Пространственное звучание (3D-звук). Что такое трехмерный звук

Что такое объёмный звук (surround sound) и как он устроен

Большинство современных дешёвых и не очень звуковоспроизводящих устройств включая звуковые карты для персональных мультимедиа компьютеров позволяют воспроизводить звук в режиме "3D Sound" или "Suround", что можно перевести как "объёмный звук". Что же это такое и для чего это нужно?

Системы объёмного воспроизведения звука были разработаны потому, что качество звучания, реализуемое обычной стереофонической системой или головными телефонами, перестало удовлетворять взыскательных слушателей. Хотя стерео системы и создают эффект пространственного звучания за счет синтеза панорамы мнимых источников звука (МИЗ) между двумя громковорителями (рис. 1), все же стереозвучание имеет существенный недостаток. Стереопанорама получается плоской и ограничена углом между направлениями на громкоговорители.

Рисунок 1. Стереопанорама

Такое звучание в значительной степени лишено естественности, свойственной тому, что достигается в реальном звуковом поле, когда человек способен воспринимать реальные источники практически со всех направлений как в горизонтальной так и в вертикальной плоскостях и оценивать, хотя порой и с ошибками, расстояние до источников звука. Считается, что восприятие звуков с разных направлений и расстояний имеет важное значение не только как факт их пространственного расположения. Оно создаёт у слушателя ощущение звучащего объёма (трёхмерного звукового поля), существенно обогащает тембры музыкальных инструментов и голосов, восстанавливая реверберационный процесс, свойственный первичному помещению (концерному залу). Обычная стереофония создаёт эффект пространственного звучания в очень ограниченной области перед слушателем, не позволяет в полной мере выявить названные особенности восприятия звуков в реальном звуковом поле и, следовательно, снижает качество звучания.

Квадрофонические системы также не обеспечивают полную имитацию реального звукового поля. Во-первых, при квадрофонии не получается круговая стереопанорама - слушатель ощущает обычную стереопанораму перед собой и заднюю стереопанораму сзади себя. Во-вторых, все мнимые источники звука располагаются в одной плоскости и на линии между динамиками, т.е. нет глубины и нет, собственно, 3-го измерения и трёхмерного объемного звучания (рис. 2).

Рисунок 2. Квадропанорама

Головные стерео телефоны также не позволяют получить естественное звучание воспроизводимой фонограммы. Дело в том, что возникающее при этом впечатление бесконечной ширины стереобазы и четкая локализация звукового изображения внутри головы слушателя не могут удовлетворить требовательных меломанов. Для устранения эффекта локализации звука внутри головы применяются схемы подобные приведенной на рис. 3.

Рисунок 3. Блок схема устройства создания объемного звука для стереотелефонов

Здесь сигналы левого и правого каналов через входные устройства А1 и А2 поступают соответственно на делители напряжения А3 и А6 и на входы перекрестных каналов, состоящих из линий задержки (ЛЗ) А4, А5, согласующих устройств А8, А9 и фильтров нижних частот (ФНЧ) Z1, Z2. С делителей А3, А6 сигналы подаются на корректоры АЧХ А7 и А10 и далее - на один из входов сумматоров, а с них - на входы усилителей мощности для стереотелефонов. Таким образом, на выходе каждого канала формируется сигнал, состоящий из ослабленного и скорректированного сигнала своего канала и задержанного и соответствующим образом скорректированного сигнала другого канала.

Подобными устройствами, выполненными в виде приставок или встроенных устройств, в настоящее время оснащены многие музыкальные центры. Интересно, что такие устройства могут быть реализованы и чисто программными методами с использованием цифровой обработки сигналов в реальном времени. Читатели, имеющие персональный компьютер с фулдуплексной звуковой картой (к сожалению, программа плохо работает с картами производства сингапурской фирмы Creative Labs.), могут скачать одну из подобных программ здесь. Программа, кроме того, позволяет добавить эффекты реверберации для маленького, среднего и большого помещения, эхо, хорус, флэнжер и имеет довольно неплохой эквалайзер, значительно улучшающий воспроизведение низких (20...60 Гц) частот через стереотелефоны среднего класса качества. Все эффекты работают в реальном времени даже на очень дешевых звуковых картах без DSP процессоров, например на OPTi-931 или Acer S23.

Наиболее совершенный метод имитации реального трёхмерного звукового поля это бинауральная передача звука. Бинауральный метод состоит в том, что звуковая информация воспринимается микрофонами, размещёнными в ушных раковинах человека или?искусственной головы? - модели, симулирующей слуховое восприятие человека. Сигналы, поступающие с каждого микрофона, усиливаются раздельными усилителями низкой частоты и воспроизводятся стереотелефонами. В идеале такая система позволяет создать полную иллюзию естественного звучания.

Она как бы переносит слушателя из помещения прослушивания в помещение, откуда ведётся передача. Однако полноценно прослушивать её можно только с помощью стереотелефонов и при условии что в качестве образца для создания искусственной головы использовалась именно ваша голова. Читатели могут прослушать бинауральные демонстрационные звуковые WAV файлы, скачав их через Интернет с серверов

www.geocities.com/SiliconValley/Pines/7899

При воспроизведении бинаурального сигнала через звуковые колонки из-за попадания сигнала правого канала в левое ухо слушателя и наоборот возникают перекрёстные искажения, в конечном счёте сводящие на нет все преимущества бинаурального звуковоспроизведения. Указанные недостатки в значительной мере удаётся устранить с помощью специального устройства обработки звуковых сигналов, позволяющего получить бинауральный эффект при прослушивании бинауральной записи через колонки. Такие устройства получили название бифонических процессоров. Запись производится с микрофонов, расположенных в искусственной голове, а воспроизводится после обработки бифоническим процессором, в котором точно рассчитанная величина сфазированного, задержанного и скорректированного по частоте сигнала левого канала вычитается из сигнала правого канала и наоборот. Структурная схема бифонического процессора, впервые разработанного фирмой JVC, показана на рис. 4.

Рисунок 4. Блок-схема бинаурального процессора

Он состоит из усилителей сигналов левого и правого каналов А1, А2, усиливающих сигналы с микрофонов, установленных в искусственной голове А0, линий задержки D1, D2, фазовращающих устройств U1, U2 и сумматоров Е1, Е2. После обработки бифоническим процессором сигналы, приходящие из колонок в уши слушателя суммируются так, что левое ухо слышит только сигналы левого канала, а правое - правого канала. Таким образом, можно сказать, что бифонический эффект подобен бинауральному и отличается от него только способом воспроизведения бинауральной записи.

И хотя площадь, где он отчётливо проявляется, невелика, зато, находясь в её пределах, слушатель может иметь представление о расстоянии до источников звука и их взаимном расположении в пространстве в момент записи, чего не удаётся достигнуть при стереофоническом звуковоспроизведении, дающем представление только о расположении источников звука на линии между звуковыми колонками. Другое интересное свойство бифонического процессора - это возможность расширения с его помощью стереобазы обычных стереофонических записей. Именно это обычно и имеется ввиду под "3DSound". А если сиcтема позволяет увеличить мнимый угол между направлениями на звуковые колонки (Рис.1) до 180 градусов, то такую систему называют "Suround" и создаваемая звуковая панорама для неё будет такой же как при прослушивании на стереотелефоны, но без концентрации мнимых источников звука внутри головы слушателя. Конечно, бифонический процессор может быть реализован чисто программными методами с использованием методов цифровой обработки сигналов в реальном времени.

У вас есть телевизор, Blu-ray плеер, игровая консоль, но для финальной картины вам не хватает оглушающе объемного звука. Имеет смысл приобрести ресивер, так как подвод всех кабелей может стать сложной задачей, особенно в сравнении с подключением DVD-плеера к вашему телевизору. И это не упоминая о том, что все должно быть размещено правильно, а уровни – корректно установлены. Начните с Шага 1, указанного ниже, для правильной установки в первый раз, и вы сможете вернуться к наслаждению тем, что любите.

Шаги

Часть 1

Расположение динамиков

Количество динамиков, которые вы будете подключать, определяет тип объемного звука, который вы получите в итоге. Самые распространенные схемы: 2.1, 5.1 и 7.1. 2.1 –это два фронтальных динамика и сабвуфер (обозначаемый как.1). 5.1 – это два фронтальных динамика, центральный и два динамика объемного звука и сабвуфер. 7.1 –это два фронтальных, один центральный, два динамика объемного звука, два тыловых и сабвуфер. Следуйте следующим пунктам до правильного расположения доступных вам динамиков.

Часть 2

=Сабвуфер

Часть 3

=Фронтальные динамики

Расположите фронтальные динамики с обеих сторон от телевизора. Убедитесь в том, что динамики расположены в соответствующих местах, если они маркированы.Фронтальный динамики должны быть расположены на одинаковом расстоянии от телевизора: обычно это расстояние составляет около метра.

Выберите угол расположения динамиков. Каждый динамик должен быть направлен точно в направлении центра зоны размещения слушателя.

Поднимите динамики. Для наилучшего качества звука фронтальные динамики должны быть подняты на уровень ушей слушателя. Вы можете использовать стойки для динамиков для домашней стереосистемы.

• Если вы используете систему типа 2.1, то вы закончили с установкой динамиков и можете перейти к секции Подключение Динамиков.

Часть 4

=Центральный канал

Часть 5

=Канал объемного звука

Часть 6

=Задний канал

Часть 7

Подключение динамиков

1. Разместите ресивер у своего телевизора. Все системы объемного звука проходят через ресивер. Ресивер передает входящий сигнал и посылает аудиосигнал на все присоединенные динамики. Ресивер должен быть расположен возле вашего телевизора, чтобы к нему могли дотянуться кабеля, и вам необходимо пространство вокруг него, чтобы он мог должным образом вентилироваться.

   Выключите всю аппаратуру. При установке динамиков существует возможность удара электротоком. Чтобы быть в безопасности, выключите все и отсоедините от розеток.

   Обследуйте подключение ваших динамиков. Некоторые системы объемного звука имеют порты для каждого динамика, так что вы можете правильно подключить все штекеры. Другие используют соединители для подключения проводов к ресиверу. Если ваша система использует соединители, то вам понадобятся кусачки для провода, которыми можно обнажить контакты от защитной оболочки.

   Начните пропускать кабели. Сделайте все возможное для того, чтобы спрятать проведенные провода. Это не только будет выглядеть лучше, но и обезопасит людей и животных от запутывания в них и повреждения ваших динамиков.

   • Если вы можете, то пропустите провода под ковром или через стены. Это позволит вам добиться наиболее презентабельного внешнего вида вашей системы.

2. Соедините динамики. Если кабеля ваших динамиков уже имеют разъемы, то просто подключите их в соответствующие порты на задней панели ресивера. Если вы используете стандартные кабели для соединения динамиков с ресивером, вам нужно будет пройти через несколько дополнительных шагов.

   • Отмерьте длину ваших кабелей. Отмерьте нужную вам длину кабеля от катушки. Отмерьте немного большую длину кабеля, чем вы отмерили, чтобы обеспечить себе зазор для того, чтобы спрятать провод и без проблем подключить его.
   • Оголите один конец. Используйте кусачки, чтобы оголить два сантиметра изоляции с кабеля. Вы увидите две раздельных жилы. Убедитесь в том, что вы не сняли слишком много изоляции с провода, иначе вы можете коснуться его или вызвать короткое замыкание.
   • Провода, соединяющие динамики, состоят из двух различных кабелей: положительный и отрицательный. Оба они абсолютно одинаковы, но должны быть присоединены к динамикам и ресиверу. Для примера, если вы подсоедините один из двух проводов к положительно заряженной клемме динамика, то вам необходимо присоединить тот же провод к положительной клемме ресивера.

3. Присоедините сабвуфер. Большинство сабвуферов присоединяются к ресиверу посредством стандартного RCA-кабеля. Вы можете приобрести дорогие кабели для сабвуфера, но в большинстве случаев вы не услышите разницы в сравнении со стандартным кабелем.

   • Порты на ресивере обычно обозначены как "sub out" или "sub preout".
   • Если ваш сабвуфер не имеет множества входов, присоедините только один, отмеченный как "LFE in" или крайний левый, если обозначений на нем нет.
   • Используя ручки на задней части сабвуфера, установите громкость на половину и выключите фильтр низких частот переводом ручки в верхнее положение.

Часть 8

Подключение вашего оборудования

Постарайтесь избежать установки ваших устройств (DVD-плеера, спутникового ресивера, и.т.д.) одного над другим. Это может привлечь к тому, что все они будут генерировать слишком большую температуру, что может привести к поломке оборудования. Также отметьте, что некоторые старые устройства могут использовать оптическое соединение для передачи объемного звука, в то время как все современные устройства используют протокол подключения HDMI.

1. Подключите все HDMI-устройства к ресиверу. Большинство современных ресиверов поддерживает вход и выход по протоколу HDMI, что позволяет вам подключать HDMI-совместимые устройства к ресиверу, а затем подключите ресивер к телевизору.

   • Если доступно возможность подключить множество HDMI, то подключайте устройства в том порядке, в котором вы хотите чтобы они отображались в меню ресивера.
   • HDMI передает аудио и видеосигнал, поэтому нет необходимости подключать другие кабели.

2. Если вы используете старое оборудование,не поддерживающее HDMI, вы можете присоединить его через компонентный кабель. Это кабели с пятью разъемами: три для видео и два для аудио.

   • Подключите три видео разъема соответствующих цветов в устройство, которое вы хотите подключить.
   • Подключите два аудио разъема соответствующих цветов. Убедитесь в том, что они также подключены и к видео выходу, так как в противном случае звук не будет идти вместе с видео.

3. Присоедините все компонентные устройства. Существуют также старейшие модификации, использующиеся до сих пор: три композитных разъема с одним разъема с одним штекером для видео и двумя для аудио. Это соединение передает сигнал самого низкого качества из тех, которые поддерживают системы объемного звука.

   • Присоедините желтый (видео) штекер к одному из доступных совпадающих входов, а затем присоедините аудио кабеля к соответствующим аудио выходов.

4. Подключите телевизор к ресиверу. Для получения наилучшего результата используйте HDMI соединение для присоединения телевизора кс выходным портом ресивера. Вы можете использовать и другие типы соединения, но в результате вы получите более низкое качество. Большинство современных телевизоров поддерживают HDMI.

Совсем недавно можно было наблюдать, как в мир коммерческих и домашних кинотеатров пришло стереокино, а сейчас на очереди уже стоит видео сверхвысокого разрешения 4K. От изображения не отстает и звук: в домашний кинотеатр пришло 3D Audio, полное звуковое окружение зрителя — не только в горизонтальной плоскости, но и в третьем измерении. В английском языке для этого применяется термин immersive, «погружающий».

Глас божий и другие аудиоканалы

Формат Auro-3D был представлен в мае 2006 года бельгийской компанией Galaxy Studios. Первым массовым фильмом, записанным в данном формате, стала лента Red Tails («Красные хвосты»), снятая в 2012 году Джорджем Лукасом. Принципиальное отличие Auro-3D от преобладавших на тот момент форматов Dolby Surround EX и DTS заключалось в том, что кроме традиционных каналов 7.1, расположенных в одной плоскости, разработчики предложили использовать третье измерение — то есть разместить акустические системы (АС) не просто вокруг слушателя, но и сверху, вторым «слоем», под углом в 30 градусов к фронтальным акустическим системам и каналам окружающего звучания.

Дальнейшее усовершенствование формата привело к появлению еще одного «слоя» — над головами слушателей, который символично назвали voice of god («глас божий»). Максимальное количество каналов (не стоит путать с количеством акустических систем) при этом достигло 13.1, то есть фактически стало в два раза больше, чем в применяемых тогда форматах 7.1 и 6.1. Внедрение верхних каналов позволило более точно передать ряд событий в звуковой дорожке фильма, таких как пролеты объектов над зрителями (шум вертолета или реактивного истребителя), атмосферные эффекты (завывание ветра, раскаты грома).

Если потолок расположен слишком низко, акустика будет слишком близко к зрителю. В этом случае Dolby рекомендует использовать специальные акустические системы, работающие «на отражение» от потолка — по утверждению компании, результат будет более качественным.

Объектный подход

Старейший игрок на рынке кинотеатрального звука, компания Dolby Laboratories, использует в своем новом формате Dolby Atmos два «слоя» акустических систем. Первый располагается вокруг слушателя по классической схеме, а второй на потолке — попарно слева и справа. Но самое главное — принципиально новый подход к микшированию саундтреков. Вместо привычного поканального сведения в студии используется метод «объектной» записи. Режиссер работает со звуковыми файлами, указывая место в трехмерном пространстве, откуда эти звуки должны воспроизводиться, когда и с какой громкостью. К примеру, если необходимо воспроизвести шум движущейся машины, то режиссер указывает время появления, уровень громкости, траекторию движения, место и время прекращения звучания «объекта».

Более того, из студии в кинозал звук попадает не в виде записанных дорожек, а как набор звуковых файлов. Эта информация обрабатывается процессором, который в реальном времени каждый раз просчитывает саундтрек фильма с учетом количества АС в зале, их типа и расположения. Благодаря точной калибровке нет привязки к какому-то «типовому» количеству каналов, и можно использовать в разных залах разное количество АС (каждый зал калибруется и настраивается индивидуально) — процессор сам просчитает, как и куда нужно отправить звук для получения оптимальной звуковой панорамы. Максимальное количество одновременно обрабатываемых звуковых «объектов» составляет 128, а количество одновременно поддерживаемых независимых АС — до 64.

Формат Dolby Atmos не привязан к конкретному количеству аудиоканалов. Звуковая картина формируется процессором в реальном времени из «объектов» и по «программе», составленной звукорежиссером фильма. При этом процессор учитывает точное расположение акустических систем, их тип и количество — все это заранее прописывается в настройках при калибровке каждого конкретного зала. Правда, как такой подход реализовать в домашнем кинотеатре, пока не совсем понятно.

Профессионалы и любители

Вслед за появлением в коммерческих кинозалах оба формата трехмерного звука начали завоевание домашнего рынка. Auro-3D стартовал чуть раньше, несколько производителей домашней электроники представили первые процессоры и ресивер с поддержкой формата еще в начале 2014 года. Dolby Laboratories не заставила себя долго ждать, и в середине сентября прошлого года представила весьма доступные решения на базе недорогих ресиверов. Кроме того, в начале 2015 года еще один крупный игрок, американская компания DTS, анонсировала свой формат трехмерного звучания — DTS: X (о котором известно пока только то, что он, как и Dolby Atmos, является объект-но-ориентированным и будет поддержан многими производителями бытовой электроники).

Между тем, коммерческое и домашнее кино в некоторых аспектах имеют серьезные отличия. Бобины с кинопленкой ушли в далекое прошлое, и в кинопрокате в настоящее время практически повсеместно используются цифровые копии фильмов. Саундтрек к фильму «выходит» из сервера в виде потока цифрового аудио с высоким битрейтом и практически без сжатия. Серверы, на которых хранятся фильмы, могут передавать до 16 цифровых каналов таких данных параллельно.

Самый популярный носитель для домашнего кино — Blu-ray диск. Как правило, он содержит саундтрек, записанный в одном из двух самых популярных форматов — DTS HD Master Audio или Dolby True HD. Встречаются и диски, записанные с использованием старых кодеков DTS и Dolby Digital со звуком 2.1 (лево-право и LFE). Если дорожка к фильму изначально была записана в студии в формате 5.1 или 7.1, перенести ее на диск довольно просто, отличие лишь в дополнительной компрессии данных, связанной с ограниченной емкостью цифрового носителя. А как же будут адаптироваться новые форматы Auro-3D и Dolby Atmos при переносе их из профессионального кино в домашний кинозал?

Путь домой

Для Auro-3D перенос будет практически «бесшовным». Если фильм изначально записан в студии в формате 13.1 или 11.1, ровно с таким же количеством каналов он и будет переноситься на диски Blu-ray. Для обратной совместимости в Auro-3D используется специальный алгоритм, который умеет «дописывать» верхние каналы в кодек DTS HD MA, официально поддерживающий максимум 7.1 каналов — например, в левый канал инкапсулируется информация для верхнего левого канала, в центральный — для верхнего центрального и т. д. Если в ресивере или процессоре есть поддержка декодирования кодека Auro-3D, то он «вынет» вложенную информацию и подаст ее на соответствующие каналы. Если нет — просто декодирует данные как обычную дорожку 7.1, пропустив «лишнюю» информацию. Таким образом, диск с фильмом в формате Auro-3D в любом случае будет корректно прочитан любым современным плеером и распознан любым из процессоров или ресиверов, поддерживающих DTS HD MA. А если процессор или ресивер обладает встроенным декодером Auro-3D, то на выходе можно получить саундтрек из 9.1, 11.1 или даже 13.1 каналов. Существует и возможность «апмиксинга» (upmixing) — процессор, умеющий работать с Auro-3D, может пересчитать даже обычную двухканальную стереозапись, скажем, в 13.1.

В Auro-3D используется трехслойное расположение акустических систем и более традиционный подход с многоканальной записью звука. Это обеспечивает отличную обратную совместимость стандарта с текущими форматами и переносимость на домашние системы.

Ситуация с Dolby Atmos в домашнем кинотеатре намного более сложная: процессор в реальном времени обсчитывает довольно большой поток данных и выдает звук на соответствующие акустические каналы (с учетом того, сколько их в конкретной инсталляции). На текущий момент спецификациями Dolby Atmos для домашнего применения предлагается использовать конфигурации АС от 5.1.2 до 7.1.4, где первая цифра — это количество «обычных» каналов: левый-центр-правый-боковые-тылы, вторая — это канал низкочастотных эффектов, а третья — так называемые «верхние» каналы (overhead). При этом единственный процессор для коммерческого применения (Dolby CP850) стоит более миллиона рублей, а стоимость домашних ресиверов с поддержкой Atmos начинается всего от 30−40 тысяч. Тем не менее даже для самых доступных по цене домашних ресиверов заявлены и декодирование, и поддержка «апмиксинга», хотя как именно это сделано, не совсем понятно.

Еще один не очень ясный момент заключается в том, что для правильного обсчета звукового поля необходимо знать точное местоположение всех акустических систем. В коммерческом кинотеатре этот вопрос решается калибровкой аппаратуры, а вот в домашних ресиверах, насколько известно, такой возможности не предусмотрено. Как в таком случае решается вопрос о получении дома полноценного звучания Atmos «как в кино», пока неясно. Правда, формат пока еще не обрел окончательные черты. Несколько производителей процессоров премиум-класса даже отложили выпуск обновлений с поддержкой Dolby Atmos из-за изменений в алгоритме обработки сигнала, вносимых, по их словам, разработчиками Dolby. Так что можно предположить, что в последующих обновлениях Dolby может внести коррективы в процесс обработки звука и/или калибровки системы под конкретное расположение акустических систем.

Вопросы совместимости

Поскольку Auro-3D использует традиционный метод поканального сведения, а Dolby и DTS — объектно-ориентированный монтаж звука, переконвертировать один формат в другой невозможно. Кроме того, построить домашний кинотеатр, умеющий правильно работать со всеми форматами, тоже непросто. Проблема совместимости заключается в различных требованиях к установке акустических систем. В Dolby Atmos используется два «слоя» акустики, а в Auro-3D — три. Можно было бы предположить, что саундтрек Dolby Atmos может быть воспроизведен через часть АС для проигрывания Auro-3D, но вряд ли это будет корректно. Требования для расположения АС весьма жесткие у обоих форматов, а учитывая чувствительность к точному позиционированию для получения плавных переходов, это может стать проблемой для проектировщиков и инсталляторов домашних кинозалов (информации по расположению акустики DTS: X пока нет).

Перспективы

Несмотря на все неясности описания Dolby Atmos, нужно признать, что этот формат имеет больший потенциал, чем Auro-3D. Во‑первых, объектно-ориентированный подход к записи однозначно более перспективен, чем традиционный поканальный. Во вторых, поддержка Dolby Atmos в массовых моделях AV-ресиверов таких фирм, как Yamaha, Pioneer, Onkyo, Integra, Denon, доступна «в базе», в то время как лицензию на Auro3D придется покупать как опциональное программное обновление за $199, что ощутимо для бюджетных моделей.

В более дорогом сегменте процессоров для построения домашних кинозалов о поддержке всех форматов 3D Audio заявили и такие производители, как Trinnov Audio и Datasat Digital, работающие в том числе и на коммерческом кинорынке. Их опыт может весьма благотворно сказаться на реализации Dolby Atmos для домашнего кинотеатра: например, Trinnov для калибровки своих процессоров использует уникальный трехмерный микрофон, позволяющий точно определить место каждой АС в пространстве и применять эти данные для дополнительной коррекции звукового поля.

Редакция благодарит журнал avreport.ru за помощь в подготовке статьи.

Термин «3D-звук» использовался настолько часто в разной технике, что сейчас уже сложно понять, что же именно он означает. Это может быть и простой алгоритм расширения стереобазы, и, например, бинауральная запись для наушников. Поэтому компания Auro особо подчеркивает, что в ее понимании 3D-звук - это звук в трех измерениях, когда схема расстановки колонок ведется по трем перпендикулярным осям (x, y, z), а запись и сведение делаются исходя из такой расстановки системы. О том, что творится внутри Auro-дорожек и почему бельгийская компания решила отвоевать себе рынок у Dolby Atmos и DTS:X, и пойдет речь.

История

Все началось с телефонного звонка в марте 2005 года. Немецкий продюсер Том Хапке загорелся идеей сделать микс в аудиоформате 2+2+2 и предложил заняться этим Вильфриду ван Балену (Wilfried Van Baelen), главе бельгийской студии Galaxy. Вильфрид поначалу отнесся к идее скептически: эта конфигурация предполагала квадрофоническую схему с двумя дополнительными каналами, установленными повыше фронтальных, и казалась оправданной в озвучке фильмов, но в чем же выиграет музыка от двух дополнительных фронтальных каналов, он не понимал. Пока не послушал классику в таком формате.

Звук оказался глубже, прозрачнее, объемнее, чем в «плоскостной» конфигурации 5.1, и побудил Вильфрида на эксперименты. Так как альбом необходимо было записать в форматах 2+2+2, 5.1 и 2.0, он взял за отправную точку схему 5.1 и добавил к ней пару фронтальных каналов, однако после ощутил дисбаланс: за фронтальную полусферу отвечали 6 каналов, в то время как за тыловую - всего 2. Его решение было простым - добавить еще больше каналов, и так тылы тоже обзавелись дополнительной парой спикеров, расположенных чуть выше. Конфигурация доросла до формата 9.1, но при этом не утратила обратной совместимости с форматом 5.1.

По словам Вильфрида, то, что он испытал, было сравнимо с его первым знакомством с квадрофоническим звуком. Колонки действительно исчезли, появилось ощущение присутствия на месте, где производилась запись.

Этот эксперимент и положил начало пятилетней истории разработки формата Auro 3D.

От уха до мозга

Вильфрид стал изучать принципы работы слухового аппарата, чтобы понять, почему же от добавления дополнительного звукового измерения у него настолько сильно изменилось восприятие звука и откуда возникло это ощущение погружения. В итоге он узнал, что такое всеобъемлющее впечатление создает диффузное поле за спиной.

Как известно, при сведении в стерео очень часто используется прием перехода звука из одного канала в другой, создающий иллюзию перемещения источника в горизонтальной плоскости. Вильфрид, продолжая эксперименты, захотел добиться похожего эффекта в вертикальной плоскости, но не преуспел. Сначала он считал, что проблема в оборудовании, но все оказалось интереснее: он услышал желаемый эффект, склонив голову набок и подойдя поближе к колонкам.

Суть в том, что диаграмма направленности человеческого слуха больше тяготеет к горизонтальной плоскости, и поскольку у людей нет уха на затылке, вертикальную составляющую мы соответствующим образом обработать не можем. В локализации звука человеку помогает разница в уровне сигналов, разница во времени восприятия сигнала левым и правым ухом и отраженные сигналы. На самом деле 90% звуков, которые воспринимает человеческое ухо - трехмерные отражения исходного сигнала. И находящиеся на уровне головы колонки воспроизводят именно те сигналы, которые впоследствии отражаются от пола.

По каналам, по объектам

Формат Auro-3D, в отличие от конкурирующих Dolby Atmos и DTS:X, не объектно-ориентированный, а поканальный. Для достижения «обволакивающего звука» к двум слоям колонок - классическому и второму, расположенному под углом 30 градусов к горизонту - Вильфрид добавил третий, установленный прямо над слушателем. Этот третий слой акустики получил название «глас Бога» и добавил третье измерение в звук - высоту. Если в стандартных кинотеатральных конфигурациях, даже в Dolby Atmos и DTS:X, слушатель окружен сферическим слоем звука, то в Auro-3D его как бы обволакивает полноценная полусфера.

В объектной технологии звукозаписи каждый источник звука прописывается отдельно, а в поканальной звук распределяется между разными каналами, а потом уже суммируется вместе в колонках. Например, при записи звука оживленной проезжей части в объектно-ориентированном формате не удастся выделить сами движущиеся объекты - машины, велосипеды, людей - для дальнейшего использования, нельзя будет получить отраженный от этих объектов трехмерный звук, равно как и прямой. В поканальной системе эта проблема решена путем упрощения, и именно здесь на сцену выходит вертикальная составляющая.

Третий слой колонок в Auro 3D создает вокруг слушателя «вертикальное стереополе», причем при любой схеме расположения акустики в Auro 3D. Сам по себе третий слой не помогает в локализации - он помогает в воспроизведении пролетающих над головой вертолетов, звездолетов и погодных эффектов, но человеческий слух мало восприимчив к поступающим непосредственно сверху звукам, да и в целом оттуда, с потолка, приходит мало звуковой информации. В этом виновата эволюция: так сложилось, что чаще всего на заре человечества опасность исходила примерно с того же уровня, на котором находился человек, а не сверху, и именно поэтому мозг усиленно обрабатывал отраженные от земли звуки.

Формат Auro 3D даже в сокращенной конфигурации, с меньшим количеством аудиослоев, способен воспроизвести вертикальное позиционирование источников звука, и поэтому прекрасно адаптируется к самым разным помещениям и системам. Кроме того, Auro 3D является единственным форматом 3D-звука на рынке, поддерживающим процесс мастеринга, основанный на смешивании всех каналов, чего не умеют форматы объектной записи. Фактически Auro 3D - единственный формат на рынке для музыки в 3D. При этом в век сжатых фоматов - MP3, AAC и других - Auro 3D имеет качество 24 бит/96 кГц.

На каждом устройстве

Технология Auro-3D Engine включает в себя декодер Auro-Codec и апмиксер Auro-Matic. С помощью этих двух алгоритмов и достигается универсальность системы. Декодер распознает и декодирует нативный звук в формате Auro-3D, в то время как апмиксер использует алгоритм повышающего распределения звука из моно, стерео, 5.1 и 7.1 в Auro-3D, при наличии, конечно, необходимого количества каналов. То есть фильмы, уже записанные на Blu-ray или даже DVD, и музыку, смонтированную в стерео, можно будет оценить в новом, максимально трехмерном формате.

Традиционно технология апмикса использует изменения в эквализации спектра и добавляет алгоритмы отражений. При разработке Auro-Matic инженеры не хотели слышать лишних ревербераций или фазовых неточностей, но хотели передать звук максимально близко к тому, как его слышал и задумывал автор. И разработали алгоритмы, связанные с HRTF (Head Related Transfer Function) - технологией, которая учитывает, как человеческое ухо воспринимает звуки в естественных условиях. Обладатели iPhone и iPad могут оценить работу алгоритма, ознакомившись с приложением Beautifyer (увы, не доступен в России).

В свое время Auro-Technologies столкнулась с интересной проблемой: разработчики оборудования не стремились внедрять технологию Auro-3D из-за того, что не было соответствующего контента, а создатели контента не использовали Auro-3D формат из-за того, что его не на чем было воспроизводить. Поэтому компания решила самостоятельно выпустить ресивер, поддерживающий Auro-3D, и со временем за ней подтянулись и остальные. Сейчас помимо линейки продуктов от компании StormAudio все больше и больше производителей внедрили Auro-3D в свое AV оборудование: среди них Denon, Marantz, Steinway Lyngdorf, Macintosh, Trinnov, Theta Digital, StormAudio, ATI и Datasat.

Интерфейс настроек инсталляции Auro-3D в процессоре Trinnov Altitude 32

Помимо домашних и недомашних кинотеатров и аудиосистем Auro-3D занял место и в автомобильной промышленности. Совместно с компанией Continental разработчики создали в автомобиле уникальную встроенную систему трехмерного звука, и первые автомобили, оборудованные системой Auro-3D, увидят свет в 2017 году. Звуковое поле такого плана меняет атмосферу для водителя, позволяет ему расслабиться и почувствовать себя комфортнее, и даже, по мнению некоторых, будто бы расширяют пространство салона. Как считает Вильфрид, при прослушивании музыки в 3D наш мозг меньше напрягается, чем при обработке стереофонограммы - отсюда и дополнительный комфорт.

Автомобиль Porsche Panamera с установленной системой от Burmester, которая умеет работать с Auro-3D-звуком

Сейчас уже есть порядка 200 альбомов, записанных в формате Auro 9.1, а совсем немного - в формате 10.1, с использованием наивысшего канала. Область использования этого канала достаточно специфична - он нужен для воспроизведения именно тех звуков, которые доносятся непосредственно сверху, а в музыке расположенных над слушателем объектов обычно не бывает. Даже записи живых концертов не нуждаются в «гласе Бога», потому как в концертных залах, как правило, меньше отражений. Среди двух сотен альбомов в формате 9.1 встречаются не только классические композиции, но также и джаз, и рок, и популярные исполнители, и даже танцевальная музыка.

Также формат захватит и мобильные устройства. В сочетании с бинауральной технологией Auro-3D для мобильных устройств сможет создавать трехмерный иммерсивный звук сразу в смартфоне и передавать его в наушники: система способна как декодировать оригинальный Auro-3D контент, так и воспроизвести всю стереофонтеку, фильмы и прочие медиафайлы в звуковом формате Auro-3D при помощи апмикса.

Интерфейс программы Wwise с опциями для работы с Auro-3D-звуком

Особняком стоят видеоигры. Технология Auro-3D позволит создавать звуковые ландшафты, которые подарят игрокам совершенно иные ощущения. Компания заключила партнерство с Audio-Kinetics и внедрила формат в программу Wwise для создания звука для компьютерных игр. Версия AuroWwise поддерживает 3D-звук для интерактивных средств массовой информации и игр, сохраняя при этом все функциональные возможности. Первой игрой в формате Auro-3D станет Get Even, которая выйдет весной 2017 года. С колонками, правда, по мнению Вильфрида, такое звучание все равно не сравнится.

Сколько нужно колонок?

Для домашних кинотеатров минимальная рекомендованная конфигурация - 9.1, оптимальное решение - 11.1, а в особо крупных залах следует воспользоваться Auro 13.1. Места необходимо столько же, сколько и для оптимального размещения систем 5.1 и 7.1. Разработчики протестировали работу Auro-3D в самых разных помещениях - с высоким потолком, низким потолком, в сухой и влажной среде, и поняли, что система оказалась действительно гибкой.

Сейчас уже появился новый формат AuroMax - это гибридный, канальный и объектно-ориентированный формат, который использует конфигурацию от 20.1 до 26.1. Формат AuroMax - совместная разработка компаний Auro-Technologies, Barco и Iosono, и используется в полноценных кинотеатрах. В домашних кинотеатрах, по мнению разработчиков, необходимости в такой максимальной конфигурации нет, но слово заказчика - закон. Правда, места потребуется еще больше, чем на 13.1-канальную версию.

По мнению Вильфрида, даже миллион колонок не сможет воспроизвести окружающий нас мир натурально - наши уши слишком умны для того, чтобы их можно было так обмануть. Поэтому цель Auro-3D - не задействовать как можно больше каналов, а наоборот, добиться максимально обволакивающего звучания с наименьшим числом динамиков. Потому и не стоит пытаться уместить в небольшом кинотеатре 26.1-канальную конфигурацию - в ней просто не будет смысла, эффект от дополнительных каналов не перекроет потраченных на установку сил, нервов и денег. Лучше обойтись 11.1-канальной версией.

Для широкоформатных кинотеатров и киностудий

В 2011 году Вильфрид начал партнерство с бельгийским производителем видеооборудования Barco. Эта фирма стала использовать системы Auro-3D в своем оборудовании для кинотеатров, и в том же году впервые установила систему Auro 11.1. Первым фильмом в таком формате стала лента «Red Tails», снятая Джорджем Лукасом. Сейчас по всему миру системами Auro 11.1 by Barco и AuroMax оборудовано более 550 кинотеатров.

В России на сегодняшний день таким звуком оснащены главный премьерный кинозал «Октябрь» и 27 кинотеатров в Москве и других городах. Оборудование Auro-3D уже установлено в двух студиях - «Пифагор» и «Нева-Фильм». Всего более 100 студий по всему миру создают и дублируют фильмы в формате Auro-11.1 by Barco.

Прежде всего, формат хорош тем, что для студий и кинотеатров обходится дешевле. Официальный сайт Auro-3D указывает такие плюсы:

Отсутствие платы за лицензию

Минимальный объем усилий по распространению

Возможность использовать созданный контент в этом формате на системах Auro- 11.1 by Barco

Удобный переход от DCP к эквивалентному качеству на Blu-ray

Простота последующего преобразования

Возможность записи в формате Auro-11.1 by Barco непосредственно на съемочной площадке

Отсутствие необходимости в дополнительном мастеринге DCP и ключах

Дополнительные каналы кодируются непосредственно в мастер 5.1 (7.1)

Полная совместимость с миксом в 5.1 (7.1)

Не нужно тратить время на дополнительную перезапись в другом формате

Возможность использовать функцию «up mix» для готовых фильмов в формате стерео, 5.1, 7.1 для воспроизведения в Auro-11.1 by Barco

Где контент?

Поначалу, когда формат только зарождался, контента было мало. Но сейчас ситуация изменилась: в формате Auro-3D есть и музыка, и фильмы. Списки фильмов и музыки, а также будущих кинотеатральных релизов, опубликованы на сайте Auro-3D.

Surround - объемный звук

С тех пор, как существует звукозапись, и слушатели, и конструкторы аппаратуры испытывают неистребимое желание сделать звук, записанный и затем воспроизведенный, в максимальной степени похожим на оригинал. Чего только не делают разработчики аудиотехники для того, чтобы приблизиться к идеалу: сражаются с шумом, минимизируют искажения, расширяют частотный и динамический диапазоны элементов тракта записи-передачи-воспроизведения звукового сигнала. А кроме всего прочего они стремятся заставить звуковое поле, создаваемое акустическими системами, передавать слушателю информацию о направлении на источники звуков и об акустических свойствах того помещения, в котором производилась запись.

На первом этапе своего развития звукозапись и радиовещание были монофоническими. Звук, раздающийся из динамика, до неузнаваемости отличался от живого звука концертного зала: искаженный баланс между различными музыкальными инструментами, искаженный тембр и, главное, полностью утраченная пространственность. Это очень серьезный недостаток. Ведь слуховой анализатор человека обладает способностью к пеленгации источников звука, что помогает нам ориентироваться в пространстве. Если же все звуки исходят из одной точки - это кажется противоестественным.

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.

Формат 5.1

Обозначение "5.1" указывает на количество каналов, но не несет в себе информации о каком-либо определенном способе кодирования многоканального звука. Используется пять каналов с полным частотным диапазоном (левый передний, центральный, правый передний, левый задний и правый задний), а также один низкочастотный канал (с диапазоном от 3 до 120 Гц), подключаемый к сабвуферу (рис. 1.36).

В этой системе 5.1 формируется круговая стереопанорама. Поскольку на сверхнизких частотах наш слух практически лишен способности определять направление на источник звука, место расположения сабвуфера не имеет существенного значения.

Сабвуфер применяется и в обычных стереосистемах. В его канал подается низкочастотная часть спектра суммарного сигнала стереоканалов, в результате чего обеспечивается гарантированное воспроизведение басовых звуков. Однако в системе 5.1 канал низкочастотных эффектов играет особую роль. Его стоит рассматривать не как низкочастотную компоненту многополосной акустической системы, а именно как независимый канал низкочастотных эффектов.

При записи на магнитофон для большинства систем 5.1 принят следующий порядок каналов (начиная с первой дорожки): левый передний, центральный, правый передний, левый задний, правый задний и низкочастотный каналы. В ряде случаев (например, в многоканальных звуковых картах) предусмотрен и другой порядок: левый передний, правый передний, левый задний, правый задний, центральный, низкочастотный.

По мнению специалистов, формат 5.1 является наиболее перспективным, поскольку поддерживается основными разработчиками. Важно, что имеются подходящие носители (DVD).

Рис. 1.36. Размещение излучателей звука в системе 5.1:

И хотя пока не принят единый стандарт и одновременно существует несколько систем кодирования для 5.1, однако фиаско "первобытной" квадрофонии вряд ли повторится, даже если "выживет" не одна, а несколько различных систем кодирования. Принципиальное отличие формата 5.1 от квадрофонии тридцатилетней давности заключается в том, что в данном случае аудиосигнал имеет цифровую форму, поэтому создание универсального декодера, способного работать со звуком, закодированным различными системами, не вызовет особых трудностей и не приведет к заметному удорожанию аппаратуры.

В успехе формата 5.1 заинтересованы производители аудио-, видеоаппаратуры, компьютеров, компьютерных комплектующих и программ. К нему с интересом относятся потребители: зрители, слушатели, геймеры. Звукорежиссеры и музыканты находят в этом формате новые выразительные средства для реализации творческих замыслов и усиления влияния на наши эмоции. Формат действительно придает воспроизводимому звуку новое качество: слушатель окружен им. Правда, виртуальный звуковой мир и в этом случае не дотягивает до реального. В синтезированном звуковом пространстве источник звука может находиться справа, слева, спереди, сзади, перемещаясь в этих "координатах". А у настоящего звукового пространства, кроме того, есть еще "верх" и "низ".

Особенности оборудования студии формата 5.1

Сейчас мы поговорим только об основных элементах звуковой студии, к которым в первую очередь следует отнести:

• микшер;
• устройство многоканальной записи;
• приборы обработки и эффектов;
• мониторы для прослушивания фонограмм.

Основным инструментом сведения многоканального звука является микшер, снабженный средствами панорамирования.

В стереоформате для размещения кажущегося источника звука в определенном месте предназначен регулятор панорамы. Им вы устанавливаете относительные уровни звуковых сигналов, которые подаются в каждый из двух каналов, и тем самым определяете положение источника звука между двумя акустическими системами. При работе с многоканальным звуком вам надо управлять аналогичным процессом в 5 каналах, кроме того, конечно, требуется также регулировать и канал сабвуфера. Поэтому при использовании традиционного микшера для позиционирования одного источника звука необходимо манипулировать несколькими регуляторами. Заметим, что состояние фейдеров, управляющих уровнем сигнала, и регуляторов панорамы в каждом канале трудно сопоставить с положением кажущегося источника звука на круговой панораме. Еще сложнее заставить звук перемещаться по заданной траектории. Это возможно только в микшерах с автоматизацией. В качестве регулятора круговой панорамы в микшере, предназначенном для работы с многоканальным звуком, очень подошел бы джойстик.

Ко всему прочему, микшер, способный работать с объемным звуком, должен иметь не один, а несколько выходов (по числу каналов). Например, в системе 5.1 у микшера должно быть не менее 6 выходов. Оборудование стереофонической студии звукозаписи стоит недешево, а уж о цене студии формата 5.1 и подумать страшно!

Дороговаты также и устройства записи многоканального звука. Они должны иметь 6 и более каналов. Причем крайне желательно, чтобы звук в них представлялся не менее чем 24 разрядами.

Микшеры и цифровые магнитофоны - устройства, многоканальные по своей сути. Поэтому некоторые из моделей, предназначенных для работы со стереозвуком, можно с большим или меньшим удобством применять и в студии формата 5.1. А вот с эквалайзерами, приборами динамической обработки и особенно эффектами дело обстоит сложнее. Конечно, можно обеспечить 6 каналов, собрав "батарею" из 3-х двухканальных приборов. Однако об осмысленной регулировке параметров в этом случае говорить не приходится. Вообразите себе, например, трудности создания в многоканальной системе реалистичной реверберации.

Достойной заменой цифровым магнитофонам и аппаратным микшерам могут служить программные мультитрековые студии и имеющиеся в составе некоторых из них виртуальные микшеры, позволяющие управлять панорамированием с помощью обычной мыши. Удобный в работе и наглядно отображающий положение источника звука на круговой панораме surround-микшер имеется в программе Cubase SX (см. главу 5).

Не всякий владелец домашней студии стереофонического формата может позволить себе иметь мониторную акустическую стереосистему. Однако в случае сведения в стерео приемлемым выходом из положения являются относительно дешевые мониторные наушники. А в формате 5.1 стереонаушники вас не спасут. Без пяти широкополосных акустических систем (а также сабвуфера) не обойтись.

При работе со стереозвуком основными требованиями к мониторам являются: равномерность их частотной характеристики, низкий уровень искажений и полная идентичность двух акустических систем.

Аналогичные требования можно было бы предъявить и к пяти широкополосным мониторам формата 5.1. Они вроде бы тоже должны быть абсолютно одинаковыми. Но в таком случае сведение в круговую панораму вы будете осуществлять в условиях, отличающихся от тех, в которых будут находиться многие слушатели вашей композиции. Дело в том, что у большинства владельцев домашних театров тыловые акустические системы не только по мощности слабее фронтальных, но, кроме того, они могут иметь конструктивное исполнение другого типа. В свою очередь, центральная акустическая система зачастую отличается от крайних передних. Получается, что впечатление слушателя может не совпадать с тем, которое замышляли вы.

Заметим, что подобная проблема существует и при работе со стереозвуком: сведение осуществляется на студийных мониторах, а воспроизведение - на самой различной акустике, начиная от высококачественных колонок и кончая динамиками переносного кассетного магнитофона. Правда, в процессе мастеринга фонограммы должны проходить тест на совместимость с оборудованием низкого качества, да и одной из основных задач этого этапа является адаптация записи к конкретному типу носителя.

Что касается канала низкочастотных эффектов системы 5.1, то при сведении музыкальной композиции сабвуфер вообще не должен использоваться, если по художественному замыслу в музыкальной композиции не присутствует эффект типа взрыва, выстрела из пушки и т. п.

Но опыт прошлых лет, когда царствовал формат CD-audio, показывает, что всякие официальные рекомендации по использованию формата выполняются только на первых порах. Постепенно звукорежиссеры и продюсеры в своих творческих замыслах становятся смелее и пересекают ту черту, которая называется "официальными рекомендациями". Как нам подсказывает интуиция, в конечном итоге низкочастотный канал системы 5.1 будет использоваться "на полную катушку": там, где это нужно и где не нужно. Например, сама собою напрашивается идея задействовать низкочастотный канал для усиления ударов басового барабана в танцевальной музыке.

Как организовать мониторинг при сведении многоканального звука? Об этом идут споры. Однако большинство специалистов рекомендует использовать одинаковую акустику, не внося поправку на несовершенство домашних систем. Мониторы следует располагать на равном расстоянии от слушателя, в частности, три фронтальных монитора должны образовать дугу, а не прямую линию. Если это невозможно, то следует соответственно снизить громкость центрального монитора.

А как в идеале должны располагаться мониторы системы 5.1? Представьте себе, что вы находитесь в центре системы 5.1. Центральный монитор должен располагаться перед вами. Воображаемая линия между вами и центральным монитором является осью, относительно которой будет определяться расположение остальных мониторов. Левый и правый фронтальные каналы располагаются под углами -30° и 30° относительно этой оси. Таким образом, угол "левый монитор-вы-правый монитор" составляет 60°. В случае необходимости этот угол может быть уменьшен до 50° - 45°. Сабвуфер тоже должен располагаться где-нибудь перед вами. Тыловые мониторы должны располагаться под углами -110° (левый тыловой) и 110° (правый тыловой). В идеале все мониторы должны быть равноудалены от вас и откалиброваны таким образом, чтобы при подаче сигналов одинакового уровня на разные мониторы вы слышали их с одинаковой громкостью. Высота размещения мониторов - на уровне вашей головы или немного выше.

Особенности сведения в круговую панораму

Серьезно занимаясь проблемой обработки звука, мы на протяжении многих лет внимательно следим за публикациями, имеющими отношение к этой теме. Поэтому можем уверенно констатировать, что работ, посвященных вопросам технологии сведения в стерео, не так уж и много. А вот статей, содержащих конкретные рекомендации по созданию многоканальных записей, практически нет совсем. Видимо, это можно объяснить тем, что проблема нова, отсутствует необходимый опыт, нет сложившихся традиций. Во всяком случае, самостоятельные музыкальные произведения, сведенные в круговую панораму, еще не стали массовым явлением. Многоканальный звук, в основном, существует как дополнение к видеоизображению. Ясно, что подходы к панорамированию звука для саундтрека кинофильма и звука музыкальной композиции должны отличаться. При сопровождении видео требуется размещать основной звук спереди, так как именно на экране перед зрителем происходит действие. Задние каналы используются для придания звуку объема и реализации специальных эффектов. Конечно, при работе с surround-музыкой можно ориентироваться на наработки, имеющиеся в области создания звука для современной кинопродукции. То есть можно поместить основной звук спереди, слегка окружая слушателя, а тыловые каналы использовать для воссоздания акустики окружающей среды и перемещения второстепенных источников звука. И все же, если речь идет о музыкальном произведении, которое создается без расчета на увязку с видеосюжетом, то автор может пользоваться полной свободой в применении новых выразительных средств, заложенных в собственно круговой панораме. Например, вы можете "посадить" слушателя среди исполнителей, передвигать вокруг него все звуковое поле или отдельные источники звука, перемещать их в "глубину" панорамы.

Правда, спецэффекты панорамирования лучше использовать в меру. Например, вряд ли есть смысл конструировать виртуальный рояль, клавиатура которого, судя по звучанию, выглядит окружностью, охватывающей слушателя. Звуки ударных, помещенных в тыловые каналы, и особенно внезапные громкие звуки, раздающиеся сзади, вполне1 могут стать причиной, по которой ваше песня не станет хитом. Мало кому может понравиться, если придется то и дело рефлекторно оборачиваться или подскакивать от испуга.

При подготовке стереофонических записей мы вынуждены сознательно ограничивать себя в использовании возможностей стереопанорамы применительно к некоторым музыкальным инструментам. Причем ограничения продиктованы не только художественными, но и техническими соображениями. Например, совершенно нет смысла смещать бас с центра стереопанорамы. Во-первых, потому, что все равно в области низких частот стереоэффект проявляется очень слабо. Во-вторых, если бас панорамировать влево или вправо, то мощность одной из акустических систем не будет использоваться в полной мере. А это уже серьезный недостаток, так как на низкочастотную область спектра всегда приходится заметная доля общей мощности звукового сигнала.

Аналогичные проблемы имеются и в системах 5.1, хотя задачу формирования низкочастотных звуков здесь решает сабвуфер. Одна из таких проблем - использование центрального канала. В кино он предназначен для привязки доминирующих звуков к изображению, чтобы зрители, сидящие не по центру, воспринимали эти звуки, исходящими с экрана. В музыке те звуки, которые в стерео обычно направляются в левый и правый каналы равномерно (основной вокал, бас, часть барабанов), лучше распределять между центральным и фронтальными каналами. Это позволит избежать перегрузки центрального канала. Кроме того, различимость звуков увеличивается, если одни из них больше направлять в центральный канал, а другие - одновременно в левый и правый передние каналы.

Формат 5.1 предоставляет массу новых возможностей в применении эффектов, подобных дилэю и реверберации. Реверберационный сигнал может располагаться в том же направлении, что и прямой сигнал. Вместе с тем, подобно тому, как в стереозаписях перекрестное направление реверберации приводит к кажущемуся расширению стереобазы, впечатление увеличения объема виртуального помещения можно получить, если реверберацию фронтальных звуков сделать чуть сзади, а тыловых - чуть спереди. Не только сами кажущиеся источники звука, но и эхо-сигналы, порожденные ими, можно динамически перемещать в пределах круговой панорамы.

При сведении в круговую панораму появляются дополнительные признаки, по которым слух может выделять отдельные партии: направление на источник звука в пределах 360° и, в какой-то мере, расстояние до него (глубина панорамы). Поэтому нет особой необходимости производить частотную фильтрацию с целью выделения одних звуков на фоне других, а также изменять громкость инструментов по ходу песни или компрессировать отдельные аудиосигналы.

Что касается дополнительной обработки компрессором уже сведенной композиции, то такая операция представляется недопустимой. Она может привести к возникновению смещения положений кажущихся источников звука, предварительно позиционированных в определенных точках. А те из источников, текущие значения уровня сигналов которых в какой-то момент превысят порог срабатывания компрессора, будут к тому же и хаотично "перемещаться" по случайным траекториям. Думается, что ситуация изменится лишь с появлением широкодоступных многоканальных виртуальных эффектов и обработок, реализующих алгоритмы обработки, в которых учитывается специфика панорамирования объемного звука и психоакустический фактор. В настоящее время зачатки подобных алгоритмов можно найти в программных кодеках, преобразующих, например, WAV-файлы, располагающиеся на 6 отдельных треках в единый цифровой поток АС-3. К сожалению, суть таких алгоритмов скрыта от пользователя, а число параметров, доступных для регулировки, чрезвычайно мало.

Представляется, что обеспечение моносовместимости записей, сведенных в формате 5.1, нереально. Обеспечение стереосовместимости готовой фонограммы тоже проблематично. Видимо, единственно правильным решением будет целенаправленное и раздельное сведение композиции в моно, стерео и в формат 5.1.

Сущность, задачи и этапы мастеринга применительно к стереофоническим фонограммам - прямо скажем, проблема эта весьма непроста. А с мастерингом в многоканальных форматах дело обстоит еще сложнее. Многое еще не ясно. Не фильтровать, не компрессировать, не контролировать моносовместимость, не осуществлять подготовку к выводу альбома на различные носители. А что же тогда следует делать с записями 5.1 на этапе мастеринга?

И еще об одной вещи хочется сказать. Вы можете слушать FM-радио или CD и заниматься при этом своими делами, например, читать эту книгу. При этом важно, чтобы звук был комфортным: не должно быть перепадов громкости и тембра, отвлекающих от основного занятия. А вот слушать композицию в формате 5.1 "краем уха" практически невозможно. Сам по себе формат 5.1 подразумевает погружение слушателя в музыку. Поэтому еще один подход может заключаться в том, чтобы на этапе мастеринга в формате 5.1 не делать ничего, кроме, возможно, нормализации. То есть вся ответственность за субъективное качество конечной фонограммы переносится на этап сведения, а мастеринг осуществляется по принципу "что есть, то есть". А если же все-таки слушателю потребуется более комфортное звучание без перепадов громкости, то он может включить на своей системе соответствующую опцию (типа Enable Dynamic Range Compression - компрессия динамического диапазона).