Loudness Metering
White Paper
Der Griff zur Fernbedienung und das Nachregeln der Lautstärke ist beim »Zappen« zwischen Fernsehsendern oder auch beim Einsetzen der Werbung schon zu einem traurigen Standard geworden. Immer wieder gibt es Beschwerden von Zuschauern über die großen Lautstärkesprünge in Fernsehprogrammen. Die Ursachen dafür sind vielfältig. Hintergrund aller ist aber, dass es für den komplexen, subjektiven Parameter des Lautstärkeempfindens bisher keine eindeutige und objektive Messgröße gibt. Mit den aktuell in der Produktion eingesetzten Messgeräten ist eine Bewertung des subjektiven Parameters Lautheit nicht möglich. Die verwendeten Messgeräte sind dafür ausgelegt, Spitzenspannungen eines Audiosignals anzuzeigen. Es kann aber keine Aussage über die subjektive Lautstärke getroffen werden. Die vor allem im Rundfunk verbreiteten Quasi Peak Programme Meter (QPPM) mit einer Integrationszeit von 10ms (nach ARD Pflichtenheft [Pf3/6]) sind darüber hinaus nicht in der Lage, echte Spitzenwerte darzustellen. Die Erkennung solcher Spitzen ist bei der Arbeit mit digitalen Signalen jedoch essenziell.
Paradigmenwechsel in der Audiowelt
Um die Lautheitsprobleme in den Griff zu bekommen, benötigt es eine fundamentale Änderung der Betrachtungsweise von Audiopegeln – von der jetzt praktizierten Spitzenwertbewertung hin zu einem einheitlichen Lautheitsmaß. Florian Camerer, Vorsitzender der EBU Arbeitsgruppe P/LOUD, beschreibt den Übergang von Peak Normalisation, also einer Aussteuerung nach Spitzenpegel, zur Loudness Normalisation als eine fundamentale Änderung in der Audiowelt:
»Loudness normalization is a true audio-levelling revolution!« (Camerer, 2010)
Abbildung 1 stellt die beiden Paradigmen der Aussteuerung grafisch gegenüber. Betrachtet man die Peak Normalisation, wird deutlich, dass bei einheitlichen Spitzenpegeln die Lautheit variieren kann. Nimmt man eine Aussteuerung nach Lautheit vor, können die Spitzenpegel variieren, die Lautheit soll gemessen über das ganze Programm jedoch konstant sein. Das soll nicht bedeuten, dass keine Lautheitsunterschiede in einem Programm mehr möglich sind. Entscheidend ist der Lautheitswert des ganzen Programmes, welcher über eine Langzeitmessung (Integrated Measurement) ermittelt wird. Lautstärke und Lautstärkeveränderungen sind ein kreatives Werkzeug bei der Gestaltung von Audiosignalen. Der Ansatz der Loudness Normalisation ermöglicht nun einen viel dynamischeren und großzügigeren Umgang mit diesem wertvollen Gestaltungswerkzeug.
Bisher war man es gewöhnt, so zu arbeiten, dass ein bestimmter vorgegebener Spitzenwert (typischerweise -9 dBFS im Rundfunk) nicht überschritten werden durfte. Überschreitungen wurden von Peak Limitern abgefangen – zu Lasten der Klangqualität. Das Aussteuern nach einem Lautheitswert hingegen ist vergleichbar mit dem „Tanzen auf einem Seil“.
Abbildung 1: Gegenüberstellung der Aussteuerungsparadigmen (Camerer, 2010)
Das entscheidende Hindernis für die Verbreitung eines Konzeptes der Lautheits-Aussteuerung war das Fehlen eines internationalen Standards für die Messung von Lautheit. Zwar haben sich im Laufe der letzten Jahrzehnte verschiedene Verfahren entwickelt, den subjektiven Parameter Lautheit zu messen, jedoch konnte sich keines dieser Verfahren international durchsetzen. Diese Situation hat sich inzwischen geändert, denn seit dem Jahr 2006 gibt es ein international gültiges Messverfahren. Seit diesem Zeitpunkt wird das Thema Lautheitsmessung in der Audiobranche intensiver diskutiert denn je. Die International Telecommunication Union (ITU) hatte das Problem eines fehlenden Standards erkannt und im Jahr 2002 eine Arbeitsgruppe eingesetzt. Untersucht werden sollten notwendige Eigenschaften von Messverfahren für den Einsatz in digitalen Produktionen. Dabei sollte auch ein Verfahren entstehen, mit dem sich ein zuverlässiger Indikator der subjektiven Lautheit von Programmen bestimmen lässt. Bei diesem Verfahren handelt es sich nicht um ein proprietäres System, sondern um einen offenen Standard.
ITU-R BS.1770 – Grundlage der neuen Lautheitsbewegung
Mit Erscheinen der ITU-R BS.1770 liegt nun zum ersten Mal ein internationaler Standard vor, der die Bestimmung des subjektiven Parameters Lautheit mit einer objektiven Messgröße festlegt. Bei dem Algorithmus zur Lautheitsmessung handelt es sich um eine Messung des energieäquivalenten Mittelwertes (Leq) mit zwei speziellen Bewertungsfiltern. Die Kombination dieser Filterkurven wird als »K-Weighting« bezeichnet. Die Gesamtlautheit (Programme Loudness) wird dann durch die Leistungssumme der Einzelkanäle gebildet. Hierbei werden die Surround-Kanäle mit dem Faktor 1,41 (≈ +1,5 dB) höher bewertet. Dies hat evolutionäre Gründe, da wir Schall von hinten lauter wahrnehmen als von vorne einfallenden Schall. Der Algorithmus wurde so angelegt, dass ein 1 kHz Sinussignal in Stereo mit 0 dBFS zu einem Lautheitswert von 0 LKFS führt. Für die Lautheitswerte wird in [BS.1770] die Einheit LKFS verwendet (Loudness k-weighted related to full scale). Abbildung 2 zeigt den Aufbau des Algorithmus bei einem Mehrkanalsignal. Der LFE-Kanal bei 5.1 Signalen wird in der Messung nicht berücksichtigt.
Abbildung 2: Flussdiagramm für den Lautheitsalgorithmus nach ITU-R BS.1770-2
Der Algorithmus der ITU sieht in seiner 2. Revision (ITU-R BS.1770-2) zusätzlich eine sogenannte Gating-Methode vor. Dabei ist zu unterscheiden zwischen dem absoluten und dem relativen Gate. Das absolute Gate liegt bei -70 LUFS und soll verhindern, dass eigentlich unhörbare Signale Einfluss auf die Messung nehmen. Das sog. relative Gate liegt bei -10 LU unter einer Messung ohne Gate. Damit soll verhindert werden, dass lange stille Ereignisse die Messung verfälschen. Durch das relative Gate werden Pegel (gemessen über ein Zeitfenster von 400 ms), die -10 LU unter einer Langzeitmessung ohne Gate liegen, aus der Berechnung ausgeschlossen.
Neben dem Verfahren zur Lautheitsmessung wird in [BS.1770] auch eine Empfehlung zum Messen von Spitzenpegeln bei digitalen Audiosignalen beschrieben. Die gängigen Peak-Meter können keine »echten« Spitzenwerte anzeigen. Die Genauigkeit von Sample-Peak-Metern ist auf die abgetasteten Samples beschränkt. Was zwischen den Abtastpunkten passiert, bleibt auf den Aussteuerungsanzeigen verborgen. Enthält ein Signal sog. Inter-Sample-Peaks, also Spitzenwerte zwischen Abtastwerten, können bei späteren Bearbeitungen Verzerrungen auftreten. Um diese Spitzenwerte zu erkennen, sollen die sog. True Peak Meter Spitzenwerte nach einer vierfachen Überabtastung des Signals anzeigen.
Der ITU-Standard wurde von länderübergreifenden Organisationen, wie der European Broadcasting Union, aufgegriffen und es wurden Standards und Empfehlungen für einen Einsatz im Rundfunk geschaffen. Diese geben die grundlegenden Richtlinien für die Anwendung von Lautheitsmessung nach ITU-R BS.1770 im Rundfunk vor.
Normierungen nach EBU R128 und ATSC A/85
Die European Broadcasting Union (EBU), ein Zusammenschluss von 75 Rundfunkanstalten, hat den ITU-Standard aufgegriffen und Richtlinien für eine einheitliche Verwendung im Rundfunk erarbeitet. Die Arbeitsweise der Lautheitsnormalisation nach EBU-Empfehlung soll voraussichtlich bis Ende des Jahres 2011 in den Sendeanstalten der ARD und im ZDF umgesetzt werden (Eberhard, 2011). Bei der Fußball-Weltmeisterschaft 2010 in Südafrika wurde für den internationalen Ton zum ersten Mal mit dem ITU-Standard gearbeitet und nach Lautheit ausgesteuert (Krückels, 2010). Inzwischen haben zudem viele Hersteller von Audiohardware und Messgeräten den ITU-Standard und die Empfehlungen der EBU bereits implementiert.
Im Jahr 2008 hat sich bei der EBU eine Arbeitsgruppe unter dem Namen P/LOUD gebildet. Ziel dieser Arbeitsgruppe war es, die ITU-Methode für den Rundfunkeinsatz zu untersuchen und Spezifikationen zu schaffen, die einen genormten Einsatz in den Rundfunkanstalten möglich machen. Die P/LOUD machte es sich zur Aufgabe, die Dokumente zu entwerfen, die den Rundfunkanstalten als Richtlinien für die Umsetzung dienen. Dabei bildet die EBU Recommendation [R128] die Basis. Die vier weiteren Dokumente gehen vor allem auf Details der Umsetzung dieser neuen Arbeitsweise ein. In [R128] werden drei neue Parameter definiert, mit denen in Zukunft ein Audiosignal beschreiben werden soll:
Programme Loudness
Der Parameter »Programme Loudness« ist das Ergebnis aus einer Messung des Signals nach [BS.1770]. Hierbei handelt es sich um eine Langzeitmessung über die Dauer des ganzen Programmes. Es wurde von zudem ein spezifischer „Target Level“ definiert – dieser liegt bei -23.0 LUFS. In Zukunft sollen Programme in Europa auf diesen Wert ausgesteuert werden.
Loudness Range
Loudness Range ist ein statistischer Parameter, der die Verteilung von Lautheitswerten in einem Programm beschreibt. Darüber kann der Dynamikumfang eines Programmes beschrieben werden. Die Loudness Range kann je nach Programm variieren und wird vom Programminhalt bestimmt. Aus diesem Grund wurde kein Wert von der EBU vorgegeben. Mit entsprechender Dynamikbearbeitung kann ein Signal in der Loudness Range auf verschiedene Wiedergabesituationen angepasst werden. Der zugehörige Algorithmus ist im EBU Dokument [Tech3342] beschrieben.
Maximum True Peak Level
Der Max. True Peak Level beschreibt die neue technische Obergrenze eines Signals. Der Max. True Peak Level wurde auf -1 dBTP (dezibel true peak) festgelegt. Dieser Wert gilt für PCM-Audioprogramme. Soll das Signal auch noch analog übertragen oder codiert werden, muss ein niedrigerer Max. True Peak Level verwendet werden. Genaue Angaben zu den verschiedenen Max. True Peak Levels finden sich in den Distribution Guidelines [Tech3344].
In dem EBU Dokument [Tech3341] wird der sogenannte »EBU Mode« beschrieben. Dieser gibt Parameter vor, mit denen Messungen vergleichbar werden. Für die Messung der Lautheit im EBU-Mode wurden drei Modi mit verschiedenen Zeitfenstern festgelegt:
- Momentary-Loudness – Zeitfenster von 400 ms
- Short Term-Loudness – Zeitfenster von 3 s
- Integrated – Start/Pause/Reset und Gating-Methode
Die Modi Momentary- und Short Term eignen sich, um die aktuelle Lautheit des Signals zu beobachten und können u. a. beim Einpegeln von Signalen nach Lautheit verwendet werden. Die Integrated-Messung gibt Auskunft über die Lautheit des ganzen Programmes und beschreibt eine Langzeitmessung mit den Funktionen Start, Pause und zurücksetzen.
Bei den Einheiten gibt es eine Unterscheidung zu [BS.1770]. Dort wird der absolute Wert mit der Einheit LKFS festgelegt. In Anlehnung an internationale Namenskonventionen wurde von der EBU die Einheit LUFS für den absoluten Wert festgelegt. Die Einheiten für Lautheit werden mit einer Dezimalstelle angegeben und wurden wie folgt festgelegt:
absolut: Lk = xx.x LUFS
relativ: Lk = xx.x LU
Ein relativer Wert von 0.0 LU entspricht im EBU-Mode dem Target Level von -23.0 LUFS. Die Ergebnisse einer Lautheitsmessung können z. B. nur mit dem Zahlenwert dargestellt werden. Werden die Ergebnisse der Lautheitsmessung jedoch mit einem Bargraph angezeigt, wurde von der EBU der Umfang der Skala festgelegt. Ein Messgerät, das im EBU-Mode betrieben wird, soll - wie in Abbildung 3 dargestellt - zwei umschaltbare Skalen bieten.
Abbildung 3: Schematische Darstellung der EBU Lautheitsskalen (Camerer, 2010)
Die »Practical Guidelines« aus EBU Dokument [Tech3343] enthalten Tipps für die neue Arbeitsweise und den Einsatz von Lautheitsmessgeräten in der Praxis.
Im amerikanischen Raum gilt die Empfehlung ATSC A/85, die durch den sog. Calm-Act nun auch gesetzlich verankert ist. Die vom Advanced Television Systems Comitee (ATSC) herausgegebene Empfehlung [A/85] ist ein umfangreicher Leitfaden zum Thema Lautheit im Rundfunk mit vielen weiterführenden Informationen, wie z. B. richtiger Einsatz von Metadaten und optimalen Abhörbedingungen. Grundsätzlich empfiehlt [A/85] auch den Einsatz des ITU-Algorithmus, allerdings ohne jegliche Modifikationen. Im Gegensatz zur EBU [R128] werden keine speziellen Zeitfenster definiert. Es wird lediglich empfohlen, mit [BS.1770] kompatiblen Geräten zu arbeiten. Als Target Level wird -24 LKFS festgelegt, mit einer erlaubten Toleranz mit ± 2. Der max. True Peak Level wird mit -2 dBTP angegeben. Im Dezember 2010 ist der sog. Calm-Act (Commercial Advertisement Loudness Migration Act) in Kraft getreten. Mit diesem Gesetz sollen die Lautheitssprünge im Fernsehen nun mit einer gesetzlichen Regelung verboten werden. Die technische Grundlage hierfür ist die ATSC [A/85]. (CBS Interactive Staff, 2010)
Lautheitsmessung in Mischpulten
Lautheitsmessung in Mischpulten wird in den Produktionsmischpulten der Serie mc² zum ersten Mal bei Lawo eingeführt. Die wissenschaftlichen Untersuchungen im Rahmen der Produktentwicklung haben deutlich gezeigt, dass eine Lautheitsmessung den klassischen Peak-Meter nicht ersetzen kann – vielmehr ergänzen sich die beiden Werkzeuge.
Eine Lautheitsmessung sollte jedoch nicht auf die reine Endmischung begrenzt sein, sondern zu einem durchgängig verfügbaren Werkzeug werden. Aus diesem Grund wurde bei Lawo die Lautheitsmessung in jedem Mischpultkanal realisiert. Dieser Ansatz geht über das reine Aussteuern auf einen Lautheitswert hinaus und stellt dem Toningenieur bei seiner täglichen Arbeit ein hilfreiches Werkzeug zur Verfügung, das seine Ohren in jeder Situation unterstützen kann. Der konsequente Einsatz von Lautheitsmessung kann so nicht nur helfen, die Lautheitsprobleme in den Griff zu bekommen. Im Folgenden werden einige Situationen beispielhaft dargestellt, in denen eine Lautheitsmessung hilfreich kann:
- im Übertragungswagen oder Studio mit hohem Kommunikationsaufkommen im Hintergrund.
- bei laufender Live-Sendung finden im Hintergrund oft zusätzliche audiorelevante Aktivitäten statt, wie z. B. abgesteckte Interviews, zeitversetzte Aufzeichnung und Sendung (Überholspur), etc.
- bei natürlicher Ermüdung des Gehörs nach langer Arbeit.
Mit einem kanalbasiertem Loudness Metering bzw. in der Kombination mit einem True-Peak-Meter kann demnach ein neuer Aussteuerungsstandard für digitale Mischpulte entstehen. Für eine umfassende Umstellung auf den neuen Aussteuerungsstandard wird viel personelles Training erforderlich sein. Mit einer direkten Integration im Mischpultsystem wird ein Beitrag geleistet, diese umfassende Veränderung in der Audiowelt zu unterstützen und durchzusetzen.
Standards und Normen
[A/85] | Advanced Television Systems Commitee, Inc: Recommended Practice: Techniques for Establishing and Maintaining Audio Loudness for Digital Television. Document A85:2009. Washington D.C., 2009. |
[BS.1770] | ITU-R: Recommendation BS.1770-2. Algorithms to measure audio programme loudness and true-peak audio level. Geneva, 2011. |
[Pf3/6] | ARD/ZDF: Technische Richtlinie 3/6. Aussteuerungsmesser. München, 1998. |
[R128] | EBU: Recommendation R128. Loudness normalisation and permitted maximum level of audio levels. Geneva, 2010. |
[Tech3341] | EBU: Doc. Tech. 3341: Loudness Metering: ‘EBU Mode’ metering to supplement loudness normalisation in accordance with EBU R 128. Geneva, 2010. |
[Tech3342] | EBU: Doc. Tech. 3342: Loudness Range: A descriptor to supplement loudness normalisation in accordance with EBU R 128. Geneva, 2010. |
[Tech3343] | EBU: Doc. Tech. 3343: Practical Guidelines for Production and Implementation in accordance with EBU R128. Geneva, 2011 |
[Tech3344] | EBU: Doc. Tech. 3344: Loudness normalisation in distribution. Geneva, bisher unveröffentlicht.
|
Literatur
Camerer, F. (6. September 2010). On the way to Loudness nirvana - audio levelling with EBU R 128. Abgerufen am 9. Dezember 2010 von tech.ebu.ch/docs/techreview/trev_2010-Q3_loudness_Camerer.pdf
CBS Interactive Staff. (15. Dezember 2010). Obama Signs CALM Act on Volume of TV Commercials. Abgerufen am 15. Februar 2011 von www.cbsnews.com/8301-503544_162-20025823-503544.html
Eberhard, M. (26. Januar 2011). Bericht über aktuellen Stand der 5.1 Ad-hoc-AG. Vortrag beim FSBL-K Workshop "Loudness der neue EBU-Standard" . München.
Krückels, F. (28. November 2010). Roundtable: Mikrofonierung bei Sportproduktionen. Tonmeistertagung 2010 . Leipzig.
