Всё, что нужно знать про объемный звук в многоканальных наушниках

Содержание

1. Как объемный звук пришел в кинотеатры
2. Как объемный звук пришел в домашние кинотеатры
3. Как получается объемный звук в наушниках
4. В чем разница между наушниками с “истинным” и “виртуальным” пространственным звуком
5. Основные конкурирующие стандарты виртуального объемного звука
6. Как выбрать систему виртуального объемного звука для наушников

Выбирая наушники и изучая маркетинговые материалы, вы наверняка встречались с такими терминами, как пространственная аудиосистема, 7.1, DTS, объемный звук или 3D-звук – и это касается не только игровых гарнитур – но знаете ли вы, как работает объемный звук в наушниках?

Давайте поближе познакомимся с историей объемного звука, посмотрим, как работает данная технология в наушниках, а также коротко пробежимся по современным конкурирующим стандартам.

Как объемный звук пришел в кинотеатры

Объемный звук был разработан с целью усилить впечатления от просмотра фильмов и вывести их восприятие за рамки экрана. Может показаться, что это относительно недавняя идея, но на самом деле она появилась еще в первой половине прошлого века.

Помимо прочих своих многочисленных заслуг в области кинематографических инноваций, компания The Walt Disney Company может похвастаться тем, что они первыми запатентовали коммерческое использование объемного звука в кино. На премьерном показе революционного полнометражного мультфильма Fantasia, состоявшемся в 1940 году, компания представила систему многоканального звука под названием Fantasound. Полная система из 54 динамиков была установлена только в двух кинотеатрах. Хотя эта система давала впечатляющий эффект, саму технологическую концепцию посчитали слишком сложной и дорогой для массового использования в кинотеатрах. В результате в 1960-х годах идея использования объемного звука в кино была похоронена окончательно.

Однако с выходом в 1976 году технологии Dolby Stereo, успех которой был во многом обусловлен популярностью «Звездных войн» (Star Wars, 1977), началась новая история объемного звука в кино. На протяжении 1980-90-х годов компания Dolby активно продвигала массовое применение объемного звука в кинотеатрах. За это время технология Dolby эволюционировала от 4-канальной системы Dolby SR до систем Dolby Digital Surround EX со звуковой схемой 6.1/7.1. Другие компании, например, Digital Theater Systems (DTS) и Sony, разработали свои собственные технологии объемного звука. В 2012 году Dolby вновь захватила инициативу, представив систему иммерсивного (сферического) звука Dolby Atmos, в которой звуковой сигнал поступает также из динамиков, установленных на потолке, давая зрителям дополнительную информацию о пространственной высоте звучащего объекта. DTS в ответ выпустила конкурирующую технологию DTS:X.

Как объемный звук пришел в домашние кинотеатры

После нескольких предпринятых в 1970-х годах попыток продвинуть оборудование для 4-канального (квадрофонического) звука в сегмент домашних кинотеатров объемный звук, наконец, – в 1982 году – пришел в гостиные пользователей, в 3-канальном формате Dolby Surround. После модернизации этой технологии в 1987 году пользователям систем Dolby Pro Logic стали доступны все четыре аудиоканала.

В 1995 году объемный звук стал цифровым. Как и в полной версии для публичных кинотеатров, в домашней цифровой системе Dolby Digital используется многоканальная звуковая схема 5.1. Годом позже вышла конкурирующая домашняя система от DTS. Новейшие системы Dolby Digital EX и DTS-ES предлагают звуковые схемы 6.1/7.1 с дополнительными задними каналами. Домашние кинотеатры Dolby Atmos совместимы со стандартными схемами 5.1 и 7.1. Например, система Dolby Atmos 7.1.4 – это, по сути, типовая расстановка 7.1 плюс четыре верхних динамика Dolby Atmos.

Как получается объемный звук в наушниках

У каждого из нас только два уха, но при этом мы можем различать направления, откуда приходит звук – спереди или сзади, или справа, или слева, или сверху, или снизу – даже не поворачивая головы. Как это происходит?

Анатомическая передаточная функция, связанная с головой (HRTF, head-related transfer function), обрабатывает звуковые сигналы от различных источников, принятые плечами, головой и наружным ухом, еще до того, как они достигают барабанных перепонок. Это физическое взаимодействие звуковых волн с наружными частями слуховой системы человека влияет на восприятие громкости, времени и фазы звучания различных частотных составляющих звукового контента, который мы слышим уже ухом. Наш мозг, который тоже является частью слуховой системы, умеет детектировать все эти различия в приходящем ансамбле звуковых волн, что позволяет ему определить наиболее вероятное направление на источник звука.

Если вы вставите в уши маленькие микрофоны и запишете сигнал, в записи будут отражены все эффекты, обусловленные действием HRTF. По сути, вы получите бинауральную запись, которая прекрасно работает, когда вы слушаете аудио через наушники. Даже если в качестве «модулятора», обладающего специфической HRTF, использовать человекоподобный манекен, эффект может быть довольно впечатляющим.

Если эти сигналы записать и обеспечить их контролируемое воспроизведение через наушники, вы получите пространственное восприятие аудиоконтента, весьма близкое к «живому» прослушиванию на месте событий. Таким образом, двухканальная бинауральная запись в принципе тоже дает объемный звук. Несмотря на то, что это старейшая форма пространственного звука, бинауральная запись по-прежнему занимает на рынке свою нишу, а компания Sennheiser недавно представила новые продукты, использующие эту технологию.

В чем разница между наушниками с “истинным” и “виртуальным” пространственным звуком

Фильмы и игры с многоканальным звуком изначально создавались в расчете на мощные динамики, транслирующие звук сразу для многих слушателей. Объемный звук в наушниках может базироваться на двух различных подходах:

• аппаратном – каждый наушник в паре оснащается несколькими динамиками, которые располагаются относительно уха таким образом, чтобы обеспечивалось оптимальное звучание динамика каждого канала, – это наушники с “истинным” объемным звуком;
• программном – в таких наушниках используется дополнительная внешняя или внутренняя обработка аудиосигнала, заключающаяся в том, что к транслируемому многоканальному сигналу применяется бинауральный алгоритм на основе HRTF, оптимально «расставляющий» каналы исходного сигнала в виртуальном пространстве вокруг каждого уха, – это наушники с “виртуальным” объемным звуком.

Обеспечить «истинный» пространственный звук технически сложнее – в результате получаются большие, тяжелые и дорогие наушники; однако для их прослушивания требуется только обычный многоканальный декодер, которыми домашние кинотеатры оснащаются уже много лет. Виртуальный пространственный звук, напротив, не требует усложнения конструкции наушников, но зато нуждается в мощных средствах обработки сигнала, которые позволяют создать реалистичное виртуальное звуковое поле.

Преимущество виртуального подхода еще и в том, что он может сочетаться с технологией отслеживания движений головы пользователя: это позволяет зафиксировать положение виртуальных динамиков, так что источники звука не смещаются в пространстве, когда пользователь крутит головой. Это приближает опыт прослушивания к условиям большого кинотеатра или внутриигровой обстановки, которые имитируют наушники с объемным звуком. На сегодняшний день технология виртуального объемного звука в продвинутых аудиосистемах – практически единственное доступное решение, включающее в себя технологию отслеживания движений.

Так как цифровые сигнальные процессоры за последнее время подешевели и стали менее «прожорливыми» в части энергопотребления, технологии виртуального объемного звука фактически вытеснили аппаратный подход. И, как это часто бывает с новыми технологиями, на рынке представлено достаточно много конкурирующих вариантов реализации виртуального объемного звука в наушниках.

Основные конкурирующие стандарты виртуального объемного звука

Все эти технологии объединяет один общий принцип – объемный звуковой сигнал обрабатывается в реальном времени и передается на выход наушников по двум физическим каналам. В какой части аудиотракта осуществляется обработка – зависит от конкретной технологии и аппаратной конфигурации аудиосистемы. Аудиопроцессинг может осуществляться на уровне программного обеспечения игровой платформы (например, ПК или игровой консоли Xbox One), в базовой станции, передающей аудиосигнал в наушники, во внешнем процессоре/усилителе или в самих наушниках.

Ниже представлены наиболее распространенные в настоящее время системы виртуального объемного звука для наушников.

Dolby Atmos for Headphones

Dolby Atmos – очевидный лидер, когда речь заходит о воспроизведении в наушниках объектно-ориентированного объемного звука. Технология Dolby Atmos включает в себя опции использования наушников с объемным звуком совместно с ПК, консолями Xbox One, Xbox серии X/S и мобильными телефонами. Она использует цифровую обработку аудиосигнала с последующим преобразованием объектных метаданных Atmos в бинауральный 360-градусный выходной сигнала для левого и правого динамика наушников. Этот метод является значительным усовершенствованием по сравнению с предыдущей технологией Dolby Headphone, позволяющим преобразовывать оригинальный звук с исходным числом каналов (источников) порядка сотен в виртуальный объемный звук.

DTS Headphone:X

Headphone:X – еще одна продвинутая проприетарная технология объектно-ориентированного объемного звука. Она также преобразует исходный многоканальный аудиосигнал в объемный звук для наушников, обеспечивая опыт прослушивания как в кинотеатре с многоканальной звуковой системой. В гейминге эта технология позволяет воспроизводить (и даже с улучшенным качеством) пространственный игровой аудиосигнал, так что вы будете охвачены игрой буквально со всех сторон.

Creative Super X-Fi

Creative называет свою технологию Super X-Fi аудиоголографией для наушников; эта технология использует сложные алгоритмы и мощные численные методы. На основании данных трех фотографий лица и ушей (в наушниках) осуществляется сложный анализ с последующим моделированием архитектуры головы и ушей каждого пользователя, после чего создается форма с индивидуальными настройками объемного звука. Технология доступна на портативных усилителях Creative для наушниках, а также собственно на наушниках Creative.

Windows Sonic

Эта опция виртуального объемного звука под названием Sonic доступна бесплатно всем пользователям ОС Windows 10. Вы можете запустить ее через меню свойств (properties) аудиоустройства: Windows Sonic for Headphones. Даже если игра или фильм не поддерживает Windows Sonic в явном виде, эта опция улучшит качество звука, независимо от материала источника.

Apple Spatial Audio

Технология пространственного звука Apple разработана эксклюзивно для наушников серий AirPods (3-го поколения), AirPods Pro и AirPods Max. Эта опция поставляется в составе iOS 14 и в определенных аппаратных конфигурациях использует функцию отслеживания движений головы пользователя, что делает ее на текущий момент одним из наиболее продвинутых предложений в области объемного звука для наушников.

Sony 360 Reality Audio/3D Audio

Sony также предлагает свои версии объектно-ориентированного объемного звука – как для меломанов, так и для геймеров. Чтобы воспользоваться технологией 360 Reality Audio для прослушивания музыки через наушники, нужно скачать соответствующее мобильное приложение и сделать фотографии каждого уха. По этим фотографиям будет сгенерирован персональный акустический профиль пользователя, который можно закачать на один из поддерживаемых стриминговых серверов (Deezer, Nugs, Tidal). Игровая версия PlayStation 3D Audio для PlayStation 5 работает с любыми наушниками, включая собственные модели Sony. Для получения более совершенного эффекта можно выбирать профили HRTF из числа готовых опций.

Waves Nx

Высококлассная система 360-градусного объемного звука от производителя аудиоплагинов Waves позволит вам смотреть кино, слушать музыку и играть в игры, наслаждаясь реалистичным 3D-звуком. Возможно, технически это наиболее сложное из представленных здесь конкурирующих решений, в котором продвинутый 3D-звук получается путем сочетания технологий пространственной эмуляции и отслеживания движений, благодаря чему пользователь может погрузиться в акустическую виртуальную реальность. Эту опцию легче всего найти в комплекте с игровыми гарнитурами класса high-end, такими как Audeze Mobius и HyperX Cloud Orbit S.

Как выбрать систему виртуального объемного звука для наушников

Все перечисленные выше технологии виртуального объемного звука, если не оговорено иное, совместимы и будут работать с любыми обычными наушниками, так что вы можете начинать ими пользоваться с уже имеющимися у вас наушниками (или провести апгрейд).

Что касается выбора конкретной процессинговой опции, то это зависит от ваших аудиоприложений и аппаратной платформы: это может быть и гейминг на ПК, и просмотр фильмов на планшете или смартфоне. Большинство стандартов виртуального объемного звука предлагают бесплатную пробную версию, регулярно обновляются и совершенствуются, так что вы можете попробовать разные варианты и выбрать наиболее подходящий для вас. Тестируя различные опции виртуального объемного звука, каждый раз проверяйте, что не запускаете две или более систем одновременно – результат может оказаться непредсказуемым и фатальным.