Информации

Системы обработки и вывода звуковой

Использование звуковой информации дает значительный психологический выигрыш пользователю при работе с микроЭВМ. Особенно указанное преимущество проявляется при обработке анимационных и видеопрограмм трехмерной графики, имеющих звуковое сопровождение.

Большое внимание качественному восприятию звука начало уделяться с 70-х годов. Именно в эти годы широкое распространение получило стереофоническое звучание, при котором пространственная картина звука формировалась двумя источниками звука, расположенными на определенном расстоянии друг от друга перед слушателем. Для получения качественной звукопередачи нашло большое применения технология “расширенного” стереовещания, при котором исходный стереосигнал обрабатывался при помощи различных фильтров, в результате чего расширялась стереобаза (условное расстояние между источниками звука). В этом случае различия между правым и левым каналами даже при небольшом физическом расстоянии между источниками звука становилось более ощутимыми и создавалось впечатление о том, что при приближении к источникам звук меняет свою окраску, как бывает в реальной жизни.

В эти же годы шли первые работы в области объемного или квадрофонического звучания. В этом случае звук формировался уже четырьмя источниками, расположенными по четырем углам равностороннего прямоугольника, в центре которого находился слушатель. При этом передние (фронтальные) источники звука были основными и передавали до 80-85% звуковой мощности. Задние (тыловые) источники звука являлись вспомогательными и предназначались, в основном, для улучшения окраски звука путем придания ему объемности звучания.

Однако квадрофоническое звуковещание большого распространения не получило, так как на то время имелись большие технологические трудности при записи четырехканального звука. Поэтому получило развитие технология звукопередачи - псевдоквадрофония, позволяющая в стерео режиме имитировать объемность звучания. Эта технология подразумевает использование фильтров, позволяющая менять окраску тыловых источников. При фильтрации производится либо изменение частотного спектра звукового диапазона, либо смещение фазы тыловых сигналов по отношению к фронтальным.

Наибольшее распространение получили такие технологии, как SRS, Spatializer и Qsound, по-другому называющиеся 3DSound или 3D Stereo, в том числе при построении высококачественных цифровых систем обработки звуковой информации.

Новатором и законодателем многоканального звука в профессиональной сфере является компания Dolby Labs. Именно она установила стандарт Dolby Surround, который лег в основу других стандартов, получивших достаточное распространение в профессиональной сфере звукотехники. Среди этих стандартов можно отметить такие, как Dolby ProLogic и Dolby Digital AC-3. Согласно технологии АС-3 запись звука происходит при помощи нескольких источников звука, либо осуществляется микширование таким образом, чтобы в результате получалось несколько звуковых потоков. Здесь подразумевается использование пяти источников - одного фронтального, двух передних (левого и правого) и двух задних, а также одного канала для воспроизведения только низких частот (сабвуфера). Возможно добавление к пяти источникам звука еще двух боковых, которые располагаются между передними и задними.

При технологии АС-3 все звуковые потоки кодируются и сжимаются в единую цифровую цепочку, а при воспроизведении - декодируются и усиливаются каждый своим усилителем.

В компьютерных программах эта технология из-за громоздкости и дороговизны не находит широкого применения. Для реализации технологии АС-3 при декодировании используется другой, более доступный принцип - декодирование проводится не на пять, а на два звуковых потока, то есть на два канала. При этом главное внимание уделяется сохранению некоего объема звучания в пространстве. Технология получила название A3D и была запатентована компанией Aureal, которая и производит микросхемы-декодеры, работающие на этой технологии.

В основе технологии A3D лежит возможность создания некоего виртуального звукового окружения, где местоположение источников звука меняется в зависимости от действий слушателя. При работе с трехмерными программами это выглядит таким образом, что если слушатель разворачивается, например, налево, то соответственно вся звуковая картина сдвигается вправо, сохраняя расстояния друг между другом и до слушателя. Если же слушатель наклоняется вперед, то картина уходит вверх, бежит - звуки спереди усиливаются, а сзади - затихают и т.д. Более того, в понятие “звуковое окружение” входит и отражение сигнала от различных поверхностей (эхо), и неравномерное распространение высокочастотных и низкочастотных звуковых сигналов в воздухе, и неодинаковый характер звука при прохождении его сквозь различные материалы (воду, стены, стекло и т.д.), и, наконец, разная окраска звука в открытых и закрытых пространствах. Все перечисленные факторы должны включаться в виртуальное звуковое окружение, что и предполагает технология A3D.

Принцип работы эмулятора трехмерного звука, построенного по технологии A3D, заключается в реализации следующих положений:

- если звук тихий и приглушенный, то источник его находится далеко,

- если звук глухой, но достаточно громкий, то между его источником и слушателем находится какая-то преграда, например, стена,

- если применить реверберацию, то регулируя время задержки отраженного сигнала, можно создать видимость естественного эха, тем самым эмулируя закрытые помещения разного объема и открытую местность.

Известно, что сигналы с длиной волны менее 15 см - это средне- и высокочастотный диапазоны - позиционируются в пространстве значительно легче, чем сигналы низкой частоты. Поэтому стереоэффекты обычно слышны именно на высоких частотах, а низкий звук обычно слышен как бы со всех сторон. Соответственно, трехмерное звуковое окружение формируется именно в этой области, что делать значительно легче, чем манипулировать всем звуковым диапазоном. Также известно, что человеческое ухо и мозг различают направление сигнала, вычисляя разницу во времени, с которой сигнал попадает в каждое ухо: если сигнал приходит раньше в левое ухо, то источник находится слева, и наоборот. И, наконец, большое значение имеет давление звука на стенки ушной раковины - при отсутствии прямой связи между источником звука и ухом значительно труднее определить направление и расстояние до источника звука.

Трехмерные технологии основываются на так называемых HRTF - технологиях (Head-Related Transfer Functions), которые у каждого человека отличаются, но принцип работы у всех одинаков. Проще говоря, каждый индивидуум слышит по-своему. В A3D HRTF-функции эмулируются следующим образом: на каждом звуковом канале используется сложный активный фильтр, который создает пространственную картину. При этом все особенности человеческого восприятия звука учитываются этими фильтрами. Для этой эмуляции нужен достаточно мощный DSP-процессор (Digital Signal Processor), который встраивается в звуковую карту.

Самым главным при работе со звуком является обеспечение синхронного взаимодействия звукового и видеоизображения. Важность этого объясняется тем, что в большинстве анимационных и видеопрограммах, использующих трехмерную графику, движущиеся объекты издают звуки определенной окраски и интенсивности. DSP-процессор принимает аудио сигналы и обрабатывает их таким образом, что оператор (он же и слушатель) может адекватно указать источник звука, Производительность и направление его перемещения.

На практике существует ряд схемотехнических решений звуковых карт, реализующих многие или все указанные выше особенности при формировании звуковых потоков (Monster Sound, Montego A3D, PCI 338-A3D, Storm 3D, Audio Wave, Magic Wave и др.). Не останавливаясь подробно на каждой из них, можно привести некоторые общие их черты:

- возможность одновременной записи и воспроизведения звука (полный дуплекс),

- эффекты реального времени для одного или нескольких сигналов (от микрофона, с линейного входа, WAVE, MIDI, CD и пр.),

- динамическое шумоподавление,

- технология Surround, обеспечивающая возможность получения объемного звучания,

- использование многополосного графического эквалайзера для коррекции частотной характеристики источников звука,

- реверберация (эхо),

- многоголосная полифония, позволяющая реализовывать звуки от различных источников на аппаратном и программном уровне,

- отношение сигнал-шум, показывающий отношение уровня полезных сигналов к уровню сигналов помехи,

- динамический диапазон, отображающий отношение громких сигналов к тихим,

- оцифровка, показывающая разрядность и частоту данных, которыми передаются звуковые сигналы.

Дата добавления: 2015-06-04