Звук в цифровом кинематографе

Валерий Хлебородов

Система Dolby Digital

Фирма Dolby Laboratories стала заниматься проблемами звука в кинематографе в начале 1970-х годов. Разработанная в 1986 г. четырехканальная аналоговая матричная система Dolby SR (Spectral Recording — спектральная запись) обеспечила радикальный скачок качества звуковой составляющей кинопродукции во всем мире. Академия кинематографических искусств и наук США высоко оценила деятельность фирмы, присудив ей в 1989 г. награду за заслуги по улучшению звука кинофильмов [1]. Однако поистине триумфальным достижением Dolby Laboratories стала цифровая дискретная система Dolby Digital [2, 3], внедренная в 1992 г. Система позволяет иметь пять независимых полнополосных (20…20000 Гц) каналов — левый, центральный, правый, левый и правый окружающего звука, а также шестой канал инфразвуковых эффектов (Low Frequency Effects, LFE), или канал .1, с ограниченной полосой частот (3…120 Гц)* [4]. Отсюда и второе название этой системы — 5.1. Размещение в кинозале акустических агрегатов (громкоговорителей) для всех шести каналов иллюстрирует рис.1 [3].

Рис. 1. Размещение громкоговорителей в системе Dolby Digital: 1 -левый; 2 -LFE; 3 — центральный; 4 — правый, 5, 6 — левые, правые окружающего звука

Кодированные звукоданные всех шести каналов оптически записываются в виде квадратных блоков между перфорациями 35-мм кинокадра (рис. 2а) [5]. Этот условный рисунок удобен для пояснений, хотя реальные блоки имеют гораздо более тонкую структуру (рис. 2б) [6]. Справа от левосторонних перфораций видны две стандартные аналоговые звуковые дорожки, в центре — изображение системы Cinemascope, сжатое по горизонтали. Сейчас выпускаются комбинированные звуковые панели для кинопроекторов, имеющие цифровой и аналоговый считыватели (readers), например Digital Red Block фирмы Meopta [7].

*LFE-канал следует отличать от инфразвукового (ИЗ) канала, питающего ИЗ-громкоговоритель (subwoofer). Акустическое излучение громкоговорителя LFE-канала не имеет прямого отношения к локализации источников. Канал призван добавлять эффектные звуковые элементы (инфразвуки при землетрясениях, раскаты грома, пушечные выстрелы, рев взлетающих самолетов, 16-Гц рокот церковного органа и пр.), которые оказывают на кинозрителей очень большое эмоциональное воздействие, а также уменьшать мощностную нагрузку на основные громкоговорители в низкочастотной области звукового спектра. Однако LFE-канал программы со звуком Dolby Digital не всегда является полной заменой ИЗ-канала. Например, если полную НЧ-составляющую звукового сопровождения, включая LFE-составляющую, способны воспроизвести основные громкоговорители, то на выходе Dolby-декодера ИЗ-сигнал может отсутствовать. Верна и обратная ситуация: если в программе LFE-канал не предусмотрен, декодер может синтезировать выходной ИЗ-сигнал на основе сигналов основных каналов, если отдельные или все основные громкоговорители окажутся неспособными воспроизвести доставленную НЧ-информацию.

Как показывают расчеты, для передачи ИКМ-звукоданных (48 кГц/20 бит) шести каналов требуется поток 5,76 Мбит/с. Чтобы считывание квадратных оптических блоков было надежным, эквивалентный поток записи не должен превышать 560 кбит/с. При учете битов для защиты от ошибок, позволяющих бороться с отказами из-за склеек и загрязнений киноленты, этот показатель снижается до 320 кбит/с. Таким образом, данные должны быть сжаты в 18 раз. Специалистам Dolby Laboratories удалось решить эту задачу, сохранив высокое качество звука благодаря применению так называемого перцепционного кодирования, учитывающего свойства слухового аппарата человека. На изучение механизма восприятия различных частот фирма затратила более 20 лет, но этот метод, хотя и давал отличные результаты, все же относится к алгоритмам необратимого сжатия, при котором значительная часть информации утрачивается. Алгоритм Dolby Digital, первоначально он назывался AC-3, подробно описан в [4]. В его основе лежат методы кодирования с преобразованием и три принципа психоакустики: частотная зависимость слухового ощущения и воспринимаемой громкости, временное/частотное маскирование звуковых стимулов и различие между полосами частотного спектра (используется при полосном кодировании) [8]. Большой динамический диапазон, широкополосность, малые искажения, приемлемая износостойкость и наличие аналоговых звуковых дорожек объясняют популярность фильмов Dolby Digital. Оборудованием для их показа оснащено большинство кинотеатров в мире.

Системы SDDS, DTS и Dolby Digital Surround EX

В 1993 г. свое решение цифрового звука для кинематографа предложила фирма Sony. Профессиональная система Sony Dynamic Digital Sound (SDDS) [6, 8] также предусматривает оптическую запись блоков кодированных звукоданных на 35-мм кинокадре (см. рис. 2б). В отличие от Dolby Digital, 8-канальная (7.1) система SDDS имеет пять фронтальных каналов (левый, центрально-левый, центральный, центрально-правый и правый), что дает более правильную звуковую картину диалогов фильма. Впервые система была использована для записи звука картины «Последний герой». Варианта системы SDDS для домашнего кинотеатра не существует.

Рис. 2. Размещение звуковых дорожек на 35-мм кинокадре: а(слева) — дорожки всех систем; б(справа) — цифровые дорожки систем SDDS (верхняя) и Dolby Digital (между перфорациями)

Цифровая звуковая дорожка считывается лазером, сфокусированный луч которого, проходя через кинопленку, попадает на увеличительную линзу, а затем на фотодиодную матрицу. В системе SDDS используется перцепционное кодирование ATRAC (Adaptive Transform Acoustic Coding), которое Sony разработала для бытовых проигрывателей MiniDisc. Спектр звуковых сигналов разделяется на полосы 0…5,5; 5,5…11 и 11…22 кГц, сигналы этих полос подвергаются модифицированному дискретному косинусному преобразованию (МДКП) для вычисления частотных коэффициентов. При частоте дискретизации 44,1 кГц в каждой полосе образуется 256 коэффициентов, которые затем группируются и обрабатываются соответствующим образом, чтобы реализовать коэффициент сжатия 5:1. Декодирование производится в обратном порядке.

На 35-мм кинокадре, приведенном на рис. 2а, справа от аналоговых звуковых дорожек видна непрерывная последовательность белых штрихов — оптическая запись временного кода, используемого в системе Digital Theater System (DTS) для синхронизации проигрывателя CD-ROM-дисков с 6-канальным (5.1) звуком кинофильма [9]. При частоте дискретизации 44,1 кГц и коэффициенте сжатия 4:1 продолжительность звуковой программы составляет 3 ч 33 мин. Впервые система DTS была использована в 1993 г. при съемке фильма «Парк Юрского периода».

На рис. 2а показаны сигналограммы всех трех систем звукового сопровождения кинофильмов — Dolby Digital, SDDS и DTS, причем цифровые дорожки двух первых продублированы для повышения их надежности. И хотя приведенный рисунок условный, подобная универсальная кинолента может появиться, так как для прокатчиков было бы очень удобно иметь фильм, который можно показать в кинотеатре с любым оборудованием.

В 1998 г. Dolby Laboratories и Lucasfilm THX* совместно разработали систему Dolby Digital Surround EX [3, 10] для показа фильма «Звездные войны. Эпизод I: Скрытая угроза» (1999 г.). Эта 6-канальная система отличается от Dolby Digital только добавлением третьего, заднего канала окружающего звука, громкоговорители которого устанавливаются вдоль задней стены кинозала (рис. 3) [3]. Благодаря этому звуковое поле в зале становится более равномерным, а эмоциональное воздействие эффектов окружающего звука (например, панорамирование звука от экрана до задней стены) на кинозрителей усиливается. Как и все другие системы фирмы, Dolby Digital Surround EX характеризуется обратной совместимостью.

Компактный кинокомплекс Dolby Digital Cinema

Dolby Laboratories много лет разрабатывала самую разнообразную аппаратуру, на основе которой интеграторы создавали звуковые комплексы для кинотеатров. Сейчас она предлагает и готовые комплексы, к которым относится система Dolby Digital Cinema (рис. 4) — первый в мире специализированный комплекс для современных цифровых кинотеатров, рассчитанный на интенсивную эксплуатацию [11].

Рис. 3. Размещение громкоговорителей в системе Dolby Digital Surround EX: 1- левый; 2 — LFE-эффектов; 3 — центральный; 4- правый; 5, 6, 7 — левые, правые и задние окружающего звука

Данная система отличается превосходным качеством изображения, упрощенным управлением, высокой надежностью и информационной безопасностью. Реализация открытых стандартов организации «Инициативы цифрового кинематографа» (Digital Cinema Initiatives) гарантирует ее долговременную применимость. Система легко интегрируется в существующие автоматизированные звуковые инфраструктуры. Ее базовыми блоками являются кинонакопитель DSS100 и кинодекодер DSP100 (рис. 5а). Возможность физического разделения этих блоков позволяет киномеханику выбрать для них наиболее удобные места в кинопроекционной. Дополнительно в систему могут быть включены киноадаптер DMA8 и сетевой интерфейс NA10 (рис. 5б).

Рис. 4. Конфигурация комплекса Dolby Digital Cinema

Кинонакопитель DSS100 с массивом RAID 5 рассчитан на программный материал продолжительностью 10 ч (поток 80 Мбит/с), но его емкость может быть увеличена. В режиме воспроизведения отказ одного дисковода не приводит к прерыванию показа кинофильма. Сдвоенные источники питания и дисководы допускают «горячую замену», а при восстановлении прерванного сетевого напряжения кинопоказ быстро возобновляется. На передней панели аппарата DSS100 находятся гнездо для съемного дисковода и проигрыватель дисков DVD-ROM, которые предназначены для загрузки контента (содержимого) и дешифрирующих ключей. Светодиоды указывают состояние источников питания, температуры и внутренних дисководов. Через розетку USB (тип А) вводятся данные ключей. На задней панели имеются три розетки RJ-45 стандарта 1000 Base-T Ethernet, 9-контактный D-соединитель интерфейса RS-232 для данных и 15-контактный D-соединитель для VGA-видеомонитора программы Dolby Show Manager. Блок DSS-100 имеет размеры 132 і 483 і 580 мм, массу 16,3 кг; подключается к сети с напряжением 100…240 В (50…60 Гц); потребляет 175 В ? А, диапазон его рабочих температур — 0…40 °С.

Рис.5. Аппаратура комплекса Dolby Digital Cinema: а — кинонакопитель DSS100 и кинодекодер DSP100; б — киноадаптер DMA8 (вверху), сетевой интерфейс NA10

Кинодекодер DSP100 дешифрует цифровой поток киноданных, поступающих от накопителя DSS100 через розетку RJ-45, и декодирует звуко- и видеоданные. Последние подаются через интерфейс HD-SDI стандарта SMPTE 292M (поток 1,495 Мбит/с) на цифровой видеопроектор. Прецизионный видеодекодер, который был специально разработан для кинематографа, поддерживает стандарт MPEG-2 MP@HL («основной профиль, высокий уровень» — 4:2:0, 1920і1152 отсчета, 90 Мбит/с), принятый в настоящее время для цифрового кинопроизводства. Однако декодер рассчитан на максимальный поток 150 Мбит/с при частоте кадров 24 Гц и поддерживает частоты 23,98; 24, 25; 29,97 и 30 Гц. Предусмотрен режим прогрессивной развертки с разрешением 1920і1080 и 1280і720 отсчетов. (Сейчас разрабатывается видеодекодер перспективного стандарта JPEG2000.) Чтобы предотвратить несанкционированное использование декодированного содержимого, его вновь шифруют с использованием 128-битного алгоритма AES (Advanced Encryption Standard) и только затем направляют к защищенной аппаратуре. Более того, доступ к дешифрованному сигналу невозможен благодаря особой конструкции DSP100. Попытка «пиратов» взломать аппарат сделает его неработоспособным. Декодированные цифровые звукоданные могут поступать напрямую на кинопроцессор Dolby CP650 (рис. 6, подробное описание этой популярной модели приведено в [12]), минуя киноадаптер DMA8. Применение последнего требуется в случае использования других кинопроцессоров (Dolby CP200, CP45, CP55, CP65, CP500 и др.).

Рис.6. Кинопроцессор Dolby CP650

Кинодекодер DSP100 рассчитан на восемь звуковых каналов, сигналы которых передаются по четырем AES-каналам. Стандарт AES3-1992 [13] регламентирует передачу цифровых сигналов AES-пары по витым медным парам методом бифазного кодирования. При частоте дискретизации 48 кГц и квантовании 20 бит формируется результирующий поток 3,072 Мбит/с, возможно увеличение разрядности до 24 бит; стандарт AES-3ID-2001/SMPTE 276M предусматривает использование коаксиального кабеля 75 Ом. Цветной ЖК-дисплей на передней панели аппарата отображает сведения о воспроизводимом фильме, расписании, состоянии аппарата и конфигурации. Двухцветные светодиоды указывают наличие/отсутствие входного сигнала, выходных звуковых сигналов и выходного потока видеоданных. Здесь же находятся кнопки управления кинонакопителем (воспроизведение/пауза, стоп, перемотка вперед, перемотка назад, прогон). На задней панели размещены: розетка RJ-45 стандарта1000 Base-T Ethernet, соединитель BNC выходного интерфейса HD-SDI (SMPTE 292M), восемь соединителей BNC выходных интерфейсов AES-3ID-2001/SMPTE 276M, 25-контактный соединитель D выходного интерфейса AES3-1992, соединитель BNC для входного опорного трехуровнего сигнала синхронизации (SMPTE 274/SMPTE 296M/SMPTE RP211-2000), соединитель BNC для выходного временного кода (SMPTE 12M). Кинодекодер имеет размеры 88і483і450 мм и массу 11,5 кг, работает от сети — 100…240 В (50-60 Гц), потребляет 55 В ? А; диапазон его рабочих температур составляет 0…40 °С.

Высокие технические показатели и компактность системы Dolby Digital Cinema обусловили ее коммерческий успех: именно ее выбрала кинокомпания Lucasfilm для показа кинокартины «Звездные войны Эпизод III: Реванш Сита» в Берлине, Лондоне, Лос-Анджелесе, Нью-Йорке, Париже и других городах мира.

Спецификация системы цифрового кинематографа

Хотя в системе Dolby Digital Cinema принят стандарт MPEG-2 MP@HL со «скромным» разрешением 1920і1152 отсчета и последовательной передачей цветоразностных сигналов, можно быть уверенным в том, что картина «Звездные войны. Эпизод III: Реванш Сита» будет пользоваться не меньшим зрительским успехом, чем фильм «Звездные войны Эпизод I: Скрытая угроза». Следует также учесть, что уже созданы RGB-телекамеры с разрешением 4K (4096і2048 отсчетов), Super 2K (2048і1080 отсчетов) и 2K (1920і1080 отсчетов) c логарифмическим квантованием 10 бит, пригодные для высококачественного цифрового кинопроизводства [14].

Однако Голливуд всячески «отмахивается» от достижений телевизионщиков, упорно устремляя технологию цифрового кинематографа к недостижимым для других высотам. 20 июля 2005 г. члены «Инициативы цифрового кинематографа» (DCI) приняли «Спецификацию системы цифрового кинематографа», ориентированную на цифровое кинопроизводство далекого будущего [15]. DCI — временное объединение, созданное в марте 2002 г. кинокомпаниями Disney, Fox, Metro Goldwyn Mayer, Paramount Pictures, Sony Pictures Entertainment, Universal Studios и Warner Brothers (каждая из них вложила 1 млн долл.) для разработки добровольно принимаемых единых спецификаций для цифрового кинематографа (ЦКМ). Этот документ вполне соответствует проводимой Голливудом политике быть «впереди планеты всей».

В разделе «Спецификация звуковых характеристик» приводятся следующие значения базовых параметров кодирования звукосигналов, соблюдение которых обязательно:

• квантование каждого отсчета с разрядностью
• 24 бит; частота дискретизации – 48 или 96 кГц при любой частоте кадров изображения (в аппаратуре воспроизведения должны предусматриваться средства передискретизации);
• 16 полнополосных каналов (20 Гц...20 кГц) для гиперфайла ЦКМ (Digital Cinema Package);
• номинальный цифровой опорный уровень – -20 дБ (относительно уровня полной шкалы) для цифровых входов и выходов;
• уровень звукового давления 85 дБ (относительно несущей), измеренный с использованием розового шума, на выходе каждого канала.

В «Спецификации системы цифрового кинематографа» указаны назначение и маркировка звуковых каналов, а также приведено рекомендуемое размещение громкоговорителей (звуковых агрегатов) в зале [15]. Чтобы пояснить термин «гиперпакет ЦКМ», необходимо ознакомиться с некоторыми другими новыми названиями, предложенными в cпецификации DCI. Так, цифровой мастер источника (Digital Source Master) предложено называть «продуктом цифрового источника», поскольку традиционно термин «мастер» относится только к магнитным и оптическим носителям. Этот файловый продукт, создаваемый в процессе компоновки элементов фильма, преобразуется в распределяемый продукт ЦКМ (Digital Сinema Distribution Master) или в другие продукты для тиражирования фильма (Film Duplication Master), домашнего видео (Home Video Master) и архивирования (Master for Archival Purposes).

Распределяемый продукт ЦКМ, создаваемый на этапе компоновки ЦКМ (Digital Cinema Post-Production), содержит, во-первых, файлы видеоядра (Picture Essence Files) и файлы звукоядра (Audio Essence Files), во-вторых, средства синхронизации, механизмы управления программными ресурсами, метаданные, средства защиты содержимого и пр. (Ядро — составляющие контента (содержимого), непосредственно представляющие программный материал, например отсчеты видеосигнала.) Гиперфайл ЦКМ (DCP) — совокупность файлов, сформированных в процессе сжатия, шифрования и упаковки нескольких распределяемых продуктов ЦКМ (DCDM). В киновидеотеатре гиперфайл подвергается операциям распаковки, дешифрации и декомпрессии («разжатия»), что позволяет восстановить аналоговые сигналы изображения и звука для показа фильма.

Обозначение и маркировка звуковых каналов для звуковой системы ЦКМ приведены в табл. 1, а рекомендуемое размещение громкоговорителей в кинозале иллюстрирует рис. 7.

Следует отметить, что табл. 1 совпадает с приведенной в п. 4.1 документа SMPTE [16], а рис. 7 во многом повторяет рис.4 этого документа.

Звуковая система ЦКМ должна быть рассчитана на 16 каналов, но обязательными являются только 1…6 (система 5.1), а каналы 10…16 определяются пользователем. В частности, могут быть задействованы каналы для громкоговорителей L Vertical Front и R Vertical Front; трех Center Surround и одного LFE-Rear, установленных вдоль задней стены кинозала, потолочного окружающего громкоговорителя Top Center Surround, а также канала для людей с ослабленным слухом и/или ослабленным зрением.

В спецификации регламентируется применение файлового формата BWF (Broadcast Wave Format), разработанного Европейским союзом вещания в рамках совершенствования формата WAV. Формат BWF предусматривает передачу метаданных в составе файлов [17]. Звукофайлы остаются несжатыми на всех этапах обработки — при упаковке, распределении и хранении, а синхронизацию обеспечивают содержащиеся в них метаданные, указывающие положение первого отсчета звукоданных, непрерывный счет кадров и частоту дискретизации. Для уменьшения числа каналов и управления динамическим диапазоном могут использоваться операции динамического объединения нескольких потоков (Dynamic Downmixing). Для их выполнения файловые и упаковочные форматы должны содержать соответствующие флаги метаданных (да/нет). При положительном ответе должны предоставляться метаданные, создаваемые на этапе компоновки файлов.

Рис.7. Размещение громкоговорителей согласно спецификации Digital Cinema Initiatives: 1 — вертикальные фронтальные; 2 — первый левый; 3 — второй левый; 4 -центральный; 5 — второй правый; 6 — первый правый; 7 — LFE; 8- левые окружающие; 9 — правые окружающие; 10 — центральные окружающие; 11 — LFE задний; 12 -потолочный окружающий