Немного истории
Первые эксперименты по получению объемного звучания (с помощью трех — семи каналов) проводились еще в 30-е годы прошлого века. Сравнительные испытания многоканальных и монофонических систем дали удивительные результаты. Было установлено, что при воспроизведении даже 2-х раздельных каналов субъективное качество звука резко улучшается. А самое поразительное заключается в том, что эксперты предпочитали стереозвук даже в тех случаях, когда им предъявляли объективно более качественные, но монофонические фонограммы. Решающим преимуществом стала возможность пространственной локализации кажущихся источников звука (рис. 1.33).
Рис. 1.33. Распределение кажущихся источников звука на стереопанораме
На начальном этапе разработчики решили ограничиться двумя каналами. Это, конечно, в первую очередь было обусловлено небогатыми возможностями аппаратуры тех времен: грампластинки реально позволяли разместить только два полноценных канала.
Стереозвук дает некоторую прозрачность звучания: партии отдельных инструментов становятся более различимыми на фоне оркестра. Кроме того, стереосистема способна воспроизвести подобие звуковой атмосферы помещения, в котором выполнялась запись. Началась эра 2-канальных стереофонических систем. Постепенно появились стереофонические грампластинки и стереопроигрыватели, стереомагнитофоны, стереофоническое радиовещание.
В свою очередь стереозвучание имеет существенный недостаток. Стереопанорама ограничена углом между направлениями на громкоговорители и получается плоской. Такое звучание лишено естественности реального звукового поля, когда человек способен воспринимать реальные источники практически со всех направлений и оценивать расстояние до источников звука. Создающееся у слушателя ощущение объемного звучания могло бы существенно обогатить тембры музыкальных инструментов и голосов певцов. При этом можно было бы имитировать реверберационный процесс, свойственный помещению, в котором произведена запись.
Одной из первых попыток преодоления недостатков, присущих стереофоническим системам, стала квадрофония. Для воспроизведения квадрофонических фонограмм используются 4 акустические системы (рис. 1.34).
Первые бытовые квадросистемы появились в начале 70- годов прошлого века. Казалось, что их ждет славное будущее. Однако этого не произошло. Причин тому есть несколько. Одна из них традиционна для многих новинок техники и заключается в том, что производители квадрофонической аппаратуры так и не смогли прийти к единому стандарту записи и воспроизведения 4-канального звука. Свою роль сыграли несовершенство и большая стоимость приборов четырехканальной записи-воспроизведения. Но главное заключается в другом: с переходом от "стерео" к "квадро" в те времена новое качество звука не возникло. Квадрофонические системы, так же как и стереофонические, не обеспечивали полной передачи свойств реального звукового поля. Недостатков было только два, но они существенны:
при квадрофонии 70-годов прошлого века не получалась круговая стереопанорама — слушатель ощущал обычную стереопанораму перед собой и еще одну стереопанораму сзади себя;
все мнимые источники звука располагались в одной плоскости на линиях между динамиками, поэтому объемного трехмерного звучания по-прежнему не было.
Следует заметить, что эти недостатки обусловлены не столько ограниченными возможностями четырехканального воспроизведения звука, сколько трудностями реализации панорамирования кажущихся источников звука
при записи. При подготовке фонограмм для современных многоканальных систем этот фактор учитывается. Важную роль при этом играет именно компьютер, способный справиться с моделированием объемных реверберационных процессов и предоставляющий звукорежиссеру удобные регуляторы для перемещения источников звука по круговой панораме.
Рис. 1.34. Распределение кажущихся источников звука на квадропанораме
Но в те далекие времена квадрофония отступила, а стереофония победила и стала развиваться по линии миниатюризации аппаратуры, улучшения ее технических и потребительских качеств, перехода к новым носителям — компакт-кассетам и компакт-дискам. Перед звукозаписывающими компаниями и производителями аудиоаппаратуры все еще существовал широчайший фронт работ и емкий рынок сбыта. В который раз они предлагали слушателям смену фонотек. Накопленный на грампластинках за предшествующие десятилетия музыкальный материал, обновленный и адаптированный сначала под монофонические катушечные магнитофоны, затем реализованный на компакт-кассетах в стереоформате, в очередной раз предлагался меломанам, но теперь уже на лазерных дисках.
Однако в самом конце XX века стереофония, кажется, все-таки начала сдавать свои позиции. Цифровые технологии записи звука, а также емкие,, удобные и дешевые носители сняли ранее существовавшую проблему хранения многоканальных фонограмм большой длительности. Кроме того, в звуке, передающем акустические свойства окружающего пространства, появилась острая потребность. Виртуальные графические миры компьютерных игр становятся все более сложными и похожими на реальность, а значит, требуют и адекватного звукового оформления. Кинематограф, переживший кризис в состязании с телевидением, возродился в виде домашних кинотеатров и кинозалов нового формата, основное отличие которых от предшественников кроется не в изображении, а в принципиально новом звуке (хотя и качество изображения тоже улучшилось, благодаря DVD и современным проекционным средствам).
Новая эра в звукозаписи началась в результате исследований, выполненных инженерами Dolby Laboratories (http://dolby.com). Это был принципиально новый подход к передаче многоканального звука. Отличие от традиционного способа заключалось, прежде всего, в том, что для хранения аудиосигналов двух дополнительных каналов использовалось матричное кодирование, т. е. их подмешивание к основным двум каналам. Изменился и способ размещения акустических систем — дополнительно к традиционному для квадрофонии расположению акустических систем по углам помещения добавлен центральный канал, размещенный между правым и левым фронтальными каналами, чтобы сохранить широкую стереобазу для зрителей, сидящих на боковых местах, а за спинами размещен канал эффектов (Surround). Так появилась система нового кинотеатрального звучания Dolby ® Stereo.
Как вы уже знаете, этот четырехканальный формат является матричным форматом, при котором звук, предназначенный для каждого из четырех каналов, кодируется и записывается на два канала, а при воспроизведении декодируется вновь в четыре канала: левый, центральный, правый и задний. Сигнал заднего канала, как правило, направляется на две тыловые акустические системы одновременно. Впервые формат Dolby ® Stereo был применен в фильме "Star Wars" в 1975 году.
Используемая технология кодирования не позволяла обеспечить разделение между каналами более 8 дБ. Позже она была изменена, и разделение между каналами достигло 15 дБ, но частотный диапазон заднего канала остался ограниченным в диапазоне 100 Гц — 7 кГц.
Рис. 1.35. Размещение излучателей звука в системе Dolby ® Stereo
Системой воспроизведения совершенно нового качества, совместимой со старым стандартом звукозаписи, стала система Dolby ® Pro Logic ®. В ней был применен декодер, реализующий пространственную фокусировку звуковых образов — технологию, используемую для снижения взаимного проникновения сигналов одного канала в другой. В Dolby ® Pro Logic ® также появилась возможность создавать задержку звукового сигнала в тыловом канале. Тем самым было обеспечено согласование геометрических и акустических характеристик конкретного помещения с характеристиками "эталонного кинозала", под который при производстве сводился мультитрековый звук. Очень важно, что к настоящему времени накоплено огромное количество музыки, фильмов, телепрограмм, записанных на различных современных носителях со звуком в формате Dolby ® Pro Logic ®. А потом наступила эпоха цифрового кодирования и цифровой записи многоканального объемного звука, и появилась система Dolby ® Digital. Для кодирования цифрового звука в ней используется алгоритм, называемый АС-3 (Dolby's third generation audio coding algorithm — алгоритм кодирования звука Dolby третьего поколения). АС-3 представляет собой алгоритм компрессии многоканального звука (количество независимых каналов от 1 до 6) с потерями. Достижения в области психоакустики, учитывающие особенности человеческого слухового аппарата, используются в нем для принятия решения о том, какую часть информации в аудиосигнале можно отбросить, чтобы это было не очень заметно для человеческого уха. При кодировании алгоритмом АС-3 могут использоваться битрейты от 32 Кбит/с (для одного монофонического канала с минимальным качеством) до 640 Кбит/с (для каналов 5.1 с минимальными потерями качества). Типичный битрейт для 5.1 записей составляет 385 Кбит/с.
Кодер Dolby® Digital поддерживает частоты дискретизации цифровых данных 32 кГц, 44,1 кГц и 48 кГц при разрядности 16, 18 или 20 бит. Предусмотрена возможность увеличения разрядности до 24 бит. Используется сжатие данных с потерями, однако качество звука все равно получается выше, чем у предшествующих аналоговых систем. Dolby® Digital может обеспечить кодирование до 6 каналов в формате 5.1, где 5 — это каналы с полным частотным диапазоном (2020 000 Гц) и .1 — канал низкочастотных (менее 120 Гц) эффектов (LFE).
Объемность акустических сцен, более четкая детализация, естественность перемещений источников звука из фронтальной области в тыловую, стереофоническое звучание в тыловой области — все это обеспечило успех системы.
Следующий шаг эволюции систем объемного звучания — система Dolby ® Digital EX, которую можно считать надстройкой над Dolby ® Digital. В Dolby ® Digital EX, как и в Dolby ® Digital физически может кодироваться до 6 независимых каналов (5.1), однако, за счет использования матричного кодирования, в левый и в правый тыловые каналы подмешивается информация еще одного или двух surround-каналов. Благодаря такому решению сохранена совместимость с оборудованием Dolby ® Digital, и в то же время, за счет введения дополнительных surround-каналов (6.1, 7.1) на оборудовании Dolby ® Digital EX достигается еще более высокая точность локализации звуковых источников в пространстве.
Конечно, многоканальным звуком занимается не только Dolby Lab.
Например, фирма RSP Technologies создала матричную систему Circle Surround, которая имеет тыловой канал с полным диапазоном частот и тем самым оказывается наилучшим образом приспособленной для воспроизведения музыки. Новая версия Circle Surround может также работать в шести -канальном режиме с раздельными тыловыми каналами и каналом сабвуфера (сверхнизкочастотной акустической системы).
В настоящее время можно говорить о распространении нового потребительского формата: DVD-audio. Звуковые данные на этом носителе могут храниться с использованием различных алгоритмов кодирования, включая Dolby ® Digital. Однако в связи с большой емкостью носителя DVD (4,7 Гб на однослойном диске) необходимость сжатия звуковой информации с потерями отпадает. На DVD-audio можно хранить многоканальные записи в формате вплоть до 24 бит/96 кГц без какого либо сжатия и, соответственно, без каких-либо потерь.
