Dolby Digital

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Dolby Digital, auch AC-3 genannt, ist ein Audioformat, das von der Firma Dolby entwickelt und vom US-amerikanischen Advanced Television Systems Committee (ATSC) standardisiert wurde. Hauptsächliche Anwendungsbereiche sind die DVD und das Kino. Dolby Digital unterstützt bis zu sechs diskrete Kanäle und verwendet ein psychoakustisches, verlustbehaftetes Verfahren zur Datenkompression.

Inhaltsverzeichnis

1 Verschiedene Bezeichnungen
2 Technische Details
3 Erweiterungen
- 3.1 Dolby Digital EX
- 3.2 Dolby Digital Plus
4 Software
- 4.1 Encoder
- 4.2 Decoder
5 Quellen
6 Weblinks

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Verschiedene Bezeichnungen

Dolby Digital ist unter eine Reihe verschiedener Namen bekannt. Dazu gehören:

Dolby Digital: Der vom Hersteller Dolby verwendete Marketingname. Oft abgekürzt zu DD.
AC-3: Kurzform für den Namen des Bitstream-Formats (Adaptive Transform Coder 3). Dank der typischen Dateiendung .ac3 für Dolby-Digital-Audiodateien ist diese Bezeichnung ähnlich bekannt wie Dolby Digital. Die manchmal zu lesende Langform Audio Codec 3 oder Varianten davon sind Backronyme.
ATSC A/52: Dokumentnummer des ATSC-Standards und insofern der »offiziellste« Name.
Dolby hat im Lauf der Zeit mehrere leicht abgewandelte Namen im Marketing verwendet. Dazu gehören z.B. Dolby Surround AC-3 Digital, Dolby Stereo Digital oder Dolby SR-Digital (Kurzform SR-D).

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Technische Details

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Kanäle

AC-3 unterstützt bis zu sechs Audiokanäle, die im einzelnen folgende Funktion wahrnehmen:

Vorne links und rechts (FL und FR für Front left und Front right),
Vorne Mitte (C für Center),
Hinten links und rechts (SL und SR für Surround left und Surround right),
Tieftonkanal (LFE für Low Frequency Effects).

Solange man FL/FR als Einheit betrachtet, ist nahezu jede beliebige Kombination der Kanäle erlaubt. Die überwiegende Mehrzahl aller AC-3-Tonspuren nutzt jedoch eine der folgenden drei Kanalkonfigurationen:

Dolby Digital 5.1 mit allen sechs möglichen Kanälen. Typische Anwendungsfälle sind Kinoton und die Haupttonspuren von Video-DVDs.
Dolby Digital 2.0 mit den Kanälen FL und FR (Stereo). Zusätzliche DVD-Tonspuren wie Audiokommentare verwenden meistens diese Konfiguration. Eine Stereo-AC-3 kann außerdem in matrixcodierter Form Informationen für zusätzliche Kanäle enthalten (vgl. Dolby Pro Logic).
Dolby Digital 1.0 mit nur dem Center-Kanal (Mono). Ist deutlich seltener zu finden als die beiden anderen Möglichkeiten. Typische Anwendung ist die Haupttonspur der DVD-Ausgabe sehr alter Filme.

Die Kanalkonfiguration wird üblicherweise in einer von zwei Schreibweisen angegeben.

X.Y. Hierbei wird berücksichtigt, dass nur maximal fünf Kanäle das volle mögliche Frequenzspektrum von 20 Hz bis 20 kHz wiedergeben können. Der Tieftonkanal ist auf den Bassbereich zwischen 20 Hz und 120 Hz beschränkt. Mit X wird dann die Anzahl der Vollfrequenzkanäle bezeichnet, mit Y die Anzahl der LFE-Kanäle. Die Angabe 5.1 steht also für fünf vollständige und einen Basskanal. 2.0 bezeichnet zwei vollständige Kanäle ohne Basskanal.
V/H. In dieser Notation wird der Basskanal ignoriert. V steht für die Anzahl der vorderen Kanäle, H für die Anzahl der hinteren Kanäle. Die Angabe 3/1 bezeichnet also drei Kanäle vorn und einen hinten. Ob zusätzlich ein LFE-Kanal vorhanden ist, darüber gibt diese Schreibweise keine Auskunft.

Dolby Digital arbeitet grundsätzlich mit diskreten Kanälen, d.h. alle Kanäle werden unabhängig voneinander gespeichert und können prinzipiell genauso unabhängig voneinander decodiert werden. Das bringt einen klanglichen Vorteil gegenüber der Matrixcodierung, bei der mehrere Kanäle in einem Datenstrom vermischt codiert werden. AC-3 ist allerdings zusätzlich zu matrixcodierten Signalen kompatibel. Solche Tonspuren haben meistens die Form Dolby Digital 2.0 mit Dolby Pro Logic (wie weiter oben schon erwähnt).

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Audiokompression

AC-3 unterstützt Auflösungen zwischen 16 und 22 Bit und verwendet eine Abtastrate von 48 kHz. Zusammen mit der hohen Anzahl Kanäle fällt unkomprimiert eine enorme Menge an Audiodaten an. Für die Tonspur eines 2 Stunden langen Films bedeutet das bei 16 Bit und 6 Kanälen:

2 Byte (16 Bit) × 6 Kanäle × 48.000 Hz × 7200 Sekunden = 4,1472 Mrd Byte = 3,86 GB.

Dieser Platzbedarf entspricht in etwa der halben Kapazität einer DVD. Deshalb komprimiert Dolby Digital die Daten. Das verwendete Verfahren baut auf einem verlustbehafteten psychoakustischen Modell auf, das in seiner grundlegenden Funktionsweise anderen verlustbehafteten Audioformaten wie MP3, Vorbis oder AAC gleicht. Die Größe des komprimierten Datenstroms wird in Kilobit pro Sekunde (kbit/s) angegeben. AC-3 unterstützt Datenraten zwischen 32 und 640 kbit/s. Auf der DVD werden für 5.1-Ton 384 oder 448 kbit/s verwendet, für Stereoton 192 oder 224 kbit/s. Im Kino beträgt die Bitrate 320 kbit/s.

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Zusatzfunktionen

Eine Besonderheit von AC-3 sind die im Datenstrom enthaltenen Metadaten, mit Hilfe derer folgende Funktionen möglich sind:

Dynamic Range Control (Dynamikkontrolle)
Das AC-3-Format erlaubt einen sehr hohen Dynamikumfang des Tonmaterials, wodurch es möglich ist, leise Dialoge und laute Explosionen mit einem erheblich unterschiedlichen Pegel zu speichern und so eine wirklichkeitsgetreuere Abbildung des Tons zu erreichen. Da das unter Umständen nicht wünschenswert ist, bietet die Dynamikkontrolle zusammen mit einem kompatiblen Decoder die Möglichkeit, während des Abspielens die Dynamik der Tonwiedergabe automatisch so zu verändern, dass ein gleichmäßiger Lautstärkepegel entsteht. Dabei werden die Metainformationen, die in jedem Audioblock eines AC-3-Frames gespeichert sind, dazu benutzt, um leise Passagen anzuheben und laute abzusenken. Manchmal wird diese Funktion auch Midnight Mode (Mitternachtsmodus) genannt.
Downmix auf Stereo/Mono
6-Kanal-Ton ist nur mit einem 5.1-Lautsprechersystem unmittelbar nutzbar. Mit einem Stereo-Lautsprechersystem werden von einer solchen Tonspur nur die beiden vorderen Kanäle (FL, FR) wiedergegeben. Das hat zur Folge, dass neben den Surroundinformationen auch der Center-Kanal verloren geht, der bei Film-Tonspuren einen Großteil der Dialoge enthält. Für eine sinnvolle Wiedergabe muss der 5.1-Ton deshalb erst in ein Stereo- oder sogar Monosignal umgerechnet werden (Downmix). Im BSI-Feld (Bitstream Information) jedes AC-3-Frames sind Hinweise für einen korrekten Downmix hinterlegt, was die Implementierung eines downmix-fähigen Decoders deutlich vereinfacht. Dadurch erübrigt sich die Notwendigkeit, neben dem 5.1-Ton immer eine zusätzliche Stereo-Variante anbieten zu müssen.
Dialog Normalization (Dialog-Normalisierung)
Das BSI-Feld enthält ebenfalls einen Wert über die relative Lautstärke des Dialog-Kanals (Center). Diese Funktion hat keine nennenswerte Bedeutung für DVDs, ist jedoch für digitales Fernsehen interessant. Verschiedene Programmkanäle können einen unterschiedlichen Lautstärkepegel verwenden. Die Dialog-Normalisierung ermöglicht es nun, beim Umschalten Sprünge in der Lautstärke zu vermeiden, wodurch ein manuelles Nachregeln unnötig wird.

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Erweiterungen

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Dolby Digital EX

Dolby Digital EX erweitert die Anzahl der Kanäle mit einem zusätzlichen Surround-Kanal (hinten Mitte) auf 6.1. Es handelt sich dabei nicht um einen diskreten Kanal, sondern die zusätzlichen Audioinformationen werden per Matrixcodierung im rechten und linken Surroundkanal verschlüsselt. Um den zusätzlichen Kanal nutzen zu können, ist ein spezieller Decoder nötig. Darüber hinaus ist Dolby Digital EX vollständig kompatibel zum ursprünglichen Dolby Digital.

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Dolby Digital Plus

Dolby Digital Plus (Kurzform DD+) basiert auf einem weiterentwickelten AC-3-Algorithmus, E-AC-3 genannt, und ist nicht abwärtskompatibel. Ein DD+-Decoder muss jedoch die Fähigkeit besitzen, E-AC-3-Streams in AC-3 umzuwandeln.

Dolby Digital Plus unterstützt bis zu 13.1 Kanäle, Bitraten bis zu 6.144 kbit/s und Samplingraten zwischen 32 und 96 kHz. Es ist in den Spezifikationen beider DVD-Nachfolgerformate enthalten.

Als Pflichtformat für die HD DVD. Dort beschränkt auf 7.1 Kanäle und 3 Mbit/s.
Als optionales Format für Blu-ray mit der Beschränkung auf 7.1 Kanäle und 1,7 Mbit/s.

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Software

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Encoder

Aften ist eine empfehlenswerter, freier AC-3-Encoder.
ac3enc ist eine freie AC-3-Encodingbibliothek und Teil von BeSweet. Allerdings warnt BeSweet-Entwickler DSPguru ausdrücklich davor, ac3enc für etwas anderes als Experimente einzusetzen.[1]
HeadAC3he ist ein weiterer frei verfügbarer AC-3-Encoder.
Kommerzielle Lösungen sind z.B. Sonic SoftEncode oder Sony SoundForge.

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Decoder

ffdshow ist ein DirectShow-Filterpaket für Windows, das eine Vielzahl von Video- und Audioformaten decodieren kann, darunter auch Dolby Digital.
AC3Filter ist ein DirectShow-Filter für Windows, der eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Konfiguration bietet.
Auche manche Playersoftware (z.B. VLC und Media Player Classic) bringt eingebaute Unterstützung für die AC-3-Wiedergabe mit. Genauso enthalten Software-DVD-Player wie WinDVD oder PowerDVD notwendigerweise einen Dolby-Digital-Decoder.

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