SYSTEM DTS DIGITAL SURROUND

1. Wprowadzenie.

W dniach 16-19 maja 1998 roku odbywała się w Amsterdamie 104-a Konferencja AES’u (Audio Engeneering Society). Uczestniczyli w niej także studenci ósmego semestru Inżynierii Dźwięku Politechniki Gdańskiej –członkowie AES’u. Konferencji towarzyszyła wystawa sprzętu audiowizualnego. Jednym z ciekawszych rozwiązań technicznych prezentowanych na wystawie był system dźwięku wielokanałowego opracowany przez firmę DTS (Digital Theater Systems). Poniżej zostaną przedstawione podstawowe fakty dotyczące tego systemu.

2. Historia systemów wielokanałowych.

Pierwsze prace nad dźwiękiem wielokanałowym zostały rozpoczęte w latach siedemdziesiątych. Niestety, ówczesna technologia była zbyt ograniczona technicznie i wymagała wielu kompromisów. Wszystkie systemy dźwięku wielokanałowego (systemy surround –jak się je również określa) używały matrycowania w celu odzyskania wielokanałowej informacji zachowanej jedynie w dwóch kanałach. Powodowało to przesunięcia fazy i dodatkowe zniekształcenia. Jednak ówczesne nośniki dźwięku (taśma i LP) oraz zajmujące wiele miejsca głośniki i tak nie były w stanie przenieść dźwięku o wyższej jakości. Dopiero pojawienie się cyfrowych systemów kodowania rozwiązało większość problemów. Także technologia gło śnikowa poszła naprzód. “Głośniki” firmy NXT (także prezentowane na wystawie) mają bowiem jedynie kilka centymetrów grubości a osiągane przez nie charakterystyki są nawet lepsze niż dla standardowych zestawów. Zastosowanie takich głośników pozwoli w przyszłości na uzyskanie dwunastu (a nawet więcej) kanałów ! Przykładowy schemat rozmieszczenia głośników przedstawiony jest poniżej:

System DTS został opracowany z myślą o kinie. Pierwszym filmem ze ścieżką dźwiękową nagraną w tym systemie był słynny ”Park Jurajski” Stevena Spielberga pochodzący z 1993r. Od momentu startu w 1993 r. liczba kin wyposażonych w system DTS wzrosła 800 do ponad 13000 na całym świecie. Odniesiony sukces pozwolił na przeniesienie DTS’u do urządzeń domowych. W efekcie powstał system Digital Surround zapewniający uzyskanie dźwięku wielokanałowego w warunkach domowych.

3. System DTS Digital Surround.

3.1. Dane techniczne.

Podstawowe cechy systemu to:

• Kodowanie od 1 do 8 kanałów
• Częstotliwość próbkowania od 8 do 192 kHz
• Kodowanie zapewniające rozdzielczość od 16 do 24 bitów
• Współczynniki kompresji od 1:1 do 40:1
• Przepływność na wyjściu enkodera od 32 kb/s do 4096 kb/s
• Tryb kodowania bezstratnego (® zmienna przepływność)
• Tryb liniowego kodowania PCM
• Tworzenie (down-mixing) z n zakodowanych kanałów n-1, n-2, ... kanałów wyjściowych
• Tworzenie (down-mixing) z 5.1 kanałów dwóch kanałów stereo
• Wbudowana kontrola dynamiki
• Niezależna obróbka wszystkich kanałów
• Synchronizacja z zewnętrznym sygnałem video z dokładnością do próbki
• Wbudowana możliwość używania znaczników czasu i danych dodatkowych

System kodowania użyty w DTS polega na podpasmowym filtrowaniu, liniowym kodowaniu predykcyjnym (LPC), kwantyzacji wektorowej, dynamicznej alokacji bitów i analizie psychoakustycznej.
Algorytm używa 32 podpasm dla częstotliwości z zakresu 0-24 kHz oraz ośmiu dodat kowych podpasm dla częstotliwości zakresu 24-48 kHz. Te ostatnie używane są przy często tliwości próbkowania równej 96 kHz. W każdym z podpasm uwzględniany jest psychoaku styczny próg maskowania. Ta metoda obróbki sygnału jest powszechnie uznana i używana chociażby w MPEG.
W celu zwiększenia efektywności kodowania sygnał z wyjścia każdego podpasma podawany jest na koder LPC. LPC, jak wiadomo, jest pewną odmianą kodowania różnicowego, w której filtr stara się przewidzieć wartość następnej próbki, redukując tym samym wyjściowy sygnał błędu. W celu zapewnienia jak najdokładniejszego dopasowania filtru do sygnału jego współczynniki są zmieniane z wykorzystaniem procesu noszącego nazwę “kwantyzacji wektorowej”.
Zastosowanie powyższych metod pozwala osiągnąć wysoką efektywność kodowania. Należy przy tym pamiętać, że DTS jest w stanie pracować w trybie kodowania bezstratnego ze zmienną przepływnością. Poszerza to znacznie zakres zastosowań kodera.
W obecnej chwili system umożliwia zakodowanie 5.1 kanałów (tj. centralnego, lewego, prawego, prawego tylnego, lewego tylnego i subwoofera) do postaci zajmującej dwa kanały tradycyjnej płyty CD (zgodnie z Czerwoną Książeczką) przy częstotliwości próbkowania 44.1 kHz i rozdzielczości 20-bitowej. Jak to jest wielokrotnie podkreślane przez przedstawicieli firmy, każdy kanał jest kodowany oddzielnie.

3.2. Teraźniejszość systemu.

Aby móc cieszyć się dźwiękiem zakodowanym w DTS’ie konieczne jest jednak posiadanie procesora dźwięku z wbudowanym lub zewnętrznym dekoderem DTS oraz wzmacniacza z wyjściem na sześć kanałów. Jako źródło sygnału można użyć standardowego odtwarzacza CD z wyjściem cyfro wym. W przypadku filmów ze ścieżką dźwiękową nagraną w systemie DTS Digital Sur round konieczne jest użycie odtwarzaczaLaserdisc’ów (LD), również z wyjściem cyfrowym (w warunkach polskich trudne do zrealizowania ze względu na niewielką popularność tego typu urządzeń).
Liczba płyt CD (i LD) nagranych w systemie DTS zwiększa się bardzo szybko. Można nabyć albumy m.in. Boyz II Men, Belindy Carlisle, Erica Claptona czy Paula McCartneya’a. Niektóre płyty to jedynie wielokanałowo zmiksowane wersje starych nagrań, ale pojawia się coraz więcej wykonanych specjalnie z myślą o 5.1 kanałach.

3.3. Testy odsłuchowe.

Podczas wystawy organizowane testy odsłuchowe, których celem było zademonstrowanie zalet systemu DTS. Mimo wysoce niesprzyjających warunków (hałas z zewnątrz prze dostawał się do pomieszczenia), prezentowany dźwięk brzmiał nadspodziewanie dobrze. Za lety użycia sześciu kanałów były słyszane w sposób nie budzący wątpliwości. Szczególnie dwa fragmenty były w stanie przekonać największych niedowiarków. W pierwszym solista “przemieszczał się” dookoła słuchaczy, w drugim każdemu z pięciu członków zespołu Boyz II Men przydzielono oddzielny kanał. W efekcie słuchacze znaleźli się po środku sceny (!).

4. Wnioski końcowe.

System DTS jest jednym z wielu systemów zapewniających dźwięk przestrzenny dla potrzeb kina domowego. Jest jednak jedynym, który znalazł komercyjne zastosowanie do kodowania samej muzyki (bez towarzyszącego jej obrazu). Pojawiają się jednak pierwsi konkurenci. Płyta DVD-audio jest co prawda jeszcze w stadium standaryzacji, ale jak można przypuszczać wkrótce się on zakończy. Świadczą o tym pokazy, w których również uczestniczyli studenci Inżynierii Dźwięku. Ogromna (jak na dzisiejsze warunki) pojemność płyty DVD pozwoli na rezygnację z kolejnych kompromisów używanych w technice audio. Pozycji płyty DVD-audio może z kolei zagrozić rozwiązanie lansowane przez firmy SONY i Philips ® płyta Super Audio CD , posiadająca wiele ciekawych rozwiązań. Do wojny standardów może jednak nie dojść, o ile, jak zapewniali przedstawiciele konsorcjum (m.in. JVC, Warner Bros., Toshiba, Pionner, Samsung, Panasonic) promującego płytę DVD-audio, czytniki tego standardu będą również czytały płyty Super Audio CD.
Z kolei system DTS Digital Surround może być także przeniesiony na płytę DVD-audio (i to bez większych problemów) i czytany przez urządzenia DVD-audio. Ceny odpowiednich chip’ów realizujących proces dekodowania wciąż przecież maleją. System DTS już obecnie przewidziany jest zaś do stosowania w DVD-video. Specyfikacja DVD-video oferuje bowiem możliwość kodowania dźwięku w jednym z czterech standardów: Dolby AC-3, MPEG audio, DTS i skalowalnym PCM.
Wydaje się więc praktycznie niemożliwe, żeby został ustalony (i stosowany) światowy standard kodowania wielokanałowego. Zwłaszcza, że w zależności od zastosowania musiałby on posiadać całkowicie odmienne parametry (inne potrzeby dla dźwięku przesyłanego przez Internet, inne dla zawartego na płycie). Poza tym, naukowcy stale pracują nad nowymi standardami i nowymi typami nośników –jeszcze bardziej pojemnymi. Najprawdopodobniej konfiguracja sprzętu przeciętnego audiofila będzie miała postać jak na poniższym rysunku: