Většina lidí si domácí kino spojuje s masivní stěnou reproduktorů a subwooferem, který vibruje podlahovými deskami. Je to klasický filmový zážitek. Ale buďme upřímní. Ne každý má dostatečnou plochu pro plný systém 5.1. Mnoho nájemníků chce pouze sledovat Netflix, aniž by svůj obývací pokoj proměnili v džungli kabelů. K získání tohoto pohlcujícího zážitku nepotřebujete vyhrazenou mediální místnost. Chcete jen virtuální prostorový zvuk.
Tato technologie simuluje prostorové efekty multidynamického systému s použitím výrazně menšího počtu komponent. Nekupujete nové zdi. Kupujete konkrétní typ zpracování zvuku.
Existují dva hlavní typy této technologie. První je systém 2.1 surround (2.1 prostorový zvuk). Obvykle to znamená dva přední reproduktory a samostatný subwoofer. To je vše. Navzdory názvu naznačujícímu jednoduchost jsou tyto systémy navrženy tak, aby přiměly váš mozek přijmout plný prostorový zvuk systému s pěti reproduktory. Druhou možností je digitální zvuková projekce. Mají tendenci používat jeden pás malých reproduktorů. Často jim chybí vyhrazený subwoofer a spoléhají na samotný pás, který promítá zvuk do celé místnosti.
Bez ohledu na hardware je cíl stejný. Systém upravuje zvukové vlny tak, aby vypadaly, že přicházejí z míst, kde nejsou žádné fyzické reproduktory. Není to magie. Tohle je psychoakustika. Jde o to, jak lidé vnímají zvuk. Díky porozumění lidskému sluchu mohou inženýři vytvořit zvuk ze dvou reproduktorů jako pět.
Jak váš mozek mapuje prostor
Abyste pochopili, proč to funguje, musíte se podívat na „hardware“ ve vlastní hlavě. Reproduktor je v podstatě stroj, který převádí elektrické impulsy na fyzický pohyb. Používá membránu. Tento kužel se rychle pohybuje tam a zpět. Když se tlačí ven, vytváří kompresi. Toto je oblast vysokého tlaku ve vzduchu. Když se stáhne zpět, vytvoří podtlak. Toto je oblast s nižším tlakem.
Tyto komprese a redukce se šíří vzduchem ve formě podélné vlny. Jsou způsobeny pohybem částic vzduchu. Když se částice vzájemně tlačí, tlak se zvyšuje. Když se od sebe oddálí, tlak klesne. Tato vlna nakonec dosáhne vašeho ucha.
Vstupuje do pinna, známé také jako ušní boltec (pinna). Toto je vnější část vašeho ucha. Zvuk se poté šíří ** ušním kanálkem. Fyzicky pohybuje vaším bubínkem neboli bubínkem. To spustí řetězovou reakci drobných struktur uvnitř. Vibrace nakonec dosáhnou sluchového nervu**. Nerv vysílá tyto impulsy do vašeho mozku. Váš mozek je interpretuje jako zvuk.
Ale sluch je víc než jen detekce hlasitosti nebo výšky. Váš mozek používá zvuk k určení jeho zdroje. K tomu dochází pomocí aurikulárních signálů (sluchových orientačních bodů). Možná na to vědomě nemyslíte, ale váš mozek neustále zjišťuje, odkud zvuk přichází. Toto je evoluční dovednost přežití. Zvířata jej využívají k hledání potravy nebo k vyhýbání se predátorům. Lidé pomocí něj zjišťují, zda někdo klepe na jejich dveře nebo na dveře souseda. Pokud dokážete identifikovat zdroj, můžete odpovědět.
Tyto signály využívají systémy virtuálního prostorového zvuku. Mění zvukové vlny, takže váš mozek dostává protichůdné nebo změněné informace. Výsledkem je obraz ducha. Slyšíte zvuk vycházející zezadu, i když je reproduktor před vámi.
Přístup algoritmu Dolby
Jednou z nejznámějších metod pro vytvoření takového prostředí je Dolby Virtual Speaker. Toto není fyzické zařízení. Jedná se o soubor pravidel a algoritmů. Tato pravidla obnovují vícekanálový zvuk pro zařízení, která mají pouze dva běžné reproduktory.
Tuto technologii najdete zabudovanou do některých televizorů, stereo systémů a počítačů. Zpracuje zvukový signál dříve, než se dostane k ovladači (reproduktoru). Algoritmus manipuluje s časováním a frekvencí zvukových vln. Oklame lokalizační signály mozku. Efekt je podobný jako u Dolby Headphone. Tato technologie využívá algoritmy zpracování zvuku, které umožňují běžným sluchátkům simulovat nastavení reproduktorů prostorového zvuku.
Tento přístup eliminuje potřebu složité kabeláže. Nemusíte vrtat díry do zdí. Nemusíte měřit vzdálenosti mezi reproduktory. Zpracování probíhá digitálně. Hardware by prostě měl umět vysílat stereo signál.
To vyvolává jednoduchou otázku. Proč bojovat s fyzikou, když můžete oklamat svůj mozek?
Mechanika určování směru zvuku
Jste v tiché zkušební hale. Vzduch je nehybný. Najednou padne mince.
Vaše hlava se prudce otočí ve směru zvuku. Děje se to tak rychle, že na to ani nepomyslíte. Je to instinkt. Váš mozek zjistí zdroj ve zlomku sekundy. Možná slyšíte jen na jedno ucho. Pořád to funguje. Jak?
Mozek je výpočetní mechanismus. Přebírá nezpracovaná data z uší a spouští složitý analytický proces. Jsou zde dva hlavní vchody. Jedním z nich je rozdíl mezi tím, co slyší pravé ucho a tím, co slyší levé ucho. Dalším je způsob, jakým se zvukové vlny odrážejí od vaší hlavy a těla. To jsou sluchové stopy. Mozek je používá k triangulaci míst.
Přemýšlejte o minci znovu. Padá na podlahu po vaší pravici.
Zvuk se šíří ve formě fyzických vln. Pohybuje se konečnou rychlostí. Chce to čas. Vlna nejprve dosáhne vašeho pravého ucha. O zlomek vteřiny později se dostane doleva.
Sníží se také hlasitost. V levém uchu je zvuk tišší. Proč? Vlna se přirozeně rozptýlí. Vaše hlava absorbuje část zvuku. Část se odráží. To je rozdíl.
Tento rozdíl má své jméno. Toto je Interaural Level Difference (ILD).
Časový rozdíl je pro to jiný název. Toto je Interaural Time Difference (ITD).
Tyto dva ukazatele dávají vašemu mozku jasný obraz. Zvuk zleva nebo zprava? Odpověď je obvykle ano.
Ale co výška? Je to složitější.
Pokud je zvuk nad vámi nebo pod vámi, změní se cesta k vašim uším. Délka cesty je různá. Rozdíl mezi levým a pravým uchem ale zůstává stejný. ILD a ITD se nemění s nadmořskou výškou. Proto je to pro mozek náročné.
Vepředu nebo vzadu – ještě obtížnější.
Spoléhat se pouze na rozdíly v čase a úrovni může vést ke zmatkům. Zvuk za vámi můžete vytvořit přesně stejné ILD a ITD jako zvuk vepředu. Datové body se shodují. Umístění – č.
Tím vzniká problémová oblast. Toto je oblast ve tvaru kužele, která se rozprostírá směrem ven z vašeho ucha. Říkáme tomu kužel zmatku.
Uvnitř tohoto kužele jsou čísla stejná. Váš mozek nedokáže rozlišit mezi přední a zadní částí pouze pomocí času a hlasitosti.
To předpokládá, že máte dvě pracovní uši. co když ne?
Pokud slyšíte pouze na jedno ucho, stále můžete zvuk lokalizovat. Mozek se přizpůsobí. Dává pozor na odrazy. Analyzuje, jak se zvuk odráží od povrchů v tomto jediném uchu. Není to ideální. Ale funguje to.
Když k vám dorazí zvuková vlna, neodrazí se jen od vašeho ušního bubínku. Udeří ti to do hlavy. Narazí na vaše ramena. Obtéká zakřivenou skořepinu vašeho vnějšího ucha. Každý odraz jemně mění vlnu. Tyto odrazy se navzájem ruší. Části vlny jsou zesíleny. Části slábnou. Tím se změní hlasitost a kvalita zvuku.
Tyto změny jsou známé jako funkce přenosu hlavy (HRTF).
Na rozdíl od rozdílů mezi uší (ILD) nebo rozdílů mezi uší (ITD) jsou HRTF zodpovědné za určování výšky tónu. Řeknou vám, zda zvuk přichází shora nebo zdola. Také rozlišují mezi přední a zadní částí. Mozek analyzuje tyto deformace vln, aby přesně určil zdroj.
Proč nemůžeme měřit HRTF sluchem
Lidské ucho je labyrint. Má nespočet povrchů. Většina z nich je zakřivená. Zvuk se odráží od jednoho povrchu, naráží na druhý a znovu se odráží, než dosáhne ušního bubínku.
Přidejte k tomu obličej. Hlava. Vlasy. Trup.
Pokusit se ručně izolovat tyto odrazy je téměř nemožné. Interakce jsou příliš složité. Vědci potřebovali data. Spousta dat.
Používali zdroje zvuku. Používali mikrofonní pole. Používali počítačové programy.
Role KEMAR ve výzkumu HRTF
Výzkumníci nejen hádali. Měřili.
V některých studiích připevnili drobné mikrofony přímo na těla lidských účastníků. V jiných použili realistické figuríny. Tyto figuríny napodobují lidskou kůži, chrupavku a proporce.
Nejznámější je Knowles Electronic Manikin for Acoustic Research (KEMAR). Stala se nedílnou součástí laboratoří, jako je MIT Media Lab.
Proč figuríny? Protože každá hlava je jedinečná. Každý tvar ucha je individuální. Pro vytvoření univerzálního modelu je nezbytná standardizace. KEMAR poskytuje tuto základní linii.
HRTF je v podstatě otisk prstu toho, jak vaše tělo filtruje zvuk. Bez nich zvuk postrádá hloubku.
Od měření k algoritmu
Mikrofony mají jeden úkol: zachytit zvuk.
Počítače pak rozdíly analyzují. Studují, jak stejný zvuk interaguje s různými částmi těla. Sledují zvuky z různých míst původu.
Tato data vedou k vytvoření algoritmu.
Algoritmus je zde jednoduše soubor pravidel. Popisuje, jak HRTF a další faktory změnily tvar zvukové vlny. Pokud použijete tento algoritmus na novou zvukovou vlnu, změní tvar této vlny. Dodá jí stejné vlastnosti, jaké měla původní vlna po interakci s tělem.
Toto je motor virtuálního prostorového zvuku.
Jak funguje virtuální prostorový zvuk
To se stane, když si nasadíte sluchátka, která tvrdí, že simulují systém prostorového zvuku 5.1.
- Zachycení: Výzkumníci používají mikrofony k zachycení zvuku z fyzického systému reproduktorů 5.1. Záznam se provádí z úrovně uší a těl různých tvarů a velikostí. To zohledňuje individuální rozdíly ve vnímání.
- Modelování: Pomocí počítačů vyvíjejí algoritmus. Tento algoritmus reprodukuje prostorové charakteristiky tohoto skutečného zvukového pole.
- Aplikace: Algoritmus je aplikován na dvoukanálový (stereo) systém. Mění tvar zvuku. Výsledkem je zvukové pole, které napodobuje tvar skutečného 5kanálového systému.
Slyšíte simulaci. Váš mozek zpracovává HRTF-změněný zvuk, jako by zvuky přicházely z konkrétních směrů ve vesmíru.
Není to magie. To je matematika. A to je důvod, proč film působí vzrušujícím dojmem, i když jste v místnosti sami.
Nástroje a techniky virtuálního prostorového zvuku
Je to trik. Složitý digitální trik. Procesor vezme váš standardní stereo signál a zkreslí jej pomocí akustických signálů. Fázový posun. Potlačení frekvence. Zpožděné linky. Nutí váš mozek přijmout lež: ten zvuk přichází z pěti různých bodů ve vesmíru, a ne pouze ze dvou reproduktorů vlevo a vpravo. Už neslyšíš. Řeknou vám jen to, co slyšíte.
To je hlavní příslib nástrojů virtuálního prostorového zvuku. Nepřidávají hardware. Přidávají podvod.
Přístup DSP: Úprava signálu
Většina spotřebitelských řešení spoléhá na digitální zpracování signálu (DSP). Není to magie; je to matematika aplikovaná na zvukové vlny. Software analyzuje příchozí stereo stopu a aplikuje přenosové funkce související s hlavou (HRTF). Tyto funkce simulují, jak vaše uši a hlava filtrují zvuk přicházející z různých směrů.
Umělou změnou časování a intenzity frekvence mezi levým a pravým kanálem systém vytváří „obrazy duchů“. Vaše sluchová kůra vyplňuje mezery. Umístí zvuk za nebo na vaši stranu na základě jemných podnětů, kterým se váš mozek naučil důvěřovat.
Hardwarová a softwarová řešení
Máte na výběr. Liší se účinností a cenou.
- Virtualizace softwaru: Běží na vašem PC, herní konzoli nebo smartphonu. Aplikace jako Dolby Atmos pro sluchátka nebo Sony 360 Reality Audio berou mix 5.1 nebo 7.1 a převádějí ho. Je to pohodlné. Ale zvuk se často zdá tenký. Profily HRTF jsou zprůměrovány. Naznačují průměrný tvar hlavy. Pokud vaše hlava není průměrná, iluze je rozbitá.
- Hardwarové upmixování: Některé AV receivery a špičkové soundbary to dělají interně. Zpracovávají signál dříve, než se dostane do reproduktorů. Nastavení 5.1 může simulovat zážitek 7.1 nebo dokonce 9.1 pomocí zadních reproduktorů a výškových kanálů k vyplnění mezer. To je méně závislé na přesnosti HRTF, protože používáte skutečné fyzické reproduktory.
- Formáty Ambisonics: Tady to začíná být technické. Ambisonics zaznamenává zvuk jako kouli. Zaznamenává informace o směru přímo. Při přehrávání přes virtuální prostorové nástroje je panorámování přesnější. Používá se hlavně ve VR headsetech. Pokud se zrovna díváte na film na gauči, pravděpodobně rozdíl nepoznáte.
Proč je to důležité pro běžné uživatele?
Nepotřebujete kino. Potřebujete ponoření.
Problém stereo zvuku je v tom, že je plochý. Všechno se děje před vámi. Akční filmy ztrácejí prostorovou hloubku. Hudba ztrácí na šíři. Virtuální prostorový zvuk to napraví rozšířením zvukové scény. Toto není skutečný prostorový zvuk. Toto je přesvědčivé přiblížení.
To je pro hráče zásadní. Prostorový zvuk může znamenat rozdíl mezi zpozorováním nepřítele za zdí a obklíčením. Rady musí být přesné. Špatně nakonfigurovaný HRTF může zcela skrýt kroky.
Kde selže
Iluze je křehká.
- Pohyb hlavy: Pokud pohnete hlavou, zvuk zůstane fixován na reproduktorech. Neotáčí se s vámi. To okamžitě zničí prostorovou iluzi.
- Tvar ucha: Uši každého jsou jiné. Filtry používané ve většině programů jsou průměrné filtry. Pokud vaše uši detekují vysoké frekvence jinak,
Mechanika simulace prostorového zvuku
Systémy virtuálního prostorového zvuku spoléhají na víc než jen fyziku; nabourají vám mozek. Zatímco skutečné systémy 5.1 používají skutečné reproduktory k odrážení zvukových vln po místnosti, systémy digitálního zpracování zvuku se vás snaží oklamat, abyste vnímali prostor. Odrážejí zvukové vlny od vašich stěn. Pokud se vlna odrazí od stěny za vaší hlavou, váš mozek ji zaregistruje jako přicházející zezadu.
To vyžaduje přesnost. Musíte nastavit rozměry místnosti nebo použít kalibrační mikrofon. Pokud je úhel špatný, iluze bude zničena.
Zrušení a rušení
Mnoho systémů se dvěma sloupci používá potlačení přeslechů. Toto je kreativní aplikace destruktivní interference. Cíl je jednoduchý: zabránit tomu, aby levé ucho slyšelo zvukový signál pravého kanálu.
Pokud vaše uši zachytí signály toho druhého, stereo obraz se zničí. Systém používá algoritmy k eliminaci tohoto nežádoucího pronikání signálu. Není to magie. Toto je zpracování signálu.
Výpočetní výkon za zvukem
Tyto algoritmy vyžadují výpočetní výkon. Počítačový procesor, který se obvykle nachází uvnitř přijímače nebo zesilovače, dělá většinu práce. Tento čip zpracovává zvukové vlny v reálném čase. Přijímá vstup z DVD přehrávače nebo satelitního přijímače. Aplikuje matematické výpočty. Upravuje hlasitost. Poté vyšle čistý signál do reproduktorů. U některých systémů je tato výbava ukryta přímo v samotných reproduktorech.
Problém „sladkého místa“.
Tady je háček. Ponoření je iluze. Funguje to pouze tehdy, když sedíte na správném místě. Musíte se dívat přímo na obrazovku.
Pokud se přesunete doleva nebo doprava od sladkého bodu, efekt zmizí. Budete mimo směrové zvukové pole. Zvuky šířené po místnosti mohou koktat nebo znít nepřirozeně. Slyšíte dva reproduktory, kteří předstírají, že je jich pět. Výsledek postrádá fyzickou sílu plnohodnotného masivního prostorového zvukového systému.
Na co si dát pozor při nákupu
Před nákupem zkontrolujte následující faktory.
- Velikost a tvar místnosti: Digitální projekce zvuku závisí na odrazech. Nefunguje v obrovských otevřených prostorách nebo místnostech s nepravidelně tvarovanými stěnami.
- Požadovaný efekt: Chcete zvuk, který zaplní celou místnost? Zklamáním může být dvousloupcový systém.
- Subwoofer: V systémech 2.1 je součástí dodávky. Mnoho digitálních projekčních systémů toto nemá. Můžete jej přidat pro nízké frekvence, ale bude to znamenat další náklady.
- Požadavky na nastavení: Některé systémy jsou připraveny k práci ihned po připojení (plug-and-play). Jiné vyžadují změření místnosti a provedení kalibračního postupu.
- Cena: Existují dostupné systémy 2.1. Špičková digitální projekční zařízení mohou stát přes 1 500 USD.
Technologie je působivá, když sedíte. Jakmile se postavíte, je to jen ozvěna.
Kde se ponořit hlouběji do vědy o zvuku
Pokud chcete jít nad rámec základů a přesně porozumět tomu, jak se zvukové vlny odrážejí od stěn nebo jak sluchátka oklamou váš mozek, aby slyšeli v kině, cesta je plná různých zdrojů. Začněte se základními tutoriály. Jak funguje domácí kino připravuje scénu. Pak musíte rozumět hardwaru. Jak fungují reproduktory vysvětluje mechaniku. Jak funguje zvuk ve filmech se ponoří do procesu míchání.
V této oblasti jsou také zvláštní, úžasné aspekty. Jak funguje LRAD pokrývá zvuková zařízení s dlouhým dosahem. Jak funguje akustická levitace zní jako sci-fi, ale je to skutečná fyzika. A pro obrazovky je Jak fungují televizory jen začátek. Musíte se podívat na panely. Jak fungují DLP projektory. Jak fungují plazmové displeje. Jak funguje technologie LCD. A pokud máte nostalgii nebo jste jen zvědaví na zastaralou technologii, Jak funguje SED-TV je zábavné zpestření. Pak je tu Jak funguje HDTV, která vše spojí s vysokým rozlišením.
To nejzajímavější ale obsahují srovnání. Popular Mechanics má dobrý článek o Multichannel Audio vs. Virtual Surround. Filtruje marketingový hluk. Chcete suchá data? Kontaktujte Institut pro výzkum zvuku a vibrací. Nic neprodávají. Prostě studují vibrace. Stát Michigan klade velký důraz na akustiku/psychoakustiku. Zde se psychologie setkává s fyzikou. A pro ty, kteří se chtějí ponořit do matematiky, vyhledejte Audio Localization Using Head Transfer Functions (HRTF).
Výzkum za iluzí
To není jen názor. To jsou naměřená fakta.
“Mozek neslyší reproduktory. Slyší jeviště.”
Věda se spoléhá na konkrétní měření. Zdrojová data poskytuje Manikin Measurements Burkhead od Industrial Research Products, Inc. PDF lze stále najít. Ukazuje, jak zvuk dopadá na umělou hlavu. To je jisté.
Pak je tu kognitivní stránka. Coppinova práce na Rice University na Lokalizaci zvuku pomocí funkcí přenosu hlavy dokazuje, že náš mozek používá jemné časové rozdíly k umístění zvuku do trojrozměrného prostoru. Není to magie. Je to geometrie a latence.
Dolby to dělá roky. Jejich technologie Dolby Headphone je navržena speciálně pro stereo sluchátka. Simuluje prostorový zvuk. Vytváří šířku. Jejich Dolby Virtual Speaker dělá něco podobného, ale pro domácí kina bez zadních reproduktorů. Je to kompromis.
Ivo Ames z Sound on Sound přišel na to, Jak funguje virtuální prostorový zvuk už v roce 2004. Nevyhýbal se přímým odpovědím. Vysvětlil filtry a psychoakustické maskování. Je to složité.
John Falcone na Cnet položil spotřebitelskou otázku: Vyplatí se virtuální prostorový zvuk?. Odpověď není nikdy jednoduchá „ano“. Záleží na zdrojovém materiálu.
Funkce přenosu hlavy (HRTF) jsou klíčové. University of Miami udržuje dobrého úvodního průvodce. Vysvětluje, proč někteří lidé slyší prostorový zvuk, zatímco jiní prostě slyší „tlumený“ zvuk. Vaše uši jsou jedinečné. Důležitý je tvar vaší hlavy.
Institut pro výzkum zvuku a vibrací v Southamptonu má archivy sahající desítky let zpět. Pokud chcete pochopit, proč je film „velký“, podívejte se tam.
Christian Koebel z GotFrag Hardware pokryl Virtual Surround v roce 2006. Podíval se na hardwarové implementace. Levný. drazí. Rozdíl je ve výkonu zpracování.
Jack M. Loomis definoval Psychoakustiku pro AccessScience. To je věda o vnímání. Nejen uši. Mozek.
Stránka Michigan State o Lokalizaci zdroje zvuku je rychlá. Ona je jasná. Je přesná.
SRS Labs propagovaly technologii TruSound XT. Tvrdili, že přeměňují stereo na prostorový zvuk. Bylo to kontroverzní. Fungovalo to, ale zkreslovalo to zvuk.
Eric Taub v New York Times napsal článek The Sweet Deception of Virtual Audio. Říkal tomu trik. Měl pravdu. Ale je to užitečný trik.
Vann’s nabídl průvodce Získáním prostorového zvuku 5.1 ze dvou reproduktorů. Jde o umístění.
