Истоки трехмерного звука
Технология Ambisonics начала свое развитие в 1970-х годах благодаря инновационным разработкам британского инженера Майкла Герзона и его коллег в Национальном исследовательском центре в Оксфорде. Герзон искал способ преодолеть фундаментальные ограничения стереофонического звука, стремясь создать систему, которая могла бы точно воспроизводить трехмерное звуковое поле. В отличие от других многоканальных систем того времени, Герзон предложил революционный подход, основанный на сферических гармониках и разложении звукового поля.
Ключевым нововведением стала концепция представления звукового поля независимо от конкретной конфигурации громкоговорителей. Герзон разработал математический аппарат, позволяющий кодировать трехмерное звуковое поле с помощью набора коэффициентов, соответствующих сферическим гармоникам различных порядков. Эта абстракция открыла новые горизонты в области пространственного звука и заложила основу для будущего развития технологии.
Первый коммерческий микрофон Soundfield был представлен в 1978 году компанией Calrec Audio. Он использовал тетраэдрическую конфигурацию капсюлей для захвата трехмерного звукового поля. Несмотря на ограниченное распространение из-за технических сложностей и высокой стоимости, эта технология определила направление развития пространственного звука на десятилетия вперед. В 1990-х и 2000-х годах, с развитием цифровых технологий, Ambisonics получил второе дыхание, став основой для современных систем иммерсивного звука.
Физические и математические основы Soundfield
Физический принцип Ambisonics основан на решении волнового уравнения Гельмгольца в сферических координатах. Звуковое поле представляется как суперпозиция плоских и сферических волн, которые могут быть математически описаны с помощью сферических гармоник. Для полного описания трехмерного звукового поля требуется теоретически бесконечное количество гармоник, но на практике используется конечное их число, определяющее порядок Ambisonics.
Математически B-формат Ambisonics первого порядка описывается четырьмя компонентами:
- W-канал: всенаправленный (сферическая гармоника нулевого порядка), представляющий звуковое давление
- X-канал: диполь, ориентированный вдоль оси X (фронт-тыл)
- Y-канал: диполь, ориентированный вдоль оси Y (лево-право)
- Z-канал: диполь, ориентированный вдоль оси Z (верх-низ)
Для Ambisonics второго порядка добавляются еще пять каналов (квадрупольные компоненты), а для третьего порядка — еще семь. Общее количество каналов для Ambisonics порядка N вычисляется по формуле (N+1)². Так, для первого порядка требуется 4 канала, для второго — 9, для третьего — 16, и так далее.
Преобразование сигналов с микрофонных капсюлей (A-формат) в сферические гармоники (B-формат) осуществляется с помощью матричного преобразования, учитывающего геометрическое расположение капсюлей и их направленность. Это преобразование включает компенсацию частотных характеристик и акустических эффектов, связанных с конструкцией микрофона. Современные процессоры для микрофонов Soundfield применяют сложные алгоритмы цифровой обработки сигналов для получения точного B-формата из сырых данных A-формата.
Технологии записи в формате Soundfield
Микрофоны для записи в формате Ambisonics имеют специфическую конструкцию, обеспечивающую захват звукового поля во всех направлениях. Классический микрофон Soundfield использует четыре субкардиоидных капсюля, расположенных в вершинах тетраэдра. Такое расположение обеспечивает равномерное покрытие всей сферы вокруг микрофона. Каждый капсюль имеет свою диаграмму направленности, а комбинация их сигналов позволяет реконструировать звуковое поле в любом направлении.
Современный ландшафт микрофонов Soundfield включает различные модели с разными характеристиками:
Sennheiser AMBEO VR Mic работает с технологией Ambisonics первого порядка и использует четыре капсюля в тетраэдрической конфигурации. Он характеризуется частотным диапазоном 20 Гц - 20 кГц, чувствительностью 31 мВ/Па и максимальным SPL 130 дБ. Особенность этого микрофона — компактный дизайн и относительно доступная цена, что сделало его популярным среди создателей VR-контента.
RØDE NT-SF1 также является микрофоном Soundfield первого порядка с четырьмя капсюлями. Он отличается низким уровнем собственного шума (13 дБА) и высоким динамическим диапазоном. RØDE предлагает специальное программное обеспечение SoundField by RØDE, которое позволяет конвертировать A-формат в B-формат и производить дополнительную обработку.
Core Sound TetraMic представляет собой более компактное решение с четырьмя капсюлями, размещенными на алюминиевых трубках. Он имеет частотный диапазон от 20 Гц до 20 кГц и максимальный SPL 140 дБ. Этот микрофон популярен среди звукорежиссеров для полевых записей благодаря прочной конструкции и надежности.
Микрофоны Soundfield высших порядков, такие как mh acoustics Eigenmike, используют большее количество капсюлей (32 и более) для более точного захвата звукового поля. Eigenmike позволяет записывать Ambisonics до четвертого порядка, что обеспечивает значительно более высокое пространственное разрешение по сравнению с микрофонами первого порядка. Этот микрофон имеет сферический корпус диаметром 84 мм с 32 конденсаторными микрофонами, равномерно распределенными по поверхности. Частотный диапазон составляет от 30 Гц до 20 кГц, а динамический диапазон — 120 дБ.
Обработка и кодирование сигналов Ambisonics
Обработка сигналов в формате Ambisonics имеет свою специфику, требующую особых подходов к манипуляциям с аудиоданными. Кодирование источников звука в B-формат осуществляется с помощью функций кодирования, которые представляют собой проекции сферических гармоник в нужном направлении. Для источника звука, расположенного в направлении, определяемом азимутом θ и возвышением φ, компоненты B-формата первого порядка вычисляются следующим образом:
W = 0.7071 (коэффициент нормализации)
X = cos(θ) × cos(φ)
Y = sin(θ) × cos(φ)
Z = sin(φ)
Для форматов высших порядков используются более сложные выражения, включающие полиномы Лежандра для представления дополнительных компонентов.
Существует несколько конвенций нормализации компонентов B-формата, включая FuMa (Furse-Malham) и AmbiX (ACN/SN3D). FuMa — историческая конвенция, используемая в классических системах Soundfield, в то время как AmbiX стал современным стандартом для VR и иммерсивного аудио. Различия между этими конвенциями заключаются в порядке каналов и коэффициентах нормализации, что требует соответствующего преобразования при работе с разными системами.
Манипуляции с звуковым полем в B-формате включают:
Вращение звукового поля — достигается путем применения матрицы вращения к компонентам B-формата. Эта операция позволяет изменять ориентацию звукового поля без потери пространственной информации, что особенно важно для VR-приложений, где ориентация слушателя меняется.
Фокусировка — техника, усиливающая звуки из определенного направления при сохранении общей пространственной картины. Она реализуется путем взвешивания компонентов B-формата с использованием специальных функций направленности.
Преобразование порядка — процесс увеличения или уменьшения порядка амбисонического представления. Повышение порядка (upmixing) может использоваться для увеличения пространственного разрешения, хотя оно не добавляет новой информации. Понижение порядка (downmixing) необходимо для совместимости с системами, поддерживающими только более низкие порядки.
Декодирование и воспроизведение Ambisonics
Декодирование B-формата для конкретной системы громкоговорителей является ключевым этапом в цепочке воспроизведения Ambisonics. Декодер преобразует компоненты B-формата в сигналы для каждого громкоговорителя с учетом их расположения. Математически это выражается через матрицу декодирования, которая зависит от геометрии системы громкоговорителей и желаемых характеристик воспроизведения.
Существует несколько стратегий декодирования, включая:
Декодирование по принципу максимальной энергии (Max-rE) — оптимизирует распределение энергии между громкоговорителями, что улучшает локализацию звуковых источников на высоких частотах. Технически это достигается путем применения весовых коэффициентов к различным компонентам B-формата перед декодированием.
Декодирование по принципу сохранения энергии (энергетически сбалансированное) — обеспечивает правильное распределение звуковой энергии по всем направлениям, что важно для точного воспроизведения реверберации и диффузных звуковых полей.
Декодирование для нерегулярных конфигураций громкоговорителей требует специальных алгоритмов оптимизации, таких как метод виртуальных громкоговорителей или метод VBAP (Vector Base Amplitude Panning).
Для бинаурального воспроизведения через наушники B-формат свертывается с HRTF (функциями передачи, связанными с головой) для различных направлений. Технически это представляет собой свертку каждого компонента B-формата с соответствующим набором HRTF-коэффициентов. Этот процесс можно оптимизировать с использованием техник быстрой свертки и специализированных структур данных, таких как SH-HRTF (сферические гармоники HRTF).
Современные решения для декодирования Ambisonics включают аппаратные процессоры, такие как Rapture3D или FLUX SPAT Revolution, а также программные реализации в виде плагинов для DAW, таких как IEM Plug-in Suite, Facebook 360 Spatial Workstation или Sparta от Aalto University. Эти инструменты предлагают гибкое декодирование для различных конфигураций громкоговорителей и наушников с возможностью настройки параметров декодера для оптимального звучания.
Практическое применение и перспективы Soundfield
Практическое применение технологии Soundfield охватывает множество областей, от традиционной звукозаписи до инновационных иммерсивных медиа. В профессиональном аудио Ambisonics используется для записи акустических пространств, концертов и полевых записей.
В кинематографе и телевидении технология Soundfield применяется для записи атмосферных звуков и создания иммерсивных звуковых ландшафтов. Студии Skywalker Sound и Galaxy Studios используют микрофоны Ambisonics для захвата трехмерных звуковых сцен, которые затем интегрируются в многоканальные форматы вроде Dolby Atmos или DTS:X. Техническая гибкость Ambisonics позволяет адаптировать материал для различных форматов воспроизведения без потери пространственной информации.
Виртуальная и дополненная реальность стали ключевыми областями применения Ambisonics. Платформы YouTube и Facebook внедрили поддержку амбисонического звука первого порядка (FOA) для 360-градусных видео, где звук динамически меняется в зависимости от ориентации пользователя. Для технической реализации используется формат AmbiX с конвенцией ACN/SN3D, кодированный с помощью аудиокодека AAC или Opus. Эти платформы рекомендуют битрейт не менее 128 кбит/с на канал для обеспечения высокого качества.
Игровые движки, такие как Unreal Engine и Unity, интегрировали поддержку Ambisonics для создания динамического трехмерного звука. Техническая реализация в этих движках включает амбисонический рендеринг в реальном времени, где звуковые источники кодируются в B-формат с учетом их положения в виртуальном пространстве и ориентации слушателя. Например, в Unity используется подключаемый модуль Google Resonance Audio, поддерживающий Ambisonics до третьего порядка с учетом акустических эффектов виртуальных помещений.
Перспективные направления развития технологии Soundfield включают:
Персонализированный бинауральный рендеринг с учетом индивидуальных HRTF слушателя. Исследования показывают, что персонализация HRTF может значительно улучшить локализацию звука и ощущение присутствия. Технически это достигается путем моделирования HRTF на основе фотографий ушей пользователя или адаптивных алгоритмов, настраивающих общие HRTF в реальном времени.
Гибридные системы, объединяющие Ambisonics с объектно-ориентированным аудио. Такой подход, реализованный в формате MPEG-H, позволяет сочетать преимущества обеих технологий — точную локализацию отдельных источников звука и естественное воспроизведение диффузных звуковых полей. Технически это реализуется путем параллельной передачи амбисонических компонентов и метаданных объектов.
Повышение порядка Ambisonics с помощью нейронных сетей. Исследования в области машинного обучения позволяют разрабатывать алгоритмы, способные предсказывать компоненты высших порядков на основе компонентов низших порядков, что потенциально может улучшить качество материала, записанного с помощью микрофонов первого порядка.
Адаптивное декодирование с учетом условий прослушивания. Этот подход предполагает динамическую настройку параметров декодера в зависимости от акустических характеристик помещения и положения слушателя. Технически это реализуется с помощью систем калибровки, использующих измерения акустических характеристик и адаптивных алгоритмов оптимизации.
В перспективе технология Soundfield продолжит развиваться, обеспечивая все более реалистичное и иммерсивное воспроизведение трехмерного звука. С развитием вычислительных мощностей и алгоритмов обработки сигналов становится возможным использование Ambisonics высоких порядков в реальном времени, что открывает новые горизонты для создания и воспроизведения объемного звука в различных медиаприложениях.