Система DTS — Digital Theatre System

Компрессия цифровых звуковых данных в системе SDDS

Общие замечания

Первоначально алгоритм компрессии ATRAC был разработан фирмой Sony для системы записи аудиоданных Mini-Disk (MD) в 1992 году, когда ею на рынке был представлен первый минидисковый плеер. С использованием алгоритма ATRAC удалось запись длительностью звучания 74 мин разместить на диске диаметром 64 мм и емкостью 140 Мбайт путем пятикратного сжатия аудиоданных по сравнению с обычными компакт-дисками. При этом потеря качества звучания практически неощутима.

Чуть позже, в 1993 году, этот алгоритм был использован в системе пространственного звучания SDDS для записи многоканального звука. В системе SDDS скорость цифрового потока составляет 292 кбит/c на канал.

В настоящее время известно несколько модификаций данного алгоритма (см. табл. 1). Это свидетельствует о постоянном внимании разработчиков к своему продукту, стремлении постоянно его совершенствовать с целью повышения качества компрессированных сигналов и снижения скорости цифрового потока, что необходимо также и для его продвижения в других возможных сферах применения. При этом более поздние версии остаются совместимыми с более ранними.

Следует все же отметить, что в самых первых экспериментальных версиях MD использовалось 12-битовое нелинейное квантование с частотой дискретизации, равной 32 кГц, следовательно, ни о каком качестве Hi-Fi речи быть не могло. И только появление системы адаптивного кодирования ATRAC, использующего психоакустические методы компрессии, позволило вывести качество записи MD на уровень, не уступающий CD. Некоторым недостатком системы ATRAC является ее закрытость, так как подробные описания алгоритмов не опубликованы, защищены патентным законодательством и не доступны, по крайней мере легальным образом, для использования сторонними разработчиками в своих продуктах.

Декодер системы кодирования ATRAC

Структурная схема декодера системы кодирования ATRAC представлен на рис. 6. При декодировании необходимы гораздо более простые преобразования: прежде всего цифровой поток демультиплексируется, и затем с помощью служебной информации Side Info в каждой субполосе реконструируются коэффициенты МДКП в блоке спектральной реконструкции Spectral Reconstruction декодера. Далее выполняется обратное модифицированное дискретное косинусное преобразование ОМДКП (блоки ОМСД-Н, ОМДКП-С, ОМДКП-Н), где восстанавливаются субполосные составляющие исходного звукового сигнала и затем в инверсных QMF-фильтрах они суммируются, образуя восстановленный звуковой сигнал.

Рис. 6. Структурная схема декодера системы кодирования АТРАС

Цифровой формат системы DSD — Direct Stream Digital

Система DSD (Direct Stream Digital) — это формат цифровой передачи звука однобитовым потоком данных с использованием дельта-сигма модуляции. Дискретизация аналогового звукового сигнала осуществляется с очень высокой частотой, равной 2,8224 МГц (в 64 раза выше, чем в системе компакт-диска), при этом все изменения сигнала регистрируются таким образом, что достигается точность описания, эквивалентная 20…24-битовой системе ИКМ, работающей с частотой дискретизации выше 200 кГц. Недостатком можно считать высокую скорость передачи данных для многоканального звука — передача шести сигналов требует пропускной способности канала, равной почти 8,5 Мбит/с. Достоинство — звучание оценивается экспертами как совершенное и практически не отличающееся по восприятию от аналогового звука (см. по данной теме журнал «Звукорежиссер» 2 и 7 номера за 1999 год).

Заключение

В завершение статьи приведем сравнительные характеристики цифровых систем записи и воспроизведения звуковых сигналов, учитывая все их многообразие, что позволит читателю лучше ориентироваться в том, что имеется сегодня на рынке, ибо целый ряд форматов и систем все еще находится в конкурентной борьбе и не стандартизован (табл. 3).

В системах Dolby Digital формата 5.1 (3/2+канал СНЧ; входной сигнал 20 бит/44,1 кГц) уменьшение скорости цифрового потока сопровождается соответствующим уменьшением верхней частоты звукового сигнала, который составляет при скорости цифрового потока:

• 448 кбит/c — 20,3 кГц;
• 384 кбит/c — 18,1 кГц;
• 320 кбит/c — 15,8 кГц;
• 256 кбит/c — 12,4 кГц;
• 224 кбит/c — 9,1 кГц.

В системах DTS формата 5.1 (3/2+канал СНЧ; входной сигнал 20 бит/48 кГц) при скорости цифрового потока 1509 кбит/c верхняя частота звукового сигнала составляет 21,1 кГц.

Сокращенные обозначения:

CD — Compact Disc;

CDS — Cinema Digital Sound;

LD — Laser Disc;

PCM — Pulse Code Modulation;

LPCM — Liniar Pulse Code Modulation;

DVD — Digital Versatile Disc.

DVD-A — DVD-Audio;

SACD — Super Audio CD;

DSD — Direct Stream Digital;

DD — Dolby Digital;

DTS — Digital Theatre Systems;

SDDS — Sony Dynamic Digital Sound.

…Что же ждет нас в будущем?

Несомненно, будет расти количество каналов в системах окружающего звука, что уже реализовано в системах Dolby Digital Surround EX и DTS-ES формата 7.1. Возможно, что система пространственно распределенных громкоговорителей будет в дальнейшем разделена на большее, чем три (LS, TS, RS), количество групп. Для кинотеатров уже разработаны десятиканальные системы с двумя НЧ-каналами (10.2).

Ведутся эксперименты по расположению громкоговорителей в кинозалах не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости. Например под потолком, чтобы в еще большей степени окружить зрителя пространственным звуком.

Появятся системы пространственного звучания с большим числом дискретных каналов записи и воспроизведения звука, разработанные специально для компьютеров и игровых приставок.

Уже сегодня системы пространственного звучания присутствуют на радио, телевидении, в интернете, в домашних видеокомплексах, и их возможности по передаче пространственной информации будут непрерывно расширяться.

По образному выражению Х. Флетчера, «Стереофоническая система — это не два, три или любое другое фиксированное число каналов. Их должно быть столько, чтобы создавалась иллюзия бесконечного их количества».

Система DTS — Digital Theatre System

В стремлении завоевать рынок цифрового звука в кино компания Dolby Lab (см. журнал «Звукорежиссер», 4-5/2004, книгу В. А. Никамина «Системы пространственного звучания», СПб, 2004 г.) была не одинока. В 1993 году вышел фильм Стивена Спилберга «Jurassic Park» (Парк Юрского периода), где звук был закодирован по системе DTS (Digital Theater Systems). Брэнд DTS — это название не только звуковой системы, но и фирмы, зарегистрированной в 1993 году, то есть она существенно моложе компании Dolby Lab. Совладельцами DTS являются сам Стивен Спилберг и компания Universal. Изначально система DTS разрабатывалась для нужд профессионального кинематографа и позиционировалась как цифровая звуковая система пространственного звучания повышенного качества. Заметим, что это дискретная звуковая система форматов 5.1 (рис. 1а) или 6.1 (рис. 1б).

Рис.1. Расположение громкоговорителей в кинотеатрах, оборудованных для воспроизведения звука по системе DTS форматов 5.1 (а) и 6.1 (DTS ES Matrix 6.1 и DTS ES Discrete 6.1 (б)

Разработка системы DTS началась еще в 80-х годах, когда основатель и президент фирмы NUOPTIX Терри Биад и инженер Джим Кетчем объединили свои усилия для создания новой системы озвучивания кинофильмов. При этом в основу изысканий они положили три принципа:

• не стоит выкраивать на кинопленке, которая и так является ненадежным носителем, еще одно место для звуковой дорожки, лучше для этой цели использовать отдельный носитель звука;
• звук должен быть обязательно цифровым с характеристиками, недостижимыми для аналоговых систем кинематографа;
• звук должен быть записан на недорогой, но технологически пригодный для кинематографа носитель.

В качестве такого носителя первоначально был взят DAT-магнитофон, синхронизированный с кинопроектором. Но он оказался весьма инерционным устройством, не позволяющим оперативно реагировать на смену видеоряда. В конце концов в качестве носителя записи был выбран CD-ROM, который в сочетании с выбранным алгоритмом компрессии звука позволил разместить на нем многоканальную фонограмму длительностью звучания до 100 минут. Именно CD-ROM, а не CD-Audio. Этот выбор оправдан, по мнению разработчиков, в силу следующих причин:

• информация на CD-ROM лучше структурирована и легче поддается идентификации, что важно с точки зрения синхронизации и удобства монтажа;
• у CD-ROM лучше защита от цифровых ошибок;
• в качестве исходного сигнала здесь использовался сигнал с частотой дискретизации 44,1 кГц/16 бит или позже 96 кГц/24 бит (DTS 96/24);
• в качестве кодера источника для системы DTS выбран кодер apt-X100, разработанный фирмой Audio Processing Technology во главе с инженером Стефаном Смитом и обеспечивающий сжатие звуковых данных 4:1;
• суммарное значение скорости цифрового потока лежит в данном случае в пределах 768…1500 кбит/c при искажениях, лежащих ниже порога их слуховой заметности.

Рис. 2. Размещение дорожек записи звуковых сигналов на кинопленке для современных форматов многоканального звука

С помощью всего двух дисков можно, используя данный формат, озвучить кинофильм продолжительностью более трех часов. Для синхронизации изображения и звука на киноленту дополнительно наносится узкая дорожка с временным кодом DTS (рис. 2). Благодаря меньшему сжатию данных, чем в Dolby AC-3, качество звука, закодированного кодером apt-X100, в системе DTS выше, чем у Dolby Digital. Тем не менее, прежде всего благодаря активности производителя, система Dolby Digital продолжает занимать господствующее положение на рынке. Однако сегодня насчитывается уже более 19 тысяч кинотеатров, оборудованных системой DTS.

Высокое качество звука в системе DTS послужило причиной ее экспансии и в мир чисто музыкальных компакт-дисков, а также и DVD-дисков, ориентированных уже исключительно на домашнее пользование. Для кодирования сигналов здесь применяется немного измененный алгоритм компрессии, названный Coherent Acoustics, имеющий меньшее сжатие аудиоданных и соответственно более высокое качество. Этот кодер был разработан компанией AlgoRhitmic, возглавляемой Стефаном Смитом. Позже Стефан Смит и Терри Биад с целью быстрейшего продвижения своих разработок на рынок домашнего потребителя объединили свои компании в одну, дав ей новое название DTS Technology. Именно это название фирма носит и сегодня.

Кодер Coherent Acoustics, работая в формате 5.1 при частоте дискретизации 48 кГц и разрешении 24 бита, обеспечивает более высокое качество, чем Dolby Digital. В DTS все 6 каналов полностью независимы, имеют полосу частот 20…20000 Гц за исключением канала СНЧ, где полоса частот составляет 20…80 Гц, скорость цифрового потока данных на выходе кодера равна 1,235 Мбит/c. На сегодня это самый высококачественный формат из существующих ныне способов кодирования звука для DVD-фильмов с многоканальным звуком.