История золотого стандарта: как разрабатывали иммерсивное аудио для VR-игр

Виртуальная реальность предполагает максимальное погружение пользователя в виртуальный мир, который должен восприниматься как можно более реальным. Если VR-система сконструирована умело, можно не вставая с дивана совершать путешествия во времени и пространстве, переноситься в далекое прошлое Земли или исследовать Марс и Луну, по-прежнему не покидая уютной гостиной.

Игровая индустрия добилась заметного прогресса в создании VR, но одна из главных проблем, которую еще предстоит решить разработчикам, заключается в так называемом подавлении недоверия к виртуальному миру: чтобы пользователь подсознательно воспринимал его практически как реальный (конечно, он в любом случае будет знать, что мир, в котором находится, виртуальный, но «знать» и «воспринимать» — разные вещи). 

Используете ли вы VR, чтобы изучить астероид, приближающийся к Земле, играете ли в игру, в которой расстреливаете его ракетами, — чем реальнее будут ваши ощущения, тем лучше. Конечно, с теми же проблемами сталкиваются и литература, и кинематограф, но у VR есть характерная особенность — необходимость полного достоверного погружения в звуковую среду.

Аудиопогружение с наушниками Valve Index

Один из признанных лидеров игровой индустрии, компания Valve Corporation (создает игры, игровые платформы и игровое оборудование), задалась целью разработать гарнитуру Valve Index® VR, которая успешно подавила бы недоверие к виртуальной реальности. Для этого инженеру Valve Эмили Риджуэй и ее команде нужно было понять, как создать иммерсивную аудиосреду (модное слово иммерсивный означает «погружающий в действие»).

Обычно игроки используют стереонаушники, чтобы определять, с какой стороны в игре идет звук. Если источник находится слева от персонажа, игрок слышит звук через левый динамик, если справа — через правый. Valve решила отказаться от традиционных наушников, задача которых — изолировать ухо от внешних звуков, подавлять внешние шумы и передать в ухо полностью очищенный от них звук, но не создавать ощущение погруженности. Риджуэй полагала, что традиционная гарнитура способна даже помешать этому. Обычные наушники направляют звуковые волны непосредственно в слуховой канал, и звук ощущается неестественным, воображаемым, исходящим как бы из головы самого человека (так называемый интернализованный источник). К тому же сама гарнитура может быть неудобной, и этот дискомфорт способен «выбросить» пользователя из игрового переживания.

Некоторые игроки вместо наушников используют колонки. Это решает некоторые проблемы, но порождает и новые. Во-первых, качество звука будет зависеть от геометрии и акустики помещения. Во-вторых, наилучшее звучание создается колонками лишь в определенной зоне, а при взаимодействии с VR человек обычно перемещается.

Какое же решение предложила Риджуэй? Пара внеушных (супра-ауральных) полнодиапазонных наушников сверхближнего поля.

Риджуэй и ее команда изучила несколько типов динамиков. Ни один не отвечал полностью их целям, пока они не натолкнулись на динамики с технологией BMR компании Tectonic Audio Lab. Риджуэй, как написала она в своем блоге, «сразу заметила ряд преимуществ». «Они снижали уровень искажения в случае изменения ориентации динамиков, почти вписывались в наши требования по весу, имели отличные характеристики на высоких и средних частотах (что важно при бинауральной симуляции) и были намного тоньше, чем традиционные динамики». Valve объединилась с Tectonic Audio Labs, чтобы использовать эти преимущества и разработать пользовательские динамики для своей VR-гарнитуры.

А что такое технология BMR?

В традиционных динамиках звук генерируется конусовидной диафрагмой, совершающей поршневые движения. Диафрагма передает энергию вдоль оси этого движения, порождая звук. Динамики BMR работают иначе: они используют как поршневые, так и изгибные колебания диафрагмы. Это позволяет создавать равномерное акустическое поле вне оси динамика.

То есть высокие частоты, например, не затухают при отклонении слушателя от акустической оси. Такие динамики не требуют идеальной точки прослушивания (sweet spot) и за счет сверхлегкой мембраны обеспечивают высочайшую скорость отклика, а значит, и натуральность звучания. У традиционных динамиков случаются проблемы с передачей высоких частот, которые могут вызвать пульсацию или изгибы диафрагмы, известные как «слом диффузора». Возникающие при этом пики и спады снижают качество звука и требуют более тщательной ориентации динамиков. В большинстве динамиков избегают изгибных волн, а BMR вовсю использует их.

«Мы используем изгибные колебания, и нам нужно, чтобы они возникали. Можем контролировать точки их возникновения, именно эти изгибные колебания обеспечивают внеосевой выход сигнала. Мы используем резонансный слом в наших интересах, — рассказал Тим Уитвелл, вице-президент по инженерным вопросам в Tectonic Audio. — BMR во многих отношениях идет вразрез с представлениями традиционной акустической инженерии».

Технология BMR помогает использовать высокочастотную вибрацию при оптимизации некоторых характеристик, таких как материал колонок или масса воздушной нагрузки. 

Создание золотого стандарта

Итак, команда Tectonic Audio Labs приступила к разработке динамиков для гарнитуры Valve Index® VR. «Отправной точкой для нас стал анализ собственных мод диафрагмы, — говорит Уитвелл. — Для технологии BMR особенно важно, чтобы изгибной режим включался в тот момент, когда на диаграмме направленности область распространения поршневых волн начинает сужаться». Когда сужение вот-вот произойдет, изгибные волны должны начать «заполнение» зон по сторонам от центральной оси, в которые сузившийся пучок не сможет попасть.

Чтобы оптимизировать этот процесс, команде Tectonic нужно было прежде всего выяснить, в каких участках мембраны возникает режим изгибных колебаний и сколько таких режимов имеется во всей полосе пропускания. Для численного анализа собственных частот и режимов работы конструкции динамика использовали программное обеспечение COMSOL Multiphysics®. Таким образом команда получила возможность управлять изгибными режимами за счет оптимизации материала мембраны и ее толщины. Если рабочие моды возбуждаются где нужно и когда нужно, Tectonic Audio получает возможность обеспечить широкую направленность выходного сигнала во всем диапазоне.

Tectonic также провела численный анализ магнитной системы с целью её оптимизации. «Можно повышать число витков проводника на катушке, чтобы усилить преобразование электромагнитной энергии в механическую, но тогда увеличится вес, так что тут есть свои ограничения, — поясняет Уитвелл. — Всю оптимизацию мы проводим при помощи COMSOL®».

Механическая и электромагнитная модели были исследованы и оптимизированы по отдельности. Затем Tectonic Audio Lab объединила их для совместного анализа. Поскольку в объединенной модели почти все осесимметрично, инженеры представили ее в осесимметричном 2D-пространстве, сэкономив вычислительные ресурсы. Исключением был только материал диафрагмы.

«Материал диафрагмы ортотропный. Он имеет разную жесткость по разным направлениям, — объясняет Уитвелл. — Интерфейс Solid Mechanics в COMSOL Multiphysics® позволяет моделировать ортотропную природу материала в осесимметричном 2D-пространстве, это просто фантастика».

После разработки объединенной модели команда добавила к ней другие элементы, такие как спайдер-крепление, которое центрирует катушку и контролирует ее движение. В то же время продолжалась оптимизация объединенной модели для обеспечения сбалансированного режима диафрагмы — это ключевой момент в технологии BMR, позволяющий ей правильно работать в гарнитуре Valve Index® VR и гарантировать захватывающие впечатления самым разным пользователям.

Когда динамики полностью отладили, пришло время заняться крепежом и подвергнуть нелинейному анализу его геометрию. «Мы деформируем подвеску и смотрим, как ее жесткость меняется при смещении, — говорит Уитвелл. — Тут тоже есть большой простор для оптимизации». Он подчеркнул, что такая оптимизация особенно важна в этом проекте: «Все шумы в динамиках и все искажения будут очень и очень отчетливо слышны пользователю». После того как подвеска оптимизирована, ее вновь помещают в объединенную модель.

«Мы должны убедиться, что все необходимые характеристики сохранились, — добавляет Уитвелл. — Затем можно приступать к созданию прототипа».

Королева VR-гарнитур

После того, как Tectonic Audio Lab успешно завершила оптимизацию и прототипирование продукта, Valve Corporation вывела свою гарнитуру на рынок и заслужила много положительных откликов. Один из них принадлежит популярному ютьюб-каналу под названием Linus Tech Tips, который ведет Линус Себастьян. Тематика его выпусков широка: от объяснения, зависит ли скорость вашего компьютера от объема оперативной памяти, до обзора новейших беспроводных клавиатур и советов, как собрать корпус PC Tower из картона. Конечно же, там есть тесты VR-гарнитур.

В какой-то момент на канале Linus появился выпуск под названием «Может, VR и не мертва…», где рассмотрел гарнитуру Valve Index®. Поначалу он с недоверием отнесся к наушникам, но, попользовавшись ими один день, был впечатлен. «Надо отдать должное этим динамикам, — сказал Линус Себастьян. — Они в самом деле звучат потрясающе!» Остальную часть видео Linus посвятил изучению спецификаций гарнитуры.

В конце Linus, держа в руках гарнитуру Valve Index® и глядя прямо в камеру, произносит: «Да это просто королева игровых VR-гарнитур!»

*Valve Index является зарегистрированным товарным знаком Valve Corporation.