanały przednie L, R i C oraz kanał efektowy (surround) S, a dodano dwa kanały efektów niskiej częstotliwości. Pojawił się również drugi wariant wykorzystania trzech ścieżek efektowych: kanał lewy i prawy oraz wspólny dla niskich częstotliwości. Dwa kanały efektowe pozwalały na bardzo precyzyjne lokalizowanie efektów, a kanał niskich częstotliwości przenosił tylko te efekty specjalne, które wymagały dużej mocy. System ten był dużo droższy od poprzedniego i tylko w największych produkcjach wykorzystano stereofoniczne efekty dookólne. Najważniejsze filmy w tym systemie to: „Superman”, „Czas Apokalipsy” czy muzyczny „The Wall”.

Kolejnym etapem w rozwoju techniki analogowego zapisu dźwięku dla kina było wprowadzenie w 1986 r. nowego procesu nagrywania zwanego Dolby SR (ang. Spectral Recording), zapewniającego dwukrotną redukcję szumów w porównaniu z Dolby A oraz poprawę przenoszenia bez zniekształceń głośnych dźwięków w szerszym paśmie częstotliwości. Obecnie wszystkie optyczne ścieżki dźwięku dookolnego są zapisywane w systemie Dolby SR i oznaczane tym znaczkiem.

Pojawienie się płyty CD wskazało branży filmowej kierunek zmian w technice rejestracji dźwięku. Pierwszym systemem cyfrowej rejestracji był system CDS (ang. Cinema Digital Sound) opracowany przez firmy Eastman Kodak i Optical Radiation Corp. w 1991 r. System ten wykorzystywał dla zapisu miejsce, które zajmowały ścieżki analogowe, nie był więc kompatybilny ze starszymi formatami, co przesądziło ostatecznie o jego porażce. Najbardziej znane filmy nagrane w tym systemie to: „Edward Nożycoręki”, „The Doors”, „Terminator 2”, „Hudson Hawk” czy „Uniwersalny Żołnierz”.

OdpowiedziąDolby Labs był wprowadzony w 1992 r. system Dolby Digital, kompatybilny z Dolby SR. Dane cyfrowe zostały umieszczone w wolnych miejscach pomiędzy perforacjami taśmy 35 mm. System rejestrował 6 kanałów dźwiękowych w schemacie 5.1 tzn.: lewy (L), prawy (R), centralny (C), dookólny lewy (LS), dookólny prawy (LR) i niskich częstotliwości. Umieszczenie pełnej informacji o 6 kanałach dźwięku na tak niewielkiej powierzchni, jaka była dostępna na taśmie filmowej nie byłoby możliwe bez kompresji, której rolą było ograniczenie strumienia danych. Pierwszym systemem kompresji dźwięku opracowanym w Dolby Labs w 1984 r. był AC-1. Wprowadzono go w kilku telewizyjnych kanałach satelitarnych i kablowych w 1985 r. Kolejną wersją był AC-2 wprowadzony w 1989 r. do celów przesyłania profesjonalnie nagranego dźwięku pomiędzy studiami po liniach ISDN. Najbardziej znaną wersją jest wprowadzony w 1992 r. system AC-3 zwany po prostuDolby Digital i oznaczany poniższym znakiem.

System pozwala na 10-krotną redukcję danych. Został stworzony specjalnie dla zastosowań wielokanałowych włączając dźwięk kinowy i cyfrowy dźwięk dookólny w domu.

Najnowszą techniką w zakresie dźwięku dla filmu jest system Dolby Digital Surround EX wprowadzony w 1999 r. Polega on na dodaniu trzeciego tylnego kanału efektowego do formatu Dolby Digital. System ten podobnie jak wcześniejsze jest kompatybilny wstecz. Oznacza się go tym znaczkiem.

Innym konkurencyjnym systemem dla rozwiązań Dolby’ego jest DTS (ang. Digital Theater System) zaprezentowany po raz pierwszy w 1993 r. w filmie Jurrasic Park Stevena Spielberga, który zresztą był jednym z inicjatorów wprowadzenia tego pomysłu. DTS wykorzystuje te same schematy kanałów co systemy Dolby’ego, natomiast dźwięk jest zapisany na płycie CD-ROM. Kompresja jest 4-krotna co powoduje, że dźwięk dla 1,5-godzinnego filmy zajmuje 2 płyty. Synchronizację odtwarzania zapewniają specjalne kody czasowe naniesione na taśmę filmową obok analogowej ścieżki dźwiękowej.

Ostatnim liczącym się konkurentem wcześniej wymienionych firm jest Sony, właściciel systemu SDDS (ang. Sony Dynamic Digital Sound). System zadebiutował w filmie „Bohater ostatniej akcji” w 1993 r. a lista filmów wyposażonych w ścieżkę dźwiękową w tym systemie liczy ponad 1400 pozycji. System jest kompatybilny ze wszystkimi pozostałymi systemami, ponieważ zakodowana informacja o cyfrowym dźwięku została umieszczona na taśmie filmowej między jej krawędzią a perforacją. W efekcie niezawodność tego zapisu jest najniższa, ponieważ ta część taśmy jest najbardziej narażona na uszkodzenia. Niemniej jednak, najważniejsze filmy obecnie wyposaża się w dźwięk zapisany jednocześnie we wszystkich wcześniej wymienionych systemach.

Dźwięk dookólny w domu

Doświadczenia zdobyte podczas eksperymentów z kanałem efektowym zostały wykorzystane do stworzenia standardu dla dźwięku dookólnego dla pomieszczeń zamkniętych. Międzynarodowe organizacje normalizacyjne uznają obecnie za najbardziej pożądaną konfigurację systemu wielokanałowego schemat sześciodrożny 5.1 a dokładnie 3/2.1. Zapis 5.1 oznacza pięć kanałów szerokopasmowych plus jeden niskotonowy, a formuła 3/2.1 dodatkowo uściśla, że wśród tych 5 kanałów trzy są przednie i dwa tylne. Niestety, na tym normalizacja się kończy – formaty zapisu i algorytmy kompresji są już dowolne. Obecnie mamy do czynienia na rynku z konkurencją dwóch firm: Dolby Labs z San Francisco i DTS Inc. z Los Angeles, z których każda oferuje po kilka systemów dźwięku wielokanałowego dla kina domowego. Oto krótki przegląd najczęściej spotykanych formatów.

Dolby Surround

SystemDolby Surround jest konsumencką wersją analogowego formatu dźwięku wielokanałowego Dolby Stereo. Dwa kanały dźwięku Lt i Rt oprócz informacji o kanałach L i R niosą również informację o kanałach C i S dzięki zastosowaniu tzw. matrycowania kanałów. Dekodowanie kanału S jest możliwe za pomocą prostego dekodera pasywnego Dolby Surround natomiast dekoder aktywny Dolby Pro Logiczapewnia dekodowanie wszystkich czterech kanałów fonicznych.

Brak kanału centralnego nie jest odczuwalny gdy szerokość bazy stereofonicznej (odległość między głośnikami L i R) nie jest zbyt duża a słuchacz siedzi blisko osi bazy. W pozostałych przypadkach właściwsze jest zastosowanie zestawu kina domowego z dekoderem Dolby Pro Logic, który niewiele różni się od profesjonalnego dekodera Dolby Stereo. Sprzęt wyposażony w odpowiedni dekoder jest oznaczany odpowiednim znaczkiem.
 

Rozwinięciem dekodera Pro Logic do schematu 5.1 jest wprowadzony w 2000 r. dekoder Dolby Pro Logic II, natomiast dekoder Dolby Pro Logic IIx obsługuje schematy 6.1 i 7.1 zgodne z Dolby Digital EX. Obecność odpowiedniego dekodera w sprzęcie jest wskazywana jednym z poniższych znaczków.

W technice cyfrowej podstawowym systemem zapisu dźwięku wielokanałowego jest AC-3 (Dolby Digital 5.1). Zapewnia on sześć odseparowanych kanałów dźwiękowych: lewy (L), prawy (R), centralny (C), dookólny lewy (LS), dookólny prawy (LR) i efektowy niskich częstotliwości LFE (ang. low frequency extension). Pięć pierwszych kanałów przenosi pełne pasmo częstotliwości (20 Hz do 20 kHz), a szósty tylko niskie częstotliwości (20-120 Hz). Dzięki zastosowaniu tzw. kodowania percepcyjnego osiągnięto przeciętną przepływność 384 kbit/s.

Najnowszą propozycją jest format Dolby True HDzapewniający bezstratne kodowanie dźwięku w schemacie 7.1. Format został przewidziany do zapisu na nośnikach Blu-rayi HD DVD. System wykorzystuje bezstratną kompresję dźwięku MLP (ang. Meridian Loseless Paking) wcześniej stosowaną w DVD-Audio. Wersja systemu wykorzystująca kompresję stratną nosi nazwę Dolby Digital Plus lub E-AC-3 i została stworzona na potrzeby telewizji wysokiej rozdzielczości.

Konkurencyjnym systemem dla Dolby Digital 5.1 jest systemDTS 5.1 opracowany przez Digital Theatre Systems, Inc. Jego pełna nazwa to DTS Coherent Acoustics. Podobnie jak AC-3 zapisuje dźwięk w schemacie 5.1. Jednak stopień kompresji jest dużo niższy, co ogranicza jego stosowanie w radiodyfuzji, ze względu na wymaganą wysoką przepływność bitową zbliżoną do 1,5 Mbit/s. Zapewnia jednak wyższą dynamikę nagrań, ponieważ stosuje podstawową rozdzielczość 20 bitów i jest bardziej elastyczny. Obecność dekodera w sprzęcie jest wskazywana poniższym znaczkiem.

Kolejnymi wariantami systemu DTS są: DTS-ESkodujący dźwięk w schemacie 6.1 i DTS-HD Master Audio obsługujący praktycznie nieograniczoną liczbę kanałów fonicznych przeznaczony do rejestracji na płytach Blu-ray i HD DVD.

Wirtualny dźwięk dookólny

Oprócz „prawdziwych” systemów kina domowego obejmującego co najmniej 4 kanały dźwiękowe istnieją również systemy dwukanałowe wytwarzające u słuchaczy wrażenie większej liczby źródeł dźwięku niż w rzeczywistości. Wykorzystuje się tu psychofizjologię słuchu w zakresie lokalizacji źródła dźwięku poprzez ocenę różnicy czasu, fazy i tłumienia określonych częstotliwości w obu uszach lub odbić dźwięku od ścian pomieszczenia. Praktyczne realizacje to m.in.: Dolby Virtual Speaker dla głośników i Dolby Headphone dla słuchawek, SRS TruSurround XT (ang. Sound Retrieval System) czy Digital Sound Projector.

THX

Na zakończenie prezentacji systemów dźwięku wielokanałowego warto wspomnieć o THX. Nie jest to ani system ani format zapisu lecz zestaw wymagań, jakie powinien spełniać sprzęt odtwarzający obraz i dźwięk oraz pomieszczenie odsłuchowe. Obejmuje m.in. specyfikację poziomów głośności w poszczególnych kanałach, charakterystyk promieniowania zestawów głośnikowych oraz procedury dekodowania sygnałów niezależnie od formatu zapisu.