Говорителите над ушите — Проучване, дизайн и еволюция

Говорителите над ушите на Valve Index са оптимизирани за специфичните експериментални цели на виртуалната реалност, което е причината дизайнът им да се различава по интересни начини от типичните потребителски слушалки.

Още в началото на ВР експериментирането ни, стана ясно, че да се помогне на ВР потребител да постигне подходящото отдаване на въображението*, изисква разчитане не само на повествованието, обкръжението и емоционалните методи на традиционните игри и филми, но и изцяло нова категория с физиологични проблеми, нуждаещи се от решения, които са уникални за ВР. Когато наденем ВР шлем, за да играем Budget Cuts, очакваме ВР да ни накара да се почувстваме така, сякаш тялото ни е било пренесено в офис, изпълнен с убийствени роботи, вместо просто да ни показва тяхното обкръжение чрез статичен екран.

Проучването и игралните изпитания ни накара да проумеем, че постигането на максимално звуково потапяне налага толкова изисквания за дизайна на аудио компонентите, колкото и за триизмерната проследяваща система или панелите екраните. Също така научихме, че проектирането около тези изисквания означава приемането на някои интересни компромиси, които влияят на неща, като например положението на високоговорителите, теглото им, формата на тяхната диафрагма, индустриалния дизайн на корпуса, в който се намират, а дори и характеристиките на основния честотен диапазон.

*Нарекохме това въплътено отдаване на въображението „присъствие“ в други контексти, но този термин носи други конотации в аудио света, така че няма да го използваме в останалата част от тази статия на задълбочаването.

Както хардуер, така и софтуер

Убедителното завладяващо аудио може да бъде постигнато само като се разчита едновременно на софтуерни и хардуерни области. Да знаете къде да поставите границата между отговорностите на хардуера (аудио устройствата) и софтуера (игри, ВР преживявания) изисква всестранно обмисляне на целия ВР аудио процес. От това как се създава звуковото ВР съдържание, през това как се възпроизвежда от игралните двигатели, до всички начини, по които може да стигне до ухото.

От страна на софтуера, игралните аудио инженери и учени работят за създаването на убедително завладяващо звуково съдържание още откакто през '90 се появиха преживявания, свързани с игри от първо лице (Doom, Half-Life, Aureal3D и т.н.). Оттогава насам, благодарение на текущото ВР поколение, видяхме огромни подобрения в пространствените аудио технологии. Стереофоничното рендиране и физично базираните звукови симулации, като например Steam аудио, позволяват на разработчиците да сътворяват още по-страхотна звукова позиционна точност. Физически точни виртуални реверберации, оклузия и разпространение на звука, а всичко това е възможно посредством обикновени стерео слушалки. Когато обмисляхме оптималното устройство за слушане на текущото ВР поколение, използвахме следните познания и проучвания в симулациите на аудио софтуер:

• ВР съдържанието главно се доставя в стерео. По един ляв и десен аудио канал. Тези канали могат да съдържат вградено стереофонично и HRTF (Head-Related Transfer Function — предавателна функция спрямо позицията на главата) тонално украсяване спрямо мястото, където играчът гледа по всяко време;
• Външните ни уши, форма на главата и лицевата геометрия добавят специфична тонална сигнатура, която помага на мозъка ни да идентифицира истинските срещу въображаемите звуци, както и местонахождението техните източници спрямо нас (отзад, отгоре, отдолу, отляво, отдясно и т.н.);
• Прецизността на средно високата звукова честота е много важна:
  • Стереофоничните симулации разчитат на фини промени в тоналните окраски (1 kHz — 8 kHz), така че да предадат позицията на звуковия източник спрямо играча. Ако устройство за слушане добавя свои собствени приглушени окраски на честотата, то това ще попречи на способността на играча да определени местонахождението на звука;
  • Като цяло хората са много чувствителни към звуците в диапазона 2kHz — 5kHz. Ако честотата на даден виртуален звук не съвпада с това, което очакваме в действителността, то тогава е по-вероятно да идентифицираме звука като „нереален“. Това е особено вярно, ако сравните колко лесно е да разберете дали нечий глас се предава през високоговорител срещу някой, който говори близо до вас.
• Прецизността на ниската звукова честота е много важна:
  • Въпреки че нискочестотното озвучаване не се среща прекалено често в природата, то абсолютно редовно се появява във ВР и развлекателно съдържание (музика, тътен, експлозии, стрелба, сърдечни пулсации, сблъсъци, магически заклинания и т.н.). Басът е изключително важен, за да се предаде усещането за размер и мащаб. Той подсилва визуалното потапяне във ВР и предизвиква определени емоционални сигнали — опасност, страхопочитание, изолация, вътрешното приемане на установени норми и т.н. Ето защо беше важно устройството ни за слушане да поддържа здравословно количество басов отклик.

Защо не слушалки?

Традиционните слушалки се отличават с предоставянето на директно, стерео звуково съдържание, спрямо играча, направо към всяко ухо. Играчите могат да гледат към всяка посока във виртуалния свят, а триизмерните игрални двигатели с добавки за звукова симулация ще извеждат изисквания стерео сигнал, за да предават правилното местоположение на виртуалния звуков източник. Това е причината съревнователните играчи в електронни спортове (напр. тези в CS:GO) да използват слушалки, вместо предни високоговорители. Слушалките дават по-директна пространствена звукова информация. Два изходни канала (ляв/десен), за две слушалки (лява/дясна), за две уши (ляво/дясно) — доста недвусмислено.

Обаче най-общо казано, традиционните аудио устройства рядко са проектирани с основната цел да водят до завладяващо поглъщащ звук. Персонални устройства като слушалките „тапи“, слушалките на и над ухото са оптимизирани за слушане на музика и развлечение на места, където високоговорителите не са подходящи и често изискванията за захранване са изключително ниски (напр. клетъчни телефони, устройства с батерия). Фокусът често е над звуковата изолация, енергийната ефективност, анулирането на шума и преувеличените честотни отклици. Счетохме, че много от тези оптимизации може да не са особено смислени в контекста на текущата ВР в стаен мащаб, където общата слушаема среда е специализиран пространствен обем (напр. стая на закрито с нисък околен звуков фон), а малкото количество на звуково изтичане може да е приемливо. Разполагаме с достъп до предостатъчно захранване и честотните отклици трябва да поддържат предположенията за симулации на стереофоничен звук.

Стандартните и слушалките тип „тапи“ трябва да осъществяват контакт или обхващат ухото, за да постигнат своите цели оптимално. Видяхме, че понякога това може да работи срещу завладяващото аудио по следните начини:

• Подаването на звук директно в ушния канал прескача естествения слушаем процес, причинен от ухото и главата, взаимодействащи с реални звукови вълни. Слушателите пропускат тоналната звукова сигнатура, създаден от ушите, главата и личната геометрия. Това може да доведе до звук, който сякаш е въображаем или идва отвътре в главата, дори ако звуковото съдържание е силно пространствено и физично симулирано. Прогнозираме, че евентуално софтуерните симулации ще вземат това предвид;
• Ушният натиск може да стане болезнен и неудобен след продължителни времеви периоди, изваждайки хората от ВР присъствието;
• Някои игрални изпитатели докладваха, че самият акт на допира от слушалките, докосващи ухото, им сигнализира, как всеки идущ звук няма да е истински;
• Уплътняването на ухото със слушалки над него може да задържа топлина, правейки ВР шлема да Ви се струва по-горещи, отколкото потребителят би се чувствал в реалния свят, намалявайки присъствието;
• Тоналното звуково качеството на някои слушалки може да оказва вмешателство с фините честотни окраски на стереофоничните симулации. Ето например, слушалките, при които средно високите честоти са преувеличени или заглушени, най-вероятно ще пречат на фините HRTF филтри, водейки до лошо усещане за насоченост на звука в игрите и ВР.

Защо не високоговорители?

Също така обмислихме ползването на потребителски високоговорители и аудио формиращи говорители в типични стерео или съраунд звукови установки. Високоговорителите избягват много от проблемите с комфорта, асоциирани със слушалки и излъчват звук, който лесно можем да възприемем като външен за собствените ни глави, но поставят редица пречки при усвояването:

• Съществуващите стерео конфигурации на високоговорители допускат насочена напред ориентация, така че звукът се възпроизвежда, сякаш човекът е в публика, слуша група на сцената или гледа телевизия от дивана. Това е добре за музика и филми на екран, обаче, ВР и игралното стерео съдържание се извежда, допускайки, че каналите ляв/десен са непосредствено от съответната страна на главата за слушателя;
• Обичайните 5.1 и 7.1 звукови съраунд системи ограничават възпроизвеждането до хоризонтално поле, докато ВР и игралното звуково съдържание на практика могат да бъдат позиционирани навсякъде около слушателя;
• Високоговорителните системи могат да отнемат време и пространство за правилна установка от потребителя. А по този начин биха създавали допълнително препятствие за ВР установката;
• Високоговорителите изискват играчът да остане в малко „идеално местенце“ за акуратно пространствено възпроизвеждане. Понякога ВР може да изисква от хората да се движат насам-натам в голямо пространство;
• Високоговорителите могат да бъдат повлияни от акустиката на реалната стая, която може да е в конфликт с желаната такава на виртуалния свят;
• Поради високоговорителите звукът може да Ви се стори прекалено отдалечен, противоречейки на местоположението на виртуалния звуков източник, който може да е много близо до ушите на играчите.

Идеята

При прегледа на всички компромиси по-горе, стана ясно, че е възможно оптималното решение за ВР да бъде чифт изключително близки, пълно обхватни, над ушни (извън слухови) слушалки. Достатъчно близо до ухото, за да наподобява отнасящите се към играча стерео слушалки и да поддържа извеждания формат на текущото ВР съдържание, но достатъчно отдалечени, така че да позволи на ушите и главата да внушават собствените им тонални окраски над звука, като същевременно с това адресират проблемите с комфорта и натиска. Именно тази реализация, в комбинация с вдъхновение от детски спомен за напълно завладяващо звуково преживяване, докато се лежи между два насочени навътре висококачествени високоговорители, доведе до създаването на първите прототипове.

Еволюция

Първият прототип беше направен като залепихме два малки пълно обхватни настолни високоговорители към страните на скейтборден шлем. А около външната страна на шлема беше прикрепен един стар Vive. Високоговорителите бяха захранвани от USB и аудио извеждано чрез жака за слушалките на HTC Vive. Този недялан прототип свърши изненадващо добра работа, демонстрирайки увеличаването на звуковото потапяне и външно проявяване, когато позволихме на собствените ни уши и главата да интерпретират звука естествено. Трудно е да се измери усещането за потапяне в количествен способ. Ето защо на този етап разчитахме на качествени отзиви от колеги и игрални изпитатели, които да описваха звуковата разлика между този прототип и чифт KOSS Porta Pro над ушни слушалки, докато са във ВР. Отклиците бяха значително достатъчно в подкрепа на говорителите, че се чувствахме спокойни да продължим с този дизайн. Въпреки това възникнаха редица въпроси:

• Много ограничен отклик на баса;
• Незначителни промени в позициите на говорителите, предизвикани от различно поставяне на шлема или движение из ВР, причиняваха значително изменяне за силата на звука, честотната характеристика и звуковия баланс;
• Теглото и размера. Говорителите бяха прекалено тежки. Всеки от тях е по 70 грама. Което беше в противовес с по-възвишената продуктова цел да направим своя ВР шлем лек и удобен. Вероятно това беше най-голямото ни първоначално притеснение;
• Изтичането на звук.

С цел да адресираме въпроса по отношение на теглото, проучихме ситуацията използвайки високоговорители за слушалки вместо такива за колонки. Въпреки че са по-леки и ефективни що се отнася до захранването, не могат да предоставят достатъчно обем, когато са разположение далеч от ухото във въздуха. Макар вече да знаем, че в случая би било така, беше интересно да чуем известните компромиси между звуково потапяне срещу разстоянието надалеч от ухото спрямо честотния диапазон и силата на звука.

Искахме да разберем точно колко големи е нужно да бъдат говорителите за слушалките, с цел да стартират да покриват изискванията ни за сила на звука и честотния диапазон в нашия изключително слухов контекст. Разговаряхме с Audeze LLC, които разработиха чифт изключителни слухови плоски магнитни слушалки, с цел да ни помогнат. Произлезлият краен резултат звучеше невероятно, но въпреки това, теглото, размерът и цената не бяха правдоподобни за производствените цели на Valve Index.

Върнахме се към използването на високоговорители като основа за дизайна ни оттук насетне. Едно от предимствата на ранното аудио проучване и разработка на този етап, беше способността да работим независимо от останалата система за Valve Index ВР шлема. С помощта на механичен инженер създадохме самостоятелен изключително слухов форм фактор за слушалки. В този нов контекст успяхме бързо да проведем итерации над отклика на баса; настройката; ориентацията/разстоянието от ухото и преценяването на високоговорителите чрез произволни тестове с два варианта. Този прототип представляваше първите триизмерно отпечатани слушалки над ушите. Вътрешно нарекохме този прототип — „Колибри“

Тези колоритни „Колибри“ бяха създадени с целта да се преценяват различни видове малки пълно обхватни високоговорители на колонки. До този момент приспособявахме цели потребителски системи за високоговорители и слушалки. Закупуването и преценката на стандартни, широко достъпни части изискваше да стартираме изграждането на основната аудио подсистема: усилватели, аудио чипове, обработка на цифрови сигнали (DSP — Digital Signal Processing) и микрофони. Паралелно с това се доближаваме до определянето на целевата ни доставка за оптимално разстояние от ухото, ротация, тегло, размери на високоговорителите и честен диапазон.

Попаднахме на говорители с балансиран режим на предавателя (BMR — Balanced Mode Radiators) през фазата на оценяване на драйверите и незабавно забелязахме редица преимущества – те намалиха окраските, породени от неудачно разположение на високоговорителите, бяха почти в обхвата на нашето целево тегло, предоставяха отличен честотен отговор във високия до средния диапазон (важно за бинауралните симулации) и бяха много по-тънки от традиционните говорители за колони. Започнахме да си сътрудничим с Tectonic в проектирането на персонализиран драйвер, който да се ползва като високоговорител над ушите.

Сред екипа нарастваше загрижеността относно това каква част от озвучаването от високоговорителите над ушите ще премине навън към обкръжението, както и каква част от външните звуци ще бъдат допуснати до слушателя. С цел да добием представа какво въздействие е възможно да оказва това за клиентите, изградихме над 20 прототипа „Колибри“ и ги заехме на колеги за домашно тестване. Никой не искаше да върне своето „Колибри“ (забележка от Чет). Това беше добър знак, редом с изумително положителните отзиви на игралните изпитатели. Те коментираха, че предимствата от това нищо да не докосва ухото, както и повишеното усещане за звуково потапяне, компенсират проблемите, причинени от навлизането на външни звуци и/или изтичането на вътрешни такива. Решихме да продължим с този дизайн, но да имаме предвид дадената загриженост по съответните въпроси.

Продуктът

Вече разполагахме с работеща подсистема за колонки над ушите, която се представи добре в игралните тестове и беше в рамките на целевата ни цена и дизайн. Започнахме процеса по сливането на дизайна за слушалките над ухото към Valve Index ВР шлема. Тук стана важно да стартираме акустично измерване на производителността на аудио подсистемата в контекста на ВР шлема. Първоначално използвахме манекена „Г-н ШАПКИ“, чиято глава беше използвана за измерване на честотния диапазон на високоговорителите над ушите. Сините ленти по лицето маркират точното поставяне на ВР шлема върху модела, така че ранните измервания можеха бъдат последователни.

С цел да максимизираме звуковото качество, честотния диапазон и разширяване на баса, бяха измервани и рафинирани ежедневно. Докато ние във Valve работехме над това да подобрим разширяването на баса чрез обработка на цифрови сигнали (DSP — Digital Signal Processing), използвайки настройка на аудио уравнител (EQ) и алгоритми като физично акустичен бас. Tectonic се трудеха за механично подобряване на баса чрез оптимизиране на самите високоговорителите. Комбинацията от тези усилия ни позволи да постигнем и надхвърлим своите целите за качество на звука и отклика на баса.

Използвайки говорители с балансиран режим на предавателя (BMR — Balanced Mode Radiators), бяхме способни да подсигурим последователно звуково качество, без окраски, дори ако колоните са незначително разположени неправилно отстрани на главата. Това се дължи на уникалния начин, по който балансираният режим на предавателя (BMR — Balanced Mode Radiators), излъчва звук. При ниски честоти поведението им е като при традиционни високоговорители. Електрическият сигнал влиза и цялата диафрагма (предна част на високоговорителя) се движи напред-назад, проследявайки формата на сигнала. Но въпреки това, истинската магия се случва на по-високите честоти. Когато дължината на вълната при извиващите се такива, преминаващи през диафрагмата, наподобява размера ѝ. Традиционните говорители стартират преминаването в режими на „пречупване“, които причиняват извиване и пулсация на диафрагмата, създавайки много остри пикове и спадове в честотния диапазон. Освен че звучат лошо, са много чувствителни към разположението. Балансираните режими за предаватели (BMR — Balanced Mode Radiators) са проектирани да се възползват естественото поведение на диафрагмата, балансирайки вибрациите от различни области чрез оптимизиран подбор на материали, масово натоварване и обширна симулация на дизайна. По същество подсигурява, че ушите Ви винаги получават пълната звукова информация, дори ако не са перфектно подравнени с балансирания режим на предавателя (BMR — Balanced Mode Radiators) за високоговорителите.

Освен това Tectonic съумяха механично да минимизират изтичането на звук. Тъй като устройството за високоговорителя на Valve Index е с отворен гръб, налягането от предната страна може да взаимодейства с налягането от задната част и по определение те са извън фаза помежду си. Но въпреки това самото устройство за говорителя предоставя степен на „самостоятелно възпиране“ чрез общия си диаметър. Поначало при всяко устройство за говорителите на колоната, външният му диаметър спомага да се предотврати срещата на налягането от предната с това от задната страна. Tова, обаче, помага само когато дължината на звуковите вълни във въздуха е по-малка от самостоятелното заглушаване на диаметъра на говорителя. Когато дължината на вълната стане по-голяма от диаметъра на говорителя, налягането от предната страна ще взаимодейства директно с това от задната, а така настъпва силна отмяна. Общият диаметър на устройството за говорителя е около 5 см. Това означава, че над около 3 kHz няма анулиране, но както знаем, над тази честота аудио съдържанието намалява прогресивно. Повечето аудио съдържание съществува под 3 kHz и именно тук анулирането е силно, предотвратявайки възможността звукът да притеснява хората наблизо. „Ушите на слушателя, носещ комплекта слушалки на ВР шлема, са толкова близо до устройството за говорителя (близко обхватно), че отмяната не се възприема, тъй като налягането от предната страна е ОТНОСИТЕЛНО доста по-близо до ухото в сравнение със задната страна.“ Тим Уйтуел, главен технологичен директор на Tectonic.

Микрофонът

Лесно определихме целта си да постигнем висококачествени микрофони във ВР шлема, които да поддържат излъчващи персони и преживявания в мрежови игри. Въпреки това поради дизайна на високоговорителите над ушите, очаквахме производителността на микрофона да бъде трудно предизвикателство. За наша изненада се оказа, че в случая това не е така. Благодарение на редица уникални характеристики на високоговорителите над ушите успяхме да избегнем значителни усилия по отмяна на шума с DSP (Digital Signal Processing — обработка на цифрови сигнали) в сигнала на микрофона. Това от своя страна ни позволи да поддържаме много висока честотата на семплиране за излъчване от микрофона при 48 kHz. Следва списък с характеристики, които спомогнаха за изграждането на висококачествено въвеждане от микрофона:

• Двупосочният микрофонен масив за ограничаване на насочения отклик и фокусиране върху сигнала (устата на потребителя), елиминирайки всякакви други външни шумове. Двупосочният микрофонен масив се фокусира върху поемането на звук от устата на потребителя и изключва външните звуци;
• „Самостоятелното възпиране“ на говорителя с балансирания режим на предавателя (BMR — Balanced Mode Radiators) намалява замърсяването с външен шум много повече от традиционните колонки;
• Акустиката на високоговорителите и микрофона е проектирана така, че значително да намали всякакви нелинейни пътища за акустична обратна връзка. Собствената глава на играча поглъща голяма част от първоначалната звукова енергия от високоговорителите с балансиран режим на предавателя (BMR — Balanced Mode Radiators);
• Микрофони и аудио пътеки с високо съотношение на сигнал спрямо шум (SNR — Signal-to-Noise Ratio);
• Доброкачествени микрофони и плътни акустични запечатки;
• Динамично компресиране на входящото аудио с цел да се избегне изкривяване на силните гласове.

Финални размисли

Всичкото това проучване, итерации и отзиви ни кара да вярваме, че дизайнът на високоговорителите над ухото за Valve Index е възможно най-близък до оптималния баланс от компромиси и характеристики, специално проектирани за аудио възпроизвеждане на ВР в стаен мащаб, доколкото е възможно понастоящем. Наистина сме доволни от това как се получи аудио преживяването, но предвид казаното, все още има много за учене, както и други подобрения, които можем да направим.

Ако имате страст към аудиото и искате да работите с нас по разрешаването на подобни проблеми, моля, проучете разнообразните свързани аудио позиции или изпратете е-писмо до jobs@valvesoftware.com.