Тривимірний звук

В реальності людина чує звуки, що приходять з усіх боків - зверху, знизу, зліва, справа.
Людський слуховий апарат може більщ-менш точно визначити напрямок на джерело звуку та
відстань до нього. Тому природнє бажання, щоби засоби відтворення звуку (радіоприймачі,
телевізори, магнітофони, музичні центри, комп’ютери) максимально відтворювали реальне
звукове поле.

Першим кроком до багатовимірного звуку було стереовідтворення. Але якість звучання, що реалізується звичайною стереофонічною системою або головними стереотелефонами не повністю задовільняє вишуканих слухачів. Хоча стереосистеми і створюють ефект просторового звучання за рахунок синтеза панорами уявних джерел звуку між двома динаміками, все ж таки стереозвучання має суттєвий недолік - стереопанорама отримується плоскою і обмежена кутом направлення на динаміки. Таке звучання в значній MIDI позбавлене природності. Головні стереотелефони також не дозволяють отримати природнє звучання.

Рис. 4.2. Стереопанорама.

Наступним кроком була квадрофонія. Були розроблені декілька несумісних одна з одною систем JVC CD-4, CBS SQ и Sansui QS. Але квадрофонічні системи також не забезпечували повну імітацію реального звукового поля. По-перше, при квадрофонії не отримується кругової стереопанорами - слухач відчуває звичайну стереопанораму перед собою та позаду себе. Подруге, всі уявні джерела звуку розташовуються в одній площині і на лінії між динаміками, тобто відсутня глибина, і, як наслідок, об’ємне тривимірне звучання.

Рис. 4.3. Квадропанорама.

Після невдач з квадрофонією на світ з’явились багатоканальні системи. Лідерство в створенні багатоканальних систем звуковідтворення захопила фірма Dolby. Ії система Multichannel Surround Sound встановлена більш ніж в 14000 кінотеатрів.

Рис. 4.4. Багатоканальна система звуковідтворення.

Потім бум на супербагатоканальність пройшов і Dolby розробила значно більш аскетичну систему Dolby Digital Surround, яка складалась з шести динаміків (лівого, центрального, правого, сабвуфера, лівого і правого “surround” і призначену для домашнього застосування. Основною ознакою, що відрізняє цю систему від квадрофонії, є розташування тилових динаміків не за слухачем, а точно зліва і справа.

Рис. 4.5. Система звуковідтворення “домашнього театру” Dolby.

Найбільш досконалий метод імітації реального тривимірного звукового поля - це бінуральний звукозапис. Бінауральний метод полягає в тому, що звукова інформація сприймається мікрофонами, розташованими у вушних раковинах людини або “штучної голови” -
моделі, що симулює слухове сприйняття людини. Сигнали, які надходять з кожного мікрофона, пдсилюються роздільними підсилювачами низької частоти і відтворюються стереотелефонами. В ідеалі така система дозволяє створити повну ілюзію природнього звучання. Однак, повноцінно прослухати її можна тільки за допомогою стереотелефонів і за умови, що в якості взірця для створення штучної голови використовувалась саме голова слухача.

При відтворенні бінаурального сигнала через звукові колонки в зв’язку з попаданням
сигналу правого каналу в ліве вухо слухача і навпаки виникають перехресні спотворення. Ці
недоліки в значній MIDI вдається усунути за допомогою спеціальних пристроїв обробки
звукових сигналів, що дозволяють отримати бінауральний ефект при прослуховуванні
бінауральних записів через колонки - біфонічних процесорів. Запис проводиться з мікрофонів,
розташованих в штучній голові, а відтворюється після обробки біфонічним процесором, в якому
точно розрахована величина зфазованого, затриманого та скоректованого за частотою сигналу
лівого каналу віднімається з сигналу правого каналу і навпаки. Після обробки біфонічним
процесором сигнали, що надходять з колонок у вуха слухача, сумуються таким чином, що ліве
вухо чує тільки сигнали лівого каналу, а праве - правого. Отже, біфонічний ефект подібний
бінауральному і відрізняється від нього тільки способом відтворення бінаурального запису. І, хоча
площа, де він відчутно проявляється, невелика, зате, знаходячись в її межах, слухач може мати
уявлення про відстань до джерел звуку і їх взаємне розташування в просторі. Інша цікава
властивість біфонічного процесора - це можливість розширення з його допомогою стереобази
звичайних стереозаписів. При цьому, біфонічний процесор може бути реалізований чисто
програмними методами з використанням методів цифрової обробки сигналів в реальному часі.

Реальні джерела звуку досить часто можна наближено вважати точковими. Тобто це моно-
джерела. Стереоефект виникає при сприйнятті звуку лівим та правим вухом. В залежності від
азимутального, широтного розташування і дальності до джерела звуку змінюються частотні
характеристики людських вух. Причому змінюються вони не синхронно, а по різному. Тобто
усереднені частотні характеристики вух однакові тільки при розташуванні джерела звуку точно в
площині голови. На рис.4.6 наведено різниця в формі імпульсних реакцій та АЧХ, отриманих за
допомогою розташованих всередині вух мікрофонів і зміщеного відносно вісі симетрії голови
джерела звуку.

Рис.4.6. Частотні характеристики людських вух при асиметричному розташуванні джерела звуку.

Багаточисельні вимірювання показують значні зміни частотних характеристик в залежності
від відстані та напрямку на джерело звуку. Найбільш очевидною є різна затримка сигналів та
різниця в амплітудах. Напевно, людський мозок якимось чином аналізує ці зміни і різницю
характеристик і робить висновок про розташування джерела звуку в тривимірному просторі. Отже, відчуття місця розташування джерела звуку в просторі тісно пов’язане з характеристиками звукосприймаючого апарата людини. Для імітації таких властивостей можна провести досить докладні вимірювання усереднених характеристик людського слухового апарату і побудувати на їх основі цифрові фільтри. Після цього створення штучного об’ємного звукового поля буде полягати в обробці сигналів від моно-джерел парами (для лівого і правого вуха) цифровими фільтрами з параметрами, що відповідають потрібному напрямку на джерела звуку.

Для реалізації тривимірного звуку фірмою Microsoft було створено програмне забезпечення
підтримки ігрових аплікацій DirectX, що дозволяє розробнику створювати об’ємний звуковий
супровід з використанням або без використання апаратних прискорювачів обробки звуку.
Використання DirectX/DirectSound сумісних звукових карт повинно дозволяти розташовувати
віртуальні джерела звуку в довільній точці простору, наприклад, навколо робочого місця
програміста. Причому в мінімальній, але повнофункціональній конфігурації потрібно лише два
реальних джерела звуку - колонки або стереотелефони. Таким чином можна покращити

звичайний стереозвук від близько розташованих одна від одної колонок, віртуально розмістивши їх на оптимальній для проявлення стереоефекта відстані від слухача. При цьому реальні колонки взагалі не потрібно пересувати - все зробить 3D звуковий процесор.

На сьогодні на ринку є дешеві і дуже потужні процесори обробки сигналів (DSP), таких як
процесор AD21160 SHARC фірми Analog Devices. Це 32-розрядний пристрій з продуктивністю
1000 MIPS, здатний обробляти цілі числа та числа з плаваючою точкою, з системою команд, що
дозволяє вирішувати задачі типу цифрових адаптивних рекурсивних та нерекурсивних фільтрів
для тривимірного звуку, ШПФ та операцій з матрицями. На кристалі розташовуються швидкий
ОЗП (250 kB .. 2 MB), масочний ПЗП, процесори вводу-виводу, DMA-контролери та швидкі
послідовні порти. На його попередниках будуються звукові карти Monster Sound 3D.

Крім того, процесори обробки звукових сигналів більш вузького застосування випускаються фірмами Vortex Chips (Aureal AU8820, Aureal AU8830) і E-mu (EMU10k). Система команд цих процесорів значно простіше набору інструкцій AD21160 і орієнтована на табличний синтез музичних звуків (64..128 голосів), електронні ефекти, різноманітну фільтрацію та тривимірний звук (до 32 джерел звуку). DSP виробляються також фірмами Motorola і Texas Instruments і мають параметри, що не дуже сильно поступаються наведеним вище пристроям.

Сучасні звукові карти, що містять подібні DSP, здатні в реальному часі реалізовувати
біофонічні процесори та цифрові фільтри, необхідні для якісного моделювання людського
слухового апарата. На додаток до цифрових імітуючих фільтрів, такі звукові карти дозволяють
реалізовувати ефект Доплера (зміщення висоти звуку джерела, яке рухається), що надає ще більшу
реалістичність комп’ютерним іграм. Крім того, деякі звукові карти з DSP мають багатий набір
звукових ефектів і фільтрів, деколи суттєво покращуючих якість звучання компакт-дисків.