Системы многоканального звука
Особенностью человеческого слуха является то, что он позволяет различать пространственное расположение источника звука. Даже закрыв глаза, человек может довольно точно определить, откуда исходит звук. При монозаписи звуки записываются при помощи одного микрофона и воспроизводятся из одного источника. При этом информация о пространственном расположении источников звука теряется. Слушатель воспринимает всю воспроизводимую звуковую картину, исходящей из одной точки.
Стерео. В системе стерео звук записывается при помощи двух микрофонов, причем сигналы записываются отдельно друг от друга и в совокупности несут информацию о пространственном расположении и перемещении записываемых источников звука. При записи в студии чаще всего каждый источник звука записывается отдельно. Затем все записанные каналы сводятся звукооператором в два канала. При этом задается их необходимое пространственное расположение. При воспроизведении стереосигнал подается на две разнесенные в пространстве звуковые колонки, причем каждая воспроизводит свой канал. Слушатель, находясь в определенной зоне перед колонками, воспринимает слитную звуковую картину, в которой различные ее составляющие распределены в пространстве между колонками.
Одним из недостатков стереозвучания является то, что слушатель как бы воспринимает звуковую картину извне, находясь перед ней, а не внутри нее, так как звуки, приходящие с тыльной стороны, отсутствуют. Было замечено, что стереоэффект проявляется в полной мере лишь в ограниченной зоне прослушивания. Эти недостатки попытались преодолеть в популярных в 70-е годы ХХ в. четырехканальных системах записи и воспроизведения звука, получивших название квадрофонических. Расположившись посередине между двумя фронтальными и двумя тыловыми колонками, слушатель находился в центре звуковой картины и получал звуковую информацию со всех сторон. К сожалению, из-за своей громоздкости и сравнительно высокой цены эти системы не получили широкого распространения, хотя опыт их создания был использован при создании многоканальных систем домашнего кинотеатра.
Стереозвучание давно стало привычной принадлежностью высококачественной бытовой аппаратуры для записи и воспроизведения звука. До недавнего времени телевизор оставался исключением. Разработанные в 50–60-е годы прошлого века телевизионные стандарты не предполагали наличия стереозвука. Лишь в конце 70-х годов стерео начало завоевывать телевидение. С начала 80-х годов ХХ в. в Японии и Германии начинают вести регулярное телевещание со стереозвуком. В германской системе для передачи сигнала второго канала используется дополнительный радиопередатчик, работающий на отличной от первого частоте. В системе, принятой в Японии, через один передатчик транслируется комплексный, содержащий информацию обоих каналов, сигнал. В обеих системах звук передается в аналоговой форме. В настоящее время наиболее распространенной является немецкая система стереовещания, получившая название А2 (также German stereo – «немецкое стерео», или Zvei stereo).
В 1986 г. специалистами английской телерадиокорпорации ВВС была разработана цифровая система телевизионного стереовещания NICAM, существенно более качественная, чем аналоговые системы. Первоначально NICAM предполагалось использовать главным образом в спутниковой системе ТВ. В 90-е годы NICAM начали широко использовать и в наземных системах эфирного телевидения.
Наряду с «настоящим» стерео (2 независимых канала записи/воспроизведения), существуют системы «псевдостерео», преобразующие одноканальный монозвук в два канала со звучанием, имитирующим пространственный стереозвук.
В последнее время появились телевизоры, оснащенные так называемым «стерео по AV-входу» или «стерео по НЧ» (низкой частоте). Их схемы не содержат стереодекодера, но имеют два раздельных звуковых канала, позволяющих воспроизводить стереозвук с внешних источников, например Hi-Fi-магнитофона или DVD-проигрывателя.
Dolby Stereo. В середине 70-х годов XX в. фирма Dolby Laboratories, Inc. (США), известная своими изобретениями в области обработки звука, разработала систему записи звука на кинопленку, получившую название Dolby Stereo (рис. 13). Эта система позволяет закодировать необходимые четыре канала в двух звуковых оптических дорожках, расположенных на кинопленке. В кинотеатре двухдорожечный сигнал считывается с пленки и с помощью декодера преобразовывается обратно в четыре канала. Без декодера звук воспроизводится как при обычном стерео. В настоящее время по этой технологии озвучивается большинство художественных кинофильмов.
Рис. 13. Звуковая система DolbyStereo
Многоканальные звуковые форматы Dolby Surround Sound и Dolby Surround Pro-Logic. В результате широкого распространения многоканальных звуковых систем для кинотеатров возникла идея адаптировать их для просмотра видеопрограмм дома, с телевизора. Фирмой Dolby Laboratories, Inc. в начале 80-х годов прошлого столетия была представлена система Dolby Surround Sound (DSS) для домашнего видео, которая при помощи декодера Dolby Surround позволяет из закодированного двухканального сигнала выделять три звуковых канала: левый, правый и тыловой. При отсутствии декодера воспроизводится обычный двухканальный стереозвук. Следующим шагом в развитии многоканального звука для систем «домашнего кинотеатра» стало появление более совершенного декодера Dolby Surround Pro-Logic (DPL), выделяющего уже четыре канала: левый, центральный, правый и тыловой. Декодеры DSS и DPL выпускаются как по отдельности, так и встраиваются в усилители, телевизоры, спутниковые ресиверы и т. д.
Стандарт многоканального звука THX. Одной из причин создания стандарта ТНХ явилось резко отрицательное отношение продюсера и режиссера, создателя знаменитых «Звездных войн» Джорджа Лукаса к воспроизведению звука его фильмов в кинотеатрах, оборудованных системами многоканального звука фирмы Dolby. В результате продолжительных исследований сотрудниками Lucasfilm Ltd. был создан новый стандарт звуковоспроизведения. Работы проводились под руководством главного инженера фирмы Тома Холмана, поэтому новый стандарт получил название Tom Holman's eXperiment (эксперимент Тома Холмана), или ТНХ. Этот формат определил новую концепцию пространственного звучания, наиболее естественную и максимально приспособленную к условиям домашнего просмотра. Используя результаты декодирования процессора Dolby Pro-Logic, который образует всего четыре канала, ТНХ дополнительно разделяет монофонический канал эффектов на два псевдостереофонических – левый и правый и создает дополнительный сверхнизкочастотный канал (канал сабвуфера – громкоговорителя, специально предназначенного для воспроизведения мощных низкочастотных звуков). Одновременно достигается улучшение воспроизведения низких частот (20–80 Гц), коррекция звука фронтальных каналов, адаптирующая звуковое сопровождение к условиям прослушивания с близкого расстояния (в обычной комнате). Также используется корректирующая схема для сохранения спектрального баланса при движении мнимого источника звука от фронтальных к тыловым громкоговорителям. Дальнейшим развитием THX явилось появление более совершенного стандарта – THX Ultra. Следует отметить, что существуют и другие, более простые, чем ТНХ, системы, развивающие идею Dolby Pro-Logic. Например, такая как 5CH Cinema обрабатывает только тыловые каналы, преобразуя их в псевдостерео.
Цифровой звуковой формат Dolby Digital AC-3. Системы DSS и DPL являются аналоговыми, и при бурном развитии систем цифровой звукозаписи вполне логичным явилось появление цифровой системы Dolby Digital AC-3 (Audio Coding-3). Впервые она была применена в 1992 г. в кинотеатрах с многоканальным звуком, а с 1994 г. ее начали использовать для звукового сопровождения непосредственного теле- и радиовещания со спутников. Система АС-3 позволяет получать на выходе шесть каналов звука (рис. 14). Из них пять – полнодиапазонных (20–20 000 Гц): три фронтальных – левый, центральный, правый и два тыловых, а также низкочастотный (20–120 Гц) канал сабвуфера. Система АС-3, по мнению экспертов, считается на сегодняшний день одной из наиболее перспективных систем объемного звучания. Она принята в качестве звукового стандарта для лазерных видеодисков формата DVD.
Рис. 14. Схема установки АС формата 5:1
Цифровой звуковой формат MPEG Multichannel, илиMPEG-2 Audio, так же, как и Dolby Digital AC-3, применяется для записи звука на DVD-диски. Создан он был в рамках разработки цифрового стандарта вещательного телевидения MPEG-2.
AC-3 и MPEG-2 Audio обеспечивают примерно равное качество шестиканального звука. Хотя некоторые специалисты отмечают бóльшую гибкость последнего из-за возможности переменной скорости записи звуковых данных. Также MPEG-2 Audio более совместим с простыми аудиосистемами, работающими в стереорежиме.
Цифровой формат многоканального звука DTS(Digital Theater System) – шестиканальная цифровая система записи звукового сопровождения кинофильмов, широко распространенная в США. Считается, что эта система обеспечивает лучшее качество звука, чем АС-3, из-за меньшего сжатия исходной звуковой информации.
Звуковые процессоры предназначены для подстройки параметров звучания многоканальных звуковых систем под условия прослушивания в конкретном помещении и содержат определенные предустановки, имитирующие конкретные условия прослушивания. Прежде всего, это широко известные процессоры фирмы Yamaha – аналоговый Cinema DSP для системы DPL и цифровой TRI-field Cinema для AC-3, а также Dolby Cinema Sound и Cinema Digital Sound фирмы Sony. Аналогично системам «псевдостерео», имитирующим стереозвучание моносигнала, в области многоканального звука применяются процессоры трехмерного (3D) звука, предназначенные для создания эффекта псевдомногоканального звука при воспроизведении через два динамика стереотелевизора, такие, например, как Virtual Dolby Surround, Virtual Surround Sound (VSS), Virtual 3D Surround, 3D-Phonic, Spatializer и др.
Формат MP3 (MPEG-1 Layer III) – формат хранения аудиоинформации. Является самым распространенным форматом цифрового кодирования звуковой информации. Был разработан в 1991 г. группой инженеров под руководством Института Фраунгофера (Германия) в рамках работ над проектом MPEG. MP3 – цифровой звуковой формат со сжатием информации. Это означает, что закодированные с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) аудиоданные существенно уменьшаются в объеме путем отбрасывания информации, которая определяется как несущественная для слуха человека. Формат широко распространен для хранения и воспроизведения звуковых файлов на персональных компьютерах, в Интернете, для обмена звуковыми файлами. Также поддерживается многими моделями музыкальных центров, DVD-проигрывателей, миниатюрных флеш-плееров, плееров с памятью на жестких дисках, мобильных телефонов. MP3 является лидером по распространенности, но при этом не является лучшим по качеству звука и функциональности. MP3-файл может быть создан с разными значениями скоростей передачи битов. В формате MP3 доступны следующие скорости передачи данных (битрейты, от англ. bit rate): 32, 40, 48, 56, 64, 80, 96, 112, 128, 160, 192, 224, 256 и 320 кбит/с, при частотах выборки сигнала – 32, 44,1 или 48 кГц. В большинстве случаев используется частота выборки 44,1 кГц, так как это значение совпадает с частотой выборки, используемой для записи лазерных компакт-дисков. Считается, что запись с плотностью 128 кбит/c подходит для музыкальных произведений, предназначенных для прослушивания большинством людей. Качество звука в формате MP3 при таком битрейте превосходит качество передач FM-радио и записей на аудиокассетах. Для записи речи можно использовать и меньшую плотность. В реальности качество сжатия MP3 зависит не только от битрейта (количества килобит в секунду), но и от кодирующей программы (кодека) в том числе, и поэтому сейчас принято кодировать файлы с плотностью 192 кбит/c. Специалисты считают, что даже при таких битрейтах звучание MP3-файла не достигает качества записи на CD. MP3-файл может быть также создан с переменным битрейтом (VBR, Variable Bitrate), обеспечивая приемлемое качество звука при меньших размерах файла.