Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,686

DIGITAL THEATER SYSTEMS (DTS). ЭВОЛЮЦИЯ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗВУЧАНИЯ

Киселев А.И. 2
2 ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И.Я. Яковлева»
В данном исследовании проводится обзор одного из перспективных направлений развития технологии пространственного звуковоспроизведения – формата Digital Theater Systems на основе иностранных первоисточников – материалов официальных разработчиков системы DTS. Внедрение пространственного звуковоспроизведения в кинематографе расширяют средства творческой выразительности, позволяет более точно передавать сюжетную драматургию. Цель исследования: исторический обзор развития систем пространственного звучания.
цифровая театральная система
технология цифрового многоканального озвучивания
аудиокодек
перцепционное кодирующее устройство
1. Антон Балабан. Многоканальный окружающий звук // «Музыкальное оборудование» (март 2002).
2. Dolby v DTS – The academic viewpoint. Guy Walker. [Электронный ресурс]// URL: http://www.cinematechnologymagazine.com/pdf/dolbyvdts.pdf.
3. Historical notes: Jurassic Park//Filmnakersdestination // [Электронный ресурс] // URL: http://universal.filmmakersdestination.com/sound-editorial-and-design/
4. The Amateur Scientist // Scientific American. [Электронный ресурс] // URL: http://www.scientificamerican.com/search/?page=2&q=Digital+Theater+Systems+
5. Company director chek // Stephen Malcolm Frederick Smyth. [Электронный ресурс] URL: http://www.companydirectorcheck.com/stephen-malcolm-frederick-smyth.
6. Consulting Engineers //History. URL: http://www.jbace.com/about/history.

Система DTS впервые появилась в киноиндустрии в начале 1980-х годов. Одним из первых, кто осознал перспективность применения цифрового звука в кинопроизводстве, был Терри Биард (Terry Beard), основатель и президент компании Nuoptix, которая принимала активное участие в разработке систем цифрового звучания. В середине 80-х годов к Терри Биард присоединился Джим Кетчам (Jim Ketcham). В результате их совместных исследований компания выпустила высококачественный аналог оборудования для оптической звукозаписи «Todd-AO».

Их работа была движима двумя идеями, которые в то время не соответствовали с преобладающим в киноиндустрии мнением. Первая идея состояла в широком применении цифрового звука, которому в будущем суждено стать стандартом выпускаемой кинопродукции, а вторая, что цифровая запись дешевле, легче в производстве, более надежна и выше по качеству, чем аналоговая запись на магнитных лентах.

В их ранних экспериментах использовались цифровые аудиокассеты, синхронизованные с проектором, а также система компрессии Nuoptix 2:1. Но эти записи не позволяли быстро манипулировать большими объемами материала. Производителями была поставлена задача в повышении качества звука до качества CD: так достижение 16-битного разрешения на частоте 44,1 кГц в 5.1-канальном режиме стало необходимым техническим требованием. В качестве потенциального носителя информации Джим Кетчам предложил компакт-диск, но он не имел адекватного объема и скорости передачи данных. Решением проблемы стало использование более компактного сжатия в системе apt-X100, разработанной совместно с компанией Audio Processing Technology [2]. Эта система снижала объем информации в четыре раза, что позволяло вместить на обычный диск до 100 минут многоканального звука, скорость передачи данных при этом составляла 882 kbit/s, таким образом, для озвучивания кинофильма длиною более трех часов хватало два диска. Чтобы синхронизовать звук с изображением к фильму добавили временной код.

В 1990 году новый формат был представлен и запатентован обществом кино- и телеинженеров США. В начале 1992 года его продемонстрировали Стивену Спилбергу с использованием жесткого диска в качестве носителя аудиоданных. Этот показ вдохновил Спилберга использовать новую технологию в производстве фильма «Парк Юрского периода» [3]. Поскольку технология цифрового многоканального озвучивания компанией Universal применялась впервые, то нужно было убедиться в ее качестве и надежности. Для этого компания Universal протестировала новую систему на двух менее значительных кинокартинах. В первой кинокартине, без ведома продюсера, временной код добавили к копии, чтобы удостовериться, что он не помешает воспроизведению смежной звуковой дорожки. Поначалу, пока проектор не отрегулировали, была нестыковка, но после правильной настройки все заработало. Во второй картине временной код и диски приготовили для скрытых показов в Вествуде и Универсал-Сити (Лос-Анжелес). После проведения успешных испытаний компания Universal стала выделять деньги на внедрение новых технологий, т.о. Спилберг начал свое сотрудничество с Терри и Джимом, которые вскоре основали новую компанию Digital Theater Systems [4]. За 4 месяца работы компании, с момента ее основания (1 февраля 1993 г.) и премьерой фильма «Парка Юрского периода» (11 июня 1993 года), в кинотеатрах было установлено 876 DTS систем. На момент написания этой статьи в мире используется, по меньшей мере, 19000 систем.

Индустрия кинопроизводства, не привыкшая к звуковому сопровождению на дисках, была обеспокоена тем, что CD-ROMы не будут работать с изображением. Ключом к решению этой проблемы стала бобина, которая держит два диска и стандартно упакована вместе с фильмом. Бобина была придумана и зарисована Терри во время презентации в Лас-Вегасе. Изначально, были запланированы стерео («DTS-S») и six-track («DTS-6») версии. Считалось, что определенное количество кинотеатров захочет внедрить цифровой звук, но при этом не захочет устанавливать систему six-track B-chain. Реакция индустрии была прямо противоположной и небольшое количество, раннее установленных двух-трэковых версий, быстро усовершенствовали в шести-трэковые. В системе DTS-6 три основных канала и два канала surround были разделены. Канал LFE работал с частотами ниже 80 Гц. Это разделение было сделано для увеличения времени проигрывания диска, а добавление низкочастотного канала связано с тем, что другие динамики в кинотеатре не были предназначены для работы на частотах 20 – 80 Гц. Тогда был осуществлен успешный опыт для формата surround/LFE в использовании с 70mm магнитной дорожки.

Устройство, читающее временной код, представляет собой сканер, вмонтированный в проектор, а временный код состоит из простого ряда тире разной длины, которые, сами по себе, легко видимы невооруженным взглядом.

Временной код DTS включает в себя идентификационный элемент для названия и части кинофильма, что гарантирует точное звуковое воспроизведение с диска в нужной части фильма.

Для заданной скорости проигрывания с допустимой вариацией ±10 %, проигрывание 24 кадров в секунду вместо 25 – для системы DTS не составляет проблем. Еще одно преимущество временного кода состоит в том, что он с легкостью подходит к любому меню, частоте смены кадров или пленочному датчику. DTS – единственная из цифровых систем, которую используют для 70mm, 16mm и 35mm пленки. На 35mm пленке в специальной установке временный код может быть размещен на наружной стороне перфорации. А в 70mm пленке временной код всегда расположен в стороне от перфорации. Имея звук на отдельном цифровом носителе, на одной и той же кинопленке можно использовать различные версии озвучивания (язык или рейтинг). Временной код также может производить театральные эффекты, титры, изложение для слепых и т.д.

Когда проектор прочитывает временной код, соответствующая звуковая информация подгружается с диска в линию задержки, а затем в нужное время воспроизводится. В случае пропуска или случайной ошибки, система запрограммирована воспроизводить аудио с линии задержки (до 4 секунд), пока код не восстановится. Разумеется, в случае проблемы система возвращается к аналоговому воспроизведению. На 70mm пленке нет возможности аналогового воспроизведения. Однако, в этой пленке доступна большая площадь, где размещаемый временной код больше обычного размера и почти неразрушим.

Следуя успеху применения системы DTS в кинотеатрах, компания обратилась к созданию возможности использовании системы DTS для дома. Лазерный диск в то время был единственно возможным носителем звуковых данных в режиме стерео, с разрешением в 16-bit на частоте 44.1 kГц. Терри поставил задачу разместить на лазерный диск 5.1-канальную систему звука, при этом, каждый аудиоканал должен превосходить по качеству CD-аудио. За помощью Терри обратился к Стефену Смиту (Stephen Smyth), который со своими коллегами образовал компанию AlgoRhythmic Technology [5]. Эта компания разработала высокопроизводительный кодек, идеально подходящий для решения поставленной задачи, названный Coherent Acoustics. После успешной демонстрации кодека, компания DTS присоединила к себе AlgoRhythmic, образовав новую компанию DTS Technology. Среди первых людей прослушавших Coherent Acoustics были инженер Том Янг, издатель Гари Ребер и музыкальный продюсер Брэд Миллер. Протестировав изобретение, всем стало понятно, что система должна быть использована для многоканальной музыки. Таким образом, DTS Technology предложила свой новый кодек в качестве формата для всех LD и CD, кинофильмов и музыки. Обычная система компрессии уменьшает аудио сигнал в пространстве или в полосе частот, подразумевая, что качество не упадет до недопустимого уровня. Цель кодека Coherent Acoustics была совершенно иной: отразить всю имеющуюся полосу частот, используя более эффективное кодирование для улучшения качества. Принимая во внимание CD и лазерные диски, которые имеют одинаковую скорость передачи данных, при использовании метода кодирования PCM на диске вмещалось только два канала аудио с 16-битным разрешением, а с применением метода кодирования Coherent Acoustics позволило вместить 5.1-канальное звучание с 24-битным разрешением, что существенно улучшило звук. В этой системе, шесть каналов полностью обособлены, пять главных каналов были функционально полными, а LFE канал – с ограниченной полосой.

Используя почти все (1.235 Mbit/s) полосы CD/LD (1.411 Mbit/s), уровень сжатия измеряется от 2.9:1 (16-bit) до 4.3:1 (24-bit). На DVD-Video скорость передачи данных слегка выше (1.509 Mbit/s), т.к. там используется выборка на 48 kГц. Вдобавок, для проектов, где дисковое пространство ограничено программой или другими факторами, сделали доступной альтернативную скорость передачи данных в 754 kbit/s [6].

Система компрессии разделяет аудиоданные на две категории информации, которые могут быть целью для системы сжатия по скорости передачи. Существуют объективно избыточные данные, которые можно удалить без потери смыслового содержания. Например, номер «0057» можно представить как «57»без каких либо потерь смысла. Для компьютерных файлов PKZIP пример подобного кодека.

Следующая категория, это не относящаяся к восприятию информация, присутствующая в звучании, но не различимая слухом. Например, когда присутствует звук заданной частоты и уровня, другие звуки ниже по уровню громкости и несколько ниже или выше по частоте, маскируются первоначальным звуком, делая их слабо слышимыми либо не слышимыми вовсе. То же происходит и с тихими звуками, воспроизведенными несколько ранее или позднее громкого звука.

Термин «перцепционное кодирующее устройство» обычно означает, что устройство подсчитывает и использует эти пороги маскирования звуков. Суть состоит в том, чтобы не кодировать неслышные звуки (т.е. удалять) или стоит кодировать их с меньшим количеством битов в зависимости от их слышимости.

Еще одна перцепционная техника состоит в сочетании высокочастотных каналов, которые ухо не может определить. Информация может быть создана для отдельных каналов, чтобы позволить амплитудам быть реконструированными, но при этом приходится жертвовать фазовой информацией. Подобная тактика хорошо работает, но необязательно при низком уровне сжатии, когда устройство концентрируется на удалении ненужной информации. В этом смысле, система DTS имеет больше общего с не имеющими потерь кодеками, чем с конкурирующими перцепционными кодеками.

В системе DTS, apt-X100 достигает уровень сжатия 4:1 при помощи использования кодировки поддиапазона с линейным прогнозом и адаптивным квантованием, которое идентифицирует и удаляет необязательную информацию и рационально упаковывает данные. На первом этапе, спектр делиться на поддиапазоны, что ведет к более разумному сжатию данных. Внутри каждого поддиапазона выполняется прогноз, основанный на недавней истории сигнала, а найденные различия квантуются. Если предсказание сбывается, различие оказывается минимальным, чем в настоящем сигнале, т.о. происходит кодирование более компактным образом. Адаптивное квантование обращается к тому факту, что размер ступени квантователя динамично приспосабливается, чтобы соответствовать уровню сигнала. Еще один алгоритм, используемый в DTS, Coherent Acoustics, очень универсален и может использоваться повсюду в частотах между 32 kbit/s и 4 Mbit/s. Он может справляться с частотами с глубиной до 24 bits в восьми каналах одновременно.

В противовес популярному заключению, Coherent Acoustics не является перцептивным кодирующим устройством, влияющим на скорость передачи данных, используемых на CD, LD, или DVD, хотя при небольших скоростях передачи битов перцепционные технологии возможны. Кодек Coherent Acoustics использует больше поддиапазонов (32), чем apt-X100 (4). В нем используется линейное предсказание и адаптивное квантование (ADPCM). Эффективность предсказания зависит от сигнала и от каждого поддиапазона, если предсказание не дает эффективности кодирования, работа кодека приостанавливается. При низких скоростях передачи данных маскирующие границы сосчитываются и биты размещаются согласно психоакустической модели. Существует множество других тонкостей и различий между алгоритмами, с которыми можно будет подробно ознакомиться в технических документациях по системе DTS.

Компания DTS Technology первая продемонстрировала работу кодека Coherent Acoustics в 24-bit, 96 kHz варианте, который в силу своей высокой производительности и универсальности сейчас применяется в звуковых системах других производителей (не исключающий использование их прежних версий или модификаций). Компания DTS Technology одна из первых начала эксперименты по добавлению дополнительных каналов, использованию различных кодеков и на протяжении всей истории своего развития оказывала большое влияние на развитие всей кино- и аудиоиндустрии, являясь флагманом в эволюции многоканального звука для дома и кино.


Библиографическая ссылка

Киселев А.И., Киселев А.И. DIGITAL THEATER SYSTEMS (DTS). ЭВОЛЮЦИЯ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗВУЧАНИЯ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 12-9. – С. 1724-1727;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=8229 (дата обращения: 16.02.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252