SystemyDźwiękuDookólnego

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

• 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)

Jak człowiek lokalizuje dźwięki

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

Systemy domowe

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

• 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

Dolby Stereo

Systemy kinowe

• zaprezentowane w 1974r

• system analogowy

• w miejsce dotychczasowej ścieżki mono wstawiono

dwa kanały (stereo) poddane redukcji szumów

Dolby A - zapisane optycznie na taśmie

Dolby Stereo

Systemy kinowe

• kodowanie i dekodowanie ( koder Dolby MP Matrix )

• separacja kanałów- L/P : >40dB- L(P)/C : 3dB- C/S :>40dB- L(P)/S : 3dB

Dolby Surround

Systemy domowe

• 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.

Dolby SR

Systemy kinowe

• 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

Dolby Surround Pro Logic

Systemy domowe

• 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

Dolby Surround Pro Logic II

Systemy domowe

• 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

Dolby Digital

Systemy kinowe

• 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

Dolby Digital

Systemy kinowe

• 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)

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)

•sześć niezależnych kanałów dźwiękowych (5.1): - lewy, centralny, prawy, tylny lewy, tylny prawy 20Hz - 20kHz - kanał niskich częstotliwości 20Hz - 120Hz

Systemy domowe

• zaprezentowany w 1992r

Dolby Digital (AC-3)

• system AC-3 - system kodowania analogiczny do systemu kinowego• dodatkowo - możliwość downmixu do mono, stereo, Dolby Surround

Przepływności binarne(kbps)56, 64, 8096112128, 160192224, 256, 320384, 448, 512576, 640

Tryby kanałów *

1/01/0, 2/01+1, 1/0, 2/01+1, 1/0, 2/0, 3/0, 2/11+1, 1/0, 2/0, 3/0, 2/1, 3/1, 2/21+1, 1/0, 2/0, 3/0, 2/1, 3/1, 2/2, 3/2

X/Y – gdzie X to liczba przednich kanałów a Y liczba kanałów surround1+1 – tryb dual mono2/0 – konwencjonalne stereo lub zakodowane kanały Lt/Rt Dolby Surround

Systemy domowe

Dolby Digital (AC-3)

• 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

Systemy kinowe

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 domowe

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 kinowe

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

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

Systemy kinowe

• 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

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

Systemy kinowe / 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

• 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

DTS-ES

Systemy 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

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

• 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

Dolby Headphones

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

Nazwa A/D Ilość kanałówzdekodowanych

Zastosowanie

Dolby Stereo Analogowy 4 KINO

Dolby Surround Analogowy 3 (4) DOM

Dolby SR Analogowy 4 KINO

Dolby Pro Logic Analogowy 4 DOM

Dolby Pro LogicII

Analogowy 5 DOM

Dolby Digital(AC-3)

Cyfrowy 5.1 KINO/DOM

MPEG-II Cyfrowy 5.1 (7.1) DOM

Podsumowanie systemy wielokanałowe

Nazwa A/D Ilość kanałówzdekodowanych

Zastosowanie

Digital DTSSound

Cyfrowy 5.1 KINO

Digital DTSSurround

Cyfrowy 5.1 DOM

SDDS Cyfrowy 7.1 KINO

Dolby DigitalSourround EX

Cyfrowy 6.1 KINO/DOM

DTS-ES Matrix Cyfrowy 6.1 KINO/DOM

DTS-ES Discrete Cyfrowy 6.1 KINO/DOM

IMAX PSE Cyfrowy 5.1+PSE KINO

Podsumowanie systemy wielokanałowe

Przygotowali :

Przemysław Maziewski

(kat. Inżynierii Dźwięku)

Marcin Rymon Lipiński

(kat.Systemów i Urządzeń Radiokomunikacyjnych) 11.01.2001