Смирнов Д. Н. | Smirnov Daniel N.

С момента появления стереофонии задачей панорамирования являлось создание ощущения определённого положения виртуального (кажущегося) источника звука в пространстве либо его движения, используя при этом два отдельных громкоговорителя. Панорамирование в звукорежиссуре — это распределение аудиосигнала (моно или стереофонического) во вторичном стерео- или многоканальном звуковом поле, определяемое положением регулятора панорамирования (pan pot) на микшерной консоли или с помощью цифрового оборудования.

С появлением многоканальных звуковоспроизводящих систем были разработаны специальные способы панорамирования не только в двумерной плоскости, но и в трёхмерной (учитывая высоту, на которой расположен источник звука). В настоящее время компьютерных приложений, использующих технологию виртуальной реальности и персональный мониторинг в виде головных стереотелефонов, становится всё больше и больше (в разных областях — тренажёры для пилотов воздушной техники, компьютерные игры с так называемым "полным погружением", симуляция громкоговорителей при работе звукорежиссёра с головными стереотелефонами и т. д.), и для них требуется использовать объёмные звуковые образы, которые дают реалистичную звуковую картину при использовании стереотелефонов. Основной задачей различных способов панорамирования является корректная локализация виртуального источника звука. Далее в статье будут более подробно рассмотрены эти способы.

1.1. Тригонометрические законы

Самый "распространённый" закон, до сих пор применяющийся в микшерных консолях — синусоидально-косинусоидальный. Регулятор панорамирования изменяет уровень сигнала в левом и правом каналах таким образом, что в левом канале уровень сигнала изменяется пропорционально значению синуса угла поворота регулятора, а в правом — пропорционально значению косинуса.

Синусоидально-косинусоидальный закон [7]:

Угол φ в диапазоне 0 ≤ φ ≤ 90°

При этом интенсивность сигнала должна быть постоянной:

где φ — угол между виртуальным источником и осью, g₁ и g₂ — уровни громкости громкоговорителей.

Существуют ещё два тригонометрических закона: синусоидальный и тангенциальный.

Согласно синусоидальному закону, первоначально предложенному Аланом Блюмлейном и переформулированного согласно теории фазоров Бенджамина Бауэра [4; 5; 6], положение виртуального источника определяется следующим образом:

где φ₀ — угол между осью и громкоговорителем, φ — угол между виртуальным источником и осью, g₁ и g₂ — уровни громкости громкоговорителей.

Закон синусов применим тогда, когда голова слушателя находится в одном положении и не двигается. В случае, когда слушатель следит за источником звука, вращает голову, корректен будет тангенциальный закон [4; 7; 9]:

Практическая реализация синусоидально-косинусоидального закона произведена нами при помощи программной среды от американской компании Cycling’74 под названием Max/MSP (начиная с версии 7 просто Max). Подробности можно найти на сайте компании (https://cycling74.com). Описание программы выходит за рамки данной статьи.

Необходимо отметить, что для проверки корректности тех или иных способов панорамирования проводят тесты, которые можно в общем описать следующим образом — испытуемых помещают перед громкоговорителями, которые, как правило, скрыты, и воспроизводят звуковые сигналы различной природы. Испытуемые с помощью различного типа интерфейсов фиксируют где, по их ощущениям, расположен виртуальный источник звука. После статистической обработки результатов делаются выводы.

Результаты показали, что вышеописанные способы не отличаются высокой точностью (соответствием расположения виртуального источника требуемой точке). Например, в случае тангенциального закона некорректно локализуются сигналы в диапазоне от 1 кГц до 2 кГц [8]. А для синусоидально-косинусоидального закона показано, что широкополосные сигналы локализуются шире требуемого положения [7]. Именно поэтому в настоящее время разрабатываются другие, более точные методы, например, векторное амплитудное панорамирование.

Выражение (6) можно представить в матричной форме:

где g = [g₁g₂] и L₁₂ = [l₁l₂]^T. Выражение (7) можно решить с помощью обратной матрицы:

C помощью выражения (9) можно определить уровни громкостей громкоговорителей g₁ и g₂:

где φ₀ — угол разворота громкоговорителей, φ — угол между виртуальным источником и осью x.

Векторное амплитудное панорамирование удобно тем, что не зависит от количества громкоговорителей — аналогичные преобразования будут применимы и к двухканальным и к многоканальным системам звуковоспроизведения.

2. Амплитудное панорамирование в многоканальной системе

2.2.1. Практическое использование векторного амплитудного панорамирования

Для того, чтобы проверить VBAP на практике, можно использовать Max/MSP и многоканальный (многовыходной) аудиоинтерфейс. Объект VBAP, необходимый для функционирования патча, можно найти на сайте его создателя, Вилли Пулкки (http://legacy.spa.aalto.fi/software/vbap/) и скопировать его содержимое в Documents-Max-Library на компьютере. Необходимо обратить внимание, что данный объект работает только в 32-битном режиме, поэтому Max следует запускать именно в этом режиме. Для тестирования нужно добавить объект New-vbap и с помощью контекстного меню выбрать vbap-Help (в Max файлы Help — это такие же патчи, которые можно использовать в своих проектах). Нет нужды пояснять, что для корректного тестирования необходима многоканальная система громкоговорителей. Принципы VBAP нашли применение в аудиостандарте ITU MPEG-H, аудиоформате DTS:X, игровой консоли Sony Playstation VR.

2.3.1. Примеры практического использования системы Ambisonics

В данной части рассмотрены Ambisonic-плагины (программы, расширяющие работу DAW — цифровой звуковой рабочей станции) кодирования-декодирования, которые являются либо бесплатными, либо входят в состав DAW.

Для цифровой звуковой станции Ableton Live существует набор плагинов (разработанный в системе Max for Live) под названием Envelop (http://www.envelop.us/software/). Так как сама программа Ableton не поддерживает многоканальные wav-файлы, то данные плагины могут лишь кодировать до 16-ти отдельных аудиоканалов в формат Ambisonics с последующим декодированием в выбранную систему громкоговорителей или в бинауральный сигнал [5] и кодировать монофонический или стереофонический звуковой источник в формат Ambisonics.

2.4. Амплитудное панорамирование, основанное на расстоянии (DBAP — Distance Based Amplitude Panning)

Вышеперечисленные алгоритмы панорамирования имеют один недостаток — слушатель должен находиться в зоне стереоэффекта (sweet spot), окружённый громкоговорителями, расположенными на определённых позициях. В случае нестандартных ситуаций, концертных программ и т. д. это может привести к существенным неудобствам. Поэтому был разработан метод амплитудного панорамирования, основанного на расстоянии виртуального источника звука до громкоговорителя. Расстояние рассчитывается следующим образом:

где r_s, — это дополнительное "пространственное пятно" (spatial blur) которое необходимо для того, чтобы не возникало случая, когда виртуальный источник расположен таким образом, что его воспроизводит лишь один громкоговоритель. Это вызвало бы нежелательное пространственное искажение и тембральную окраску источника. В двумерном пространстве "пространственное пятно" надо понимать как вертикальный сдвиг между источником и громкоговорителем. DBAP также может быть расширен для поддержки высоты виртуального источника.

Уровни громкоговорителей рассчитывают по:

где a — фактор уменьшения расстояния:

и R варьируется между 3 dB (интенсивностное суммирование) и 6 dB (амплитудное суммирование), и коэффициент k определяет единичную сумму мощности

При r_s > 0 все громкоговорители активны для любого положения виртуального источника.

В настоящее время работы в области панорамирования звука в многоканальных системах продолжаются и исследователи находят новые методики для получения корректных результатов панорамирования виртуальных источников. Например, разработана методика Perceptually Motivated Amplitude Panning (PMAP) | "Амплитудное панорамирование, основанное на восприятии". Метод основан на оригинальных функциях сдвига виртуального звукового образа, полученных из психоакустических экспериментов и может применяться для произвольного расположения громкоговорителей. Как утверждают разработчики, тестирование показало приемлемые результаты корректной локализации источников. Ещё одно исследование в области многоканальных систем показало разницу в восприятии положения источника звука, если он расположен либо на границе либо внутри пространства, окружённого громкоговорителями [10]. Интересно, что наименьшая ошибка локализации имеет место как раз в случае расположения источника внутри пространства.

Многоканальное воспроизведение звука — постоянно развивающаяся техническая область. Постоянно ведётся поиск новых способов панорамирования, которые не только дают корректное положение виртуального источника в пространстве, но также открывают новые возможности с точки зрения зависимостей между расположением виртуального источника и субъективным ощущением этого положения в пространстве. Бурное развитие технологий виртуальной реальности типа 360° в свою очередь ведёт к поиску различных решений о корректном панорамировании в случае персонального мониторинга. Старые законы панорамирования работают, однако в результате исследований создаются новые (например, DBAP, PMAP), которые не только корректируют слабые места существующих законов, но и открывают новые возможности.

Список литературы

References

УДК 681.841 + 781.1

Библиографическая ссылка: