В нашем журнале уделяется достаточно серьезное внимание аппаратуре для воспроизведения объемного звука, однако вопрос о технологиях его создания до сих пор не рассматривался. Чтобы исправить столь досадное упущение, мы тщательно изучили рынок и поняли, что не менее важной причиной для исследования является наличие интересных готовых комплектов домашнего кинотеатра, построенных по схеме 2.1. Напомним, что схема 2.1 означает воспроизведение звука при помощи всего лишь двух колонок и сабвуфера. Каждый из производителей этих кинотеатров утверждает, что именно его система позволяет получить настоящее трехмерное звучание при помощи всего лишь двух громкоговорителей. О том, как теоретически можно реализовать построение трехмерной звуковой картины с помощью такой схемы, мы и поговорим в данной статье. После ее прочтения у вас будет прекрасная возможность оценить, как теория соотносится с практикой, так как мы провели подробное тестирование нескольких наиболее интересных кинотеатральных комплектов 2.1 и предлагаем ознакомиться с результатами.

МИНИМАЛИЗМ — ТЕНДЕНЦИЯ НАШЕГО ВРЕМЕНИ

В настоящее время практически все признают важность качественного звука в домашней развлекательной системе (термин «домашний кинотеатр» не совсем корректен, поскольку возможности современных аудиовидеокомплектов гораздо шире, чем простое воспроизведение кинофильмов). И это тем более важно, если учесть тот факт, что на слух приходится около 25% от всей воспринимаемой человеком информации. Именно поэтому воспроизвести драматизм сюжетного действия кинофильма или же передать эмоциональный заряд музыкального концерта просто невозможно без применения устройств создания объемного звука. Такой звук не просто идет откуда-то спереди, а позволяет создать ощущение присутствия, локализовать его источник в трехмерном пространстве.

Всем известно также и то, что традиционные многоканальные системы занимают весьма значительное место, уменьшая тем самым размеры комнаты-гостиной. При покупке такой системы необходимо предусмотреть возможность размещения пяти колонок окружающего звучания (причем две из них должны быть расположены позади зрительского места) и громкоговорителя воспроизведения низкочастотных эффектов — сабвуфера. Помимо места, занимаемого акустическими системами, не следует забывать и об их подключении, то есть в комнате должна быть предусмотрена возможность для прокладки проводов (основная сложность здесь обычно заключается в подключении тыловых громкоговорителей). Естественно, далеко не всем под силу отвести отдельную комнату в квартире под кинозал — что, в свою очередь, приводит либо к полному отказу от качественного звука, либо к созданию его по какой-либо компромиссной схеме. Поэтому нет ничего удивительного, что лидерами продаж являются системы «домашних кинотеатров в одной коробке», сконструированные таким образом, чтобы занимать как можно меньше места и быть максимально незаметными в домашнем интерьере.

Естественно, что такая тенденция порождает весьма соблазнительную для производителей и покупателей идею: полностью отказаться от «лишних» акустических систем без потерь в качестве звучания. Вопрос заключается лишь в том, как создать трехмерное звуковое сопровождение без использования дополнительных каналов. «Избавиться» от центрального громкоговорителя не очень сложно — достаточно соответствующим образом «подмешать» его сигнал в звучание правого и левого фронтальных каналов, и звук локализуется в пространстве посередине между ними. С воспроизведением же пространственных эффектов, которые должны быть локализованы, например, позади зрителя, при отказе от тыловых громкоговорителей (то есть источников, физически расположенных позади зрительского места) возникают вполне очевидные трудности. На первый взгляд это кажется вообще неразрешимой задачей, однако не будем торопиться с выводами.

Во-первых, воспроизведение звука в большинстве случаев происходит не в чистом поле, а в помещении. Ну а любой зал обладает стенами и потолком, которые будут отражать звуковые волны. Поэтому производителю остается лишь правильно рассчитать конструкцию акустических систем, чтобы отраженный звуковой сигнал приходил к слушателю сбоку и сзади, то есть имитировал звучание тыловых громкоговорителей.

Во-вторых, не следует забывать об одном из пяти чувств, о слухе. Человеческое ухо — очень сложное устройство, изучением которого многие годы занимались ученые. Благодаря им понимание механизмов локализации звуковых источников в пространстве позволяет «обмануть» нашу слуховую систему. Так, введение в акустический сигнал, воспроизводимый фронтальными громкоговорителями дополнительных частотных и фазовых составляющих, позволяет добиться эффекта «объемности» звука.

Конечно, реализация этих методов на практике представляет собой значительные трудности, но попытки создания позиционированного трехмерного звука при помощи двух фронтальных громкоговорителей ведутся давно, и определенные результаты уже достигнуты. В том числе и в серийно выпускаемых домашних аудиовидеокомплектах. Для того чтобы лучше понимать особенности их работы, давайте разберемся, как же устроен наш слух, а точнее уши. Каким образом они позволяют нам производить локализацию звуковых источников, определять направление и расстояние до них?

ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ СЛУХ

Основной особенностью нашего слуха является его бинауральное строение. Именно это позволяет нам с вами точно определить место расположения звукового источника в пространстве. Бинауральность означает, что человек имеет два приемника звуковой информации, то есть два уха. Звуковые сигналы, воспринимаемые нашими ушами, обрабатываются в периферической части слуховой системы, подвергаются спектрально-временному анализу, после чего информация поступает в соответствующие отделы головного мозга. Там на основе анализа сравнения сигналов, поступивших с каждого из слуховых каналов, делаются выводы о месте расположения звукового источника, и все это происходит за доли секунды.

Очень интересным является то обстоятельство, что для определения места расположения звукового источника в пространстве слуховая система может использовать не один, а несколько механизмов, каждый из которых наиболее эффективен при решении определенной задачи. Чтобы более подробно рассмотреть данные механизмы, придется вспомнить курс школьной физики старших классов.

ЛОКАЛИЗАЦИЯ ПО УРОВНЮ ИНТЕНСИВНОСТИ ЗВУКОВОГО СИГНАЛА

Этот механизм основан на том, что при излучении звука источником, расположенным под определенным углом к фронтальному направлению, уровень звукового давления на барабанные перепонки в разных ушах будет различным. Различие звукового давления связано с тем, что одно ухо будет находиться как бы «в тени», которую создает голова и туловище. Естественно, что разница в уровнях звукового давления на барабанные перепонки будет зависеть от угла расположения источника по отношению к нам. Анализируя эту разницу, мозг способен сделать вывод о направлении на источник звука. Данный механизм, основанный на разнице уровней интенсивности сигналов, поступающих к ушам, является достаточно эффективным, но лишь на звуковых частотах более 2000 Гц. Дело в том, что при длине звуковой волны, сравнимой с диаметром человеческой головы, дальнее от источника ухо перестает находиться в «акустической тени», что обусловлено таким физическим явлением, как дифракция звуковой волны на поверхности головы.

ЛОКАЛИЗАЦИЯ ПО ВРЕМЕННОЙ РАЗНИЦЕ ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ

На более низких частотах в действие вступает механизм анализа фазового сдвига звуковых сигналов, приходящих к разным ушам. Дело в том, что за счет «разнесенности» ушей в пространстве звуковой сигнал, приходящий от источника, расположенного под некоторым углом к фронтальному направлению, затрачивает различное время для достижения барабанных перепонок. Это приводит к появлению фазового сдвига в сигналах, пришедших от одного и того же источника к разным ушам. Данный фазовый сдвиг может быть проанализирован нашим мозгом, и на основании этого анализа также будет сделан вывод о направлении на звуковой источник. С повышением частоты и соответственно с уменьшением длины звуковой волны фазовый сдвиг сигналов, пришедших от одного и того же источника к разным ушам, увеличивается, и как только он достигает значения, близкого к половине звуковой волны, данный механизм локализации перестает работать, поскольку наш мозг не может однозначно определить — отстает ли звуковой сигнал в одном из слуховых каналов от другого или, наоборот, опережает его. Естественно, чем больше угол между направлением на звуковой источник и плоскостью симметрии человеческой головы, тем больше фазовый сдвиг в пришедших к ушам сигналах. Соответственно с повышением частоты звука угол, в котором мы можем локализовать источник, пользуясь данным механизмом, уменьшается.

ЛОКАЛИЗАЦИЯ ПО СПЕКТРАЛЬНЫМ РАЗЛИЧИЯМ ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ

Еще один механизм локализации звука человеком, который, кстати, является наиболее точным, относится к сложным звуковым сигналам и импульсам и основывается на возможности анализа спектрального состава звука нашим мозгом. Дело в том, что при излучении сложного звукового сигнала (то есть такого сигнала, в спектре которого присутствуют различные частоты) источником, расположенным под определенным углом к плоскости симметрии головы, спектральный состав звука в правом и левом ушах будет различным. Это связано, во-первых, с экранирующим воздействием головы, которое проявляется сильнее на высоких частотах, поэтому в дальнем от излучателя ухе высокочастотных составляющих будет меньше. Кроме того, ушная раковина человека не зря имеет такую сложную форму — по сути, она является точно рассчитанным частотным фильтром, которым наделила нас природа. Фильтрация звуков различной частоты ушной раковиной зависит от направления на источник. При изменении направления звуковой сигнал по-разному отражается от участков ушной раковины и, соответственно, происходит усиление и ослабление различных участков спектра принимаемого звукового сигнала. Анализ спектрального состава звукового сигнала, поступающего в слуховые каналы, является также основным механизмом при определении того, находится ли звуковой источник спереди или сзади от нас. По вполне очевидным причинам механизмы, основанные на оценке разницы интенсивности и фазового сдвига, о которых мы написали выше, в данном случае практически не работают. Ушная же раковина по-разному фильтрует сигналы, приходящие спереди и сзади, поэтому мы и можем сделать вывод об их месторасположении.

ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ ЛОКАЛИЗАЦИЯ

В целом можно сказать, что человеческое ухо наилучшим образом определяет местоположение звуковых источников, которые излучают сигнал со сложным спектральным составом. Чистые тона, которые, кстати, практически не встречаются в природе, поддаются локализации с большим трудом, и разрешающая способность человеческого слуха при этом крайне невелика. Высокие частоты (свыше 8000 Гц) практически не поддаются локализации, точно так же невозможно определить и местоположение источников звука очень низкой частоты (менее 150 Гц) — не зря же производители рекомендуют размещать сабвуферы в домашнем кинотеатре в любом наиболее удобном для вас месте комнаты прослушивания.

Важно понимать, что наш мозг — это вовсе не вычислительная машина, которая, воспринимая импульсы, формируемые в слуховых каналах, производит вычисления по какому-то сложнейшему алгоритму. На самом деле мозг производит не вычисления, а скорее сравнения. Он сравнивает информацию, полученную от ушей, с той информацией, которая уже хранится в нашей памяти. Иными словами, механизм локализации источника основывается прежде всего на личном опыте человека. В нашей памяти хранится информация о том, как звучат те или иные источники в разных точках пространства. Когда мы слышим звук, то наш мозг сравнивает поступающую информацию с той, что хранится в памяти, выбирает наиболее подходящую и на основании этого делает соответствующий вывод.

Хотелось бы также отметить другую особенность нашего с вами восприятия. Точность определения месторасположения звукового источника в пространстве существенно возрастает, когда источник перемещается в пространстве. Это дает нашему мозгу дополнительную информацию, которую он может проанализировать. Если источник является неподвижным, то для его локализации человек подсознательно совершает микроперемещения головы (например, еле заметно поводит ею из стороны в сторону). Таких микроперемещений вполне достаточно для того, чтобы мозг получил информацию, на порядок повышающую точность локализации.

ВЕРТИКАЛЬНАЯ (ВЫСОТНАЯ) ЛОКАЛИЗАЦИЯ

Все, о чем мы говорили выше, относилось в первую очередь к локализации звукового источника в горизонтальной плоскости. Однако, как нам кажется, мы не раскроем особой тайны, если скажем, что человек может определять направление на звуковой источник не только по горизонтали, но и по вертикали. Механизм определения высоты источника имеет определенные отличия от способов, описанных выше. Если при оценке угла в горизонтальной плоскости основополагающим инструментом является бинауральное свойство слуха (т. е. наличие двух приемников звукового сигнала — ушей), то определение высоты в основном моноауральное — используется в первую очередь строение ушной раковины.

Как уже упоминалось, ушная раковина представляет собой своеобразный частотный фильтр с параметрами фильтрации, зависящими от направления на источник. В сложном звуковом сигнале определенные частоты усиливаются ушной раковиной, а другие, наоборот, ослабляются. При изменении высоты источника частотная характеристика сигнала, поступающего в слуховой канал, также будет меняться. Именно эта особенность строения человеческого уха и используется при определении его высоты.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАССТОЯНИЯ ДО ИСТОЧНИКА

Помимо того, что человек может определять направление на звуковой источник, свойства слуха позволяют ему оценивать и расстояние до него. Одним из механизмов определения расстояния является оценка интенсивности звукового сигнала. Например, при относительно небольших расстояниях увеличение расстояния до источника в 2 раза соответствует изменению уровня звукового давления в 6 дБ. При малых расстояниях до источника в действие вступает механизм оценки изменения спектральных составляющих сложного сигнала, которое происходит в связи с искажением фронта звуковой волны головой и ушными раковинами.

Одним из важнейших механизмов, позволяющих нам определять расстояние до источника в помещении, является сравнение прямых сигналов и отраженных от стен и потолка. Таким образом, эффект реверберации (отражение звуковой волны от каких-либо препятствий и ее возврата в точку прослушивания) позволяет использовать один из наиболее точных механизмов локализации звукового источника в помещении.

Обобщая все вышесказанное, можно смело констатировать факт, что наш слуховой аппарат использует различные механизмы для определения местоположения источника звука в 3-мерном пространстве. Поскольку все эти механизмы строятся на сравнении поступающих в головной мозг сигналов с теми, что «хранятся» у него в памяти, то, используя определенные алгоритмы обработки звука, можно «обмануть» наши уши и заставить поверить в то, что звуковой источник расположен там, где на самом деле его нет. Именно на этом и построены современные алгоритмы построения трехмерного звукового пространства в компьютерных играх и, что более важно для нашего издания, домашних аудиовидеосистемах.

БИНАУРАЛЬНОЕ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЗВУКА

Одним из методов построения трехмерного или 3D звукового пространства с помощью двух громкоговорителей являются так называемые бинауральные звуковые системы. Идея бинауральной записи и воспроизведения появилась достаточно давно и заключается в следующем. Предположим, что у нас есть возможность расположить два микрофона с абсолютно линейной амплитудно-частотной характеристикой непосредственно в слуховых каналах головы человека. В этом случае звуковые сигналы, воспринимаемые этими микрофонами, будут содержать в себе всю информацию, необходимую для определения месторасположения звукового источника головным мозгом (об этом мы писали выше). Предположим, что нам удалось без изменений записать эти сигналы. Если затем подать их на головные телефоны (наушники), которые были бы размещены на месте микрофонов, то воспринимаемый нами звук соответствовал бы первичному звуковому полю источника и также содержал бы всю необходимую информацию для локализации его источника в трехмерном пространстве.

Эксперименты по созданию бинауральных звуковых систем проводились с помощью специального манекена, имитирующего человеческую голову, и продолжаются по сей день. Нужно отметить, что в этом направлении были достигнуты значительные успехи. Например, отмечено, что при бинауральной схеме звуковоспроизведения значительно повышается способность слушателя к локализации звуковых источников, усиливается так называемый «эффект присутствия», что и является основной целью при создании домашних развлекательных систем.

Однако, как легко догадаться, не все так гладко, иначе про обычную стереофонию и многоканальные системы домашнего кинотеатра мы бы уже давно забыли. Во-первых, все люди разные, и у всех отличаются формы головы, тела, ушной раковины и так далее. Именно поэтому записи, сделанные с использованием «искусственной головы», носят более чем усредненный характер, а этого порой бывает недостаточно для того, чтобы ввести в заблуждение наш мозг и создать иллюзию трехмерности.

Не менее важным фактом является то, что даже произведя идеальную запись сигнала непосредственно в ушных каналах «искусственной головы», мы не имеем возможности излучать записанные сигналы в слуховых каналах реального слушателя — таких наушников просто не существует. К тому же не существует аппаратуры, которая могла бы абсолютно точно записывать и воспроизводить звук (любая аппаратура вносит свои изменения, а в данном случае важны мельчайшие нюансы). Наконец, многие просто не любят прослушивать музыку в наушниках, испытывая при этом значительный дискомфорт. Этот дискомфорт, в частности, связан еще и с тем, что при использовании качественных студийных или Hi-Fi наушников закрытого типа наши ушные раковины оказываются прижатыми к голове. А такое положение является для них неестественным, что, в свою очередь, приводит к снижению точности пространственного восприятия и быстрой утомляемости.

Широкому распространению бинауральных звуковых систем мешает также и то, что записи для них должны быть сделаны специальным образом (обычные стереозаписи не подойдут, поскольку они не несут всей необходимой для пространственной локализации информации). Такие записи в принципе есть, но их крайне немного, да и стоят они достаточно дорого, поэтому их следует рассматривать скорее как демонстрационный материал, нежели как возможность использования в системах домашнего развлечения.

ФУНКЦИИ HRTF

Идея записи и воспроизведения трехмерного звука с помощью бинауральных систем получила свое развитие с появлением и совершенствованием процессоров звуковой обработки. Действительно, звуковой сигнал, поступающий в слуховые каналы человека, получается за счет определенной трансформации (по частоте, фазе и уровню) сигнала, излучаемого источником звука. Функции, по которым производится данная трансформация, получили название HRTF (Head Related Transfer Function или Передаточная Функция Головы). Стоит ли говорить, что эти функции слишком сложны для того, чтобы их можно было получить обычными вычислительными методами. Как правило, их получают экспериментальным путем, измеряя параметры звукового сигнала с использованием описанных выше манекенов. Проведение многочисленных экспериментов позволило разработчикам пространственных звуковых систем создать значительную базу данных, использование которой в современных звуковых процессорах позволяет добиться впечатляющих результатов. Так, если звуковой процессор, занимающийся обработкой сигнала, обладает достаточным быстродействием для расчета звуковых характеристик с использованием HRTF в реальном времени, то система, в которой он работает, сможет создавать трехмерное звучание без использования специальных бинауральных записей и головных телефонов в слуховых каналах. Кстати, библиотека HRTF фильтров создается в результате лабораторных измерений, производимых с использованием манекена, носящего название KEMAR (Knowles Electronics Manikin for Auditory Research) или с помощью специального «цифрового уха», разработанного в лаборатории компании Sensaura.

CROSSTALK CANCELLATION

Современные процессоры позволяют обходиться вообще без наушников, а использовать обычные акустические системы. Однако при этом необходимо задействовать специальный алгоритм обработки, называемый Crosstalk Cancellation. Суть этого алгоритма в следующем. Предположим, что мы подаем сигнал, обработанный звуковым процессором с использованием функций HRTF, на обычные акустические системы. Предположим также, что используемые в процессоре функции позволяют учесть тот факт, что звуковые сигналы излучаются не наушниками, а удаленными от слушателя громкоговорителями. Однако даже при этом мы не сможем просто так получить желаемый результат. Дело в том, что наушники без проблем позволяют подвести сигнал, предназначенный для правого уха, именно к этому уху и только к нему, левое ухо его слышать не будет. То же самое можно проделать с сигналом, предназначенным для левого уха. В случае использования обычных громкоговорителей это, к сожалению, невозможно. Сигнал, излучаемый левым громкоговорителем, будет восприниматься обоими ушами — и левым, и правым, и наоборот. Алгоритм Crosstalk Cancellation подразумевает «подмешивание» в левый громкоговоритель сигнала, предназначенного для правого громкоговорителя, но с определенной задержкой во времени. Эта задержка подбирается таким образом, чтобы звук, пришедший к правому уху от левого громкоговорителя, оказался в противофазе с «подмешанным» сигналом от правого громкоговорителя. При этом они нейтрализуют друг друга, и левое ухо будет воспринимать только сигнал с левой колонки, а правое — с правой.

Даже в теории, как видите, все получается достаточно непросто, на практике же построение 3D-звука с помощью двух акустических систем является архисложной задачей. В частности, все расчеты, о которых мы написали выше, можно произвести только для конкретной области прослушивания, которая называется Sweet Spot (дословно — «сладкое пятно»). Как только слушатель покинет пределы этой области, алгоритм Crosstalk Cancellation перестанет работать, поскольку требуемые сигналы перестанут приходить в противофазе. Также очень многое зависит и от характеристик самого звуковоспроизводящего тракта, и в первую очередь от акустических систем.

Вот почему большинство производителей пока ограничиваются использованием упрощенных алгоритмов построения 3D-звука с применением усредненных (подходящих для большинства людей) функций HRTF. В результате создаваемая звуковая картина также получается весьма усредненной либо же не получается вовсе. В любом случае использование данного метода требует дальнейших исследований.

ОСОБЕННОСТИ ПСИХОАКУСТИЧЕСКОГО ВОСПРИЯТИЯ

Итак, как мы видим, создание трехмерного позиционируемого звука с помощью двух громкоговорителей является весьма сложной, практически невыполнимой на сегодняшний день задачей. Это утверждение было бы справедливо, если бы не одна важнейшая особенность нашего слуха. Дело в том, что при недостатке информации или же при поступлении такой информации, которая не соответствует той, что хранится у нас в памяти, человеческий мозг самостоятельно достраивает звуковую картину до той, которая укладывается в его представления о звуках, которые могут существовать в реальном мире. Иными словами, для того, чтобы «обмануть» наш мозг, совершенно не обязательно в точности воссоздавать желаемый звуковой образ. Достаточно лишь «намекнуть» ему, чтобы он «извлек из памяти» ту трехмерную картину, которая нам нужна. В качестве аналогии можно привести метод записи музыки в формате mp3. Всем известно, что в этих записях отсутствует множество информации, которая, казалось бы, просто необходима для адекватного восприятия музыки. Тем не менее информации все же оказывается достаточно для достоверной передачи — недостающую звуковую информацию мозг достраивает самостоятельно.

Помимо этого не следует забывать, что в домашнем кинотеатре помимо звука есть еще и изображение, то есть наш мозг кроме звуковой получает еще и зрительную информацию. Это очень существенный момент, поскольку появление еще одного (кстати, основного) информационного канала позволяет существенно упростить процедуру введения нашего мозга в заблуждение, а следовательно, добиться пресловутого «эффекта присутствия», к которому мы собственно и стремимся, просматривая фильмы в домашнем кино. Так что современные акустические системы формата 2.1 могут спокойно продаваться под девизом: «Я сам обманываться рад!»

Закончив с теоретическими выкладками, предлагаем вам ознакомиться с небольшим тестом четырех систем формата 2.1. Все они позиционируются производителями как домашние кинотеатры с функцией виртуального 3D-звучания. Теперь вы сможете посмотреть, как теория соотносится с практикой, и, соответственно, решить для себя, стоит ли покупать подобные системы в качестве альтернативы многоканальным комплектам, или же это пока преждевременно...