Systemy dźwięku przestrzennego - Dolby Surround i Pro Logic

Na początek dwa zdania o historii. W 1950 roku w laboratoriach Dolby Inc. powstał system transmisji dźwięku nazwany Dolby Surround. Od tego momentu możemy mówić już nie tylko o nowym systemie, ale nowej jakości, krótko nazywanej – dźwięk surround, a bardziej po polsku: dźwięk przestrzenny. Nie wszystko od początku było tu doskonałe i „powalające” w brzmieniu, ale po kolei. O co tak w ogóle chodzi w tym całym

SURROUNDZIE

Z założenia i z nazwy układy te składają się z wielu głośników i mają za zadanie otoczyć słuchacza dźwiękiem tak, by odbierał on wrażenia bezpośredniego udziału w jakimś „wydarzeniu dźwiękowym”, znajdując się w jego centrum. Idea systemu surround krótko jest „streszczona” na rysunku 1.

 

Ktoś powie – no, przecież to system kwadrofoniczny. Na pierwszy rzut oka wydawałoby się, że tak – cztery głośniki ustawione w rogach pomieszczenia. Ale na tym kończy się „identyczność” z systemem kwadro. W tym bowiem przypadku w pomieszczeniu studyjnym widocznym na rysunku znajdują się cztery niezależne mikrofony. Sygnały przez nie rejestrowane wytwarzane są przez dwa źródła dźwięku Z1 i Z2. Dzięki takim ustawieniom mikrofonów dźwięki wytwarzane przez źródło Z1 w pierwszej kolejności dotrą do mikrofonów Xp i Yp, natomiast dźwięki wytworzone przez źródło Z2 najszybciej dotrą do mikrofonów Yp i Yt. Poza tym wszystkie mikrofony rejestrują sygnały bezpośrednie, z odpowiednim opóźnieniem w stosunku do tych stojących najbliżej, oraz odbicia od ścian, czyli echo i pogłos pomieszczenia. Każdy z czterech sygnałów pochodzących z mikrofonów jest następnie przesyłany (lub rejestrowany) za pomocą czterech niezależnych linii (i tutaj tkwi główna różnica między systemem kwadrofonicznym a surround). Dzięki takiej konfiguracji (niezależne linie dla niezależnych źródeł sygnału) nie dochodzi do mieszania się poszczególnych sygnałów i każdy z nich zachowuje taką charakterystykę, jaka wynika z zastosowanego mikrofonu i jego ustawienia.

Sygnały te są następnie odtwarzane za pomocą czterech głośników (lub zestawów głośnikowych), co pozwala na wytworzenie w pomieszczeniu odsłuchowym obrazów pozornych źródeł dźwięku, odpowiadających źródłom dźwięku w pomieszczeniu studyjnym. Pomysł ten w pierwszej kolejności podchwycili producenci filmowi, mając teraz do dyspozycji efekty dźwiękowe niedostępne do tej pory w systemie stereo. Widza zaskakiwać można teraz przelatującymi w poprzek samolotami albo zbliżającymi się z tyłu krokami lub samochodem. Opisany sposób działania systemu dźwięku przestrzennego jest tylko ogólną ideą, której realizacja może być (i jest) pojmowana na różne sposoby. Dlatego powstało kilka standardów systemów surround i wciąż powstają nowe. A więc prześledźmy, jak to wyglądało chronologicznie, aby dojść do współczesności (co nie znaczy, że systemy opisane na początku wyszły już z użycia).

DOLBY SURROUND

Zasada „działania” systemu opiera się właśnie na idei opisanej powyżej, z tym że jest to system nie cztero-, ale w zasadzie trzykanałowy. Ale po kolei. System Dolby Surround był pierwszym szeroko stosowanym systemem wielokanałowego odtwarzania dźwięku dla potrzeb projekcji filmowej.

 

Spójrzmy na rysunek 3, pokazujący schemat dekodera Dolby Surround. Jak widać, faktycznie system jest dwukanałowy, a sygnał podawany na głośniki surround jest wkodowany w te dwa kanały. Jednak już taka konfiguracja wprowadziła nową jakość brzmienia, dzięki czemu Dolby Surround szybko zagościł w zestawach kina domowego, ale nie tylko – również w grach komputerowych oraz systemach transmisji telewizyjnej. Zgodnie z tym, co widać na rysunku 2, system składał się z czterech głośników, z których dwa są przednie, a dwa boczne (tylne) zwane głośnikami surround (przy czym sygnał surround jest sygnałem monofonicznym).

Przyjrzyjmy się nieco rysunkowi 3, aby zrozumieć istotę działania tego systemu, gdyż kolejne, „rozwojowe” wersje (Pro Logic, Pro Logic II – wciąż używane w sprzęcie konsumenckim) bazują na podobnej zasadzie działania, co Dolby Surround. Kanały główne (L, R), które podają sygnał na głośniki przednie, przenoszą bezpośrednio sygnały Lt i Rt. Sygnał surround (S) pobierany jest z sygnałów Lt i Rt, które zostają podane na układ różnicowy. To jednak jeszcze nie jest sygnał, którym zasilimy głośniki boczne, dalej bowiem sygnał różnicowy przechodzi przez filtr antyalisingowy, linię opóźniającą, filtr dolnoprzepustowy i układ odszumiające (zmodyfikowany dekoder Dolby B). Wszystkie trzy sygnały (L, R i S) wchodzą na blok regulacji poziomu, gdzie znów są wydzielone. Dzięki temu osobnej regulacji podlega balans pomiędzy kanałami L i R oraz osobno dostraja się poziom kanału surround. I to już jest wyjście dekodera, z którego sygnały podawane są na głośniki (po wzmocnieniu, oczywiście).

Generacja pozornego źródła sygnału odbywa się w tym systemie podobnie, jak w stereofonii. Za umiejscowienie źródła w obrazie pozornym odpowiedzialne są tylko głośniki przednie, które, odtwarzając sygnał w kanałach lewym i prawym, wpływają na miejsce, z którego pozornie dobiega on do słuchacza. Wadą tego, a więc i główną wadą całego systemu Dolby Surround, jest to, że poprawne umiejscowienie źródeł centralnych jest możliwe tylko przy stosunkowo wąskim rozstawieniu głośników oraz usytuowaniu widza (słuchacza) na osi zestawów.

Wprowadźmy sobie pewne pojęcie, które będzie pewnym fizycznym, liczbowym parametrem, pozwalającym nam na porównywanie systemów, przynajmniej w jednym aspekcie. Jest to pojęcie separacji – bynajmniej nie nowy parametr, gdyż mamy z nim do czynienia również w systemach stereofonicznych (nie ma on racji bytu tylko w mono). W stereo mówimy o separacji kanałów, czyli sygnałów występujących w kanałach lewym i prawym. Polega ona na podaniu sygnału tylko na jeden kanał i pomiarze jaki poziom sygnału występuje w drugim, nie zasilonym żadnym sygnałem, kanale. Spotyka się też często pojęcie będące synonimem separacji, czyli przesłuchy. W systemach wielokanałowych jest to bardziej skomplikowane, gdyż np. w systemach czterokanałowych możemy mierzyć separację zasilając sygnałem trzy kanały, a pomiarów dokonując w czwartym, „pustym” kanale. Najprostsza metoda to jednak podanie sygnału tylko na jeden kanał i dokonywanie pomiaru w pozostałych.

Jak więc wygląda separacja pomiędzy kanałami w przypadku systemu Dolby Surround? Spójrzmy na diagram przedstawiony na rysunku 4. Widać tu, że separacja kanałów surround jest bardzo słaba. Wynika to głównie ze sposobu wytwarzania sygnału surround, który powstaje jako różnica kanałów wejściowych, i nie jest możliwe takie przetworzenie tego sygnału, by wartość separacji poprawić. Zawsze udział pochodzący z kanałów Lt i Rt będzie spory. Problemy odsłuchowe, ograniczenia w przesyłaniu sygnału surround i generacji kanału centralnego spowodowały, że w zastosowaniach konsumenckich system ten szybko ustąpił miejsca swemu następcy z rodziny produktów Dolby –

DOLBY SURROUND PRO LOGIC

Główną cechą charakterystyczną dla tego systemu jest zmiana sposobu pracy dekodera. W systemach Dolby Surround dekoder był pasywny (czyli przetwarzał sygnały wejściowe w ustalony sposób), natomiast w Dolby Surround Pro Logic dekoder jest aktywny, co oznacza, że parametry jego pracy zmieniają się w zależności od parametrów sygnału podawanego na wejście, tak by jak najwierniej odtworzyć cztery kanały wyjściowe. Można to uzyskać dzięki wydzieleniu niezależnego kanału centralnego oraz, co za tym idzie, dodatkowego głośnika (rysunek 7). Dzięki temu usadowienie widza czy słuchacza dokładnie na osi głośników lewego i prawego nie jest już tak kluczową sprawą dla poprawnej lokalizacji źródeł „centralnych” (np. ściślejsze związanie dialogów występujących w filmie ze środkiem obrazu dźwiękowego).

Dodatkową zaletą pracy z wykorzystaniem dekodera aktywnego jest poprawienie separacji pomiędzy kanałami – spójrzmy na diagram separacji systemu Pro Logic, przedstawiony na rysunku 5. Są to wartości typowe, wynikające z pomiarów, bowiem według teoretycznych obliczeń przeprowadzonych dla tego układu separacja pomiędzy poszczególnymi sąsiednimi kanałami wyjściowymi (na obwodzie koła) powinna wynosić 37 dB, a pomiędzy kanałami naprzeciwległymi (leżącymi na drugich końcach średnicy koła) powinna być nieskończona. Jak to jest w rzeczywistości widać na rysunku 5. Z porównania systemów Dolby Surround i Dolby Surround Pro Logic wynika, że ten drugi ma gorszą separację pomiędzy kanałami „głównymi”, jednak ważniejszy dla odczuć podczas słuchania jest kanał surround, dla którego wynik poprawił się w znacznym stopniu.

Jeśli ktoś jest dociekliwy albo lubi „klocuszki”, niech spojrzy na rysunek 6 – to schemat blokowy dekodera Pro Logic. W porównaniu do dekodera Dolby Surround zauważyć można kilka istotnych różnic, z których najważniejszą jest zastosowanie macierzy adaptacyjnej zamiast prostego układu różnicowego. Macierz ta z dwóch ścieżek Lt i Rt odtwarza cztery kanały wyjściowe L, C, R, S. Rozdzielenie na poszczególne sygnały dokonuje się wewnątrz macierzy adaptacyjnej, w układzie uwydatniania kierunkowego, w taki sposób, by zachowane były jak największe wartości separacji przy jednoczesnym dokładnym wyznaczeniu kierunku dźwięku dominującego. Oprócz macierzy w dekoderze Pro Logic spotykamy „starych znajomych” z dekodera Dolby Surround: filtr antyalisingowy, filtr dolnoprzepustowy, zmodyfikowany dekoder Dolby B oraz blok regulacji poziomu. Z „nowości” widzimy natomiast generator szumu i dodatkowe układy dostrajania kanałów surround i centralnego. Po wydzieleniu sygnałów w macierzy adaptacyjnej sygnał przechodzi przez te bloki (w kolejności widocznej na rysunku 6), aby na wyjściu uformować sygnały L, R, C i S (sygnał S oczywiście podawany jest na dwa głośniki, ale jest to ten sam sygnał, czyli sygnał surround w dalszym ciągu jest monofoniczny).

 

Ustawienie głośników w systemie Dolby Surround Pro Logic widać na rysunku 7. Jest to konsumencka wersja systemu – zestawy przeznaczone do sal kinowych mają bardzo zbliżoną konstrukcję, poszerzoną tylko o większą liczbę głośników surround w zależności od wielkości sali (nie mówiąc oczywiście o ich wielkości i mocy – z ciekawości polecam zajrzeć kiedyś za ekran kinowy, jeśli to możliwe – wrażenie jest ...hm...duuuuuuże).

DOLBY SURROUND PRO LOGIC II

System ten powstał jako rozwinięcie poprzednika – Dolby Surround Pro Logic. Wzbogacenie polegało na dodaniu nowych bloków do układu dekodującego, polepszających i wzbogacających właściwości przetwarzanego dźwięku. Dzięki zmodyfikowanym procedurom obliczania wyjściowych sygnałów akustycznych osiągnięto jeszcze lepsze rezultaty prawidłowej lokalizacji kierunkowości dźwięku dominującego, prawidłowe i stabilne stereofoniczne pole akustyczne, tworzone pomiędzy głównymi kanałami L i R.

Ponieważ w dalszym ciągu poruszamy się w domenie analogowej (pomimo nazwy cyklu – Technika cyfrowa – do tej pory omawiane systemy dźwięku dookólnego były systemami analogowymi), a powstanie Pro Logic II to czasy, kiedy coraz bujniej rozkwitał rynek urządzeń cyfrowych, zastanawiać może, po co kolejna inwestycja w system analogowy, skoro „cyfra” oferuje „tak wiele, za tak niewiele”. Otóż głównymi obszarami zainteresowań twórców Pro Logic II stały się analogowe, stereofoniczne układy odtwarzania dźwięku. Należą do nich przede wszystkim odtwarzacze klasycznych płyt audio (LP, CD), komputery, przetworniki słuchawkowe, systemy samochodowe oraz domowe układy multimedialne. Dzięki zastosowaniu nowego dekodera możliwe stało się zaprogramowanie pola akustycznego, w którym umiejscowione zostać miało nagranie pochodzące z odtwarzanego stereofonicznego źródła.

Wiemy już, że Pro Logic II różni się od Pro Logic możliwością odtwarzania innych, stereofonicznych źródeł dźwięku. Różnice układowe natomiast to np. rozdzielenie sygnału surround na dwa kanały Lewy Surround (Ls) i Prawy Surround (Ps). Poza tym wszystkie zaimplementowane programy, zgodnie z którymi można kształtować charakter wyjściowego pola akustycznego, zaopatrzono w dodatkowe funkcje precyzujące sposób odtwarzania. Są to:

– kontrola wymiarów – do precyzyjnej regulacji punktu centralnego na osi przód-tył, w którym to punkcie najczęściej użytkownik słucha muzyki,
– kontrola szerokości kanału centralnego
– umożliwia rozłożenie sygnału, który normalnie umieszczony byłby tylko w kanale centralnym, na kanał lewy i prawy. Dzięki temu możliwe staje się umieszczenie towarzyszących muzyce lub projekcji filmowej dialogów i efektów specjalnych w stereofonii
– tryb panoramiczny – włączenie tej opcji, przy jednoczesnym włączeniu trybu „stereo”, spowoduje włączenie głośników surround celem poszerzenia pola odsłuchu.

Tak wyglądał na przestrzeni lat rozwój systemów odtwarzania dźwięku przestrzennego, czyli systemów surround, w wykonaniu analogowym. Dolby Surround, Dolby Surround Pro Logic i wreszcie Dolby Surround Pro Logic II – dodawanie kolejnych kanałów i głośników, jak również poprawa jakości separacji, przetwarzanych i odtwarzanych dźwięków i wreszcie, jak to ma miejsce w Pro Logic II, zaadaptowanie systemu „dookólnego” do odtwarzania nagrań systemu „płaskiego”, czyli stereo. Ale nadszedł wreszcie czas, żeby technika cyfrowa, która coraz natarczywiej pojawiała się tu i ówdzie w technice audio, wkroczyła wreszcie i w tę dziedzinę, do tego stopnia zresztą, żeby zawładnąć nią niepodzielnie – co ma miejsce obecnie. Powstał więc kolejny system – również ze „stajni” Dolby Inc. – ale tym razem w pełni cyfrowy (co też ma swoje odzwierciedlenie w nazwie) – Dolby Digital.

Ale cyfrowym surroundem, nie tylko z firmy Dolby Inc., zajmiemy się w kolejnym odcinku. Za miesiąc również o wymaganiach stawianych zestawom surround, a co za tym idzie przyznawanym certyfikatom, czyli co to są: THX, DSC i 4D.

Jan Erhard

---

Jan Erhard z wykształcenia jest informatykiem i specjalistą od sieci cyfrowych, zaś z zamiłowania muzykiem. Zajmuje się też realizacją dźwięku, stąd jego zainteresowania i duża wiedza na temat cyfrowego przetwarzania sygnałów.