Аппаратные решения Loudness Control

Проблема перепадов уровня громкости при просмотре ТВ-программ

Автор: Юрий Киринов

Скачкообразное изменение уровня звукового сопровождения телевизионных программ, как для различных программ одного канала (особенно анонсов и отдельных рекламных вставок), так и при переключении с одного канала на другой создает существенные психологические нагрузки на конечного потребителя продукта – то есть, для того, ради кого все эти программы и создавались. Несмотря на то, что проблема существует уже не один десяток лет, только в последнее время были определены пути к ее окончательному решению.

Данная проблема проявляет себя двумя, обусловленных различными причинами, эффектами. Первый и, наверное, наиболее "раздражающий", это периодическое изменение "громкости" звучания различных программ, принимаемых по одному каналу. Второй, не менее неприятный, -  изменение уровня громкости звукового сопровождения при переключении телевизионного или спутникового приемника с канала на канал, вынуждающий каждый раз подстраивать уровень громкости. Телезритель при этом оказывается в комичной в роли "ди-джея", постоянно манипулирующего ТВ-пультом.

Вообще говоря, термин "громкость звучания" является не совсем корректным – правильнее было бы говорить об "уровне звукового давления", именно о том, что воспринимают наши органы слуха.

Здесь появляется первое противоречие – потребитель продукта (звукового сопровождения телевизионного или радиоканала) – и тот, кто его создает (ТВ-компания, например) используют разные методики для оценки его качества (в данном случае уровня звучания). Речь идет о чисто психоакустических аспектах восприятия конечным пользователем. А именно, в одном случае при регулировке уровня сигнала звукового сопровождения "вещатель" ориентируется на показания измерительных приборов, и руководствуются ГОСТами, инструкциями и прочими нормативными документами, а в другом – своими, чисто физическими ощущениями. Возникает вполне естественный вопрос – насколько показания измерительных приборов соотносится с чисто физическим восприятием громкости звучания?

История проблемы

Истоки данной проблемы были заложены в эпоху аналогового радиовещания на базе передатчиков АМ (амплитудная модуляция). Стараясь максимально использовать узкий динамический диапазон АМ (не более 40 дБ) с одной стороны, и пытаясь не допустить при этом "перемодуляции" сигнала (что приводило к резкому возрастанию нелинейных искажений) с другой, регулировка уровня звукового сигнала осуществлялась таким образом, чтобы "пики" сигнала максимально приближались к предельным значениям, при которых не наступает "перемодуляция", и в то же время не превышали их. В качестве основного измерительного прибора использовался квазипиковый индикатор уровня сигнала. За многие десятилетия практики звукоинженеров и звукорежиссеров (радио и телевизионных) данная технология, можно сказать, "въелась" в кровь и плоть – работать по максимально допустимому уровню сигнала стало правилом. Переход на передатчики ТВ- и РВ–вещания с частотной модуляцией, имеющих гораздо больший динамический диапазон (60-70 дБ), но подверженных той же болезни – перемодуляции – в очередной раз закрепил принятые ограничения по уровню пиков звукового сигнала.

В эпоху аналогового звука в СССР такой проблемы в принципе возникнуть не могло. Во-первых, на всех РТПЦ (радио и телевизионный передающий центр) ОТК осуществлял жесткий контроль уровня звукового сигнала согласно действующих тогда (да и по сей день никем не отмененных) ГОСТов, а во-вторых, рекламных вставок практически не было в сетке вещания.

Первые проблемы в современной России появились в начале 1990-х годов с появлением и развитием рекламного рынка. Дело в том, что большинство производителей телевизионной (и радио) рекламной продукции с целью повышения разборчивости речи (и не только) использовали достаточно высокую степень компрессии сигнала звукового сопровождения, что приводило в конечном итоге, при практически неизменном с основной программой максимальном уровне сигнала, к существенному повышению уровня громкости во время рекламных вставок.

С переходом на цифровые технологии в телевизионном производстве добавилась еще одна проблема – проблема различия уровня громкости у разных телевизионных каналов. Даже при аналоговом звуковом тракте, все чаще, для передачи телевизионного и звукового сигналов, как между студиями, так и от центральной аппаратной к эфирному передатчику или спутниковой станции, стал использоваться цифровой последовательный интерфейс (SDI) SMPTE-259M. Данный интерфейс позволяет передавать по оптоволоконному или коаксиальному кабелю в цифровом виде, как видео-, так и звуковые сигналы. При этом неизбежно возникала необходимость аналогово-цифрового и цифро-аналогового преобразования звукового сигнала, а различие в установочных параметрах АЦП и ЦАП, используемых разными компаниями, и приводило к возникновению данной проблемы.

Появление на рынке существенного количества кабельных и спутниковых операторов, которые в основном только ретранслировали каналы различных ТВ-компаний, без какой-либо обработки сигнала, только усугубило данную проблему.

Собственно, то же самое происходило и в европейских странах что побудило, в конечном итоге, EBU (европейский вещательный союз) разработать рекомендацию R68-2000, однозначно устанавливающую соотношение между уровнями аналогового и цифрового звука и предписывающую всем членам EBU использовать данные установки при международном обмене программами. Согласно данной рекомендации уровню аналогового звука 0 dBu (или 0,775 В) должен соответствовал уровень цифрового звука равный – 18 dBFS. Однако, даже наличие однозначно трактуемой рекомендации EBU, не решила проблемы канального различия в уровнях звукового сигнала в России (хотя большинство утверждает, что они работают согласно рекомендациям EBU). К сожалению, разные компании (или отдельные ответственные товарищи) по-своему трактуют данную рекомендацию, зачастую подгоняя ее под уже сложившуюся, технологию. Еще одна проблема заключается в том, что даже видя что уровни сигналов АЦП или ЦАП не соответствуют требуемым значениям, вместо того что бы сдвигать шкалу (у разных производителей данный параметр проходит под различными названиями – Headroom, Input/Output Level – нужное значение сигнала пытаются получить регулировкой "Усиление" (Gain).

Современное состояние проблемы

В последние годы в решении данной проблемы был достигнут существенный прогресс, и в первую очередь благодаря разработанной ITU (международным союзом электросвязи) рекомендации по применению алгоритма измерения уровня громкости ITU-R BS.1770 (и ее ревизии BS.1770-1 BS.1770-2)  и соответственно рекомендации ITU-R BS.1771, регламентирующую требования к контрольно-измерительному оборудованию для измерения уровней громкости. В свою очередь EBU разработал свою рекомендацию  R128 с дополнениями, описанными в рекомендациях Tech 3341/42/43 и практическому применению Tech 3344, по регулировке уровня сигнала звукового сопровождения. Помимо всего прочего данные рекомендации признают несоответствующими действительности определение максимального программного уровня (рекомендация ITU-R BS.645), и вводят ряд новых понятий.  Среди них LU – Loudness Unit (уровень громкости) и LUFS – Loudness Unit refer to Full Scale (уровень громкости, отнесенный к полной шкале) и LR – Loudness Range (диапазон изменения уровня громкости). Кроме того признается, что квазипиковые измерители уровня не могут больше применяться и вводится новое понятие Maximum      True   Peak   Level (максимальный уровень реального пикового сигнала). Определены и номинальные значения данных параметров.

Переход от контроля уровня сигнала по традиционному методу, основанному на показаниях пиковых индикаторов уровня, к предлагаемой рекомендацией R128, обуславливался следующими причинами:

–  современные   методы   цифровой   передачи   звука   предоставляют   чрезвычайно   обширный динамический диапазон;

– использование современных цифровых методов производства и передачи звука обусловливает смешение монофонических, стереофонических и многоканальных     форматов, а звуковые программы производятся во всех этих форматах;

– слушатели   желали   бы,   чтобы   субъективная   громкость   звуковых   программ   была   единой для различных источников и типов программ" (ITU-R BS.1770)

Фактически эти рекомендации, констатируя давно известный факт: "что   имеется   множество   методов   измерения   уровней   громкости,   но   существующие   методы измерений,   используемые   при   производстве   программ,   не   обеспечивают   индикации   субъективной громкости", а так же "что существующие методы измерений не отражают истинного пикового уровня, достигаемого цифровым   сигналом", создали необходимую базу для окончательного решения данной проблемы.

Аппаратные решения для контроля перепадов уровня громкости

На основании вышеприведенных рекомендаций практически все компании, основные производителями контрольно-измерительного оборудования выпустили серии специализированных измерителей уровня громкости, или разработали соответствующие версии на базе уже выпускаемых моделей.

Коротко рассмотрим некоторые из них.

Один из признанных лидеров в области производства измерительных приборов для контроля звукового сопровождения – немецкая компания RTW выпускает специальные версии измерения уровня громкости для трех линеек популярных приборов – 10500X-PUS, 31900/31960 и 11900.

Компания Axel Technology предлагает аппаратное решение Falcon Three TV SDI для выравнивания уровня громкости (loudness control). Устройство работает по стандарту ITU - BS 1770 и имеет возможность трехполосной динамической обработки звука. Прибор оснащен цифровым процессором сигналов, АРУ, функцией автоматического выравнивания уровня громкости и поддерживает протоколы HTTP, TCP / IP, UDP / IP, Telnet, SNMP. Аппарат имеет аналоговые входы / выходы L / R (XLR, сбалансированный), цифровой вход/выход AES/EBU (XLR), вход/выход SDI, выход на наушники.

DK-Technologies (бывшая DK-Audio) выпустила версию гониометра MSD-100, адаптированного для измерения уровня громкости.

Dolby, в свою очередь, представляет на рынке вещательный измеритель уровня громкости LM100.

Свои продукты показала и компания TC Electronics, в линейку оборудования которой входят как измерители уровня LM-2, так и звуковые процессоры DB2, DB4 MKII и DB8 MKII.

Устройства для измерения и мониторинга уровня громкости предлагает и компания Imagine Communications. Под торговой маркой Videotek на рынке представлены анализатор CMN-LA и звуковой монитор LLM-1770. 

 

Компания Tektronix разработала соответствующие опции для мониторов формы сигнала серий WFM/WVR7200/8200/8300.

Практически одновременно с появлением рекомендаций ITU-R BS.1770/1771 на рынке появилось и достаточное количество звуковых процессоров, использующий описанный алгоритм как основу для автоматической регулировки уровня громкости в программном звуке. Подобные устройства выпускались и ранее, чуть ли не с начала 1980-х годов, но отсутствие однозначного критерия оценки зачастую не позволяли эффективно реализовать используемые алгоритмы и получить законченное решение. Причем разные компании использовали различные алгоритмы для решения поставленной задачи. Вообще говоря, алгоритмы, применяемые для автоматического регулировки уровня громкости, с появлением BS.1770 существенных изменений не перетерпели, изменились лишь условия формирования управляющих сигналов.

Так, уже не первый год компания Junger-Audio, специализирующаяся на производстве звукового оборудования, выпускает различные устройства с зарегистрированной торговой маркой Magic Level предназначенные для автоматического регулирования уровня громкости. Телевизионный восьмиканальный звуковой процессор T*AP, разработан специально для применения в телевизионном производстве. Используемый алгоритм совместим с рекомендациями ITU.

Канадская фирма Evertz предлагает свое запатентованное решение, зарегистрированное  под брендом IntelGain. Данное решение предлагается как опция для широкого набора модулей, более двух десятков, выпускаемых данной компанией включая усилители-распределители видеосигналов, кадровые синхронизаторы и конвертеры телевизионных форматов, устройства добавления звука в поток цифрового видео и устройства извлечения звукового сигнала из видеопотока. Возможность работы в комбинации с опциями Dolby декодеры/ кодеры обеспечивают дополнительную гибкость в применение данной технологии.

Несколько по иному пути пошла компания Grass Valley. В своих модулях, оснащенных опцией автоматического контроля уровня громкости, она использует алгоритм Magic Level, разработанный компанией Junger-Technologies и/или AEROMAX компании Linear Acoustic.  Последний в основном ориентирован на американский рынок, так как разработан в соответствии с рекомендацией ATSC (Advanced Television Systems Committee – комитет по передовым телевизионным технологиям, США) A/85.

Что в перспективе?

Кардинально проблема изменения  уровня громкости программы была решена в США  путем принятия в декабре 2010 года соответствующего федерального закона.  CALM Act (акт об уменьшении изменения громкости звукового сигнала в рекламных вставках), обязателен для всех телевизионных станций, кабельных и спутниковых операторов и остальных распространителей программ. За соблюдением данного закона следит федеральная коммисия по коммуникациям (FCC).

Можно не сомневаться что большинство, если не все, европейские страны в ближайшее время перейдут на формирование звуковых программ согласно рекомендации EBU R128.

В России ряд телекомпаний (в основном федеральные каналы) уже сейчас осуществляет достаточно жесткий контроль над уровнем звукового сигнала в рекламных вставках, но, тем не менее, проблема межканального различия по-прежнему остается нерешенной. Последний тому пример трансляция Парада победы. Источник сигнала для трех московских каналов, ведущих прямую трансляцию ("Первый канал", ВГТРК и ТВЦ), был один, но уровень громкости ТВЦ, почему-то, был заметно ниже, чем у первых двух (кстати, это заметно и на всех остальных программах, транслируемых ТВЦ).

25 мая 2015 года ФАС России утвердила Методику измерений соотношения уровня громкости рекламы и среднего уровня громкости, теле- и радиопрограммы, прерываемой рекламой. Внедрение данной методики позволит реализовать содержащееся в законе «О рекламе» требование об ответственности за превышение громкости рекламы в транслируемой программе. Несоблюдение данного требования грозит вещателям штрафом в размере 500 тыс. рублей.

Учитывая печальный опыт последних лет в области разработки национальных стандартов (или регламентов, по новой терминологии?) для цифрового телевизионного производства (до сих пор в России не принят стандарт эквивалентный SMPTE-259, собственно вообще непонятно зачем что-либо изобретать, проще и вернее сделать грамотный перевод с английского), особых подвижек ожидать не приходится. Вероятно, как обычно, "мы пойдем другим путем" (как гласит легенда, однажды это кто-то уже сказал и всем известно, чем это закончилось) и на долгие годы займемся разработкой своих стандартов. И в то же самое время методом проб и ошибок каждая из телекомпаний будет искать свое решение данной проблемы.

Мы в Telegram

Назад в раздел