Синтез волнового поля ( WFS ) — это метод пространственного рендеринга звука, характеризующийся созданием виртуальных акустических сред . Он создает искусственные волновые фронты , синтезированные большим количеством индивидуально управляемых громкоговорителей из элементарных волн. Кажется, что такие волновые фронты возникают из виртуальной отправной точки — виртуального источника звука. В отличие от традиционных источников фантомного звука, локализация виртуальных источников звука, установленных WFS, не зависит от положения слушателя. Как и настоящий источник звука, виртуальный источник остается в фиксированной начальной точке.
WFS основана на принципе Гюйгенса-Френеля , который гласит, что любой волновой фронт можно рассматривать как суперпозицию сферических элементарных волн. Следовательно, из таких элементарных волн можно синтезировать любой волновой фронт. На практике компьютер управляет большим массивом отдельных громкоговорителей и активирует каждый из них точно в то время и на уровне, при котором желаемый виртуальный волновой фронт пройдет через его точку. Таким образом, из источника моносигнала можно восстановить настоящий волновой фронт источника звука.
Основная процедура была разработана в 1988 году профессором А. Дж. Беркхаутом в Делфтском технологическом университете . [1] Его математической основой является интеграл Кирхгофа–Гельмгольца . Он гласит, что звуковое давление полностью определяется в объеме, свободном от источников, если звуковое давление и скорость определяются во всех точках его поверхности.
Следовательно, любое звуковое поле можно восстановить, если восстановить звуковое давление и скорость звука во всех точках поверхности его объема. Этот подход является основополагающим принципом голофонии .
Для воспроизведения всю поверхность тома пришлось бы покрыть близко расположенными громкоговорителями, каждый из которых по отдельности подавал бы свой собственный сигнал. Более того, зона прослушивания должна быть безэховой , чтобы избежать отражений звука , которые нарушали бы предположение об уровне громкости без источника. На практике это вряд ли осуществимо. Поскольку наше акустическое восприятие наиболее точное в горизонтальной плоскости, практические подходы обычно сводят массив к горизонтальной линии громкоговорителя, кругу или прямоугольнику вокруг слушателя. Поэтому возникновение синтезированного волнового фронта ограничивается любой точкой горизонтальной плоскости громкоговорителей. При таких рядах динамиков настоящий 3D-звук невозможен. Для источников за громкоговорителями массив будет создавать выпуклые волновые фронты. Источники перед динамиками могут визуализироваться с помощью вогнутых волновых фронтов, которые фокусируются на виртуальном источнике внутри области воспроизведения и снова расходятся в виде выпуклой волны. Следовательно, воспроизведение внутри громкости является неполным — оно нарушается, если слушатель находится между колонками и виртуальным источником.
Если преодолеть ограничение на горизонтальную плоскость, становится возможным создать виртуальную копию подлинного звукового поля, неотличимую от реального звукового поля. Изменения положения слушателя в зоне воспроизведения производят такое же впечатление, как и соответствующее изменение местоположения в комнате для записи. Двумерные массивы могут создавать параллельные волновые фронты, которые направлены прямо на громкоговорители и не громче, чем на расстоянии нескольких метров. Горизонтальные решетки могут создавать только цилиндрические волны, уровень которых теряет 3 дБ при любом удвоении расстояния. Но уже с этим ограничением Слушатели синтеза волнового поля больше не относятся к зоне наилучшего восприятия внутри комнаты.
Экспертная группа по кинематографии стандартизировала объектно-ориентированный стандарт передачи MPEG-4 , который позволяет раздельно передавать контент (сухой записанный аудиосигнал) и форму (импульсную характеристику или акустическую модель). Каждому виртуальному акустическому источнику необходим собственный (моно) аудиоканал. Пространственное звуковое поле в помещении для записи состоит из прямой волны источника звука и пространственно распределенной картины зеркальных источников звука, вызванной отражениями от поверхностей помещения. Сокращение распределения источников пространственных зеркал на несколько каналов передачи приводит к значительной потере пространственной информации. Это пространственное распределение может быть синтезировано гораздо точнее на стороне воспроизведения.
По сравнению с традиционными процедурами канально-ориентированного воспроизведения, WFS обеспечивает явное преимущество: виртуальные акустические источники, управляемые содержимым сигнала связанных каналов, могут быть расположены далеко за пределами традиционной области воспроизведения материала. Это уменьшает влияние положения слушателя, поскольку относительные изменения углов и уровней явно меньше по сравнению с обычными громкоговорителями, расположенными в зоне воспроизведения. Это значительно расширяет зону наилучшего восприятия; теперь он может покрывать почти всю область воспроизведения. Таким образом, WFS не только совместима, но и потенциально улучшает воспроизведение традиционных канально-ориентированных методов.
Поскольку WFS пытается имитировать акустические характеристики пространства записи, акустика области воспроизведения должна быть подавлена. Одним из возможных решений является использование акустического демпфирования или иное расположение стен в поглощающей и неотражающей конфигурации. Вторая возможность — воспроизведение в ближнем поле. Для эффективной работы громкоговорители должны быть очень тесно соединены в зоне слуха или поверхность диафрагмы должна быть очень большой.
В некоторых случаях наиболее ощутимым отличием по сравнению с исходным звуковым полем является уменьшение звукового поля до двух измерений по горизонтали линий громкоговорителя. Особенно это заметно по воспроизведению атмосферы. Подавление акустики в зоне воспроизведения не дополняет воспроизведение естественных акустических источников окружающей среды.
Существуют нежелательные пространственные искажения , вызванные позиционно-зависимыми узкополосными провалами частотной характеристики в пределах диапазона воспроизведения. Их частота зависит от угла виртуального акустического источника и угла слушателя к расположению громкоговорителей:
Для воспроизведения без искажений во всем звуковом диапазоне необходимо расстояние между отдельными излучателями менее 2 см. Но, к счастью, наше ухо не особенно чувствительно к пространственным искажениям. Расстояние до излучателя обычно составляет 10–15 см. [2]
Другой причиной возмущения сферического волнового фронта является эффект усечения . Поскольку результирующий волновой фронт представляет собой совокупность элементарных волн, может произойти внезапное изменение давления, если дальнейшие динамики не будут доставлять элементарные волны там, где заканчивается ряд динамиков. Это вызывает эффект «теневой волны». Для виртуальных акустических источников, расположенных перед громкоговорителем, это изменение давления опережает реальный волновой фронт, благодаря чему оно становится отчетливо слышимым.
С точки зрения обработки сигналов , это утечка спектра в пространственной области, вызванная применением прямоугольной функции в качестве оконной функции на том, что в противном случае было бы бесконечным массивом динамиков. Теневую волну можно уменьшить, если уменьшить громкость внешних громкоговорителей; это соответствует использованию другой оконной функции, которая сужается, а не усекается.
Другая и вытекающая из этого проблема – высокая стоимость. Большое количество отдельных датчиков должно быть расположено очень близко друг к другу. Уменьшение количества преобразователей за счет увеличения их расстояния приводит к появлению артефактов пространственного наложения. Уменьшение количества преобразователей на заданном расстоянии уменьшает размер поля излучателя и ограничивает диапазон представления; за ее пределами не могут быть созданы виртуальные акустические источники.
Ранняя разработка WFS началась в 1988 году в Делфтском университете . [ нужна цитата ] Дальнейшая работа проводилась с января 2001 года по июнь 2003 года в рамках проекта CARRUSO Европейского Союза, который включал десять институтов. [ нужна ссылка ] Звуковая система WFS IOSONO была разработана Институтом цифровых медиатехнологий Фраунгофера (IDMT) Технического университета Ильменау в 2004 году.
Первая прямая трансляция WFS состоялась в июле 2008 года, воссоздав органный концерт Кёльнского собора в лекционном зале 104 Берлинского технического университета . [3] В комнате находится крупнейшая в мире акустическая система с 2700 динамиками на 832 независимых каналах.
Направления исследований в области синтеза волнового поля включают в себя рассмотрение психоакустики для уменьшения необходимого количества громкоговорителей и реализацию сложных свойств звукового излучения, чтобы виртуальный рояль звучал так же великолепно, как в реальной жизни. [4] [5] [6]
Практический прорыв в технологии WFS произошел только с модулями X1 от берлинской технологической компании Holoplot. Стартап отказался от обычного ограничения горизонтальной плоскостью и установил 96 динамиков с индивидуальным управлением в модульную систему. Оптимизированные в соответствии с принципами WFS, лучи способны очень равномерно доставлять звук на большие аудитории произвольной формы, даже одновременно с лучами различного содержания. Поскольку непреднамеренное воздействие на отражающие поверхности не происходит, реверберация практически не возникает даже в средах с высокой отражающей способностью. Крупнейшим проектом компании на сегодняшний день является « Сфера» в долине Лас-Вегаса. Звуковая система заведения состоит из 1586 постоянно установленных матричных массивов X1, включающих 167 000 динамиков, и объединяет элементарные волны в общие волновые фронты.
