| Ο Ηχος στον Οικιακό
κινηματογράφο |
 |
1. Τα πρώτα βήματα
(1926-1941)
2. Τα συστήματα τεσσάρων καναλιών και οι
απαρχές του οικιακού κινηματογράφου
3. Τα αναλογικά συστήματα της Dolby: Dolby
Suround και Dolby Pro Logic
4. O
codec AC-3 και το Dolby Digital
5.
Eναλλακτικές λύσεις: Τα codecs ΜPEG και o Coherent Acoustics
της DTS
6. Περισσότερα κανάλια: Τα συστήματα
6.1 και 7.1, Dolby EX 6.1/7.1 και DTS-ES/ES Discrete
6.1
7. Surround από το πουθενά: Tα συστήματα
ψευδο-surround, Dolby Pro Logic II/IIx και DTS
Neo:6
8. Η Μυστηριώδης Υπόθεσις
"ΤΗΧ" |
|
|
| Πριν ασχοληθούμε με την δομή
και τον τρόπο λειτουργίας των αναλογικών πολυκαναλικών συστημάτων,
είναι απαραίτητο να γίνει μια σειρά από παρατηρήσεις καθοριστικές
για την ιστορική ακρίβεια: Πρώτον, Στο σύνολο του, ο
κινηματογραφικός ήχος χρησιμοποιεί τέσσερα βασικά κανάλια, το δεξί,
το αριστερό, το κεντρικό και το περιβάλλον. Ο αριθμός των
καναλιών δεν πρέπει να συγχέεται με τον αριθμό των ηχείων,
που είναι βεβαίως πολύ μεγαλύτερος ώστε να καλυφθεί σωστά μια μεγάλη
αίθουσα. Δεύτερον, (και αυτό θα αποδειχθεί στην πορεία αυτού
του κειμένου) δεν υφίσταται ειδική αναλογική κωδικοποίηση
πολυκαναλικού ήχου για το σπίτι. Μια πολυκαναλική ταινία έχει
κωδικοποιημένα σε δύο κανάλια τα τέσσερα που μόλις αναφέραμε με έναν
συγκεκριμένο τρόπο. Τα δύο υπάρχοντα οικιακά αναλογικά συστήματα
(Surround και ProLogic) χρησιμοποιούν την ίδια κωδικοποίηση, αυτήν
που ονομάζουμε Dolby Stereo στον κινηματογράφο, για να παράγουν
διαφορετικά αποτελέσματα.Για λόγους συμβατότητας και κόστους, τα
τέσσερα κανάλια του κινηματογραφικού ήχου κωδικοποιούνται σε
δύο. Ετσι, το ίδιο σάουντρακ μπορεί να διανεμηθεί σε όλες τις
κινηματογραφικές αίθουσες. Η κωδικοποίηση των τεσσάρων-σε-δύο
καναλιών γίνεται με έναν απλό αναλογικό αλγόριθμο που ονομάζεται
Motion Picture Matrix και είναι η πρώτη
προσφορά της Dolby στον κινηματογραφικό ήχο. To διάγραμμα
βαθμίδων του ΜΡ Matrix φαίνεται στο σχήμα. Περιλαμβάνει δύο κλάδους
άμεσης μεταφοράς των δύο καναλιών (L, R) στην έξοδο, έναν αθροιστή
που μοιράζει το εξασθενημένο κατά 3dB κεντρικό κανάλι στα δύο κυρίως
και μια αλυσίδα επεξεργασίας του περιβάλλοντος καναλιού που είναι
και το πλέον ενδιαφέρον κομμάτι: Μετά την εξασθένηση το σήμα περνά
μέσα από ένα φίλτρο διέλευσης ζώνης με σημεία αποκοπής τα 100Hz και
τα 7kHz και στην συνέχεια περνά μέσα από έναν επεξεργαστή για την
καταστολή του θορύβου που βασίζεται στον γνωστό τύπο B της εταιρίας.
Το τελευταίο στάδιο της αλυσίδας περιλαμβάνει μια στροφή 90 μοιρών
(θετική για το ένα κανάλι και αρνητική για το άλλο) έτσι ώστε οι δύο
συνιστώσες που μιξάρονται στα κυρίως κανάλια να έχουν διαφορές φάσης
180 μοιρών. Η έξοδος της Κινηματογραφικής Μήτρας είναι τα δύο
κανάλια Lt και Rt, τα οποία χρησιμοποιούνται από όλους τους
αναλογικούς αποκωδικοποιητές. |
 |
To διάγραμμα βαθμίδων του MP Matrix που
επέτρεψε την κωδικοποίηση τεσσάρων καναλιών σε δύο και έκανε
τα πολυκαναλικά σάουντρακ συμβατά με όλες τις αίθουσες
προβολής. | |
|
| Ο πρώτος οικιακός
αποκωδικοποιητής της Dolby παρουσιάστηκε το 1982
και ο βασικός σχεδιαστικός τους στόχος ήταν να χρησιμοποιήσει τον MP
Matrix με τον απλούστερο και αποδοτικότερο τρόπο. Το διάγραμμα
βαθμίδων φαίνεται στο σχήμα . Τα δύο κανάλια της εισόδου
οδηγούνται απ' ευθείας στην έξοδο (μέσω δικτυωμάτων ελέγχου της
στάθμης και της ισορροπίας) ενώ μια διάταξη υπολογισμού της διαφοράς
τους οδηγεί τον κλάδο του περιβάλλοντος καναλιού. Ο κλάδος
αυτός περιλαμβάνει μια γραμμή καθυστέρησης, ένα φίλτρο διέλευσης
χαμηλών με συχνότητα αποκοπής τα 7kHz και το συμπληρωματικό στάδιο
του συστήματος αποθορυβοποίησης. Ο τρόπος εξαγωγής των δύο
πρόσθετων καναλιών είναι προφανής όσο και απλός: Η διαφορά
Lt-Rt αποδίδει το περιβάλλον κανάλι αφού αυτό έχει υποστεί μίξη κατά
+/- 90 μοίρες. H ίδια διαφορά εξασθενεί την πληροφορία του κεντρικού
καναλιού, που έχει την ίδια φάση στα δύο κανάλια. Αντίθετα,
ανάμεσα στα δύο κυρίως ηχεία δημιουργείται ένα "αόρατο" ή phantom
κεντρικό κανάλι που προκύπτει από την άθροισή τους στον χώρο και
ταυτόχρονα εξασθενείται το surround αφού οι δύο του συνιστώσες
αλληλοαναιρούνται. |
 |
Το διάγραμμα βαθμίδων του αποκωδικοποιητή
Dolby Surround που παρουσιάστηκε το 1982 και έγινε
ολοκληρωμένο κύκλωμα το 1983. Εξάγει την πληροφορία του
περιβάλλοντος καναλιού με απλή αφαίρεση γι' αυτό ονομάζεται
και παθητικός. | |
| Ο αποκωδικοποιητής του 1982
χρησιμοποιεί τα δύο κωδικοποιημένα κανάλια του MP Matrix για να
παρέξει τρία πραγματικά και ένα phantom στον οικιακό χώρο. Είναι
σημαντικό να αναφερθεί (για ιστορικούς λόγους πλέον) ότι η χρήση
ηχείου για το κεντρικό κανάλι σε έναν παθητικό, όπως λέγεται,
αποκωδικοποιητή είναι λάθος, γιατί αποδίδοντας το άθροισμα Rt+Lt+C
θα στενεύει την εικόνα εμπρός από τον ακροατή. Από την άλλη βεβαίως,
η απουσία κεντρικού ηχείου στερεί από τους καθήμενους εκτός άξονα
ακροατές την ακρίβεια στον εστιασμό των διαλόγων. Η οικονομική λύση
της Dolby υπήρξε βεβαίως ιστορική αλλά ταυτόχρονα έφερε και κάποια
εγγενή προβλήματα: Το περιβάλλον κανάλι διαμορφωνόταν όχι μόνο από
τις διαφορές που δημιουργούσε το αντίστοιχο κανάλι κατά την την
κωδικοποίηση αλλά και από τις πραγματικές διαφορές μεταξύ του δεξιού
και του αριστερού καναλιού, με αποτέλεσμα να υπάρχει διαρροή του
"εμπρός" πεδίου στο "πίσω" κάτι που αποτελεί και το βασικό πρόβλημα
της μεθόδου η οποία επιπροσθέτως υπήρξε εξαιρετικά ευαίσθητη σε
οποιοδήποτε σφάλμα ισορροπίας είτε της ηχογράφησης είτε του ίδιου
του συστήματος. Πρός την κατεύθυνση αυτή βοηθητικές υπήρξαν οι τρείς
επεξεργασίες στις οποίες υπόκειται το περιβάλλον κανάλι: Η
γραμμή καθυστέρησης υποβοηθά το φαινόμενο Haas
επιτρέποντας στον ανθρώπινο εγκέφαλο να επεξεργάζεται πάντοτε πρώτο
το "εμπρός" πεδίο και κατόπιν το "πίσω" ακόμη κι αν ο ακροατής
κάθεται κοντά στα πίσω ηχεία. Το βαθυπερατό
φίλτρο εξασθενεί τις υψηλές συχνότητες που συμβάλουν στην
δημιουργία αίσθησης "παρουσίας" των πίσω ηχείων απομακρύνοντάς τα
τεχνητά από τους ακροατές, ενώ πρός την ίδια κατεύθυνση λειτουργεί
και το σύστημα αποθορυβοποίησης που
χρησιμοποιήται. Σε γενικές γραμμές, το παθητικό σύστημα μπορεί
να δημιουργήσει με αρκετή πειθώ μια αίσθηση ότι ο ακροατής βρίσκεται
μέσα στο ηχητικό πεδίο, πάσχει ωστόσο όσον αφορά στις δυνατότητες
ακριβούς εστιασμού ηχητικών πηγών στο χώρο. |
 |
Ο αποκωδικοποιητής ProLogic
διαφοροποιήται ως πρός την εισαγωγή της βαθμίδας Adaptive
Matrix η οποία παρακολουθεί το σήμα εισόδου και ελέγχει την
λειτουργία της αποκωδικοποίησης. Η βαθμίδα αυτή
αναλύεται στο σχήμα 5. | |
Directional
Enhancement: H Aρχή λειτουργίας του ProLogic
Εχοντας σαν
δεδομένο τον τρόπο λειτουργίας του MP Matrix και τις εγγενείς
αδυναμίες του Dolby Surround, του πρώτου συστήματος οικoικού
πολυκαναλικού ήχου ο επόμενος στόχος ήταν η δημιουργία ενός
αποκωδικοποιητή που θα εξασφάλιζε από τα δύο γνωστά κανάλια Rt/Lt
μεγάλη ακρίβεια στον εστιασμό ηχητικών πηγών σε ένα χώρο εύρους 360
μοιρών.Το αποτέλεσμα ήταν το γνωστό ProLogic ένα σύστημα δυναμικό,
υπό την έννοια ότι η λειτουργία του εξαρτάται από το ίδιο το σήμα
και όχι από κάποιες απλές μαθηματικές φράσεις. Η αρχή λειτουργίας
ενός δυναμικού συστήματος είναι η Βελτίωση της
Κατευθυντικότητας, απόδοση στα ελληνικά του όρου
Directional Enhancment που αναφέρεται στην βελτίωση των δυνατοτήτων
απόδοσης συγκεκριμένης κατεύθυνσης από ένα πολυκαναλικό σύστημα. Σε
επίπεδο θεωρίας έχουν γίνει τρία βήματα πρός την υλοποίηση της αρχής
του Directional Enhancement.
Η Ανύψωση του Κέρδους (Gain
Riding). Στην προσέγγιση αυτή, το σήμα εισόδου
χρησιμοποιείται από ένα κύκλωμα ελέγχου της στάθμης κάθε καναλιού
μέσω ενισχυτών ελεγχόμενων από τάση (VCAs). Ενα ισχυρό
κεντρικό σήμα καθοδηγεί το σύστημα ελέγχου πρός την μείωση της
στάθμης των καναλιών L/R έτσι ώστε η υπάρχουσα διαρροή του σε αυτά
να μειώνεται σε αντιστοιχία. Το σύστημα δουλεύει στα χαρτιά,
θεωρώντας ελάχιστη την πιθανότητα ταυτοχρονισμού ισχυρών σημάτων στα
Lt/Rt/C ταυτόχρονα. Στην περίπτωση αυτή όμως, που τελικώς
συμβαίνει πολύ συχνά, το κεντρικό (και θεωρούμενο ως σημαντικό) σήμα
θα διαμορφώνει τα κυρίως δημιουργώντας μια χαρακτηριστική
παραμόρφωση (pumping).
H Aρχή της Ακύρωσης (Cancellation
Concept). Περισσότερο αποτελεσματική προσέγγιση είναι
αυτή της ελεγχόμενης μίξης του αντεστραμμένου καναλιού με το άλλο,
μια διαδικασία που ισοδυναμεί με αφαίρεση. Για παράδειγμα,
αφαιρώντας ένα μέρος του Lt από το Rt αφαιρείται και η διαρροή του
κεντρικού καναλιού από το Rt και ομοίως από το Lt (με αφαίρεση του
Rt). Το πόσο σημαντικό κομμάτι θα αφαιρεθεί αποφασίζεται δυναμικά
από το σύστημα με ανάλυση του σήματος εισόδου. Το πλεονέκτημα της
προσέγγισης αυτής είναι ότι υλοποιεί μόνον αλλαγές στην θέση
εστασμού των πηγών χωρίς να μειώνει την στάθμη των καναλιών. Βεβαίως
υπάρχει και ένα μειονέκτημα: Εγγενώς, υπάρχει μια διαρροή ενός
ποσοστού από το αντεστραμμένο κανάλι (το ποσοστό εκείνο που δεν
αντιστοιχεί σε πληροφορία του κεντρικού καναλιού αλλά σε πραγματικές
διαφορές ανάμεσα στα Lt/Rt) την οποία δεν μπορούμε να
αποφύγουμε.
Η Αρχή της Eπικάλυψης (Masking Effect
Concept). H επικάλυψη των ασθενέστερων ήχων από τους
επικρατούντες έχει ιδιαίτερη αξία σε ένα δυναμικό σύστημα
αποκωδικοποίησης του οποιου η βασική λειτουργία είναι να εστιάσει
σωστά τους ήχους που επικρατούν και αποτελούν έτσι την σημαντική
ηχητική πληροφορία της σκηνής. Εαν ο ήχος είναι ισχυρός το
σύστημα αντιδρά αναλόγως και το εστιάζει σωστά αφαιρώντας την
διαρροή του στις σωστές αναλογίες με βάση την αρχή της
ακύρωσης. Καθώς η στάθμη δεν αλλάζει, δεν έχουμε pumping και
επιπρόσθετα η αλλοίωση στην θέση των υπόλοιπων πηγών δεν μας
ενδιαφέρει ιδιαίτερα καθώς αυτές επικαλύπτωνται από τον επικρατούντα
ήχο. Στην αντίθετη ακριβώς περίπτωση, όταν δηλαδή ο επικρατών ήχος
έχει μικρές διαφορές στάθμης από τους υπόλοιπους, οι τελευταίοι
είναι προφανώς τόσο ισχυροί ώστε με την σειρά τους επικαλύπτουν την
διαρροή του πρώτου στα γειτονικά κανάλια. Αρα χρειαζόμαστε
μικρότερης έκτασης διορθώσεις που με την σειρά τους δεν "φαίνονται"
παρά το γεγονός ότι οι υπόλοιποι ήχοι δεν επικαλύπτονται από τον
επικρατούντα ήχο. Σε περιπτώσεις όπου ένας ήχος μοιράζεται σε όλα τα
κανάλια (για παράδειγμα μια ηχητική σκηνή βροχής) δεν υπάρχει ανάγκη
για βελτίωση της κατευθυντικότητας και ο δυναμικός αποκωδικοποιητής
"εκφυλίζεται" σε παθητικό. |
 |
Το διάγραμμα αυτό δείχνει την γεωμετρική
ανάλυση ενός πολυκαναλικού συστήματος. Ενας επικρατών
ήχος μπορεί να θεωρηθεί ως ένα διάνυσμα με μέτρο την στάθμη
του και φάση την γωνία από την οποία προέρχεται (ένα αυθαίρετο
μέγεθος που μπορεί να μετρηθεί ως πρός διάφορα σημεία
αναφοράς, φυσικά). Το ProLogic δημιουργεί τέσσερα σήματα
ελέγχου ένα για κάθε ημιάξονα των xx' και yy' που
αντικατοπτρίζουν ποιά κατεύθυνση επικρατεί στους κύριους
άξονες LR και CS. | |
Το σύστημα Dolby
ProLogic έκανε την εμφάνισή του το 1987 και είναι η
εμπορική εκδοχή ενός δυναμικού συστήματος αποκωδικοποίησης δύο
καναλιών σε τέσσερα, προσθέτει δηλαδή και ένα κεντρικό κανάλι.
Κάνει χρήση των αρχών της ακύρωσης και της επικάλυψης όπως τις
περιγράψαμε πιο πάνω και έχει μια αρκετά σύνθετη μέθοδο ανάλυσης του
σήματος εισόδου και προσδιορισμού του επικρατούντως ήχου. Το
διάγραμμα βαθμίδων ενός αποκωδικοποιητή ProLogic φαίνεται στο σχήμα
και η ομοιότητά του με το αντίστοιχο του Surround είναι
προφανής. Ωστόσο, την θέση του δικτυώματος αφαίρεσης έχει
πάρει ένα μπλόκ με την ονομασία Adaptive Matrix
(που βεβαίως κάνει όλη τη δουλειά) ενώ έχουμε και ξεχωριστή ρύθμιση
της στάθμης του κεντρικού καναλιού.Η λειτουργία του σε γενικές
γραμμές περιλαμβάνει την εκτίμηση του σήματος εισόδου, την εφαρμογή
των αρχών της ακύρωσης και της επικάλυψης, την επεξεργασία του
περιβάλλοντος καναλιού κατά τα γνωστά καθώς επίσης και την ρύθμιση
της στάθμης των τεσσάρων καναλιών, L,R,C,S που προκύπτουν.
Η
"λήψη απόφασης" σχετικά με την φύση του σήματος και τον επικρατούντα
ήχο κάθε στιγμή δεν είναι βεβαίως μια απλή διαδικασία. Το
πρώτο βήμα για την κατανόησή της βρίσκεται στο σχήμα όπου φαίνεται η
ανάγκη μετατροπής της καρτεσιανής φύσης ενός τετρακαναλικού
συστήματος σε πολική. Ο εστιασμός μιας ηχητικής πηγής είναι
στην ουσία ένα άνυσμα με μέτρο που αντιστοιχεί στην στάθμη του
συγκεκριμένου ηχητικού στιγμιοτύπου και "φάση" μια αυθαίρετη γωνία
που αντιστοιχεί στην ακριβή θέση της στις 360 μοίρες του ορίζοντα
ενός τετρακαναλικού συστήματος. Η προσαρμοζόμενη μήτρα του ProLogic
μεταφέρει όλες αυτές τις διαδικασίες σε ηλεκτρικό επίπεδο με τρόπο
που φαίνεται αναλυτικά στο σχήμα.
Κατά τα γνωστά, τα σήματα Rt,
Lt οδηγούνται κατ' ευθείαν στην έξοδο ενώ ένα κομμάτι τους
χρησιμοποιήται και για τον έλεγχο του συστήματος. Το κομμάτι
αυτό περνά μέσα από ένα ζωνοδιαβατό φίλτρο (που αποκόπτει τις πολύ
χαμηλές και τις υψηλές συχνότητες) και στην συνέχεια τροφοδοτεί ένα
δικτύωμα άθροισης από το οποίο προκύπτει η πληροφορία του κεντρικού
καναλικού και ένα δικτύωμα διαφοράς από όπου προκύπτει η πληροφορία
του περιβάλλοντος καναλιού. Υστερα από αυτά έχουμε στη διάθεσή μας
τέσσερα σήματα ελέγχου που ανορθώνονται και εισάγονται σε έναν
διαφορικό ενισχυτή με λογαριθμική συνάρτηση μεταφοράς. Η
σύγκριση των λογαρίθμων των σημάτων ανά δύο δημιουργεί ένα σήμα
ελέγχου που είναι ανάλογο με την διαφορά ακουστότητάς τους. Το κάθε
σήμα μπορεί να κυμαίνεται από αρνητικές έως θετικές τιμές δίνοντας
μας με ακρίβεια ποιά κατεύθυνση επικρατεί ανά πάσα στιγμή στους δύο
άξονες (τον άξονα LR o ανώτερος κλάδος και τον αξονα CS, ο
κατώτερος) Τα σήματα αυτά ελέγχονται συνεχώς ως πρός κάποιες
ακραίες τιμές μέσω ενός δικτυώματος που καθορίζει ένα
κατώφλιο. Πάνω από το κατώφλιο αυτό το σύστημα συμπεραίνει ότι
υπάρχει ανάγκη βελτίωσης της κατευθυνιτικότητας και με αλλαγή μιας
σταθεράς χρόνου γίνεται γρήγορο. Σε αντίθετη περίπτωση, περνά σε
ρυθμό passive (όπως στο παράδειγμα της βροχής που αναφέρθηκε). Η
επόμενη βαθμίδα χωρίζει το σήμα σε θετικές και αρνητικές
τιμές. Εχουμε τώρα στη διάθεσή μας μια τάση ελέγχου για τον
κάθε ημιάξονα του διαγράμματος που ελέγχει έναν VCA για κάθε
κανάλι από τα Rt, Lt. Oι οκτώ ενισχυτές ελεγχόμενοι από τάση
μαζί με τα κυρίως σήματα που παραμένουν ανέπαφα μπορούν να ορίσουν
το μέτρο Vd και να "στρέψουν" κατά μια γωνία θd τον εστιασμό
μιας ηχητικής πηγής. Τα δέκα αυτά σήματα συμμετέχουν μέσω ένός
δικτυώματος ζύγισης (για το οποίο η βιλιογραφία σιωπά επιδεικτικά)
στην διαμόρφωση κάθε ενός από τα τέσσερα κανάλια δημιουργώντας έτσι
ένα ηχητικό πεδίο του οποίου η μορφή καθορίζεται σε κάθε χρονική
στιγμή από 40 παραμέτρους. |
 |
To διάγραμμα βαθμίδων της Προσαρμοζόμενης
Μήτρας που χρησιμοποιήται στο ProLogic. Το μεγαλύτερο
κομμάτι του σχετίζεται φυσικά με την ανάλυση του σήματος
εισόδου την πρόβλεψη του επικρατούντος ήχου και την εφαρμογή
των αρχών ακύρωσης και
επικάλυψης. | |
|
| |
