Surround-Sound von damals bis heute (Teil 1/2)

Die (lange) Geschichte des Raumklangs

Raumklang, oder auch Surround Sound, ist aus der heutigen Kinolandschaft nicht mehr wegzudenken und nicht zuletzt auch seit vielen Jahren ein ganz zentrales Thema unseres Heimkino-Hobbies.
Doch die Formatflut ist groß, es gibt analogen und digitalen Surround-Sound, Matrixsysteme und diskrete Kanäle, komprimierten und unkomprimierten Surround-Sound, kanal- und objektbasierte Konzepte, Dolby, DTS, usw. usf.
Wie bei allem gab es auch beim Raumklang einen Zeitpunkt, an dem alles seinen Anfang nahm und von wo an ständig erweitert und verbessert wurde.
Die Geschichte des Kino-Raumklangs geht de Facto sogar bis in die 1950er Jahre zurück, spielt für zu Hause aber nur insofern eine Rolle, dass es durchaus auch ältere Filme gibt, zu denen schon damals eine Surround-Tonspur existierte, auf die auch für heutige Re-Releases der entsprechenden Titel zurückgegriffen wird.
Damit der Umfang nicht völlig aus dem Ruder läuft, beschränkt sich dieser Artikel aber auf die für das Heimkino relevanten Tonformate und Technologien – denn auch von denen gibt es schon mehr als genug, weshalb man hier, gerade als Neuling, schnell die Orientierung verlieren kann. Here we go:

 

Pionier Dolby

Der Startschuss für den Heimbereich fiel im Jahre 1975 mit der Einführung von Dolby Stereo im Kino. Das Unternehmen von Firmengründer Ray Dolby, bis dato vorwiegend für seine Rauschunterdrückungssysteme bekannt, hatte die Vision, nach dem Sprung von Mono zu Stereo, dem Filmton eine weitere Dimension hinzuzufügen. Nicht dass sie damit die ersten gewesen wären, wie gesagt gab es bereits zuvor Kinos, die hinter dem Publikum einen oder mehrere Lautsprecher platziert hatten und Filme, die speziell für diese(n) Zusatzinformationen enthielten. Woran es aber mangelte, war ein einheitlicher Standard, denn beinahe jeder Film setzte seinerzeit auf ein anderen System, was es den Kinobetreibern nicht leicht machte, Schritt zu halten – de Facto nahmen gar nur die größten Kinos überhaupt Notiz von diesen Möglichkeiten.
Dolby stand außerdem vor der Herausforderung, abwärtskompatibel zu 2-kanaliger Wiedergabe bleiben zu müssen. Zudem befand sich zur damaligen Zeit der Filmton seitlich mit auf dem Filmstreifen – auf dem der Platz natürlich begrenzt war.

Den Ingenieuren schwebte ein 4-Kanal-Layout vor: Rechts, Mitte, Links, Hinten, basierend auf einer analogen Matrix.


Schematische Darstellung des 4.0-Kanal-Layouts:
3 Kanäle vorn, 1 Kanal hinten (ggf. auf mehrere Lautsprecher im rückwärtigen Raum verteilt)

Will heißen: Die Informationen für den Center- und Rear-Kanal sollten in den beiden Stereo-Kanälen „verschachtelt“ und bei Bedarf, sobald sie eine entsprechende technische Logikschaltung (eine sog. Matrix) durchliefen, wieder extrahiert werden können.
Auf diese Weise blieb man abwärtskompatibel zu Stereo und verbrauchte nicht mehr Platz auf dem Filmstreifen.

Aufgrund damaliger technischer Limitationen war für hinten nur ein Kanal vorgesehen (der jedoch über zwei oder mehrere Lautsprecher wiedergegeben werden konnte, die im hinteren Bereich des Kinos platziert waren), dessen Frequenzbereich zudem eingeschränkt war: Lediglich Signale zwischen 120 Hz und 7 kHz konnten von hinten kommen (die restlichen Kanäle deckten den kompletten für das menschliche Ohr relevanten Bereich von 20 – 20.000 Hz ab). Der Real-Kanal wurde, technisch gesprochen, als ein um 180° phasenverschobenes (und wie gesagt frequenzgangmäßig eingeschränktes) Monosignal in das Stereo-Signal gemischt, was die Dolby Stereo-Matrix erkannte und extrahierte. Waren Signale zu gleichen Anteilen auf dem rechten und linken Stereo-Kanal vorhanden (also ebenfalls mono), vollfrequent und nicht phasenverschoben, so wanderten diese auf den vorderen Center-Kanal.
Genial einfach und einfach genial, zumal auch in konventionell aufgenommenen Stereo-Signalen phasenverschobene Komponenten (z.B. aufgrund von Hallanteilen) enthalten sind, die der Dolby Stereo-Decoder auswerten kann, weshalb auf einem Dolby Stereo-System so gut wie jede Stereo-Tonspur räumlicher klang und auch bis heute klingt. Aus diesem Grund werden derartige analoge Surround-Systeme häufig auch als „Surround Upmixer“ bezeichnet, da sie einem Stereo-Signal Rauminformationen entlocken können.
Abgerundet wurde das System im Kino durch Dolbys Rauschunterdrückung (B oder später dem verbesserten SR).
Der erste Film in Dolby Stereo war passenderweise „A Star is Born“ im Jahre 1976, könnte der Name doch auch perfekt als Umschreibung für Dolby neues System zur damaligen Zeit dienen.

1982 kam die Technologie in leicht abgespeckter Form (ohne Center-Kanal und ohne Rauschunterdrückung, da diese i.d.R. bereits bei der Erstellung des Quellenmaterials für zu Hause zum Einsatz kam) als Dolby Surround für den Heimgebrauch auf den Markt. 1987 wurde der Center-Kanal mit dem Nachfolgesystem Dolby Surround Pro Logic nachgereicht, das zudem auch die Qualität der Kanaltrennung auf das Niveau der Kinoversion brachte.
Diese war zwar aus heutiger Sicht eher mau, seinerzeit aber spektakulär – man kannte schlicht nichts Besseres.

Dolby Stereo, bzw. Dolby Surround Pro Logic waren daher zur damaligen Zeit bahnbrechende technische Innovationen und ein feuchter Traum für jeden Film- und (Heim-) Kinofreund.

Dolby Stereo / Dolby Surround Pro Logic

Funktionsprinzip: analog
Kanalanzahl: 4
davon diskret: 2
Frequenzgang Links, Center, Rechts: 20 – 20.000 Hz
Frequenzgang des Surroundkanals: 120 – 7.000 Hz
Kanaltrennung: ausreichend
Verlustbehaftete Komprimierung: nein
Datenrate: analog
Abtastrate: analog
Systemtyp: Upmixer
Übertragung: Stereo (Cinch/Scart/Klinke/Optisch/Coax/HDMI)

 

Dolby Digital – die wahre Surround-Revolution

1992 erschien mit „Batman Returns“ („Batmans Rückkehr“) der erste Film im neuen, volldiskreten Surroundformat Dolby Digital.

Erstmals war es nun möglich, dass Objekte (z.B. Projektile oder Flugzeuge) punktgenau ortbar z.B. von vorne links nach hinten rechts durch den Raum flogen und mit markerschütternden Bässen ihren Schaden anrichteten.
Auch Musik lies sich deutlich voluminöser abmischen – Dolby Digital revolutionierte die Soundlandschaft im Kino (und später auch im Heimkino) für immer!
Das System ist bis heute gängig, weswegen wir uns hier bereits von der Vergangenheitsform verabschieden.
Und wie der Name schon vermuten lässt, arbeitet es… digital.
Will heißen: Sämtliche Kanäle sind diskret und digital aufgezeichnet, nichts ist ineinander „verschachtelt“ oder „gematrixt“.
Allerdings ist es, genau wie eine mp3-Datei, datenreduziert, bzw. verlustbehaftet komprimiert, mit festen Datenraten zwischen 32 und 640 kBit/s (zum Vergleich: eine unkomprimierte Stereo-CD hat eine Datenrate von 1408 kBit/s). Der Codec dafür ist allerdings nicht mp3, sondern AC-3 (die Abkürzung für Dolbys interne Bezeichnung „Audio Coding 3“), weshalb sich dies ebenfalls als Synonym für Dolby Digital etabliert hat, in den letzten Jahren allerdings kaum noch benutzt wird. Die Abtastrate kann bei bis zu 48kHz/24 Bit liegen (CD 44,1 kHz/16 Bit).


Neben dem Subwoofer (hohles Quadrat in der Mitte) kamen rückwärtige Stereo-Kanäle hinzu

Das Kanallayout wurde bei dieser Gelegenheit gleich mit aufgebohrt: Statt den 4 Kanälen Rechts, Mitte, Links, Hinten hat man nun 5 diskrete (also voneinander unabhängige) und zudem vollfrequente, sowie einen separaten Tieftonkanal („LFE“ – Low Frequency Effect), der mit doppeltem Pegel (+ 10 dB) angesteuert wird und für Frequenzen von 20-120 Hz zuständig ist, die für den nötigen Druck in der Magengrube sorgen. Man spricht aus diesem Grund von einem 5.1-Kanallayout: Links, Mitte, Rechts, Hinten Links, Hinten Rechts (= 5), Subwoofer (= .1). Dolby Digital ist allerdings nicht fest an dieses Layout gebunden, sondern lässt auch sämtliche anderen Konfigurationen zu:
1.0 (Mono), 2.0 (Stereo), 2.1 (Stereo + LFE), 4.0, 4.1, 5.0, sowie alles „dazwischen“.
Somit ist es z.B. möglich, eine ältere Dolby Surround-Tonspur als Dolby Digital 2.0-Track verpackt auf eine DVD oder Blu-ray Disc zu packen. „Dolby Digital“ allein bedeutet daher auch noch lange nicht, dass man es mit diskreten 5.1 Kanälen zu tun hat, erst wenn „5.1“ mit angegeben ist, hat man hierüber Gewissheit.

Systeme wie Dolby Digital funktionieren nur ganzheitlich, d.h. eine Dolby Digital-Tonspur benötigt einen Dolby Digital-Decoder, um wiedergegeben werden zu können, weshalb man sie auch als „Codec“ (Coder/Decoder) bezeichnet. Es ist, anders als bei Dolby Surround, nicht möglich, z.B. eine Stereo-Tonspur mit einem Dolby Digital-Decoder wiederzugeben – es handelt sich folglich nicht um einen „Upmixer“.

Durch einen technischen Trick ist dennoch die Abwärtskompatibilität zu Stereo gegeben: In jedem Gerät, das Dolby Digital-Inhalte ausgeben kann (DVD-Player, SAT-Receiver, Spielekonsole, usw.) steckt ein sog. Downmixer, der das Dolby Digital-Signal entschlüsselt und auf Wunsch in ein Stereo-Signal ummischt. Sämtliche Informationen aller Kanäle (bis auf den Tieftonkanal) bleiben dabei erhalten und über einen Dolby Surround (Pro Logic) Decoder ist sogar die anschließende Wiedergabe in analogem Raumklang möglich – aber dann eben mit den typischen Einschränkungen des analogen Surround-Sounds (s.o.). Dennoch kommen so auch Zuschauer, die keinen Dolby Digital-Decoder ihr Eigen nennen (und z.B. nur über die eingebauten Fernsehlautsprecher hören) in den Genuss von Stereo- oder analogem Surround-Ton bei einer Übertragung in Dolby Digital.

Im Kino wird Dolby Digital seitlich auf dem Filmstreifen untergebracht – und zwar zwischen den Perforationslöchern.
Zu Hause erhielt das System mit der DVD seinen Einzug und wird mittlerweile auch im (digitalen) Fernsehen, sowie in Videospielen eingesetzt.

Dolby Digital

Funktionsprinzip: digital
Kanalanzahl: 6 (5.1, 5 Hauptkanäle, 1 Tieftonkanal)
davon diskret: 6 (5.1, 5 Hauptkanäle, 1 Tieftonkanal)
Frequenzgang der Hauptkanäle: 20 – 20.000 Hz
Frequenzgang des Tieftonkanals (LFE): 20 – 120 Hz
Kanaltrennung: sehr gut
Verlustbehaftete Komprimierung: ja
Datenrate: 32 – 640 kBit/s
Abtastrate: bis zu 48 kHz/20 Bit
Systemtyp: Codec
Übertragung: Bitstream (Optisch/Coax/HDMI)

 

DTS – Konkurrenz belebt das Geschäft

1990 (also zwei Jahre bevor Dolby Digital das Licht der Öffentlichkeit erblickte) wurde das Unternehmen DTS (Digital Theater Systems) von einer Investorengruppe, unter Leitung des Wissenschaftlers Terry Beard, gegründet. Auch Hollywood-Regisseur Steven Spielberg war an der Firma beteiligt.
Ziel war, ebenso wie bei Dolby mit Dolby Digital, den Kinosound weiterzuentwickeln.
Der erste Kinofilm, bei dem das System zum Einsatz kam, war denn auch Jurassic Park, der 1993 in den Lichtspielhäusern der Welt anlief.

Der Film entwickelte sich für DTS zum Zugpferd, da man ihn auch geschickt fürs Marketing nutzte. Einer der damaligen Slogans, um die Tonqualität des Surroundformats in den Fokus zu rücken, lautete „Dinosaurs didn’t sound this real for 65 million years“ („So echt haben Dinosaurier seit 65 Millionen Jahren nicht geklungen“).
Und in der Tat beeindruckte die Soundqualität des Films.
Für mich persönlich war es gar der Anfang meiner Begeisterung für das Thema Filmsound, als ich im Kino saß und der Hubschrauber mit den Protagonisten auf die Isla Nublar zusteuerte, John Hammond aus dem Fenster schaute und mit geheimnisvoll-enthusiastischer Stimme sagte: „Da ist sie…!“ Der daraufhin raumfüllend und dynamisch aufspielende Score von John Williams wärmte mein Herz und sorgt noch heute für Gänsehaut! Als dann der erste Brachiosaurus mit bassgewaltigen Schritten durchs Bild stampfte, ebenfalls untermalt von der hervorragenden Filmmusik, war für mich klar: IRGENDWANN muss ich sowas zu Hause haben!

Wie Dolby Digital verwendet auch DTS ein digitales, diskretes 5.1-Kanallayout. Im Kino wird der Soundtrack allerdings nicht, wie etwa bei Dolby Digital, mit auf den Filmstreifen gebannt, sondern separat auf mehreren CDs (2-3 Stück, je nach Filmlänge) ausgeliefert und über einen auf dem Filmstreifen befindlichen Timecode synchronisiert, womit man das „Platzproblem“ geschickt umging. Auch ist bei DTS der LFE-Kanal kein separater Kanal, sondern der Bassanteil der Surroundlautsprecher: Alles unter 80Hz wandert auf den Subwoofer, alles darüber auf die Surrounds. In diesem Punkt ist DTS also, zumindest im Kino, Dolby Digital unterlegen, nicht aber bei der Datenrate, die im Kino bei 882 kBit/s im APT-X100-Format vorliegt und höher ist als die von Dolby Digital (wobei sich immer darüber streiten lässt, ob sich unterschiedliche Codecs überhaupt derartig vergleichen lassen).

Für zu Hause gibt es DTS seit 1996. Das System dort unterscheidet sich technisch allerdings doch recht deutlich von der Kinoversion, ja es wurde sogar verbessert. Die Heimversion verwendet den Codec „Coherent Acoustics“, erlaubt Datenraten von gar bis zu 1509 kBit/s (wobei meistens aus Speicherplatzgründen nur 754 kBit/s genutzt werden) und verfügt, genau wie Dolby Digital, über 5.1 eigenständige Kanäle – hier erfolgt, anders als im Kino, keine Aufteilung des Surroundkanals in Surround- und Subwoofersignale.
Der Frequenzgang der Hauptkanäle liegt bei 20 – 22.000 Hz (also 2 kHz höher als bei Dolby Digital), der des LFE-Kanals bei 20-80Hz (40 Hz niedriger als bei DD).
Prinzipiell erlaubt DTS Abtastraten von bis zu 48kHz / 20 Bit.
Das später, vor allem für Musikaufnahmen, veröffentlichte Upgrade DTS 96/24 unterstützt sogar, wie der Name schon impliziert, bis zu 96 kHz / 24 Bit (was aber auch einen kompatiblen, neueren Decoder voraussetzt, ältere DTS-Decoder erkennen ansonsten ganz normal 48 kHz / 24 Bit, das System ist somit abwärtskompatibel).

Erwähnenswert ist noch, dass DTS nur von den wenigsten DVD-Playern auf Stereo downgemixt werden konnte und kann, was bedeutet, dass man i.d.R. keinen Ton hört, wenn man eine DTS-Tonspur ausgewählt hat, aber keinen DTS-Decoder besitzt und z.B. nur über die Fernsehlautsprecher hört.
Aus diesem Grunde ist es im DVD-Standard auch nicht vorgesehen, ausschließlich eine oder mehrere DTS-Tonspur(en) auf der Disc zu offerieren, es muß immer zumindest noch eine Dolby Digital- oder MPEG-Tonspur (in beiden Fällen genügt aber zumindest Stereo) mit angeboten werden, die die Player dann als Stereo-Signal ausgeben können. MPEG (das zugehörige Tonformat des DVD-Video-Codecs) oder Dolby Digital sind beim Authoring (also der Erstellung) von DVDs daher „mandatory“ (also „verpflichtend“), DTS nicht und nur eine Zusatzoption – unter anderem auch deshalb, weil es auf DVD erst zwei Jahre nach Systemstart erschien und daher in den anfänglichen Systemspezifikationen noch gar nicht vorgesehen war.
Im Fernsehen spielt DTS, anders als Dolby Digital, aufgrund der höheren Datenrate, keine Rolle, in Videospielen hingegen schon, dort ermöglichte es gar auf der Playstation 2 erstmals echtzeit-encodierten 5.1-Sound.

DTS

Funktionsprinzip: digital
Kanalanzahl: 6 (5.1, 5 Hauptkanäle, 1 Tieftonkanal)
davon diskret: 6 (5.1, 5 Hauptkanäle, 1 Tieftonkanal)
Frequenzgang der Hauptkanäle: 20 – 22.000 Hz
Frequenzgang des Tieftonkanals (LFE): 20 – 80 Hz
Kanaltrennung: sehr gut
Verlustbehaftete Komprimierung: ja
Datenrate: 754, 1235, 1509 kBit/s
Abtastrate: bis zu 48 kHz/20 Bit (96 kHz / 24 Bit bei DTS 96/24)
Systemtyp: Codec
Übertragung: Bitstream (Optisch/Coax/HDMI)

 

6.1 – Evolution statt Revolution

1999 kam „Star Wars Episode I: The Phantom Menace“ in die Kinos, der erste Star Wars-Film seit 16 Jahren. Von seinem guten Freund Steven Spielberg und dem „Jurassic Park-DTS-Coup“ inspiriert, wollte auch Regisseur und THX-Gründer George Lucas für seinen Film einen soundtechnischen Akzent setzen.
Der schon immer als „tonversessen“ bekannte Lucas hatte bereits zuvor durch Sätze wie „Sound is 50% of the Motion Picture Experience“ („Sound macht 50% des Filmerlebnisses aus“) auf die Wichtigkeit guten Filmtons hingewiesen und mit seinem THX-Anforderungskatalog auch aktiv zu dessen Umsetzung beigetragen.
Somit schufen Lucas‘ Filmtonabteilung „Skywalker Sound“ zusammen mit THX und Dolby schließlich die „EX“-Erweiterung für bestehende 5.1-Systeme, die zeitgleich mit der neuesten Star Wars Episode Einzug in ausgewählte Lichtspielhäuser erhielt.

Im Kino als Dolby Digital Surround EX und zu Hause zunächst als THX Surround EX (für EXtended, also „erweitert“) vermarktet, wird den beiden Surroundkanälen ein zusätzlicher Center-Kanal hinzugefügt. Dieser ist allerdings nicht diskret, sondern wird vielmehr, ähnlich damals bei Dolby Surround, nachträglich per Matrixschaltung aus den beiden Surroundkanälen extrahiert: Alles, was zu gleichen Teilen im rechten und linken rückwärtigen Kanal enthalten ist, wandert, dank zumindest im Kino nachrüstbarem Decoder, stattdessen auf den sog. „Rear Center“ und blieb ohne Decoder zu gleichen Teilen auf den Surrounds, womit einmal mehr die Abwärtskompatibilität sichergestellt wurde.
Zu Hause musste man, wenn man es korrekt haben wollte, in einen neuen Verstärker/Receiver mit integrierter EX-Schaltung investieren.

Konkurrent DTS sah sich selbstverständlich unter Zugzwang und wollte nicht zurückstehen, weshalb man seinerseits noch im gleichen Jahr mit DTS ES („Extended Surround“) ebenfalls ein 6.1-Format präsentierte, welches im Kino exakt so funktioniert, wie Dolby Digital Surround EX (es nutzt sogar den gleichen Decoder für den Rear-Center), zu Hause jedoch zusätzlich um eine voll diskrete Variante (DTS ES Discrete 6.1) ergänzt wurde, bei der echte 6.1 Kanäle im digitalen Datenstrom vorhanden sind (allerdings natürlich wiederum nur von einem damals neuen, speziellen Decoder ausgelesen werden können) und die sogar abwärtskompatibel zur Matrix- und 5.1-Version ist.

Die erste Filmabmischung mit diskretem Rear-Center wurde (zumindest in den USA) der „The Haunting“-Special-Edition-DVD zuteil, die auch regen Gebrauch von der gesteigerten Ortbarkeit von Effekten rund um den Zuschauer machte.

Überhaupt zeigt sich, sofern man bei der Abmischung der Filme den Rear-Center mit einplant, ein geschlossener wirkender rückwärtiger Klangbereich, in dem Effekte von allen Sitzplätzen aus noch präziser wahrgenommen werden können. Auch sind bei 6.1 erstmals überzeugende Überflugsequenzen von der vorderen zur hinteren Mitte realisierbar.

Aktiviert man die Schaltung hingegen bei „normalen“ 5.1-Filmen, was ebenfalls möglich ist, so stellt sich nicht selten der Eindruck ein, dass ein Großteil des eigentlich weiträumig darzustellenden hinteren Klangbildes unnatürlich stark in den hinteren Center kollabiert. Regen z.B., der einen eigentlich umgeben sollte, kann, so er beim Abmischen als Monosignal auf die rückwärtigen Surrounds gelegt wurde, plötzlich nur noch aus dem hinteren Mittenlautsprecher tönen, was dem Realismus deutlich schadet.
Die 6.1-Schaltung macht somit nicht partout jeden Filmsoundtrack besser. Ausprobieren ist aber selbstverständlich erlaubt und nicht selten finden sich Filme, die, obwohl nicht speziell dafür abgemischt, vom Rear-Center profitieren.

Dolby Digital Surround EX und DTS ES Matrix 6.1

Funktionsprinzip: digital + analoge Matrix für den Rear-Center
Kanalanzahl: 7 (6.1, 6 Hauptkanäle, 1 Tieftonkanal)
davon diskret: 6 (5.1, 5 Hauptkanäle, 1 Tieftonkanal)
Kanaltrennung: sehr gut, Rear-Center: gut
Systemtyp: Codec mit anschließender Matrix-Decodierung
Übertragung: Bitstream (Optisch/Coax/HDMI)

DTS ES Discrete 6.1

Funktionsprinzip: digital
Kanalanzahl: 7 (6.1, 6 Hauptkanäle, 1 Tieftonkanal)
davon diskret: 7 (6.1, 5 Hauptkanäle, 1 Tieftonkanal)
Kanaltrennung: sehr gut
Komprimierung: ja
Systemtyp: Codec
Übertragung: Bitstream (Optisch/Coax/HDMI)

 

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