Systemy Dźwięku Dookólnego

Spis treści jak człowiek słyszy i lokalizuje dźwięk standardy adaptacji dźwięku do odsłuchu w warunkach kinowych i domowych opis wybranych systemów kinowych i domowych dźwięk wirtualny podsumowanie koniec

Jak człowiek lokalizuje dźwięki Do lokalizacji wykorzystywane są mechanizmy: - IID (Interaural Intensity Difference) - wewnątrzsłuchowa różnica intensywności - ITD (Interaural Time Difference) - wewnątrzsłuchowa różnica czasu - HRTF (Head-Related Transfer Function) - efekt filtrujący głowy i małżowiny usznej (pozwala na dokładne określenie kierunku) - DRR (Direct to Reverberant Ratio) - stosunek głośności dźwięku, który dotarł bezpośrednio, do głośności dźwięku po odbiciach (pozwala na określenie odległości)

Z jaką dokładnością ludzie mogą zlokalizować źródło dźwięku? większa zdolność określania azymutu niż wysokości - azymut - dla przedziału ±30° dokładność lokalizacji nawet 1° - z boków głowy lokalizacja dużo gorsza dokładność 30° - wysokość - blisko horyzontu dokładność lokalizacji 9° - ze wzrostem wysokości dokładność lokalizacji szybko spada zdolność lokalizacji zależna od częstotliwości sygnału - tony niskie < 100 - 150Hz nie możliwe do lokalizacji zdolność lokalizacji zależna od zmienności sygnału - proste, stałe tony są bardzo trudne do zlokalizowania dla zebrania większej liczby informacji człowiek porusza głową

Możliwości i ograniczenia przy oszukiwaniu zmysłu słuchu. możliwe utworzenie panoramy przedniej przez odpowiednie spreparowanie sygnałów pochodzących z prawego i lewego głośnika przedniego. Pozwala to umieścić w panoramie jeden lub kilka instrumentów nie jest możliwe utworzenie w podobny sposób panoramy bocznej bardzo utrudniona lokalizacja sygnałów w panoramie tylnej. Dość precyzyjnie udaje się zlokalizować tylko jedno źródło

Możliwości i ograniczenia przy oszukiwaniu zmysłu słuchu. w konsekwencji w systemie kwadrofonicznym słuchacz nie będzie mógł lokalizować źródeł dźwięku w panoramie z boków i z tyłu. aby lokalizacja była możliwa potrzeba większej liczby głośników w najnowszych systemach DD-EX, DTS-ES Discrete głośniki umieszczone są także z boku słuchacza

Standard THX powstał przy produkcji filmu „ Powrót Jedi” wymagania THX dotyczą akustyki sali, jakości głośników oraz sposobu ich rozmieszczenia, wzmacniaczy mocy, okablowania. Kina posiadające certyfikat THX charakteryzują się kilkoma bardzo ważnymi cechami [24]: szerokie pasmo odtwarzanych częstotliwości; równa odpowiedź częstotliwościowa dla całego zakresu; równomierne pokrycie całej sali kinowej dźwiękiem; czysty, bardzo wyraźny dialog; dobra prezentacja nagrań o dużej dynamice, bez słyszalnych zakłóceń; niski poziom szumu tła zastosowanie ustalonego, opatrzonego znakiem firmowym, wysokiej jakości sprzętu odtwarzającego; określona jasność ekranu; trailer “DEEP NOTE” odtwarzany przed każdym seansem Systemy kinowe

Standard THX Ultra model pomieszczenia o powierzchni 110m3 standaryzacja użytych głośników Re-Equalization -zmniejszenie efektu błędnego odsłuchu kinowych ścieżek audio w warunkach domowych (inne n ch-tyki przenoszenia) Timbre Matching - zachowanie zgodności tonu głośników surround z głośnikami głównymi i kompensacja faktu że odsłuchach domowych stosowane są pojedyncze głośniki do odbioru kanałów surround Adoptive Decorrelation - fazowo/amplitudowe zmiany monofonicznego sygnału surround w celu efektu stereofonicznego odsłuchu kanału surround Systemy domowe

Standard THX Ultra Standard THX Select Bass Management Electronic Crossover - niskie częstotliwości przekierowywane do subwoofera ‘ mniejsze wymiaru głośników Bass Peak Level Management - ochrona subwoofera przed przeciążeniem Loud speaker Position Time Synchronization - możliwość optymalnego ustawienia systemu odsłuchowego (pozycjonowanie poszczególnych głośników) Standard THX Select ograniczenie przestrzeni osłuchowej do 74m3 zastosowanie technologii z THX Ultra Systemy domowe

Dolby Stereo zaprezentowane w 1974r system analogowy w miejsce dotychczasowej ścieżki mono wstawiono dwa kanały (stereo) poddane redukcji szumów Dolby A - zapisane optycznie na taśmie Systemy kinowe

Dolby Stereo kodowanie i dekodowanie ( koder Dolby MP Matrix ) separacja kanałów - L/P : >40dB - L(P)/C : 3dB - C/S :>40dB - L(P)/S : 3dB Systemy kinowe

Dolby Surround 1982r - pierwszy dekoder system analogowy system kodowania - analogiczny do kinowego Dolby Stereo - dwie ścieżki(zakodowane 4 kanały) - separacja kanałów jak w DS - kanał surround o paśmie 100Hz - 7kHz układ dekodera pasywnego zbliżony do systemu DS (dodatkowy układ regulacji poziomów w przypadku symulacji kanału centralnego) kanał centralny (Phanton)może być symulowany przez głośniki lewego i prawego kanału - liczba kanałów odbieranych 3 lub 4 - w przypadku 3 kanałów ( symulacja centralnego) mniejsza powierzchnia prawidłowego odsłuchu. Systemy domowe

Dolby SR zaprezentowane w 1986r system analogowy w stosunku do Dolby Stereo ścieżki dźwiękowe nagrano w Dolby SR (Spectral Recording) - dwukrotnie większa redukcja szumów - lepsze przenoszenie górnych częstotliwości sygnałów we współczesnych cyfrowych systemach jako ścieżka zapasowa Systemy kinowe

Dolby Surround Pro Logic zaprezentowane w 1987r cztery kanały: lewy, centralny, prawy, surround (pasmo 100-7kHz) kodowanie analogiczne jak w DS dekodowanie (aktywny dekoder) - detekcja i uwypuklenie(w sieci układów kombinacyjnych) sygnału dominującego (analiza sygnałów P-L oraz C-S) - eliminacja przesłuchów (dodawanie w przeciwfazie wysterowanego przez VCA sygnału dominującego) - dodanie szumu do kanałów celu odpowiedniego dostrojenia poziomów wzmocnienia każdego z kanałów, by zminimalizować przesłuchy  separacja kanałów : 30dB Systemy domowe

Dolby Surround Pro Logic II modyfikacja systemu Pro Logic dwa kanały surround (jeden stereofoniczny) - brak filtacji kanałów surround (pełne pasmo akustyczne) - możliwość pracy w trybie Pro Logic (jeden monofoniczny kanał surround) możliwość odtwarzania sygnałów stereo z rozszerzoną panoramą kontrola powierzchni odsłuchowej (przesuwanie pola odsłuchowego w przód lub w tył) kontrola położenia sygnału centralnego Systemy domowe

Dolby Digital zaprezentowane w 1992r (premiera „Batman Returns”) cyfrowe optyczne ścieżki dźwiękowe - kino musi być wyposażone w odpowiedni odtwarzacz ścieżki dźwiękowej i cyfrowy procesor dźwiękowy) dodatkowa ścieżka dźwiękowa Dolby SR - zachowania kompatybilności - jako ścieżka zapasowa korekcja drobnych błędów w sygnale cyfrowym Systemy kinowe

Dolby Digital sześć niezależnych kanałów dźwiękowych (5.1): - lewy, centralny, prawy, tylny lewy, tylny prawy 20Hz - 20kHz - kanał niskich częstotliwości 20Hz - 120Hz pełna separacja kanałów pozwala na występowanie kilku źródeł dominujących 20 bitowa rozdzielczość (dynamika 120dB) Systemy kinowe

Dolby Digital - kodowanie system AC-3 - częstotliwości próbkowania 32, 44.1 i 48 kHz - przepływności dla 1 kanału od 32kb/s do 640kb/s (dla DD 384kb/s) - współczynnik kompresji od 1:3 do 1:15 - transformacja t->f a pomocą banku filtrów TDAC ‘ redukcja wpływu aliasingu w sąsiednich podpasmach ‘ zmienna rozdzielczość czasowa transformacji(5,33 lub 2,67ms) - transmisja obwiedni spektralnej o zmiennej rozdzielczości bitowej (zapis wektorowy zmiennoprzecinkowy, kodowanie różnicowe) - kodowanie perceptualne (w przypadku mantys): ‘ analiza sygnałów w podpasmach ‘ zastosowanie przybliżonej liniami prostymi f. rozkładu energii wzdłuż błony podstawnej Systemy kinowe

Dolby Digital (AC-3) zaprezentowany w 1992r sześć niezależnych kanałów dźwiękowych (5.1): - lewy, centralny, prawy, tylny lewy, tylny prawy 20Hz - 20kHz - kanał niskich częstotliwości 20Hz - 120Hz Systemy domowe

Dolby Digital (AC-3) system AC-3 - system kodowania analogiczny do systemu kinowego dodatkowo - możliwość downmixu do mono, stereo, Dolby Surround Systemy domowe

Dolby Digital (AC-3) - HDTV zastosowany m.in. w : - DVD-AUDIO - DVD-VIDEO - DVD-ROM - DBS - direct broadcast satellite - HDTV - standard w amerykańskiej DTV ustalony przez ATSC (jako lepszy od MPEG-2) Systemy domowe

MPEG-2 BC przedstawiony w 1994r. przez Moving Pictures Expert Group kompatybilny z wersją dwukanałową MPEG-1 - strumień bitowy złożony z dwóch kanałów danych w MPEG-1 i trzech kanałów używanych tylko przez dekoder MPEG-2 - nieefektywny w porównaniu z AC-3 przy kodowaniu sygnałów stereo - w 1997r. powstał niekompatybilny wstecz MPEG-2 AAC 3 tryby pracy (layers) liczba kanałów 5(+1) L,C,R,LS,RS (lub również 7(+1) np. Philips) L,LC,C,RC,R,LS,RS częstotliwości próbkowania 32, 44.1 i 48 kHz dobra jakość dźwięku przy przepływności 640-896 kbit/s dla pięciu kanałów

MPEG-2 BC kodowanie perceptualne - analiza sygnału w 32 podpasmach - szybka transformata FFT w celu wyznaczenia progu maskowania - użyty model psychoakustyczny (po stronie kodera) - maskowanie czasowe i częstotliwościowe - utrzymywanie szumu kwantyzacji poniżej progu maskowania - dynamiczna alokacja bitów - kompresja 12:1 jakość CD skalowalność - względem szerokości pasma - względem złożoności obliczeniowej

Digital Theater Systems ( DTS ) opracowany przez NuOptix Inc. zaprezentowany w 1993r. ( premiera „Jurrasic Park” ) ścieżka z 24 bitowym kodem czasowym - identyfikuje film, szpule i występowanie klatek w czasie ścieżka dźwiękowa jest umieszczona na 3 dyskach CD - dekoder dźwięku zawiera trzy odtwarzacze CD - pojemność CD pozwala na zastosowanie kompresji bezstratnej APT-X ( kompresja 4:1) dynamika 96dB próbkowanie 44.1kHz (pasmo 20Hz - 20kHz) liczba kanałów 5.1 - 5 dyskretnych kanałów dźwięku :L, C, R (20-20kHz), SL i SR (80Hz - 20kHz) i LFE (20Hz - 80Hz) automatyczny powrót do odczytu analogowego w przypadku braku informacji cyfrowej i odwrotnie Systemy kinowe

DTS Digital Surround dla potrzeb kina domowego zrezygnowano z kompresji APT-X na rzecz lepszego kodowania CAC ( Coherent Acoustics Coding ) standard DTS zapewnia następujące właściwości: - 1 do 8 multipleksowanych kanałów audio - dynamika 120dB (20 bit ) - częstotliwości próbkowania 8 kHz do 192 kHz - ekwiwalentna długość słowa PCM: 16 do 24 bit - współczynniki kompresji od 1:1 do 40:1 - przepływność danych wyjściowych kodera : od 32 kb/s do 4096 kb/s - możliwość kodowania bezstratnego (zmienna przepływność) - możliwość downmixu na mniejszą liczbę kanałów - dokładna synchronizacja pomiędzy sygnałami audio i video - stała architektura dekodera Systemy domowe

DTS Digital Surround Własności kodowania CAC ( Coherent Acoustics Coding ) zaawansowane techniki kodowania - podział na podpasma: 32 dla pasma 0-24kHz i dodatkowe 8 dla pasma 24-48kHz - analiza psychoakustyczna - liniowe kodowanie predykcyne LPC - kwantyzacja wektorowa - dynamiczna alokacja bitów - maskowanie maksymalny strumień bitów 3,528 Mbit/s Systemy domowe

Sony Dynamic Digital Sound (SDDS) zaprezentowany w 1994r. ( premiera „Last Action Hero”) dźwięk zapisany bezpośrednio na taśmie filmowej - ścieżki z optycznym zapisem dźwięku umieszczone między perforacjami, a krawędziami taśmy filmowej - algorytmy zapewniające 100% nadmiarowości danych - ścieżki analogowe wykorzystywane w przypadku awarii liczba kanałów 7.1 (L, P, centralny,centralne L i P, surround L i P) - możliwość pracy w systemie 4, 5.1, 6 (downmix) - konwersja systemów z mniejszą ilością kanałów na system 7.1 algorytm kodowania ATRAC (Audio Transform Acoustic Coding) - kompresja 5:1 częstotliwość próbkowania 44,1 kHz - pasmo częstotliwości 20Hz - 20kHz dynamika 105dB separacja kanałów >80dB Systemy kinowe

IMAX PSE (Personal Sound Environment) w użyciu od 1995r - dzieło firmy Sonics Associates Inc. współdziałanie dwóch systemów dźwiękowych pierwszy - sześciokanałowy system cyfrowy (lewy, prawy, centralny,LFE, dwa kanały surround) w skład systemu wchodzi osiem kolumn (dwie dla kanału centralnego i dwa subwoofer’y) drugi - (PSE) dwukanałowy słuchawkowy szerokopasmowy służący do odbioru muzyki, dialogów, efektów specjalnych nagranych przy użyciu sztucznej głowy odpowiednie słuchawki na podczerwień nie zakrywające całej małżowiny usznej - możliwość odbioru dźwięków z głośników na sali ścieżki muzyczne przechowywane na płycie DVD w standardzie PCM (24bit/96kHz) przed projekcją zgranie płyty na szybki twardy dysk z którego ścieżka dźwiękowe odtwarzana podczas projekcji (odpowiednia synchronizacja) Systemy kinowe

Dolby Digital Surround EX powstał dzięki współpracy Dolby Labs i THX Lucasfilm zaprezentowane w 1999r (premiera ”Star Wars TPM” ) w stosunku do DD – trzeci kanał surround (odtwarzany przez dodatkowy procesor Dolby SA-10) - rozwiązanie problemów z lokalizacją dźwięków - powiększenie strefy najlepszego odsłuchu możliwość odtwarzania ścieżek przez system DD bez trzeciej ścieżki surround Systemy kinowe

Dolby Digital Surround EX analog systemu kinowego zaimplementowanego w warunkach domowych system 6.1 (trzy kanały surround) centralny kanał surround jest zawarty (‘matrycowo’) w prawym i lewym kanale surround (zapis 5.1) - zachowanie kompatybilności w dół - brak 100% separacji miedzy tymi trzema kanałami surround Systemy domowe

DTS-ES 6.1 kanałowy format Matrix - zaprezentowane w 1999r (po prezentacj DD-EX) - trzy kanału surround (lewy, prawy, centralny zawarty ‘matrycowo’ w prawym i lewym) - brak 100% separacji pomiędzy kanałami surround - kompatybilność ze wcześniejszymi systemami DTS 5.1 - przepływność 1536 kbps lub 768 kbps Systemy kinowe / domowe

DTS-ES 6.1 kanałowy format Discrete - zaprezentowany w czerwcu 2000r - trzeci dyskretny kanał surround (zapisywany w nieużywanym dotąd bloku ”data frame” - kompatybilność z wcześniejszymi systemami DTS 5.1 i 6.1 Matrix (kanał centralny zawarty jest w lewym i prawym kanale surround i należy go zniwelować przy odsłuchu w systemie 6.1 Discrete dodając w przeciwfazie do lewego i prawego kanału surround) - brak 100% separacji pomiędzy kanałami surround (choć jest ona większa niż w przypadku systemu Matrix) - w kinie konieczność zastosowania przystawki DTS-ES Systemy kinowe / domowe

Wirtualny dźwięk przestrzenny użycie standartowego głośnikowego zestawu stereo dźwięk w jednym z formatów dookólnym zostaje ‘przystosowany’ do odsłuchu stereofonicznego - kanał centralny jato ‘phantomowy’ - kanały surround poprzez ‘virtualizer’ (oparty najczęściej na procesorze DSP) dodane są do dwóch dostępnych kanałów - zmniejszone pole prawidłowego odsłuchu Systemy domowe

Dolby Headphones zaprezentowane zimą 2000r symulacja za pomocą procesora DSP wirtualnego pomieszczenia z zestawem odsłuchowym zgodnym z AC-3 - możliwość wyboru charakterystyki wnętrza odsłuchowego - symulacja na słuchawkach odsłuchu stereo z zestawu głośnikowego( brak efektu dźwięku w środku głowy) odbiór poprzez zwyczajne słuchawki stereofoniczne - brak potrzeby „personifikacji” stanowiska odsłuchowego - odbiorca jest cały czas w najlepszej pozycji odsłuchowej kompatybilność z formatami dźwieku wielokanałowego : - Dolby Surround - Dolby Digital - PCM - PCM pakowane przez MLP - MPEG (do 5 kanałów) Systemy domowe

Dolby Headphones pierwsze procesory DSP - firma Analog Devices INC system znalazł miejsce w rozwiązaniach softwearowych - wtyczka programowa Personal Listening Space (firma Lake) wymagania Pentium II 266, 64 Mb RAM - softwearowe odtwarzacze DVD(SoftDVD, WinDVD, PowerDVD) Systemy domowe

Wirtualny dźwięk przestrzenny do systemów tych należą m.in.: - Q Surround (Q Sound Labs) - TruSurround (SRS LABS ) - 3D-Phonic (JVC ) - Lucas (Sennheiser) - Virtual Dolby Surround (Dolby Laboratories ) - Virtual Dolby Digital (Dolby Laboratories ) - Dolby Headphones (Dolby Laboratories ) - Virtual Sonic (Matsushita ) - VMAx (Harman International) - Digital Virtual Surround-5.1 (Spatializer Audio Laboratories) - Aureal A3D Surround (Aureal Semiconductor ) - Sensaura EMI/CRL - Sony MDR-DS5000 Systemy domowe

Podsumowanie systemy wielokanałowe

Podsumowanie systemy wielokanałowe

Przygotowali : Przemysław Maziewski (kat. Inżynierii Dźwięku) Marcin Rymon Lipiński (kat.Systemów i Urządzeń Radiokomunikacyjnych) 11.01.2001