Симфония для акустики с компьютером - часть 1

История: несколько статей, с самого первого варианта сайта WASP.kz

В прошлом номере вышел мой рассказ из цикла «Сказка от «чайника» - «Суета вокруг колонок». Несмотря на внешнюю несерьезность, в нем, я надеюсь, нашлось кое-что полезное. В рассказе, повествуя об установке звуковой системы 5.1, я не раз указывал, что предварительно прочел по этой теме кучу всякой полезной, не очень полезной и совсем бесполезной литературы, а также облазил немало запыленных углов и чуланов любимого Интернета.

Сегодня я намерен уже серьезно поделиться с тобой, дорогой читатель, знаниями, которые я приобрел, и выводами, которые сделал, разбираясь в бездне информации о компьютерной акустике.

Я не претендую на оригинальность трактовок и, тем более, «открытие Америк». Не исключено, что этот вопрос ты знаешь гораздо лучше меня. К тому же, в статье я «озвучу» только основные, но, на мой взгляд, главные стороны. В противном случае повествование рискует «размазаться» по еженедельнику года на два и сравняться по объему с сериалом повестей о Гарри Потере. Однако если мне удастся дать хоть крохотный кусочек ранее тебе неизвестной информации – я буду рад за тебя и горд за себя. И мое самомнение будет обласкано моим же самолюбием!

Ну, шутки в сторону.

Часть первая. Allegro Maestoso

Все-таки своеобразное у нас отношение к звуку. Выбираем вычурный кейс, устанавливаем мощный процессор, втыкаем крутую видеокарту, тратимся на многогигабайтный винчестер, отдаем кучу вечнозеленых за серьезный монитор и под конец, собрав жалкие остатки, прикупаем к этому комплекту пятидолларовые пластмассовые колонки. Представьте себе шестисотый «Мерседес», укомплектованный радиоприемником «Урал». Но если от вида второй картины обалдеет каждый, то от первой – дай бог, если каждый десятый. Хотя это убожество на столе своим звучанием в силах «убить» даже самую непритязательную компьютерную игру. Я уже не говорю о музыке или фильме на DVD.

К счастью, со временем каждый уважающий себя юзер приходит к пониманию того, что нормальный звук – такая же обязательная компьютерная опция, как мышь со скролом. И приятно, и удобно.

Вот после осознания сего факта и наступает самое интересное. Желания начинают планомерно переползать со стерео на surround, затем на Dolby Digital, DTS и т.п. Человек становится придирчивым в изучении спецификаций звуковых карт и возможностей программных продуктов. Он изучает свободные углы своей квартиры и размеры колонок в магазине. Правда, как всегда его выбор зависит не только от технических параметров, но и от толщины кошелька. Увы.

Однако, все эти модные словечки – Surround sound, Dolby Digital, DTS, AC3, 5.1, 7.2 появились в нашей жизни не с тех пор, как в системный блок был установлен первый DVD-привод и даже не с момента выхода в свет многоканальных звуковых карт. Изначально разработчики этих технологий пользователей ПК даже не брали в расчет. Все их силы были направлены на то, как бы удачнее наложить звук на целлулоидную кинопленку. Да-да! Все это звуковое великолепие попало в наш системный блок лишь благодаря соизволению Его величества Кино.

Хотите, верьте – хотите, нет, но первый фильм с объемным звуком вышел еще в 1941 году. Казалось бы «великий немой» только совсем недавно заговорил. И вот нате вам. Фильм производства Уолта Диснея назывался «Фантазия». Он был даже не стерео (в двухканальном понимании) – звук был трехканальным: левый, правый и центральный; записанный на кинопленку оптическим способом. Можете представить себе, какой это был фурор! И это если учесть, что сама звукозапись еще была на уровне патефонных пластинок, а о магнитофонах тогда не было речи вообще.

Но на пороге стояла Вторая мировая война, и дальнейшее совершенствование звукотехники пришлось отложить на долгие годы. Хотя с другой стороны, победа над фашистской Германией принесло миру новый этап в развитии технологии звука.

Дело в том, что первые ленточные магнитофоны были разработаны и выпускались серийно (правда, только для нужд спецслужб) ни где-нибудь, а в Третьем Рейхе. Вот после войны главные участники антигитлеровской коалиции и получили в свои руки доселе невиданный аппарат. Кстати, русское название устройств «магнитофон» появилось от названия одной из немецких моделей – «Magnetofon».

Разворотливые американцы быстро наладили выпуск трофейного «бобинника» «AEG Model K-4 Magnetofon» под маркой компании «Ampex» – «Ampex Model 200». А ту как раз подоспел большой любитель технических экспериментов, легендарный и харизматичный блюзмен Лес Пол. Только что он изобрел электрогитару и теперь принялся использовать магнитофон для записи музыки.

В общем, магнитофонная запись начала свое стремительное шествие по миру, на долгие годы став доминирующим видом аудиозаписи.

Голливудские специалисты быстро смекнули, какие теперь перед ними открылись перспективы. Появилось широкоформатное кино, использующее пленку шириной 70 мм вместо обычной 35-миллиметровой, и потребовалось новое качественное озвучание. Так в кинематограф пришел стереозвук. Теперь форматы окружающего звука были основаны не на привычной оптической дорожке, а на магнитной записи, при которой прямо на кинопленку наносился магнитный слой. Кинопроекторы стали оснащаться звукоснимающими магнитофонными головками.

Форматы...

В те годы в американской киноиндустрии установилось два основных стандарта расположения звуковой базы кинотеатров – Cinemascope, разработанный «Twentieth Century Fox», предназначенный для 35-миллиметровой пленки и Todd-AO для широкоформатного экрана. Cinemascope был рассчитан на четыре канала: левый, центральный, правый и surround-канал, который позиционировался с боков и позади зрителей. Todd-AO представлял собой шестиканальную систему – левый, дополнительный левый, центральный, дополнительный правый, правый и surround-канал. Центральный канал был необходим, в первую очередь, для того, сидящие на крайних местах зрители все-таки слышали слова актеров, если те находились в другом краю экрана, куда соответственно смещался и звук. С тех пор диалоги героев фильма и некоторые шумы первого плана принято располагать в центральном канале. А появление дополнительных фронтальных каналов в технологии Todd-AO вызвано тем, что для обеспечения равномерного распределение звука для всех зрителей в зале за огромным широким экраном потребовалось установить аж пять независимых громкоговорителей.

Эти технологии главенствовали а мире кинопроката до середины 70-х годов. А могли бы и дольше. если бы однажды Рэй Долби, основатель компании имени себя, не вынес на свет свои творения. Так наступила эра Dolby. В первую очередь эта компания лихо внедрилась в технологии магнитофонных записей. Системы шумоподавления Dolby A и Dolby B (компандерная и динамическая) вскоре стали обязательным атрибутом как профессиональных, так и бытовых магнитофонов. Благодаря именно шумоподавлению от «Dolby» тихоходная, а, следовательно, обладающая невысокими характеристиками компакт-кассета получила такое широкое распространение.

Но главным для фирмы «Dolby» было внедрение в киноиндустрию, где крутятся поистине огромные капиталы. В 1976 году на сцене появилась технология Dolby Stereo. Магнитные звуковые дорожки, нанесенные на киноленту быстро изнашивались и шумели. Причем, чем сильнее изнашивались, тем сильнее шумели. Здесь же использовалась старая оптическая дорожка, но уже с двумя каналами звука. Две новых дорожки располагались совместно со стандартной монодорожкой, чтобы старые кинопроекторы могли также использовать новую пленку. Для улучшения качества звука применялась, естественно, фирманная технология шумоподавления Dolby A. Dolby Stereo до сих пор используется в большинстве выходящих фильмов.

Но двухканальный звук – не лучшее решение для качественного кино. И тогда «Dolby» внедрило матричное кодирование дополнительных звуковых дорожек. Появился четырехканальный звук. При таком кодировании дополнительные дорожки, отвечающие за центральный канал и канал surround-эффектов, втискиваются в теж две уже имеющиеся на киноленте. Но за счет разницы фаз звуковых каналов они легко вычленяются при воспроизведении в кинотеатре специальным матричным декодером.

Это не значит, что компания «Dolby» была единственным разработчиком в области объемного звука. Но ее технология оказалось наиболее удачной, по сравнению с другими. Для того, чтобы переоборудовать кинотеатры под какой-либо новый звуковой формат, требовалось приобретать множество различной недешевой и сложной в эксплуатации аппаратуры. А вот под Dolby Stereo требовалось лишь наличие системы для считывания стерео-оптической дорожки с кинопленки, процессора, выполняющего декодирование и разводку, и нужного количества громкоговорителей.

Кроме того, метод производства прокатных копий фильмов по прежней технологии (с магнитной записью на кинопленку), при которой сначала печатается изображение, затем на проявленную пленку наносится магнитный слой и только потом на этот слой записывается звук, - был очень трудоемким и дорогим. Что может быть проще технологии Dolby Stereo, когда звуковое сопровождение пишется одновременно с изображением.

Надо сказать, что поначалу любая технология звука, предполагающая наличие более одного канала, называлась STEREO. И трехканальные системы, и четырех, да хоть десяти канальные – все они позиционировались под логотипом «Stereo». Не зря же четырехканальный Dolby считался просто Dolby Stereo. Однако в сознании людей слово «stereo» закрепилось именно в связи двухканальным звуком. Это обусловлено тем, что бытовые звуковые носители, начиная от виниловых пластинок, заканчивая компакт-кассетами, имели только по два канала. Таким же «двухполюсным» было и FM-радио. Правда, некоторые производители выпускали четырехколочные варианты бытовой акустики, применяя искусственное разделение левого и правого каналов на два, присвоив ей имя QUADRO, но в действительности это было традиционное stereo. Когда же трехканальный декодер Dolby пробрался в домашний ресивер, поддерживая фильмы со стереомагнитофона, возникла необходимость в создании нового термина, где все бы говорило о том, что это вам не просто stereo, а есть еще и центральный канал. Чисто маркетинговая фишка для продвижения товара. Так появился Surround sound («окружающий звук» или «звук вокруг»). И компания обзавелась новым логотипом – Dolby Surround.

Учитывая то, что даже двухканальная фонограмма, воспроизводимая в разных помещениях и из разных динамиков, звучит совершенно по-разному, компания «Dolby», что бы сделать звучание своей surround-фонограммы к фильмам примерно одинаковым во всех кинозалах, ввела строгую сертификацию кинотеатров, звукозаписывающих студий и самих фильмов. Такая сертификация от «Dolby», в которой оговаривалось и высокое качество звуковоспроизводящей аппаратуры, и хорошую акустику помещения, и необходимое звуковое давление любом месте зала, и другие параметры, гарантировала, что зритель в кинотеатре действительно погрузится в пучину звуковой сказки, недостижимой в домашних условиях. В 80-годах прошлого века Dolby Surround стал вторым ( а может, третьим) «золотым» периодом кинематографа, так как зритель шел в кино именно за новыми ощущениями.

Однако к тому времени эпоха гигантских экранов канула в лету. Уже не было необходимости расставлять за сценой длинный ряд громкоговорителей. Компании «Dolby» стало понятно, что необходимо модифицировать шестиканальный формат Todd-AO. Вскоре левая и правая дополнительные фронтальные дорожки были благополучно удалены. Остались только 2 фронтальных канала и центральный. Задне-боковой surround-канал, наоборот, удвоился, став левым и правым.

Это было время, когда танц-залы давно сменились дискотеками и ночными клубами, где из большого числа огромных колонок лилась громкая ритмичная музыка сдобренная насыщенными низкими частотами. Специалисты из «Dolby» заметили стремление слушателей к некоторой диспропорции в сторону низкочастотного звучания, что создает не только аудиопсихологическую экспрессию, но и физическую (низкочастотные колебания ощущаются телом), и внедрили в Todd-AO еще пару идентичных друг другу каналов для эффектов «на низах». Их использовалось два, а не один, только для насыщения объема кинозала. Это инновация была быстро подхвачена всей киноиндустрией. Выделенный канал получил название Low Frequency Effects (LFE, канал низкочастотных эффектов) и стал в описаниях конфигураций акустических систем обозначаться через точку, например «2.1», «5.1». Фильм Френсиса Форда Копполы «Апокалипсис сегодня» стал первой картиной, выпущенной в этом обновленном звуковом формате. Модифицированный Todd-AO явился предтечей современному Surround sound-у, спроектированному по схеме 5.1.

А домашнее видео уже неудержимо распространялось по миру. К видеокассете присоединились: сначала LaserDisc, затем Compact Disc. Стереосистемы Hi-Fi класса в 80-х прочно закрепились на уровне бытовой техники. Все шло к тому, что в формате видеозвука нужно было создавать что-то более приближающее к ощущениям кинозала, чем Dolby Surround (левый, правый и центральный каналы). В 1987 году был выпущен Dolby Surround Pro Logic. Он представлялся потребителю в качестве «Home movie theatre» (домашний кинотеатр), способного извлекать из двухканальной фонограммы на видеокассете все четыре дорожки окружающего звука. Буквально за короткий период «Домашний кинотеатр» превратился из элитарного технического чуда в общедоступную бытовую технику.

Началась тихая война за потребителя между производителями бытовой техники и кинопрокатчиками. В выигрыше, в итоге, всегда оставалась компания «Dolby». Чтобы зритель ненароком не «откатился» от кинопроката, от нее затребовали новое решение для кинотеатров. В 1992 году на сцену вышел Dolby Digital. В этом формате был представлен фильм «Бэтман возвращается». В Dolby Digital цифровой звук кодируется с помощью пикселей – мельчайших точек на кинопленке, располагающихся между перфорациями, что позволяет сохранить аналоговую звуковую дорожку. Однако размеры пикселей не очень-то и малы, а места между перфорациями не много. Чтобы обойти эту проблему, был применен алгоритм сжатия цифровых данных AC3, при котором звук формата 5.1 легко «упаковывается» в цифровой поток скоростью всего 320 кбит/с. Но об этом и других алгоритмах сжатия – чуть попозже. В Dolby Digital изначально не предусматривалась серьезная коррекция ошибок. Имеется только возможность их обнаружения по контрольным суммам. Но это не приводит ни к каким катастрофам. Просто при возникновении проблем с цифровым звуком декодер незаметно переключается на аналоговую дорожку со звуком Dolby Stereo, а затем, минуя сбойный участок, возвращается обратно «в цифру». Новый формат довольно быстро завоевал киноиндустрию, благодаря простоте технического исполнения (требуется лишь насадка на проектор и декодер) и тому, что фильм в Dolby Digital может быть прокручен практически в любом кинотеатре, пусть даже в старом аналоговом звучании.

Нужно признать, что «Dolby» была не одинока в своих стремлениях господствовать в области кинозвука. Многие стремились и стремятся оторвать на этом рынке кусок побольше. Одновременно с форматом Dolby Digital, даже чуть раньше, появился формат Cinema Digital Sound (CDS), разработанный Optical Radiation Corporation совместно с Eastman Kodak. В нем тоже цифровой звук записывался на кинопленку в виде пикселов. Эти пикселы, в отличие от пикселов в Dolby Digital, были очень мелкими, потому весь звук в 5.1 удалось разместить в несжатом состоянии. Применялась также система обнаружения и коррекции ошибок. Конечно, это был очень передовой формат. Однако он не стал массовым. В CDS вышло всего несколько картин. Причиной тому стало то, что цифровой звук помещался на место дорожки аналогового звука, и потому фильм мог прокатываться только на предназначенной для этого аппаратуре. Кроме того, в случае сбоя, чему способствовал малый размер пикселей, звук попросту пропадал. И еще, столь малый размер пикселей плохо читался с обычной кинопленки, потому Kodak изготовляла для CDS специальную ленту. Все это никак не упрощало кинопрокатчикам жизнь.

Другим путем пошла компания Digital Theater Systems, акционерами которой являются киногигант «Universal» и режиссер мировой величины Стивен Спилберг, разработавшая одноименный формат DTS. В 1993 году в этом формате вышел фильм указанного выше мэтра – «Парк Юрского периода». На кинопленке на найдешь звуковой дорожки нового формата, старая аналоговая – пожалуйста. На пленку наносится лишь узкая дорожка с временным кодом для поддержки декодером синхронности с картинкой. Основной же звук записывается на CD, причем, поскольку места хватает, он имеет меньший коэффициент сжатия (алгоритм называется apt-X100), чем в AC3, что говорит о его лучшем качестве. Метод проката картин довольно прост: вместе с кинопленкой в кинотеатр доставляется компакт-диск, который заряжается в декодер. Высокое качество звука DTS послужило причиной его выбора для издания чисто музыкальных CD, смикшированных в surround sound. В производстве DVD тоже частенько применяют фонограммы DTS, что обеспечивает самый высококачественный звук для DVD-фильмов, из существующих на сегодня кодированных форматов. Но, тем не менее, это не мешает Dolby Digital занимать господствующее положение на кинорынке.

Также в 93-м на экраны вышел фильм «Последний герой». Его звук был построен по схеме 7.1. Это компания Sony, имеющая свои интересы в Голливуде, представила формат Sony Dynamic Digital Sound (SDDS). Два из восьми каналов, как в Todd-AO, были отданы дополнительным левому и правому громкоговорителям. В SDDS цифровая дорожка размещена вдоль самого края кинопленки за перфорацией, а биты представляют собой привычный пикселы, но чуть меньшего, чем в Dolby Digital, размера. В результате этому формату удалось уместить на пленке 8-канальный звук с небольшим коэффициентом сжатия, используя фирменный sony-вский алгоритм ATRAC, ранее применявшийся для записи на мини-диски, что обеспечило очень высокое качество фонограмм. SDDS имеет очень мощную схему коррекции ошибок, при этом цифровая дорожка для подстраховки дублируется с обеих сторон пленки, и если все-таки в чтении «цифры» произойдет сбой, декодер переключится на обычную аналоговую дорожку. Во, какая защита! Но, оговорюсь сразу, - ни в какой домашней или компьютерной системе SDDS не найти. Sony специально не адаптирует формат для общего пользования. Только для кинотеатров. На войне – как на войне.

В общем, в 92-93 годах века минувшего киношники всеми силами старались доказать ущербность домашних аудиосистем для просмотра фильмов. Видимо, из опасения, что народ перестанет ходить в кино. Но фирма «Dolby» была верна себе, предлагая свои решения «и нашим, и вашим». В тех же годах появился чип Zoran ZR38000 – декодер Dolby Digital для потребительского рынка. Стоит ли кому-то обижаться на политику компании, когда ее наипервейшей задачей является извлечение прибыли. Правда, с учетом персональных пользователей, у которых не всегда имелся необходимый полный набор акустики, этот декодер несколько отличался от своего собрата из киноиндустрии. Он был совместим с Pro Logic, а также с различными стерео- и моно- системами. Дело в том, что в кодеке AC3 изначально заложена возможность микширования исходного шестиканального звука в любой другой формат. Просто, в кино эта функция была не нужна, зато, ой как, пригодилась в домашнем видео. Благодаря ей, мы смотрим DVD-фильмы на компьютере с простенькой двухканальной звуковой картой, внимая фонограмме через две настольные колонки, и не пропускаем при этом никаких спецэффектов. В «домашнем» декодере Dolby Digital учтено даже то, что у пользователя может вовсе не быть сабвуфера. Специально для этого в него встроена функция управления каналом низкочастотных эффектов, когда LFE-канал подмешивается в основные, чтобы не потерять частотную составляющую раскатов грома, выстрелов орудий и взрывов авиационных бомб. Владельцы же полноценного комплекта под Dolby Digital, просматривая фильм, записанный в стереорежиме, получали раскладку, при которой, наоборот, низкочастотная составляющая основных каналов направлялась на сабвуфер.

В домашних условиях Dolby Digital реализован, в первую очередь, в формате DVD. К сожалению, у нас все этой «первой очередью» и заканчивается. А вот на злосчастном продвинутом Западе Dolby Digital является главным в телевидении высокой четкости и, вообще, для всего цифрового телевещания. Для телевизионщиков даже разработан особый вариант Dolby Digital – Dolby E, адаптированный к передаче по используемым в вещании цифровым сигнальным линиям.

Dolby Digital...

Сегодня реализация в компьютере звука по формуле 5.1 – практически обязательная даже для интегрированных звуковых карт. Встречаются нередко и карты, поддерживающие 6.1, 7.1, 7.2, т.е., они могут работать в системах Dolby Digital Surround EX и DTS-ES, в которых кодируются дополнительные тыловые surround-каналы (один или два), а также имеется дополнительный низкочастотный канал (в системе 7.2), кстати, аналогичный основному.

А киноиндустрия все ищет новые пути реализации звука. Есть уже пилотные системы с громкоговорителями в потолке и разделением левых и правых каналов – на верхние (под потолком) и нижние (у самого пола).

Для компьютеров в настоящий момент некоторые компании ведут разработку специальных предназначенных только для них форматов.

Так что, возможно, в скором времени появится что-то не просто новое, а революционное.

Часть 1 ---------------------

Часть 2. Andante Moderato

Часть 3. Crescendo Capriccioso

Часть 4. Crescendo. In modo scherzo

Аскар Алиев, 2005