3. СИСТЕМЫ ОБЪЕМНОГО ЗВУЧАНИЯ
С ВЫСОТНЫМИ КАНАЛАМИ
Активное развитие и внедрение в начале XXI века систем 3D-кинематографа и 3D-видео послужило толчком к созданию трехмерных систем звукового сопровождения. Под третьим измерением в звуковых технологиях понимается высота. Два других измерения – это направление на источник и расстояние до него. Поэтому использовавшиеся до того времени в кинематографе, а также в системах домашнего кинотеатра, технологии 5.1, 6.1, 7.1 и пр., хотя и являются многоканальными, но отнести их к системам 3D -звучания нельзя, по своей сути они являются двумерными.
После того, как в 1992 году был принят международный стандарт ITU -R BS.775-1, ключевым медиа-производителям потребовалось некоторое время для того чтобы освоить необходимые технологии и приобрести достаточный опыт в их использовании. В потребительской электронике переход от формата 2.0 к формату 5.1 был первым значительным шагом от ставшей классикой двухканальной стереофонии с двумя громкоговорителями, размещенными перед слушателем, к вполне доступной для большинства системе воспроизведения акустической обстановки с минимально необходимым для этого числом каналов.
Ясно, что формат 5.1 был в то время только компромиссным решением. Такое решение было необходимо из-за того что исторически существовал ряд ограничений, не позволявших быстро перейти на новые форматы пространственного звучания. Например, в потребительской сфере нужно было обеспечить совместимость с широко распространенной тогда двухканальной стереоаппаратурой. В профессиональном кинематографе в то время в подавляющем большинстве случаев поддерживались только форматы, включающие не более шести каналов. Таким образом, формату 5.1 по существу удалось внести в аудиоиндустрию не более двух усовершенствований. Во-первых, с его помощью удалось увеличить зону прослушивания и улучшить стабильность и качество стереозвука, посредством разделения единственного базиса L/R, составляющего 60° в ширину, в два меньших стереобазиса по 30° каждый (L/C и C/R). И во-вторых, формат 5.1 позволил сформировать в достаточной степени реалистичную акустическую атмосферу путем размещения дополнительных динамиков окружения позади слушателя и по сторонам от него.
Через несколько лет после появления на рынке потребительской аппаратуры для домашних кинотеатров в формате 5.1 стало понятно, что этот формат востребован у потенциальных пользователей оборудования. Более того, на данный момент потребители уже воспринимают наличие большого числа громкоговорителей как норму – во всяком случае, когда они используются в качестве компонентов домашнего кинотеатра. С другой стороны, далеко не все слушатели способны реализовать у себя в домашних условиях то самое наилучшее качество звучания, которое могут обеспечить многоканальные звуковые системы. Это обусловлено рядом целым причин. Вот некоторые из них.
● Прослушивание, как правило, производится совсем не в тех условиях, которые требуются для получения наилучшего качества звучания - как из-за несоответствия геометрии комнаты оптимальным размерам и ее плохим акустическим характеристикам, так и из-за размещения громкоговорителей, не соответствующего стандарту, или нарушения настроек устройства.
● Плохое качество записи многоканальных звуковых программ –либо из-за неправильного выбора микрофонов и неправильного сведения фонограммы, либо из-за несоблюдения технических требований в процессе производства носителей.
● В формате 5.1 все-таки слишком ограниченная оптимальная зона прослушивания, в то время как существуют записи, которые требуют идеального размещения слушателя в центре этой зоны.
● Ограничения формата 5.1, выражающиеся в неправильной визуализация звуковых образов в пространстве из-за неправильного позиционирования динамиков по высоте и по отношению к голове слушателя , а также неправильного выбора расстояния до плоскости изображения, т.е. до телевизионного экрана.
Приведенный выше перечень причин не обязательно соответствует порядку их важности, однако он показывает, что проблемы возникают главным образом тогда, когда дело доходит до практического применения. Это верно как для производителя, так и для слушателя. Устранение этих проблем путем увеличения количества каналов и громкоговорителей невозможно. И вообще, всякие инновационные технологии требуют новых подходов, нового оборудования и особого внимания со стороны инженеров по звукозаписи. Вдобавок ко всему слушателя еще необходимо правильно разместить в гостиной, оформленной в стиле домашнего кинотеатра. В этом смысле существующие сегодня разнообразные форматы и отсутствие стандартов для них представляют собой дополнительное препятствие.
Введение высотных каналов значительно расширило возможности звукорежиссеров и режиссеров кино в реализации их творческих замыслов. 3D-изображение может рассматриваться как окно, за которым располагается трехмерная сцена с объектами, которые могут иметь протяженность в этом окне, как по горизонтали, так и по вертикали, в том числе и распространяться внутрь самого окна. Высотные каналы обеспечивают возможность создания гораздо более широкого спектра пространственных звуковых эффектов и усиливают реализм пространственного восприятия с точки зрения прямого звука, ранних и поздних отражений, реверберации и передачи атмосферы звука. Наличие высотных каналов играет важную роль при воспроизведении музыки даже в отсутствии изображения, поскольку дает возможность передавать ранние отражения от верхней части пространства (в первую очередь - отражения от потолка), которые играют важнейшую роль в передаче пространственной обстановки. Двумерные системы такой возможности не предоставляли.
Применение объемного звука позволяет значительно усилить эмоциональное воздействие при прослушивании музыки или просмотре фильма. Интересно также, что от прослушивания музыки в многоканальном объемном формате слушатель устает меньше по сравнению со стерео форматом. При записи многоканального звука существенным является то, для чего этот звук предназначен. Для работы с видео требуется размещать основной звук спереди, поскольку именно там и происходит действие на экране. Задние каналы при этом используются только для формирования специальных эффектов или придания звуку дополнительного объема.
«Пространственным аудио», как его называют специалисты, занимается большое количество звукозаписывающих студий, некоторые создают из них настоящие трехмерные записи уже на протяжении 15 лет, а есть такие, что и больше. Уже несколько десятилетий проблема расширения параметров звукового пространства в вертикальном направлении является приоритетной для специалистов; начиная с восьмидесятых годов прошлого века, в кинотеатрах IMAX используется специальная центральная акустическая система, позволяющая растягивать звуковую панораму вверх.
Наиболее известными системами трехмерного звучания на данный момент являются 10.2, 12.2, 22.2, Dolby Atmos и Auro -3D .
3.1. Звуковые системы 10.2 и 12.2
Одним из первых форматов объёмного звука стал формат 10.2, разработанный создателем технологии THX Томлинсоном (Томом) Холманом из Университета Южной Калифорнии (школы кинематографических искусств и техники). Разрабатывался он совместно с Крисом Киракакисом из инженерной школы Витерби. Холман и Киракакис даже придумали шуточный слоган на свое детище: 10.2 в два раза лучше, чем 5.1. Сам же искренне Том Холман считает систему 10.2 всего лишь очередным шагом на пути к по-настоящему объёмному звуку, но определённо не последним. В свое время он также полагал, что 5.1 - это «минимальное число каналов, необходимое для формирования впечатления пространства». Холман и другие исследователи вполне справедливо утверждают, что тенденция последнего времени к увеличению частот дискретизации в цифровой звукозаписи существенного влияния на восприятие уже не имеет, и что следующий рубеж в звукорежиссуре на пути к созданию полноценного восприятия пространственности звуковой панорамы – это увеличение числа дискретных каналов.
Что касается конфигурации каналов, то в формате 10.2 добавлено четыре канала к фронтальной зоне прослушивания и только один канал к зоне окружения, поскольку у человека локализация звуковых образов в пространстве спереди намного более точная, чем сзади (рис. 3.1). При оценке тех улучшений, которые следовало бы применить к формату 5.1 для увеличения точности локализации, в первую очередь нужно обратить внимание на заполнение сторон. Исследования в области психоакустики показали, что боковые отражения очень важны для восприятия ширины источника звука, и оптимальное направление на источники звука, которые должны воспроизводить эти отражения, составляет 55 градусов. В полном соответствии с результатами этих исследований, в формате 10.2 добавлены левый расширяющий (LW ) и правый расширяющий (RW ) громкоговорители, и в эти каналы введены задержки в 35 мс, моделирующие первые отражения, возникающие в типичном концертном зале, имеющем форму обувной коробки. Дополнительные дорожки, соответствующие этим каналам воспроизведения, формируются на этапе микширования. Кроме того, в формате 10.2 добавлены два фронтальных высотных канала, для воспроизведения которых служат акустические системы, расположенные над зоной прослушивания под углом 45º относительно слушателей. Эти акустические системы обеспечивают локализацию источника звука по высоте. Таким образом, устраняется главный недостаток систем пространственного звучания - отсутствие вертикальной информации, что уже давно считалось одним из основных препятствий на пути к по-настоящему реалистичному воспроизведению звука.
Символ «.2» в обозначении формата 10.2 означает, что здесь добавлен ещё один канал низкочастотных эффектов, а не просто второй сабвуфер. Все басы из левых каналов направляются на левый LFE, а все басы из правых каналов на правый LFE. Фирма Audyssey до сих пор проводит исследования на предмет этого решения. Специалисты этой фирмы считают, что хотя источник колебаний с частотой ниже 80 Гц не локализуется в пространстве, т.е. имеет как бы круговую диаграмму направленности, тем не менее, басовая стереосистема может улучшить восприятие пространственности и добавить реализма .
Рис. 3.1. Схема расположения громкоговорителей в формате 10.2 и ее связь со схемой, приведенной в рекомендациях ITU-R BS 775-1, касающейся формата 5.1
Таким образом, объемная система в формате 10.2 включает в себя 12 каналов :
● 7 фронтальных каналов: левый расширяющий LW , левый высотный LH , левый L , центральный C , правый R , правый высотный RH , правый расширяющий RW ;
● 3 канала окружения: левый окружения LS , задний окружения BS , правый окружения RS ;
● 2 канала LFE: левый L SUB , правый R SUB .
Формат 12.2 отличается от 10.2 только тем, что здесь добавлены так называемые каналы «точечного окружения» или «диффузного окружения». Громкоговорители для их воспроизведения располагаются там же где и громкоговорители LS и RS (под теми же углами), но представляют собой рассеивающие излучатели с использованием дипольных громкоговорителей. Они излучают звук таким образом, чтобы он отражался от стен раньше, чем попадал в зону прослушивания.
Общее число независимых каналов здесь – 14. В том числе (обозначения как на рис. 3.2):
● 5 фронтальных: левый LEFT , левый центральный LEFT C , центральный C , правый центральный RIGHT C , правый RIGHT ;
● 5 каналов окружения: левый окружения прямой LEFT SURR , левый окружения диффузный LEFT POINT SURR , задний окружения CENTER SURROUND , правый окружения диффузный RIGHT POINT SURR , правый окружения прямой RIGHT SURR ;
● 2 канала LFE: LEFT SUB, правый RIGHT SUB;
● 2 высотных канала: левый высотный UPPER LEFT , правый высотный UPPER RIGHT .
Символ «.2» в обозначении формата 12.2 означает, что здесь добавлен ещё один канал низкочастотных эффектов, а не просто второй сабвуфер. Все басы из левых каналов направляются на левый LFE, а все басы из правых каналов на правый LFE. Басы из центрального фронтального канала и центрального канала окружения распределяются по двум сабвуферам.
Рис. 3.2. Расположение акустических систем в формате 12.2