Surroundformaten deel 1

Klik hier voor deel 2
Klik hier voor deel 3
Klik hier voor deel 4

Door de komst van het medium DVD-Video en in zekere mate ook DVD-A en SACD, die hard op weg zijn de vertrouwde CD van zijn plaats te verdringen, lijkt het multi-kanaals gebeuren iets van de laatste jaren te zijn. Maar niets is minder waar! Meer-kanaals opnames zijn al net zo oud, of beter gezegd: óuder dan stereo opnames…

Met de volgende reeks van drie artikelen wil ik “surround sound” gaan bespreken in al zijn facetten, waarbij ik filmgeluid als uitgangspunt neem, want daarin ligt mijn grootste passie.

Meerkanaalsweergave bij films is ongeveer gelijktijdig begonnen met het uitkomen van de eerste “widescreen” beeldformaten en heeft sindsdien een grote groei gekend. Maar niet enkel in de commerciële theaters, ook voor de thuisomgeving kent multichannel een rijke geschiedenis aan verschillende formaten. Ik probeer hierin met de volgende artikelen enige duidelijkheid te scheppen. Het eerste atikel dat u nu kunt gaan lezen, handelt over het analoge tijdperk van de “multichannel” oftewel termen als “Dolby Stereo”, “Pro Logic”, maar ook “Todd AO” komen aan bod.

Surrounded by Sound – Het Analoge Tijdperk

Hoewel ‘surround sound’ pas de laatste paar jaren echt door begon te dringen in de huiselijke omgeving, was het al reeds vele decennia de wens en doelstelling van de filmindustrie om de kijker in huiselijke omgeving ‘The ultimate home listerning experience’ te geven middels een meerkanaals-weergave. Zelfs nog voordat het alom bekende en alom vertrouwde ‘stereophonic sound’ in de 50-er jaren van de vorige eeuw populair begon te worden was er in 1940 al sprake van de eerste multichannel opname.

‘Fantasound’, ontwikkeld door Walt Disney, was een 4-kanaals surround-formaat dat als optisch geluidsspoor de animatiefilm “Fantasia” vergezelde op celluloid. Het bioscooppubliek was voor het eerst getuige van een meerkanaals filmervaring waarin de klassieke mono opgenomen soundtrack via slimme ‘panning’ technieken uit 4 verschillende hoeken van de zaal kwam. Het systeem was echter te duur om in elke bioscoopzaal te implementeren. Sterker nog, het systeem was dermate duur dat het uiteindelijk in maar slechts 2 bioscopen is gebruikt.  Het ‘Broadway Theater’ in New York en het ‘Carthay Circle Theater’ in Los Angeles waren de enige theatres die bereid waren het pakweg $ 85.000 kostende surroundsysteem te implementeren. U kunt zich voorstellen dat de weg naar de ultieme ‘home experience’ nog een lange weg te gaan was.

Zoals jullie hebben kunnen lezen in het artikel ‘aspect ratio’s’ was de periode 1950-1960 een spannende periode voor de filmindustrie. Door de opmars van het televisietoestel, ging de filmindustrie naarstig op zoek naar nieuwe vorm van beeld- en geluidspresentatie. Widescreen was geboren en aan het hoofd van de stamboom stond ‘Cinerama’, gevolgd door ‘Cinemascope’. Met de komst van de widescreen ratio’s werd ook in het geluidstechnische aspect van de film geïnvesteerd. ‘Cinerama’, dat ontwikkeld was door Fred Waller, was een wat gecompliceerd systeem. Met drie 35 mm prints werd een ‘widescreen’ beeld op het witte doek getoverd met een maximale aspect ratio 2.59:1. De filmprint bood ruimte aan eem 7-kanaals magnetisch stereo geluidsspoor en met maar liefst 5 front kanalen, (links, linkercenter, center, rechtercenter en een rechterkanaal) lag de nadruk vooral in de frontstage van het geluidsbeeld.  Met de twee overgebleven kanalen kon men een apart linker en rechterkanaal bewerkstelligen of beide sides voorzien van dezelfde informatie en een backkanaal toevoegen.

Doordat ‘Cinerama’ gebruik maakte van 3 filmprints, zowel tijdens het schieten van de film alsook tijdens de projectie, bleek het een groots, maar vooral onhandig en technisch gezien gevoelig systeem. Prof. Henri Chrétien was al een langere tijd bezig met de ontwikkeling van een nieuwe en speciale lens waarmee filmcamera’s konden worden voorzien. Met een gebogen glas wist Chrétien de opgeslagen beeldinformatie te vergroten, een proces welke hij ‘Anamorphoscope’ noemde. De anamorfische lens was al snel geboren en na een concurrentiestrijd tussen filmgiganten’ Warner Bros’ en ‘20th Century Fox’ was het de laatste die er met de nieuwe techniek vandoor ging en naam maakte. De enkele 35mm filmprint kon een aspect ratio van 2.35:1 bieden en boodt daarnaast nog ruimte aan een magnetisch 4-kanaals stereo geluidsspoor. In tegenstelling tot het ‘Cinerama’ formaat maakte men ditmaal gebruik van linker, rechter, een center en eventueel een mono surroundkanaal.

Mike Todd, een Broadway-producent, verleende zijn medewerking aan de film “This is Cinerama” uit 1952 maar vond al snel dat de manier van filmen en projecteren volgens het Cinerama-principe te ingewikkeld was. Hij benaderde de lenzen-fabrikant American Optical Co. en al snel kwamen beiden tot een nieuwe manier van filmen. Todd AO maakte gebruik van een 65 mm filmprint, in tegenstelling tot het veel gebruikte 35 mm, die naast het beeld plaats gaf aan een 6-kanaals magnetisch stereo geluidsspoor. Net zoals bij het ‘Cinerama’ formaat werden ook ditmaal 5 kanalen gereserveerd voor de frontstage maar werd er ‘slechts’ gebruik gemaakt van een mono surroundkanaal.

Waar voor de toekomstige vorm van beeldweergave het ‘Cinemascope’ systeem van belangrijke betekenis is geweest, was het het systeem Todd AO dat aan de vooravond heeft gestaan van de discrete surroundformaten zoals die heden ten dage in vele (Home) Theaters gebruikt worden. Het klinkt misschien vreemd dat juist het Todd AO formaat werd uitverkoren in plaats van de geluidssporen van het ‘Cinemascope’ formaat, maar de reden hiertoe ligt in de verklaring dat juist het Todd AO formaat werd gebruikt door Dolby Laboratories voor hun innovaties. Meer daarover kunt u later in het artikel lezen.

Van A naar Dolby Digital

Van Dolby A-type NR naar Dolby Digital

Met de komst van de breedbeeld-formaten werd ook het gebruik van de magnetische geluidstrack bij de filmprint populair. Voorheen werd vooral gebruik gemaakt van de optische geluidstrack, maar deze had ten opzichte van het magnetische geluidsspoor het grote nadeel dat het enkel mono kon zijn en de geluidskwaliteit veelal van erbarmelijke kwaliteit was. Met de magnetische variant had de filmindustrie de mogelijkheid tot stereoweergave, al dan niet in een meerkanaalssysteem en daarnaast was de geluidskwaliteit, een niet geheel onbelangrijk iets gedurende de cinema-revolutie, van betere kwaliteit. Het systeem had echter ook een aantal grote nadelen want het was op de eerste plaats behoorlijk kostbaarder dan een optische geluidstrack, het magnetische geluidsspoor was kwetsbaarder en minder goed bestand tegen de tand des tijds en kon pas op het laatst aan de filmprint worden toegevoegd wanneer de film al geschoten was.

Het door Ray Dolby in 1965 opgerichte bedrijf Dolby Laboratories had de filmindustrie in de beginjaren van 1970 al voorzien van hun innovatieve ‘noise reduction’ (ruisonderdrukking), een pre-emphasis boost waarbij het signaal opgedeeld wordt in 4 frequentiespectra, die onafhankelijk met ongeveer 10db ‘opgetild’ worden om de ruisvloer te verlagen, maar hier bleef het uiteraard niet bij. In 1972 ontwikkelde Dolby, ter vervanging van de ‘Academy Curve’ hun eigen equalisatie als nieuwe standaard voor zowel de bioscoopzalen als studios. Deze door Dolby ontwikkelde EQ specificeert een vlakke frequentie-respons tot 2Khz en kent vanaf 2 KHz een roll-off van 3dB, een absolute verbetering ten opzichte van de ‘Academy Curve’ waarbij een vlakke frequentie-respons is gespecificeert van 100Hz tot 1.6 Khz, met buiten deze frequentie-spectrum een behoorlijke roll-off in zowel het hoog alsook het laag.

De filmindustrie raakte duidelijk geïntresseerd in de innovaties van Dolby en in 1975 kwam er dan ook het verlossende antwoord: Dolby had in samenwerking met Kodak en RCA gewerkt aan de wederopstanding van het optische geluidsspoor. Dolby’s noise reduction maakte het namelijk mogelijk om een stereo-opname op een optisch geluidsspoor te zetten, iets wat voorheen maar niet scheen te lukken zonder dat er sprake was van diverse storende neveneffecten. De filmindustrie had hier natuurlijk wel oren naar: het gebruik van een optische geluidsstrack was nu eenmaal een stuk goedkoper dan de magnetische equivalent. De hergeboorte was dan ook snel een feit en Dolby Laboratories leverde hiermee hun eerste echte grote bijdrage in filmgeluid. ‘Dolby Stereo’ was een feit! 

‘Dolby Stereo’ was een ‘4:2:4 matrix-encoded’ (4 kanalen, via fase-verschillen opgetekend in 2 kanalen en weer gedecodeerd naar 4 kanalen)  geluidsspoor, dat informatie kon bevatten voor een linker en rechterkanaal, de center en een surroundkanaal, allen verborgen in een optische stereotrack. Voor tweekanaals-enthousiasten is het misschien vreemd om te zien dat hun term ‘stereo’ in de cinema-wereld vooral staat voor een meerkanaalsweergave in plaats van twee-kanaals. Kijkt men naar de origine van het woord stereo, afkomstig uit het Grieks, dan is het eigenlijk meer verwonderlijk dat men een tweekanaals-opname en weergave ‘stereo’ noemt, daar het woord eigenlijk staat voor ‘3 dimensies’. Dat de LP indertijd echter maar plaats boodt aan twee kanalen heeft er aan toe bijgedragen dat het woord ‘stereo’ en alles wat ermee samenhangt heden ten dagen is verbasterd naar 2-kanaals weergave.

Een tweekanaals stereo-weergave was voor de commerciële bioscoopzalen echter geen optie: de beperkte sweet-spot zou er namelijk voor zorgen dat alleen een zeer kleine groep mensen, ergens in het midden van de zaal, een duidelijke afbeelding van het geluidsbeeld te horen kreeg. De rest zou een compleet scheefgetrokken geluidsbeeld krijgen, waarin dialoog niet meer uit het centrum van het scherm kwam, maar ergens aan de zijkanten. ‘Doly Stereo’ was deels gebaseerd op het ‘quadrofonie’-formaat dat het nooit heeft weten te redden tot een standaard. Waar ‘quadrofonie’ uitging van twee voorkanalen en twee achterkanalen, had men voor ‘Dolby Stereo’ echter bewust gekozen voor een opstelling van fronts, center en een surroundkanaal. De reden hiervan staat hierboven al vermeldt.

‘A Star is Born’ uit 1976 met in de hoofdrollen Barbra Streisand en Kris Kristofferson was de allereerste Hollywood-productie die werd uitgebracht in het ‘Dolby Stereo’ formaat. Het was echter nog even wachten op twee andere grote Hollywood producties voordat ‘Dolby Stereo’ definitief doorbrak. In 1977 was het dan zover: George Lucas’s ‘Star Wars’ betekende een revolutie op het gebied van filmgeluid. Vooral de 70mm print liet horen hoe zeer het voor die tijden innovatieve sounddesign van Ben Burtt een film meerwaarde kon geven. De projectiedoeken in de bioscoopzalen namen in grootte af om zodoende de noodzaak van 5 frontkanalen te laten afnemen. Dit had tot gevolg dat de 70mm filmprinten meer ruimte kregen voor andere content dan beeld, iets waar Dolby Laboratories snel en dankbaar gebruik van maakte. Zij stelden voor om de 6 kanalen te gaan gebruiken voor een configuratie waarin er sprake was van een linker, rechter en centerkanaal, een surroundkanaal en twee kanalen voor enkel laagfrequente informatie (een blauwprint voor het latere ‘Dolby Digital 5.1 Surround’). Films als ‘Star Wars’ en Steven Spielberg’s “Close Encouters of the Third Kind” demonstreerden namelijk de rol van een laagfrequent kanaal op gepaste wijze. Dit 70mm ‘Baby Boom’ formaat zou niet veel later worden vertaald naar het 70mm ‘Dolby Split Surround’ formaat, waarin 1 laagfrequent kanaal werd opgegeven in ruil voor een extra surroundkanaal. Hieruit concluderend kunnen we dus stellen dat het van origine Todd AO 70 mm formaat aan de basis en groei heeft gestaan de huidige discrete 5.1 Dolby Digital Surround formaat.

De strijd tussen de filmzalen en het televisietoestel mocht dan wel beslecht zijn, in 1970 kwam er door de ‘videocassetterecorder’ opnieuw een concurrent ten tonele. Hoewel het apparaat vooral bedoeld was om televisieprogramma’s op te nemen en op een later tijdstip te bekijken, bemerkten zowel consument als filmindustrie al snel een ander doel voor de VCR: filmweergave! Waar de televisie in de jaren 1950 nog een teruggang betekende voor de bioscoopbezoekersaantallen, zo succesvol bleek de VCR voor zowel de consument alsook de filmindustrie. Producties die het goed deden in de bioscoop, bleken ook mateloos populair in het ‘home video’ circuit en de filmmaatschappijen ontdekten al snel een compleet nieuwe markt voor hun product. Helaas voor de consument waren de videorecorders en ‘tapes’ nog in het ouderwetse mono, terwijl de bioscoopreleases bijna allen al in ‘Dolby Stereo’ werden uitgebracht. In 1978 kwam dan ook al snel de eerste stereo videorecorders, nog steeds geen ‘multichannel’, zoals in de bioscoopzalen, maar toch al een flinke stap in de goede richting. Zij die nog betere audiokwaliteiten wensten, vonden al snel hun antwoord in de Laserdics-spelers en LD-platen welke rond 1980 op de markt verschenen.

Maar de consument wilde dezelfde sensatie thuis beleven die ze ook in de bioscoop beleefden. Twee-kanaals stereo was niet genoeg en Dolby Laboratories beantwoorde de groeiende vraag van de consument met hun ‘Dolby Surround’ formaat: meerkanaals filmsensatie voor thuis. ‘Dolby Surround’ was in feite de thuisversie van ‘Dolby Stereo’. Het 4-kanaals geluidsspoor kon op elke stereo geluidsdrager worden gezet en zelfs televisie-uitzendingen konden worden gedaan in ‘Dolby Surround’. Hardware fabrikanten begonnen met het produceren van de eerste ‘Dolby Surround’ decoders en al snel was de consument in staat om thuis de surround filmsensatie te herbeleven. En nieuwe markt was geboren: de ‘Home Theater’ markt.

‘Dolby Surround’ en ‘Dolby Surround Pro Logic’ zijn twee termen die vaak met elkaar verward al dan niet goed begrepen worden. Toen ‘Dolby Surround’ in 1982 voor het eerst beschikbaar kwam voor de cosumentenmarkt, werd het originele 4-kanaals ‘Dolby Stereo’ middels een ‘matrix-encoding’ op een tweekanaals stereospoor geplaatst. Feitelijk kan men dus stellen dat ‘Dolby Surround’ de consumenten-equivalent voor ‘Dolby Stereo’ is. De eerste generatie decoders konden echter enkel het surroundkanaal extraheren uit de stereobron. Er was dus sprake van een multichannel weergave met enkel de linker- en rechterfront en een enkel surroundkanaal verdeelt over twee weergevers. De kanaalscheiding in de eerste generatie decoders was vrij slecht te noemen: er was veel lek hoorbaar van het ene in het andere kanaal en het surroundkanaal was het grootste gedeelte van de tijd inactief. Met de nieuwe generatie decoders in 1987 kwam daar enigszins een eind aan: ‘Dolby Surround Pro Logic’ werd beschikbaar voor de thuismarkt en deze nieuwe generatie decoders waren in staat om naast een betere kanaalscheiding het oorspronkelijke ‘Dolby Stereo’ formaat in de thuissituatie te vertalen. Naast het linker-, rechter- en surroundkanaal kon ook nu het centerkanaal uit de matrix-geëncodeerde stereotrack worden gedecodeerd. Onterecht wordt vaak gesteld dat ‘Dolby Surround’ een surroundformaat is zonder centerchannel, en ‘Dolby Surround Pro Logic’ een surroundformaat met center. Aangezien de term ‘Pro Logic’ enkel slaat op de decodeertechnologie en niet een surroundformaat is, is dit dus onterecht.

Ontwikkelingen stonden echter niet stil en inmiddels had het digitale medium de CD zijn intrede gedaan. Was het voorheen vooral de filmindustrie die vooruit liep op innovaties, ditmaal was het de consumentenmarkt die eisen begon te stellen. Het digitale medium werd door Philips naar voren geduwd als de vervanger van de vertrouwde analoge bronnen zoals de LP en cassette en het was dan ook niet meer dan logisch dat de filmindustrie met de stroom meeging en digitale varianten begon te ontwikkelen op hun multichannel geluidsbronnen. In 1992 was het dan zover en kon het publiek voor het eerst kennismaken met Dolby Digital in een 5.1 indeling tijdens de film ‘Batman Returns’. Maar Dolby Laboratories was nu niet langer meer de enige partij. Concurrentie kwam al snel vanuit een andere hoek in de vorm van Terry Beard, die financieel gesteund werd door ‘Universal Studio’s’. Steven Spielberg’s ‘Jurassic Park’ was niet alleen een succesvolle introductie van alles wat tot dan toe mogelijk was met ‘special effects’ en ‘CGI’ maar ook van het nieuwe surroundformaat ‘DTS’.

Ondanks de digitale vernieuwingen en de intrede van DVD-A en SACD, heeft Dolby Laboratories  niet stil gezeten wat betreft vooruitgang op het analoge gebied. Een groot gedeelte van de oudere Hollywood films die op DVD, VHS of welk ander medium dan ook zijn uitgebracht, zijn vaak nog mono of ‘slechts’ tweekanaals. Om compatibiliteit te garanderen en de consument toch een hoogwaardige surround-ervaring te bieden met deze films, komen zij officieel in Juni 2000 met hun nieuwe innovatie ‘Dolby Pro Logic II’: een nieuwe en verbeterde decoder, gebaseerd op het inmiddels 17 jaar oude ‘Dolby Pro Logic’. In plaats van een beperkt frequentiegebied (100Hz tot 7KHz) en het in mono weergeven van het surroundkanaal, biedt ‘Pro Logic II’ als grootste vooruitgang een full-range stereo weergave van de surrounds om zodoende een betere aansluiting te vinden met discrete 5.1 formaten.

Matrix encoders en decoders

Matrix Encoders en Decoders

Er is in het artikel al diverse malen gesproken over Matrix-encoderen en decoderen, 4:2:4 etc. maar wat houdt het nu eigenlijk in? Geluid kan met een omnidirectionele microfoon uit verschillende richtingen op 1 geluidsspoor worden opgenomen, maar haast elke geluidstrack dat bij films wordt gebruikt is afkomstig van meerdere kanalen die in de mixing studio tot een geheel gesmolten worden.

Als bron geldt het originele 4-kanaals audiospoor zoals die gemixt is in de geluidsstudio. Dit 4 kanaals audiospoor wordt ‘bewerkt’ tot een 2-kanaals audiospoor dat alle geluidsinformatie van de originele 4-kanaals track bevat. Dit proces duidt men aan met ‘encoderen’. Bij een geëncodeerd 2-kanaals audiospoor spreekt men dan ook niet meer langer van een linker of rechter kanaal, maar van een Lt en Rt kanaal waarbij de ‘t’ staat voor ‘totaal’. Lt wil dus niets meer zeggen dan het totale linker audiospoor,  dat informatie bevat voor het linkerkanaal, de center en de surrounds. Hetzelfde geldt uiteraard voor Rt.

Zomaar alle geluidsinformatie op 2 kanalen zetten werkt echter niet: er zou absoluut geen informatie overblijven om de kanalen weer van elkaar te scheiden. Om tot een goed resultaat te komen, worden de 4 afzonderlijke kanalen dan ook niet zomaar bij elkaar gemixt, maar met een bepaalde bewerking tot 2 kanalen verwerkt. Het linker en rechterkanaal alsmede het centerkanaal zijn nog de meest gemakkelijke kanalen om te verwerken. Het linker en rechterkanaal worden beide afzonderlijk direct tot het Lt en Rt kanaal gevoegt. Het centerkanaal bevat alleen de informatie die het linker en rechterkanaal gezamelijk dragen, en wordt met een 3 dB vermindering aan zowel het Lt en Rt kanaal gevoegt. Beschikt men niet over een decoder of afzonderlijk centerkanaal, dan zal de informatie van het centerkanaal gewoon als “Phantom Center” worden weergegeven door de linker en rechter fronts.

Het surroundkanaal vraagt meer aandacht voordat het aan de Lt/Rt kanalen kan worden toegevoegd. Net zoals het centerkanaal bevat het surroundkanaal ook informatie die het linker en rechterkanaal gemeen hebben. Zou men het surroundkanaal net zoals het centerkanaal alleen met een 3dB vermindering gelijkmatig verdelen over het Lt en Rt kanaal dan zou er geen sprake meer zijn van kanaalscheiding tussen het center en surroundkanaal net zoals er geen sprake maar zou zijn van een kanaalscheiding tussen het linker, rechter en surroundkanaal. Om het kanaal toch te kunnen decoderen, wordt surroundsignaal met een 90 graden faseverdraaiïng aan het Lt en Rt kanaal toegevoegd, zodat er tussen Lt en Rt een 180 graden faseverschuiving bestaat. Ook wordt er in het tijdsdomein iets aangepast, waardoor het linker en rechterkanaal niet meer synchroom loopt met het surroundkanaal.

Wanneer het Lt/Rt signaal wordt aangeboden aan de “Pro Logic”-decoder, gebeurt eigenlijk hetzelfde in tegengestelde richting: het Lt en Rt signaal worden onbewerkt naar het linker en rechterkanaal gevoerd, het centersignaal bestaat enkel uit de gemeenschappelijke informatie tussen Lt en Rt en wordt als zodanig weergegeven en uit het Lt/Rt signaal gefilterd. Het surroundkanaal bevat net zoals het centerkanaal de gemeenschappelijke informatie tussen Lt en Rt en ondergaat wederom een faseverschuiving en andere bewerkingen en wordt uiteindelijk als mono-signaal naar de surround speakers gevoerd.

Bovenstaande is een versimpelde versie van de daadwerkelijke decodering en behelst eigenlijk alleen de werking van een passieve decoder. “Pro Logic” en “Pro Logic II” decoders zijn echter actieve decoders en zijn vele malen beter in staat tot een goede kanaalscheiding en het routeren van de geluidsrichting. Middels o.a. een voltage-controlled versterker (VCA) wordt de versterking van elk kanaal bewerkt, zitten er tal van filters in het signaalpad en wordt er meer rekening gehouden met dominante- en omgevingsgeluiden. Het principe blijft echter redelijk gelijk, namelijk het extraheren van meerdere kanalen uit slechts 2 geluidssporen.

Het volgende artikel zal gaan over het digitale tijdperk. Termen zoals DTS en Dolby Digital zullen hier aan bod gaan komen.