Андрей Кашкаров - Сам себе сисадмин. Победа над «домашним» компьютером

Может быть и поэтому звуковое сопровождение компьютера для рядового пользователя находится на втором плане. Большинство пользователей лучше потратят деньги на новейший акселератор 3D-графики, нежели на новую звуковую карту.

Однако за последний год разработчики звуковых чипов и технологий 3D-звука приложили немало усилий, чтобы убедить пользователей приложений в том, что хороший 3D-звук является неотъемлемой частью современного мультимедиа ПК. Пользователей убедить в пользе 3D-звука несколько легче, чем разработчиков приложений. Достаточно расписать то, как источники звука будут располагаться в пространстве вокруг него (звук будет окружать слушателя со всех сторон и динамично изменяться), как многие потянутся за бумажником. С разработчиками игр и приложений сложнее. Их надо убедить потратить время и средства на реализацию качественного звука. А если звуковых интерфейсов несколько, то перед разработчиком игры встает проблема выбора. Один из популярных интерфейсов сегодня – DirectSound3D от Microsoft. Само понятие «трехмерный звук» подразумевает, что источники звука располагаются в трехмерном пространстве вокруг слушателя. Чтобы придать звуковой модели реализм и усилить восприятие звука пользователем, реализуются технологии, обеспечивающие воспроизведение реверберации, отраженных звуков, окклюзии (звук, прошедший через препятствие), обструкции (звук не прошел через препятствие), дистанционное моделирование (вводится параметр удаленности источника звука от слушателя) и масса других интересных эффектов. Цель всего этого – создать у пользователя реальность звука и усилить впечатления от видеоряда в игре или приложении.

Не секрет, что слух человека – это второстепенное (после зрения) чувство человека, именно поэтому каждый индивидуальный пользователь воспринимает звук по-своему. Никогда не будет однозначного мнения о звучании той или иной звуковой карты или эффективности той или иной технологии 3D-звука. Сколько будет слушателей, столько будет мнений.

Для позиционирования источников звука в виртуальном 3D-пространстве используются HRTF функции. Что такое HRTF и действительно ли их использование так эффективно?

Сколько раз уже происходило следующее: команда, отвечающая за звук, закончила встраивание 3D-звукового интерфейса на базе HRTF в новейшую игру; все комфортно расселись, готовясь услышать «звук, окружающий со всех сторон» и «свист пуль над головой»; запускается демоверсия игры и… и ничего подобного нет!

HRTF (Head Related Transfer Function) – это процесс, посредством которого наши два уха определяют слышимое местоположение источника звука; голова и туловище являются в некоторой степени препятствием, задерживающим и фильтрующим звук, поэтому ухо, скрытое от источника звука головой, воспринимает измененные звуковые сигналы, которые при декодировании мозгом интерпретируются для правильного определения местоположения источника звука. Звук, улавливаемый нашим ухом, создает давление на барабанную перепонку. Для определения создаваемого звукового давления необходимо определить характеристику импульса сигнала от источника звука, попадающего на барабанную перепонку, т. е. силу, с которой воздействует звуковая волна. Эту зависимость называют Head Related Impulse Response (HRIR), а ее интегральное преобразование – HRTF.

Принято характеризовать акустические источники скоростью распространяемых ими звуковых волн V(t). Теоретически давление, создаваемое идеальным точечным источником звука бесконечно, но ускорение распространяемой звуковой волны есть конечная величина. Если пользователь находится в состоянии «free field» (в окружающей среде нет ничего кроме источника звука и среды распространения звуковой волны), тогда давление «free field» (ff) на расстоянии «г» от источника звука определяется по формуле:

Pff(t) = Zo V(t – r/c) / г,

где Zo – это постоянная, называемая волновым сопротивлением среды (characteristic impedance of the medium), c – скорость распространения звука в среде. Давление ff пропорционально скорости в начальный период времени (происходит сдвиг по времени, обусловленный конечной скоростью распространения сигнала). Возмущение в этой точке описывается скоростью источника в момент времени, отстоящий на r/c – время затраченное на то, чтобы сигнал дошел до пользователя. Не зная V(t), нельзя утверждать характера изменения скорости при сдвиге (т. е. произойдет замедление или ускорение) и давление уменьшается обратно пропорционально расстоянию от источника звука до нахождения пользователя.

Если поместить в среду распространения звуковых волн человека, тогда звуковое поле вокруг него искажается за счет дифракции (различие скоростей распространения волн разной длины), отражения и дисперсии (рассредоточения) при контакте человека со звуковыми волнами. Тот же источник звука создает другое давление звука P(t) на барабанную перепонку в ухе человека. Для разного положения головы относительно источника звука задействуются HRTF фильтры. Библиотека HRTF фильтров создается в результате лабораторных измерений, производимых с использованием манекена, носящего название KEMAR (Knowles Electronics Manikin for Auditory Research, – манекен Knowles Electronics для слуховых исследований) или с помощью специального «цифрового уха» (digital ear), разработанного в лаборатории Sensaura, располагаемого на голове манекена. Измеряется составляющая HRIR, а значение HRTF получается путем преобразования. В ушах манекена располагаются микрофоны, звуки воспроизводятся через акустические колонки, расположенные вокруг манекена. Записывается то, что слышит каждое «ухо».

HRTF – сложная функция с четырьмя переменными: три пространственных координаты и частота. При использовании сферических координат для определения расстояния до источников звука больших, чем один м, считается, что источники звука находятся в дальнем поле (far field) и значение HRTF уменьшается обратно пропорционально расстоянию. Измерения HRTF производятся в дальнем поле, что существенным образом упрощает HRTF до функции азимута (azimuth), высоты (elevation) и частоты (frequency), т е. происходит упрощение за счет избавления от четвертой переменной. При записи используются полученные значения измерений и в результате он при проигрывании звука (например, оркестра) воспроизводится с таким же пространственным расположением, как при естественном прослушивании. Техника HRTF не нова, она широко используется пару десятков лет, обеспечивая качество стереозаписей. Лучшие результаты получаются при прослушивании записей слушателем в наушниках.

Наушники, конечно, упрощают решение проблемы доставки одного звука к одному уху и другого звука к другому уху. Тем не менее, использование наушников имеет и недостатки. Например: