Многоканальный звук в кино

Майкл Карагосян

Многоканальный звук в кино берет свое начало в 1939 г., когда на экран вышел фильм "Фантазия" Диснея. Звук, названный "фантастическим", записывался на отдельные аналоговые оптические дорожки - левую, центральную и правую, а четвертая управляющая предназначалась для синхронизации. В этом формате использовались специальные хитроумные средства для подведения звука не менее чем к 100 громкоговорителям во всем зрительном зале. Такие факторы, как сложность этой системы и начавшаяся вскоре вторая мировая война, не способствовали ее дальнейшему развитию, и фильм "Фантазия" стал единственным, где применялся данный формат. Только в 50-х годах, когда была разработана технология нанесения магнитных дорожек на 35- и 70-мм пленку, появилась многоканальная магнитная запись звука на пленку. В это время компанияTwentieth Century Fox разработала звуковой формат Cinemascope, в котором использовалась четырехдорожечная магнитная запись на пленку - левый, центральный, правый каналы и канал окружения (surround). Тогда же появился шестидорожечный формат Todd-AO для 70-мм пленки: левый, дополнительный левый (LE), центральный, дополнительный правый (RE), правый каналы и канал окружения.

Запись звука на кинопленку практически не претерпела никаких изменений вплоть до 70-х, когда Dolby Laboratories представила две новые концепции. Первая состояла в применении системы шумопонижения как на магнитных, так и на оптических дорожках. Вторая заключалась в использовании квадрафонической записи, кодированной матричным способом для оптической стереофонической дорожки. Применение шумопонижения на магнитных дорожках позволило Dolby увеличить динамический диапазон носителя и добиться оптимального уровня магнитного потока при записи на пленку, тем самым повысив возможность управлять качеством  магнитной записи. После выпуска нескольких фильмов с добавлением шумопонижения к формату Todd-AO для 70-мм пленки Dolby решила использовать дополнительную левую и правую дорожки только в качестве добавочных басовых, а не широкодиапазонных. Так появилась отдельная дорожка для канала субвуфера, которую теперь часто называют дорожкой низкочастотных эффектов (LFE). Это изменение привело к тому, что число каналов в 70-мм формате сократилось до 4-х плюс субвуфер. В 1979 г. Dolby улучшила 70-мм формат, добавив стереоканалы сурраунда. Этот формат был использован в фильме "Апокалипсис сегодня". Метод формирования стереоканалов окружения заключался в следующем: верхние частоты помещались в дополнительные левый и правый каналы и добавлялись басы из моноканала сурраунда для формирования широкодиапазонных стереосигналов. Однако в этом формате было выпущено лишь небольшое количество фильмов, так как популярность 70-мм пленки стремительно падала. Тем не менее этот формат стал предвестником популярного в наше время формата 5.1, в котором имеются следующие каналы: левый, центральный, правый, левый окружения, правый окружения и низкочастотный. В некоторых крупных инсталляциях добавлен широкодиапазонный моноканал окружения в задней части зала, что стало первым шагом к использованию трехканального сурраунда. (Майкл Тодд и  Todd-AO также описали трехканальную сурраунд-систему в 50-х годах.)

О чем говорят цифры (немного о разном)

Магнитная запись на пленку, обладающая столь высоким качеством, насколько это возможно, была, есть и будет дорогостоящей. Другая технология Dolby - матричный метод кодирования для оптической стереофонической дорожки - была названа крупным прорывом в области недорогой многоканальной звукозаписи на пленку. В студии матричный кодер сводит четыре отдельных канала в два. В кинотеатре матричный декодер восстанавливает левый, центральный, правый каналы и канал окружения из сигнала стереофонической звуковой оптической дорожки. Однако матричный метод имеет и некоторые недостатки. Этот формат поддерживает только моносигнал сурраунда, и сам по себе матричный метод не полностью соответствует исходной четырехдорожечной записи. Пытаясь исправить ситуацию, Dolby в первые годы существования формата разработала несколько методов матричного кодирования/декодирования и придумала комбинированную технологию, называемую переменным матричным декодированием. По этой технологии различные декодирующие матрицы включаются в цепь звуковоспроизводящей системы при преобладании уровня сигнала в соответствующем канале - левом, правом, центральном или канале окружения. Каждая декодирующая матрица предназначена для поддержания звукового баланса в помещении; декодирующая матрица при включении практически не оказывает влияния на полную энергию звукового поля.

Метод формирования четырех каналов из двух во многом оставляет желать лучшего. В случае преобладания уровня центрального канала (а это происходит каждый раз, когда идет диалог) левый и правый каналы становятся монофоническими. То же самое происходит, когда преобладает уровень канала окружения. Весьма затруднительным становится панорамирование. Для преодоления этих недостатков используется специальная система мониторов, позволяющая звукорежиссерам реально слышать смикшированный звук так, как он будет слышен в зрительном зале. Звукорежиссеры, которые хорошо знают эту технологию, расскажут  о многих хитростях, на которые им приходилось идти, чтобы добиться нормального звучания при микшировании для матричного кодирования.

В конце 70-х годов Dolby Laboratories представила другой элемент в мир киноиндустрии, который называется "звуковой кинопроцессор". Для обеспечения простоты инсталляции нового и сложного формата Dolby необходимо было производить единое устройство, которое содержало бы стереофонический оптический звукосниматель, систему шумопонижения, матричный декодер, эквалайзер, блок выбора формата и единый регулятор уровня для всех каналов. Так на свет появился звуковой процессор. Для согласования новых и предыдущих форматов построение кинопроцессора продолжает оставаться неизменным, и его концепция продолжает оставаться оплотом киноиндустрии. В настоящее время производственная база значительно расширилась и на рынке можно найти качественные процессоры Sony, Ultra Stereo и Smart Devices.

И вот появился цифровой звук

В 1990 г.  Optical Radiation Corporation совместно с Eastman Kodak представила миру первый цифровой звуковой формат для кино - Cinema Digital Sound (CDS) в фильме "Дик Трэйси", вышедшем на 70-мм пленке. К сожалению, до момента ухода этого формата с рынка в нем было снято лишь несколько фильмов. CDS был высоко технологичным форматом, включавшим в себя схему обнаружения и исправления ошибок в отпечатанном растре для обеспечения помехоустойчивости цифрового сигнала. Сам по себе растр был впечатляющим. Благодаря поддержке Eastman Kodak и специально разработанной пленочной основе, формат мог похвастаться малым размером пикселей, что позволяло размещать на пленке требуемый объем цифровых данных. Звук записывался без сжатия, но вместо обычной 16-битной ИКМ с линейной шкалой использовалась специальная 12-битная логарифмическая шкала, обеспечивающая превосходный звук с динамическим диапазоном 90 дБ. Несмотря на хорошую технологию, этот формат страдал от основного недостатка - при записи на 35-мм пленку цифровая звуковая дорожка располагалась на том месте, где обычно находилась оптическая дорожка стереоканала. Другими словами, отсутствовала дорожка, которая могла бы использоваться в качестве резервной. У формата CDS также были проблемы с воспроизводящей аппаратурой. Все это привело к тому, что большинство производителей отвернулись от него.

Формат CDS - это пионер современных цифровых звуковых форматов для пленки. Optical Radiation стала первой компанией, открывшей цифровой звук для кинотеатров и воплотившей отдельную версию популярной ныне  технологии 5.1 во многих  системах показа. Влияние формата 5.1 огромно. С художественной точки зрения, цифровой звук с раздельными каналами стал реальным благом, поскольку он освобождает звукорежиссера от ограничений, существующих при микшировании звука для матричного кодера. Широкодиапазонные и раздельные каналы окружения дали возможность  звукорежиссерам использовать их с большей свободой. Если послушать сегодняшних звукорежиссеров и тех, кто работал лет десять назад, то очевидно, насколько больше свободы творчества предоставляют цифровые форматы.

Несмотря на то что формат SR/D, известный теперь как Dolby Digital, был объявлен в конце 1990 г., впервые он был представлен Dolby Laboratories лишь в  1992 г. с выходом фильма "Бэтмэн возвращается". Появление этого формата стало возможным благодаря разработке алгоритма сжатия звуковых данных АС3 для сигналов формата 5.1. Не желая повторять ошибки CDS, Dolby приложила значительные усилия к тому, чтобы сохранить аналоговую оптическую стереозапись на пленке рядом с новой цифровой записью. Поскольку был дорог каждый миллиметр пленки, звуковую дорожку расположили в том месте, где идет перфорация пленки. Конечно, это было не самое подходящее место для цифровых данных, но там они и остались. Dolby также выбрала гораздо больший размер пикселей, нежели CDS (приблизительно 1,1 х 1,1 мм), и решила использовать частоту дискретизации 48 кГц. Таким образом, емкость носителя в формате SR/D была значительно меньше, чем в CDS, что компенсировалось применением высокоэффективного стандарта сжатия АС3. Первоначально формат был назван SR/D, очевидно, для того, чтобы подчеркнуть, что в нем используется шумопонижение системы SR.  Формат Dolby не содержит механизма коррекции ошибок; при возникновении ошибок в процессе декодирования вследствие износа или обрыва пленки в качестве резерва используются матричные оптические дорожки стереоканалов.

Вскоре появились другие цифровые форматы. В 1993 г. Digital Theater Systems представила  цифровой формат DTS 5.1, в котором был снят фильм "Парк юрского периода". DTS пошла по иному пути, нежели CDS и Dolby, записывая звук на  СD-ROM в фирменном формате, а на пленку - только аналоговую дорожку канала синхронизации. Технология DTS  проявила себя в качестве надежного способа записи цифрового звука для кино. В случае потери синхронизации в течение нескольких секунд звук будет неуправляемым, прежде чем переключится на резервную дорожку. Как только  дорожка с временным кодом оказывается в норме, процессор бесшумно переключается на нужный звуковой фрагмент. На пленке дорожка временного кода располагается рядом с оптической дорожкой стереоканала, т. е. так же, как и у Dolby Digital, имеется резервная аналоговая дорожка. DTS при записи на CD-ROM  использует разновидность алгоритма сжатия APT для 16-битных звуковых сигналов с частотой дискретизации 44,1 кГц. DTS предлагает несколько разновидностей своего формата. Повсеместно используемый формат предполагает запись пяти звуковых каналов, при этом канал субвуфера располагается на дорожке стереоканала сурраунда на частотах ниже 80 Гц и таким образом стереоканал окружения ограничен частотой 80 Гц. Шестиканальная версия этого формата с раздельно записанными каналами широко используется в специальных кинотеатрах.

Киноиндустрии характерны конкуренция и инновации, и Sony не хотела ограничивать свою продукцию одним лишь форматом 5.1.  В 1993 г. она представила цифровой звуковой формат SDDS, использованный в фильмах "На линии огня" и "Последний герой боевика". В отличие  от Dolby Digital и DTS, это формат 7.1, возрождающий  широкодиапазонные  громкоговорители с дополнительными левым (LE) и правым (RE) каналами эпохи формата Todd-AO для 70-мм пленки. Только теперь они  называются левый центральный и правый центральный и объединяются с раздельными стереоканалами окружения и отдельным каналом субвуфера.  Как и у Dolby Digital, звуковой растр SDDS записывается непосредственно на пленку, на которой свободного места остается еще меньше. Поэтому инженеры Sony расположили дорожки на обоих краях пленки за пределами перфорации. Как и у Dolby, это не самое подходящее место для данных. Но в отличие от Dolby Digital, фирма Sony решила печатать дублирующие растры по обоим краям пленки. Таким образом, SDDS способен обеспечить надежную передачу цифрового потока и это единственный формат со времен CDS, в котором предусмотрена коррекция ошибок. Как и другие форматы, SDDS  также использует оптическую дорожку стереоканала в качестве резервной. В SDDS применяется фирменная схема сжатия данных для 16-битного звука с частотой дискретизации 44,1 кГц. Размер точки в SDDS немного меньше, чем у Dolby (примерно 0,9 х 0,9 мм), и благодаря использованию пространства вокруг перфорации появляется достаточная емкость для записи несильно сжатых восьми каналов звука.

Не все фильмы в SDDS записаны в полном варианте формата 7.1. Исторически большинство фильмов записано в формате 5.1, а левый центральный и правый центральный каналы практически не используются, но декодер SDDS Sony  способен по необходимости создавать искусственные левый и правый центральные каналы. И, наоборот, для фильма, записанного в формате 7.1, который проигрывается в системе 5.1, декодер SDDS преобразует левый и правый центральные каналы в левый, центральный и правый.

Новые форматы продолжают появляться, и в 1999 г. Dolby Laboratories представила дополнение к формату 5.1, добавив центральный канал сурраунда для заднего ряда громкоговорителей. Этот формат получил название Surround EX, и в нем нет ничего особенно инновационного в плане технологии. Там присутствует старый добрый матричный кодер/декодер для размещения дополнительного канала в закодированном стереоканале окружения в формате 5.1. Развивая эту идею, можно добавить верхний (потолочный) канал, используя возможности матричного декодера (рис. 2). Формат EX несет в себе все ограничения, характерные для оптических стереоканалов, но теперь для закодированных цифровых стереоканалов. И хотя этот канал, безусловно, создает кинопроизводителям  дополнительные возможности для творчества, возвращение к матричному кодированию не сделало формат EX любимцем Голливудского сообщества post-production. Интересно отметить, что формат SDDS может осуществлять запись трех раздельных каналов окружения, но Sony еще не выпустила продукт, реализующий эту возможность. Представитель Sony Дэн Тэйлор считает, что формат 7.1 обязательно должен использоваться на все 100 %.

Важно заметить, что каждый из существующих цифровых форматов занимает свое особое место на пленке. Практически все больше и больше выпускается фильмокопий с растрами и тайм-кодом для разных форматов. При этом часто задается вопрос, кто победит в войне цифровых форматов. Ответ: все. Кино - это индустрия творчества, и кинопроизводители рады иметь выбор и пользоваться новейшими изобретениями. У каждого из форматов есть свои сильные и слабые стороны в таких областях, как звуковые характеристики, возможности распространения и экономические затраты на кинопроизводство. До тех пор, пока существует кино, будет существовать множество форматов многоканального звука. Цифровое кино добавит разнообразия форматов. Поскольку цифровые носители позволяют хранить все больший объем данных, цифровое кино подарит новые возможности кинопроизводителям.

Аппаратное обеспечение

Первыми процессорами, выпускаемыми Dolby Laboratories, были СР 100 для 70- и 35-мм пленки и малый процессор СР50 (только для 35-мм пленки). Через несколько лет Dolby выпустила семейство процессоров на смену первым моделям: СР200, СР65, СР55, СР45 и СР500. Процессор СР200, представленный в начале 80-х годов, был первым, поддерживавшим стереоканал окружения. Он стал любимым процессором многих студий благодаря своей гибкости, хотя сейчас снят с производства.  Среди других известных марок в настоящее время можно найти множество процессоров для формата 5.1, включая Peavey CinemAcoustics CA-CP600, Sony DFP-3000 (также для  формата 7.1), Ultra Stereo JSX-1000 и Smart Devices MODV.

Декодирование цифрового звука, записанного на пленку, требует соответствующей фирменной технологии компании, разработавшей данный формат. Например, Dolby предлагает процессор DA20 и оптический звукосниматель, выдающий аналоговый сигнал формата 5.1, который может восприниматься любым процессором формата 5.1. Компания DTS создала декодер DTS-6D, который может проигрывать компакт-диски формата DTS и включает в себя оптическое устройство для считывания временного кода на пленке, устанавливаемое на кинопроектор. DTS-6D имеет не только обычный аналоговый выход в формате 5.1, но и цифровой для прямого цифрового соединения с процессором. До настоящего времени лишь процессор CinemAcoustics CA-CP600 имел возможность прямого подключения к цифровому порту DTS. До недавнего времени Sony предлагала модель DFP-D2000 и соответствующий оптический звукосниматель. DFP-D2000 не отвечает традиционному представлению о процессоре, поскольку имеет свой собственный эквалайзер, регулятор уровня и переключатель bypass. Однако Ultra Stereo имеет хитроумное устройство, позволяющее использовать DFP-D2000 в качестве источника для традиционного процессора. Sony не предложила отдельного декодера для замены этого устройства. На рис. 4 показаны все возможные соединения с процессором, если в кинотеатре поддерживаются все форматы. К новейшим тенденциям в области создания процессоров относится включение фирмами, создавшими собственный формат, в процессоры блоков цифровой обработки сигналов этих форматов. Dolby Laboratories включает декодер Dolby Digital в CP500D; фирма Sony - декодер SDDS в новый процессор DFP-3000; компания DTS - свой процессор DTS-6AD, имеющий воспроизводящее устройство DTS-6D. Ни один из этих процессоров не может непосредственно поддерживать цифровой звуковой формат своих конкурентов. Это значит, что автономные декодеры определенного формата продолжат существование, если данный формат наберет максимально возможное число инсталляций.

Поддержка множества форматов в мире пленки требует гибких инсталляций в кинотеатрах. В киноаппаратных существует практически повсеместная практика устанавливать сменные декодеры, которые подключаются к процессору. Во многих случаях в кинотеатрах не сразу инсталлируется цифровая система и требуется автономный декодер, если нужно показать фильм со звуковым сопровождением в цифровом формате. С насыщением рынка продажа автономных декодеров снизится, тем не менее сменные декодеры широко распространены в киноаппаратных, даже больше, чем думают разработчики форматов.

ТНХ - хорошо известное имя в мире кино, однако часто неправильно понимаемое. Бытует ошибочное мнение, что программа Lucasfilm THX использует собственный звуковой формат. На самом деле она предназначена для создания системы стандартных кинотеатров, которые соответствуют критериям, выработанным ТНХ. Продвигая свой стандарт, ТНХ сертифицирует товары для применения в кинотеатрах, которым она дает разрешение на использование имени ТНХ. Она сама принимает участие в разработке оборудования для кинотеатров, на которое выдается лицензия, контролируя звукоизоляцию смежных залов в многозальных кинотеатрах (мультплексах), реверберацию в помещении и уровень шумов, вносимых климат-системами. ТНХ предоставляет реальную полезную услугу для слушателей, но она не создает звуковых форматов.

Настройка системы

Dolby Laboratories впервые предложила концепцию А- и В-цепей (A- & B-chain) в описании своих систем звуковоспроизведения для тех, кто занимается эксплуатацией. А-цепь включает в себя источник звука и относящиеся к нему органы управления, В-цепь - эквалайзер громкоговорителя, регулятор уровня, кроссовер, усилители и сами громкоговорители. Время подтвердило, что это удобный способ описания систем звуковоспроизведения. Вы можете подать розовый шум с эталонным уровнем в В-цепь и выставить уровень громкости и АЧХ в кинозале. Регулируя воспроизведения оптического  звукового канала, можно, например, задавать различные уровни громкости и настройки эквалайзера для А-цепи, не влияя при этом на установки для В-цепи. Возможность раздельной регулировки А- и В-цепей, с точки зрения человека, занимающегося эксплуатацией, совершенно необходима для точной настройки системы.

Стандартный уровень звукового давления для любого широкодиапазонного громкоговорителя в кинотеатре составляет 85 дБ. Стереоканалы окружения рассматриваются как один источник и по отдельности отстраиваются на уровень 82 дБ. Этот уровень  измеряется с использованием розового шума, воспроизводимого процессором с номинальным настроечным RMS-уровнем. Когда в кино появилась система шумопонижения Dolby, за номинальный уровень просто приняли "уровень Dolby", требуемый от системы шумопонижения. Для цифровых сигналов "уровня Dolby" не существует, однако уровень -20 дБ ниже полной шкалы является номинальным, который широко используется в различных цифровых форматах.

Одна из уникальных и наиболее интересных сторон звука в кино - это Х-кривая. Она описана в рекомендации ANSI PH22.202M-1984 / SMPTE 202M для типичного кинотеатра на 500 мест как высокочастотный спад 3 дБ на октаву, начиная с 2 кГц, и 6 дБ на октаву на 10 кГц. Имеются поправки для кинотеатров других размеров, хотя они часто игнорируются. Все системы воспроизведения в кино в настоящее время настроены на Х-кривую.  История Х-кривой  началась одновременно с первыми попытками Dolby обеспечить качественное воспроизведение звука в кинотеатрах с использованием общей и не слишком сложной методики измерений. Х-кривая возникла в результате изучения акустики кинотеатров по всей стране примерно 25 лет назад. Частотная характеристика, описываемая Х-кривой, была разработана для компенсации реверберации и высокочастотного спада в стандартном кинотеатре. Она давала единую статическую частотную характеристику, к которой должны быть приведены все помещения.

Проблема состоит в том, что Х-кривой уже 25 лет и это еще вопрос, является ли акустика среднего кинотеатра в наши дни такой же, как  и во времена разработки этого стандарта. Мы упустили из виду тот факт, что наша цель - добиться в помещении плоской АЧХ после того, как мы учли условия окружающей среды, такие как реверберация и поглощение звука. Вместо этого Х-кривая сама себя изжила. Наиболее очевидные искажения она вызвала при использовании в стандарте Home THX "re-EQ" на домашние ресиверы, соответствующие требованиям ТНХ, где Х-кривая была адаптирована для акустики малых помещений. Индустрии кино гораздо больше пригодилось бы семейство кривых для помещений самых разных размеров с различными характеристиками реверберации, а также проведение сложного анализа и студийная настройка.

Что касается настройки звука в кинотеатрах, то внимания заслуживает тема узкополосного усиления канала субвуфера на 10 дБ, требуемого стандартом Dolby Digital. Автономное устройство воспроизведения DA20, предназначенное для декодирования сигналов в формате Dolby Digital, вырабатывает номинальный уровень на выходе для всех каналов, включая канал субвуфера, с использованием тестовой пленки Dolby. Как только уровень канала субвуфера будет согласован  с уровнями фронтальных громкоговорителей, требуется, чтобы уровень канала субвуфера был дополнительно увеличен на 10 дБ. Канал субвуфера будет записываться с уровнем на 10 дБ ниже, чем другие. Хотя дополнительные 10 дБ не столь необходимы для цифровых каналов, по словам Дэвида Грея из Dolby Laboratories, эта практика перенесена из технологии производства звукового материала для магнитных дорожек на 70-мм пленке. Все цифровые форматы теперь предусматривают усиление на 10 дБ для канала субвуфера.

Многоканальное кино богато разнообразием и инновациями. В статье делается попытка дать правильное описание различных систем, используемых в настоящее время. Благодаря нескончаемым поискам кинопроизводителей получить интересные, незабываемые диалоги, музыку и эффекты, можно ожидать, что многоканальное кино продолжит интенсивно развиваться и станет еще богаче по своим художественным возможностям. Цифровое кино также не станет исключением.

Майкл Карагосян является президентом фирмы MКРЕ Consulting, занимающейся консалтингом и лицензированием технологий в области кино. Совсем недавно он принимал участие в создании и эксплуатации системы управления для сетевого аудио и звуковых систем. Имеет патент на разработку матричного декодера, разработал несколько устройств для Dolby Laboratories, а также множество линейных ИС. Он также является председателем подкомитета управления звуковыми системами комитета по стандартам (SC-10) Общества инженеров-акустиков (AES) и зарегистрированным инженером в Калифорнии. С ним можно связаться через Internet на сайте www.mkpe.com.

Благодарим журнал Sound & Video Contractor за предоставленный материал.
P.O. Box 12901, Overland Park, KS 66282-2901
www. svsonline.com