: архив : архив журнала "Звукорежиссер" : 2003 : #7

Лучше, меньше, да лучше
Борис Меерзон

Два громкоговорителя лучше, чем 5.1" - под таким заголовком в американском журнале IEEE SPEKTRUM была опубликована статья специалиста из SRS Labs Inc. Алана Кремера. Утверждение, конечно, парадоксальное с точки зрения устоявшихся к настоящему времени представлений большинства специалистов о приоритетах в современной аудиоиндустрии.

В последнее время на рынке бытовой аудио- и видеотехники появились DVD-плееры, телевизоры, компьютерные приставки к телевизорам и приемники, в которых используются так называемые виртуальные surround-технологии. Стали применяться новые технические решения по оборудованию домашних кинотеатров, являющиеся альтернативой хорошо известному surround-звуку с шестью громкоговорителями, включёнными по 5.1-канальной системе. Эти новинки, в основном под такими брэндами, как TruSurround от SRS Labs и N-2-2 от Spatializer, могут, в первую очередь, заинтересовать тех, у кого нет возможностей, как экономических, так и жилищных, получить реалистичный объёмный звук путём установки в комнате шести громкоговорителей. Действительно, для среднего городского жителя, в городской квартире среднего метража это часто становится неразрешимой проблемой.

Конечно, желание наиболее "продвинутых" любителей домашнего кино приобрести и почувствовать преимущества 5.1-канального surround-звука у себя дома вполне можно понять. Однако чувство эйфории у покупателя этих систем, в большинстве случаев, быстро заканчивается, по мере того, как человек сталкивается с дороговизной и сложностями установки и настройки этого оборудования. Ведь напомним, что системе требуется минимум пять громкоговорителей (левый, центральный, правый, тыловой левый и тыловой правый) и также, обычно, ещё и шестой - субвуфер, для создания специальных низкочастотных эффектов. При этом надо правильно расположить эти громкоговорители в помещении, желательно использовать специальные провода для их подсоединения к основному усилителю или приемнику, а также необходимо сбалансировать громкости каждого из шести каналов. Эти задачи могут остудить пыл каждого, кто рассчитывал сразу после установки оборудования посмотреть дома фильм со звуком обещанного рекламой качества.

Для большинства людей на этом начинается и заканчивается их опыт пользования surround-системами. Приходится признать, что установить дома систему surround-звука 5.1 - дело достаточно тонкое и обременительное. Только если куплены громкоговорители высшего класса и к ним приданы специальные качественные соединительные кабели, а также если по специальным тестам проведена настройка усилителя и регулировка громкоговорителей, что под силу сделать только специалистам, можно рассчитывать, что при прослушивании с помощью системы 5.1 удастся получить реалистичный звук.

Даже компания Dolby Laboratories Inc. из San Francisco, являющаяся родоначальником разработок систем surround-звука, то есть лицо, заинтересованное в их широком распространении, и к тому же на основании изучения потребительского рынка установившая, что в настоящее время большинство домашних surround-систем 5.1 работают именно в формате Dolby Digital, - тем не менее, вынуждена признать, что сложным многоканальным системам воспроизведения надо иметь более дешёвую и доступную альтернативу.

Рис.1

А такой альтернативой может стать система "виртуальный surround", в которой для создания окружающего звука достаточно иметь всего лишь два громкоговорителя. Это, очевидно, и есть решение всех проблем домашних кинотеатров, с которыми встречаются потребители, и что не могут не понимать и сами специалисты компании Dolby. Виртуальные системы surround звука имитируют реальное, обволакивающее слушателя звуковое пространство. Для этого используются некоторые психоакустические закономерности, позволяющие нашей слуховой системе воспринимать направление, откуда приходит звук, в трёхмерном пространстве, то есть создавать очень реалистичный surround-звук только от двух громкоговорителей, расположенных спереди слева и справа от слушателя, как в стандартной стереосистеме.

Этот феномен базируется на так называемом виртуалайзере (virtualizer), разработанном компаниями SRS Labs, Spatializer и Qsound. Это специальный психоакустический процессор, с помощью которого звуковой сигнал, записанный в формате Dolby Digital 5.1, преобразуется в два виртуальных "surround"-канала.

Постепенная эволюция аудиосистем прослеживается, если вспомнить основные этапы развития этой области техники.

Эволюция аудиосистем

Уже в конце 20-х…начале 30-х годов ХХ века специалистам стало ясно, что, при существующей в то время монофонической акустической системе, человек, слушая звук хотя и двумя ушами, но через один громкоговоритель, теряет возможность воспринимать пространственное расположение отдельных источников звука, что делает звук неестественным. Это послужило толчком к разработке системы звуковоспроизведения по двум каналам, через два громкоговорителя. Данная система, известная как стереофония, начала своё триумфальное шествие на рынке аудиопродукции.

Но в начале 70-х годов Ben Baur из CBS и Peter Scheiber, независимый консультант в Bloomington, Ind., задумались над тем, как сделать звук ещё более естественным, так как хотя стерео, по сравнению с моно, казалось великолепной системой, но всё же звук приходил только спереди, из пространства между двумя громкоговорителями. А это также вело к потере ощущения объёмности помещения, где происходило передаваемое "звуковое событие". Поэтому была предложена более сложная система, так называемая квадрафония. Здесь уже использовалось четыре громкоговорителя: левый и правый впереди слушателя, как обычное стерео, и левый, и правый позади слушателя для создания ощущения "sourrounded by sound" - объёмности звука, приходящего к ушам слушателя не только спереди, но и сзади. Однако, время действительно объёмного звука ещё не наступило, и квадрафония быстро вышла из моды.

Это произошло, очевидно, потому, что, хотя квадрафонические музыкальные аудиозаписи звучали интереснее, чем простое стерео, но это улучшение не компенсировало существенно возросшие расходы, которые должен был понести любитель-меломан, приобретая подобное оборудование. А домашних кинотеатров, для которых объёмный звук давал бы неоспоримые преимущества, в то время ещё практически не было. (Помимо этого, технология и оборудование того времени были не в состоянии обеспечить эффект пространственного звучания с должным качеством - прим. ред.)

Появление новых звуковых форматов в кино

Примерно в это же время компания Dolby Labs добилась успехов в разработке систем уменьшения шумов магнитной ленты. Первые из этих систем предназначались для профессиональных катушечных магнитофонов, но затем Генри Клосс, основатель компании Advent Corp., разработал упрощенную версию технологии шумоподавления для кассетного магнитофона. Это позволило Dolby выйти на обширный потребительский рынок, а кроме того, достижения фирмы были востребованы в кино.

В киноиндустрии, ещё с 30-х годов, звук кинофильмов записывался на оптические звуковые дорожки, расположенные вдоль края киноплёнки. При этом большой проблемой для звука в кино были шумы из-за низкого качества и износа кинопленки, увеличивающиеся после каждого очередного киносеанса. Поэтому для разработок Dolby появилась новая область применения - их системы шумоподавления и частотного расширения записей на кинопленке стали применяться в киноиндустрии.

В середине 70-х годов снимался фильм "Звездные войны" (Star Wars). Режиссер этого фильма Джордж Лукас, стремясь сделать что-то более впечатляющее и захватывающее, чем простое обычное стерео, использовавшееся в те годы в кинотеатрах, обратился за консультацией и помощью в компанию Dolby, которая уже была известна тем, что, наряду с успехами в области систем шумоподавления, имела лицензию на оригинальные патенты квадро. Специалисты Dolby предложили изменить конфигурацию расстановки громкоговорителей, принятую в квадрафонии, придав ей вместо прямоугольной ромбическую форму. Вместо передних левого и правого и задних surround-левого и surround-правого, громкоговорители расположились по иному: спереди устанавливались левый, центральный и правый, а один, четвёртый, так называемый surround-громкоговоритель, устанавливался сзади.

Но для применения этой системы на практике надо было разработать специальный кодер, который для записи на киноплёнку кодировал бы информацию, объединяя для размещения на звуковых дорожках киноплёнки четыре канала в более простой двухканальный формат. При воспроизведении в кинотеатре с помощью декодера производилось обратное преобразование - выделение из этих двух кодированных сигналов первоначальные четыре канала. Таким образом был создан формат Dolby Stereo - первая матричная многоканальная система объёмного звучания кинофильмов. Применённая при этом конфигурация расстановки в зале динамиков сделала возможным различать направления прихода различных звуков спереди, а вот задний surround-канал был, к сожалению, монофоническим, а не объёмным, как при оригинальном квадро. Но, тем не менее, практически и сегодня звук большинства фильмов кодируется именно в формате Dolby Stereo.

В конце 70-х…начале 80-х годов домашние видеоформаты VHS и Betamax стали поддерживать высококачественные стереофонические звуковые дорожки (VHS Hi-Fi и Beta Hi-Fi). Кодированные при записи видеофильмов по системе Dolby Stereo звуковые дорожки передавались на эти ленты в формате, известно, как Dolby Surround. Это были аналоговые матричные системы, которые до середины 90-х оставались основным форматом видеофонограмм. В нём информация, передаваемая по всем четырём каналам (трем передним и одному заднему surround), для записи преобразовывалась с помощью кодирования в два стереоканала. Для отличия surround-кодированных аудиосигналов от обычного surround, эти два канала было принято обозначать Lt и Rt (левый общий и правый общий). Из этих двух источников Lt и Rt декодер в кинотеатре или дома мог выделить и образовать левый, центральный, правый и surround каналы. В этом состоял принцип кодирования и декодирования. Dolby Surround.

Вскоре домашняя аудиовидеоаппаратура стала оснащаться декодерами Dolby Surround, а позднее и более совершенной их модификацией под названием Dolby Pro Logic. Последняя значительно улучшила ощущение разделения между каналами. Ведь известно, что из двух звуковых потоков (двух уравнений) извлечь без специальных ухищрений и приближений четыре раздельных сигнала (четыре корня) достаточно трудно. Эта задача вполне удовлетворительно была решена с помощью логики, заложенной в электронных схемах декодеров Dolby Pro Logic.

Таким образом, surround-звук стал доступен для среднего потребителя не только в кинотеатрах, но и дома.

А позднее, в середине 90-х годов, появились первые цифровые surround-системы, позволяющие отказаться от матричного преобразования сигналов.

Компания Dolby разработала формат AC-3, который теперь получил и другое название Dolby Digital. В то же время конкурирующая с Dolby компания Digital Theater Systems Inc. (DTS) предложила свою, во многом схожую систему Digital Theater Sound. И та и другая системы работали в варианте 5.1, так как цифровой способ записи позволял каждой из них иметь пять отдельных высококачественных аудиоканалов (левый, центральный, правый, левый surround и правый surround) плюс один канал LFE (Low Frequency Effects). Этот дополнительный шестой канал имел ограничения по полосе пропускания (его наивысшая частота была не более 80...120 Гц), и предназначался для создания низкочастотных эффектов (взрывов бомб, грозовых раскатов и т.п.). Обычно этот канал подключался к субвуферу, то есть громкоговорителю, рассчитанному на излучение инфранизких частот звукового диапазона.

Обе компании сначала предполагали использовать эти системы только в кинотеатрах. Но затем, когда цифровая техника с DVD-плеерами и цифровыми приемниками проникла на потребительский рынок, каждая из фирм создала дополнительные варианты технологий для использования своих систем в домашних условиях. В результате система Dolby Digital была во всем мире принята, как стандарт для звуковых треков на DVD, и стала также применяться в цифровом, кабельном и спутниковом телевидении, и не только в Соединённых Штатах, но и в других странах.

Но некоторые любители и знатоки систем high-end аудио все равно были не до конца удовлетворены качеством звука, достигнутым с помощью этих систем, и сетовали на то, что не только стерео, но даже surround sound в системах 5.1 отличаются от звучания реальных источников звука. Что-то было при разработке систем не учтено, но что конкретно и почему, никто долго объяснить не мог. Первым, в середине 80-х годов, решил заняться этим вопросом Арнольд Клейман. К слову, взялся он за это сложное дело в свободное от основной работы время - он тогда консультировал авиационную компанию по системам местного радиовещания на самолётах Boeing 747.

Клейман обратил внимание на вполне очевидные факты: звук в реальности воспринимается как возникающий в трехмерном пространстве и локализуется не только в горизонтальной плоскости между громкоговорителями, но ощущается приходящим и по другим направлениям: выше, ниже, спереди, сбоку или позади нас. Это обстоятельство и отличает естественный звук от звука, полученного с помощью всех известных в то время систем воспроизведения. В реальности многие люди могут определить расположение источника звука в пределах одного градуса горизонтального азимута. Но при этом оказалось, что первые разработчики стерео- и квадросистем ошибались, считая, что локализация звука в пространстве зависит только от разности амплитуд и фаз (или времени воздействия на уши) звуковой волны. Эти факторы, которыми ранее традиционно объясняли механизм стереолокализации, дают ответ далеко не на все вопросы, связанные с пространственным восприятием звука.

Например, сразу вполне естественно спросить, за счёт чего человек, имеющий только два уха, оценивает локализацию звука в трехмерном пространстве, то есть не только спереди, но и сзади, с боков, а также выше и ниже?

Клейман, работающий в настоящее время в SRS Labs, отвечает на это так:

"Система "ухо-мозг" может определять направление на источник звука за счёт феноменальной способности использовать, в качестве информации об этом, изменения в частотном распределении полного спектра сигнала, поступающего в ушной канал. Изменения эти интерпретируются мозгом, как информация об изменениях позиции источника звука относительно уха. Главную роль в этих ощущениях играет наружное ухо и ушная раковина. Они действуют, как рефлектор (отражатель) и резонатор, являясь специфическим фильтром, создающим определённый пространственный эффект".

По мнению исследователей, мозг интерпретирует эти трудно уловимые различия в частотном распределении, как информацию о направлении прихода звуков, лучше, чем изменения в тембре источника сигнала. Именно это позволяет системе "ухо-мозг" определить направления на источник звука в трехмерном пространстве, в том числе, различая звуки, приходящие спереди и сзади. Без этой способности не может существовать настоящий "surround sound".

Этот психоакустический эффект - зависимость ощущения различных направлений от изменения частотного распределения в спектрах звуковых сигналов, вызванных действием ушной раковины, а также экранирующим и отражающим действием головы слушателя, - в современной специальной литературе обозначают английской аббревиатурой HRTF (Head-Related Transfer Functions) то есть "функции передачи относительно головы". Перевод немного неуклюжий, но суть дела отражает достаточно точно. Важно то, что на основе HRTF можно создать систему бинаурального синтеза, имитирующую особенности пространственного слухового восприятия при использовании двух звуковых каналов - левого и правого. В качестве эталона при создании HRTF Клейман иcпользовал так называемую "искусственную голову" - специальный манекен с двумя микрофонами, расположенными в ушных раковинах.

В результате измерений и сравнения сигналов от громкоговорителей, расположенных в разных точках пространства и воспринимаемых микрофонами, установленными внутри "ушей" манекена, была получена сферическая диаграмма. На основе этой диаграммы была разработана довольно сложная система фильтров, которые позволяют имитировать соответствующие изменения звуковых сигналов в ушных каналах при разном расположении их источников относительно головы слушателя.

Рис.2

Одна из возможных кривых этого семейства приведена на рисунке.

При такой фильтрации стереосигнала, придающей ему информацию об оригинальном акустическом пространстве, степень реалистичности обычного стереовоспроизведения значительно повышается.

Этот запатентованный процесс, называемый "cистемой восстановления звука" (Sound Retrieval System, SRS), положил начало разработкам трехмерных (3D) звуковых систем, основанных на HRTF. При использовании SRS слушатель ощущает звуковое поле не только спереди между громкоговорителями, но и вокруг головы.

Так как surround-системы из нескольких установленных в комнатах громкоговорителей остаются для многих людей недоступными, после утверждения Dolby Digital в качестве потребительского стандарта начались разработки альтернативной виртуализированной системы.

Цель этих разработок заключалась в том, чтобы, используя технологии SRS или им подобные, преобразовать шесть отдельных каналов звука (левый, центральный, правый, левый surround, правый surround и канал для низкочастотных эффектов) таким образом, чтобы получить ощущение полного звукового surround-поля с помощью всего двух громкоговорителей. Другими словами, создать некое виртуальное пространство, в котором звуки приходят к слушателю не только спереди, но и с боков и сзади, хотя там громкоговорители вообще не установлены.

Для того чтобы воплотить эту идею в реальность, надо было решить ряд вопросов.

Прежде всего, создавая многоканальные виртуалайзеры, надо было точно понять, что слушатель должен почувствовать при включении этой новой системы. Достаточно ли будет воссоздать с помощью двух громкоговорителей слуховое ощущение, которое можно получить при обычной surround-системе 5.1, или, может быть, попытаться пойти ещё дальше, чтобы получить ещё более естественный звуковой образ, и добиться более полного "эффекта присутствия" или "эффекта участия" слушателя в передаваемом звуковом событии?

Вот наиболее значительные недостатки обычной surround-системы из нескольких громкоговорителей:

• звук кажется приходящим от громкоговорителей, а не из окружающей среды. Попытки уменьшить это ощущение за счёт создания "образа рассеивания", расширения диаграммы направленности излучения звука громкоговорителями (особенно теми, которые излучают отражённые surround-звуки), не могут обмануть слушателя;
• звук кажется ограниченным периметром комнаты и воспринимается в круге, определяемом положением громкоговорителей, а не охватывающим слушателя со всех сторон;
• не может быть создана иллюзия звукового образа, так называемого "кажущегося источника звука" с боков, из мест между передними и задним surround-громкоговорителями, где громкоговорителей нет (этот факт, кстати, известен ещё со времён опытов с квадрафонией).

Это происходит потому, что когда источник звука панорамируется между передними и другими громкоговорителями, то изменяется только амплитуда звука, а этого недостаточно для натурального эффекта такого движения.

К примеру, приведём такой звуковой эпизод: в фильме изображается шум ракеты или свист пули, пролетающей мимо слушателя спереди назад. Это можно было бы изобразить просто только тем, что звук становится громче в том канале, где по действию располагается цель, и уменьшается в канале, откуда движение исходит. Тем не менее, естественности такого перемещения источника получить не удастся, потому что не производится коррекция для имитации непрерывного изменения HRTF, которое в реальности всегда происходит, - при перемещении звука спереди назад или сзади вперед. А из-за того, что уши расположены по сторонам головы, а не спереди и сзади, мы не можем лишь за счёт перераспределения уровней громкости между передним и задним громкоговорителями точно ощутить локализацию среднебокового образа.

Виртуальная система не подвержена этим недостаткам, так как для ориентации в пространстве система "ухо-мозг" непосредственно стимулируется основанными на HRTF передаточными функциями. Создание заднего образа полностью зависит от слуховой системы слушателя. В виртуальной системе источник звука, перемещающийся между передним и задним каналами, подвергается непрерывному изменению HRTF-функций, которые могут достаточно реалистично создать иллюзию бокового образа. Поэтому при моделировании окружающей среды виртуальная система, по сравнению с системой с несколькими громкоговорителями, может во многих случаях создать эффект, более близкий к реальности.

Однако не так всё просто. Чтобы получить в домашнем кинотеатре обширное виртуальное звуковое пространство, приходится решить две проблемы. Прежде всего, звук сам по себе должен быть безукоризненным в смысле качества. Но этого мало - надо ещё выбрать "благозвучное место", т.е. такое положение в комнате относительно громкоговорителей, где слушатель сможет ощутить виртуальный эффект наиболее полно и правильно.

Бывает и так, что если слушатели просто повернут головы или передвинутся всего на три сантиметра в ту или другую сторону, весь виртуальный эффект нарушается. Это серьёзный минус, особенно если аудитория домашнего кинотеатра - не один, а несколько человек. Использование временной и фазовой обработки сигналов, которая довольно часто применяется в таких случаях, дело не улучшает, а иногда даже уменьшает площадь "благозвучного места".

Но надо признать, что проблема выбора "благозвучного места" актуальна и для традиционных surround-систем из нескольких громкоговорителей. Сядьте близко к любому из громкоговорителей - и surround-эффект будет чрезвычайно искажён.

Применение HRTF для создания позиционирования звуковых потоков в виртуальном пространстве позволяло на первых порах достичь неплохих результатов и при использовании наушников. В частности, этот метод применялся в Германии ещё в 70…80-х годах при передаче в радиоэфир записей, сделанных с помощью "искусственной головы".

Позже обнадёживающие результаты первых экспериментов с HRTF заставили разработчиков задуматься и о переносе этой технологии на обычные открытые стереофонические акустические системы.

Но здесь главная трудность заключалась в том, что записи, сделанные с помощью искусственной головы, хорошо звучали на наушниках, но при прослушивании с громкоговорителей весь эффект объёмности звука терялся. Оказалось, что реализация HRTF требует строгого распределения сигналов: звук левого канала должен поступать только в левое ухо, а звук правого канала - в правое. В наушниках так и происходит, а с громкоговорителями дело обстоит иначе: часть звукового сигнала левого канала огибает голову слушателя и попадает в правое ухо, и наоборот.

Чтобы избежать этого нежелательного эффекта, в добавление к фильтрации, основанной на HRTF, в виртуальных системах стали использовать алгоритм ICC (Interaural Crosstalk Cancellation, то есть "подавление междуушных проникновений").

Если в основе виртуальной системы заложена обработка сигналов, базирующаяся на HRTF в сочетании с применением технологии ICC и временной, и фазовой обработки, можно получить достаточно большое "благозвучное место", то есть создать зону погружения слушателя в реалистичную звуковую атмосферу на достаточно большой площади комнаты. Кроме того, удачно построенные виртуальные surround-системы имеют и ещё одно преимущество: они обычно требуют меньшей мощности обработки.

Слушатель, в первый раз включивший в иртуалайзеры, испытывает ощущения, вызывающие у него удивление. Громкоговорители расположены только спереди, а звук можно услышать со всех сторон (и сзади!). Система, разработанная компанией Cooper-Bauck Corp и продаваемая под маркой VMAx, может убедить слушателей, находящихся в "благозвучном месте", что они находятся в совершенно другом акустическом пространстве.

Конкурируют с ними и другие подобные звуковые системы. Например, трёхмерная (3D) система Qsurround из Qsound Labs, может заставить слушателя почувствовать, что кто-то ползает буквально за его спиной. Правда, по утверждению тех, кто эту систему слышал, этот эффект ощущается лишь на небольшой площади, ограниченной пределами очень маленького "благозвучного места".

Но в будущем от виртуальных систем surround-звука можно ожидать большего.

Алан Крамер отмечает, что предпосылки к этому, безусловно, есть: при правильной настройке многоканальные виртуалайзеры уже сегодня выигрывают по всем статьям. Они нуждаются только в двух громкоговорителях, а впечатление у слушателей создают не хуже, чем при стандартных системах surround-звука 5.1. Громкоговорители для них располагаются, как для стандартного стерео, но устанавливаются в комнате параллельно стене, а не под углом. Виртуальные системы surround-звука доступны огромному количеству потребителей, которые, по тем или иным причинам, не имеют возможности приобрести полную surround-систему 5.1.

Так как виртуалайзеры продолжают постоянно совершенствоваться, можно ожидать, что со временем качество воспроизведения звука в виртуальных surround-системах сможет даже превзойти системы с несколькими громкоговорителями. Благодаря непосредственному возбуждению системы "ухо-мозг", - без промежуточных устройств, какими являются громкоговорители, установленные по всем углам комнаты, - виртуальные системы могут вызвать ощущение звуковой картины, очень близкое к действительности. Домашний кинотеатр с виртуальной surround-системой действительно "обволакивает" слушателя звуком и вызывает весьма интересные ощущения. Например, самолеты, ракеты или пули, просвистев около одного из ушей слушателя, уходят за "горизонт". Звук, может появляться откуда-то издалека, сзади, из точки, расположенной даже вне физических границ комнаты. Этот эффект легко проверить: стать спиной у задней стены комнаты, а звуки всё равно будут казаться приходящими из-за вашей спины.

И все это - с помощью обычной стереофонической пары динамиков!