影院数字立体声自同步系统的设计

影院数字立体声自同步系统的设计 影院数字立体声 自同步系统的设计 上海交通大学 王剑虹 杨荣震 陈 健 一、概述了。 目前, 在影院还音设备市场上, 比较流行的 , 两者的同但由于画面载体与声音载体分离数字声设备是杜比公司的 ?、美国数字影 SR D步又成为了一个大问题。依靠在光学音轨 D T S () 院系统公司的 , D T S D ig ita l T h ea r te r Sy stem 内侧添加时间码来解决这个问题, 这就需要在电 ( 以及索尼公司的 SDD S So n y D yn am ic D ig ita l )影胶片上印制时间码, 硬件上添置时间码解读器。So u n d 等部件; 加之 是美国数字影院系统集团的 D T S 杜比是立体声系统的创始者, 它的多声道影 专利, 要在我国引进, 花费也是不小的。 院立体声系统?的质量与效果是无D o lb y SR D 我们仔细研究了世界上流行的三种多声道 可挑剔的, 但它的硬件设备与传统放映设备相比 制式, 决定吸取的最大优点, 把声音存储在 D T S 有较大的改动, 要采用专门的 电影 65 D o lb y C P 上, 但 不 采 用 它 的 声 音 编 码 方 式 - CD ROM 处理器才能到达 。 它还有一个缺点, T H X () - , 同时设计 CA C Co h e ren t A co u st ic s Co d in g 这是是由于数字声记录在胶片的齿孔之间, 多次 自己的声画同步系统。这样, 的优点可以保 放映后, 声音质量会显著下降。是一种八 D T S SDD S 留下来, 硬件上由于不用添置时间码解读器, 胶 声道系统, 声音的空间感十分强烈, 但它的设备 ( 片上也不用作任何改进。国内的影院如果想提高 ) 比 ?还要昂贵 ,14, 000, 也存在着多次 SR D 放音后声音质量下降的问题。 与上述两种制式相比, 最显著的优点 D T S 驱动器及音响效果, 只需购买一个 - CD ROM是声音信息不记录在电影胶片上, 而是存储在 简单的同步系统, 胶片仍采用原来的传统电影胶 片, 升级十分方便, 费用也不高, 十分适合我国国 情。 盘片上。是目前公认的记- - CD ROM CD ROM 二、原理与流程 录声音信息的最好载体, 容量大, 动态范围宽, 不 系统的简单框图如图 1 所示。易磨损, 多次放映也无任何问题。由于这种制 控制信号 扬声器式的声频记录不占用胶片空间, 可以与传统 的立体声系统完全兼容, 没有的影院也 D T S 不用立即强制升级。 另外, 对于一部电影, 若 数字声 同步系统 发行多种语言的版本, 只要制作不同语言的模拟声 就可以了。由上所述, 我们不难看 - CD ROM 出, 与 ?、相比, 质量有保D T S SR DSDD S 屏幕 证, 灵活性又大大提高了。其关键在于摆脱了 电影放映机 尽量改善光学音轨来提高声音质量的狭隘思 路, 而是把声音存储在 上。这样,- CD ROM SR ?D、SDD S 面临的许多问题就迎刃而解 图 1 系统框图 影视技术 应用技术研究1999 年第 4 期 总字第 249 期 该系统运作情况大致如下: 从 - 最小, 则 = 0, 可得 ƒCD ROMD dD dΑ T T 中读取声频信号, 并播放; 从电影胶片上放映视 2 ( ) ( ) ( ) ()X 1 tX 2 t - Α= Σd tƒ X 2t - Σd t 2 0 0 ??频画面, 由声画同步系统来控制两者之间的同 () () 把2代入 1, 得步。这时, 一旦出现重大失步现象, 可暂时跳至电 T 1 2 2 影胶片的光学音轨上放映声音, 而由同步系统来 ( ) ()() D = X 1td t r 1 - 3 R Σ] m in ?) T 搜索 ROM 上的相应位置, 找出以后再切- CD ( ( ) ()) 其中 是 、的相关系数估值。 1 2 R ΣX tX t 换到 -CD 上来播放数字声。 ROM T 1 () ( ) ( ) R Σ= X tX 2 t - Σd tƒ1 三、同步算法的数学模型 ?0 T该系统中, 声画同步系统是一个最重要的模 T T 1 1 块, 它不仅用于 与胶片的同步, 也是 - 2 CD ROM 2 () ( )( ) X t d t X t -4 12 Σ d t ?0 ?0 TT系统的主要控制部分。下面主要介绍一下同步算 法。 利用许瓦兹不等式 b b b 考虑到电影胶片上原来就有存储在光学音 2 2 2 ( ) ( ) ( ) ( ) [ X tY td t ]Φtd t ] Y [ X td t ?a ?a?a轨上的模拟声, 它与 上的数字声在 - CD ROM 存储方式上有所不同, 但本质上还是一致的, 两 ()5 者的波形就十分相似。我们可以利用二者在相同 ) ) ( ( 可得 Φ 1, 当 = 1 时, = 0, 即 || || R ΣR ΣD m in 位置相关性很大的特点, 使 上的数 - CD ROM ) ( ) ( ( )时, = 0, 这时 、1 = 2 - 1 2 X t ΑX t ΣD m in X t X 字声与音轨上的模拟声同步, 而光学音轨上的模 ( ) 完全相似, 因此我们可以用相关数作为尺度t 拟声与电影画面是同步的, 这样就可以使 -CD ) (来判断两个波形的相似性。当 = 1 时, 二波 R Σ 形完全相似。 上的数字声与电影画面同步了。ROM 根据上述原理, 把光学音轨上读出的模拟声 与 - 上的数字声作相关计算, 设模CD ROM () ()拟声抽样为数字声抽样。 , A n D n 二者的相关函数为:N () ()() R K = A n D n + K ƒ ?n= 0 N N 图 2 声音波形2 2 (() ()()A n D n + K 6 ??自相关函数的峰值: 1 n= 0 n= 0 () 当 = 1 时的 值乘上抽样周期, 即 P k K 非同步处的峰值都远小于1 为两者相对位置在时间上的差值, 可将 CD - 跳转相应的距离, 使它与模拟声同 ROM 步。 四、同步算法的实现 图 3 声音波形的自相关规一化函数图因为在 上对声音的抽样率 - CD ROM 大多为 44. 1, 也就是说若要同步搜索 1 秒的 kH z为了判断两个波形的相似性, 我们研究一下 数据, 将要计算 44100 次相关, 计算量过大。为了 ( ) ( ) 它们之间的差别 , = 1 - 若存在2 , ??X t ΑX t 降低计算量, 我们在计算相关之前对二路声音分 )( ( ) Σ 一个常数 , 使 恒为 0, 那么 与 1 2 - Α? X tX t别进行抽选, 使二者的抽样率降为 2. 05, 而 kH z( ) ( )完全相似, 即 X 1 t= ΑX 2 t。 由于在一般情况 波形仍基本上保持不变。 另外, 计算相关要选用几个抽样值, 也是一 下, 0, 我们可以用 的平方的时间均值不恒为 ? ? 个需要考虑的问题。 抽样值过多, 运算量大大增 ) ( ) ( 的差异: 来衡量 与 1 2 - ΣD X tX t 加; 抽样值过少, 两种波形的相似性没有充分体 T 1 2 ( ) ( ) ()D = [X 1 t- ΑX 2 t - Σ]d t 1 现, 有时会造成误判。 经过我们在计算机上的大 ?0T ( )( ) 当 、给定后, 只与 有关。 若要使 1 2 X tX tD Α ?39? 影视技术 应用技术研究1999 年第 4 期 总字第 249 期 量模拟仿真, 发现取 500 个抽样点是比较合适是美国 公司的数字信号处理 320 TM ST I () 的。芯片。 它的运算速度很快, 十分所适合作 D SP 图 2 是计算机仿真时所用的一段声音波形。 数 字 语 音 方 面 的 高 速 处 理。 我 们 选 用 ( 图 3 是计算机仿真求得的相关函数 已经归一 来实现同步算法。 是 32050 32050 TM SC TM SC )化。 定点运算的 芯片, 运算速度高达 20。D SP M IP S 根据上述同步算法, 运算量大致如下: 22.以下是用一段抽样为 05、8 比特量 kH z () 选用 500 个抽样值来计算一次相关, 大致要 化的文件进行模拟运算的结果表 1: W A V 表 1 相关运算的统计结果 做 500 次加法与乘法, 所以 1 秒钟内可做 20, 000 次相关运算。而经过抽选后, 1 秒钟内分 布 抽 样 数 有 2, 200 个声音抽样。所以, 在使用 公司 T I 次 100 300 500 900 数的数字信号处理芯片 来计算相 32050 TM SC 关时, 在一秒的时间内, 大致可以搜索过 10 归一化相关函数值 0. 00 0. 09 41811 23419 51026 29890 秒的声音信息, 也即一旦 与模拟- 0. 10 0. 19 2972 5053 7618 7611 CD ROM 0. 20 0. 29 7058 6070 8501 9070 声音出现失步, 当失步不超过 10 秒时, 至多0. 30 0. 39 17151 8942 16622 20607 用一秒钟便可恢复到同步状态, 系统的搜索 0. 40 0. 49 46553 46489 41963 39829 0. 50 0. 59 48767 35229 56868 55907 能力还是相当强的。 0. 60 0. 69 45802 22861 58195 52813 0. 70 0. 79 24740 1917 281 294 我们在计算机上进行了大量的仿真运 0. 80 0. 89 854 176 210 197 算, 发现两路声音在相应位置上相关函数为 0. 90 0. 99 84 108 44 50 1, 其余的最大峰值均不超过 0. 7。 这种方法 1. 00 100 100 100 100 > 1. 000000是完全可行的。 五、结束语(将 22. 05的数据进行进 10 ?1 的抽 kH z 上述立体声影院自同步系统对于影院的硬选, 使采样率变为 2. 205, 再在文件中 kH zW A V 任意位置取出 100、300、500、900 个抽样, 分别进 , 有很大的灵活性, 利用 芯 件设备要求不高D SP 片来进行自相关运算, 速度与可靠性都可以得到 行相关运算。每种由 100、300、500、900 个抽样组 成的抽样值组均是从文件的 100 个任意 W A V 满足, 与国外的立体声数字声系统相比有很大的 位置中取出的, 即每种抽样组均要在文件 W A V 优越性。目前我们还处于设计和计算机仿真 )中搜索 100 遍, 以找到 100 个同步位置。 阶段, 从计算机仿真结果来看我们的设想是可行 由上表明显可以看出每组抽样只有在 100 的, 也是可以实现的。 但最终还要通过系统的测 个同步位置处归一化时相关函数值才为 1。其余 接近 1 的值其实均在为 1 的位置两侧, 而其它峰 试, 还将有一系列的实际问题需要解决。 如果这 值大多小于 0. 7。 一方案经过实践加以实用化, 必将推动我国电影 放映向数字化发展的进程。 ?综合信息? PD P 等离子显示热声 器, 加 置 了 100倍 线 扫 播放电影片段和进行产品宣H z 传。 另 外 还 有 的 -JV C GD 等离子显示器是这描。而乐声的 - 42型 PD P T H PM Z - 机称为世界上拥有最佳亮度和 98’展的热点项目, 参展型; 富 士 通 的 次 425 A VV H TM 对比度, 具有可与高清晰度电 商达 7 家之多。展品突破了 4242上外围加装了画框, 看似 A 一幅油画。 飞利浦机加装了视 英寸标准型模式, 本次就有先 视媲美的播放效果, 是首部采 ( 锋和乐声的 50 英寸产品展出。 频处 理 器 供 接 收 和 调 谐 之 用解码器的显示器。M u se ) 在 的展示中, 悬挂有 7、8用, 是首部可接收电视广播的So n y 张秀华 其四周藏有 15 个全频扬, 部之多的等离子显示器, 用来PD P ?40?