Fachbereich Medieninformatik Hochschule Harz Dolby Digital (AC3) Referat Sebastian Mueller 10713 Abgabe: 15.01.2007
Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung...1 2 Basiswissen...1 2.1 Auditive Ortung...1 2.2 Aufnahmeverfahren...1 3 Der Weg zum Dolby Digital...1 3.1. Die Lokalisation von Klangobjekten...1 3.2 Stereo...2 3.3 Dolby Stereo...2 4 Dolby Digital...2 5 Fazit...3 6 Glossar...4 7 Quellen 7.1 Literaturverzeichnis...5 7.2 Internetquellen...5
1 Einleitung Die vorliegende Hausarbeit behandelt den räumlichen Klang und sowie die Prinzipien und Techniken seiner Herstellung. Es werden die technischen Aspekte und die technische Entwicklung des Formats Dolby Digital behandelt. Außerdem wird auf das entsprechende Komprimierungsverfahren AC3 eingegangen. Bewusst wird an dieser Stelle nicht auf die wirtschaftlichen Faktoren, die hinter dem Namen Dolby stecken, eingegangen, um den Umfang der Ausarbeitung einzuhalten. Zu Beginn wird Basiswissen vermittelt, um die Zusammenhänge des räumlichen Klangs zu verstehen. Dann wird der Weg von Stereo zu Dolby Digital dargelegt, und zum Schluss das Komprimierungsverfahren AC3 soweit erläutert, wie es in diesem Rahmen möglich war. Es geht nicht zu sehr ins Detail, da es nicht sinnvoll ist, an dieser Stelle mit Codes, Formeln oder algorithmischen Herangehensweisen zu jonglieren. Am Ende fi ndet sich ein kleines Glossar, das bestimmte Begriffe erklärt. 2 Basiswissen 2.1 Auditive Ortung Bei der auditiven Ortung und gleichzeitig bei der Positionierung von Lautsprechern im Raum bzw. Kinosaal ist es wichtig, sich bestimmter Faktoren bewusst zu sein. Es existieren zwei Parameter, die die Lokalisation eines Geräusches beeinfl ussen: Laufzeit-/ Phasendifferenz und Intensitätsunterschiede, die in der Natur stets als Summe auftreten. Die Laufzeitdifferenz/- Phasendifferenz wird wie folgt defi niert: der Weg einer Schallquelle zu beiden Ohren ist unterschiedlich lang, sofern sich diese nicht genau mittig zwischen beiden Ohren befi ndet. Kommt der Schall beispielsweise von rechts, erscheint er dem rechten Ohr lauter, weil er dort eher ankommt. Der Intensitätsunterschied: durch die Kopfform entsteht am abgewandten Ohr ein so genannter Schallschatten (Unterschiede von bis zu 6-12dB). Dieser Intensitätsunterschied nimmt mit höher werdender Frequenz zu. Ein weiteres Phänomen ist der so genannte Haas-Effekt, der besagt: treten zwei Töne innerhalb von 50ms auf, bestimmt der erste Ton die Ortung, auch wenn der zweite Ton lauter sein sollte. 2.2 Aufnahmeverfahren Des Weiteren handelt diese Hausarbeit von digitalen Aufnahmenverfahren und stellt die Entwicklung des analogen zum digitalen Tonsignal dar. Beim analogen Aufnahmeverfahren wird der Ton mit dem Mikrophon aufgenommen und in elektrische Spannung umgewandelt. Die Größe dieser Spannung ist abhängig von der Lautstärke, und der Wert der Frequenz von der Höhe des Tons. Diese Spannung wird über eine Spule in magnetisches Signal umgewandelt und auf ein Magnetband des Aufnahmegerätes aufgezeichnet. Beim digitalen Aufnahmenverfahren misst ein digitales Aufnahmegerät die Wellenform mehrere tausend Mal pro Sekunde und weist jeder Messung einen numerischen Wert zu. Diese Zahlen werden in einen Fluss elektronischer Impulse übersetzt, die zur späteren Rückübersetzung und Wiedergabe gespeichert werden. 3 Der Weg zum Dolby Digital 3.1 Der Räumliche Klang Räumlichen Klang zu erzeugen, bedeutet die Schaffung einer Lokalisierungsmöglichkeit des Tons für den Betrachter bzw. Zuhörer. Das Ziel ist die Abbildung unterschiedlicher Positionierung des Sounds im Raum, und die Abbildung räumlicher Dynamik von Bewegung. Seit Erfi ndung des Tonfi lms war dies eine technische Zielsetzung der Filmindustrie. Die ersten Versuche Stereoeffekte zu entwickeln, liegen in den 30er Jahren.
3.2 Stereo Stereo ist das elementare System für alle Raumklang- bzw. Mehrkanalsysteme. Dieses System wurde 1940 mit dem Disney-Meisterwerk Fantasia eingeführt. Beim Monoformat können Klänge nur entlang der zeitlichen Achse platziert werden (Sukzession der Ereignisse). Das hat zur Folge, dass Abstufungen im Ton nur durch Erhebung bzw. Absenkung der Lautstärke erreicht werden können. Das Stereoformat dagegen besitzt mehr Möglichkeiten, um dem Ziel des räumlichen Klangs näher zu kommen. Frequenz, Verzögerung und/oder Hallanteil beeinfl ussen in der Realität die Ortung eines Geräuschs. Diese Dinge gilt es nachzubilden auf Basis der hörpsychologischen Kenntnisse und der auditiven Ortung. Stereophonie arbeitet größtenteils mit dem Intensitätsunterschied und dem Effekt der Summenlokalisation : d.h. erklingt ein Ton mit derselben Intensität aus zwei Lautsprechern gleichzeitig, berechnet das Gehirn eine Phantomschallquelle, eine virtuelle Schallquelle, die zwischen den beiden äußeren Lautsprecherboxen entsteht. Um den Ortungsunterschied darzustellen, arbeitet man mit der Veränderung der Intensitäten auf jeweils einem der beiden Kanäle, was besonders bei hohen Frequenzen differenziert wahrzunehmen ist. Um im optimalen Hörbereich zu sitzen, zwingt die Größe des Kinos zum linienförmigen Sitzen auf der Symmetrieachse. Aus diesem Grund installierte man schon früher ein oder mehrere Boxen in der Mitte der Leinwand. Ab 1953 entstanden viele Mehrkanalsysteme, unter anderem CinemaScope, Todd-AO, Cinerama und Panavision und der Perspecta Stereophonic Sound, die allesamt einen zusätzlichen Effektkanal hinzufügten. Doch alle Systeme wiesen Nachteile auf: teure und/oder aufwendige Installation, großer Aufwand beim Dreh oder einfach technische Schwächen. 3.3 Dolby Stereo Dolby Stereo wurde 1976 von Hersteller Ray Dolby eingeführt. Es ist ein so genanntes Matrixverfahren, in dem vier Kanäle zu einem stereokompatiblen Signal, also zwei Tonspuren, zusammengefasst werden. Das heißt vier Boxen: vorne links, Mitte, vorne rechts und ein Effektkanal. Die Qualitätsverbesserung lag zum einen an der Rauschunterdrückung, die dadurch erreicht wurde, dass man bei der Aufzeichnung leise Töne in der Lautstärke angehoben sowie bei der Wiedergabe um denselben Betrag wieder abgesenkt und dadurch das Bandrauschen verringert hat. Ein weiterer Faktor, der zur Qualitätsverbesserung beitrug, war der Einsatz zusätzlicher Kanäle für den Center- und den Surroundlautsprecher. Dieser Surroundkanal wird begrenzt auf 100 Hz bis 7 khz und mit ±90Grad verschobener Phase zum rechten und linken Kanal gemischt. Dies hat den Nachteil der relativ schlecht differenzierten Kanaltrennung (3dB), was im Kino etwas besser funktioniert, dennoch liegt sie dort bei 30 Grad, was immer noch schlechte Richtungsortung und Klangqualität zur Folge hat. Zu Beginn war der größte Vorteil beim Dolby-Format nicht der Klang, welcher sich nicht sehr stark von dem Stereo unterschied, sondern die Optimierung des Lichttons, welcher nun eine größere Widerstandsfähigkeit besaß und leichter zu handhaben war. 4. Dolby Digital Dolby Digital ist die von Ray Dolby 1992 eingeführte Audiocodiertechnik, in dem sechs getrennte (diskrete) Kanäle einen Mehrkanalton übertragen. Es ist ein digitales Lichttonverfahren, das zu den 5.1-Systemen gehört. Fünf diskrete Kanäle versorgen die Boxen, die das Frequenzspektrum von 20Hz bis 20 khz abdecken und ein diskreter Kanal versorgt den Subwoofer, welcher die niedrigen Frequenzen im Bereich von 20 bis 120 Hz wiedergibt. Links vorne, Mitte vorne, rechts vorne, hinten rechts und hinten links sind Lautsprecher positioniert. Zusätzlich noch der Subwoofer, dessen Positionierung den Klang aber nicht die Ortung eines Tons beeinfl usst. Der 1992 produzierte Actionfi lm Jurassic Park war der erste Kinofi lm in digitalem Format. Er griff das Nadeltonverfahren auf, welches man zu Beginn des Tonfi lms schon verwendete, auf, um zwei Medien zu kombinieren. Der separierte Ton wurde von einer CD-Rom synchron zum projizierten Filmbild abgespielt. Der Filmstreifen sendet zusätzlich Synchronimpulse um die Bild-Ton- Synchronität zu gewährleisten. Diese Technik ist digital, jedoch nicht dem konventionellen Dolby Digital zuzuordnen, da Dolby Digital ein Format ist, das mit einer zusätzlichen digitalen Tonspur arbeitet, die in komprimierter Form auf die Filmperforation des Filmstreifens aufgespielt wird. Um die Stereo bzw. Dolby Surround-Kompatibilität zu bewahren, ist daneben eine zusätzliche analoge Dolby Surround-Spur bzw. Stereo-Spur aufgesetzt.
Digitaltechnologie erlaubt erhöhten Dynamikumfang und praktisch verlustfreies Kopieren. Ein ähnliches Format ist das DTS, welches Dolby Digital klanglich sehr ähnlich ist, jedoch unterschiedliche Komprimierungstechniken nutzt: DTS benutzt apt-x100 und Dolby-Digital AC3. Da sechs Kanäle eine große Datenmenge implizieren und zwischen den Perforationslöchern des Filmstreifens nur Platz für wenige Daten ist, muss komprimiert werden. Komprimiert wird nach dem AC3-Standard, den es seit 1993 gibt. Man versteht darunter ein verlustbehaftetes Komprimierungsverfahren, das die Prinzipien der Psychoakustik nutzt, um die Anzahl der Bits so zu reduzieren, dass das Signal für unser Ohr verlustfrei klingt. Ein unkomprimiertes Audiosignal, auch PCM-Signal genannt, hat eine Samplingrate von 44,1kHz, eine Quantisierung, also Aufl ösung von 16Bit und eine Datenrate von 705,6kBit/s. Es erreicht ein Frequenzspektrum vom ca. 22kHz und eine Dynamik von 96dB. Es gibt zwei wichtige Abhängigkeiten: Erhöht sich die Samplingrate, so erhöht sich auch das Frequenzspektrum. Zum Beispiel erzeugt eine Samplingrate von 96kHz ein Frequenzspektrum von 48kHz. Die zweite Abhängigkeit ist die Dynamik. Sie wird bestimmt von der Aufl ösung, also der Anzahl an Bits. Ein Bit entspricht 6dB im dynamischen Bereich, wobei 24bit der derzeit höchsten theoretischen Aufl ösung entspricht Wir sehen: je höher die Samplingrate, desto höher ist das Frequenzspektrum, desto besser die Tonqualität. Und je höher die Aufl ösung, desto größer der dynamische Bereich, und nochmals: desto besser der Sound. Als Eingangssignal verwendet AC3 stets ein digitales, PCM-kodiertes, mehrkanaliges Signal. Diese unkomprimierten Informationen der sechs Kanäle setzen sich jeweils aus einem Frequenzspektrum von 48kHz und einer Samplingrate von 24Bit zusammen. Nun werden diese Informationen in einem Kompressionsverhältnis von ca. 11:1 auf eine Datenrate von höchstens 640kBit/s gebracht, wobei der Durchschnittwert bei 384kBit/s liegt, was einem Frequenzspektrum von 48kHz und einer Samplingrate von 16Bit entspricht. Die Komprimierung erfolgt so, dass Informationen abgeschnitten werden, die das menschliche Ohr sowieso nicht wahrnehmen würde. Dazu zählen erstens: die Informationen, die von lauteren Informationen überdeckt werden und zweitens: die Informationen, die unterhalb der menschlichen Hörschwelle liegen. Um ersteres zu erreichen, wendet man den so genannten Verdeckungseffekt an. Frequenzen mit einer hohen Amplitude, also laute Töne, verdecken Nachbar-Frequenzen mit geringerer Amplitude und sind somit nicht wahrnehmbar, oder anders ausgedrückt: maskiert. Sie müssen nicht mitkodiert werden, da sie irrelevant und redundant sind. Um zweiteres zu erreichen, werden die Frequenzen nicht kodiert, die unter die Hörschwelle des menschlichen Ohres fallen. Dieses ist meistens bei sehr hohen Frequenzen der Fall. Der Ablauf ist folgendermaßen: Zuerst wird das Signal in einer so genannten Filterbank in Frequenz-Teilbänder zerteilt. Nun prüft das so genannte Bit-Managementsystem dynamisch die nötigen Bitraten je Teilband und Kanal, um die einzelnen Datenraten für alle Kanäle konstant zu halten, aber im Einzelnen trotzdem variieren zu können. Mit Hilfe der Quantisierer erfolgt das Löschen irrelevanter Daten aus den Signalen. Die nun entstandenen Nutz- und Steuerdaten werden mit Fehlerkorrekturdaten und Steuerdaten in einen Multiplexer gepackt und an den Decoder übertragen. 5 Fazit Dolby Digital ist eine Technik, dessen Komprimierungsverfahren allein in den Händen von der Firma Dolby liegt. Laut eigenen Angaben hat dieses Unternehmen doppelt so viel Anwälte wie Ingenieure, was eine Erklärung dafür sein kann, warum noch niemand außer Dolby einen AC3-Encoder gebaut hat. Die Entwicklung der Mehrkanaltechnik hat sich seit der Einführung 1992 technisch erweitert, aber nicht sonderlich verändert. Für den Heimgebrauch entwickelte man DTS. Ein Format, das mit weniger Komprimierung arbeitet, jedoch kaum hörbare Unterschiede aufweist. Der Trend geht zu 7.1, das heißt zusätzliche Lautsprecher hinter den Zuschauern zu positionieren. Dies alles sind marginale Verbesserungen, wenn man die Quantensprünge betrachtet, die bei der Entwicklung vom Monoton zum Dolby- Digital-Ton passiert sind. Der Entwicklung sind weiterhin im Heimgebrauch Grenzen gesetzt, denn aus Platz- oder ästhetischen Gründen, möchte nicht jeder sechs Lautsprecher in einem Zimmer aufstellen. Es existieren mittlerweile Lautsprechersysteme, die den Surround Sound mit lediglich zwei Boxen nachbilden (sollen), jedoch steckt das noch in den Kinderschuhen und bedarf weiterer Fortschritte, doch könnte dies meiner Meinung nach für den Heimgebrauch die Weiterentwicklung des 5.1 Dolby Digital Systems sein.
6 Glossar Lichttonverfahren: Tonfi lm-format, bei dem Bild- und Toninformation auf demselben Träger aufgebracht sind. Ist der Vorgänger vom Magnettonverfahren, heute noch gebräuchlich. Magnettonverfahren: magnetisches Aufzeichnungsverfahren für die Tonspur von Kinofi lmen. Dynamik (dynamischer Bereich): die Differenz zwischen höchsten und niedrigsten Pegel des Nutzsignals. Samplingrate: Digitale Repräsentation der Wellenform eines Signals. Gibt an wie oft die Welle des Signals pro Sekunde gemessen wird. Quantisierung: Aufl ösung, Menge der zur Verfügung stehenden kodierten Zahlen. Datenrate: setzt sich zusammen aus Frequenzspektrum und Samplingrate. Frequenzspektrum: Bandbreite der hörbaren Frequenz. Die menschliche Hörschwelle liegt zwischen 20Hz und 20 khz.
7 Quellen 7.1 Literaturverzeichnis - Barbara Flückiger, 2002: Sound Design: virtuelle Klangwelt des Films, Schüren Verlag Marburg - Des Lyver, 1999: Grundlagen der Videotonaufnahme, mediabook Verlag Gau-Heppenheim - Bobby Owinski, 1999: The Mixing Engineer s Handbook, Mix Books, Vallejo - Thomas Görne, 2006: Tontechnik, Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, München und Wien 7.2 Internetquellen - http://www.widescreenmuseum.com/widescreen/perspec1.htm (Stand 21.11.06) - http://de.wikipedia.org/wiki/dolby_digital http://de.wikipedia.org/wiki/dolby_digital (Stand 29.11.06) - http://de.wikipedia.org/wiki/dolby (Stand 29.11.06) - http://de.wikipedia.org/wiki/stereofonie (Stand 29.11.06) - http://members.chello.at/martin.reinhart/cinemascope.htm (Stand 22.11.06) - http://www.pinguin-inside.de/kinotechnik/kt_tonformate.html (Stand 21.11.06) - http://www.dolby.de/consumer/motion_picture/dolby_in_pictures_tb02.html (Stand 22.11.06) - http://i2c-bus.org/360+m5d637b1e38d.html(stand 21.11.06) - http://www.fefe.de/ct/audio.pdf (Stand 25.11.06) - http://server4.medienkomm.uni-halle.de/fi lmsound/kap1-3.htm (Stand 24.11.06) - http://www.uni-mannheim.de/fakul/psycho/irtel/lehre/seminararbeiten/w96/hoeren1/hoeren1.html (Stand 21.11.06)