Systemy otaczania dźwiękiem ( Stereofonia wielokanałowa)

Bohdan Wojciech Kulesza

Instytut Telekomunikacji i Akustyki

Politechniki Wrocławskiej

Wrocław 2004.

Spis treści:Spis treści:1. Wprowadzenie.2. Standardy stereofonii wielokanałowej.3. Analogowe systemy dźwięku otaczającego.

3.1. Dolby Stereo.3.2. Six Track Dolby Stereo.3.3. Dolby Surround.3.4. Dolby Surround Pro Logic.

4. Cyfrowe systemy dźwięku otaczającego.4.1. Dolby Digital (AC-3).4.2. Dolby Digital EX.4.3. Digital Theatre System.4.4. Digital Cinema System.4.5. Sony Dynamic Digital Sound.

5. Kierunki rozwoju. Literatura.

1. Wprowadzenie.1. Wprowadzenie.

Wprowadzenie.

Technika otaczania dźwiękiem szybko rozwija się, wraz z rozwojem technologicznym, w dwóch kierunkach:

1. Filmy w sali kinowej

– odbiór zbiorowy ( nośniki dźwięku: taśma filmowa, płyty).

2. Filmy i odtwarzanie dźwięku w warunkach domowych (kino domowe)

– odbiór indywidualny (nośniki dźwięku: taśma VCR, płyty).

Niedoskonałości stereofonii dwukanałowej:

1. Wąska panorama dźwiękowa (tylko z przodu).

2. Mały obszar poprawnej lokalizacji pozornych źródeł dźwięk,co jest szczególnie ważne przy słuchaniu zbiorowym.

Przy opracowywaniu nowych, wielokanałowych systemów otaczania dźwiękiem decyduje się przede wszystkim o tym:

1. Jaką liczbę kanałów (głośników) powinien zawierać dany system stereofoniczny.

2. Jak powinny być rozmieszczone głośniki w stosunku do słuchacza.

Najlepiej gdy: liczba kanałów transmisyjnych (możliwie duża, ograniczona

jednak kosztem i komplikacją systemu) równa jest liczbie głośników;

rozmieszczenie głośników poszczególnych kanałów daje najlepszą zgodność psychoakustyczną charakterystyk przestrzennych systemu stereofonicznego i słuchu.

2. Standardy stereofonii wielokanałowej.2. Standardy stereofonii wielokanałowej.

Standardy stereofonii wielokanałowej (ITU Dok. 9/1975 z 1993 r.) zostały opracowane w wyniku żmudnych pomiarów subiektywnych m.in. T. Nakajamy i T. Muira (zob. JAES 9/1975).

Okazało się, że najlepszym systemem stereofonicznym jest system głośnikowy typu „trapez” (rozmieszczenie głośników na planie trapezu) – zob. J Kovalgin, Wybrane zagadnienia stereofonii, SWIN-T, Warszawa 1993.

System rozmieszczenia głośników 3/4 (3 głośniki przód i 4 surround).

System rozmieszczenia głośników 3/2 Ekran 1 HDTV - szerokość ekranu = 3H (2β1 = 33°)Ekran 2 - szerokość ekranu = 2H (2β2 = 48°)H: wysokość ekranuB: szerokość bazy głośnikowej

3. Systemy analogowe.3. Systemy analogowe.Systemy otaczania dźwiękiem w kinach zaczęto wprowadzać już w latach

50-tych, stosując wielościeżkowe zapisywanie magnetyczne na taśmach filmowych o szerokości 35 mm (Cinema Scope) i 70 mm (Todd AO).

Zapis magnetyczny na taśmie filmowej (Todd AO).

Jednak rozwój techniki analogowej nastąpił dopiero w latach 70-tych po wynalezieniu reduktora szumów Dolby. Powstały systemy Dolby Stereo i Six Track Dolby Stereo.

3.1. Dolby Stereo.3.1. Dolby Stereo.

Dolby Stereo jest systemem z optycznym dwuśladowym zapisem dźwięku na taśmie filmowej o szerokości 35 mm. Powstał po wynalezieniu w latach 60-tych reduktora szumu Dolby A i po udoskonaleniu dźwiękowej głowicy optycznej projektora kinowego. Na dwóch ścieżkach dźwiękowych (śladach) zakodowano sygnały czterech kanałów stereofonicznych, dzięki zastosowaniu techniki macierzowej.

Otrzymano: kanał lewy (L), centralny (C), prawy (R) i surround (S), czyli otaczający. Dodatkowy kanał z przodu służy do efektów dźwiękowych małych częstotliwości (do 100 Hz) tzw. LFE (Low Frequency Effects).

Zapis optyczny na taśmie filmowej Dolby Stereo

Głośnik kanału centralnego umożliwia poprawną lokalizację dialogów przez widzów znajdujących się poza osią akustyczną zestawu głośników przednich. Zastosowanie reduktora szumów Dolby B obniżyło także poziom przesłuchów z kanałów przednich.

Projekcja filmów z dźwiękiem w systemie Dolby Stereo.

Kodowanie sygnałów dźwiękowych w systemie Dolby Stereo (Dolby MP Matrix) – układ blokowy kodera.

Kodowanie sygnałów dźwiękowych w systemie Dolby Stereo -wykres kołowy separacji kanałów po procesie kodowania.

Odtwarzanie sygnałów dźwiękowych w systemie Dolby stereo – układ blokowy dekodera.

3.2. Six Track Dolby Stereo.3.2. Six Track Dolby Stereo.

Six Track Dolby Stereo jest systemem z zapisem magnetycznym na sześciu ścieżkach dźwiękowych ( 6 kanałów). Na taśmie filmowej o szerokości 70 mm (szeroki ekran) zapisano sześć śladów dźwiękowych. Istnieją dwie wersje systemu:

Trzy kanały przednie (L,C,R) i kanał surround (S) oraz dwa kanały efektów m.cz. (LFE) – dla mniejszych ekranów kinowych;

Trzy kanały przednie L,C,R, dwa kanały surround Ls i Rs oraz kanał LFE do specjalnych efektów dźwiękowych.

Zastosowano reduktor szumów Dolby A.

Six Track Dolby Stereoa) rozmieszczenie ścieżek magnetycznych na taśmie filmowej; b) ustawienie głośników: 1, 3, 5 – kanały główne, 6 - kanał surround,

2, 4 - kanały małych częstotliwości LFE. Istnieje też wariant z dwoma kanałami surround i jednym LFE.

3.3. Dolby Surround.3.3. Dolby Surround.

System Dolby Surround jest pierwszym szeroko zastosowanym systemem wielokanałowym przeznaczonym dla potrzeb projekcji filmowej.

Jako pierwszy również szeroko wprowadzony dla odbiorcy indywidualnego domowy system otaczania dźwiękiem (kino domowe) służący także do transmisji radiowej, telewizyjnej i gier komputerowych. Transmisja sygnałów jest tu dwukanałowa.

Sygnał surround jest zakodowany w dwóch kanałach, lewym i prawym. W podstawowej konfiguracji składa się z czterech kanałów (zob. rys.).

Rozmieszczenie głośników kina domowego w systemie Dolby Surround.

Układ blokowy dekodera Dolby Surround.

Wykres separacji kanałów w systemie Dolby Surround.

3.4. Dolby Surround Pro Logic.3.4. Dolby Surround Pro Logic.

W systemie Dolby Surround Pro Logic rozstawienie głośników i sposób przetwarzania dźwięków jest bardzo zbliżony w odtwarzaniu dźwięku w kinie i w domu, z wyjątkiem ograniczonej liczby głośników w kanałach surround w zestawach domowych.

Charakterystyczne jest wydzielenie niezależnego kanału centralnego.

System szybko rozpowszechnił się i powstało dużo filmów i nagrań muzycznych.

Rozmieszczenie głośników kina domowego w systemie Dolby Surround Pro Logic.

Układ blokowy dekodera Dolby Surround Pro Logic.

Wykresy separacji kanałów w systemie Dolby Surround Pro Logic.

W systemie Dolby Surround Pro Logic zastosowano dekoder aktywny, za pomocą, którego dokonuje się uwydatniania kierunku lokalizacji źródła dźwięku. Głównie ma to na celu zredukowanie przesłuchów związanych z matrycowaniem sygnałów kanałowych.

W dekoderze aktywnym funkcjonuje tzw. macierz adaptacyjna, która z dwóch ścieżek dźwiękowych odtwarza cztery kanały L,C,R,S. Wykonuje ona operacje zwiększające separację między kanałami. Przy tym stosowane są metody: dominacji wzmocnienia i kompensacji sygnałów.

Technika dominacji wzmocnienia w dekoderze Dolby Surround Pro Logic.

Technika kompensacji sygnałów w dekoderze Dolby Surround Pro Logic.

Określenie kierunku i amplitudy dźwięku dominującego.

Układ blokowy macierzy adaptacyjnej Dolby Surround Pro Logic.

Dolby Surround Pro Logic II

System Dolby Surround Dolby Pro Logic II powstał jako rozwinięcie systemu poprzedniego. Przewidziano w nim dwa kanały otaczające (surround) Ls i Rs, co polepszyło i wzbogaciło właściwości odtwarzanego dźwięku (stereofonia 3/2).

Układ blokowy dekodera Dolby Surround Pro Logic II.

4. Systemy cyfrowe.4. Systemy cyfrowe.

Od początku lat 90-tych wprowadzane są cyfrowe systemy otaczania dźwiękiem: Dolby Digital, Dolby Digital EX, Digital Theater Systems (DTS), Digital Cinema System (DCS), Sony Dynamic Digital Sound (SDDS).

4.1. Dolby Digital (AC-3).4.1. Dolby Digital (AC-3).

Dolby Digital (DD) jest uniwersalnym systemem stosowanym do projekcji w kinie (taśmy filmowe 35 mm) i w kinie domowym (płyty DVD). W obu przypadkach zastosowano 6 kanałów (5.1).

Przednie: lewy (L), centralny (C), prawy (R) i surround: lewy (Ls) i prawy (Rs), oraz subwoofer do efektów dźwiękowych (LFE). Pasmo częstotliwości 3 Hz – 20 kHz a subwoofera

3 – 80 Hz.

Ścieżki dźwiękowe Dolby Digital na taśmie filmowej 35 mm.

System Dolby Digital w kinie.

System Dolby Digital w kinie domowym.

Kodowanie AC-3 (Audio Coding) w systemie Dolby Digital.

Jest to kodowanie percepcyjne z 20-bitową rozdzielczością i częstotliwością próbkowania32; 44,1; 48 kHz.

Etapy kodowania:1. Podział widma sygnału akustycznego na wąskie podpasma. 2. Alokacja bitów – przydzielanie możliwie najmniejszej liczby

bitów do poszczególnych podpasm w wyniku analizy widma w czasie rzeczywistym.

3. Odrzucanie bitów zbędnych tzn. składowych widma niesłyszalnych: podprogowych i maskowanych.

4. W wyniku kodowania strumień danych audio PCM o prędkości transmisji 5,3 Mb/s (6 kanałów x 44.1 kHz x 20 bitów) zostaje zmniejszony do wartości prędkości transmisji 320 kb/s w systemie kinowym albo do 384 kb/s w systemie kina domowego.

4.2. Dolby Digital EX.4.2. Dolby Digital EX.

Format Dolby Digital EX (DDEX) jest oparty o Dolby Digital, ale zestaw głośników (kanałów) jest 6.1. Dodano, bowiem głośnik tylny, umieszczony centralnie za słuchaczem. Sygnał kanału szóstego jest przetworzeniem w matrycy dekodującej sygnałów przednich L i R. Zmiana ta uwzględnia zachowanie kompatybilności systemu wstecz.

4.3. Digital Theatre System.4.3. Digital Theatre System.

Digital Theatre System (DTS) jest konkurencyjnym dla Dolby Digital. Układ kanałów (głośników) jak w poprzednim systemie.

Nośnikiem dźwięku w systemie kinowym jest płyta CD-ROM. Zapis dźwięku synchronizowany z obrazem na taśmie filmowej.

W systemie kina domowego nośnikiem dźwięku i obrazu jest laser disc (LD).

Praktycznie system ma 5 kanałów (L,C,R,Ls i Rs gdyż sygnał dla subwoofera (LFE) jest z dwóch ścieżek surround Ls i Rs.

Kompresja sygnałów dźwiękowych łagodniejsza (4:1). Szybkość transmisji informacji 1,4 Mb/s.

4.4. Digital Cinema Sound.4.4. Digital Cinema Sound.

Digital Cinema Sound (DCS) jest właściwie techniką kształtowania elektronicznego sygnałów w systemie 5.1 kanałów.

Umożliwia ona otoczenie dźwiękiem przez „wirtualne” źródła dźwięku („wirtualne głośniki”) za pomocą mniejszej liczby głośników rzeczywistych (kanałów).

Proces generowania wirtualnych głośników opiera się na takich samych zasadach, na jakich słuch dokonuje lokalizacji źródeł dźwięku.

Podstawę stanowią tu zależności amplitudowo-fazowe między falami docierającymi do uszu słuchacza.

Tworzenie głośników wirtualnych odbywa się w drodze obróbki sygnałów dźwiękowych przez procesory DSP, wynikiem działania, których jest wzajemna eliminacja fal dźwiękowych bądź wzajemne ich opóźnienie (wrażenie oddalenia źródeł dźwięku).

W ten sposób za pomocą dwóch głośników Ls i Rs można wytworzyć „wirtualną ścianę dźwięku” przy użyciu określonej liczby procesorów dźwięku, co spowoduje wrażenie istnienia dodatkowych trzech par głośników surround. Źródłem sygnałów dźwiękowych jest płyta DVD.

Możliwości wytwarzania „wirtualnych głośników” przez zastosowanie procesorów DSP do kształtowania sygnałów dźwiękowych.

System kina domowego z zastosowaniem techniki DCS tworzenia „głośników wirtualnych” (tzw. tryb Virtual Multi-rear).

DCS. Pojawienie się dodatkowej, wirtualnej pary głośników surround (tryb Virtual Rear Shift Mode). A – głośniki surround po bokach,

B – głośniki surround za słuchaczem.

DCS. Tryby wirtualne dla małych pomieszczeń przy zastosowaniu tylko trzech przednich głośników.

Zastosowanie niezależnego przetwarzania pogłosu w kanałach systemu DCS.

4.5. Sony Dynamic Digital Sound.4.5. Sony Dynamic Digital Sound.

W systemie kinowym Sony Dynamic Digital Sound (SDDS) na taśmie filmowej 35 mm zarejestrowano dźwięki 8 kanałów. Standardowy system 5.1 uzupełniono dwoma kanałami: półlewym i półprawym.

Dźwięk zarejestrowano na ścieżkach na brzegach taśmy na zewnątrz perforacji.

W celu redukcji informacji cyfrowej zastosowano kodowanie ATRAC.

Przykład nowoczesnego systemu otaczania dźwiękiem

w wersji kina domowego.

Zestaw firmy M-AUDIO (Niemcy) typ HN 100, prod. 2004.

Nośniki informacji: płyty DVD-Video, DVD, DVD-Audio, DVD-R/RW, VCD, CD, CD-R/RW.

Funkcje: przegląd zdjęć JPEG, tuner.

System głośnikowy 7.1. Głośniki: przednie - L,C,R; surround - Ls1,Ls2,Rs1 Rs2 oraz subwoofer. Moc głośników 7 x 10W, subwoofera - 20W.

Zestaw kina domowego HN 100. Firmy M-Audio.

5. Kierunki rozwoju.5. Kierunki rozwoju.

Unifikacja systemów stereofonicznych. Zwiększenie źródeł informacji wejściowych w systemach

domowych (powszechnego użytku). Zwiększenie liczby kanałów głośnikowych (np. 12.1.). Zastosowanie nowych nośników informacji np.

miniaturowych kart pamięci Flash. Dalsza modyfikacja działania procesorów dźwięku DSP

(programowania przetwarzania programów itd.).

System audio –video powszechnego użytku przyszłości.

Dwunastokanałowy system otaczania dźwiękiem.

Literatura.Literatura.Butryn R., Dźwięk cyfrowy, WKiŁ Warszawa 2001.Kovalgin J.A., Wybrane zagadnienia stereofonii, SWIN-T Warszawa 1993.Kuziak A., Analiza wybranych wielokanałowych systemów stereofonicznych stosowanych w kinematografii. Praca dyplomowa (prowadzący B. W. Kulesza), ITA Wrocław 2003.

Czasopisma:Audio Video 4/2001, 4/2002;Przegląd Techniki. Radio i TV 3/2002;Sat Audio Video 3,4/1997;Sat Audio Video rocznik 1998;Sat Audio Video 3,4,5/2000;Sat Audio Video 7-8/2000;SMPTE Journal 12/2001.

Strony internetu:www.dtsonline,www.dolby.com,www.kinodomowe.idg.pl,www.sdds.com,www.smpte.org,www.thx.com.

Autor wyraża podziękowanie

Panu mgr inż. Dariuszowi Wawrzyniakowi

za pomoc w wykonaniu niniejszej prezentacji.