Синтез волнового поля - Википедия - Wave field synthesis

Принцип WFS

Синтез волнового поля (WFS) это пространственный звук техника рендеринга, характеризующаяся созданием виртуальных акустическая среда. Он производит искусственный волновые фронты синтезируется большим количеством индивидуально управляемых музыкальные колонки. Такие волновые фронты, кажется, происходят из виртуальной отправной точки, виртуальный источник или же условный источник. В отличие от традиционных методов пространственного размещения, таких как стерео или же объемный звук, локализация виртуальных источников в WFS не зависит от позиции слушателя и не меняется вместе с ней.

Физические основы

WFS основан на Принцип Гюйгенса – Френеля, который утверждает, что любой волновой фронт можно рассматривать как суперпозицию элементарных сферических волн. Следовательно, из таких элементарных волн можно синтезировать любой волновой фронт. На практике компьютер управляет большим количеством отдельных громкоговорителей и приводит в действие каждый из них точно в то время, когда через него проходит желаемый виртуальный волновой фронт.

Базовая процедура была разработана в 1988 г. профессором А.Дж. Беркхоут в Делфтский технологический университет.[1] Его математической основой является Интеграл Кирхгофа – Гельмгольца.. В нем говорится, что звуковое давление полностью определяется в объеме, свободном от источников, если звуковое давление и скорость определены во всех точках на его поверхности.

Следовательно, любое звуковое поле можно реконструировать, если восстановить звуковое давление и скорость звука во всех точках поверхности его объема. Такой подход лежит в основе голофония.

Для воспроизведения вся поверхность объема должна быть покрыта близко расположенными громкоговорителями, каждый из которых индивидуально управляется своим собственным сигналом. Кроме того, зона прослушивания должна быть безэховый, чтобы избежать звуковые отражения это нарушит предположение об отсутствии источника. На практике это вряд ли осуществимо. Поскольку наше акустическое восприятие наиболее точно в горизонтальной плоскости, практические подходы обычно сводят проблему к горизонтальной линии громкоговорителей, кругу или прямоугольнику вокруг слушателя.

Источник синтезированного волнового фронта может находиться в любой точке горизонтальной плоскости громкоговорителей. Для источников за громкоговорителями массив будет создавать выпуклые волновые фронты. Источники перед динамиками могут быть визуализированы с помощью вогнутых волновых фронтов, которые фокусируются на виртуальном источнике и снова расходятся. Следовательно, воспроизведение внутри громкости неполное - оно прерывается, если слушатель сидит между динамиками и внутренним виртуальным источником. Начало координат представляет собой виртуальный акустический источник, который приближается к акустическому источнику в том же месте. В отличие от обычного (стереофонического) воспроизведения, воспринимаемое положение виртуальных источников не зависит от положения слушателя, позволяя слушателю перемещаться или давая всей аудитории согласованное восприятие местоположения источника звука.

Процедурные преимущества

Звуковое поле с очень стабильным положением акустических источников может быть создано с помощью синтеза волнового поля. В принципе, можно создать виртуальную копию настоящего звукового поля, неотличимого от реального звука. Изменение положения слушателя в области воспроизведения может произвести такое же впечатление, как и соответствующее изменение местоположения в комнате для записи. Слушатели больше не относятся к сладкое пятно площадь в комнате.

В Группа экспертов по движущимся изображениям стандартизировал объектно-ориентированный стандарт передачи MPEG-4 который позволяет раздельно передавать содержание (аудиосигнал, записанный без обработки) и форму (импульсный отклик или акустическая модель). Каждому виртуальному источнику звука нужен собственный (моно) аудиоканал. Пространственное звуковое поле в комнате для записи состоит из прямой волны акустического источника и пространственно-распределенного рисунка зеркальных акустических источников, вызванных отражениями от поверхностей комнаты. Уменьшение этого пространственного распределения зеркального источника на несколько передающих каналов приводит к значительной потере пространственной информации. Это пространственное распределение может быть синтезировано намного более точно стороной воспроизведения.

По сравнению с традиционными процедурами воспроизведения, ориентированными на каналы, WFS обеспечивает явное преимущество: виртуальные акустические источники, управляемые содержанием сигнала связанных каналов, могут быть расположены далеко за пределами области воспроизведения обычного материала. Это снижает влияние положения слушателя, поскольку относительные изменения углов и уровней явно меньше по сравнению с обычными громкоговорителями, расположенными в пределах области воспроизведения. Это значительно расширяет зону наилучшего восприятия; теперь он может покрывать почти всю область воспроизведения. Таким образом, WFS не только совместим с традиционными канально-ориентированными методами, но и потенциально улучшает их качество.

Вызовы

Чувствительность к акустике помещения

Поскольку WFS пытается имитировать акустические характеристики пространства для записи, акустика области воспроизведения должна быть подавлена. Одно из возможных решений - использование акустическое демпфирование или иным образом расположить стены в поглощающей и неотражающей конфигурации. Вторая возможность - воспроизведение в ближнем поле. Для того, чтобы это работало эффективно, громкоговорители должны быть очень плотно соединены в зоне слуха, или поверхность диафрагмы должна быть очень большой.

В некоторых случаях наиболее ощутимая разница по сравнению с исходным звуковым полем - это уменьшение звукового поля до двух измерений по горизонтали линий громкоговорителей. Это особенно заметно при воспроизведении атмосферы. Подавление акустики в области воспроизведения не дополняет воспроизведение естественных акустических окружающих источников.

Сглаживание

Есть нежелательные пространственные сглаживание искажения, вызванные зависящими от положения узкополосными обрывами частотной характеристики в пределах диапазона воспроизведения. Их частота зависит от угла наклона виртуального источника звука и от угла расположения слушателя относительно расположения громкоговорителей:

Для воспроизведения без наложения спектров во всем звуковом диапазоне необходимо расстояние между одиночными излучателями менее 2 см. Но, к счастью, наше ухо не особенно чувствительно к пространственному искажению. Обычно достаточно расстояния эмиттера 10–15 см.[2]

Эффект усечения

Другой причиной возмущения сферического волнового фронта является эффект усечения. Поскольку результирующий волновой фронт представляет собой смесь элементарных волн, может произойти внезапное изменение давления, если никакие другие громкоговорители не доставляют элементарные волны там, где заканчивается ряд громкоговорителей. Это вызывает эффект «теневой волны». Для виртуальных акустических источников, размещенных перед громкоговорителем, это изменение давления ускоряется перед фактическим волновым фронтом, благодаря чему оно становится отчетливо слышимым.

В обработка сигналов термины, это спектральная утечка в пространственной области и вызвано применением прямоугольная функция как оконная функция на то, что иначе было бы бесконечным множеством динамиков. Теневую волну можно уменьшить, если уменьшить громкость внешних динамиков; это соответствует использованию другой оконной функции, которая сужается, а не усекается.

Высокая стоимость

Еще одна вытекающая из этого проблема - высокая стоимость. Большое количество отдельных преобразователей должно быть очень близко друг к другу. Уменьшение количества преобразователей за счет увеличения расстояния между ними приводит к появлению артефактов пространственного наложения. Уменьшение количества преобразователей на заданном расстоянии уменьшает размер поля излучателя и ограничивает диапазон представления; за его пределами создание виртуальных акустических источников невозможно.

Исследования и зрелость рынка

Двухмерное размещение массивов динамиков с синтезом волнового фронта.

Ранняя разработка WFS началась в 1988 г. Делфтский университет.[нужна цитата ] Дальнейшая работа проводилась с января 2001 года по июнь 2003 года в рамках проекта CARROUSO Европейским Союзом, в который входили десять институтов.[нужна цитата ] Звуковая система WFS ИОСОНО был разработан Институт Фраунгофера для цифровых медиа-технологий (IDMT) Технический университет Ильменау в 2004 г.

Первая прямая трансляция WFS состоялась в июле 2008 г., когда был воссоздан органный концерт в Кельнский собор в аудитории 104 Технический университет Берлина.[3] В зале установлена ​​самая большая в мире акустическая система с 2700 динамиками на 832 независимых каналах.

Тенденции исследований в области синтеза волнового поля включают рассмотрение психоакустики для уменьшения необходимого количества громкоговорителей и реализации сложных свойств звукового излучения, чтобы виртуальный рояль звучал так же великолепно, как в реальной жизни.[4][5][6]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Бранденбург, Карлхайнц; Брикс, Сандра; Спорер, Томас (2009). Конференция 3DTV 2009: Истинное видение - захват, передача и отображение 3D-видео. С. 1–4. Дои:10.1109 / 3DTV.2009.5069680. ISBN  978-1-4244-4317-8. S2CID  22600136.
  2. ^ «Документ конвенции общества инженеров аудио, пространственные артефакты наложения, создаваемые линейными и круговыми массивами громкоговорителей, используемыми для синтеза волнового поля» (PDF). Получено 2012-02-03.
  3. ^ «Птицы на проводе - Livre du Saint Sacrément Оливье Мессиана в первой в мире прямой трансляции с синтезом волнового поля (технический отчет)» (PDF). 2008. Получено 2013-03-27.
  4. ^ Цимер, Тим (2018). «Синтез волнового поля». В Бадере, Рольф (ред.). Справочник Спрингера по систематическому музыковедению. Справочники Springer. Берлин / Гейдельберг: Springer. С. 329–347. Дои:10.1007/978-3-662-55004-5_18. ISBN  978-3-662-55004-5.
  5. ^ Цимер, Тим (2017). "Ширина источника в производстве музыки. Методы в стерео, амбисонике и синтезе волнового поля". В Schneider, Альбрехт (ред.). Исследования в области музыкальной акустики и психоакустики. Текущие исследования в систематическом музыкознании. 4. Чам: Спрингер. С. 299–340. Дои:10.1007/978-3-319-47292-8_10. ISBN  978-3-319-47292-8.
  6. ^ Цимер, Тим (2020). Синтез звукового поля психоакустической музыки. Текущие исследования в систематическом музыкознании. 7. Чам: Издательство Springer International. Дои:10.1007/978-3-030-23033-3. ISBN  978-3-030-23033-3.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка