Звуковое кружево, или Долби всё вокруг!

Это должен знать каждый: история и особенности многоканальных форматов звука (Dolby Stereo, Dolby Digital, DTS, SDDS) — от киноиндустрии к домашним театрам.

Audio is half the film.
Джордж Лукас

Surround sound, Dolby Digital, DTS, AC3, 5.1 — все эти термины с недавнего времени (а точнее, с появлением доступных DVD-ROM-приводов) вошли в жизнь пользователей компьютеров, в спецификации звуковых карт и акустических систем, в статьи компьютерной прессы. Однако изначально все эти технологии возникли отнюдь не для увеселения пользователей ПК, а пришли из киноиндустрии, причем пришли они, как ни странно, напрямую с кинопленки, и эта целлулоидная техника, несмотря на свою уже более чем вековую давность, продолжает ассимилировать в себе все достижения современной цифровой технологии, походя отдавая нам, заложникам мегагерц и гигабайт, плоды своего развития. Развивался же звук на кинопленке довольно долго, и для того чтобы понять, откуда все это богатство пришло в наши системные блоки, нам придется перенестись в далекий и тревожный 1941 год.

Именно тогда вышел первый кинофильм со звуковым сопровождением, записанным более чем на один канал. Это был фильм студии Диснея «Fantasia», причем каналов было не два, как в современном стерео, а сразу три: левый, правый и центральный. По тем временам это было нечто невиданное, ведь и монозвук в кино появился совсем недавно, а тут сразу три независимых канала, которые записывались на кинопленку оптическим способом. Но трудности производства подобного рода фонограмм (тогда в Америке еще не было магнитофонов, да и вся другая звукозаписывающая техника была в зачаточном состоянии), сложная и дорогая система воспроизведения и грянувшая Вторая мировая война похоронили многоканальный звук в кино более чем на десять лет.

Появление первых коммерчески успешных форматов стереозвука в кинопроизводстве было обусловлено появлением в США магнитной звукозаписи. Первые ленточные магнитофоны были привезены в качестве трофеев из побежденной Германии (в русском языке слово «магнитофон» обязано своим появлением названию одной из немецких моделей этого устройства — Magnetofon), и вскоре фирма Ampex выпустила американский аппарат для записи на пленку Ampex Model 200, являвшийся копией немецкого AEG Model K-4 Magnetofon. Магнитная запись стремительно развивалась, вскоре появился многоканальный магнитофон, изобретенный легендарным гитаристом Лес Полом (немного ранее этот разносторонний музыкант придумал электрогитару, да и использовать мономагнитофоны для записи музыки в США начал именно он). Первые форматы окружающего звука были основаны именно на магнитной записи (вместо старой оптической монодорожки) — прямо на кинопленку наносился магнитный слой, на который записывалось звуковое сопровождение к фильмам. Кинопроекторы оснащались магнитофонными головками для снятия этого звука. В те годы киноиндустрия США процветала, публике был представлен новый широкоформатный (использовавший пленку шириной 70 мм, вместо обычных 35) кинематограф, и в дополнение к громадным широким экранам требовалась соответствующая звуковая картина. В те годы существовало два формата — Cinemascope, разработанный Twentieth Century Fox для 35-миллиметровой пленки (четыре канала — левый, центральный, правый и surround-канал, который воспроизводился с боков и позади зрителя) и Todd-AO для широкоформатной 70 мм киноленты (шесть каналов — левый, дополнительный левый, центральный, дополнительный правый, правый и surround-канал). Необходимость центрального канала обусловлена большими размерами киноэкрана и тем, что зрители сидят не только по центру зала, — если использовать только два громкоговорителя (левый и правый), то диалоги актеров для зрителя, сидящего в боковой части зала, будут звучать не посередине экрана, где обычно и происходит основное действие, а сбоку, так как ближайший громкоговоритель будет слышен лучше всего. Поэтому все диалоги героев фильма обычно располагают в центральном канале, иногда его так и называют — канал диалогов. А для огромных широкоформатных (70 мм) кинотеатров потребовалось установить за экраном аж пять независимых громкоговорителей, чтобы обеспечить равномерное распределение звука для всех зрителей в зале.

Эти форматы довольно успешно просуществовали до середины 70-х годов, когда на сцену вышла фирма Dolby. Эта уникальная в своем роде компания до настоящего времени получает прибыль почти исключительно от «продажи идей», то есть лицензионных отчислений. Собственно оборудования Dolby практически не производит — выпускается всего несколько приборов для профессионального применения, которые являются скорее аксессуарами для продажи технологий, чем самостоятельным бизнесом. Dolby заработала известность своими системами шумопонижения, появившимся в 1970 году, — Dolby B, которая используется в бытовых кассетных магнитофонах (и во многом именно шумоподавлению от Dolby аудиокассета обязана своим успехом на рынке) и Dolby A, более сложная и эффективная система, использующаяся и по сей день в профессиональной звукозаписи. Не удовлетворившись успехом в области обычной звукозаписи, основатель фирмы Рэй Долби устремил свои взоры на звук для кинофильмов. В 1976 году была предложена технология Dolby Stereo, использующаяся в большинстве выходящих фильмов и поныне. Взамен магнитных звуковых дорожек, которые довольно сильно шумели и изнашивались со временем, Dolby предложила использовать старую добрую оптическую дорожку, но уже с двумя каналами звука. Эти две дорожки расположены там же, где и старая монодорожка (которую продолжали использовать для совместимости со старыми кинопроекторами), и поэтому могла быть считана любым существующим киноаппаратом если не в стерео, то хотя бы в моноварианте, а для уменьшения «шипения» на них использовалась система шумоподавления Dolby A. Однако киноиндустрия не могла удовлетвориться двухканальным звуком, требовалось как минимум четыре канала, и поэтому в формате Dolby Stereo применяется так называемое матричное кодирование дополнительных звуковых дорожек. При таком кодировании дополнительные дорожки (центральная и канал surround-эффектов) за счет разницы фаз звуковых каналов могут быть «уложены» в две имеющиеся на кинопленке, а затем специальный матричный декодер в кинотеатре их раскодирует в почти полноценные четыре.

Новая технология довольно быстро добилась успеха, что было обусловлено, среди прочего, неважным состоянием киноиндустрии в то время. Телевидение уже пришло в каждый американский дом, и зрители не особенно ходили в кинотеатры, ведь все те же фильмы можно было увидеть через некоторое время у себя в гостиной. Соответственно поток денег в кино постоянно снижался, притом, что производство прокатных копий фильмов по старым технологиям, использующим магнитную запись на кинопленке, было очень сложным и дорогим: сначала печатается изображение, затем на проявленную кинопленку наносится магнитный слой, а потом уже на этот магнитный слой записывается звуковое сопровождение. Оптическая же дорожка Dolby Stereo упростила эту технологию до предела: звук печатается вместе с изображением, и все. Еще одна причина успеха — применение так называемого звукового кинопроцессора. Для переоборудования кинотеатра под Dolby Stereo, при условии наличия нужного количества громкоговорителей, требовалось лишь обеспечить считывание стерео-оптической дорожки с кинопленки и подключить к выходу с этой дорожки процессор, а он уже выполнял все функции декодирования и управления звуком в кинотеатре. До появления таких кинопроцессоров для переоборудования кинотеатра под какой-либо новый звуковой формат требовалось приобретать множество разных приборов, дорогих, да к тому же сложных в установке и эксплуатации.

Чтобы обеспечить высокий уровень качества кинопродукции, выпускаемой с логотипом Dolby, фирма ввела строгую сертификацию кинотеатров, звукозаписывающих студий и собственно фильмов. Ведь даже двухканальная фонограмма, воспроизведенная в разных помещениях и с разных громкоговорителей, звучит по-разному (изменяется общий частотный баланс, а также положение кажущихся источников звука), что уж тут говорить о четырехканальной surround-фонограмме. Поэтому сертификация, для получения которой кинотеатр должен был обеспечить достаточно высокое качество звуковоспроизводящей аппаратуры, нужное звуковое давление во всех точках зала и хорошую акустику помещения, помогла сделать звучание фильма примерно одинаковым во всех сертифицированных кинотеатрах. Сертификация студий звукозаписи (условия для студий примерно те же, что и для кинотеатров, плюс несколько специфичных параметров) необходима для того, чтобы звук, сделанный в этой студии и слышимый режиссером, был таким же, как и в кинотеатрах. Все это сделало логотип Dolby приманкой для зрителя, который знал, что придя в кинотеатр, носящий такой логотип, он получит высокое качество окружающего звука и зрелище, недостижимое в домашних условиях. Именно с широким распространением Dolby Stereo связывают расцвет киноиндустрии, произошедший в начале 80-х годов, так как народ повалил в кинотеатры, чтобы испытать новые ощущения.

Кроме внедрения Dolby Stereo компания усовершенствовала звук и для широкоэкранного кино. Способ записи был тот же, на магнитную полосу на 70-мм кинопленке, но теперь уже с шумопонижением Dolby A, кроме того, шестиканальный формат Todd-AO был модифицирован — две из пяти фронтальных дорожек (а именно левая и правые дополнительные) были убраны, так как время гигантских киноэкранов уже прошло, и вполне хватало одного центрального канала, а место удаленных занимало теперь два канала низкочастотных эффектов. Низкочастотные каналы для специальных «громоподобных» эффектов были внедрены впервые, и такая инновация была хорошо воспринята индустрией и используется по сей день. С тех пор в обозначении формата канал LFE (Low Frequency Effects) из-за ограниченного частотного диапазона (не выше 300 Гц, обычно ограничивают порогом 125 Гц) принято обозначать через точку, например «5.1». В1978 году формат был еще раз модифицирован — теперь surround-каналов стало два, левый и правый, и, таким образом, этот формат звука на 70-мм кинопленке стал предвестником современного окружающего звука, построенного по схеме 5.1. Первой картиной, выпущенной в этом обновленном звуковом формате стала «Apocalypse Now» Френсиса Форда Копполы, но в связи с закатом популярности широкоформатного кино фильмов с новым типом фонограммы вышло немного.

В начале восьмидесятых стало бурно развиваться домашнее видео, сначала с моно-, а затем и со стереозвуком, в 1980-м появился лазерный видеодиск. Домашние стереосистемы класса Hi-Fi уже стали обыденным делом, и в 1982 году Dolby представила домашний декодер для окружающего звука. Сначала этот декодер (для потребителей он был назван Dolby Surround) мог декодировать только три канала — левый, центральный и правый, но уже в 1987 году был представлен Dolby Surround Pro Logic, способный извлекать из двухканальной фонограммы на видеокассете все четыре дорожки окружающего звука. С этого момента «домашние кинотеатры» стали стремительно завоевывать рынок и из предметов роскоши превратились в обычную бытовую технику.

Девяностые годы характеризуются развитием цифровых технологий, и киноиндустрия не стояла в стороне. Первым на ниве доставки звука в кинотеатры в цифровой форме стал формат Cinema Digital Sound (CDS), разработанный Optical Radiation Corporation совместно с Eastman Kodak. Дорожка цифрового звука в этом формате помещалась вместо аналоговой, а роль битов выполняли мельчайшие точки (пикселы) на кинопленке. Размер этих точек был очень мал, так как формат разрабатывался при поддержке Kodak, которая изготовила для CDS специальную кинопленку. Благодаря малому размеру пикселов и тому, что они были расположены по всей длине кинопленки, на цифровую дорожку удалось «втиснуть» шесть (а точнее 5.1) каналов несжатого цифрового звука с разрешением 12 бит (правда, эти биты были не линейные, как на компакт-диске, а логарифмические, то есть квантование звука было лучше адаптировано к особенностям человеческого слуха, что делало динамический диапазон записи в таком формате практически равным «обычным» 16 битам). Но несмотря на то, что CDS был достаточно «продвинутым» для своего времени (например, там применялась схема обнаружения и коррекции ошибок), особого успеха он не снискал, и в нем успело выйти всего несколько фильмов. Причина этому — пренебрежение прошлым, то есть аналоговой оптической дорожкой. Из-за того, что она была вытеснена цифровой, CDS остался без подстраховки, и когда цифровая дорожка давала сбой (что случалось, в том числе из-за малого размера пикселей), то в лучшем случае в зале воцарялась тишина. Отсутствие аналоговой дорожки также требовало изготовления специальных прокатных копий для цифровых кинотеатров, что было накладно и неудобно.

Пустующая ниша не могла долго оставаться незаполненной, и в 1992 году вместе с премьерой фильма «Batman Returns» была представлена система Dolby Digital, в настоящее время являющаяся самым распространенным способом доставки цифрового звука в кинотеатры. В Dolby Digital цифровой звук на кинопленке также кодируется с помощью пикселей, но располагаются они между перфорациями, что позволило сохранить аналоговую звуковую дорожку. Ввиду большого размера пикселей (чтобы избежать проблем, возникавших с CDS) и ограниченного пространства между перфорациями, Dolby был применен алгоритм сжатия цифровых данных AC3 (о нем подробнее во врезке), который позволил «упаковать» звук формата 5.1 в цифровой поток скоростью всего 320 кбит/с. Достаточно мощной коррекции ошибок в Dolby Digital не предусмотрено, только их обнаружение через контрольные суммы, поэтому при возникновении серьезных проблем с цифровым звуком декодер просто переключается на аналоговую дорожку со звуком Dolby Stereo, что, по крайней мере, дает возможность не прерывать показ из-за незначительных проблем с фонограммой. Новая система довольно быстро завоевала признание кинопрокатчиков благодаря простоте инсталляции оборудования (нужна только специальная насадка на проектор и декодер), а также тому, что копия фильма с Dolby Digital могла быть воспроизведена (пусть не во всем многоканальном блеске) практически в любом кинотеатре — даже со старым аналоговым монозвуком.

Фирма Dolby не оставляла своим вниманием также и любителей домашних кинотеатров. Уже в 1993 году появился чип Zoran ZR38000, представляющий собой декодер Dolby Digital для потребительского рынка. В домашних условиях требования к декодеру отличаются от «киношных», например необходимо было обеспечить совместимость с установленными у пользователей стерео-, моно- и аналоговыми Dolby Surround-системами. Возможность микширования во все эти форматы из исходной шестиканальной фонограммы была изначально заложена в кодек AC3 (хотя для кинотеатров такое микширование совершенно не нужно) и реализована в бытовых декодерах. Именно благодаря этой способности декодеров мы имеем возможность смотреть DVD-фильмы на компьютере со стереофонической звуковой картой, не теряя при этом ни диалогов, ни спецэффектов. Специально для DVD в AC3-кодеке была также предусмотрена возможность кодировать моно-, стерео- и Dolby Pro Logic-фонограммы, а в декодер введены функции управления каналом низкочастотных эффектов (ведь не у всех есть сабвуфер, и, чтобы не потерять низкочастотную составляющую взрывов и землетрясений, LFE-канал подмешивается в основные, и наоборот, низкочастотная составляющая основных каналов может направляться на сабвуфер). Dolby Digital не остановился на кинопленке, и сейчас этот формат является стандартом для DVD-Video, цифрового телевещания и телевидения высокой четкости. Для нужд вещателей даже была специально разработана модификация формата, названная Dolby E, которая адаптирована для передачи по существующим в вещании цифровым сигнальным линиям и может быть закодирована/раскодирована (что необходимо при редактировании телепрограмм) до десяти раз без заметной потери качества.

Но в стремлении завоевать рынок цифрового звука в кино Dolby была отнюдь не одинока. В 1993 году вышел фильм Стивена Спилберга «Jurassic Park», где цифровой звук был закодирован по системе DTS (Digital Theater Systems) от одноименной компании (интересно, что совладельцами DTS являются сам Спилберг и Universal). DTS сочла, что выкраивать место на кинопленке для еще одной звуковой дорожки не стоит, и перенесла все звуковое сопровождение на CD-ROM, а на кинопленке расположила только узкую дорожку временного кода, с помощью которого декодер поддерживал синхронность картинки и звука. Таким образом, для воспроизведения звука в этом формате в кинотеатр кроме рулонов кинопленки привозят еще и компакт-диски, которые заряжаются в декодер. В DTS также применяется сжатие данных (алгоритм называется apt-X100, коэффициент сжатия 4:1, поток данных 882 кбит/с), что позволило вместить на один диск 100 минут шестиканального (5.1) звука. Благодаря меньшему сжатию данных и более совершенному алгоритму, чем в AC3, качество звука, закодированного в DTS, выше, чем у Dolby Digital, что, однако, не мешает последней занимать господствующее положение на рынке. Высокое качество звука DTS послужило причиной его выбора для издания чисто музыкальных компакт-дисков, смикшированных в surround sound. Для этого (а также для DTS-звука на видеодисках Laser Disc) применяется немного измененный алгоритм (названный Coherent Acoustics) и меньшие коэффициенты сжатия. В производстве DVD с фонограммой DTS тоже используется Coherent Acoustics, причем скорость кодированного потока получается даже выше, чем у DTS на CD (подробнее см. в таблице) из-за частоты дискретизации в 48 кГц (против 44,1 кГц у DTS в кино и на CD), что делает этот формат самым высококачественным из существующих ныне способом кодирования звука для DVD-фильмов.

Последний из трех существующих сегодня форматов называется Sony Dynamic Digital Sound (SDDS), разработанный фирмой Sony и представленный в 1993 году вместе с картиной «Last Action Hero». SDDS является в настоящее время самым «продвинутым» форматом, так как позволяет кодировать на кинопленку до восьми независимых каналов звука по схеме 7.1. Два «лишних» канала разработчики из Sony отдали для дополнительных левого и правого громкоговорителей за экраном (совсем как в системе Todd-AO). Цифровая дорожка SDDS располагается по самому краю кинопленки за перфорацией, а биты представлены все теми же пикселями, хотя и меньшего размера, чем в Dolby Digital. Из-за того, что дорожка идет по всей длине пленки и размер пикселов довольно невелик, в SDDS удалось вместить 8 каналов звука с довольно низким коэффициентом сжатия (используется алгоритм ATRAC, впервые появившийся на мини-диске), поэтому качество звучания фильмов в этом формате очень высокое. В SDDS воплощена очень мощная система коррекции ошибок, кроме того, цифровая звуковая дорожка дублируется по обеим сторонам пленки, что создает двойную избыточность. Если же вдруг цифровая дорожка все-таки откажет, декодер переключается на резервную аналоговую, как и во всех современных цифровых форматах. К сожалению, SDDS доступен только в кинотеатрах, для бытового применения этот формат не был адаптирован, что является принципиальной позицией Sony.

Что же ждет нас в будущем? Несомненно, рост количества каналов в окружающем звуке. Dolby и DTS уже представили системы Dolby Digital Surround EX и DTS-ES соответственно, в которых предусмотрена запись в стандарте 6.1. Дополнительный канал в обеих системах кодируется матричным способом (так же, как и в Dolby Stereo), а громкоговорители располагаются позади зрителя. Sony также ведет работу над реализацией дополнительного «заднего» канала в SDDS, но пока новая система еще не вышла. Ведутся эксперименты по различному расположению громкоговорителей в кинотеатрах, например под потолком, чтобы уж совсем окружить зрителя звуком. Несомненно появятся системы окружающего звучания, разработанные специально для компьютеров или игровых приставок, ведь прямой перенос технологии с кинопленки на жесткий диск не всегда является удачным. Можно ожидать, что surround sound будет присутствовать буквально везде — на радио, телевидении, да, наверное, и в Интернете. Так что вскоре ошеломлявшие еще недавно технологии станут вполне привычными, как сегодняшнее двухканальное стерео. А киношники тем временем еще что-нибудь придумают…

* для формата Dolby Digital Surround EX
** кодек Coherent Acoustics используется для CD и DVD, а apt-X100 для кино
*** для формата DTS-ES
**** для музыкальных компакт-дисков, закодированных в DTS, битрейт составляет 1235 кбит/с

Характеристики современных цифровых форматов
в сравнении с аналоговым Dolby Stereo (Pro Logic).