#07/2005 • Ж.з.И.

Константин БЫСТРУШКИН, Лариса СТЕПАНЕНКО

ГОНКИ ЗА ВИДЕО

НОВЫЕ АЛГОРИТМЫ СЖАТИЯ ВИДЕОСИГНАЛА, ПРИНЯТЫЕ ДЛЯ DVB, ПОЗВОЛИЛИ ПОЧТИ ВТРОЕ УМЕНЬШИТЬ ЦИФРОВОЙ ПОТОК ПО СРАВНЕНИЮ С MPEG-2. В РЕЗУЛЬТАТЕ ЗНАЧИТЕЛЬНО УВЕЛИЧИЛОСЬ ЧИСЛО ПРОГРАММ В ОДНОМ КАНАЛЕ И СТАЛА ВОЗМОЖНОЙ ТРАНСЛЯЦИЯ ТВ-КОНТЕНТА ПО НИЗКОСКОРОСТНЫМ КАНАЛАМ СВЯЗИ (НАПРИМЕР, IP-ТЕЛЕВИДЕНИЕ). ПРИ ЭТОМ НИ DTS, НИ ТЕМ БОЛЕЕ DOLBY DIGITAL ДЛЯ КОДИРОВАНИЯ ЗВУКА НЕ ГОДЯТСЯ, ПОСКОЛЬКУ ТРЕБУЮТ ОТНОСИТЕЛЬНО ШИРОКОГО КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ. НЕ ПОДХОДЯТ ОНИ И ДЛЯ HDTV (СПУТНИКОВОМУ В ЕВРОПЕ И НАЗЕМНОМУ - В США), НО ПО ПРЯМО ПРОТИВОПОЛОЖНОЙ ПРИЧИНЕ - ИЗ-ЗА СИЛЬНОЙ КОМПРЕССИИ ЗВУКОВОЕ СОПРОВОЖДЕНИЕ НЕ СООТВЕТСТВУЕТ ФАНТАСТИЧЕСКИ ВЫСОКОМУ КАЧЕСТВУ КАРТИНКИ. ЗНАЧИТ, НУЖНО ПРИДУМАТЬ ЧТО-ТО НОВЕНЬКОЕ.

ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЭТИХ ПРОТИВОРЕЧИВЫХ ТРЕбований следует решить две задачи. В первом случае - обеспечить приемлемое качество сопровождения в 5.1 (а в перспективе - в 6.1 и 7.1) при очень низких скоростях звукового потока. Здесь главное уменьшить объем передаваемых данных при терпимых потерях качества. Во втором необходимо бескомпромиссное звучание, как на Blu-ray и HD-DVD, причем ограничение битрейта хотя и не регламентируется жестко, но все же приветствуется.

Для начала давайте зададимся вопросом: а так ли уж нужно еще сильнее «утрамбовывать» звук и изобретать новые сверххитроумные алгоритмы его сжатия? Даже в многоканальном варианте Dolby Digital 5.1 максимальный битрейт в цифровом ТВ достигает «всего» 0,64 Мбит/c (в DVD на такой звук отводится и того меньше - жалкие 0,384 Мбит/c). Вроде бы не очень много. Ну а в HDTV, где на одну программу требуется 24 - 27 Мбит/c (MPEG-2) или 8 - 9 Мбит/c (MPEG-4 AVC или WM9), многоканальный звук вообще отъедает лишь несколько процентов общего объема данных.

Казалось бы, ответ очевиден, овчинка не стоит выделки. Но это только на первый взгляд. Например, для цифрового ТВ стандартного разрешения SDTV при переходе на MPEG-4 AVC или WM9 уменьшение звукового битрейта становится куда более актуальным, чем в MPEG-2. Тем более что сейчас в Европе широко внедряется звуковое сопровождение телепередач на нескольких языках. А что делать: этого требует интеграция, а кроме того, в ЕС постоянно увеличивается приток иностранных рабочих, которых нельзя изолировать от информационной среды. В таком случае Dolby Digital и DTS потребуют примерно тот же битрейт, что выделяется для видеосигнала в MPEG-4 или WM9, из-за чего выигрыш от этих алгоритмов сведется почти к нулю. Наконец, для сетевых решений передачи низкоскоростных потоков (IP-телевидение, DVB-H и т.д.) экономия на звуке вообще становится жизненно необходимой, т.к. высвободившиеся ресурсы можно задействовать для повышения качества картинки.

Сейчас из множества новых алгоритмов звуковой компрессии наибольшие шансы на внедрение в системах SDTV и HDTV и для записи на диски Blu-ray и HD-DVD имеют три системы: MPEG-AAC, Dolby Digital Plus и DTS-HD (DTS++).

Блок-схема кодера MPEG-2 AAC. И без перевода понятно, что алгоритм очень сложный.

Чудеса психоакустики

Наиболее эффективным из этой тройки специалисты в области цифрового ТВ считают MPEG-2 AAC (Advanced Audio Coding), который в 2003 г. был стандартизован как составная часть MPEG-4. Его разработка началась более 10 лет назад сборной командой AT&T, Dolby labs., NEC, института Fraundhofer IIS и Sony. Целью исследований было создание преемника mp3, столь же экономичного, но с более высоким качеством звучания. Силы и средства были выделены немалые, и неудивительно, что уже через три года успехи проекта были налицо. В основу AAC были заложены проверенные базовые принципы mp3: удаление из звукового сигнала «лишней» информации, которая ввиду особенностей нашего слухового восприятия почти незаметна. Решение о том, какие компоненты звука удалить, а какие оставить, принимает интеллектуальный кодер MPEG-2 AAC, руководствуясь заложенной в него психоакустической моделью. Но в отличие от mp3 для повышения качества звучания здесь задействованы иные методы преобразования, улучшенные обработчики шумов и совершенно новые наборы фильтров. В 2003 г. в связи с разработкой вещательного стандарта MPEG-4 AVC алгоритм AAC был существенно модифицирован. «Вещательная» версия MPEG-2 AAC получила название HE-AAC (High Efficiency Advanced Audio Coding).

Интересной особенностью MPEG-2 AAC и MPEG-2 HE-AAC является встраивание в цифровой поток «водяных знаков» - специальных кодовых меток, содержащих информацию об авторах звуковой программы. Причем эти метки настолько хитро имплантированы, что их невозможно удалить без нарушения структуры самого сигнала. В наши дни, когда правообладатели ведут бескомпромиссную (и, надо признать, не очень-то успешную) войну с пиратами, возможность однозначной идентификации авторства незаконно изготовленных копий трудно переоценить. Теперь при обнаружении в саундтреке «водяного знака» владельца фонограммы и при отсутствии у продавца лицензии на ее тиражирование факт нарушения прав становится очевидным.

Помимо описанных выше способов, общих для обеих версий, в «HE» для дальнейшего повышения качества звучания придумали две дополнительные «фишки»: AAC LC (Advanced Audio Coding Low Complexity) и SBR (Spectral Band Replication).

Как показала практика, первая из них оказалась особенно эффективной при низких скоростях битрейта, т.к. дает субъективно более благозвучный саунд при битрейтах до 64 кбит/с. Однако добавка в виде программы SBR привела и вовсе к феноменальному результату: качество остается достаточно высоким при 32 кбит/с для моноканала, 48 кбит/с для стерео и 128 кбит/с для многоканального 5.1.

Многочисленные сравнения эффективности алгоритмов mp3 и MPEG-2 AAC убедительно продемонстрировали явные преимущества второго. Например, одни и те же композиции в MPEG-2 AAC при битрейте в 96 кбит/с звучали намного лучше, чем в mp3 при 128 кбит/с! Благодаря этому MPEG-2 ААС уже сегодня нашел несколько важных применений. Например, в Японии он принят для цифрового вещания ISDB-T, в наземном цифровом радио DRM на длинных, средних и коротких волнах («Радио вокруг света», №12/2004), а также в американской сети спутникового радиовещании XM. На 2-й сессии DVD-Audio этот алгоритм был рекомендован для спецификаций DVD-AR (Recordable DVD-Audio). Кроме того, он используется в успешном проекте Apple iTunes для скачивания музыки в проигрывателях iPOD. Большое число mр3-плееров уже сейчас поддерживает MPEG-2 ААС, да и наиболее серьезные программные вендоры (Real или Nero, например) взяли его на вооружение. Наконец, он является составной частью спецификации ISMA (Internet Streaming Media Alliance). Нет сомнения, что эта разработка будет активно внедряться и в цифровое телевидение, особенно в мобильное DVB-H. По словам главы департамента мультимедийных систем института Fraunhofer IIS Гаральда Поппа (Harald Popp), широкое применение MPEG-2 ААС начнется уже в этом году.

В системе с декодером Dolby Digital Plus соединения делаются кабелями двух видов - оптическими и коаксиальными.

Схема расстановки громкоговорителей в Dolby Digital Plus 7.1

Долби с плюсом

Начало цифрового вещания в Европе и в США, второе рождение HDTV, появление Blu-ray и HD-DVD, а также внедрение MPEG-2 AAC, конкурирующего с Dolby Digital, конечно же, не могло не вызвать ревности у американской компании Dolby Labs. Уж в чем, а в коммерческом чутье Рэю Долби отказать никак нельзя: цифровым телевидением он начал активно интересоваться еще несколько лет назад. В его лаборатории была разработана система компрессии многоканального звука Dolby E. Она заметно облегчает монтаж видеопрограмм MPEG-2 и обеспечивает надежную передачу звука из студии на телецентры. Примерно в это же время в Европе началось опытное вещание цифрового спутникового телевидения DVB-S со звуковым сопровождением в Dolby Digital 5.1, объем которого все время растет.

Не желая упускать шанс снова заявить о себе, американцы создали очередную систему аудиокомпрессии Dolby Digital Plus (в США ее называют Enhanced AC-3, или E-AC-3). Ее целью было значительное повышение эффективности обработки моно-, стерео- и многоканального звука для каналов передачи данных, критичных к ширине полосы. Это может быть IP-стриминг, кабельные сети, непосредственное спутниковое вещание DBS (Direct Broadcast Sattelite), европейское вещание DVB и американское ATSC.

«Плюсовая» технология явилась дальнейшим развитием базовых алгоритмов Dolby Digital, давно ставших стандартом для индустрии домашних развлечений. Это большое достижение Рэя Долби, т.к. на устройства, поддерживающие новый звуковой формат, автоматически распространяется действие всех патентов, лежащих в основе Dolby Digital. Соответственно, будут поступать в полном объеме и лицензионные отчисления. При сохранении общей философии и организации потока данных система Dolby Digital Plus действительно более эффективна, чем ее предшественница, особенно при низких битрейтах и наличии большого числа каналов. В версии, разработанной для HDTV и записи на Blu-ray и HD-DVD, она поддерживает новую структуру транспортного потока с дискретными каналами вплоть до конфигурации 13.1. Благодаря увеличенному до 6 Мбит/с битрейту звук можно записывать почти без компрессии, что обеспечит качество звучания, сравнимое с многоканальными SA-CD и DVD-A. Кстати, передача высокоскоростных потоков Dolby Digital Plus для HDTV предъявляет повышенные требования к цифровому интерфейсу декодера. С точки зрения специалистов Dolby Labs, стандартный S/PDIF для этого уже не годится, и сегодня существуют лишь два протокола, полностью удовлетворяющие новым требованиям - HDMI и IEEE1394, он же i.Link.

Кроме того, цифровой поток Dolby Digital Plus 5.1 может содержать сигналы матрично-кодированных задних каналов для саундтреков Dolby Digital Surround EX. В новых декодерах режим Matrix 6.1 включается автоматически по специальным управляющим меткам.

Возможность варьирования битрейта в очень широких пределах позволяет легко организовывать передачу нескольких независимых звуковых программ внутри одного транспортного потока. Это как раз подходит для многоязычного телевещания, о котором говорилось выше. В свою очередь, минимальная канальная скорость новой системы Долби составляет всего 30 кбит/c, что делает ее крайне привлекательной для сетей низкопотокового видео (IP-вещание). Получается, что Dolby Digital Plus отвечает практически всем требованиям для контента нового поколения. Проект будет полезен и обычным телекомпаниям, которые смогут приобщить к качественному звуку всех зрителей без исключения, поскольку алгоритм предусматривает «сворачивание» многоканального сопровождения в стерео или моно (downmix) с минимальными потерями информации. Делается это не простым микшированием всех каналов, а по специальной программе, заложенной в цифровом потоке. Благодаря этому в максимальной степени сохраняется баланс между различными источниками звука при приеме на любом телевизоре - со стерео- или монофоническим трактом.

Помимо этого кодер Dolby Digital Plus позволяет передавать в общем цифровом потоке дополнительную информацию, например комментарии к звуковым трекам в текстовом виде. Субтитры, дискография исполнителей и т.д. могут быть легко выведены на экран в любой момент нажатием кнопки на пульте ДУ.

Поскольку даже поверхностное описание принципов кодирования занимает 29 страниц, у нас просто нет физической возможности привести их полностью. Поэтому отметим лишь главные ноу-хау и наиболее интересные технологические изюминки:

• Transient Pre-Noise Processing (TPNP) улучшает субъективное восприятие при низких скоростях битрейта.

• Enhanced Channel Coupling гарантирует более корректное кодирование ВЧ-составляющих в стереофонии. Для этого анализируется их спектральный состав в каждом канале и в соответствии с полученными данными на лету меняется алгоритм кодирования. В результате программы, записанные или переданные с низким битрейтом, субъективно звучат лучше. ECC способен существенно улучшить звучание 2-канальных фонограмм, которые будут «расшифровываться» матричными декодерами типа Dolby Pro Logic II.

• Adaptive Hybrid Transform Processing реализуется за счет адаптивных фильтров при воспроизведении простых сигналов, близких к однотоновым (например, звучание струны контрабаса). При этом динамично перераспределяются и экономятся ресурсы цифрового потока для обработки более сложных звуковых структур с быстрой атакой, а также описания ВЧ-составляющих спектра. В результате при фиксированной скорости цифрового потока удается значительно улучшить звучание.

Сравнение систем Dolby Digital и Dolby Digital Plus
Характеристики Dolby Digital Dolby Digital Plus
Количество каналов звука 1 (моно), 2.0 — 5.1 1.0 — 13.1
Цифровой поток 96 — 640 кбит/c * 30 кбит/c — 6 Мбит/c
Независимость всех каналов Да Да
Наличие в потоке дополнительных битов Metadata (Dialogue normalizator, Dynamic range, Downmixing) Да Да
Тип соединителя на выходе декодера S/PDIF или Toslink i.Link (IEEE 1394), HDMI
Обратная совместимость Аналоговый выход стерео для AV-ресиверов Конвертированный Dolby Digital на выходе S/PDIF
«вниз» Dolby Surround для подключения к стандартным AV-системам
Выход на рынок Давно используется Конец 2005 г.
* 640 кбит/с — на выходе транскодера Dolby Digital Plus/Dolby Digital.

Одной из главных «фишек» Dolby Digital Plus, которая, по мнению Рэя Долби, просто обязана обеспечить новинке оглушительный успех на рынке, является идея ее обратной совместимости с миллионами стандартных декодеров AC-3, установленных в AV-аппаратуре по всему миру. Эта совместимость осуществляется за счет транскодирования низкоскоростного потока на выходе декодера Dolby Digital Plus в стандартный со скоростью 640 кбит/с, который затем декодируется любым AV-ресивером. Таким образом, в зависимости от способностей канала можно передавать данные со скоростями от 30 кбит/c до 6 Мбит/c, и на выходе декодера Dolby Digital Plus все будет приводиться «к одному знаменателю». Неплохая идея!

Без сомнения, это оригинальное решение должно значительно облегчить и ускорить внедрение многоканального звука в цифровом телевидении. Автоматически решается проблема интеграции поддерживающей Dolby Digital Plus аппаратуры (приставки STB/DVB, проигрыватели Blu-ray и HD-DVD) в системы домашнего театра, уже имеющиеся у населения. Спецификации E-AC-3 требуют обязательного наличия в декодере недорогого преобразователя входного потока в Dolby Digital, который потом выводится на стандартный S/PDIF для совместимости с нынешней AV-аппаратурой. А в дальнейшем должны появиться универсальные декодеры Dolby Digital /Dolby Digital Plus, и по мере их внедрения необходимость в транскодировании отпадет сама собой.

Blu-Ray раньше вышел на рынок, поэтому его разработчики первыми задумались о звуке «высокого разрешения».

Максимальный битрейт на выходе декодера Dolby Digital Plus - 640 кбит/с. Это гарантирует, что в процессе преобразования не произойдет ухудшения качества звучания, поскольку такой поток был заявлен вещателями как «потолочный» для стандарта SDTV. Поэтому в Dolby Labs. уверены, что их новые декодеры будут лучшими для всех областей применения. Однако тут же возник вопрос: а смогут ли стандартные декодеры Dolby Digital, рассчитанные на дивидишный поток 384 кбит/с, обработать данные с битрейтом 640 кбит/с? Инженеры компании провели специальное исследование и заявили, что все выпущенные на рынок декодеры Dolby Digital способны успешно работать и с такой скоростью.

Ожидается, что первыми AV-аппаратами на рынке с поддержкой Dolby Digital Plus будут цифровые приставки STB/DVB (в том числе ресиверы HDTV), а также рекордеры Blu-ray и HD-DVD. Согласно прогнозам, первые такие модели могут появиться в продаже уже в конце этого года. Поэтому, следуя поговорке «готовь сани летом...», ведущие производители уже сейчас начали готовиться к выпуску аппаратуры с поддержкой Dolby Digital Plus. В этой связи они вполне резонно спрашивают: потребует ли Рэй Долби дополнительные деньги за этот логотип? Угадайте с трех раз, что ответили им в американской компании? Правильно, предложили купить еще одну лицензию! Вот что значит хватка настоящиего бизнесмена. А иначе зачем было вообще заваривать всю эту кашу?

Подключение сет-топ бокса Dolby Digital Plus к обычному домашнему кинотеатру.

Лукас не идет на компромиссы

А как обстоят дела у Джорджа Лукаса, давнего оппонента Долби? На создание Dolby Digital Plus был тут же дан «асимметричный ответ» - система DTS-HD, т.е. многоканальный звук уровня High End для HDTV, Blu-ray и HD-DVD. Кстати, в спецификациях на эти диски часто встречается обозначение DTS++. «Мы дали название DTS-HD нашему новому формату звука потому, - сказал вице-президент департамента бытовой электроники и профессиональной техники компании DTS Брайaн Таун (Brian Towne), - что в мире потребительской электроники и DTS, и HDTV позиционируются как премиумные брэнды, олицетворяющие в глазах покупателей наивысший уровень качества». По словам г-на Тауна, «сейчас индустрия готовится перейти на принципиально новый уровень поставляемого ею «железа», а производители контента заинтересованы в резком повышении качества программ, выпускаемых в новых форматах. Поэтому появилась потребность в разработке нового брэнда, способного объединить обе эти тенденции. Мы считаем, что DTS-HD будет ассоциироваться у потребителей с высочайшим уровнем качества, и поэтому готовы проявить гибкость в продаже лицензий и производителям «железа», и студиям, готовящим звуковые программы в этом формате».

А что, все правильно! Ведь еще капитан Врунгель прозорливо заметил, что как судно назовешь, так оно и поплывет. А в нынешние времена тотальной рекламы значение брэнда стало еще более веским. Выбрал удачное название - считай, что уже половина дела сделана. Если говорить серьезно, то надо признать, что в преддверии скорого прихода новых видеоформатов высокого разрешения DTS Inc. сделала сильный маркетинговый ход, который в борьбе с Dolby Digital Plus (тоже, кстати, неплохой логотип) наверняка позволит ей сохранить завоеванные ранее рыночные позиции.

Чтобы получить лучшее представление о статегии и тактике DTS Inc. в новых условиях, предоставим слово директору департамента DTS Europe Теду Лэверти (Ted Laverty). «Приход новейшего многоканального кинозвука и последующая его миграция в сектор бытовой электроники является результатом разработки не только широкоэкранной картинки, но и реалистичного звука. В случае с DVD именно рыночный успех его опций с высокоскоростным звуковым потоком стал одним из главных мотивов развития DTS. Очевидно, что современный зритель хочет максимально качественного звучания. Картинка высокого разрешения должна сопровождаться соответствующим саундтреком, именно поэтому DTS включена в спецификации HD-DVD и Blu-ray. C началом эры HDTV у вещателей появилась возможность выбора качества изображения и звука в зависимости от сюжета. При этом гораздо важнее адекватно передать звук при трансляции премиум-программ, и здесь DTS-HD окажется очень востребована».

По определению требования к качеству звука в HDTV очень высоки и сравнимы со стандартами, предъявляемыми в кинематографе и шоу-бизнесе. В этих условиях и оказались необходимы эффективные кодеки, которые при приемлемом звучании не нуждались в широкой полосе частот и высоком битрейте. На этой стадии прекрасно зарекомендовавшая себя в домашнем театре DTS с ее эффективной системой компрессии звука пришлась как нельзя кстати. Именно DTS была выбрана корпорацией BBC для трансляции Олимпийских игр из Афин в прошлом году, да и другие телекомпании намерены держать планку при освещении столь значимых событий. К примеру, новогодний концерт 2004/2005 года Венского филармонического оркестра из Нью-Йорка по каналу HDTV осуществлялся с относительно низкими скоростями битрейта, но его субъективное восприятие соответствовало разрешению DTS 96/24.

Сегодняшние технологии DTS и Dolby Digital уже не устраивают HDTV-вещателей, и в этих условиях DTS-HD может понадобиться очень скоро.

***

Как видим, разработка новых цифровых аудиоформатов идет полным ходом. Уже предложен целый спектр новых технологий, способных удовлетворить практически все потребности и вещателей, и шоу-бизнеса - от передачи многоканального звука по низкоскоростным каналам связи до обеспечения High End качества в HDTV, Blu-ray и HD-DVD. Беда только в том, что и в этом вопросе не удалось избежать многостандартности - уж слишком различны требования к форматам в IP-вещании и HDTV. Поэтому наиболее вероятно роли между новыми форматами распределятся следующим образом.

В системах низкопотокового видео будут доминировать MPEG-2 AAC и MPEG-2 HE-AAC, а в SDTV - Dolby Digital Plus и MPEG-2 AAC.

В бескомпромиссном секторе HDTV основная борьба развернется между старыми соперниками, т.е. Dolby Digital Plus и DTS-HD. Не исключено, что в конце концов будут приняты обе эти системы, причем сопровождение большей части передач будет кодироваться по первому алгоритму, а наиболее зрелищные и значимые - по второму.

Что касается грядущих Blu-ray и HD-DVD, то и здесь, скорее всего, сохранится «двоевластие». Весь вопрос лишь в том, на каком носителе будет дорожка Dolby Digital Plus, а на каком - DTS-HD. Хотя сходство аббревиатур подталкивает к некоторым выводам. n

При подготовке статьи использовались материалы специального выпуска «Sound advice» - официального печатного органа DVB Project Office «DVB-Scence», №12 December 2004

 

   
ListenListen

Яндекс цитирования

Яндекс.Метрика

 
           

н а в е р х

ГЛАВНАЯ | РУБРИКИ | АРХИВ | КОНТАКТЫ | АВТОЗВУК
Copyright © "Салон Аудио Видео"