Surroundformaten deel 2

Klik hier voor deel 1
Klik hier voor deel 3
Klik hier voor deel 4

Elke ontwikkeling kenmerkt zich door periodes of tijdperken. Voor geluidsweergave geldt dit ook. Van analoog naar digitaal, van mono naar tweekanaals stereo of zelfs meerdere kanalen. Van een matrix-codering naar een discreet formaat enz. In dit tweede deel van de artikelreeks ‘Surroundformaten’, gaan we over van het analoge naar het digitale tijdperk en richten we ons iets meer op de ‘multichannel formats’ voor de thuisgebruiker. De formaten DVD-Audio (MLP) en SACD (DSD) zijn hier overigens bewust buiten beschouwing gelaten.

Van analoog naar digitaal...het nieuwe tijdperk.

Het is het jaar 1982. Het Nederlandse bedrijf Philips, dat al sinds 1974 bezig was met het onderzoeken van de mogelijkheden om audio-informatie vast te leggen op een optische drager, verraste vriend en vijand toen het in 1982 in Japan de CD aan de wereld liet zien. Met de eerste Philips CD100 CD-speler was het voor het eerst mogelijk om thuis te genieten van digitale audioweergave. De CD heeft een dynamisch bereik van 96 dB, geluid staat opgeslagen in de vorm van 16 bit PCM (Pulse Code Modulation), een audiosample heeft een woordlengte van 16 nullen/enen die 44.100 maal per seconde worden gelezen. De ‘kenners’ verguisden het systeem (vooral de scherpe ‘digitale’ klank van de eerste CD-spelers en CD’s waren hier debet aan), maar de massa liet zich gemakkelijk verleiden en al snel begon de CD aan haar opmars. Digitaal was het sleutelwoord en de filmindustrie mocht natuurlijk niet achterblijven op de ontwikkelingen en trends op het digitale terrein.

Het mag dan eigenlijk ook vreemd heten dat juist de introductie en populariteit van CD niet de daadwerkelijke aanzet is geweest tot de ontwikkeling van digitale surroundformaten zoals ‘Dolby Digital’ of ‘DTS’. Die eer ligt geheel in handen van de standaardisering van HD-TV die rond 1987 in de Verenigde Staten speelde. Vier of meer kanalen werden als gewenst gezien door de personen die aan de leiding stonden van de standaardisering en alhoewel de techniek van de CD voor handen was, bleken de technische specificaties van ditzelfde product tekort te schieten. Het door Ray Dolby in 1965 opgerichte bedrijf ‘Dolby Laboratories’ was al sinds 1972 de trendsetter op het gebied van filmgeluid voor de filmindustrie, zoals is te lezen in het eerste deel van dit artikel en mocht zich dan ook verheugen op de ontwikkeling van een nieuwe audio codering. Twee generaties van hun ‘perceptual coding’ systeem gingen vooraf aan Dolby’s meest bekende audiocodering: AC-3. Alhoewel het uitgangspunt HD-TV was, bleken de commerciële bioscopen met het formaat aan de haal te gaan, de adoptie van het nieuwe surroundformaat was een feit.

Zes jaar bleek nodig te zijn om te komen tot dit digitale surround-systeem maar in 1992 was het dan zover: Tim Burton’s ‘Batman Returns’ was de film en ‘Dolby Stereo Digital’ (DSD) was het formaat. 6 Discrete kanalen lagen digitaal (optisch) op 35mm celluloid vastgelegd, naast het analoge ‘Dolby SR’, een standaard die tot op vandaag nog altijd op de filmprint te vinden is naast de digitale geluidstrack. De zes discrete kanalen bestaan uit een linker en rechterfront kanaal, twee surround kanalen en een “Low Frequency Effects” kanaal, simpelweg LFE.

In nog geen twee jaar tijd waren ruim 50 films voorzien van een ‘DSD’ surroundtrack, ruim 600 bioscopen verspreidt over 27 landen waren DSD-compatible. ‘Dolby Stereo Digital’ bleek dus een groot succes en het zou niet lang meer duren voordat ook de consumentenmarkt overspoeld zou worden met DSD-compatible geluidsapparatuur, alhoewel de benaming voor de consumentenmarkt uiteindelijk niet ‘Dolby Stereo Digital’ werd, maar simpelweg ‘Dolby Digital’. In 1995 kwamen de eerste Dolby Digital audiotracks beschikbaar op het LaserDisc formaat, later via het medium DVD.

Dolby Digital wordt dikwijls verward met een 5.1 surroundtrack maar dit is niet in alle gevallen juist. De benaming Dolby Digital staat voor een audio codering en vertelt niets over het aantal kanalen dat in de datastream verwerkt is. Zowel mono, stereo als 5.1 is technisch gezien mogelijk. ‘Dolby Digital 2.0’ en ‘Dolby Digital 5.1’ zijn de meest voorkomende opties. In het geval van ‘2.0’ zijn de twee kanalen vaak Dolby ProLogic geëncodeerd.

In 1999 bracht Dolby Laboratories hun laatste innovatie op de markt. Het surroundveld werd uitgebreid met een extra surroundkanaal áchter de luisteraar, om zodoende bepaalde ‘pans’ (overgangen) van geluiden van voor naar achter beter te laten verlopen. Tezamen met een andere drijvende kracht binnen de wereld van filmgeluid, George Lucas, was het de eer aan ‘Star Wars I: The Phantom Menace’ om als eerste het nieuwe formaat ‘Dolby Digital EX’ aan de wereld te tonen. ‘Dolby Digital EX’ is een 5.1 surroundformaat, waarbij in de twee surroundkanalen een derde kanaal ligt verborgen middels een matrix-codering. Alhoewel het surroundformaat dus tot 7 kanalen kan bevatten, wordt het 7e (rear-)signaal dus uit de originele 6 discrete kanalen gefilterd (en wel specifiek uit de 2 surroundkanalen).

Compatibiliteit is altijd een groot toverwoord geweest binnen de Dolby-familie. Of de consument nu een complete ‘state-of-the-art’ surround set-up heeft staan of liever zijn films in tweekanaals stereo, of zelfs geheel in mono wil bekijken, ‘Dolby Digital AC-3’ maakt het mogelijk. De truc heet ‘downmixing’, een functie die elke AC-3 decoder bezit en waarmee het mogelijk is om elke datastream aan te passen aan de huiselijke omstandigheden. De decoder kan niet van een 2.0 een 5.1 soundtrack maken, maar de 2.0 track wel in Dolby ProLogic weergeven over alle kanalen.

De concurrentie voor Dolby Laboratories.

Maar Dolby Laboratories was niet als enige actief in de wereld van discreet filmgeluid. Concurrentie lag op de loer en in 1993 maakte het publiek voor het eerst kennis met ‘DTS Digital Surround’. Tijdens de première van Steven Spielberg’s ‘Jurassic Park’ waren er al zo’n kleine 900 bioscopen voorzien van het ‘Digital Theater System’ om het nieuwe geluidsformaat te introduceren, tezamen met de baanbrekende special effects van de befaamde ‘Industrial Light & Magic’ studio en de bekende ‘poppenmaker’ Stan Winston. Niet enkel de computergegenereerde beelden en de dinosauruspoppen op ware grootte waren adembenemend, ook de 5.1 surroundtrack in het DTS formaat wist duidelijk te imponeren, gezien de gewonnen ‘Academy Award’ voor ‘Best Sound’. DTS was in één klap een begrip en sindsdien een geduchte concurrent van Dolby.

De oorsprong van het DTS formaat ligt in het jaar 1974. Terry Beard, eigenaar van het bedrijf ‘Nuoptix’, dat gespecialiseerd was in de ontwikkeling en productie van hoogwaardige optisch-analoge opnameapparatuur, had nauw samengewerkt met Mike Todd aan de ontwikkeling van het ‘Todd AO’ formaat en besloot later om samen met Jim Ketcham van het bedrijf ‘Lorimar’ een systeem voor digitale geluidsreproductie voor films te ontwikkelen. De eerste proeven werden gedaan met DAT-tapes, maar helaas lukte het beide mannen niet om de geluids- en beeldinformatie synchroon te laten lopen. De problemen ontstonden vooral op momenten dat er vreemde of foutieve edits in het beeld waren, waardoor frames een sprong in de tijd maakten. Het was Jim Ketcham die voorstelde om de CD (CD-ROM’s) te gaan gebruiken en deze te synchroniseren met de tijd-code op de filmprint. In samenwerking met Stephen Smyth en het bedrijf ‘Audio Processing Technology’ was de eerste aanzet gemaakt voor wat later zou uitgroeien tot het bekende DTS formaat. In 1990 werd de opzet gedemonstreerd aan Steven Spielberg en ‘Universal Pictures’. De rest laat zich raden.

Als antwoord op Dolby’s ‘Dolby Digital EX’ surroundformaat ontwikkelde DTS het ‘DTS ES’ surroundformaat, dat net als Dolby Digital EX een derde surroundkanaal herbergde. De eerste versies van het ‘DTS ES’ surroundformaat waren net als Dolby’s EX-variant, matrix-encoded. Het derde surroundkanaal werd middels een matrix-codering opgeslagen in de twee discrete surroundkanalen en alleen AV-apparatuur uitgerust met een DTS ES decoder waren in staat om het extra surroundkanaal te extraheren uit de twee discrete surroundkanalen. Later volgden dan de eerste, puur voor de thuismarkt ontwikkelde echte discrete 6.1 DTS surroundtracks. Alhoewel beide formaten dezelfde benaming (DTS-ES) dragen, kwam er later toch het onderscheid middels de namen ‘DTS 6.1 Matrix’ en ‘DTS 6.1 Discrete’. Naast DTS en DTS ES, komen we ook nog regelmatig de termen ‘DTS Neo’ en ‘DTS 24/96’ tegen bij de specificaties van AV-apparatuur. Enkel DTS 24/96 kunnen we echter tot een formaat rekenen. In plaats van de standaard 20bit/48kHz codering, worden in dit formaat de woordlengte en bemonsteringsfrequentie verhoogd naar respectievelijk 24 bit en 96 kHz. ‘DTS Neo’ is geen codering, maar simpelweg een matrix-decoder die een stereosignaal kan omzetten naar een 6-kanaals audiosignaal.

Naast DTS was er nog een concurrent, namelijk ‘Sony Dynamic Digital Sound’, ontwikkeld door ‘Sony Cinema Products Corporation’, dat logischerwijs deel uitmaakt van het grote concern ‘Sony Electronics’. Sony’s menging in de wereld van cinema door het overnemen van het productie- en distributiebedrijf ‘Columbia Pictures Studio’, zorgde er ook voor dat Sony gebrand was op het ontwikkelen van een hoogwaardig surroundformaat dat uiteindelijk resulteerde in SDDS. Door hun partnership met bioscoopconcerns als ‘Loews Theatres’ en de invloed die zij konden uitoefenen via Columbia Pictures, was succes haast verzekerd. SDDS is een surroundformaat dat als eerste in de wereld 8 discrete kanalen wist te herbergen op twee optische geluidssporen. Hiermee overtrof  SDDS direct het vroegere ‘Cinerama’ formaat, het formaat waarop SDDS indirect gebaseerd is. Geheel in traditie met de grootse beeldformaten als ‘Cinerama Widescreen’ herintroduceerde SDDS in eerste instantie opnieuw het linker- en rechtercenterkanaal naast de linkerfront, rechterfront en de center zelf. Naast deze 5 frontkanalen beschikt het SDDS formaat nog over 2 surroundkanalen die in ‘split surround’ (stereo) worden aangestuurd en een LFE-kanaal: een totaal aan 8 discrete kanalen.

De film ‘Last Action Hero’ uit 1993 met in de hoofdrol de ‘Oostenrijkse Eik’ Arnold Schwarzenegger was de gelegenheid waarin SDDS voor het eerst ten gehore werd gebracht. Sony heeft altijd beweerd SDDS nooit voor de consumentenmarkt beschikbaar te stellen en tot op heden zijn er inderdaad ook nooit plannen geweest om dat te gaan doen.

Ondanks de verschillende surroundformaten en de onderlinge concurrentie, is er voor de consumentenmarkt nooit een echte concurrentiestrijd gevoerd. Zowel ‘DD’, als ‘DTS’ en ‘SDDS’ blijken voor bioscoopproducties gemakkelijk naast elkaar te kunnen bestaan. De major filmmaatschappijen hebben duidelijk niet gekozen voor een standaard en hebben daarmee een formatenoorlog weten te voorkomen, maar brengen hun films veelal uit in alle formaten, waarbij de Dolby Stereo Digital als de SDDS tracks samen op de filmprint staan vastgelegd en er met de tijd-code van de film ook nog een CD-ROM meespeelt waarop de DTS surroundtrack geschreven staat. Het grootste voordeel van deze aanpak is natuurlijk dat haast elk commercieel theater compatibel is met het aangeleverde surroundformaat en de behoefte naar verschillende prints verdwenen is.

Dolby Digital vs. DTS

Zowel Dolby Digital, DTS als SDDS zijn ‘lossy compression’ reductiesystemen, gebaseerd op het principe van ‘perceptual coding’ en ontwikkeld om de hoogst mogelijke audiokwaliteit te waarborgen in multichannel, zonder enorme opslagcapaciteit nodig te hebben. ‘Lossy compression’ is een methode om data te reduceren en zo de grootte van een bestand te verminderen. Het verwijderen van die data gebeurt bij alle drie de surroundformaten volgens het principe van ‘perceptual coding’. Deze audio-codering is ontwikkeld met het auditief vermogen van de mens in gedachte. Anders gezegd: het auditief onvermogen van de mens. Er wordt simpelweg weggelaten wat voor de mens onhoorbaar is! Binnen een bepaald geluidsgebied is de mens slecht in staat zacht opgenomen tonen te horen die gelijktijdig worden weergegeven met luidere tonen die ongeveer dezelfde frequentie hebben. Men noemt dit het auditief maskeren van het gehoor. Bij hogere frequenties wordt dit fenomeen steeds duidelijker. Het weghalen van die minder luide tonen zorgt voor een vermindering van data.

De vertrouwde CD heeft per audiospoor een ‘bitrate’ van pakweg 706 kbps (kilobit per seconde) nodig om het 16 bits PCM audiosignaal te herbergen. De DTS codering vermindert dit aantal tot 754 kbps, 1235 kbps of 1509 kbps voor 6 kanalen tesamen! SDDS maakt gebruik van het compressiesysteem zoals Sony deze heeft ontwikkeld voor hun MiniDisc, het ‘ATRAC’ compressiesysteem en weet hiermee de bitrate nog verder te reduceren tot 1060 kbps of het maximale 1411 kbps. Dolby’s compressiemethodiek is het meest radicaal en kan de data verminderen tot hun voorgestelde minimale bitrate van 320 kbps voor een 5.1 surroundtrack met een woordlengte van 20 bits en een bemonsteringsfrequentie van 48Khz, dit is een compressieratio van ongeveer 15:1, waar DTS en SDDS gemiddeld tot een compressieratio van 4:1 en 5:1 komen.

Voor de thuismarkt hanteert Dolby Digital de gebruikelijke 384 kbps of 448 kbps bitrates, waarbij de laatste tevens de hoogste mogelijke bitrate is voor een ‘Dolby Digital’ surroundtrack op DVD. Surroundtracks in het DTS formaat worden vooral uitgebracht met een 754 kbps bitrate, maar steeds meer zien we ook hun maximale bitrate van 1509 kbps weer op DVD verschijnen. Beide formaten zijn maximaal 24 bit en gebruiken een bemonsteringsfrequentie van 32, 44.1 of 48 kHz, waarbij deze frequentie voor ‘DTS’ kan oplopen tot 96 kHz en zelfs 192 kHz. Beide formaten hebben een frequentiebereik van 20 Hz tot 20 kHz bij –0,5dB voor de ‘hoofdkanalen’ en 20 Hz tot 120 Hz voor het LFE kanaal. Het –3 dB punt van het frequentiebereik bij een Dolby Digital track ligt op 3 Hz en 20.3 kHz voor de hoofdkanalen en van 3 Hz tot 121 Hz voor het LFE kanaal. Theoretisch kunnen beide surroundformaten een totale dynamische capaciteit van 144 dB bereiken, maar de meer reële waarde van dit bereik ligt rond de 108 dB voor de thuismarkt.

Hoewel Dolby Digital en DTS uiteindelijk een gemeenschappelijk doel nastreven, waren de uitgangspunten bij de ontwikkeling van beide coderingssystemen duidelijk verschillend. Dolby Laboratories heeft zich feitelijk nooit bekommerd om de methode zoals die voor de CD is ontwikkeld, Dolby’s bedoeling was de hoeveelheid data zo sterk te reduceren, dat deze binnen de gestelde normen (minimaal 320 kbps voor een 20 bits 48 khz multi-kanaals audiospoor) viel. DTS daarentegen, hield zich vooral aan de normen zoals die golden voor de CD, maar legde de lat nog enigszins hoger en hadden een multichannel audiospoor voor ogen waarbij de resolutie uiteindelijk zelfs groter zou zijn dan van de CD. In tegenstelling tot het PCM formaat waarbij de bitrate vast is, kan de bitrate van zowel een Dolby Digital als een DTS surroundtrack per kanaal en tijd variëren, geheel afhankelijk van de inhoud van het geluid per kanaal.

In de industrie, door de consument en in de bladen wordt vaak een vergelijk gemaakt tussen de formaten Dolby Digital en DTS, waarbij het de laatste is die steevast met de eer strijkt. Te vaak stelt men simpelweg dat de mindere compressie en hogere bitrate automatisch leiden tot een betere geluidskwaliteit. Zoals vaak binnen de audiowereld is echter haast nooit sprake van een automatisch gerelateerd verband. De compressietechnieken van Dolby Digital en DTS zijn te verschillend om een simpele en eenduidige uitspraak te kunnen doen welke compressiemethodiek nu de betere geluidskwaliteit oplevert. Vergelijkingen worden vaak gedaan middels een A/B vergelijk, zonder zich te bekommeren om de grote technische verschillen tussen beide compressiemethodieken. Dolby Digital bijvoorbeeld, hanteert een ‘dialogue normalisation’ functie, waarmee men tracht de dialoog als norm te nemen om luidheidverschillen tussen Dolby Digital soundtracks te nivelleren. Doorgaans heeft dit een verlaging van de totale luidheid van het geluidsspoor tot gevolg. DTS mist een dergelijke functie, waardoor de tracks gemakkelijk tot 8 dB luider kunnen zijn dan de Dolby Digital tracks. Een simpel A/B vergelijk zonder bovenstaande in acht te nemen, leidt dus onherroepelijk tot verkeerde conclusies. Uitspraken over welke compressiemethodiek de betere zou zijn, moeten zich baseren op de technische kanten en effectiviteit van de coderingsschema’s. Wanneer je bedenkt dat de AC-3 compressie vaak verrassend dicht in de buurt van de DTS variant komt, en in sommige gevallen zelfs overtreft, dan zet dat de mens toch aan het denken wat betreft de effectiviteit van de codering ontworpen door ‘Dolby Laboratories’.

Slotwoord

In het volgende en sluitende deel ‘Surroundformaten 3’ zal ik nader ingaan op vraagstukken waarom THX geen surroundformaat is en natuurlijk wat het dan wel is en welke alternatieve algoritmes we buiten de bekende Dolby en DTS varianten nog meer kennen. Wat de toekomst ons wellicht zou kunnen brengen op het gebied van surroundformaten voor de thuismarkt en een compleet overzicht van de formaten en algoritmes zoals die in de drie delen voorbij zijn gekomen.

Voor het schrijven van dit artikel is gebruik gemaakt van de ‘technical papers’ zoals die te vinden zijn op de websites van `DTS`, `Dolby Laboratories` en `Sony SDDS`. Iedereen die dieper wil ingaan op de gebruikte codecs, de verschillende compressiemethodieken, ‘perceptual coding’ etc. kan ik het lezen van de betreffende ‘technical papers’ van harte aanraden.