Dolby Digital
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Il Dolby Digital è un sistema di codifica audio multicanale sviluppato da Dolby Laboratories Inc ed utilizzato al cinema, nella TV digitale, nei Laser Disc, DVD ed in altri supporti di riproduzione o tramsissione audio digitale.
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[modifica] L'AC3: l'algoritmo di compressione del Dolby Digital
Il Dolby Digital è un sistema di codifica cosiddetto "lossy", ovvero in cui la codifica audio avviene con perdita di informazioni. Atri sistemi di codifica lossy sono l'MPEG (MP3), l'ATRAC, il WMA.
Il sistema prende in input segnali audio digitali PCM, codificati a 48.000 Hz di frequenza di campionamento e 16 bit di risoluzione, i trasforma analizzandoli nel dominio della frequenza, per poi scartare parte dei dati riducendone la risoluzione effettiva ed innalzando il livello del rumore digitale. Tutta l'operazione viene eseguita cercando il più possibile di mantenere la soglia del rumore (di quantizzazione) al di sotto del livello udibile, utilizzando metodi di analisi di tipo "psicoacustico". L'idea è che la risoluzione effettiva con cui l'apparato uditivo umano è in grado di percepire uno o più suoni, varia dinamicamente con il contenuto del segnale (musicale) composto. Un tono perfettamente udibile come tono puro, può essere completamente "inudibile" se mascherato da un tono vicino magari di intensità superiore.
Il sistema di compressione psicoacustica utilizzando dal Dolby Digital si chiama AC3. Un segnale audio stereo PCM lineare (quindi non compresso) a 48 kHz/16 bit, richiede 768 kbps per essere codificato, pertanto un segnale stereo di questo tipo necessiterebbe di 1536 kbps, ed un segnale a 5 canali di 3840 kbps. L'AC3 permette di ridurre questi valori anche di un fattore superiore a 10, richiedendo circa 400 kbps per codificare audio 5.1, e meno di 200 kbps per codificare audio stereo. Tanto maggiore è il fattore di compressione, ovviamente, tanto maggiore è la probabilità che il livello di rumore introdotto a causa della perdita di informazioni diventi udibile, causando artefatti di varia natura. Per questo motivo, tanto maggiore è il bitrate utilizzato per la codifica tanto migliore sarà l'aderenza alla qualità dell'audio originale non compresso che ci si può aspettare.
L'AC3 è un sistema di codifica di tipo ibrido, che impiega tecnologie di codifica backward e forward adaptive. Il decoder e l'encoder condividono infatti un algoritmo di codifica noto e non modificabile, che viene sempre utilizzato per la compressione e la decompressione del dati audio digitali. Il decoder, quindi, sa come decodificare i dati anche in assenza di informazioni sull'encoder: questo metodo è detto "backward adaptive" ed ha il vantaggio di essere molto efficiente, ma lo svantaggio di non essere rinnovabile (se si cambia l'algoritmo base dell'encoder si devono anche cambiare i decoder) e di richiedere una discreta complessità nel decoder. Per ovviare a questo secondo problema, l'algoritmo base dell'AC3 è molto semplice seppure accurato, pertanto non è troppo dispendioso in termini computazionali. Per ovviare al problema della rinnovabilità e permettere di migliorare nel tempo la qualità del sistema, si è deciso di aggiungere al core backward adaptive dell'encoder, anche delle tecniche di tipo forward adaptive. I dati audio, infatti, vengono compressi nell'encoder anche utilizzando un secondo metodo, più avanzato e che utilizza algoritmi psicoacustici di qualsiasi complessità. Ne risulta una seconda versione del segnale compresso che viene confrontata con quanto ottenuto con il metodo base. Se necessario, ovvero se il risultato della compressione più sofisticata è migliore rispetto a quanto ottenuto con l'algoritmo base, l'encoder può inserire nel flusso di dati compressi anche alcune informazioni necessarie al decoder per adattare l'algoritmo di decodifica (ovvero il modello psicoacustico base) nonché i dati che esprimono la differenza fra quanto il decoder può ricalcolare con le informazioni in suo possesso, e quanto calcolato dall'encoder durante l'elaborazione più avanzata. Questo secondo metodo di compressione si chiama forward compatible. Combinando una routine backward adaptive con un metodo forward adaptive, l'AC3 permette di mantenere una buona efficienza di codifica, una relativa semplicità di decodifica e la possibilità di aggiornare e perfezionare l'encoder nel tempo mantenendo la piena compatibilità con i decoder più vecchi.
[modifica] Le Configurazioni del Dolby Digital
Il Dolby Digital può lavorare da un minimo di 1 ad un massimo di 5 canali audio digitali a banda piena (20 - 22.000 Hz), ovvero codificati a 48.000 Hz di campionamento e 16 bit di risoluzione, più un sesto canale destinato alla sola riproduzione delle basse frequenze (canale LFE - Low Frequency Effects). Questo speciale schema si indica con "5.1" ed i 5 canali sono: anteriore destro (R) anteriore sinistro (L), centrale (C), surround destro (SR), surround sinistro (SL). I primi due corrispondono al collocamento dei normali canali stereo, il centrale va posizionato al centro dei due canali stereo anteriori, in corrispondenza dello schermo, i surround vanno collocati alle spalle degli spettatori. Il LFE non ha una collocazione precisa, in quanto le basse frequenze sono meno direttive.
[modifica] La Codifica Discreta
Il Dolby Digital 5.1 è stato uno dei primi sistemi di codifica digitali multicanali di tipo "discreto", in cui i 5 + 1 canali sono codificati in modo del tutto indipendente fra loro, come flussi digitali separati. Questo lo differenzia da altri sistemi, detti "matriciali", in cui più canali audio vengono mescolati fra loro e codificati con un numero inferiore di tracce indipendenti. Il Dolby Stereo al cinema, grazie al quale si è sviluppato il concetto di audio "surround" cinematografico, e la sua versione consumer Dolby Surround che ha permesso la nascita dell'home-theater, erano sistemi di codifica matriciale in cui 4 canali (dx, sx, c e surround mono) erano miscelati in un semplice segnale stereo (che il decoder Dolby Pro-Logic era in grado di elaborare ricostruendo i 4 canali originari, con la limitazione di una minore risposta in frequenza sui canali surround ed una minore separazione effettiva fra i segnali distribuiti fra i diversi canali, causa di un minore realismo del campo sonoro surround complessivo). Il processo di codifica matriciale del Dolby Stereo prendeva il nome di 4-2-4 (4 canali sorgenti, 2 in codifica, 4 in decodifica).
Una recente estensione del Dolby Digital, chiamata Dolby Digital Surround EX, utilizza proprio la codifica matriciale per aggiungere un settimo canale da posizionare al centro dei due canali surround, chiamato center back surround. Il Dolby Digital, quindi, rimane un sistema di codifica 5.1, che può offrire 6.1 canali con un metodo matriciale.
Il concorrente principale del Dolby Digital, ovvero il Digital Theater System (DTS), di contro permette di codificare anche 6.1 canali discreti nella variante chiamata DTS-ES Discrete 6.1, che aggiunge il canale back surround o center surround (CS) come segnale discreto ed indipendente.
[modifica] I Bitrate del Dolby Digital
Il Dolby Digital lavora da un minimo di 96 kbps ad un massimo di 640 kbps. Al cinema il Dolby Digital viene utilizzato con appena 320 kbps di banda, poiché stampato nel poco spazio disponibile fra i fori di scorrimento delle pellicole. Generalmente su DVD viene utilizzato con un bitrate di 192 kbps per codificare segnali stereo (2.0, 2.1) o stereo surround, e con un bitrate compreso fra 384 e 448 kbps per i segnali 5.1. Sebbene i decoder in commercio possano lavorare fino a 640 kbps, tale possibilità non è permessa nella codifica Dolby Digital dei DVD-Video, pertanto ad oggi non viene utilizzata. La versione cinematografica del Dolby Digital è quella che negli anni ha subito minori affinamenti, in quanto bloccata su specifiche piuttosto vecchie e su un bitrate ridotto. Molti ritengono che la qualità raggiunta dal Dolby Digital disponibile in ambiente consumer (su DVD) sia ormai palesemente superiore rispetto a quella offerta dalla versione cinematografica.
[modifica] Il Futuro del Dolby Digital
Una evoluzione del Dolby Digital è il Dolby Digital Plus, che verrà utilizzato nei supporti per l'alta definizione (HD-DVD, Blu-Ray) e nelle tramissioni digitali HDTV. Alcune caratteristiche del Dolby Digital Plus sono: una maggiore efficienza di codifica, l'estensione del bitrate fino a 6.144 Mbps (verrà tipicamente utilizzato a 640 kbps) e l'aumento del numero di canali discreti a 7.1, tutto mantenendo una buona compatibilità con il Dolby Digital convenzionale (il Dolby Digital Plus è "riducibile" semplicemente ad un segnale Dolby Digital a 640 kbps compatibile con tutti i decoder attuali).
