Системы воспроизведения Ambisonic

Проектирование акустических систем для воспроизведения Ambisonic регулируется несколькими ограничениями:

желаемый пространственный рабочий диапазон (только горизонтальный, полусферический, полносферный),
преобладающее разрешение (= Ambisonic порядок) ожидаемого программного материала,
желаемые характеристики локализации и размер зоны прослушивания в зависимости от доступного количества динамиков и каналов усиления, и
теоретически оптимальное распределение динамиков по сравнению с фактически доступными вариантами размещения и/или оснащения.

На этой странице предпринята попытка обсудить взаимодействие этих ограничений и их различные компромиссы в теории и практике, а также визуальные преимущества или недостатки конкретных схем расположения динамиков, которые наблюдались в реальных условиях.

Общие соображения

Эффект ближнего поля

В своей первоначальной формулировке Ambisonics предполагала , что для воспроизведения используются источники плоских волн , что подразумевает наличие динамиков, находящихся на бесконечно большом расстоянии. Это предположение приведет к выраженному усилению басов для акустических систем небольшого диаметра, которое увеличивается с увеличением порядка Ambisonic. Причина — тот же эффект близости , который возникает у направленных микрофонов. Поэтому соответствующая компенсация ближнего поля (выравнивание низких частот) полезна.

Расстояние до динамика в зависимости от углов

Это же предположение о плоской волне позволяет изменять расстояние до громкоговорителей в разумных пределах, не нарушая правильную работу декодера, при условии, что разница компенсируется задержкой, мощность регулируется для равномерной громкости в центре, и это за -Используется компенсация ближнего поля динамика. Расстояние не влияет на матрицу декодера.

Таким образом, переменное расстояние до динамиков является наиболее важной степенью свободы при использовании идеализированной планировки в реальных комнатах. Он ограничен реверберацией помещения, что приводит к неравномерному соотношению прямой и реверберации между динамиками на разных расстояниях, а также способностью выдерживать мощность самого удаленного динамика. Если динамики необходимо переместить очень близко, необходимо позаботиться о том, чтобы они по-прежнему охватывали всю зону прослушивания с достаточно ровной частотной характеристикой.

С другой стороны, углы динамиков должны соблюдаться как можно точнее, если только оптимизированный нерегулярный декодер не может быть создан в полевых условиях.

Горизонтальная и полносферная точность

Для горизонтального контента горизонтальные системы обеспечивают более стабильную локализацию на высоких частотах, чем полносферные, как показано моделированием вектора энергии. ${\vec {r_{E}}}$ . Поэтому, если требуется периодическое воспроизведение только по горизонтали с высочайшей точностью, предпочтительными являются полносферные макеты с плотным горизонтальным кольцом.

Поэтапность

Поскольку несколько динамиков неизбежно будут излучать очень сильно коррелированный контент, движущийся слушатель может испытать эффект фазировки , который влияет на воспринимаемый тембр и может нарушить локализацию. Артефакты фазировки наиболее заметны в сухих помещениях в очень точно откалиброванных системах. Их можно уменьшить, добавив высокие динамики, которые имеют тенденцию сглаживать эффект, или настроить до субъективного минимума, введя шахматные задержки в динамиках, понимая, что это может отрицательно сказаться на локализации низких частот, если переусердствовать.

Проблемы с фазировкой обычно становятся очевидными при прогулке и вызывают меньшую озабоченность у сидящей аудитории, если только интерференционная картина не настолько плотная, что ее можно воспринимать при небольших движениях головы.

Закрытие громкоговорителя

Для сред и аудиторий с несколькими слушателями перекрытие говорящих нельзя недооценивать другими слушателями. Как правило, чем выше порядок и физически точнее воспроизведение, тем оно более надежное, вплоть до того момента, когда окклюзия создает реалистичные эффекты, соответствующие зрительному восприятию затронутого слушателя. Однако для систем низкого уровня реконструкция может легко полностью провалиться, если прямая видимость динамиков заблокирована, что привело к странному расположению сидений при тестах на прослушивание. ^{[ 1 ]}

Системы с регулируемой высотой обычно обеспечивают более беспрепятственный обзор в каждом направлении для данной аудитории, что может повысить их надежность.

Количество динамиков в зависимости от разрешения исходного материала

Солванг ^{[ 2 ]} и другие показали, что использование количества динамиков, превышающего минимально необходимое, может быть вредным. Причина проста: больше динамиков с постоянным угловым разрешением означает более высокие перекрестные помехи и, следовательно, более высокую корреляцию между динамиками. Если этого не сделать, это приведет к более сильному эффекту гребенчатой фильтрации и артефактам фазировки при движении слушателя.

Следовательно, при использовании некоторых методов декодирования может быть целесообразным рассмотреть вопрос о том, можно ли (и каким образом) разумно обычный декодер низшего порядка, в котором отсутствуют некоторые динамики, встроиться в любую конструкцию системы более высокого порядка. Например, восьмиугольник третьего порядка позволяет создать совершенно правильный квадрат первого порядка, используя только все остальные динамики.

Только горизонтальные системы

Установки только с горизонтальным воспроизведением являются наиболее часто используемыми и наиболее тщательно исследованными акустическими системами Ambisonic, поскольку они представляют собой следующий экономический шаг после обычного стерео. Они могут воспроизводить полносферный контент, но приподнятые источники будут проецироваться на горизонтальную плоскость, а источники в зените и надире будут воспроизводиться в моно всеми доступными динамиками.

В литературе полно горизонтальных декодеров, основанных на более простых цилиндрических гармониках , не зависящих от угла места. $\phi$ . Их использование не рекомендуется, поскольку они ошибочно предполагают цилиндрические волны, для воспроизведения которых потребуются идеальные линейные источники. Реальные динамики являются точечными источниками и неизбежно будут рассеивать энергию вдоль вертикальной оси, что имеет последствия для компенсации ближнего поля и настройки двухдиапазонных декодеров. Следовательно, цилиндрические декодеры обычно не соответствуют критериям Ambisonic .

Треугольник

Теоретический минимум динамиков для горизонтального воспроизведения составляет $2\ell +1$ или количество компонентов Ambisonic. Однако треугольник показывает, что для правильной реконструкции звукового поля необходим как минимум еще один динамик, поскольку он демонстрирует чрезмерную задержку динамика : при панорамировании звуки будут прилипать к местоположениям динамиков, а затем перепрыгивать на следующий динамик, вместо того, чтобы показывать равномерное движение. В результате направления ${\vec {r_{V}}}$ и ${\vec {r_{E}}}$ не совпадают между динамиками, что приводит к ошибкам локализации. ^{[ 3 ]}

Следовательно, треугольник является подходящей установкой для воспроизведения Ambisonic только на низких частотах.

Квадратные или прямоугольные конструкции

Установки с четырьмя динамиками являются наиболее экономичным способом воспроизведения горизонтального материала первого порядка, а прямоугольная планировка легче всего вписывается в гостиную, что делает эти установки наиболее распространенными в домашних условиях. В случае с прямоугольниками существует компромисс в производительности локализации: короткие стороны локализуются более стабильно, чем квадрат, а длинные стороны хуже. Следовательно, для преимущественно фронтальных звуковых сцен Бенджамин, Ли и Хеллер (2008) наблюдали предпочтение прямоугольной планировки перед квадратной. ^{[ 4 ]}

Все устаревшие отечественные аппаратные декодеры поддерживали прямоугольную раскладку, обычно с переменным соотношением сторон.

ИТ 5.1

Заманчиво рассмотреть системы 5.1 для воспроизведения Ambisonic из-за их широкой доступности, но раскладка ITU-R BS775 весьма враждебна Ambisonics из-за своей крайней нерегулярности. Три передних динамика расположены настолько близко друг к другу (-30°, 0°, +30°), что в первом порядке они будут демонстрировать значительные перекрестные помехи, что приводит к раздражающим артефактам фазировки, не приносящим никакой пользы. Поэтому желательно опустить центральный динамик и декодировать только L, R, Ls и Rs, как это было сделано во всех предварительно декодированных версиях G-формата для 5.1. Эти диски G-формата также имеют прямоугольную форму. Если требуется воспроизведение первого порядка, задние динамики следует переместить соответствующим образом, иначе изображение Ambisonic будет очень нестабильным из-за большого угла между динамиками объемного звучания.

Подходы к декодированию 5.1 были впервые предложены Герзоном и Бартоном в 1992 году. ^{[ 5 ]} и впоследствии запатентован. ^{[ 6 ]} Адриансен предоставляет бесплатный декодер второго порядка, полученный с помощью генетического поиска. ^{[ 7 ]} и Виггинс (2007) показали, что исходный материал четвертого порядка может быть полезен для «управления» функциями декодирования, даже если система не способна воспроизвести полное пространственное разрешение. ^{[ 8 ]}

Материал второго и третьего порядка можно удовлетворительно воспроизводить в формате ITU 5.1, но из-за проблем с воспроизведением первого порядка его не следует рассматривать для Ambisonics, за исключением случаев, когда преобладает контент 5.1.

Шестиугольник

Если доступны шесть динамиков и достаточно места, шестиугольник — очень хороший вариант, превзошедший четырехканальные установки по воспроизведению первого порядка в тестах на прослушивание. ^{[ 4 ]} и способен к воспроизводству второго порядка. Он может управляться недорогой звуковой картой 5.1 и отечественным усилителем 5.1 при условии, что выход LFE имеет полный диапазон.

При использовании с одним динамиком спереди шестиугольником можно злоупотреблять для воспроизведения в формате 5.1 за счет значительно более широкой и размытой стереосцены (120° вместо 60° между левой и правой сторонами согласно ITU-R BS775). Альтернативно, достаточно четкие виртуальные динамики в канонических местах ITU могут быть созданы с помощью панорамировщиков второго порядка — это интересный вариант, если фантомный центр терпим, и он также будет работать с ориентацией «два спереди», что оставляет больше места. для телевизора или проекционного экрана.

Октагон

Octagon — гибкий выбор для воспроизведения до третьего порядка. При ориентации один вперед его можно использовать для достаточно точного воспроизведения в формате 5.1 (левый и правый при +/- 45° против 30° и окружающее пространство в пределах стандартизированного сектора при +/- 112,5°). Что касается первого порядка, артефакты фазировки могут стать очевидными в условиях прослушивания без реверберации из-за использования значительно большего количества динамиков, чем требуется, а результаты Солванга (2008) предполагают слегка увеличенные тембральные дефекты за пределами зоны наилучшего восприятия. ^{[ 9 ]}

Имея восемь каналов, восьмиугольник может управляться доступным потребительским оборудованием 7.1, опять же, при условии, что выходной сигнал LFE имеет полный диапазон. Приведенный в третьем порядке, это разумная нижняя граница усиления концертного звука в расширенной зоне прослушивания, как для собственного контента Ambisonic, так и для создания виртуальных динамиков. ^{[ 10 ]} Было обнаружено, что при благоприятных условиях масштабируется до нескольких сотен слушателей. ^{[ 11 ]}

Системы с ограниченным воспроизведением высоты

Сложенные кольца

Набор колец был популярным способом получения ограниченного по высоте воспроизведения. Пространственное разрешение будет слабым вблизи зенита и надира, но это несколько редкие положения для источников звука. Кольца, как правило, легче установить, чем (полусферические) конструкции, поскольку они не требуют верхних ферм, стойки для громкоговорителей можно использовать совместно, если кольца не скручены, а входы, пути пожарного выхода и т. д. можно легче разместить.

Двойные шестиугольники и восьмиугольники являются наиболее распространенными вариантами.

С момента введения схем смешанного порядка #H#V Трэвисом (2009) ^{[ 12 ]} Сложенные кольца могут работать с полным разрешением по горизонтали даже для расположенных на возвышении источников. Матрицы декодирования #H#V для распространенных макетов доступны у Адриансена (2012). ^{[ 7 ]}

Тройные кольца встречаются редко, но используются с хорошим эффектом. ^{[ 13 ]}

Системы верхнего полушария

Поскольку расположенные друг над другом кольца являются несколько расточительными на больших высотах и обязательно имеют отверстие в зените, их в значительной степени превзошли полусферические схемы с тех пор, как стали доступны зрелые методы генерации декодера. Поскольку их сложно установить и они требуют верхних точек, полусферы обычно используются либо в стационарных установках, либо в экспериментальных студиях, где дорогие и визуально навязчивые фермы не являются проблемой.

Полносферные системы: Платоновы тела.

Правильные Платоновы тела — единственные полносферные структуры, для которых существуют решения в замкнутой форме для декодирования матриц. До разработки и внедрения современных математических инструментов для оптимизации нерегулярных макетов и создания Т-образных конструкций и сеток Лебедева с большим количеством говорящих правильные многогранники были единственными приемлемыми вариантами.

Тетраэдр

Тетраэдрические акустические системы использовались в 1970-х годах для первых испытаний полносферного воспроизведения звука. Один из таких экспериментов, проведенный Обществом магнитофонной записи Оксфордского университета, был задокументирован Майклом Герзоном в 1971 году. ^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}^{[ 16 ]} В этой установке тетраэдр был вписан в кубоид, используя каждый второй угол.

Несмотря на несколько чрезмерно восторженное описание Герзона (которое предшествовало появлению Ambisonics и правильной формулировке его психоакустических критериев ), тетраэдр демонстрирует те же проблемы стабильности в 3D, которые мешают треугольнику при воспроизведении только по горизонтали. Это жизнеспособный вариант для адекватного полносферного воспроизведения только на низких частотах.

Октаэдр

Октаэдр . сложно установить в «вертикальном» положении, так как слушатель закроет напольный динамик Следовательно, обычно предпочтительнее «наклонная» установка. Он обеспечивает базовое полносферное воспроизведение первого порядка для одного слушателя.

Гудвин (2009) предложил наклонный октаэдр с отдельным передним центром (который он назвал 3D7.1). ^{[ 17 ]} в качестве альтернативного способа использования систем 7.1 для достижения воспроизведения Ambisonic с высотой в играх и обеспечения достаточно точного собственного воспроизведения 5.1. Серверная часть звука игры OpenAL и декодер для этой установки коммерчески доступны. ^{[ 18 ]}

Куб

Наиболее часто встречающиеся полносферные системы — это кубы или прямоугольные кубоиды . Применяются те же компромиссы при локализации, что и в случае квадрата и прямоугольника (см. выше). Кубоиды легко вписываются в стандартные помещения и обеспечивают точную локализацию в первую очередь для одного слушателя, а также приятное окружение для еще одного или двух, и их можно построить с использованием готовых компонентов 7.1. Если все динамики расположены в углах комнаты, их акустическая нагрузка и результирующее усиление басов будут одинаковыми, а это означает, что все они могут быть выровнены одинаковым образом.

Икосаэдр

Ради последовательности мы считаем вершины правильных многогранников позициями динамиков, что делает двенадцативершинный икосаэдр следующим в списке. ^{[ примечание 1 ]} Если доступны подходящие варианты оснащения, он способен воспроизводить полносферу второго порядка. Хорошая и чуть более практичная альтернатива — горизонтальный шестиугольник, дополненный двумя перекрученными треугольниками на полу и потолке.

Додекаэдр

С двадцатью вершинами, ^{[ примечание 1 ]} додекаэдр способен воспроизводить полносферу третьего порядка. Бюджетные додекаэдры можно построить, объединив четыре домашних набора 5.1, как было продемонстрировано в IRCAM 4. студии ^{[ 19 ]} что также позволило бы декодировать квадратный горизонтальный сабвуфер,

Нестандартное расположение динамиков

Возможно декодирование Ambisonics и Ambisonics высшего порядка на довольно произвольные массивы динамиков, и это предмет текущих исследований. Ряд бесплатных наборов инструментов для декодирования, а также коммерческая реализация. ^{[ 20 ]} доступны.

Бинауральное стерео

Амбисонику высшего порядка можно декодировать для получения 3D-стереосигнала для наушников, аналогичного тому, который создается при бинауральной записи . Это можно сделать разными способами, включая использование виртуальных громкоговорителей в сочетании с данными HRTF . ^{[ 21 ]} Возможны и другие методы. ^{[ 22 ]}

Примечания

^ Jump up to: ^а ^б К сожалению, в литературе икосаэдрическую компоновку принято называть додекаэдром и наоборот, без обоснования того, почему теперь следует рассматривать именно грани, а не вершины.

Ссылки

^ Стивен Торнтон, Объемный звук из двухканального стерео , см. фотографии, получены 2 января 2014 г.
^ Аудун Солванг, Спектральное ухудшение двумерной амбисоники высшего порядка , JAES Vol.56 № 4, апрель 2008 г.
^ Брюс Виггинс, достиг ли зрелости Ambisonics? , Воспроизводимый звук 24 - Труды Института акустики, Том 30. Ч. 6, 2008 г., рис. 7
^ Jump up to: ^а ^б Эрик Бенджамин, Ричард Ли и Аарон Хеллер, Локализация в горизонтальных амбизонных системах , 121-я конвенция AES, Сан-Франциско, 2006 г.
^ Майкл А. Герзон, Джеффри Дж. Бартон, «Амбисоник-декодеры для HDTV», 92-я конвенция AES, Вена, 1992. http://www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=6788
^ US 5757927 , Gerzon, Michael Anthony & Barton, Geoffrey James, «Аппарат объемного звука», опубликован 26 мая 1998 г., передан Trifield Productions Ltd.
^ Jump up to: ^а ^б Фонс Адриансен, декодер AmbDec Ambisonic , 2012 г.
^ Брюс Виггинс, Генерация законов панорамирования для нерегулярных массивов динамиков с использованием эвристических методов. Архивировано 17 мая 2016 г. в Португальском веб-архиве. 31-я конференция AES, Лондон, 2007 г.
^ Аудун Солванг, Спектральное ухудшение для двумерной амбисоники высшего порядка, JAES Vol. 56, № 4, апрель 2008 г., http://www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=14385
^ Йорн Неттингсмайер, Универсальные системы воспроизведения Ambisonic для электроакустических концертов , 2-й Международный симпозиум по амбисонике и сферической акустике, Париж, 2010 г.
^ Йорн Неттингсмайер и Дэвид Дорманн, Предварительные исследования крупномасштабных систем звукоусиления Ambisonic высшего порядка , Симпозиум Ambisonics 2011, Лексингтон (Кентукки), 2011 г.
^ Трэвис, Крис, Новая схема смешанного порядка для сигналов Ambisonic. Архивировано 4 октября 2009 г. на Wayback Machine , Симпозиум Ambisonics, Грац, 2009 г.
^ Йорн Неттингсмайер, Полевой отчет II. Запись современной музыки в Higherorder Ambisonics , Linux Audio Conference 2012, Стэнфорд, 2012, стр.8
^ Майкл Герзон, Экспериментальная тетраэдральная запись: часть первая , Studio Sound, Vol. 13 августа 1971 г., стр. 396-398.
^ Майкл Герзон, Экспериментальная тетраэдральная запись: часть вторая , Studio Sound, Vol. 13 сентября 1971 г., стр. 472, 473 и 475.
^ Майкл Герзон, Экспериментальная тетраэдральная запись: часть третья , Studio Sound, Vol. 13 октября 1971 г., стр. 510, 511, 513 и 515.
^ Саймон Гудвин, 3D-звук для 3D-игр — за пределами 5.1 , 35-я международная конференция AES, Лондон, 2009 г.
^ Blue Ripple Sound, Технические примечания ТСЖ - 3D7.1 , получено 2 января 2014 г.
^ 2-й Международный симпозиум по амбисонике и сферической акустике, IRCAM, Париж, 2010, демо-версия движка Rapture3D компании Blue Ripple Sound.
^ Blue Ripple Sound, Технические примечания ТСЖ — пользовательские макеты в Rapture3D Advanced Edition , получено 24 января 2014 г.
^ Ричард Ферс, Создание реализации OpenAL с использованием Ambisonics , 35-я международная конференция AES, Лондон, 2009 г.
^ Blue Ripple Sound, Технические примечания ТСЖ - Янтарный HRTF , получено 24 января 2014 г.

[faces-19] Jump up to: ^а ^б К сожалению, в литературе икосаэдрическую компоновку принято называть додекаэдром и наоборот, без обоснования того, почему теперь следует рассматривать именно грани, а не вершины.

[1] Стивен Торнтон, Объемный звук из двухканального стерео , см. фотографии, получены 2 января 2014 г.

[2] Аудун Солванг, Спектральное ухудшение двумерной амбисоники высшего порядка , JAES Vol.56 № 4, апрель 2008 г.

[3] Брюс Виггинс, достиг ли зрелости Ambisonics? , Воспроизводимый звук 24 - Труды Института акустики, Том 30. Ч. 6, 2008 г., рис. 7

[BLaH1-4] Jump up to: ^а ^б Эрик Бенджамин, Ричард Ли и Аарон Хеллер, Локализация в горизонтальных амбизонных системах , 121-я конвенция AES, Сан-Франциско, 2006 г.

[5] Майкл А. Герзон, Джеффри Дж. Бартон, «Амбисоник-декодеры для HDTV», 92-я конвенция AES, Вена, 1992. http://www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=6788

[6] US 5757927 , Gerzon, Michael Anthony & Barton, Geoffrey James, «Аппарат объемного звука», опубликован 26 мая 1998 г., передан Trifield Productions Ltd.

[AmbDec-7] Jump up to: ^а ^б Фонс Адриансен, декодер AmbDec Ambisonic , 2012 г.

[8] Брюс Виггинс, Генерация законов панорамирования для нерегулярных массивов динамиков с использованием эвристических методов. Архивировано 17 мая 2016 г. в Португальском веб-архиве. 31-я конференция AES, Лондон, 2007 г.

[9] Аудун Солванг, Спектральное ухудшение для двумерной амбисоники высшего порядка, JAES Vol. 56, № 4, апрель 2008 г., http://www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=14385

[10] Йорн Неттингсмайер, Универсальные системы воспроизведения Ambisonic для электроакустических концертов , 2-й Международный симпозиум по амбисонике и сферической акустике, Париж, 2010 г.

[11] Йорн Неттингсмайер и Дэвид Дорманн, Предварительные исследования крупномасштабных систем звукоусиления Ambisonic высшего порядка , Симпозиум Ambisonics 2011, Лексингтон (Кентукки), 2011 г.

[12] Трэвис, Крис, Новая схема смешанного порядка для сигналов Ambisonic. Архивировано 4 октября 2009 г. на Wayback Machine , Симпозиум Ambisonics, Грац, 2009 г.

[13] Йорн Неттингсмайер, Полевой отчет II. Запись современной музыки в Higherorder Ambisonics , Linux Audio Conference 2012, Стэнфорд, 2012, стр.8

[14] Майкл Герзон, Экспериментальная тетраэдральная запись: часть первая , Studio Sound, Vol. 13 августа 1971 г., стр. 396-398.

[15] Майкл Герзон, Экспериментальная тетраэдральная запись: часть вторая , Studio Sound, Vol. 13 сентября 1971 г., стр. 472, 473 и 475.

[16] Майкл Герзон, Экспериментальная тетраэдральная запись: часть третья , Studio Sound, Vol. 13 октября 1971 г., стр. 510, 511, 513 и 515.

[17] Саймон Гудвин, 3D-звук для 3D-игр — за пределами 5.1 , 35-я международная конференция AES, Лондон, 2009 г.

[18] Blue Ripple Sound, Технические примечания ТСЖ - 3D7.1 , получено 2 января 2014 г.

[20] 2-й Международный симпозиум по амбисонике и сферической акустике, IRCAM, Париж, 2010, демо-версия движка Rapture3D компании Blue Ripple Sound.

[21] Blue Ripple Sound, Технические примечания ТСЖ — пользовательские макеты в Rapture3D Advanced Edition , получено 24 января 2014 г.

[22] Ричард Ферс, Создание реализации OpenAL с использованием Ambisonics , 35-я международная конференция AES, Лондон, 2009 г.

[23] Blue Ripple Sound, Технические примечания ТСЖ - Янтарный HRTF , получено 24 января 2014 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ примечание 1 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]