Vícekanálové zvukové systémy

Až donedávna byly formáty filmových zvukových stop, televizního zvuku a hudebních nosičů odlišnými produkty různých společností, které často při vývoji těchto formátů pracovaly samostatně. To se ale v posledních letech mění. Popularita obklopujícího (surroundového) zvuku v domácnostech sblížila tyto zvukové formáty i společnosti, které je vyvinuly - oblast vícekanálového záznamu a reprodukce hudby se dočkala standardizace a sjednocení používaných systémů.

První komerčně používané vícekanálové zvukové formáty byly vyvinuty počátkem padesátých let pro kina. Tou dobou byl filmovými společnostmi, které byly ohrožovány rychlým rozvojem televize, společně se širokoúhlými filmovými formáty prosazován nový stereofonní zvukový formát. Narozdíl od dvoukanálového formátu, později přijatého v domácím použití, začal filmový zvuk používat, a stále používá, minimálně čtyři kanály. Díky filmovým formátům, jako je čtyřstopý 35mm film CinemaScope a šestistopý 70mm film Todd-AO, bylo možné na pásky magnetického materiálu nanesené na každý vyrobený filmový pás nahrávat několik zvukových stop. Projektory byly vybaveny přehrávacími hlavami stejnými jako v magnetofonech a kina byla vybavena dalšími zesilovači a reproduktorovými systémy. Filmový zvuk zpočátku používal několik zvukových kanálů vpředu a alespoň jeden kanál přehrávaný reproduktorovými soustavami umístěnými v kinosále vzadu. Zpočátku byl posledně jmenovaný kanál znám jako efektový kanál a byl rezervován pro občasné dramatické efekty. Některé systémy dokonce tento kanál vypínaly pokud neobsahoval signál nad určitou úrovní, protože tomuto kanálu byla na páse vyhrazena tenká magnetická stopa, což způsobovalo velký šum.

Ačkoliv vícekanálový filmový zvuk ztratil v šedesátých a sedmdesátých letech kvůli velké ceně magnetických filmových pásů přízeň, pokračovali zvukaři v experimentech s efektovým kanálem. Díky některým magnetickým filmovým formátům, které zaručovaly dostatečný odstup signál-šum ve všech kanálech, mohl být efektový kanál využit pro výraznější zvukové záznamy, nejen pro občasné zvukové efekty. Tato rozšířená aplikace efektového kanálu je známa jako "obklopující" zvuk - Surround Sound a efektový kanál jako surroundový kanál. Speciální reproduktory vzadu a nyní také po stranách kinosálu vytvořily širší zvukové pole známé pod anglickým slovem "Surround". Tento formát je obecně označován LCRS podle počátečních písmen názvů kanálů - levý (Left), střední (Central), pravý (Right) a "obklopující" (Surround).

V polovině sedmdesátých let zavedly Dolby Laboratories novou zvukovou technologii pro 35mm filmový pás nazvanou Dolby Stereo. Pro vytvoření zvukové stopy nepoužívá magnetický pásek ale optickou technologii, která byla ve filmu používána od třicátých let. Aby byla zachována kompatibilita přehrávání zvuku v monofonních kinech, bylo nutné umístit novou stereofonní stopu do stejného prostoru, který zabírala klasická monofonní stopa. Experimenty ukázaly, že dvě stopy zpracované systémem redukce šumu Dolby A mají výbornou kvalitu, ale více stop se již "utápí" v šumu i při použití systému redukce šumu.

Dva zvukové kanály ale nejsou pro filmový zvuk dostačující. Kvůli velké šířce filmového plátna je nutné použít centrální zvukový kanál, aby mohli diváci sedící mimo střed lépe lokalizovat dialogy. Nutností rovněž bylo použití surroundového kanálu. Proto musela být nalezena cesta, jak do dvou kanálů na filmovém pásu zakódovat čtyři zvukové kanály - levý, střední, pravý a surroundový. Řešení bylo nalezeno v maticových technikách, které byly poprvé použity v kvadrofonním zvuku. Dolby Surround používá tzv. MP (Motion Picture) matici, která kóduje čtyři kanály (levý, střední, pravý a surroundový) do dvou kanálů označovaných Left-Total (Lt) a Right-Total (Rt).

Levý a pravý kanál jdou přímo bez modifikace do výstupů Lt a Rt. Střední kanál je stejnou měrou rozdělen do kanálů Lt a Rt. Jeho úroveň je snížena o 3 dB, aby po sloučení zůstala zachována velikost akustického tlaku. Surroundový kanál je také rozdělen mezi kanály Lt a Rt, ale nejprve je · kmitočtově omezen na pásmo 100 Hz až 7 kHz, · kódován modifikovaným typem redukce šumu Dolby B · fázově posunut o + a - 90 stupňů, aby byl vytvořen fázový posun 180 stupňů mezi signálem přivedeným do kanálu Lt a do kanálu Rt.

Tento způsob kódování zachovává zpětnou kompatibilitu s monofonním a dvoukanálovým stereofonním zvukem - je vidět, že levý a pravý kanál je zakódován beze ztráty separace, tj. oddělení kanálů. Střední a surroundový kanál je rozdělen mezi levý a pravý kanál beze ztráty informace. To znamená, že zvukové stopy zakódované tímto systémem mohou být přehrávány i ve starších kinech vybavených jen monofonními nebo stereofonními projektory.

Blokové schéma pasivního dekodéru Dolby Surround je na obr. 3. Kanály Lt a Rt jsou beze změny přiváděny do levého a pravého kanálu. Oba tyto kanály přenášejí také signál středního kanálu, který je vnímán jako "fantomní" zvukový obraz mezi levým a pravým reproduktorem. Blok L-R detekuje surroundový signál tak, že bere rozdíl signálů v kanálech Lt a Rt, filtruje jej dolní propustí s mezním kmitočtem 7 kHz a přivádí jej přes zpožďovací linku na vstup komplementárního modifikovaného dekodéru Dolby B. Surroundový signál je také přehráván levým a pravým reproduktorem, ale díky tomu, že je v těchto kanálech vzájemně fázově posunut o 180 stupňů, není ve výsledném zvukovém obraze slyšet.

· časové zpoždění: zajišťuje, že signál předních kanálů přenášený (díky způsobu kódování) surroundovým kanálem, dorazí k posluchači později než přímý signál předních reproduktorů.
· dolní propust s mezním kmitočtem 7 kHz: je použita z několika důvodů; hlavním důvodem je obtížnější separace kanálů při přenosu signálů s vyšším kmitotem, druhým důvodem je obtížnější lokalizace reproduktorových soustav přenášející pouze nižší kmitočty - to je výhodné hlavně pro posluchače sedící blízko surroundových reproduktorových soustav.
· Modifikovaná redukce šumu Dolby B: použita pro redukci šumu a také pro redukci pronikání předních kanálů

Dolby Pro Logic je druhou generací technologie Dolby Surround. Pro Logic je aktivní proces používající dekódovací techniky s vysokou separací kanálů, který zlepšuje lokalizaci zvuku. Je přímým nástupcem procesorů Dolby Stereo a kromě levého, pravého a surroundového kanálu poskytuje také centrální kanál

Pro potlačení přeslechů v matici vznikající při zpracování zvuku v dekodéru se používají techniky tzv. zlepšení směrovosti - Directional Enhancement. Nejednodušší technikou je řízení zesílení - Gain Riding (obr. 5). Pokud se zvuk nachází ve fantomním středním kanálu (Lt = Rt) vypne řídící obvod levý a pravý kanál a zapne střední a naopak. Tento způsob se ale nedá použít, pokud zvuková stopa obsahuje kromě dialogu i např. stereofonní hudební doprovod. V tom případě bude díky dominantní dialogové složce přehráván stereofonní hudební doprovod pouze středním reproduktorem (L+R) a surroundovým reproduktorem (L-R), čímž dojde k jeho degradaci. Jiným řešením je princip vzájemného vyrušení kanálů - Cancellation (obr. 6). Odečteme-li signál pravého kanálu (Rt) od levého (Lt), vyruší se v levém kanálu centrální složky signálu a tím se zcela eliminuje pronikání středního kanálu. Možných kombinací zapojení dekodéru pracujícího na tomto principu je celá řada, vždy záleží na konkrétním systému.

V dekodéru Dolby ProLogic je použito principu konstantního výkonu - Constant Power. Ten spočívá v tom, že dominantní zvuky dočasně omezí schopnost posluchače rozeznat změny směru nedominantních zvuků. Protože se u žádného z komponentů signálu nezmění celková hlasitost, není rozeznána žádná modulace nebo "pumpování" signálu. Díky použití principu konstantního výkonu společně se systémem zlepšení směrovosti je maskována redistribuce směru nedominantních signálů. Z předchozích odstavců tedy vyplývá, že hlavním úkolem dekodéru Dolby ProLogic je detekce směru a povahy dominantního zvuku. Zvukové pole je nejvíce dominantní v případě, že všechny zvuky jsou umístěny v jedné pozici. Opačným případem je několik zvuků malé intenzity rozmístěných v různých pozicích. Mohou se ale i objevit např. dva zvuky stejné nebo podobné intenzity umístěné v různých pozicích.

Formát 5.1 Surround obsahuje pět plnohodnotných hlavních kanálů: tři přední (levý, střední a pravý) a dva surroundové (levý surround a pravý surround) - viz obr. 9. Dále obsahuje jeden kmitočtově omezený kanál označovaný LFE (Low Frequency Effects) pro nízkofrekvenční zvukové efekty .

U dvoukanálového zvukového systému je pouze jediná možnost, jak umístit zdroj zvuku do pomyslného středu zvukového obrazu - vložit signál se stejnou úrovní do levého i pravého kanálu. Ve vícekanálovém systému jsou tři možnosti: · vytvořit pomyslný střed stejným způsobem jako u dvoukanálového systému · použít samostatný střední kanál · použít všechny tři přední kanály Pokud je signál umístěn do pomyslného středu pouze pomocí levého a pravého reproduktoru, jeví se skutečně ve středu zvukového obrazu pouze posluchači sedícímu v ose krajních reproduktorů. Centrální přední kanál slouží hlavně k přesnější lokalizaci pozice zvuku (hlavně dialogů) na velkých projekčních plátnech pro diváky sedící mimo osu projekce.

Zatímco "centrální" signály se dají vytvořit i pomocí dvou krajních kanálů, surroundové kanály přinášejí zcela nový zvukový rozměr. Využití surroundových kanálů je hlavně ve filmovém průmyslu, ale dávají prostor i pro hudební a multimediální experimenty. Použití surroundových kanálů může zvýšit vnímanou "hloubku" a prostor konvenční stereofonní reprodukce.

Oproti hlavním kanálům přenáší kanál LFE (Low-Frequency Effects) pouze nízkofrekvenční signály (pod 120 Hz) a nemá přímý efekt na směrový vjem reprodukovaného zvuku. LFE kanál byl původně zamýšlen pro 70 mm film pro získání samostatného basového signálu pro jeden nebo více přídavných subwooferů (reproduktorových soustav určených pro reprodukci nízkofrekvenčních signálů) umístěných za promítacím plátnem. To umožňovalo přidat hluboké basové efekty do zvukové stopy filmu bez nutnosti inovace stávajících reproduktorových soustav a zesilovačů ve třech hlavních předních kanálech. Dalším důvodem bylo, že odpadla nutnost přidat další kmitočtové vyhybky do existujících procesorů pro přesměrování basů z hlavního levého, centrálního a pravého kanálu do subwooferu. Proto bylo použití LFE kanálu nejpřímější, nejvhodnější a nejekonomičtější řešení, jak přidat zvukovým stopám nízkofrekvenční signál.

Koncem osmdesátých let reagovaly Dolby Laborastories na požadavky filmového průmyslu a vyvinuly novou digitální technologii záznamu 5.1-kanálového zvuku na 35mm film - Dolby Digital. Aby byla zachována kompatibilita se starším záznamem, bylo potřeba pro digitální záznam Dolby Digital vytvořit novou optickou stopu. K tomu účelu bylo využito políček filmového materiálu mezi okénky perforace filmového pásu.

Zvuková stopa v Dolby Digital může obsahovat basový LFE kanál, který neodpovídá přímo subwooferovému výstupu. Je možné, že zvuková stopa obsahuje LFE kanál, ale dekodér neobsahuje výstup na subwoofer, protože všechny nízkofrekvenční signály ve zvukové stopě mohou být reprodukovány hlavními reproduktory. Opačný případ je také možný: zvuková stopa nemusí obsahovat LFE kanál, přesto může dekodér poskytovat subwooferový výstup, protože všechny nebo některé hlavní reproduktory nejsou schopny reprodukovat nízkofrekvenční signály. Rozdíl mezi LFE a subwooferovým výstupem je ten, že LFE kanál je použit pro přenos přídavných nízkofrekvenčních signálů ve zvukové stopě Dolby Digital, zatímco subwooferový výstup reprezentuje, jak budou reprodukovány nízkofrekvenční signály. Během produkce zvukové stopy je LFE kanál kalibrován tak, aby byl schopný přenést o 10 dB vyšší akustický tlak než jakýkoliv z předních kanálů. Ve většině případů, kdy je nízkofrekvenční signál přenášen levým, středním a pravým kanálem, může LFE kanál zvýšit intenzitu basů až o 6 dB. Na druhou stranu je subwooferový výstup nízkofrekvenční signál až ze všech šesti kanálů. Specifická kombinace nízkofrekvenčních signálů na subwooferovém výstupu je určena nastavením Bass Managementu. Například kromě signálu LFE kanálu může subwoofer navíc přenášet nízkofrekvenční signál z centrálního a surroundových kanálů, pokud nejsou jejich reproduktorové soustavy schopné přenášet nízkofrekvenční signál.

Vícekanálové dekodéry Dolby Digital poskytují systém managementu basových zvukových signálů Bass Management s mnoha možnostmi, včetně schopnosti přesměrovat nízkofrekvenční signály z jakéhokoliv kanálu, kde reproduktorové soustavy nejsou schopné jej reprodukovat, do subwooferu. Signál LFE kanálu je v signálu subwooferu také zahrnut. Pro komerční dekodéry existují dvě konfigurace Bass Managementu.

Pro kódování formátu 5.1 již nelze použít analogového principu kódovací matice. Přesto je nutné kvůli kapacitám potencionálních přenosových kanálů provést redukci dat. Přenosovým médiem může být nejen televizní kanál nebo Internet, ale i optický nebo koaxiální kabel digitálně spojující komponenty domácího kina. Pro redukci datového toku formátu 5.1 používá Dolby systém AC-3. Dolby AC-3 je flexibilní technologie komprese audio dat schopná zakódovat do bitového toku řadu audio formátů od monofonního do 5.1-kanálového formátu. Technologie AC-3 je založena na transformaci bankou filtrů a na psychoakustických principech a využívá hybridní adaptivní alokaci bitů backward/forward.

Převádí zvuk ve formátu PCM na bitový tok. Blokové schéma kódovacího procesu je na obr. 13. Nejprve jsou bankou filtrů převedeny PCM vzorky na bloky frekvenčních koeficientů. Každý z těchto koeficientů je reprezentován mantisou a exponentem. Skupina exponentů je kódována spektrální obálkou, která redukuje spektrum tohoto úseku na základě psychoakustických principů. Spektrální obálka je také důležitou součástí funkce bitové alokace, protože udává na kolik bitů má být kódována mantisa. Spektrální obálka a kvantizované mantisy šesti audio bloků (1536 audio vzorků) je formátováno do jednoho rámce AC-3. Bitový tok AC-3 je sekvence rámců AC-3. Dekódování je v podstatě opačným procesem. Dekodér na obr. 14 musí synchronizovat zakódovaný bitový tok, kontrolovat chyby a deformátovat různé typy dat - zakódovanou spektrální obálku a kvantizovanou mantisu, které pak funkce bitové alokace dekóduje. Ze spektrální obálky jsou vytvořeny exponenty, které jsou společně s mantisami transformovány zpět do časové oblasti - jsou vytvořeny PCM vzorky. Dolby Digital může pomocí komprese Dolby AC-3 zpracovávat audio signál s nejméně 20-bitovým dynamickým rozsahem v kmitočtovém pásmu 20 Hz až 20 kHz. LFE kanál je reprodukován v kmitočtovém pásmu 20 Hz až 120 Hz. Jsou podporovány vzorkovací kmitočty 32 kHz, 44,1 kHz a 48 kHz. Rychlost bitového toku Dolby AC-3 je od 32 kb/s do 640 kb/s. Typická aplikace Dolby Digital 5.1 má bitový tok 384 kb/s a dvoukanálový zvuk 192 kb/s.

Systém Digital Theatre Sound (DTS) disponuje také šesti kanály se stejnou konfigurací jako Dolby Digital. Kódování DTS pracuje na stejných psychoakustických principech jako AC-3, ale systém kódování je odlišný. DTS má vyšší datový tok - 1509 kb/s (full rate), resp. 754 kb/s (half rate) - a má o něco lepší technické parametry. Srovnání technických parametrů naleznete např. v [ 14 ]. Zvuková stopa DTS se nezaznamenává na filmový pás jako Dolby Digital, ale na samostatný speciální kompaktní disk, jehož přehrávání je synchronizováno s filmovým pásem pomocí časového synchronizačního kódu nahraného opticky na filmový pás.

Je rozšířením formátu 5.1. Kromě kanálů systému 5.1 používá i zadní surroundový kanál přehrávaný reproduktory umístěnými na zadní stěně kinosálu. (viz obr. 15). Podobně jako střední přední kanál, tento přídavný surroundový kanál umožňuje společně s původním levým a pravým surroundovým kanálem lepší umístění surroundových zvuků ve zvukovém obraze a umožňuje vytváření expresivnějších zvukových efektů.

Formát 7.1 Surround obsahuje celkem 7 reproduktorových soustav obklopujících celý poslechový prostor. To umožňuje velmi precizní umístění zdroje zvuku kolem posluchače. Stejně jako ve formátech 5.1 a 6.1 Surround Sound jsou použitu tři přední kanály (levý, střední a pravý) a LFE kanál. Surroundové kanály jsou ale tentokrát čtyři - levý surround, pravý surround, levý zadní surround a pravý zadní surround (viz obr. 19). Tento formát zatím není rozšířen.

Systém 7.1 Surround SDDS

Závěr