Амбисоник – трехмерная система пространственного звука

И.А. Алдошина

Среди различных систем пространственного звука наиболее известны в настоящее время стереосистемы, системы Surround Sound, бинауральные системы, амбиофонические системы, системы типа Амбисоник (Ambisonics) и типа Wave Field Synthesis.Напомним читателю, что о первых трех видах пространственных систем мы рассказывали в предыдущих статьях (см. «Шоу-Мастер», № 2,3,5, 2003; № 4, 2004; № 1, 2005 г.). В настоящей статье будут рассмотрены принципы построения системы Амбисоник, в следующей - системы Wave Field Synthesis.

Рис.1а. Общая структура квадрофонической системы

В 1970-е годы наблюдался максимальный интерес к квадрофоническим системам передачи и воспроизведения звука, в которых использовались четыре канала для передачи и четыре громкоговорителя для воспроизведения (см. рис.1а,б). Наряду с несомненным прогрессом в улучшении пространственного воспроизведения квадрофонические системы обладали теми же недостатками, что и стереофонические системы, т.е. создавали стереообраз только для ограниченной зоны расположения слушателей в центре. Слуховая система использует для локализации звукового источника различные признаки в сигналах: в диапазоне 150 Гц–1,5 кГц в основном фазовое (временное) различие, в диапазоне 300 Гц–5 кГц – амплитудное, свыше 2,5 кГц – спектральные признаки. Квадрофоническая система использовала только амплитудные различия, при этом при установке фронтальных громкоговорителей под углом 90 град. друг к другу проявлялась тенденция «провала» мнимого источника в середине между ними, кроме того, плохая локализация звука была между боковыми и задними громкоговорителями (см. рис.1).

Рис.1б. Зоны локализации в квадрофонической системе

При матрицировании четырех квадрофонических каналов в два канала (для совместимости со стереофонией) происходила потеря информации, приводящая к локализационным ошибкам. Современная матричная стереофония, например, в формате 5.1 (являющаяся прямым наследником квадрофонии), для улучшения фронтальной локализации использует дополнительный громкоговоритель в центре и отдельный низкочастотный блок (см. рис.2), что не решает проблем с локализацией между боковыми и тыловыми громкоговорителями. Даже переход на цифровые носители DVD, SACD, Digital Broadcasting и др., способные переносить многоканальную цифровую информацию, не может решить проблем, связанных с  применением системы формата 5.1.

Рис. 2. Зоны локализации в системе 5.1

С целью преодоления недостатков квадрофонической системы группой ученых во главе с Микаэлем Герзоном (Michael Gerzon) – профессором Математического Института, Питером Феллгетом (Peter Fellgett) – профессором факультета кибернетики университета в Оксфорде и др. в 1980-е годы была создана новая концепция построения пространственной системы, получившей название Ambisonics.
Целью исследований ученых было создание системы записи, передачи и воспроизведения звука, которая была бы совместима с моно- и стереоформатами и позволяла передать полную информацию о пространственном распределении звука, включая распределение по высоте.

Рис. 3. Четыре микрофона, обеспечивающие сигнал в А-формате

Система Ambisonics явилась логическим продолжением идей Алана Блюмлейна (А. Blumlein, который в 30-е годы предложил основные принципы передачи стереофонических сигналов, в том числе идею суммарно-разностного матрицирования для записи сигналов с помощью совмещенной системы микрофонов (современная система стереомикрофонов MS).
В системе Ambisonics также предлагается система матричного кодирования для всех этапов обработки звука: А-формат – для записи сигналов микрофонами, В-формат для студийной обработки звука, С-формат для передачи звука и D-формат для воспроизведения. В ней используется кодер UHJ, позволяющий кодировать многоканальную информацию в моно, стерео, Surround каналы, обеспечивая при этом хорошее качество звучания даже для слушателей, находящихся вне центральной зоны.

Таким образом, система Ambisonics обеспечивает полную совместимость с моно, стерео, surround системами, а также может обеспечить “periphonic”систему (от греческого слова, означающего «звук вокруг углов»), добавляя информацию о высоте.

Рис. 4а. Сигналы В-формата

Основные форматы матрицирования сигналов представляют собой следующие операции:
– А-формат образуют сигналы, полученные из четырех кардиоидных микрофонов, расположенных на тетраэдре следующим образом (см. рис. 3): левый фронтальный – LF, правый фронтальный – RF, левый задний – LB, правый задний – RB. Такие сигналы могут быть также сформированы путем соответствующего панорамирования моносигналов от распределенных микрофонов.
– В-формат использует сигналы, которые получаются путем суммарно-разностного преобразования сигналов А-формата:
X=0.5(LF-LB)+(RF-RB)
Y=0.5(LF-RB)+(RF-LB)
Z=0.5(LF-LB)+(RB)
W=0.5(LF+LB+RF+RB), т.е. этот сигнал получается сложением всех сигналов в фазе. Сигналы В-формата могут быть сформированы прямо с помощью комбинации микрофонов, показанной на рис. 4а: три микрофона с характеристикой направленности типа «восьмерка», ориентированных в трех перпендикулярных направлениях X, Y, Z-сигналов и одного ненаправленного микрофона (расширенная МS-стереофония), который выдает W-сигнал (см. рис.4б).

Рис. 4б. Сигналы В-формата

Если представить эти сигналы в полярных координатах, то они будут выглядеть следующим образом: W=1; X=√2 cos • cos   ; Y=√2 sin   • cos ;  Z=√2 sin      , где    – угол падения звука в горизонтальной плоскости,     – угол подъема в вертикальной. Выполненные за последние годы теоретические исследования показали, что  добавление компонент второго и более высокого порядка типа 2cos(2   ) расширяет зону стереоэффекта, однако реальных микрофонов, которые обеспечивали бы такие характеристики направленности, практически нет.
Следующим этапом в реализации системы Ambisonics является формирование сигналов в С-формате с помощью кодера UHJ, что обеспечивает совместимость системы с моно- и стереосистемами.
Сигналы по С-формату формируются следующим образом:
  =0.939W+0.1856X;
  =j(-0.342W+0.5099X)+0.6555Y;
T=j (-0.1432W+0.6512X)-0.7071Y;
Q=0.9772Z, где j (или √-1) означает сдвиг по фазе на 90 град.

Рис. 5. Общая структура системы кодирования

Из этих сигналов можно сформировать стереосигналы: левый - L=0.5(    +    ) и правый –R=0.5(    -    ). Можно также сформировать сигналы и для четырех, и для трех каналов передачи. Общая структура системы кодирования показана на рис.5.
Последний этап – это формирование сигналов D-формата для питания громкоговорителей. В зависимости от выбранной конфигурации громкоговорителей декодирование может быть выполнено для четырех громкоговорителей, для шести – с улучшенной пространственной локализацией и для восьми – с трехмерной пространственной локализацией (periphonic-система). Для декодирования используется фазово-амплитудная матрица и система фильтров, моделирующих дифракционные свойства головы и ушных раковин. Наличие таких фильтров не только повышает точность локализации, но и обеспечивает значительно большую натуральность тембров звучания. Кроме того, в состав декодера входит амплитудная матрица, адаптирующая систему к количеству громкоговорителей и способу расположения их в пространстве. Общая структура системы декодирования показана на рис. 6. Питание громкоговорителей может осуществляться прямо сигналами формата-В, но при этом требуется другой декодер. Бытовые и профессиональные декодеры выпускаются в настоящее время такими компаниями, как Meridian, Cepiar and Cantara. В 1992 году М. Герзон предложил специальный декодер (Vienna Decoder) для декодирования сигналов по системе 5.1 Surround Sound.

Рис. 6. Общая структура системы декодирования

Таким образом, принцип работы системы Амбисоник заключается в измерении давления и трехмерного вектора скорости  в одной точке, передаче информации по нескольким каналам с использованием коэффициентов, кодирующих направление прихода звука от источника, и восстановлении структуры звукового поля во вторичном помещении с помощью воспроизведения через несколько громкоговорителей (нечто подобное решению обратной задачи Гельмгольца по восстановлению структуры звукового поля по данным измерения вектора скорости и давления в точке). Коэффициенты даются в виде ряда по сферическим гармоникам. Как уже было отмечено выше, предложенный вариант системы в 1980-e годы использовал только гармоники первого порядка. На теоретическом уровне введение в расчеты  гармоник высшего порядка стало развиваться в последние годы, что позволит существенно уменьшить ошибки в локализации при смещении от центральной позиции слушателя. В настоящее время проблема создания системы микрофонов, способных создавать гармоники высших порядков, широко обсуждается в литературе. Возможно, создание систем передачи пространственной информации с использованием гармоник высшего порядка – дело ближайшего будущего.

Рис. 7. Микрофоны типа Soundfield

Известный ученый С. Липшиц (экс-Президент AES) так определил принципы работы системы Амбисоник: «Система Амбисоник сэмплирует первичное звуковое поле таким путем, что сигналы от всех громкоговорителей во вторичном поле реконструируют структуру первичного звукового поля (т.е. воссоздают форму фронта в любой точке), что позволяет восстановить форму фронтов звуковых волн, поступающих на уши слушателя, и воссоздать ощущение первичного звучания».
В некоторых современных работах предлагается идея соединить систему Амбисоник первого порядка с системами типа Wave Field Synthesis, о которых расскажем в следующей статье. Однако успехи как в создании новых методов синтеза звука, так и в создании новых видов излучателей (типа плоских и цифровых излучающих систем) позволяют надеяться на создание системы Амбисоник высшего порядка, а это может обеспечить получение действительно однородной и когерентной трехмерной системы звукопередачи, открывая новые возможности для звукорежиссеров в передаче пространственной информации с широкими возможностями перемещения звукового образа и устойчивой к смещению слушателей.

Рис. 8. Распределение коэффициента усиления для микрофонов типа Soundfield

Для записи звука по такой системе разработана соответствующая аппаратура:
– микрофоны типа Sound field: конструкция, показанная на рис.7, включает в себя четыре капсюля с кардиоидными характеристиками направленности, закрепленные в одной точке, что позволяет получать сигналы в формате А;
– соответствующие кодеры и декодеры по системе UHJ, преобразующие формат А в другие форматы, что обеспечивает получение трехмерного пространственного звукового источника (при наличии четырех каналов передачи), при этом восемь громкоговорителей также должны быть расположены по системе тетраэдра (это дает полный эффект перифонии).

Рис. 9. Аппарат Transcoder

Таким образом, UHF представляет собой иерархическую систему кодирования и декодирования пространственной звуковой информации по технологии Ambisonics. В зависимости от числа доступных каналов она может передавать больше или меньше информации: при наличии двух каналов – горизонтальную (плоскостную) информацию, совместимую с принятыми стереоформатами, при доступности третьего канала значительно улучшается точность локализации в плоскости (если третий канал передает не полный диапазон, то это система 2.5 канальная),
добавление четвертого канала делает возможным передачу полной пространственной информации (periphony).

Рис. 10. Структура системы в формате G+2

Следует отметить, что при переходе на многоканальные системы значительно возрастают трудности при панорамировании пространственного образа для обеспечения требуемой его локализации. Этой проблеме были посвящены многочисленные исследования, один из предложенных вариантов распределения коэффициента усиления для записи с системой Sound field между пятью громкоговорителями показан на рис.8 (по оси абсцисс отложен воспринимаемый угол мнимого источника). Эти результаты представлены для расположения левого и правого громкоговорителя под углом 30 град. от оси (т.е. от центрального громкоговорителя), заднего левого и правого под углом 110 град. 
Как показали многочисленные исследования и эксперименты, система Ambisonics имеет ряд преимуществ перед системой 5.1:
– она обеспечивает создание полного пространственного образа не только в горизонтальной области, но и с учетом
высоты («перифония»), если имеется возможность передачи по четырем каналам с помощью UHJ кодирования;
– пространственный образ не ограничивается узкой стереозоной, а может быть сформирован при широком распределении слушателей;
– расположение громкоговорителей может быть достаточно свободным (в состав декодера входит контроль расположения громкоговорителей);
– кодирование по системе UHJ позволяет передавать сигнал по одному, двум и более каналам, обеспечивая хорошую совместимость с моно, стерео и другими системами.

Рис. 11. Группа микрофонов в системе PerAmbio3D

Таким образом, система Амбисоник открывает новые творческие возможности для звукорежиссеров, создавая возможности перемещения источника вперед-назад в любом направлении, вращения пространственного образа, панорамирования по полной сфере, стабильности и полного контроля ширины стереообраза и т.д.
Несмотря на то, что система Ambisonics была создана еще в 1980-е, она не получила такого широкого распространения, как система Dolby-Surround в основном из-за отсутствия необходимой финансовой поддержки.
В настоящее время лицензионные права на систему принадлежат английской кампании Nimbus Records (включая почти 400 патентов на различные элементы системы), которая выпустила уже достаточное количество музыкальных альбомов, записанных с применением этой технологии. Кроме того, группа специалистов из разных стран объединилась в кампанию под названием «Акустический Ренессанс в Аудио (ARA)» с целью продвижения этой технологии в DVD-Audio.
В настоящее время система используется для записи живого звука с помощью микрофонов типа Soundfield с соответствующими кодерами. Многие выдающиеся артисты с помощью звукорежиссеров – энтузиастов новой системы записали свои альбомы с использованием технологии Амбисоник, которые отмечены за высокое качество звучания. Это такие артисты, как: Алан Парсонс (Stereotomy), Тина Тернер (Break EveryRule), Steve Hackett (Till We Have Faces), Adrian Legg (Lost For Words) и Пол МакКартни (Liverpool Oratorio).
Процессорная обработка по этой системе может существенно обогатить звучание стереосигналов, что используется в настоящее время на некоторых АМ радиостанциях США.

Рис. 12. Установка микрофонной системы PerAmbio3D при записи

Предложенная система кодирования и декодирования UHF может также использоваться в радиовещании (система передачи от двух до четырех каналов для FM-вещания подробно разработана в работах М. Герзона),телевидении, кино, мультимедиа и звукозаписи (CD, DAT и др.).
Большой интерес к системе Амбисоник проявляют сейчас японские производители, которые рассматривают ее как перспективный формат для будущего телевидения и цифрового радиовещания (тем более, что UHJ декодер может работать с сигналами, кодированными по системе Dolby Surround).
Система может использоваться и для преобразования многоканальных (например, магнитофонных) записей в UHJ формат. Это можно сделать различными способами, простейший из них реализуется с помощью аппарата Transcoder (см. рис.9).С целью расширения возможностей преобразования моносигналов при микшировании в В-формат был создан также специальный В-формат конвертор.
Создание таких приборов позволило предложить оригинальную систему (см. рис.10): сигналы, записанные или микшированные в В-формат, декодируются затем в сигналы по системе 5.1 плюс два дополнительных канала по системе UHF, получается G+2 формат. Такие сигналы  могут  быть записаны на DVD-Audio или  SACD, а затем воспроизводиться по системе стерео, 5.1 или Амбисоник, что открывает
новые возможности для слушателей.  Преимущество такой системы состоит в том, что декодер перемещается из дома в студию. Любая передающая система, транслирующая сигнал в формате 5.1, может передавать сигнал и в формате G (G+2). В настоящее время идут разработки программной реализации таких декодеров, например в виде plug-in в системе Pro-Tool.
Следует отметить, что поиски систем записи и воспроизведения, которые передавали бы точную локализацию полного трехмерного пространственного образа, сохраняя при этом естественность тембров инструментов, продолжаются. Развитие систем идет от моно (звуковой образ в одной точке), стерео (в плоскости между громкоговорителями) к Surround (360 град. в горизонтальной плоскости), системам, обеспечивающим трехмерный звуковой образ (3D).
К числу таких систем наряду с системой Ambisonics относится и новый вариант пространственной системы PerAmbio3D (Periphonics+Ambiophonics), продемонстрированной на 115-м конгрессе AES.
Система была создана известным звукорежиссером Р. Миллером и представляет собой гибрид из систем Амбиофоник и Амбисоник. Она использует возможности системы Амбиофоник в создании широкого и точного фронтального образа и возможности системы Амбисоник (ее трехмерной разновидности Periphonics) в создании окружающего звукового пространства. Кроме того, она обеспечивает совместимость с системами стерео и 5.1 или 6.1.
Запись производится на шесть микрофонов, организованных следующим обра зом четыре верхних микрофона образуют комбинацию из одного ненаправленного и трех микрофонов с характеристикой направленности типа «восьмерка», расположенных по системе, указанной выше и обеспечивающей выход сигналов по формату В (см. рис.11):. Кроме того, используется полусфера (условная модель головы) на экране, на которой в позиции ушей закреплены еще два микрофона.

Рис. 13. Расположение громкоговорителей в системе PerAmbio3D

Такая конструкция устанавливается в помещении, где производится запись музыки (см. рис.12). Выбор ее установки должен соответствовать оптимальной слушательской позиции так же, как это делается при установке «искусственной» головы (например, оптимальная позиция в концертном зале соответствует 10-11 ряду).
Правда, можно представить себе реакцию зрителей на появление такой конструкции в зале, но что ни сделаешь ради искусства!
Для передачи полного трехмерного пространственного образа требуется шесть полнодиапазонных каналов (что вполне доступно для современных носителей типа DVD-A, SACD). Для воспроизведения используются следующие комбинации громкоговорителей: в качестве центральных (на которые подаются сигналы от микрофонов, установленных на полусфере) используется Амбиополь (см. статью об Амбиофонии в журнале «Шоу-Мастер», №1, 2005), т.е.комбинация из двух громкоговорителей, разделенных экраном, что уменьшает перекрестные сигналы и позволяет воссоздать широкий и точный фронтальный пространственный образ (как при бинауральной стереофонии), в качестве пространственных – используется комбинация из восьми или более громкоговорителей, достаточно произвольно расположенных в пространстве, способ расположения должен быть предусмотрен в декодере (см. рис.13).
При этом если к центральным громкоговорителям предъявляются очень высокие требования по параметрам (это должна быть действительно High-End аппаратура), то к сателлитам требования менее жесткие, для них особенно важна точная передача в области от 1кГц и выше, т.к. именно здесь слуховая система формирует признаки распознавания высоты звукового источника.
Система может быть декодирована для воспроизведения  по системе Surround 5.1 или 6.1, при этом пропадает ощущение высоты и остается локализация в двумерной плоскости.
Система PerAmbio 3D прошла множество субъективных экспертиз, была продемонстрирована на конгрессах AES. Как было отмечено квалифицированными экспертами,  она действительно создает ощущение высоты звучания, что особенно заметно при переходе от плоскостных систем – стерео или Surround.
Переход на трехмерные системы записи и воспроизведения дело ближайшего будущего, возможно предложенная система будет одной из первых в этом направлении.

Сравнительные характеристики обеих систем предоставлены в таблице.