3D空间音频——还原声音的真实场景

听觉是人们获取信息的一项很重要的感觉,在现实生活中,人们依赖听到的声音判断情况。比如当有人叫你名字时,你知道往哪个方向看;有行驶中汽车靠近,你需不需要去避让。这是因为自然界中的声音有空间感,人耳在环境中能判定声音发生位置的方向和远近。

随着科技的发展,耳机已融入我们的日常生活,成为我们学习、工作和生活娱乐中重要的工具之一。除了常见的降噪、立体音质、舒适感等性能需求之外,人们也逐渐对声音的空间感和真实感有更高的要求,能够在观影、玩游戏或听现场音乐会时有更真实的临场感和沉浸式体验。如今,3D空间音频的出现不仅仅局限于通过虚拟多声道技术来增强声音的立体感,更重要的是它赋予了声音真实的空间感,让一副耳机带你穿越时空,仿佛置身于激情澎湃的演唱会,和喜爱的歌手一起高声歌唱;置身于游戏茂密的丛林之中,仔细聆听敌人的脚步声,并准备给敌人致命一击。

完整的3D空间音频技术包含空间音频算法和体感算法两大核心部分。空间音频算法通过模拟声音在一个确定的空间场内发声,在耳机中实现虚拟三维空间的听觉体验;而体感算法主要是通过传感器感知头部的转动,再通过算法重构声场,在耳机中模拟出声场随头部位置变动而变动的现实场景。

一、空间音频算法实现三维环绕声

在现实生活中,空间某点声源发出的声音传递到人的两耳,会有强度差——两个耳朵听到声音大小的差别;时间差——两个耳朵听到声音的先后顺序;相位差——声音经过环境反射后,到达时间不同的多段音频信号混叠且相位不同时,相位抵消,导致某些频率丢失;频率差——两个耳朵听到的声音频率高低的差别。声音在传递过程中,频率越高的声音遇到阻碍衰减越强,消失越快。如果从左侧的某个方向上传来,则先到达左耳,遇到头部遮挡后再到达右耳。此时左耳听到的声音大、频率较高,右耳听到的声音小、频率较低。所以人耳根据到达两耳声音的强度、时间、相位和频率差别来确定声源的位置。

举个例子,现在你在路上行走,左边是行驶车辆,右边是一所小学,后面有人打着电话走近,此时你会感觉左耳听到汽车声,右耳听到学校铃声,后面打电话的人逐渐走近,声音逐渐变大。这就是现实生活中真实的三维环绕声,声音来自四面八方,你会很清楚地感知到声音的位置和远近。

耳机只有两个喇叭,那它是怎么实现360°空间环绕感呢?

利用3D空间音频算法模拟出经过多种传播路径到达人耳的音频信号,使得耳机能够模拟人耳对不同场景不同方向声音的感知。在数字信号处理阶段,音频信号经过延迟、增益和滤波等算法处理,可以模拟出声音在真实环境中的传播和反射效果。从而能够通过耳机的两个喇叭,听到来自不同方位不同强度的声音,还原声音在真实场景中的空间感。

二、体感算法和传感器实现头部跟踪

耳机中的3D空间音频头部跟踪功能,通过高精度的陀螺仪、加速器、磁力器等传感器和头部跟踪传感算法实现。当用户的头部产生移动和位置变化时,通过传感器采集实时运动轨迹并重新映射声场,调整声音的方向和强度,模拟在真实环境中因头部转动导致的声场变化,还原声音在真实场景中声场的位置和方向随头部的转动而变动。

三、翔音科技3D空间音频算法

自从2019年苹果推出AirPods Pro以来,Beats、三星、小米、华为等品牌纷纷推出搭载了3D空间音频功能的高端耳机产品。随着市场需求的扩大,该功能也将会得到更多普及和应用。

深圳市翔音科技有限公司作为国内知名音频方案提供商,已成功完成全套3D空间音频算法的研发,并创新地集成在耳机设备端,能够赋予耳机独立的计算能力,无需依赖电脑、手机等设备端的软件驱动,即连即用,不挑设备,提升了耳机的通用性和便捷性。

目前,翔音科技已将该方案成功应用于有线游戏耳机领域,为游戏玩家带来第一视角的沉浸式游戏体验,也将助力更多品牌厂商,实现产品迭代升级,提升产品竞争力和品牌价值。除此之外,翔音科技还在同步开发3D空间音频方案在无线耳机上的应用,包括无线游戏耳机、TWS耳机、OWS耳机等,将极大地普及空间音频这一功能的应用,用技术创新成果为更多耳机厂商带来新的增长价值,共同推进耳机市场的长远健康发展。