Zvukové karty a jejich vývoj - 3. část | Kapitola 3

3D audio technologie

Každý člověk je schopen vnímat zvuk prostorově, tedy tak, že dokáže víceméně přesně určit jeho zdroj a zda tento se tento zdroj přibližuje, vzdaluje, nebo zůstává stacionární. K tomu každému z nás slouží vlastní tělo a tvar uší deformující přicházející zvuk a samozřejmě zdaleka nejvíce mozek. Ten zachycený zvuk vyhodnocuje a určuje jeho přibližnou polohu, vzdálenost, ale i směr pohybu. Mozek k tomu dovede využívat samozřejmě i nabytých zkušeností a může být v tomto umění dále trénován až do neskutečných výkonů. Možná jste někde viděli reportáž o mladém nevidomém muži, jenž si pomocí luskání prstů a poslouchání okolí dokáže vytvořit představu o tom, co jej obklopuje. Ale to je spíše extrémní případ.

Pokud chceme využít zvukovou kartu pro přednes prostorového, neboli 3D audia, můžeme použít v zásadě dva hlavní postupy. Prvním je simulace prostředí pomocí dvou reproduktorů, nebo nejlépe kvalitních sluchátek a druhým je využití více reproduktorů rozestavěných v prostoru kolem počítače.

Panning (RightMark 3D Sound: Positioning Accuracy Test)

Sluchátka by teoreticky měla dokonale stačit, neboť i my přeci máme pouze dvě uši. Je tu však několik problémů – zvuk nevnímáme pouze ušními otvory, ale něco třeba i přes lebku a tělo vůbec a potom, pokud se zvuk nehýbe, pak k určení jeho polohy potřebujeme takzvaně nastražit uši, tedy jinými slovy natočit hlavu, čímž k nám zvuk přijde jakoby z jiného směru a my získáme dostatek informací pro určení polohy jeho zdroje. Toho ale pochopitelně nemůžeme se sluchátky využít, leda bychom chtěli skončit jako pes, kterého zaujal vlastní ohon.

Netřeba představovat

První pokusy o jakýs takýs 3D zvuk byly již učiněny u starých 3D stříleček, kde se používala primitivní forma změn hlasitosti - audio panning. Mono zvuky byly tedy přehrávány se změnou hlasitosti v každém kanálu a tím dostal hráč alespoň základní informaci o tom, zda se ta potvora nachází nalevo, nebo napravo. Ale to je vše; již nezjistíme, jestli je před námi, za námi, natož nahoře nebo dole.

příklad HRTF

Další pokroky přinesly až modifikace zvuku pomocí HRTF (Head Related Transfer Function). Tyto funkce právě napodobují jisté deformace zvuků, jež způsobuje fakt, že je přijímáme z různých stran. Zvuk se pak nejen kvůli ušním boltcům mění a tyto změny musí být pro poskytnutí prostorového vjemu ze dvou reproduktorů nebo sluchátek. Funkce HRTF pak mění zvuk dle pozice jeho zdroje a domnělého posluchače. Nejvíce se logicky mění vyšší tóny, neboť ty jsou v prostředí nejvíce ovlivňovány. Právě proto také tolik nezáleží na poloze subwooferu a právě proto stačí pouze jeden.

Největší výhodou HRTF tedy je, že pracuje i s použitím pouhých sluchátek. Ty jsou oproti dvěma klasickým reproduktorům daleko vhodnější, protože nevzniká problém s tím, že by signál určený pouze pro pravé ucho vnikal částečně i do levého a naopak. Tomu se říká přeslech (v originále Cross Talk Effect) a ten se musí při použití externích reproduktorů nějak potlačit. K tomu se může využít například metoda Directional Enhancement (zvýšení směrovosti), nebo také Cross Talk Cancellation – vzájemné vyrušení kanálů, kdy se nepatrně opožděně pošle signál například z levého reproduktoru, který je zrcadlový k signálu z pravého reproduktoru. Signály se setkají, když dorazí k levému uchu a tam se navzájem vyruší.

HRTF funguje dobře při simulaci zvuků, které se odehrávají ve větší vzdálenosti od posluchače, ale problémem jsou zvuky vzdálené pouhý jeden metr a méně. Zde již HRTF tolik nefunguje, a tak přichází na řadu MacroFX. Ta u blízkých zdrojů nahrazuje HRTF a využitím speciálních algoritmů vytvářejících zvuk ‘obepínající celou hlavu’, díky čemuž máme pocit, že na nás někdo řve opravdu zblízka. Tento algoritmus je již součástí DirectSound3D.

Reproduktory v rozestavění 5.1

Další vylepšení přináší použití více reproduktorů v sestavách 4.1, 5.1, nebo až 7.1. Ty dnes dokáží zprostředkovat lepší prostorový vjem, ale zato jsou náročné na prostor, protože ne každý si ve svém kutlochu může libovolně rozestavit reproduktory, především tedy zadní, případně boční. Na jejich rozestavění přitom velmi záleží, protože posluchač musí být pro dosažení nejkvalitnějšího prostorového vjemu v tzv. sweet spotu. To je bod, nebo spíše oblast, kde je prostorový zvuk vnímán nezkresleně a nejvěrněji. V konfiguraci se čtyřmi reproduktory rozestavěnými kolem posluchače je to tedy oblast, která je průnikem dvou oblastí tvořenými předním a zadním párem reproduktorů pomocí funkcí HRTF (někde se pro usnadnění využívá u zadních reproduktorů pouhé změny v hlasitosti – panning). Zde se ale musí také použít algoritmy pro vyrušení signálů u každého reproduktoru a to znásobuje požadavky na výpočetní sílu.

Vzdálenosti, simulace atmosféry, Dopplerův efekt

3D audio v moderních hrách samozřejmě není pouze o tom, že jsme schopni určit pouhý vektor, ze kterého zvuk přichází. Je také nutné vzít v potaz další simulace, třeba velmi důležité odstupňování hlasitosti podle vzdálenosti posluchače od zdroje. Jak jistě dobře víte, atmosféra umožňuje šíření zvuků, ale zároveň toto šíření i se vzdáleností tlumí.

Stanovení minimální a maximální vzdálenosti (digit-life.com)

V herním prostředí se tedy určí minimální vzdálenost a maximální vzdálenost. Od minimální vzdálenosti se zvuk začne postupně dle logaritmických funkcí ztišovat a když se jeho zdroj přiblíží k maximální vzdálenosti, měl by již být opravdu slabý. Po jejím překročení se zvuk jednoduše vypne, aby se ulehčilo procesoru od počítání již těžko slyšitelných efektů. Minimální a maximální vzdálenosti se mohou také zvolit pro každý zvuk zvlášť, protože by byl nesmysl je mít stejně nastavené pro výbuch a cinkot prázdných nábojnic.

Aureal Vortex čipy také dokáží vylepšit tuto funkci (zahrnutou v DirectSound 3D) o efekty simulující vliv atmosféry na šíření zvuku. Zde se uplatňuje fakt, že vyšší frekvence jsou v závislosti na vzdálenosti a hustotě vzduchu absorbovány a tím se i mění výsledný zvuk.

Dopplerův efekt

Pokud neznáte Dopplerův efekt, pak se jedná zhruba o toto. Jistě jste si již všimli, že pokud stojíte na místě a směrem k vám se pohybuje zdroj zvuku - třeba vozidlo (ne však již F-22 při Mach 2), pak jeho zvuk zní jinak než poté, co projede kolem a pohybuje se zase směrem od vás. Je to způsobeno zhuštěním zvukových vln, neboť rychlost jejich šíření se k rychlosti vozidla nepřičte. Zvuk tedy zní jinak, než kdybyste se pohybovali stejnou rychlostí vedle vozidla a už zcela jinak, než když se vozidlo od vás vzdaluje, protože tam se zvukové vlny naopak roztáhnou. Stejný princip funguje například i u šíření světla, což dobře slouží v astronomii při určování směru a rychlosti pohybu vzdálených hvězd.

Co se týče her a aplikace Dopplerového efektu v nich, pak nejvíce z něj dokáží vytěžit samozřejmě ty, kde se pohybují zdroje zvuku větší rychlostí kolem posluchače – tedy simulátory a závodní hry vůbec.