SOUND FOR FILM

From Mute to Dolby Atmos™

Part 2 - The 5.1

The Dolby Stereo™ standard was a great breakthrough but had some drawbacks: the encoding of the 4 channels was based in differences in phase between the 2 master tracks. Sometimes, strange phenomenons occurred, for example, when actors talked over a music background, the decoder would send their voice to the surround channel for no apparent reason.

It was time to think about discrete channels, i.e., each track would only contain one channel.

In 1976, only 70mm films had space to place six tracks of sound and this was the main reason why some prestige movies used this very expensive format.

Typical 5.1 Setup in a theater

Thus, 6 channels were created, Left, Center, Right, Left Surround, Right Surround and a LFE channel, Low Frequency Effects, which would convey the bass material. This channel had an headroom of more 10dB, because bass sounds need more power to be perceived as loud as medium frequencies.

Now, the great effort would be to squeeze all those tracks to fit in the narrow space available in the 35mm tape. A lot of squeezing had to be done.

Sound encoding on a 35mm film. From left to right, the SDDS, the Dolby Digital, analog stereo and DTS time code

In the digital domain, a lot of space was needed to accomodate all the bits in the small 35mm film.

At 48 kHz, 48.000 samples/second x 18 bit x 5 channels (full range) = 4,320,000 bits per second.

The LFE channel, reaching only 100Hz and  due to the Nyquist theorem,  only needs 1/200 of the sampling rate of other channels, taking just 4,320 bits per second.

We could say it was just 1/200 or 0.005 of a channel.

So, in what recording space is concerned, 5.005 was the total weight of the 6 channels.

As 5.005 is quite a complicated number, Tomlinson Holman called it 5.1.

It is impossible to squeeze all those bits in the tiny space of film allocated to sound. So, more than 4 million bits per second had to be compressed to 320.000. The Dolby AC-3™ compression was born.

As we said, there are 3 speakers behind the screen, Left, Center and Right, and, in the beginning, there was only one speaker per Surround channel.

What happened was that, whenever there was a sound coming from those speakers, spectators thought it came from the EXIT sign, the only visible cue at the back of the Theatre. This was called the “Exit Sign Effect”.

In order to overcome this funny situation, an array of speakers, ranging  from the side to the back were used.

Later, in 1991, to avoid signal compression, DTS inc. launched DTS (Digital Theater Systems) a 5.1 cinema format playing from an external CD Rom following the Time Code encoded on the film.

Dolby or DTS, 5.1 is today’s most common sound format, but still very far from the modern formats.

(To be continued)

SOM PARA CINEMA

Do Mudo ao  Dolby Atmos™

Parte 2 - O 5.1

O standard Dolby Stereo™ foi um grande passo mas tinha os seus problemas: a codificação dos 4 canais era baseada nas diferenças de fase entre os dois canais master. Às vezes, fenómenos estranhos aconteciam, por exemplo,  quando os actores falavam tendo por baixo uma música, o descodificador detectava diferenças de fase e enviava as vozes para o canal de Surround sem nenhuma razão aparente.

Estava na altura de se pensar em canais discretos, isto é, cada pista contém só um canal.

Em 1976, só os filmes de 70mm tinham espaço disponível para colocar 6 pistas de som. Essa foi uma das principais razões que levaram alguns filmes de topo a usar este formato tão caro.

Típica montagem 5.1 num cinema

Foram então criados 6 canais, Esquerdo, Centro, Direito, Surround Esquerdo, Surround Direito e um canal LFE, Low Frequency Effects, que contém todo o material de efeitos graves. Este canal tem um headroom de mais 10dB, porque os sons graves necessitam de mais potência para soarem ao mesmo volume que os médios.

O grande esforço seguinte, foi o de conseguir encaixar estas pistas todas no pequeno espaço da película de 35mm.

A codificação do som: da esquerda para a direita, o SDDS, o Dolby Digital, o stereo analógico e o time code para o DTS

No domínio digital será preciso muito espaço para armazenar todos os bits necessários aos 6 canais.

A 48kHz, 48.000 samples/segundo x 18 bit x 5 canais (full range) = 4,320,000 bits por segundo.

O canal LFE, atingindo somente os 100 Hz, só precisa de 1/200 da frequência de amostragem, devido ao teorema de Nyquist, ou seja, apenas 4,320 bits por segundo.

Podemos considerá-lo 1/200 ou 0.005 de um canal.

Assim, em termos de espaço para para armazenamento, 5,005 era o peso dos 6 canais. 

Como 5.005 é um número complicado, Tomlinson Holman baptisou-o de 5.1.

É impossível acomodar todos estes bits no reduzidíssimo espaço disponível na película de 35mm. Por isso, mais de 4 milhões de bits por segundo tiveram de ser comprimidos para 320.000. Nasceu a compressão Dolby AC-3™.

Como vimos, teremos 3 altifalantes atrás do ecrã, Esquerdo, Centro e Direito, um altifalante de LFE, usualmente debaixo do ecrã e os altifalantes de Surround. No início, só havia um altifalante por cada canal de Surround, colocado na parte traseira da sala.

Acontecia que, cada vez que saía um som das colunas de Surround, os espectadores pensavam que ele vinha do sinal de “Saída”, a única coisa visível nessa parte da sala.

Chamou-se a isto o “Exit Sign Effect”.

Para ultrapassar esta situação caricata, passou-se a usar uma linha de altifalantes, começando de lado e acabando atrás da sala.

Mais tarde, em 1991, para evitar a compressão do sinal, a DTS Inc. criou o DTS (Digital Theatre Systems), um formato 5.1 onde o som está gravado não na película, mas num CD Rom que segue um Time Code inscrito no filme.

Ainda hoje, 5.1 é o formato de som para cinema mais usado, mas muito longe dos formatos mais modernos.

(Continua)