Do kin Dolby Digital zostało wprowadzone w 1992 r. Gwałtowny rozwój techniki cyfrowej i technologii półprzewodników w latach 90. sprawił, że bardzo szybko wprowadzono Dolby Digital do kina domowego. Technika kodowania pozostała taka sama, zmieniły się tylko nośniki. Już w 1994 r. firma Zoran Corporation wyprodukowała pierwszy układ scalony realizujący cały proces dekodowania. Wkrótce pojawiły się stosunkowo tanie układy łączące funkcje dekodera Dolby Digital i Pro Logic, co umożliwiło ekspansje na rynku konsumenckim. Pierwszym nośnikiem z dźwiękiem Dolby Digital, przeznaczonym do użytku domowego, była pyta Laserdisc (1995 r.). Format Dolby Digital wybrano jako standard dźwięku wielokanałowego w systemie telewizji cyfrowej w USA, a także na pytach DVD z systemem wizji NTSC. Ze względu na wyjątkowo efektywną kompresje technika AC-3 jest też stosowana do transmisji programów stereofonicznych przez satelity DBS i w systemach telewizji kablowej. W 1997 r. do rąk miłośników kina domowego trafiły pierwsze pyty DVD zakodowane w Dolby Digital.

Dolby Digital jako uniwersalny format dźwięku najwyższej jakości.

Dolby Digital jest wyjątkowo uniwersalnym formatem. Nie jest to jeden sztywny schemat kodowania, lecz elastyczny zespól proce-sów umożliwiających dopasowanie do konkretnej aplikacji takich parametrów, jak przepływność bitowa i liczba kanałów. Wszystkie warianty opierają się jednak na takiej samej technice kodowania percepcyjnego sygnałów akustycznych, która umożliwia zredukowanie znacznej ilości zapisywanej informacji, zachowując najwyższą jakość dźwięku.

W systemie kinowym i kina domowego Dolby Digital zakodowane jest sześć oddzielnych kanałów: przednie - lewy, prawy i centralny; surround - lewy i prawy oraz kanał efektów niskich częstotliwości (LFE - Low Frequency Effects). Zadaniem ostatniego kanału jest zwiększenie ekspresji scen, takich jak wybuchy, zderzenia, itp. Pięć pierwszych kanałów przenosi całe pasmo akustyczne (3 Hz/20 kHz), zaś kanał LFE tylko zakres 3-20 kHz, stąd określenie systemu "5.1 ". Pełna separacja kanałów wpływa na zwiększenie przestrzenności dźwięku, możliwości precyzyjnej lokalizacji, a stereofoniczne kanały surround umożliwiają efektywniejsze operowanie efektami specjalnymi i podnoszą ogólny realizm wydarzeń. Każdy z pięciu kanałów kształtujących kierunkowe pole dźwiękowe może przenosić równocześnie inną informacje, dlatego możliwe jest tworzenie wielu źródeł przyciągających uwagę widza. Przypomnijmy, że w Pro Logic w danej chwili mógł istnieć tylko jeden sygnał dominujący.

Kodowanie AC-3

W systemie Dolby Digital informacja zakodowana jest cyfrowo z 20-bitową rozdzielczością minimalną, a dostępne częstotliwości próbkowania to 32, 44.1 i 48 kHz. Zakres przepływności sięga od 32 kb/s dla zapisu mono i do 640 kb/s dla zapisu wielokanałowego. W zapisie na taśmie 35 mm stosuje się przepływność 320 kb/s, natomiast w kinie domowym typowa wartość to 384 kb/s. Przyjmując przekształcenie strumienia danych audio PCM o przepływności ponad 5 Mb/s (6 kanałów x 44.1 kHz x 20 bitów = 5.292 Mb/s) w strumień 384 kb/s otrzymujemy współczynnik kompresji większy od 13. Tak efektywna redukcja jest możliwa dzięki wykorzystaniu w procesie kodowania AC-3 właściwości ludzkiego słuchu -efektu maskowania dźwięków. Koder AC-3 przetwarza sygnał źródłowy będący strumieniem danych audio PCM. Pasmo słyszalne każdego kanału dzielone jest na wąskie podpasma o równej szerokości, optymalizowane pod względem selektywności zmysłu słuchu. Sygnał użyteczny o dużym poziomie maskuje szum kodowania w paśmie bardzo bliskim jego częstotliwości. W obszarze, w którym brak jest maskującego sygnału użytecznego następuje natomiast ostre filtrowanie sygnałów. Można powiedzieć, że system kodowania percepcyjnego jest wiec systemem selektywnej redukcji szumu o dużej skuteczności.

Bity są rozdzielane pomiędzy pasma filtrów, żalenie od widma częstotliwościowego i dynamiki nagrania. Koder pogarsza selektywność częstotliwości i rozdzielczość czasową zapisywanego sygnału, aby ograniczyć liczbę bitów potrzebnych do opisu w danym paśmie. Istnieje wspólny zakres bitów, tzw. common bit pool, który dynamicznie jest rozdzielany na poszczególne ścieżki. W ten sposób np. kanał z sygnałem o szerszym widmie lub wyższym poziomie zostanie zakodowany większą liczbą bitów. Poświęcenie większej liczby bitów na dźwięki o wyższym poziomie w jednym kanale zapewni maskowanie szumu w innych kanałach. Model maskowania i alokacji bitów są kluczem do wyjątkowej efektywności systemu kodowania AC-3.

Specjalne cechy systemu AC-3

W systemie Dolby Digital wprowadzono wiele bardzo przydatnych, dodatkowych cech, umożliwiających spełnienie różnorodnych wymagań systemów domowych i kinowych. Szczególnie uwzględniono potrzeby miłośników kina domowego. Widzowie mogą mieć instalacje od najprostszych, monofonicznych po zestawy kina domowego 5.1. W każdym przypadku konieczne jest zapewnienie dźwięku najlepszej jakości. W przeszłości różne potrzeby realizowano przez użycie różnych formatów i nośników nagrań. Celem projektantów Dolby Digital jest natomiast uzyskanie optymalnej równowagi między efektywnością transmisji a jakością reprodukcji. Wszystkie dekodery otrzymują kompletny strumień wielokanałowy i od użytkownika zależy, jak go wykorzysta. Dodatkowe dane w strumieniu AC-3 są nadzorowane przez realizatorów dźwięku, przygotowujących materiał na rynek konsumencki, tak aby za każdym razem wrażenia odsłuchowe odpowiadały zamierzeniom artystycznym. Na uzyskanie optymalnych rezultatów wpływają w dużej mierze niżej opisane cechy.

1. Identyfikacja materiału fonicznego

W strumieniu AC-3 przesyłane są dane określające typ zapisanego materiału fonicznego, np. muzyka i efekty, dialogi, kompletny. Inne parametry informują o liczbie wykorzystywanych kanałów (1 - 5.1). Ułatwia to pracę dekodera i eliminuje problemy przy odtwarzaniu.

2. Kompatybilne miksowanie w dół (Compatible downmixing)

W systemach odtwarzania dźwięku liczba głośników może być mniejsza niż liczba oryginalnie zakodowanych kanałów. Dla reprodukcji pełnego materiału audio w mniejszej liczbie kanałów stosuje się tzw. Miksowanie w dół (downmixing). Dotyczy to np. przetworzenia sygnałów dyskretnych 5.1 na sygnały Dolby Surround lub stereofonii dwukanałowej. Dekoder według odpowiedniego algorytmu tworzy ścieżki poszczególnych kanałów, schodząc nawet do ścieżki monofonicznej (rysunek poniżej).

Dzięki standaryzacji algorytmów realizator może kontrolować, jak nagranie zostanie odtworzone w różnych konfiguracjach i zoptymalizować rezultaty brzmieniowe dla każdego wariantu. Dokonuje się to przez zapis odpowiednich wartości tzw. współczynników miksowania w strumieniu danych AC-3.

3. Normalizacja dialogów (DiaIogue normalization)

Przy odtwarzaniu nagrań z różnych źródeł występują różnice w poziomie głośności, które zwykle zmuszałyby słuchacza do ręcznej regulacji wzmocnienia. Różne źródła mogą oznaczać różne fragmenty programu jednej stacji (np. film, informacje), różne stacje nadawcze, czy też różne nośniki {taśma, Laserdisc, DVD). W AC-3 rozwiązano ten problem przez kodowanie tzw. wskaźnika głośności, który umożliwia unifikację poziomu reprodukcji dialogów. Sowo normalizacji dialogów wyraża, o ile dB poziom normalnego dialogu jest niższy od maksimum zakresu cyfrowego. Informacja ta nie jest bezpośrednio wykorzystywana przez dekoder, lecz przez układ regulacji wzmocnienia, chyba że wzmocnienie realizuje się przez operację mnożenia w rozbudowanym dekoderze. Poziom wzmocnienia całego systemu reprodukcji zależy od słuchacza, który ustawia żądany poziom ciśnienia dźwięku dla dialogu oraz od wskaźnika poziomu dialogu towarzyszącego zakodowanemu sygnałowi. W ten sposób poziom odsłuchiwanego dialogu pozostaje stały, niezależnie od nagrania.

Przykład: Słuchacz ustawia poziom na 65 dB (W AC-3 możliwe jest kalibrowanie poziomu bezpośrednio w jednostkach ciśnienia dźwięku SPL). Na płycie został nagrany wysokiej jakości materiał i tak zakodowany, że poziom dialogu jest 25 dB poniżej maksimum zakresu. System automatycznie ustawia wzmocnienie tak, aby sygnał cyfrowy zajmujący pełną skalę odtwarzany byt z poziomem ciśnienia 90 dB. Dialog będzie wówczas odtwarzany z poziomem 25 dB niższym, czyli z poziomem 65 dB SPL.

4. Sterowanie dynamiką (Dynamic Range Control)

Permanentnym problemem reprodukcji audio jest zróżnicowanie jakości systemów oraz warunków odsłuchu. Ścieżki filmowe cechują się zwykle szerokim zakresem dynamiki. Przyjmując dialog jako odniesienie, silne dźwięki, takie jak eksplozje, są 0 20 dB lub więcej głośniejsze, a dźwięki tta, jak np. szelest liści, 0 50 dB cichsze. Widz może odtwarzać nagranie z małym poziomem głośności lub przez małe zespoły głośnikowe, a wówczas pożądana jest kompresja, aby delikatne pasaże pozostały słyszalne, a dramatyczne składniki nie byty zbyt głośne. Należy podbić ciche dźwięki i osłabić silne, zbliżając je do poziomu odniesienia, jakim jest poziom dialogu. Dopasowanie do każdych warunków umożliwia elastyczny system sterowania dynamiką, używany przy kodowaniu nagrania u producenta. Słuchacz wybiera, czy dekoder ma pracować z kompresją pełną, częściową, czy też z dynamiką oryginalną.

Przykład: Ścieżka filmowa ma zakodowany dialog na poziomie 25 dB. Eksplozje osiągają maksimum zakresu, czyli 0 dB. Dźwięki tła cechuje poziom niższy o 50 dB od dialogu (-75 dB). Sygnały sterowania kompresją generowane są przez koder AC-3. Realizator ustalił, że dla sygnałów 0 dB w słowie sterującym zapisana jest redukcja wzmocnienia o 15 dB, zaś dla sygnałów o 75 d8 - przyrost wzmocnienia o 20 dB. Słuchacz pragnie cicho odtworzyć ścieżkę dźwiękową, używa więc pełnej kompresji. Poziom reprodukcji dialogu ustawia na 60 dB SPL. Eksplozje osiągną tylko 70 d8 SPL (są o 25 dB głośniejsze, ale zachodzi redukcja wzmocnienia o 15 dB). Ciche dźwięki będą odtwarzane z poziomem 30 dB SPL (są o 50 dB słabsze, ale podbijane są o 20 dB). Zakres dynamiki przy reprodukcji wyniesie 70 dB - 30dB = 40dB.

5. Zarządzanie niskimi częstotliwościami (Bass Management)

Słuchacz ma możliwość zaprogramowania dekodera tak, aby sygnały o niskich częstotliwościach przesyłać tylko do tych kanałów, w których pracują zespoły głośnikowe o odpowiednio niskiej dolnej granicy przenoszenia. Podsumowanie Dolby Digital stanowi kolejny krok zwiększający zaangażowanie słuchacza w akcję filmu. Producenci, realizatorzy i osoby prezentujące nagrania otrzymują szerokie możliwości kreowania widowiska. System jest łatwo adaptowalny do rozmaitych nośników, pozostając ciągle w obrębie jednej, przyszłościowej ramy technicznej. Nie nakłada ona wymagań na budowę koderów i dekoderów, lecz tylko na format danych wejściowych i wyjściowych. W związku z tym producenci układów scalonych mają bardzo szerokie pole do popisu. Obecnie 78 firm prowadzi badania nad doskonaleniem algorytmów dekodowania i budowy dekoderów Dolby Digital, nie tylko do zastosowań w systemie 5.1.