De meeste mensen associëren thuisbioscoop met een enorme muur van luidsprekers en een subwoofer die de vloerplanken laat rammelen. Het is de klassieke filmische ervaring. Maar laten we eerlijk zijn. Niet iedereen heeft de vierkante meters voor een volledige 5.1-opstelling. Veel huurders willen gewoon Netflix kijken zonder hun woonkamer in een met kabels bezaaide jungle te veranderen. Je hebt geen speciale mediaruimte nodig om dat meeslepende gevoel te krijgen. Je hebt alleen virtueel surround-geluid nodig.
Deze technologie bootst de ruimtelijke effecten na van een array met meerdere luidsprekers, waarbij aanzienlijk minder componenten worden gebruikt. Je koopt geen nieuwe set muren. U koopt een specifiek type audioverwerking.
Er zijn twee hoofdsmaken van deze technologie. De eerste is het 2.1 surround -systeem. Meestal betekent dit twee frontluidsprekers en een aparte subwoofer. Dat is alles. Ondanks dat de naam eenvoud impliceert, zijn deze systemen ontworpen om je hersenen te misleiden zodat ze de volledige surround-soundervaring van een opstelling met vijf luidsprekers kunnen horen. De tweede variant is digitale geluidsprojectie. Deze hebben de neiging om een enkele strook kleine luidsprekers te gebruiken. Ze missen vaak een speciale subwoofer en vertrouwen op de strip zelf om audio door de kamer te projecteren.
Ongeacht de hardware is het doel hetzelfde. Het systeem wijzigt geluidsgolven zodat het lijkt alsof ze afkomstig zijn van locaties waar geen fysieke luidspreker aanwezig is. Dit is geen magie. Het is psycho-akoestiek. We hebben het over hoe mensen geluid waarnemen. Door de eigenaardigheden van het menselijk gehoor te begrijpen, kunnen ingenieurs twee luidsprekers als vijf laten klinken.
Hoe je hersenen de ruimte in kaart brengen
Om te begrijpen waarom dit werkt, moet je naar de hardware van je eigen hoofd kijken. Een luidspreker is in wezen een machine die elektrische impulsen omzet in fysieke beweging. Er wordt gebruik gemaakt van een diafragma. Deze kegel beweegt snel heen en weer. Wanneer het naar buiten duwt, ontstaat er compressie. Dit is een gebied met hoge druk in de lucht. Wanneer het zich terugtrekt, ontstaat er verdunning. Dit is een lagere druk.
Deze compressies en verdunningen reizen door de lucht als een longitudinale golf. Ze worden aangedreven door de beweging van luchtdeeltjes. Als deeltjes tegen elkaar aan duwen, stijgt de druk. Wanneer ze uit elkaar trekken, daalt de druk. Deze golf raakt uiteindelijk je oor.
Het raakt de oorschelp, ook wel de oorschelp genoemd. Dit is de externe kegel van uw oor. Het geluid gaat vervolgens door de gehoorgang. Het beweegt fysiek uw trommelvlies of trommelvlies. Dit veroorzaakt een kettingreactie van kleine structuren binnenin. Uiteindelijk bereiken de trillingen de cochleaire zenuw. De zenuw stuurt deze impulsen naar je hersenen. Je hersenen interpreteren ze als geluid.
Maar horen gaat niet alleen over het detecteren van volume of toonhoogte. Je hersenen gebruiken het geluid om de bron ervan te lokaliseren. Dit gebeurt via auditieve signalen. Je denkt er misschien niet bewust over na, maar je hersenen berekenen voortdurend waar een geluid vandaan komt. Het is een evolutionaire overlevingsvaardigheid. Dieren gebruiken het om voedsel te vinden of roofdieren te ontwijken. Mensen gebruiken het om te bepalen of er op hun deur of bij de buren wordt geklopt. Als je de bron kunt vinden, kun je reageren.
Virtuele surroundsystemen maken gebruik van deze signalen. Ze veranderen de geluidsgolven zodat uw hersenen tegenstrijdige of gewijzigde gegevens ontvangen. Het resultaat is een fantoombeeld. Je hoort geluid van achter je komen, ook al staat de spreker voor je.
De Dolby-algoritmebenadering
Een van de bekendste methoden om deze omgeving te creëren is Dolby Virtual Speaker. Het is geen fysiek apparaat. Het is een verzameling regels en algoritmen. Deze regels creëren meerkanaals geluid voor apparaten die slechts twee gewone luidsprekers hebben.
Je vindt deze technologie ingebakken in bepaalde tv’s, stereosystemen en computers. Het verwerkt het audiosignaal voordat het de bestuurder bereikt. Het algoritme manipuleert de timing en frequentie van de geluidsgolven. Het bedriegt de lokalisatiesignalen van de hersenen. Het effect is vergelijkbaar met Dolby Headphone. Die technologie maakt gebruik van geluidsverwerkingsalgoritmen om normale hoofdtelefoons een surround-sound-luidsprekeropstelling te laten nabootsen.
Deze aanpak elimineert de noodzaak voor complexe bedrading. Je hoeft geen gaten in muren te boren. U hoeft de afstanden tussen luidsprekers niet te meten. De verwerking gebeurt digitaal. De hardware moet alleen een stereosignaal kunnen weergeven.
Het roept een eenvoudige vraag op. Waarom vechten tegen de natuurkunde als je gewoon de hersenen kunt misleiden?
De werking van de gehoorrichting
Je bevindt je in een stille examenzaal. De lucht is stil. Dan valt er een munt.
Je hoofd schiet in de richting van het geluid. Het gebeurt zo snel dat je er niet bij nadenkt. Het is instinct. Je hersenen berekenen de bron in een fractie van een seconde. Het kan zijn dat u maar aan één oor hoort. Het werkt nog steeds. Hoe?
De hersenen zijn een verwerkingsmotor. Het haalt ruwe gegevens uit de oren en voert complexe analyses uit. Er zijn twee belangrijke inputs. Eén daarvan is het verschil tussen wat het rechteroor hoort en wat het linkeroor hoort. De andere is hoe geluidsgolven terugkaatsen op je hoofd en lichaam. Dit zijn de auditieve signalen. De hersenen gebruiken ze om de locatie te trianguleren.
Denk nog eens aan de munt. Het raakt de grond rechts van je.
Geluid plant zich voort als fysieke golven. Het beweegt met een eindige snelheid. Dit kost tijd. De golf raakt eerst je rechteroor. Een fractie van een seconde later raakt hij je linkerzijde.
Er is ook sprake van een volumedaling. Het geluid is zachter in het linkeroor. Waarom? De golf verdwijnt op natuurlijke wijze. Je hoofd absorbeert een deel ervan. Het weerspiegelt iets. Hierdoor ontstaat er een kloof.
Deze kloof heeft een naam. Het is het interaurale niveauverschil (ILD).
Het tijdsverschil is een andere naam. Het is het interaurale tijdsverschil (ITD).
Deze twee statistieken geven je hersenen een duidelijk beeld. Is het geluid links of rechts? Het antwoord is meestal ja.
Maar hoogte? Dat is lastig.
Als een geluid zich boven of onder u bevindt, verandert de weg naar uw oren. De lengte van het pad varieert. Maar het verschil tussen het linker- en rechteroor blijft hetzelfde. De ILD en ITD veranderen niet met de hoogte. Je hersenen hebben het dus moeilijk.
Voor- of achterkant is nog moeilijker.
Als je alleen op tijd- en niveauverschillen vertrouwt, kun je in de war raken. Een geluid achter je kan exact dezelfde ILD en ITD produceren als een geluid voor je. De gegevenspunten komen overeen. De locatie niet.
Hierdoor ontstaat een probleemzone. Het is een kegelvormig gebied dat zich vanaf uw oor naar buiten uitstrekt. We noemen het de kegel van verwarring.
Binnen die kegel zijn de cijfers identiek. Je hersenen kunnen de voor- en achterkant niet onderscheiden op basis van alleen tijd en volume.
Hierbij wordt ervan uitgegaan dat u twee werkende oren heeft. Wat als u dat niet doet?
Als u slechts één oor heeft, kunt u geluid nog steeds lokaliseren. De hersenen passen zich aan. Er wordt gekeken naar reflecties. Het analyseert hoe geluid weerkaatst tegen oppervlakken in dat ene oor. Het is niet perfect. Maar het werkt.
Wanneer een geluidsgolf je raakt, stuitert deze niet alleen op je trommelvlies. Het raakt je hoofd. Het raakt je schouders. Het wikkelt zich rond de gebogen schaal van uw buitenoor. Elke reflectie verandert op subtiele wijze de golf. Deze reflecties interfereren met elkaar. Delen van de golf worden groter. Onderdelen worden kleiner. Hierdoor verandert het volume en de kwaliteit.
Deze veranderingen staan bekend als hoofdgerelateerde overdrachtsfuncties (HRTF’s).
In tegenstelling tot interaurale niveauverschillen (ILD’s) of interaurale tijdverschillen (ITD’s), kunnen HRTF’s met hoogteverschillen omgaan. Ze vertellen je of een geluid van boven of van beneden komt. Ze onderscheiden ook de voorkant van de achterkant. De hersenen lezen deze golfvervormingen om de oorsprong te lokaliseren.
Waarom we HRTF’s niet op het gehoor kunnen meten
De menselijke oorschelp is een doolhof. Het heeft talloze oppervlakken. De meeste zijn gebogen. Geluid stuitert op het ene oppervlak, raakt een ander oppervlak en stuitert weer voordat het het trommelvlies bereikt.
Voeg het gezicht toe. Het hoofd. Het haar. De romp.
Het is vrijwel onmogelijk om deze reflecties handmatig te isoleren. De interacties zijn te complex. Wetenschappers hadden gegevens nodig. Veel ervan.
Ze maakten gebruik van geluidsbronnen. Ze gebruikten reeksen microfoons. Ze gebruikten computerprogramma’s.
De rol van KEMAR in HRTF-onderzoek
Onderzoekers gokten niet alleen. Ze maten.
In sommige onderzoeken bevestigden ze kleine microfoons rechtstreeks op de lichamen van menselijke deelnemers. In andere gebruikten ze levensechte mannequins. Deze mannequins bootsen de menselijke huid, het kraakbeen en de proporties na.
De bekendste is de Knowles Electronic Manikin for Acoustic Research (KEMAR). Het is een belangrijk onderdeel geweest in laboratoria zoals het MIT Media Lab.
Waarom mannequins? Omdat elk hoofd anders is. Elke oorvorm is uniek. Om een universeel model te creëren, heb je standaardisatie nodig. KEMAR biedt die basislijn.
HRTF’s zijn in wezen een vingerafdruk van hoe uw lichaam geluid filtert. Zonder hen mist audio diepte.
Van meting naar algoritme
De microfoons hebben één taak: geluid vastleggen.
Computers analyseren vervolgens de verschillen. Ze kijken naar hoe een enkel geluid interageert met verschillende lichaamsdelen. Ze volgen geluiden van verschillende oorsprongspunten.
Deze gegevens leiden tot een algoritme.
Een algoritme is hier slechts een reeks regels. Het beschrijft hoe HRTF’s en andere factoren de vorm van de geluidsgolf veranderden. Als je dit algoritme op een nieuwe geluidsgolf toepast, verandert de vorm van die golf. Het geeft het dezelfde eigenschappen die de oorspronkelijke golf had na interactie met een lichaam.
Dit is de motor achter virtueel surround-geluid.
Hoe virtuele surround werkt
Dit is wat er gebeurt als je een koptelefoon opzet die beweert een 5.1-surroundsysteem na te bootsen.
- Opname: Onderzoekers gebruiken microfoons om geluid op te nemen van een fysieke opstelling met 5.1 luidsprekers. Ze nemen op vanuit oren en lichamen in verschillende vormen en maten. Dit verklaart de individuele perceptieverschillen.
- Model: Met behulp van computers ontwikkelen ze een algoritme. Dit algoritme repliceert de ruimtelijke kenmerken van dat echte geluidsveld.
- Toepassen: Het algoritme wordt toegepast op een (stereo)systeem met twee luidsprekers. Het hervormt de audio. Het resultaat is een geluidsveld dat de vorm van een echte 5.1-kanaalsopstelling nabootst.
Je hoort een simulatie. Je hersenen verwerken de door HRTF gewijzigde audio alsof de geluiden uit specifieke richtingen in de ruimte komen.
Het is geen magie. Het is wiskunde. En daarom voelt een film meeslepend, zelfs als je alleen in een kamer bent.
Virtuele surround sound-hulpmiddelen en -technieken
Het is een truc. Een verfijnde, digitale goocheltruc. De processor neemt uw standaard stereosignaal en vervormt dit met auditieve signalen. Faseverschuivingen. Frequentie demping. Vertragingslijnen. Het dwingt je hersenen om een leugen te accepteren: dat de audio explodeert vanuit vijf verschillende punten in de ruimte in plaats van slechts twee luidsprekers links en rechts. Je hoort niet meer. Je wordt ervan overtuigd dat dat zo is.
Dit is de kernbelofte van virtuele surround sound-tools. Ze voegen geen hardware toe. Ze voegen bedrog toe.
De DSP-aanpak: het signaal vormgeven
De meeste opstellingen voor consumentengebruik zijn afhankelijk van Digital Signal Processing (DSP). Dit is geen magie; het is wiskunde toegepast op geluidsgolven. De software analyseert de binnenkomende stereotrack en past Head-Related Transfer Functions (HRTF’s) toe. Deze functies modelleren hoe uw oren en hoofd geluid uit verschillende richtingen filteren.
Door de timing en intensiteit van de frequenties tussen het linker- en rechterkanaal kunstmatig te veranderen, creëert het systeem ‘fantoombeelden’. Je auditieve cortex vult de gaten op. Het plaatst een geluid achter of naast u op basis van subtiele signalen die uw hersenen zijn gaan vertrouwen.
Hardware versus softwareoplossingen
Je hebt opties. Ze verschillen in effectiviteit en kosten.
- Softwaregebaseerde virtualisatie: Deze draait op uw pc, console of smartphone. Apps zoals Dolby Atmos voor hoofdtelefoons of Sony’s 360 Reality Audio nemen een 5.1- of 7.1-mix en converteren deze naar beneden. Het is handig. Maar het klinkt vaak dun. De HRTF-profielen zijn generiek. Ze nemen een gemiddelde hoofdvorm aan. Als je hoofd niet gemiddeld is, breekt de illusie.
- Op hardware gebaseerde upmixing: Sommige AV-receivers en geavanceerde soundbars doen dit intern. Ze verwerken het signaal voordat het de luidsprekers bereikt. Een 5.1-opstelling kan een 7.1- of zelfs 9.1-ervaring simuleren door de achterluidsprekers en hoogtekanalen te gebruiken om de leegte op te vullen. Het is minder afhankelijk van de HRTF-nauwkeurigheid, omdat u echte fysieke luidsprekers gebruikt.
- Ambisonische formaten: Dit is waar het technisch wordt. Ambisonics vangt geluid op als een bol. Het registreert de richtingsinformatie direct. Bij weergave via virtuele surroundtools is de panning nauwkeuriger. Het wordt meestal gebruikt in VR-headsets. Als je alleen maar een film kijkt op de bank, zul je het verschil waarschijnlijk niet merken.
Waarom het belangrijk is voor dagelijkse gebruikers
Je hebt geen theater nodig. Je hebt onderdompeling nodig.
Het probleem met stereo is dat het plat is. Alles gebeurt voor je ogen. Actiefilms verliezen hun ruimtelijke diepgang. Muziek verliest zijn breedte. Virtueel surroundgeluid lost dit op door het geluidsbeeld uit te breiden. Het is geen echte surround. Het is een overtuigende benadering.
Voor gamers is het van cruciaal belang. Directionele audio kan het verschil betekenen tussen het spotten van een vijand achter een muur en geflankeerd worden. De aanwijzingen moeten nauwkeurig zijn. Een slecht afgestelde HRTF kan voetstappen volledig maskeren.
Waar het mislukt
De illusie is kwetsbaar.
- Hoofdbeweging: Als u uw hoofd draait, blijft het geluid op de luidsprekers gericht. Het roteert niet met jou mee. Dit doorbreekt onmiddellijk de ruimtelijke illusie.
- Oorvorm: De oorschelpen van iedereen zijn anders. De filters die in de meeste software worden gebruikt, zijn gemiddelden. Als je oren hoge frequenties anders opvangen,
De werking van nep-surroundgeluid
Virtuele surroundsystemen vertrouwen niet alleen op natuurkunde; ze hacken je hersenen. Terwijl echte 5.1-opstellingen echte luidsprekers gebruiken om golven door een kamer te laten weerkaatsen, proberen digitale geluidsverwerkingssystemen u naar de hoorruimte te lokken. Ze reflecteren geluidsgolven van uw muren. Als een golf tegen de muur achter je hoofd stuitert, registreren je hersenen dat deze van achter je komt.
Dit vereist precisie. U moet de afmetingen van de kamer opgeven of een kalibratiemicrofoon gebruiken. Mis je de hoek? De illusie breekt.
Annulering en interferentie
Veel opstellingen met twee luidsprekers maken gebruik van overspraakonderdrukking. Dit is een creatieve toepassing van destructieve interferentie. Het doel is simpel: zorg ervoor dat uw linkeroor de audio van het rechterkanaal niet meer hoort.
Als je oren elkaars signalen oppikken, stort het stereobeeld in. Het systeem gebruikt algoritmen om die ongewenste bloeding te elimineren. Het is geen magie. Het is signaalverwerking.
De verwerkingskracht achter het geluid
Deze algoritmen hebben spierkracht nodig. Een computerprocessor, meestal in een ontvanger of versterker, zorgt voor het zware werk. Deze chip verwerkt geluidsgolven in realtime. Er is input nodig van een dvd-speler of satellietbox. Het past de wiskunde toe. Het past het volume aan. Vervolgens stuurt het het schone signaal naar de luidsprekers. Sommige systemen verbergen deze hardware in de luidsprekerunits zelf.
Het sweet spot-probleem
Hier is de vangst. De onderdompeling is een illusie. Het werkt alleen als je op de juiste plek zit. Je moet rechtstreeks naar het scherm kijken.
Beweeg naar links of rechts van de sweet spot en het effect verdwijnt. Je valt buiten het gerichte geluidsveld. Geluiden die door de kamer bewegen, kunnen stotteren of onnatuurlijk klinken. Je hoort twee luidsprekers die doen alsof ze vijf zijn. Het resultaat mist de fysieke kracht van een volledige surround-array.
Winkeloverwegingen
Controleer deze factoren voordat u koopt.
- Afmetingen en vorm van de kamer: Digitale geluidsprojectie is afhankelijk van reflecties. Het faalt in grote, open ruimtes of kamers met onregelmatige muren.
- Gewenst effect: Wil je kamervullende audio? Een systeem met twee luidsprekers kan teleurstellen.
- Subwoofer: 2.1-systemen bevatten er één. Veel digitale projectiesystemen doen dat niet. Je kunt er een toevoegen voor bas, maar dit kost extra.
- Installatievereisten: Sommige systemen zijn plug-and-play. Anderen eisen dat u de kamer meet en een kalibratieroutine uitvoert.
- Prijs: Er bestaan betaalbare 2.1-systemen. Geavanceerde digitale projectie-eenheden kunnen meer dan $ 1500 kosten.
De technologie is indrukwekkend totdat je opstaat. Dan zijn het alleen maar echo’s.
Waar je dieper in de audiowetenschap kunt duiken
Als je verder wilt gaan dan de basis en precies wilt zien hoe geluidsgolven tegen muren weerkaatsen, of hoe koptelefoons je hersenen ertoe verleiden een bioscoop te horen, dan is het pad bezaaid met hulpmiddelen. Begin met de basisgidsen. Hoe thuisbioscoop werkt zet de toon. Dan moet je de hardware begrijpen. Hoe luidsprekers werken legt de werking uit. How Movie Sound Works duikt in de mix.
Er zijn ook vreemde, prachtige randen aan dit veld. Hoe LRAD werkt heeft betrekking op akoestische apparaten met een groot bereik. Hoe akoestische levitatie werkt klinkt als sciencefiction, maar is echte natuurkunde. En voor het scherm is Hoe televisies werken nog maar het begin. Je moet naar de panelen kijken. Hoe DLP-sets werken. Hoe plasmaschermen werken. Hoe LCD werkt. En als je nostalgisch bent of gewoon nieuwsgierig naar dode technologie, is Hoe SED-TV werkt een fascinerende omweg. Dan is er nog Hoe HDTV werkt om alles aan hoge definitie te koppelen.
Maar het echte vlees zit in de vergelijkingen. Popular Mechanics heeft een solide stuk over Multi-Speaker vs. Virtual Surround. Het doorbreekt de marketinghype. Wil je de harde gegevens? Ga naar het Instituut voor Geluids- en Trillingsonderzoek. Ze verkopen niets. Ze bestuderen alleen trillingen. Michigan State heeft een sterke focus op Akoestiek/Psycho-akoestiek. Het is waar psychologie en natuurkunde elkaar ontmoeten. En voor de nerds die de wiskunde willen, zoek naar Geluidslokalisatie met behulp van hoofdoverdrachtsfuncties.
Het onderzoek achter de illusie
Dit is niet alleen maar een mening. Het is gemeten.
“De hersenen horen geen luidsprekers. Ze horen een scène.”
De wetenschap is afhankelijk van specifieke metingen. Burkhead’s Manikin Measurements van Industrial Research Products, Inc. levert de ruwe gegevens. Je kunt de pdf nog steeds vinden. Het laat zien hoe geluid een dummyhoofd raakt. Het is nauwkeurig.
Dan is er de cognitieve kant. Coppins werk aan Rice University over Geluidslokalisatie met behulp van hoofdoverdrachtsfuncties bewijst dat onze hersenen subtiele timingverschillen gebruiken om geluid in de 3D-ruimte te plaatsen. Het is geen magie. Het is geometrie en vertraging.
Dolby speelt hier al jaren mee. Hun Dolby Headphone -technologie is speciaal ontworpen voor stereohoofdtelefoons. Het simuleert surround. Het creëert breedte. Hun Dolby Virtual Speaker doet iets soortgelijks, maar dan voor thuisbioscoopopstellingen zonder de achterluidsprekers. Het is een compromis.
Ivo Eames van Sound on Sound brak in 2004 uit met Hoe werkt Virtual Surround. Hij nam geen blad voor de mond. Hij legde de filterbanken uit. De psycho-akoestische maskering. Het is complex.
John Falcone van Cnet stelde de consumentenvraag: Is Virtual Surround de moeite waard?. Het antwoord is nooit een simpel ja. Het hangt af van het bronmateriaal.
Hoofdgerelateerde overdrachtsfuncties (HRTF’s) zijn de sleutel. De Universiteit van Miami heeft een goede basis. Het verklaart waarom sommige mensen surround horen en anderen alleen maar ‘gedempt’. Jouw oren zijn uniek. Je hoofdvorm is belangrijk.
Het Institute of Sound and Vibration Research in Southampton beschikt over archieven die tientallen jaren teruggaan. Als je wilt begrijpen waarom een film ‘groots’ aanvoelt, kijk dan daar.
Christian Koebel van GotFrag Hardware behandelde Virtual Surround Sound in 2006. Hij bekeek de hardware-implementaties. De goedkope. De dure. Het verschil zit in de verwerkingskracht.
Jack M. Loomis definieerde Psycho-akoestiek voor AccessScience. Het is de studie van perceptie. Niet alleen het oor. De hersenen.
De pagina van Michigan State over Lokalisatie van geluidsbronnen is snel te lezen. Het is duidelijk. Het is nauwkeurig.
SRS Labs heeft TruSound XT-technologie gepusht. Ze beweerden dat ze stereo in surround konden veranderen. Het was controversieel. Het werkte, maar het kleurde het geluid.
Eric Taub in de New York Times schreef The Sweet Deception of Virtual Sound. Hij noemde het een truc. Hij had gelijk. Maar het is een handige truc.
Vann’s bood een handleiding aan over Het verkrijgen van 5.1 surround uit twee luidsprekers. Het gaat om plaatsing.
