Jak dzia a d wi k przestrzenny

Jak dzia a d wi k przestrzenny
Wystarczy zatka uszy przy ogl daniu telewizji, eby zrozumie , jak wiele informacji i prze y dostarcza
nam s uch. Je li kto nie pami ta ery d wi ku monofonicznego i szoku zwi zanego z nadej ciem osza amiaj cych
efektów stereo, mo e wykona dodatkowy eksperyment i pos ucha muzyki lub spróbowa poje dzi na rowerze z
zatkanym jednym uchem. Przestrze wyra nie zmniejszy si
przestaniemy j dobrze rozpoznawa . Gdy
odetkamy ucho, zaczniemy lokalizowa ród a d wi ku, b dziemy czuli ogólny kszta t otoczenia s owem, wiat
nabierze szczegó ów. Wyniki tych eksperymentów rozumiej bardzo dobrze twórcy filmów czy gier pragn cy
wywrze na odbiorcy jak najwi ksze wra enie. Dlatego wi kszo wydawanych dzi p yt DVD, CD-ROM-ów z
grami, plakatów filmowych ma logo ze s owem Surround, 5.1 czy DTS. Oznaczenia te mówi , e mamy do
czynienia z d wi kiem dookolnym, zapewniaj cym wra enie przebywania w stworzonej scenie d wi kowej.
S uchacz mózgiem
Nasze uszy wychwytuj wiele sygna ów, o których nawet nie my limy, lecz które pozwalaj lepiej
odnajdywa si w przestrzeni. S yszymy, mniej wi cej, jakiej wielko ci jest pomieszczenie, w którym przebywamy,
z której strony znajduje si ród o d wi ku, jak daleko si ono znajduje, mo emy nawet domy la si materia u, z
którego wykonane jest otoczenie. Mózg, eby rozpozna te wszystkie w asno ci, wykorzystuje cztery podstawowe
sposoby interpretacji dochodz cych przez uszy d wi ków.
Czas i opó nienie
Pierwszy to porównanie opó nienia sygna u w lewym i prawym uchu. D wi k wychodz cy ze ród a
znajduj cego si po naszej lewej stronie dotrze minimalnie szybciej do lewego ucha ni do prawego. Mózg
porównuje obydwa czasy i wnioskuje ogólny kierunek. Sygna w prawym uchu b dzie nieco cichszy, poniewa
ucho zas oni te jest g ow , co dodatkowo precyzuje kierunek to drugi mechanizm. Te dwa zjawiska nosz nazwy
IID oaz ITD. Dostarczaj informacji, jednak nie na tyle precyzyjnych, eby dok adnie zlokalizowa ród o d wi ku.
U szy
Nast pny mechanizm (HRTF) wykorzystuje fakt, e nasze cia o ma okre lony kszta t. Ma owiny uszne s
skonstruowane tak, e najlepiej dochodz nas d wi ki z przodu i po bokach gorzej z ty u. Proporcje ucha
sprawiaj , e do mózgu niektóre cz stotliwo ci dochodz wzmocnione, niektóre wyt umione w zale no ci od k ta
padania. Mózg ma tak e map wszystkich zakrzywie i zakamarków ucha. Potrafi na podstawie analizy odbi i
t umie d wi ków wypadaj cych do ma owiny pod ró nymi k tami wnioskowa ich kierunek. Na drodze do ucha
fala d wi kowa jest równie t umiona przez ramiona i tu ów d wi k z do u b dzie wi c bardziej g uchy,
dochodz cy z góry b dzie mia wi cej wysokich sk adowych. HRTF dostarcza informacji szczegó owych, które
uzupe niaj wiedz o kierunku. Wymienione w a ciwo ci sprawiaj , e wszelkie symulacje d wi ku przestrzennego
na s uchawkach czy dwóch g o nikach nie wypadaj bardzo przekonuj co. Nasz mózg nie daje si oszuka , bo
brakuje mu tych szczegó ów bior cych si z padania fal ró nymi k tami do ucha.
Odrzutowiec i zegarek
Ostatni sposób interpretacji d wi ku to DRR, czyli analiza odleg o ci ród a d wi ku. Jest do do trudne
zadanie i nie zawsze dobrze si udaje. Generalnie mózg potrzebuje co najmniej dwóch sygna ów, by je porówna
d wi ku podstawowego oaz jego odbi od otoczenia. Porównuje g o no orygina u i odbi , próbuj c wychwyci
proporcje i opó nienia. Przyk adowo, je li us yszymy dwa d wi ki o tej samej g o no ci, jednak jednemu z nich
b dzie towarzyszy pog os pochodz cy z odbicia od zbocza góry, która znajduje si za nami, mo emy wnioskowa ,
e ród o tego d wi ku jest g o ne i znajduje si dalej ni ród o d wi ku bez odbicia. Du rol odgrywa tu pami
uczymy si na przyk ad, e przelatuj cy odrzutowiec jest daleko, mimo e s ycha go g o no, a zegarek blisko,
mimo e tyka cicho. Warunkiem poprawnej oceny odleg o ci jest te ró norodno sygna u ci g e, jednostajne
d wi ki daj ma o zró nicowane odbicia, skutecznie utrudniaj c ich interpretacj . Dlatego, je li nie wiemy, sk d
d wi k si wydobywa, kr cimy g ow , szukaj c ró nic w brzmieniu. Oczywi cie s uch, mimo e jest pot nym
zmys em, ma swoje ograniczenia. Na przyk ad, ze wzgl du na wielko (i odleg o od siebie) uszu, d wi ki
bardzo niskie, których fala jest bardzo d uga, nie s dobrze lokalizowane w przestrzeni. Zjawisko to wykorzystuj
producenci g o ników niskotonowych subwooferów, które mo na postawi pod ó kiem, a i tak b dziemy s ysze
basy rozbrzmiewaj ce w powietrzu.
Jak powstawa y kana y
Fenomen s yszenia przestrzennego d wi kowcy usi uj wykorzystywa ju od wielu lat. Pierwszy kinowy
system korzystaj cy z siedmiu kana ów pojawi si ju w 1952 roku, w 1957 w planetarium Morrisona w San
Francisco uruchomiono instalacj sk adaj c si z a 38 kana ów! Oczywi cie wi kszo prób mia a charakter
eksperymentalny i jednorazowy. Jednak po spopularyzowaniu systemu stereo w domowych zestawach audio i w
kinach apetyt publiczno ci rós . Powstawa o wiele systemów d wi ku przestrzennego. Wykorzystywa y one ró ne
techniki, jednak szybko okaza o si , e najlepsze efekty daje metoda wielokana owa polegaj ca na ustawieniu
wokó s uchacza zestawu g o ników. W po owie lat siedemdziesi tych, Dolby opracowa o system Dolby Stereo.
Pozwala on na zapisanie na brzegu 35-milimetrowej ta my filmowej dwóch cie ek optycznych. Okaza si bardzo
praktyczny, poniewa nie wymaga od kin wielkich inwestycji w dodatkowe urz dzenia i dzia a w kinach
monofonicznych. Wypar inne systemy, mi dzy innymi wczesny d wi k wielokana owy, który wymaga specjalnych
70-milimetrowych ta m filmowych. Do dzi ta my kinowe prawie zawsze maj cie k Dolby Stereo. Przemys
kinowy i widzowie domagali si jednak wi cej. Z pomoc przysz a Dolby technologia kodowania matrycowego.
Polega ona na zakodowywaniu w dwóch cie kach (lewo i prawo) informacji dla cie ek czterech (lewo, prawo,
rodek, ty ). Bez du ej utraty jako ci i zachowaniem zgodno ci ze starymi kinami uda o si wi c uzyska efekt
d wi ku dookolnego. Dodatkowo, d wi k zakodowany w ten sposób nadal mo na odtworzy w systemie stereo.
Przestrze w domu
W 1982 roku technologia ta zawita a do domów dzi ki popularyzacji wideo. W amplitunerach pojawi si
dekoder obs uguj cy nagrania Dolby Surround i rodzielaj cy sygna pomi dzy g o niki. Wkrótce wprowadzono
dekoder Pro Logic, który znacznie polepsza odtwarzanie d wi ku przestrzennego na domowych g o nikach
mi dzy innymi tworzy oddzielny sygna na g o nik centralny oraz poprawia separacj kana ów. W przeciwie stwie
do innych systemów, Dolby Surround zyska o powszechn akceptacj rynku i do dzi jest wykorzystywane jako
niedroga metoda odtwarzania pola d wi kowego.
Cyfrowe przestrzenie
W 1992 roku (film Powrót Batmana) uda o si Dolby wprowadzi do kin technologi DD. Specyfikacja DD
zak ada pi dyskretnych kana ów plus kana niskocz stotliwo ciowy (5.1). Spotka a si ze wietnym przyj ciem i
gdy w 1995 roku opracowywano specyfikacj DVD, DD 5.1 zosta uznany jako cz
standardu. W ten sposób
d wi k dookolny na dobre zago ci w domowych zestawach AV, potem w komputerach i konsolach do gier. DD 5.1
wykorzystuje kompresj AC3. warto wspomnie , e AC3 mo e by rozkompresowane zarówno do postaci 5.1,
surround (cztery kana y), stereo (dwa kana y) czy mono. Proces zmniejszania liczby cie ek nazywa si
downmixingiem. Technologia cyfrowa pozwoli a tak e rozwin skrzyd a innym firmom, mi dzy innymi DTS, która
powsta a w 1990 jako cz
Universal Studios. Opracowa a popularn (szczególnie w USA), alternatywn do
Dolby metod zapisu d wi ku wielokana owego. Charakteryzuje si ona znacznie mniejszym stopniem kompresji
(Dolby Digital 12:1 DTS 3:1), a wi c lepsz jako ci d wi ku, lecz zajmuje wi cej miejsca na DVD. Powodzenie
systemu 5.1 zach ci o producentów sprz tu AV i wydawców muzyki i filmów do poszerzenia oferty. Mo na kupi
amplitunery oferuj ce 6, 7 i 8 kana ów, jednak ich zasada dzia ania nie ró ni si znacznie od 5.1, a efekty
spotykaj si z ró nym odbiorem i zale w du ej mierze od sposobu zrealizowania filmu. Warto wspomnie o
rozwijaj cych si systemach audio. W ród audiofilów popularno zdobywa DVD-Audio oraz SACD, obydwa
standardy maj mo liwo zapisu wielu kana ów, cho zachowawczy fani muzyki twierdz , e nie ma to jak stare
dobre stereo.
Trudne terminy
DRR ang. Direct to Reverberant Ratio mechanizm rozpoznawania odleg o ci ród a d wi ku wykorzystuj cy
ró nic mi dzy sygna em w a ciwym a pog osem.
HRTF
ang. Head Related Transfer Functions
funkcja opisuj ca, jak kszta t cia a wp ywa na odbiór d wi ku.
IID ang. Interaural Intensity Difference funkcja opisuj ca, jak pozycjonujemy d wi k, wykorzystuj c ró nice
g o no ci mi dzy lewym i prawym uchem.
ITD ang. Interaural Time Difference funkcja opisuj ca, jak pozycjonujemy d wi k, wykorzystuj c opó nienia w
s yszeniu mi dzy lewym i prawym uchem.
Kana dyskretny kana d wi kowy, który w strumieniu danych jest kodowany niezale nie od reszty. Spotykany
w systemach cyfrowych.
Kodowanie matrycowe zakodowanie w dwóch cie kach analogowych wi kszej liczby cie ek. Przyk adowo,
informacje do kana u centralnego w Dolby Surround s zakodowane jako cz stotliwo ci, które jednocze nie
wyst puj w kana ach lewym i prawym.
Separacja kana ów parametr opisuj cy, jak bardzo kana y d wi kowe s od siebie oddzielone. Im gorsza
separacja, tym wi cej jednego kana u s ycha w drugim (wyst puje wi cej tzw. przes uchów).