Audio 3D
Estratti da Corso Audio Multimediale by Marco Sacco
21.1. Introduzione
Nella pratica audio, è noto e anzi auspicabile decentrare le sorgenti sonore sul fronte stereofonico
al fine di far risaltare maggiormente i singoli suoni. Agendo sui controlli panoramici, sulle
frequenze, sui ritardi oppure su altri fattori quali per esempio il tempo di riverbero si riesce a
collocare virtualmente la sorgente sonora nella posizione desiderata. Per esempio se vogliamo che un
suono appaia come lontano, possiamo attenuare in modo opportuno le alte frequenze (dato che queste,
per la loro natura, si attenuano maggiormente delle basse frequenze all’aumentare della distanza) e
aumentare il riverbero (per dare l’impressione che il suono abbia compiuto parecchia strada prima di
arrivare all’ascoltatore). Tutto questo è realizzabile rimanendo all’interno dei confini del sistema
stereo che prevede come sappiamo l’utilizzo dei due canali separati left e right. In campo musicale
questa è ancora la soluzione adottata e per il momento non si intravedono grosse rivoluzioni.
Tuttavia nel campo audio-video il discorso cambia in quanto intervengono fattori aggiuntivi rispetto
alla musica ed è per questo che nel settore si è assistito nel tempo ad una progressiva estensione
del sistema di diffusione del suono. Naturalmente le maggiori innovazioni sono venute dal cinema in
quanto i sistemi messi a punto erano inizialmente molto elaborati e costosi. Solo recentemente,
l’abbattimento dei prezzi ha reso possibile l’acquisto di sistemi surround dedicati all’uso
domestico che vanno sotto il nome di sistemi home theater.
Tabella 21.1. Evoluzione dei sistemi di diffusione sonora nel cinema
Anno Descrizione
Metà del 1800 Si cominciano a sviluppare le prime tecniche che sfruttano la proprietà del cervello
di concatenare immagini diverse passate velocemente in sequenza.
Fine del 1800 Thomas Edison presenta il Kinetofono. Le immagini sono fissate su una pellicola
flessibile e il sonoro viene proposto su un supporto a parte e non in sincronia con le immagini.
1902 Leon Gaumont presenta un sistema di proiettore collegato con due fonografi. L’esperimento
fallisce per problemi di sincronizzazione.
1907 Si comincia ad utilizzare il formato 35mm
1917 L’industria Technicolor comincia i primi esperimenti con il colore.
1902-1920 Continuano i tentativi di proporre il suono in sincronia con il video. La tecnologia
ancora non consente di ottenere risultati sostanziali.
1930 Nel laboratori Bell si comincia a sperimentare la riproduzione del sonoro multicanale.
1941 Il film Fantasia viene proiettato pubblicamente utilizzando un sistema audio a 3 canali (Left –
Center – Right).
1950 Le pellicole cinematografiche vengono proiettate con suono stereo (4 o più canali)
1952 Sistema Cinerama. L’audio viene registrato su un nastro magnetico montato sulla pellicola.
Consiste di 6 canali, 5 di fronte e uno posteriore.
1972 Comparsa delle prime videocassette
1976 Dolby Stereo 35 mm. L’audio è registrato su due tracce ottiche sulla pellicola.
1976 Il sistema MP Stereo della Dolby Labs viene utilizzato per la colonna sonora del film Star
Wars.
1978 Dolby Stereo 70 mm.
1982 Dolby Surround (3 canali, L – C- R)
1986 Stereo TV (2 canali)
1987 Dolby SR (4 tracce audio ottiche con Dolby SR)Dolby Pro Logic Surround (4 canali)
1991 Dolby Stereo Digital SR 5.1 (5 canali +1 con Dolby SR)
1992 Dolby Surround Digital 5.1 (5 canali +1)
Tra le innumerevoli realizzazioni di sistemi surround, merita una citazione a parte quello creato
appositamente per il film Fantasia dagli ingegneri della Disney in collaborazione con i Laboratori
Bell e messo a punto nei primi anni ’40. Per la prima volta un sistema da 3 a 8 altoparlanti
indipendenti veniva utilizzato per riprodurre il sonoro di un film. Ovviamente a quei tempi le sale
cinematografiche non erano attrezzate con tali tecnologie e dunque era necessario allestire di volta
in volta l’impianto audio, denominato Fantasound, nella sala dove il film veniva proiettato. Uno
staff di tecnici era adibito al missaggio dei suoni che veniva ripetuto ad ogni spettacolo essendo
assente qualsiasi forma di automazione, secondo il modo di lavorare proprio dei moderni Service.
21.2. Il sistema Surround
Il sistema stereo lascia un ‘buco’ nel centro del fronte sonoro che viene riempito in maniera
virtuale in quanto si viene a creare una immagine fantasma dei suoni posizionati al centro. Questo
avviene grazie al fatto che lo stesso suono proviene dall’ altoparlante di sinistra e quello di
destra viene percepito come proveniente dalla direzione centrale. Questa soluzione presenta un
difetto fondamentale e cioè che l’immagine fantasma tende a spostarsi in base alla posizione
dell’ascoltatore. È immediato rendersi conto che in una sala cinematografica ogni spettatore
percepirebbe il suono centrale il modo diverso dagli altri. Soprattutto il suono centrale non
sarebbe più tale se non per gli spettatori che si trovano esattamente sull’asse centrale del cinema
perpendicolare allo schermo. Per ovviare all’inconveniente si è introdotto un canale centrale
indipendente. In questo modo i dialoghi del film vengono spediti all’altoparlante centrale mentre
quelli laterali servono per la musica (in stereo) e per gli effetti sonori (tipo il telefono che
squilla nella stanza accanto fuori schermo). Volendo aggiungere un ulteriore suono di ambiente si è
pensato di aggiungere un segnale sonoro alle spalle dello spettatore. Questo può essere mono o
stereo a seconda dei sistemi impiegati. Su alcuni sistemi è presente un ulteriore segnale che
riproduce le frequenze molto basse e logicamente è collegato ad un sub woofer (LFE – Low Frequency
Emitter) ; uno degli utilizzi più conosciuti di questo segnale si ha nelle catastrofiche esplosioni
dei film americani in cui sembra che l’intero cinema stia per crollare.
21.2.1. Dolby Motion Picture Matrix Encoder
Questo sistema Dolby è uno dei primi sistemi surround che siano stati concepiti e merita di essere
analizzato nel dettaglio per la genialità della sua concezione. Il sistema prevede la codifica di 4
segnali indipendenti Sinistro (L), Centrale (C), Destro (R) e Surround (S) su due soli segnali (Lt e
Rt dove t stà per totale). In questo modo il segnale codificato può essere memorizzato su un
opportuno supporto stereo (CD, Nastro, DAT) se siamo in fase di registrazione o utilizzato come
canale audio di un segnale televisivo stereo. Quando i due segnali Lt e Rt vengono recuperati (o dal
supporto o da un ricevitore), vengono spediti ad un decodificatore che ricostituisce, almeno in
maniera virtuale i 4 segnali iniziali. Vediamo nel dettaglio i due processi di codifica e
decodifica.
21.2.1.3. Caratteristiche della codifica Dolby Motion Picture Matrix
Un’importante proprietà di questo sistema consiste nella sua compatibilità con i sistemi mono e
stereo. Infatti su un televisore stereo avremo tutti i segnali presenti sugli altoparlanti L e R. Il
segnale surround S è presente e anche se non potrà provenire da dietro lo spettatore, il fatto che
sia in opposizione di fase garantisce comunque un comportamento ‘di ambiente’. Sommando L e R
ricevuti ci mettiamo nel caso di un televisore mono. In questo caso il segnale C ritorna al suo
volume originario essendo stato attenuato di 3 dB e poi sommato a se stesso. Il segnale S scompare
in quanto è stato aggiunto a Lt e Rt in opposizione di fase dunque in mono l’unica informazione che
perdiamo definitivamente e quella relativa al surround. Poco male perché pensandoci bene un
televisore mono con Surround sarebbe un pò ridicolo!
21.2.2. Dolby Pro Logic e Dolby Digital
L’algoritmo Dolby Motion Picture Matrix Encoder appena descritto viene impiegato nei sistemi di tipo
Dolby Pro Logic. Tuttavia questo sistema presenta alcune gravi lacune. In particolare, l’operazione
di codifica non può non lasciare conseguenze in quanto codificando 4 segnali su 2 qualcosa
inevitabilmente viene perso. Principalmente viene meno la completa indipendenza dei 4 segnali. In
altre parole non sarà più possibile ottenere la separazione che si aveva prima della codifica con
una conseguente degradazione dell’informazione sonora. L’algoritmo di decodifca descritto riesce ad
estrarre solo una parte delle informazioni, per ottenere una decodifica migliore dobbiamo ricorrere
ad algoritmi più sofisticati. Un esempio può aiutare a chiarire le idee. Abbiamo visto che dopo
l’operazione di codifica il segnale C (centrale) è inviato in egual misura sui canali L e R. Quindi
si è persa la separazione tra i canali L, C, R. Per limitare questo inconveniente possiamo inviare
una piccola quantità di segnale L sul canale R invertita di fase. Ciò provocherà un abbassamento
della parte di segnale C presente sul canale R. Lo stesso può essere fatto sul canale L. Se il
procedimento sembra un pò ingarbugliato, rileggetelo una volta di più, non c’è nulla di complicato.
Questo accorgimento aumenta la separazione tra i canali L, C, R ma genera pericolose cancellazioni
di fasi sui canali L e R modificando a volte pesantemente la spazialità del suono. Non vogliamo
spingerci oltre in queste considerazioni che sono state riportate solo per dare l’idea di algoritmi
di decodifica più sofisticati. Il Dolby Digital è uno di questi ed è il sistema surround in
commercio più utilizzato. Il sistema prevede una decodifica del segnale Lt e Rt in 5 segnali più uno
dedicato alle basse frequenze.
21.3. Tecniche di registrazione binaurale
Le tecniche binuarali si prefiggono lo scopo di riprodurre il suono esattamente come viene percepito
da un ascoltatore. Per la registrazione viene impiegata una finta testa in cui al posto dei timpani
vengono collocati due microfoni. Le caratteristiche della testa vengono riprodotte nel dettaglio, i
microfoni si trovano alla fine di un condotto che simula il canale uditivo. In questo modo viene
anche eliminata al massimo l’interferenza tra i due suoni registrati. Inoltre, la simulazione del
canale uditivo permette di riprodurre esattamente la perdita di frequenze che subisce un suono che
entra all’interno dell’orecchio umano. Anche il padiglione auricolare e le tube di Eustachio sono
riprodotte con grande cura. L’ascolto di queste registrazioni deve essere effettuato necessariamente
con un paio di cuffie in modo da conservare intatto il realismo della simulazione. La stessa
riproduzione su un paio di altoparlanti sarebbe inefficace a causa della vistosa interferenze tra i
due segnali.
Il sistema di registrazione binaurale Holophonic (1983) messo a punto da Ugo Zuccarelli adotta
questo tipo di approccio.
Vale la pena di citare il fatto che alcune registrazioni fatte per l’album ‘The Final Cut’ dei Pink
Floyd adottano questa tecnica. Ancora più sorprendente è il fatto che il brano ‘Alan’s Psychedelic
Breakfast’ dell’album Atom Heart Mother sempre dei Pink Floyd sembra registrato con questa tecnica
mentre in realtà l’album è stato concepito molto prima (1970) e questo la dice lunga sulle qualità
dei Pink Floyd riguardo alla manipolazione del suono!
Il sistema di registrazione binaurale Holophonic adotta questo tipo di approccio.
21.4. Tecniche di riproduzione binaurale
Queste consentono, a partire da un segnale anche mono, di ottenere un segnale stereo in cui
l’estensione del campo sonoro è una grandezza manipolabile.
Il suono seguente mostra un’applicazione di questo genere di algoritmi. A partire da un suono mono
l’immagine si allarga progressivamente fino ad arrivare alla sua apertura stereofonica massima. In
seguito si richiude fino a ritornare al suono mono di partenza.
21.4.1. Q – Sound
1987
Si tratta di una macchina digitale che implementa un algoritmo in grado di allargare l’immagine
sonora lavorando sulle fasi. La figura seguente mostra le varie posizioni utilizzabili. Si vede come
la posizione Q4 consenta un allargamento quasi a 180 gradi del fronte sonoro. Tale algoritmo risulta
molto pesante in termini di potenza di calcolo richiesta e dunque il segnale si presenta all’uscita
del modulo con un piccolo ritardo rispetto al segnale di ingresso. Ciò va tenuto in conto in
situazioni in cui si rende necessaria una sincronizzazione.
Occorre comunque tenere presente che si tratta di una manipolazione molto arbitraria che può
trasformare il suono originario in un suono artificiale e dunque va usato solo in determinate
situazioni dove l’effetto speciale è voluto ed enfatizzato.
21.4.2. RSS – Roland Sound Space system
Questo sistema consente di posizionare una sorgente sonora in qualunque punto di uno spazio virtuale
tridimensionale. L’algoritmo consente di codificare informazioni relative sia alla posizione
orizzontale che alla posizione verticale. I controlli di questo apparecchio consistono in 8
potenziometri disposti a coppie. Ogni coppia agisce su un canale sonoro e consente il controllo di
elevazione e azimuth nello spazio. La combinazione di questi due controlli posiziona la sorgente
sonora nello spazio tridimensionale. Viene incluso anche un controllo per la simulazione
dell’effetto doppler che consente di riprodurre in modo molto realistico suoni in movimento.
21.5. Il sistema Ambisonics
E’ una tecnica che risale agli anni ’70 e che presenta caratteristiche uniche e tuttora
assolutamente valide. La scarsa diffusione ai tempi del suo concepimento è dipesa anche
dall’eclatante (e meritato) fallimento del sistema quadrifonico che non fu in grado di rispettare le
aspettative e fu causa di forti perdite per le società che avevano deciso di puntare tutto su quel
nuovo sistema [51]. Tuttavia il sistema Ambisonics rimane uno dei più completi sistemi di
microfonaggio e riproduzione sonora esistenti in quanto permette di conservare tutte le informazioni
relative alla spazialità del suono e consente una decodifica del segnale diversa a seconda del
numero di altoparlanti utilizzati per la riproduzione.
Per la registrazione viene utilizzato un microfono omnidirezionale posto nel centro e tre microfoni
con diagramma polare a 8 disposti secondo le tre direzioni dello spazio. La riproduzione è stereo
compatibile dunque può essere effettuata con 4, 3 o 2 altoparlanti.
(C) 2001-2005 by Marco Sacco
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