Что такое аудио кодек AC3 и история его появления?

Что такое аудио кодек AC3, сферы применения алгоритма и история его появления.

Стерео: почему два, а не три или семь?

Давайте для начала немного об истории многоканального звучания.

Самые первые эксперименты со стереозвуком, проводились компанией Bell Lab в 30-е годы, где применялось три канала. Выбор такого числа каналов, по всей видимости, был придуман произвольно — главное, чтобы канал был не один. Люди же смогли услышать первое стерео звучание в 50-х годах и только в кинотеатрах. Разработчики за 20 лет кропотливого труда так и не смогли прийти к единому стандарту, и звуковоспроизводящая аппаратура использовала от 4 до 7 каналов. 

На протяжении двух лет в момент распространения стереозвука по домашним слушателям, осталось всего 2 канала. Самым распространенным в то время носитель, не могла вместить в себя больше каналов, и эти ограничения, и закрепили двухканальный стандарт стерео звука, а не предпочтения слушателей. Но, кинематографисты, обладающие всеми технологическими возможностями, не останавливались на достигнутом, продолжая развивать четырехканальную звуковую схему: центральный, левый, правый и тыловой каналы — это тот необходимый минимум, для более реалистичного звукового поля.

Схема эта закрепилась в 80-х годах у гигантов киноиндустрии в формате «Dolby Stereo» для кинолент 35мм. Формат «Dolby Stereo» четырех канальная звуковая информация записывается всего на две оптические дорожки, а в момент воспроизведения при помощи специального звукового процессора декодируется. Хочется отметить, что помимо этой звуковой системы имеется еще несколько довольно конкурентных форматов, но в основном все бытовые носители используют схему «Dolby».

При конвертации записи с применением «Dolby Stereo» фильмов в видеоформаты, информация четырех каналов преобразуется в два. В первой половине 80-х годов, система «Dolby Surround» позволила в домашних условиях декодировать эту информацию — в двухканальном стереозвучании была пробита брешь.

Аудиовизуальные системы с высоким звуковым полем и реализмом звучания, получили название 

Домашнего Театра, оснащены «Dolby Surround».
Системы бытового использования были в основном с декодером «Dolby Surround», а немного позднее «Dolby Surround Pro Logic», позволили конечно намного эффективнее воспроизводить звук сопровождая кинофильм, но уровень кинотеатров оставался на более высшем уровне.

Во- первых это из-за того, что четыре канала, на носителях, могут существовать только в свернутом виде. В связи с сжатием из 4 в 2 звуковые каналы, сильно связаны между друг другом, из-за этого и происходят взаимные утечки. Помимо всего, канал тыла пришлось очень сильно ограничить и по частотному диапазону. Решение было осуществимо только при создании совершенно новой цифровой системы с совершенно независимыми звуковыми каналами.

Во - вторых с необходимостью записи, воспроизведения и хранения информации звука в цифровом виде, создателям принесла не мало проблем.

Решение проблемы с системой «Dolby Labs».

Немного вкратце о сути самой проблемы. 

Звуковое кодирование в цифру, применяемое в формате «Compact Disc» (импульсно-кодовая модуляция 16-бит), позволяла получить диапазон динамики в 96 Дб. Достигается это для каждого канала выбором 16-битовых слов с частотой 44,1 кГц для передачи или хранения с суммированием звуковых данных.

Если число каналов достигает больше двух, очень сильно вырастает объем информации и при уже созданных технологиях, записать или передать информацию без потерь просто невозможно. В связи с этим в первую очередь нужно было придумать эффективный алгоритм кодирования цифрового звука, максимально уменьшая или сжимая (лучше и то, и другое) потоки информации, оставляя незатронутым при этом исходное качество звучания. Работающие системы по этому алгоритму, получили название "перцептуальных" (термин "перцептуальный" в нашем случае нужно понимать как "основанный на особенностях слухового восприятия у человека").

Самый первый вариант системы, получила название «Dolby АС-1», была разработана в 1985 году для использования в цифровом спутниковом радиовещании (DBS) крупной Австралийской корпорации радиовещания. Конечно благодаря невысокой цене декодера, «АС-1» была примененина в различных сервисных функциях DBS, таких как «система кабельного радиовещания» и спутниковых сетях связи. Скорость передачи информационных данных составила 220-325 кБ/с на канал и от самой системы. Информация потока данных обладает не в абсолютным уровнем аудио сигнала, а всего на всего его изменением от выборки к выборке — называемая ADM (Адаптивная Дельта Модуляция).

Далее появилась «Dolby АС-2»: в который был улучшен алгоритм цифрового кодирования. «АС-2» нужна для профессионального использования и применения в момент передачи данных между звукозаписывающими студиями в режиме реального времени. Dolby АС-2 является также и сердцем системы «Dolby DSTL», которая используется между радиостанциями для связи. Скорость передаваемых данных составляет 128-192 кБ/с на аудиоканал.

AUDIO CODEC AC3 (5.1) И потом появилась третья по счету система «Dolby АС-3» - это перцептуальная система цифрового кодирования, созданная «Dolby Labs». Система АС-3 основана на комбинации психоакустических методов в области цифровой обработки звука с последними достижениями. Также благодаря этой системе появилась идея в развитии системы аналогового перцептуального обработки звучания — «Dolby Professional» и систем шумоподавления которые применяются в быту. Полученные результаты после экспериментов «Dolby Labs» с шумоподавляющими системами, стали основой эффективного алгоритма сжатия данных: чем больше шум квантования тем меньше бит используется для описания звукового сигнала и наоборот.

«Шум квантования» - при кодировке в цифровой системе возникает из-за погрешности аналогового сигнала в момент определения реального уровня. Большая разрядность квантования уменьшает погрешность и различные шумы, чем разрядность выше тем лучше.

Сам по себе алгоритм «АС-3» отлично воспринимается психоакустическим восприятием звука человеком. Звуковой спектр сигнала каждого канала делится на несколько более узких полос частоты с разной шириной. Полосы оптимизированы по ширине, учитывая различные чувствительности человеческого уха к звучанию на разной частоте. Учитывая это и также с спектральный состав с динамическим диапазоном фонограммы и данные между полосами распределяются.

Так сказать в процессоре АС-3 зашита модель восприятия звука человеком позволяя проц. АС-3 изменять избирательность частоты (насколько позволяет временное разрешение) и объема данных, используемых для описания звукового сигнала в каждой полосе, по субъективным ощущениям достаточно для сведения под ноль маскирования шума. Если шум квантования в сигнале не способен сам по себе замаскироваться, то он обладает большим битовым числом (БИТ) т.е. – это позволяет уменьшать или совсем устранять шумы квантования, сохраняя тем самым качество звучания оригинальным. Следовательно, система «Dolby АС-3» представляет собой по существу одну и N-го числа разновидностей систем «селективного шумоподавления (СШ)» (СШ заключается в различных обработках сигнала в разных полосах частоты. Более известные системы селективного шумоподавления это «Dolby С» и «Dolby S»).

Точно таким же образом распределение данных происходит и между каналами: информационный объем для каждого канала различается. Алгоритм построен так, что, чем больше выделяется количество данных для кодирования каналов, где в реальности звук более насыщен, маскируя шум в других каналом сильным звуком в одном канале. Простыми словами «АС-3», чтобы сократить объем данных несущественную информацию просто отбрасывает или элементы звука, которые ухо человека не распознает. Для каждого канала, зависимость объема передаваемой информации и характерных черт сигнала составляет важнейшую отличительную черту алгоритма «АС-3» от конкурирующих алгоритмов, таких как «Zeta», «ATRAC» и пр…).

Использование системы «Dolby АС-3» в кинематографе

Применение систем с использованием алгоритма АС-3, можно практически во всех сферах, где необходимо воспроизвести, записать или передать цифровую информацию. Первостепенно алгоритм АС-3 был использован в кинематографе. Данный алгоритм сейчас позволяет получать цифровое многоканальное звучание с 35-мм кинолент. Для аналоговых дорожек с целью их сохранения, было решено на самой ленте, поместить оптическую цифровую дорожку нового образца, промеж перфорационных отверстий, позволяя тем самым пользоваться кинолентой совершенно в любых кинотеатрах, вне зависимости от оснащения кинотеатра аппаратурой с декодером АС-3.

«Dolby Stereo Digital» — это звуковой формат, который построен на кодировке «АС-3» и дебютироввший в кинематографии в июне 1992 г. В период с 1992 по 1995, в 27 странах мира, около 600 кинотеатров и более 50 фильмов, обзавелись оборудованием для считывания информации с цифровых дорожек. Обладая несколькими звуковыми дорожками (аналоговой и цифровой), позволяет экономить при тиражировании и не требуют больших затрат, а применяться могут в любых кинотеатрах. Немаловажно то, что цифровые дорожки в формате АС-3 очень износостойкие.

Ошеломляющий успех и применение кино формата «Dolby Stereo Digital» стало отрывной точкой и толчком, для разработки форматов бытового применения, основанных тем самым на алгоритме «АС-3».

Система «АС-3» и домашний кинотеатр (5.1)

Версия «Dolby Stereo Digital» в быту, базирующаяся на «АС-3», стала называться «Dolby Surround Digital». Бытовой формат, как и кинематографический, обеспечивает получение сигналов громкоговорителей во фронтальной плоскости для центрального, правого, левого и нескольких тыловых каналов (по желанию можно еще использовать и низкочастотную колонку «сабвуфер»), эта схема проще говоря 5.1.

В сравнении с «Dolby Surround Pro Logic», в момент применения, канал тыла по частоте ограничен, работая в режиме моно (обычно применяются два громкоговорителя), «Dolby Surround Digital» обладает несколькими независимыми тыловыми каналами с одинаковым частотным диапазоном как и фронтальные каналы.

Форматы, в которых используется АС-3:

• Цифровое вещание в формате HDTV
• Телевидение высокой четкости (High Defenition Television) (ТВЧ от англ. HDTV). Самый первый TV формат, который применил кодировку "АС-3", а первые экспериментальные телепередачи в формате AC3 проводились с Олимпийских Игр.
• Кабельное цифровое TV, применяет формат "АС-3", благодаря стандартизации с HDTV и своей цифровой природе. В конце 1994 года были проведены первые экспериментальные телепередачи.
• Лазерный диск (LaserDisc). Благодаря принципу с моделями LD-плееров , которые уже существуют, для звукового сопровождения записи в аудио формате "АС-3" подходит только "NTSC LaserDisc", на котором смогли сохраниться дорожки FM-сигнала, стереофонического. 
• Спутниковое цифровое радиовещание Digital Broadcoast Sattelite (DBS). Система DBS самая первая была основана в кодировке аудио "АС-3" в 1994 году. Одновременно в ней передаются 120 музыкальных стерео каналов с дополнительной информацией (альбома, название композиции, имя исполнителя ).
• Digital Video Disc (DVD) - двд диск. Стандарт, с сильно нашумевшей репутацией еще до до своего принятия в обиход. Применение звуковой дорожки в формате "АС-3" применялся вместе с видео форматом "MPEG-2" для осуществлении записи, этот вариант предложили фирмы Time Warner и Toshiba.
• Помимо аудио применения, исследования алгоритма в кодировке AC-3 выдуться и в медицинской телеметрии.