Syntéza vlnového pole - Wave field synthesis - Wikipedia

Princip WFS

Syntéza vlnového pole (WFS) je prostorový zvuk technika vykreslování, charakterizovaná vytvořením virtuálního akustická prostředí. Produkuje umělý vlnová čela syntetizováno velkým počtem jednotlivě řízených reproduktory. Zdá se, že taková čelní čela pocházejí z virtuálního výchozího bodu, z virtuální zdroj nebo fiktivní zdroj. Na rozdíl od tradičních technik prostorizace, jako je stereo nebo prostorový zvuk, lokalizace virtuálních zdrojů ve WFS nezávisí na poloze posluchače ani se nemění.

Fyzikální základy

WFS je založen na Princip Huygens – Fresnel, který uvádí, že jakékoli vlnoplochy lze považovat za superpozici elementárních sférických vln. Z těchto elementárních vln lze tedy syntetizovat jakékoli vlnoplochy. V praxi počítač ovládá velké množství jednotlivých reproduktorů a každý aktivuje přesně v době, kdy by jím prošlo požadované virtuální vlnoplochy.

Základní postup vyvinul v roce 1988 profesor A.J. Berkhout na Technologická univerzita v Delftu.[1] Jeho matematickým základem je Kirchhoff – Helmholtzův integrál. Uvádí, že akustický tlak je zcela určen v objemu bez zdrojů, pokud jsou akustický tlak a rychlost určovány ve všech bodech na jeho povrchu.

Proto lze rekonstruovat jakékoli zvukové pole, pokud se obnoví akustický tlak a akustická rychlost ve všech bodech povrchu jeho objemu. Tento přístup je základním principem holofonie.

Pro reprodukci by musel být celý povrch svazku pokryt úzce rozmístěnými reproduktory, z nichž každý by byl poháněn svým vlastním signálem. Navíc by musela být oblast poslechu bezodrazový, aby se zabránilo zvukové odrazy to by porušilo předpoklad objemu bez zdroje. V praxi je to stěží proveditelné. Protože naše akustické vnímání je nejpřesnější v horizontální rovině, praktické přístupy obecně redukují problém na vodorovnou reproduktorovou linii, kruh nebo obdélník kolem posluchače.

Počátek syntetizovaného vlnoplochy může být v kterémkoli bodě na vodorovné rovině reproduktorů. Pro zdroje za reproduktory bude pole produkovat konvexní wavefronty. Zdroje před reproduktory lze vykreslit konkávními vlnovými frontami, které se zaměřují na virtuální zdroj a znovu se rozcházejí. Reprodukce uvnitř svazku je proto neúplná - rozpadne se, pokud posluchač sedí mezi reproduktory a vnitřním virtuálním zdrojem. Počátek představuje virtuální zdroj akustiky, který se blíží zdroji akustiky ve stejné poloze. Na rozdíl od běžné (stereofonní) reprodukce je vnímaná poloha virtuálních zdrojů nezávislá na poloze posluchače, což umožňuje posluchači pohybovat se nebo dává celému publiku konzistentní vnímání umístění zdroje zvuku.

Procedurální výhody

Pomocí syntézy vlnového pole lze vytvořit zvukové pole s velmi stabilní polohou akustických zdrojů. V zásadě je možné vytvořit virtuální kopii skutečného zvukového pole k nerozeznání od skutečného zvuku. Změny polohy posluchače v oblasti interpretace mohou vyvolat stejný dojem jako vhodná změna umístění v nahrávací místnosti. Posluchači už nejsou zařazeni do a sladké místo prostor v místnosti.

The Expertní skupina pro pohyblivé obrázky standardizoval objektově orientovaný standard přenosu MPEG-4 což umožňuje samostatný přenos obsahu (suchý zaznamenaný zvukový signál) a formy (impulsní odezva nebo akustický model). Každý virtuální akustický zdroj potřebuje svůj vlastní (mono) zvukový kanál. Prostorové zvukové pole v nahrávací místnosti se skládá z přímé vlny akustického zdroje a prostorově rozloženého vzoru zrcadlových akustických zdrojů způsobeného odrazy od povrchů místnosti. Omezení distribuce zdroje prostorového zrcadla na několik vysílacích kanálů způsobí významnou ztrátu prostorových informací. Toto prostorové rozdělení lze mnohem přesněji syntetizovat na straně interpretace.

Ve srovnání s konvenčními postupy vykreslování orientovanými na kanály poskytuje WFS jasnou výhodu: Virtuální akustické zdroje vedené obsahem signálu přidružených kanálů lze umístit daleko za oblast konvenčního vykreslování materiálu. To snižuje vliv polohy posluchače, protože relativní změny úhlů a úrovní jsou jasně menší ve srovnání s běžnými reproduktory umístěnými v oblasti interpretace. Tím se výrazně rozšíří sweet spot; nyní může pokrýt téměř celou oblast vykreslování. WFS tedy není jen kompatibilní s, ale potenciálně zlepšuje reprodukci konvenčních metod orientovaných na kanál.

Výzvy

Citlivost na akustiku místnosti

Protože se WFS pokouší simulovat akustické vlastnosti nahrávacího prostoru, musí být potlačena akustika oblasti interpretace. Jedním z možných řešení je použití akustické tlumení nebo jinak uspořádat stěny v absorpční a nereflexní konfiguraci. Druhou možností je přehrávání v blízkém poli. Aby to fungovalo efektivně, musí se reproduktory velmi těsně spojit v zóně sluchu nebo musí být povrch membrány velmi velký.

V některých případech je nejvíce vnímatelným rozdílem ve srovnání s původním zvukovým polem zmenšení zvukového pole na dva rozměry podél vodorovné roviny reproduktorových linek. To je zvláště patrné pro reprodukci prostředí. Potlačení akustiky v oblasti interpretace nedoplňuje přehrávání přirozených zdrojů akustického prostředí.

Aliasing

Existují nežádoucí prostorové aliasing zkreslení způsobená úzkopásmovými poruchami závislými na poloze ve frekvenční odezvě v rozsahu interpretace. Jejich frekvence závisí na úhlu virtuálního akustického zdroje a na úhlu posluchače k ​​uspořádání reproduktorů:

Pro ztvárnění bez aliasingu v celém audio rozsahu by byla nutná vzdálenost jednotlivých emitorů pod 2 cm. Ale naštěstí naše ucho není nijak zvlášť citlivé na prostorové aliasy. Obecně je dostatečná vzdálenost vysílače 10–15 cm.[2]

Efekt zkrácení

Další příčinou narušení sférického vlnoplochy je zkrácený efekt. Protože výsledné vlnoplocha je složena z elementárních vln, může dojít k náhlé změně tlaku, pokud žádné další reproduktory nebudou dodávat elementární vlny tam, kde řada reproduktorů končí. To způsobí efekt „stínové vlny“. U virtuálních akustických zdrojů umístěných před uspořádáním reproduktoru tato změna tlaku spěchá před skutečné vlnoplochy, čímž se stává jasně slyšitelným.

v zpracování signálu podmínky, to je spektrální únik v prostorové doméně a je způsobena aplikací a obdélníková funkce jako funkce okna na tom, co by jinak bylo nekonečné množství reproduktorů. Stínovou vlnu lze snížit, pokud je snížena hlasitost vnějších reproduktorů; to odpovídá použití jiné funkce okna, která se místo zkrácení zužuje.

Vysoká cena

Dalším a výsledným problémem jsou vysoké náklady. Velké množství jednotlivých snímačů musí být velmi blízko u sebe. Snížení počtu převodníků zvětšením jejich mezer zavádí artefakty prostorového aliasingu. Snížení počtu převodníků v dané vzdálenosti snižuje velikost pole vysílače a omezuje rozsah reprezentace; mimo jeho hranice nelze vyrábět žádné virtuální akustické zdroje.

Výzkum a vyspělost trhu

Dvourozměrné umístění polí reproduktorů pro syntézu vlnových front.

Časný vývoj WFS začal v roce 1988 v Delft University.[Citace je zapotřebí ] Další práce probíhaly od ledna 2001 do června 2003 v rámci projektu CARROUSO Evropské unie, který zahrnoval deset ústavů.[Citace je zapotřebí ] Zvukový systém WFS IOSONO byl vyvinut Fraunhoferův institut pro technologii digitálních médií (IDMT) Technická univerzita v Ilmenau v roce 2004.

První živý přenos WFS se uskutečnil v červenci 2008 a znovu vytvořil orgánový recitál v Kolínská katedrála v přednáškovém sále 104 Technická univerzita v Berlíně.[3] Místnost obsahuje největší reproduktorový systém na světě s 2700 reproduktory na 832 nezávislých kanálech.

Výzkumné trendy v syntéze vlnového pole zahrnují zvážení psychoakustiky pro snížení potřebného počtu reproduktorů a implementaci komplikovaných vlastností zvukového záření, které virtuální křídlo zní stejně velkolepě jako v reálném životě.[4][5][6]

Viz také

Reference

  1. ^ Brandenburg, Karlheinz; Brix, Sandra; Sporer, Thomas (2009). Konference 3DTV 2009: Pravá vize - zachycení, přenos a zobrazení 3D videa. s. 1–4. doi:10.1109 / 3DTV.2009,5069680. ISBN  978-1-4244-4317-8. S2CID  22600136.
  2. ^ „Audio Engineering Society Convention Paper, Spatial Aliasing Artefacts Produced by Linear and Circular Loudspeaker Arrays used for Wave Field Synthesis“ (PDF). Citováno 2012-02-03.
  3. ^ „Ptáci na drátě - Livre du Saint Sacrément od Oliviera Messiaena v živém přenosu první vlny pole na světě (technická zpráva o projektu)“ (PDF). 2008. Citováno 2013-03-27.
  4. ^ Ziemer, Tim (2018). "Syntéza vlnového pole". V Bader, Rolf (ed.). Springer Handbook of Systematic Musicology. Springer Handbooks. Berlín / Heidelberg: Springer. 329–347. doi:10.1007/978-3-662-55004-5_18. ISBN  978-3-662-55004-5.
  5. ^ Ziemer, Tim (2017). "Šířka zdroje v hudební produkci. Metody ve stereu, ambisonice a syntéze vlnových polí". V Schneider, Albrecht (ed.). Studium hudební akustiky a psychoakustiky. Současný výzkum systematické muzikologie. 4. Cham: Springer. 299–340. doi:10.1007/978-3-319-47292-8_10. ISBN  978-3-319-47292-8.
  6. ^ Ziemer, Tim (2020). Psychoakustická hudba Syntéza zvukového pole. Současný výzkum systematické muzikologie. 7. Cham: Springer International Publishing. doi:10.1007/978-3-030-23033-3. ISBN  978-3-030-23033-3.

Další čtení

externí odkazy