Войти
WFS Принцип Синтез волнового поля (WFS ) - это метод пространственного аудио рендеринга, характеризующийся созданием виртуальных акустических сред. Он создает искусственные волновые фронты, синтезированные большим количеством индивидуально управляемых громкоговорителей. Такие волновые фронты, кажется, происходят из виртуальной отправной точки, виртуального источника или условного источника. В отличие от традиционных методов пространственного звучания, таких как стерео или объемный звук, локализация виртуальных источников в WFS не зависит от положения слушателя и не изменяется вместе с ним.
WFS основан на принципе Гюйгенса – Френеля, в котором говорится, 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 желаемый виртуальный волновой фронт проходит через него.
Основная процедура была разработана в 1988 году профессором А.Дж. Беркхаут в Технологическом университете Делфта. Его математическая основа - 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 голофонии.
Для воспроизведения вся поверхность тома должна быть покрыта близко расположенными громкоговорителями, каждый из которых индивидуально управляется своим собственным сигналом. Кроме того, зона прослушивания должна быть безэховой, чтобы избежать отражений звука, которые нарушили бы предположение о громкости без 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.
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 находятся в зоне зоны наилучшего восприятия в комнате.
Группа экспертов по движущемуся изображению стандартизировала объектно-ориентированный стандарт передачи MPEG-4, который позволяет раздельную передачу контента (аудиосигнал сухой записи) и формы ( 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 традиционного воспроизведения 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.
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 того, чтобы это работало эффективно, громкоговорители должны быть очень плотно соединены в зоне слышимости, или поверхность диафрагмы должна быть очень большой.
В некоторых случаях наиболее заметным отличием от исходного звукового поля является 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.
Имеются нежелательные пространственные искажения сглаживания, вызванные зависящими от положения узкополосными обрывами частотной характеристики в пределах диапазона воспроизведения. Их частота зависит от угла наклона виртуального акустического источника 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.
Другой причиной нарушения сферического волнового фронта является эффект усечения. Поскольку результирующий волновой фронт представляет собой смесь элементарных волн, может произойти внезапное изменение давления, если никакие другие динамики не доставляют элементарные волны там, где заканчивается ряд динамиков. 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 терминах обработки сигналов это спектральная утечка в пространственной области и вызвана применением прямоугольной функции как оконная функция о том, 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.
Еще одна проблема, которая возникает в результате, - высокая стоимость. Большое количество отдельных преобразователей должно быть 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 его пределами создание виртуальных акустических источников невозможно.
Двухмерное размещение массивов громкоговорителей с синтезом волнового фронта. Ранняя разработка WFS началась в 1988 году в Делфтском университете. Дальнейшая работа проводилась с января 2001 года по июнь 2003 года в рамках проекта CARROUSO Европейским Союзом, в который входили десять институтов. Звуковая система WFS IOSONO была разработана Институтом Фраунгофера для цифровых медиа-технологий (IDMT) Техническим университетом Ильменау в 2004 году.
Первая прямая трансляция WFS состоялась в июле 2008 года, когда был воссоздан органный концерт в Кельнском соборе в лекционном зале 104 Берлинского технического университета. В зале установлена самая большая в мире акустическая система с 2700 динамиками на 832 независимых каналах.
Исследования 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.
