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ISTS 3. Formation aux techniques du multicanal. Septembre-Octobre 2008. 2. Les standards du multicanal. a. Les formats de diffusion sonore

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  1. ISTS 3 Formation aux techniques du multicanal Septembre-Octobre 2008

  2. 2. Les standards du multicanal a. Les formats de diffusion sonore Définition : on entend par “format de diffusion sonore” l’agencement physique des points de diffusion du son dans le lieu d’écoute. Cet agencement recouvre aussi bien les positions de ceux-ci, que leurs orientations et même, le cas échéant, leurs caractéristiques de diffusion des ondes acoustiques.

  3. 2. Les standards du multicanal a. Les formats de diffusion sonore Définition : on entend par “système spatial” tout système de reproduction acoustique ou électroacoustique dont le but est de restituer ou de reconstituer de toutes pièces un espace sonore dont l’image sonore se rapproche le plus possible de la réalité physique Définition : on entend par « système ambiophonique » tout système de reproduction acoustique ou électroacoustique dont le but est de créer un espace sonore dont l’image sonore ne se préoccupe pas de reconstituer une réalité physique mais simplement d’user de l’enveloppement sonore pour produire des effets diffus.

  4. 2. Les standards du multicanal a. Les formats de diffusion sonore 1. La stéréophonie 2/0 Schéma d’écoute traditionnel Source fantôme Compensation par l’effet Haas

  5. 2. Les standards du multicanal 1. La stéréophonie 2/0 A. Avantages de la compensation par l’effet de Haas : - Solution simple et efficace sur la voix humaine et les sons instrumentaux périodiques - Elargissement conséquent de la zone d’écoute stéréophonique - Stabilité de l’image stéréophonique B. Inconvénients de cette méthode : - Distorsion spatiale non compensée pour les transitoires en spectre haut - Nécessite l’emploi de haut-parleurs à directivité contrôlée - Dénature en partie le timbre en raison du changement de la phase relative des canaux - Nécessite une acoustique absorbante en raison de l’accroissement des réflexions primaires

  6. 2. Les standards du multicanal 2. La stéréophonie 2/0/1 A. Principe du canal « .1 » - Ajout d’un haut parleur supplémentaire dit « caisson de graves » dédié à la restitution des basses fréquences (<120 Hz ou <80 Hz) - Dissociation des basses fréquences du signal stéréo ou - Existence d’un signal discret basses fréquences - Extraction vers un canal unique - Fondé sur le principe de la « non perception directionnelle des basses fréquences » Diapositive suivante : principe du Bass Management en stéréo 2.1

  7. 2. Les standards du multicanal 2. La stéréophonie 2/0/1 B. Concentration des basses fréquences en un seul canal de diffusion - Standard découlant de l’industrie du cinéma pour des raisons de compatibilité  utilité première : reproduire des effets de graves spectaculaires - Pas de volonté particulière en terme de spatialisation - Fondé sur l’hypothétique absence de localisation spatiale des basses fréquences par l’être humain Mais - Informations spatiales perçues en stéréophonie normale à partir d’environ 65 Hz - Informations spatiales perçues pour des sources à 90° de part et d’autre de la tête à partir de 30 Hz - Fréquences de coupure standard des systèmes multicanaux à 80 ou 120 Hz

  8. 2. Les standards du multicanal 2. La stéréophonie 2/0/1 B. Concentration des basses fréquences en un seul canal de diffusion Différence de niveau perçue entre les deux oreilles pour une source à 90° à gauche

  9. 2. Les standards du multicanal 2. La stéréophonie 2/0/1 B. Concentration des basses fréquences en un seul canal de diffusion Intercorrélation entre les signaux parvenant aux oreilles depuis une source située à 90° à gauche

  10. 2. Les standards du multicanal 2. La stéréophonie 2/0/1 B. Concentration des basses fréquences en un seul canal de diffusion Conclusions : - Basses fréquences utiles à la localisation spatiale - Utilité provenant de l’ITD et non de l’ILD - Préférence pour un système multicanal à base de haut-parleurs pleine bande - Pour un système stéréophonique placer les subwoofers à 90° - Fidélité de restitution particulièrement sensible aux conditions acoustiques du lieu de diffusion Source : Journal de l’AES, vol.52, N° 9, Septembre 2004

  11. 2. Les standards du multicanal 3. La stéréophonie 3/0 A. Correction de la déviation de l’image fantôme centrale Image visuelle Cas typique d’écoute stéréophonique - Position centrale - Position latérale : déplacement de l’image fantôme stéréophonique et incohérence entre le visuel et l’auditif Image auditive - Position latérale : correction par l’ajout d’une voie centrale  recentrage de l’image stéréophonique fantôme centrale

  12. 3. La stéréophonie 3/0 B. Avantages - Très grande stabilité de l’image audio centrale - Timbre de l’image centrale très peu dénaturé - Renforcement de la présence des éléments sonores présents à l’écran - Système adapté au vococentrisme cinématographique - Exploitation de l’association cognitive son/image - Possibilité de dissocier ce canal pour l’adaptation multilingue 2. Les standards du multicanal

  13. 2. Les standards du multicanal 3. La stéréophonie 3/0 C. Inconvénients - Contraction spatiale de l’image stéréophonique gauche • Dilatation spatiale de l’image stéréophonique droite • Paradoxe canal central / centre stéréophonique Image stéréo droite • Distorsion spatiale générale • Destruction d’une partie des indices de localisation temporels et d’amplitude Image de la voie centrale Image stéréo gauche

  14. 2. Les standards du multicanal 3. La stéréophonie 3/0 D. Conclusions - Format adapté à la diffusion cinématographique mais pas musicale - Ne peut entrer dans les définitions des standards de haute fidélité - Offre une précision des éléments centraux au détriment de la cohérence et de la précision spatiale - Permet une écoute en groupe restreint moyennant les limitations cités au dessus

  15. 2. Les standards du multicanal 4. La quadriphonie (2/2) A. Dans les années 70 - Type de quadriphonie mise en œuvre par Alan Parson et Pink Floyd - Système d’écoute central ne supposant pas de groupe d’écoute étendu - Très intéressant pour la « stéréophonie arrière » : résolution spatiale précise - « Vides » de localisation importants sur les côtés - Stéréophonie avant exagérément large : dilatation de l’espace entre le centre et les extrémités - Mise en œuvre domestique difficile : suppose une pièce profonde

  16. 2. Les standards du multicanal 4. La quadriphonie 2/2 B. Sur la base des préconisations UIT-R BS 775.1 - Format issu du 5.1 « standard » à des fins de compatibilité - Utilisé dans la majorité des rééditions musicales des enregistrements quadriphoniques des années 70 (cf. Pink Floyd) - Format avant tout dédié à la diffusion musicale - Compatible avec les installations home theater standard - Compatible avec la quasi unanimité des standards d’encodage

  17. 2. Les standards du multicanal 4. La quadriphonie 2/2 B. Sur la base des préconisations ITU-R BS 775.1 Inconvénients : Avantages : - Stéréophonie frontale optimale pour la fidélité - Localisation arrière impossible  impression de masses sonores seulement - Bonne précision de la localisation ante-latérale - Système central : écoute « fidèle » dans une zone limitée - Pas de réelle spatialisation possible en raison de l’angle variable pour les haut-parleurs surround

  18. 2. Les standards du multicanal 5. Le 3/2/1 A. Spécifications - 6 points de diffusion discrets - 5 canaux de 80 Hz ou 120 Hz à 20 kHz : L, R, C, Ls, Rs - 1 canal de basses fréquences < 80 ou 120 Hz : LFE - HPs identiques à l’exception du subwoofer - HPs à rayonnement monopolaire - Préconisations pour L et R à 30° (tolérance jusqu’à 22.5°) - Préconisations pour Ls et RS entre 100° et 120° (tolérance jusqu’à 90°) - Hauteur préconisée pour L, R, et C : 1,20 m - Hauteur préconisée pour Ls et Rs : ≥ 1,20 m

  19. 2. Les standards du multicanal 5. Le 3/2/1 B. Equations de codage et de décodage sur cinq canaux

  20. 2. Les standards du multicanal 5. Le 3/2/1 C. Equations de downmixing

  21. 2. Les standards du multicanal 5. Le 3/2/1 B. Un standard directement dérivé du cinéma  configuration 5.1

  22. 2. Les standards du multicanal 5. Le 3/2/1 B. Un standard directement dérivé du cinéma  configuration 4.0

  23. 2. Les standards du multicanal 5. Le 3/2/1 B. Un standard directement dérivé du cinéma - Vise à recréer les mêmes effets sonores que dans une salle de cinéma - Effets de basses puissants - Mouvements spectaculaires de masses sonores - Adapté à la diffusion audiovisuelle : présence de la stéréo 3.0 pour la stabilité de l’image centrale - Adapté à la quasi-unanimité des systèmes d’encodage/décodage utilisés dans le cinéma - Conçu pour les adaptations multilingues

  24. 2. Les standards du multicanal 5.Le 3/2/1 C. Avantages - Stéréo parfaite pour un placement à 30° et -30° des HP frontaux - Résolution spatiale latérale satisfaisante pour un placement à 30° et -30° des HP frontaux - Avantage du canal central pour la stabilité de l’image centrale - Encombrement relativement réduit

  25. 2. Les standards du multicanal 5.Le 3/2/1 D. Inconvénients - Format à géométrie variable : ne peut prétendre à spatialiser précisément - Système central : écoute « fidèle » en un point - Résolution spatiale arrière très insuffisante - Basses non découplées

  26. 2. Les standards du multicanal 6. Le 3/3/1 A. Spécifications - 7 points de diffusion discrets - Régi par la recommandation UIT-R BS.775-1 - 6 canaux de 80 Hz ou 120 Hz à 20 kHz : L, R, C, Ls, RS, Cs - 1 canal LFE jusqu’à 80 Hz ou 120 Hz - HPs identiques à l’exception du canal LFE - HPs à rayonnement monopolaire - Peut prendre plusieurs formes - Préconisations pour le HPs L et R : 30° et -30° par rapport à l’axe frontal (tolérance jusqu’à 22,5° et -22,5°) - Préconisations pour les canaux surround : disposition la plus régulière possible sur l’arc de cercle arrière compris entre 60° et -60° - Canal surround central placé à 180° dans la configuration à un seul HP

  27. 2. Les standards du multicanal 6. Le 3/3/1 A. Spécifications - Variante avec deux points de diffusion du canal CS - Niveau à -3 dB des HPs CS par rapport à la version mono HP - Distribution régulière des HPs surround dans les secteurs angulaires 60° à 150° et -60° à -150° par rapport aux HPs L et R

  28. 2. Les standards du multicanal 6. Le 3/3/1 B. Correspondance avec le cinéma : configuration Cs simple

  29. 2. Les standards du multicanal 6. Le 3/3/1 B. Correspondance avec le cinéma : configuration Cs double

  30. 2. Les standards du multicanal 6. Le 3/3/1 C. Avantages sur le 3/2/1 - Canal arrière renforçant la précision de la spatialisation arrière - Possibilité de ramener les HPs SL et SR à des angles moins larges  amélioration de la localisation latérale

  31. 2. Les standards du multicanal 6. Le 3/3/1 D. Inconvénients - Fidélité de spatialisation arrière et latérale impossible  configuration à géométrie variable en fonction du nombre de HPs Cs - Encombrement plus important que le 3/2/1 : profondeur quasiment doublée

  32. 2. Les standards du multicanal 7. Le 5/2/1 A. Spécifications - Format encore exclusivement destiné à la diffusion publique en grande salle (cinéma) - But : donner le maximum de stabilité à l’image sonore frontale - 8 points de diffusion discrets : L, Lh, C, Rh, R, Ls, Rs, LFE, dont 5 frontaux et 2 surround - Origine dans les systèmes de diffusion Todd-AO des années 70 - HP frontaux recommandés identiques - HP latéraux et arrière recommandés identiques à rayonnement isotrope - Normalisation indépendante de l’UIT car attachée aux standards de diffusion

  33. 2. Les standards du multicanal 7. Le 5/2/1 B. Avantages et inconvénients - Grande stabilité de l’image frontale pour quasiment tous les emplacements - Possibilité de surfaces de projection de grandes dimensions - Grande couverture des canaux surround Mais - Stéréo distordue du fait de la multiplicité des HPs frontaux - Localisation des sources surround très imprécise en raison de la distribution des HPs  nécessite des apports non présents dans les normes et recommandations car très complexes

  34. 2. Les standards du multicanal 8. La surenchère du nombre de canauxA. Les raisons techniques - La multiplicité des canaux permet d’accroître la précision de localisation des sources, en particulier pour les canaux surround - Elle permet la diffusion d’une scène sonore sur une plus grande zone d’écoute - Elle permet d’éviter l’utilisation de DSP trop puissants pour parvenir à une spatialisation satisfaisante - Elle permet d’utiliser une amplification de moindre puissance par canal, ce qui entraîne une diminution des artefacts d’alimentation et des bruits de dissipation calorique

  35. 2. Les standards du multicanal 8. La surenchère du nombre de canauxB. Les raisons économiques - Le fait de multiplier les canaux permet de multiplier par autant le nombre de systèmes haut-parleurs/amplification nécessaires - Implique le développement, la distribution et la commercialisation de nouveaux décodeurs sans lesquels on ne peut pleinement profiter du nouveau format - Implique l’aménagement de nouveaux systèmes de diffusion à l’intérieur des salles exisantes - Implique le remastering de nombreux produits (audio simples ou audiovisuels) dans les nouveaux formats associés - Implique l’équipement de studios d’enregistrement, de mixage, etc… - Implique la sortie de nouveaux supports de diffusion grand public remplaçant peu à peu les anciens, avec les équipements de lecture associés

  36. 2. Les standards du multicanal 8. La surenchère du nombre de canauxC. Exemples Le TMH Audio System 10.2 (7/3/2) - Système développé par Tomlinson Holman, fondateur de THX - Met l’accent sur la précision spatiale frontale  destiné au son audiovisuel et plus particulièrement au cinéma - Tient compte de la nécessité de séparation des basses, mais avec une volonté d’effets avant toute fidélité - Prise en compte des canaux surround comme de simples canaux d’ambiance et non comme des éléments spatialisateurs à part entière (dipôles) - Au stade de recherche et développé avant tout pour les salles publiques - Application possible au home theater moyennant des adaptations notables de mixage

  37. 2. Les standards du multicanal 8. La surenchère du nombre de canauxC. Exemples Implantation du TMH Audio System 10.2 lors de sa 1ère européenne : Institut International du Multimedia, Pôle Léonard de Vinci, Paris

  38. 2. Les standards du multicanal 8. La surenchère du nombre de canauxC. Exemples Hamasaki et al. : 22.2 avec perception dans le plan vertical (3/0/2-5/5/0-3/5/0)

  39. 2. Les standards du multicanal 9. La diffusion holophonique (ou WFS : Wave Field Synthesis) A. Définitions Système central : un système de diffusion électroacoustique est dit « central » lorsque la résultante des pressions acoustiques issues de ses transducteurs est destinée à une écoute en un point ou une zone très restreinte. Système périphérique : un système de diffusion électroacoustique est dit « périphérique » lorsque la résultante des pressions acoustiques issues de ses transducteurs est destinée à une écoute dans une zone large, généralement délimitée par le périmètre formé par ces transducteurs NB : en fonction des exigences que l’on a face à un système donné, à savoir spatialisation ou ambiophonie, celui-ci peut revêtir un caractère de système central ou périphérique

  40. 2. Les standards du multicanal 9. La diffusion holophonique A. Définitions - Système de diffusion holophonique : système périphérique absolu dont le but est de recréer un champ acoustique cohérent en tout point d’une zone d’écoute délimitée par ses transducteurs de reproduction. - Système de diffusion qui implique un encodage et un décodage spécifiques. - Utilise en théorie une infinité de hauts parleurs de dimensions infiniment petites (de la taille du point) - Technique à l’état expérimental ayant connu de très grandes avancées ces dernières années : utilisation en concerts sonorisés et en diffusion électroacoustique musicale. - Equipements très spécifiques mais compatibles avec tout autre système multicanal

  41. 2. Les standards du multicanal 9. La diffusion holophonique B. Implantation - Banc de HPs continu entourant la zone d’écoute - Reproduction du champ acoustique dans toute la zone d’écoute avec perceptions relatives - Nombre de canaux théoriquement infini, réduit au nombre de HPs utilisés - Nécessité de DSPs très complexes afin de calculer les signaux alimentant les HPs, ainsi que les compensations acoustiques à effectuer.

  42. 2. Les standards du multicanal 9. La diffusion holophonique C. En pratique : utilisation de MAPs (Multi Actuator Pannels)

  43. 2. Les standards du multicanal 9. La diffusion holophonique C. En pratique: principe du MAP

  44. 2. Les standards du multicanal b. Les formats d’encodage/décodage 1. La stéréophonie 2.0 - Encodage et décodage sur deux canaux - Utilisation des indices de localisation psychoacoustiques humains pour recréer des sources virtuelles situées entre les deux transducteurs de reproduction - Encodage spatial sur la différence d’intensité des signaux parvenant aux oreilles de l’auditeur (ILD = Interaural Level Difference) - Encodage spatial sur la différence de temps des signaux parvenant aux oreilles (Interaural Time Difference) - Extensions possibles via l’exploitation d’autres indices psychoacoustiques  stéréophonie binaurale - Corrections possibles sur la diffusion dans le but d’en compenser les effets destructeurs sur le signal  système transaural pour une diffusion sur HP et auralisation pour diffusion sur casque

  45. 2. Les standards du multicanal b. Les formats d’encodage/décodage 1. La stéréophonie 2.0 Perception normale : - Différence de temps d’arrivée du front d’onde entre l’oreille gauche et l’oreille droite (∆t) - Différence d’intensité perçue du front d’onde entre l’oreille gauche et l’oreille droite (∆I), due à l’effet de masquage de la tête ∆I ∆t

  46. 2. Les standards du multicanal b. Les formats d’encodage/décodage 1. La stéréophonie 2.0 Encodage stéréo : Encodage selon l’intensité : loi de l’intensité prédominante Intensité accrue à droite  perception de l’image de la source plus à droite Intensité accrue à gauche  perception de l’image de la source plus à gauche

  47. 2. Les standards du multicanal b. Les formats d’encodage/décodage 1. La stéréophonie 2.0 Encodage stéréo : Encodage selon la différence de temps : loi du premier front d’onde Premier front d’onde venant de droite  perception de l’image de la source plus à droite Premier front d’onde venant de gauche  perception de l’image de la source plus à gauche

  48. 2. Les standards du multicanal b. Les formats d’encodage/décodage 1. La stéréophonie 2.0 Loi de compensation des ∆I et ∆t (selon [Blauert97])

  49. 2. Les standards du multicanal b. Les formats d’encodage/décodage 2. Le Dolby Stereo et le Dolby Surround A. Un système né pour le cinéma (1976) - Encodage sur 2 canaux de 4 canaux de diffusion : Gauche, Centre, Droite et Surround (LCRS) - Signal « couché » sur la pellicule 35mm  2 pistes optiques analogiques à variation d’amplitude placées entre les perforations et l’image - Volonté d’immersion dans le son, sans réelle volonté de spatialisation  le canal surround sert uniquement à reproduire des effets sonores car mono - Première utilisation dans « Star Wars, Episode IV, A new hope » en 1977 -Permet la compatibilité descendante avec les systèmes stéréo traditionnels

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