• Принципы работы обычных звуковых карт

• Системы пространственного звучания:

  • Dolby Surround AC-3

  • Environmental Audio eXtensions (EAX)

  • A3D

Принципы работы обычных звуковых карт

           Кроме обычного канала звука на встроенный динамик компьютера, фактическим стандартом создания звуков на обычном компьютере являются звуковые карты, разработанные фирмой Creative Technology. Все остальные производители звуковых карт стараются сохранить совместимость с этими картами либо аппаратными, либо программными способами. Звуковые карты ранее чаще всего использовали 16-битную шину ISA, 8-ми разрядные карты уже несколько лет не выпускаются. С середины 1996 года все новые модели звуковых карт поддерживают режим Plug&Play. Начиная с осени 1998 года активно начали распространяться аудио карты с шиной PCI.

        Звуковые карты состоят из двух основных частей: синтезатора для обработки MIDI команд и блока аналогово-цифрового (АЦП - Analog Digital Converter - ADC) и цифроаналогового (ЦАП - Digital Analog Converter - DAC) преобразователя. Кроме этого, на звуковой карте, как правило, расположен контроллер джойстика.

        С помощью АЦП и ЦАП обеспечивается возможность моно- или стереофонической записи и воспроизведения аудиофайлов с уровнем качества от кассетного магнитофона до аудио-CD. Разрядность АЦП и ЦАП (аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей) сейчас, как правило, 16 бит, частота дискретизации от 5 до 44, 1 кГц, возможна компрессия звука (например, по методу ADPCM), позволяющая уменьшать объем создаваемых звуковых файлов. В ISA картах используется также 8- и/или 16-битный канал DMA, прерывание и порты ввода-вывода. При использовании двух каналов DMA возможны одновременная запись и воспроизведение аудиосигналов, что реализуется только в Full-Duplex картах. Наиболее часто используется 5 прерывание (IRQ 5) и 1-й и 5-й каналы DMA. Возможность двунаправленной работы многих звуковых карт сейчас активно используется для общения через Internet, поэтому рекомендуется приобретать звуковые карты, поддерживающие этот режим. PCI аудиокарты за счет намного более высокой скорости работы шины всегда поддерживают полный дуплекс

Синтезатор обеспечивает имитацию звучания музыкальных инструментов и воспроизведение различных звуков при выполнении команд MIDI. Синтезатор может быть выполнен как на основе FM синтеза, так и на основе таблицы волн. При FM синтезе возможно одновременное звучание до 20 инструментов, а с использованием таблицы волн - до 512 и более. Очень часто путают количество одновременно звучащих инструментов и разрядность звуковой карты. Еще раз обращаем внимание на то, что 32-х и 64-х разрядных классических звуковых карт НЕ БЫВАЕТ. Цифра 32 или 64 (например, Sound Blaster 32 или Sound Blaster AWE64) означает максимальное количество одновременно звучащих инструментов и не более того. Звуковые карты на PCI, как правило, не имеют встроенной таблицы волн. Для уменьшения их стоимости таблица (таблицы) загружаются в обычную память компьютера, что позволяет даже с самыми недорогими аудиокартами использовать волновые таблицы большого объема и, соответственно, с большим количеством инструментов (до 512) и более высоким качеством звучания.
Звуковые карты PCI имеют 32-разрядную шину для обмена данными, но процедуры цифровой обработки звука и приема/передачи результатов обработки могут быть с разрядностью 64 и более.

В программное обеспечение к звуковой карте, как правило, входит программа-микшер, которая обеспечивает регулировку уровней входных и выходных сигналов, регулировку тембра по низким и высоким частотам (не во всех моделях). В таких операционных системах, как Windows 95 и Windows NT, микшер входит в состав системы, но, как правило, своя программа-микшер прилагается к каждой звуковой карте.

Звуковая карта имеет набор разъемов для подключения внешних аналоговых и цифровых сигналов:

• входные - микрофон, линейный вход, CD-ROM аналоговый (разъем для его подключения обычно размещен на самой карте для присоединения аудиовыхода CD-ROM привода), CD-ROM цифровой вход (на некоторых новых PCI картах);

• выходные - линейный выход, выход на колонки или наушники). Встроенный усилитель имеет мощность до 4 Вт на канал, большинство звуковых карт с 1999 года имеют усилитель с выходной мощностью, достаточной только для наушников.

Для создания мелодий с помощью синтезатора на звуковой карте существуют специальные MIDI-клавиатуры типа рояльной, простейшие фиксируют и передают только факты нажатия-отпускания клавиш, более сложные имеют динамические датчики, реагирующие на силу и скорость нажатия (в сочетании с хорошим wavetable - синтезатором возможна достаточно полная имитация различных инструментов). MIDI-интерфейс имеют многие профессиональные и полупрофессиональные клавишные синтезаторы.

Системы пространственного звучания

Dolby Surround AC-3, он же Dolby Digital

В последнее время системы пространственного или объемного звучания становятся все более и более популярными. Система Dolby Surround AC-3 была определена фирмой Dolby Laboratories как звуковая система для домашнего театра. В связи с тем, что реально эта система для конечного пользователя мало чем отличается от просто Dolby Digital (предназначенной для профессиональных применений) было принято решение об объединении обеих технологий под общим названием Dolby Digital. Dolby Digital является дальнейшим улучшением ранее разработанных фирмой Dolby технологий Dolby Surround и Dolby Pro Logic. Изменения коснулись как технологии записи/воспроизведения звука, так и способов его передачи. Информация в технологии Dolby Digital передается только в цифровой форме и за счет оптимальных способов кодирования занимает небольшой объем (меньше, чем обычный аудио сигнал).

Основная задача, которую ставили перед собой разработчики систем кодирования звука - максимально простыми и недорогими способами дать возможность пользователю "видеть" источники звука и четко представлять, где находится источник любого звука. Естественно, первоначально эти системы задумывались только для киноиндустрии, так как в кино объединение высококачественного изображения и объемной звуковой картины дает наиболее сильный и заметный даже для неискушенного слушателя эффект.

Dolby Digital не является форматом 3D звука и не может использоваться в играх для поддержки самой игровой среды. Звук, записанный по Dolby Digital, строго говоря, ничем в смысле его использования, не отличается от обычного аудио и не может быть получен "искуственным" путем, а только соответствующей  записью реального, "живого" звука и не может быть изменен после записи. Поэтому Dolby Digital звук может сопровождать фильм, концертную запись и т.п. и будет записан на обычной звуковой дорожке к фильму.

Когда появились DVD видеодиски, стало возможным записывать звуковую дорожку к фильмам на них в формате Dolby Digital и одновременно интерес к технологиям от Dolby сразу возник и у производителей звуковых карт, так как совершенно очевидно, что желание наряду с превосходной картинкой с DVD диска иметь объемный звук появилось у владельцев компьютеров достаточно быстро.

Что требуется иметь на компьютере для прослушивания звука, записанного по технологии Dolby Digital?

Во-первых, собственно источник сигнала с Dolby Digital. Сейчас это фактически только один источник - DVD видеодиск.
Во-вторых - декодер сигнала Dolby Digital. Не только крупнейшие производители звуковых карт, но и компании второго эшелона выпускают звуковые карты с поддержкой декодирования Dolby Digital и 6 выходами.
В-третьих - акустическая система с числом колонок минимально от 4 до 5 и сабвуфером (он же LFE)
     Примерный эскиз расположения динамиков, рекомендуемый инженерами Dolby Laboratories, приведен на рисунке ниже:

На этом рисунке

• LFE - Low Frequence Effects Channel - канал для низкочастотных эффектов. Строго говоря, это не сабвуфер, так как низкочастотные динамики могут входить в состав фронтальных акустических систем и собственно низкочастотные звуки будут воспроизводиться именно ими. Сюда могут быть направлены звуки мощных низкочастотных источников - взрывы, землетрясения и т.п. LFE можно не иметь, но тогда эти звуки будут направлены на фронтальные системы и они должны иметь возможность воспроизвести подобные звуки без искажений.

• Под усилителем с декодером подразумевается любой источник декодированного Dolby Digital звука.

• Под правым и левым Surround понимаются акустические системы для левого и правого боковых каналов объемного звука. Их не называют просто тыловыми, так как в кинотеатрах, в зависимости от длины зала, левые и правые Surround системы могут состоять из десятков динамиков как по левой так и по правой стороне зрительного зала.

На DVD дисках обычно есть специальная маркировка, указывающая тип формата записи звука. В таблице ниже приведены условные обозначения видов записи:

          Environmental Audio eXtensions - расширения аудио среды. Эта система трехмерного звука была разработана фирмой Creative Technologies как одна из составляющих ее проекта по звуковой карте Sound Blaster Live!. Основная цель - слушатель (в основном любитель игр) должен получать информацию о местонахождении источника каждого звука и тем самым постоянно быть в трехмерном звуковом окружении. Другими словами, слушатель как бы находится в "гуще событий".
          Следует четко понимать различие между EAX и, например, Dolby Digital. Dolby Digital предназначена для передачи "живого" звука. EAX же необходима для генерации объемного звука по алгоритмам, заложенным при разработке игровой или иной программы или обработке уже имеющегося "живого" звука под соответствующую среду. Звук в соответствии с EAX может быть сформирован из обычного (например, с аудио компакт-диска) с указанием звуковому процессору параметров среды, которую желательно имитировать при воспроизведении этого звука. В качестве звуковой среды может быть концертный зал, стадион и т.п. Таким же образом может быть сформирован звук для любой программы (игры) и в программное обеспечение к SB Live! входят десятки готовых настроек под различные игры. Необходимо только помнить, что искусственное создание объема требует жертв, и, несмотря на высокую производительность звукового процессора, обработанный с EAX "живой" звук, как правило, теряет часть своей естественности.
          EAX выполнен как расширение DirectSound3D и основан на моделировании реверберации звука в зависимости от окружающей среды. В EAX звуковая среда моделируется по координатам X, Y, Z, с учетом отражений и "содержимого" среды, так как действие может происходить в лесу, в квартире, под водой и т.д. Недостатком EAX является то, что нет вычислений звуковой картины под каждую конкретную ситуацию, а используются готовые предопределенные установки для каждого типа окружающей среды. Такой подход также облегчает жизнь и разработчикам игр, от которых требуется только указать тип среды и размер комнаты (пещеры, туннеля и т.п.). Этот способ позволяет также иметь звук с EAX и для тех игр, в которых поддержка EAX не заложена разработчиками. Достаточно просто знать среду, в которой происходит в основном действие игры, и поддержка как бы объемного звука легко появляется.
          Одним из самых главных переимуществ EAX для разработчиков игр является то, что стандарт является открытым и включен в DirectX. Поэтому, строго говоря, любая фирма-разработчик звуковых карт может включить поддержку EAX в свое изделие, поддерживая EAX аппаратно и/или программно. У основного конкурента, A3D, такого преимущества нет. У Aureal все рассчитано на использование A3D только со своими звуковыми процессорами, т.е. звук по Aureal может быть реализован на звуковой карте с процессором от Aureal и никакой другой.
          Строго говоря, разница между различными конкурирующими системами создания объемного звучания определяется качеством алгоритмов и мощностью звукового процессора, который обрабатывает эти алгоритмы. Слушатель может лишь оценить результат по критериям нравится/не нравится, естественный звук/неестественный звук и т.п. Очевидно, что создать правдоподобный трехмерный звук на двух динамиках практически нереально, поэтому, несмотря на заверения в возможности прослушивания EAX через обычную аудио стереосистему, достоверный звук получается только при подключении не менее чем 4-х колонок.
          Для прослушивания звука с EAX рекомендуется иметь следующие компоненты:

• Звуковую карту Sound Blaster Live! в любом варианте (Value, Full Retail, OEM Value и т.д.) или любую другую PCI звуковую карту с поддержкой EAX.

• Либо две пары обычных активных колонок, либо акустические системы Cambridge PCWorks FourPointSurround.

• Программа (чаще всего это игра), поддерживающая вывод звука в формате EAX.

Creative Technologyпродолжает развитие EAX. Весной 1999 года была выпущена версия 3.0 API EAX. По сравнению с первоначальным вариантом в версиях 2.0 и 3.0 появились следующие дополнения:

• Позволяет моделировать эффекты различных препятствий, таких как стенки или перегородки внутри комнаты

• Более полный интерфейс для параметризации отражений звука, включая отдельные средства управления для первоначальных отражений звука и более позднего эффекта его реверберации

• Улучшенное моделирование расстояния для автоматического управления отражением звука в зависимости от позиции источников звука относительно слушателя.

• Индивидуальное отслеживание реверберации для каждого из многих источников звуков в помещении

• Позволяет динамическую трансформацию между средами

A3D

       Система пространственного звучания, аналогичная по своим областям применения (но не по принципам проектирования) EAX, была разработана фирмой Aureal Semiconductor для поддержки объемного звучания в прикладных программах.
       Основная идея при создании любой аналогичной системы - получить трехмерный звук с минимальными затратами, т.е. желательно на 2-х динамиках и без применения дорогих звуковых карт. По отзывам большинства пользователей, именно фирме Aureal Semiconductor пока удалось это сделать лучше всего. Здесь и далее будет изложен взгляд на технологию A3D специалистов фирмы Aureal Semiconductor.
       Какими путями до слушателя доходит звук? Рисунок ниже иллюстрирует эти пути:

       Эта модель, строго говоря, справедлива для высоких частот. Низкочастотные звуки воспринимаются по другому, так как они легко проходят через препятствия и воспринимаются всем телом человека, достигая и его ушей. Поэтому определить направление и место источника низкочастотного звука достаточно сложно и такие звуки обычно не используются для позиционирования источника звука.
       Расчет формирования звука делается на основе модели HRTF. Обычная модель HRTF состоит из двух звуковых фильтров (по одному для каждого уха). Функционирование фильтров зависит от трассировки звука до уха слушателя. Именно правильной реализацией механизма HRTF (получено большое количество патентов) и объясняет фирма Aureal высокое качество своей системы объемного звучания. Так как, в отличии от EAX,  ее звуковая модель учитывает специфические особенности человеческих ушей, то и объемность звука более натуральна. Звук на головных наушниках при этом наиболее правдоподобен, так как звук поступает персонально на каждое ухо. При прослушивании   через акустические системы возникает взаимовлияние одного канала на другой и эффект объемного звучания становится менее заметеным.
       Развивая свой успех, фирма Aureal разработала следующую версию 2.0 системы A3D. Основное внимание было уделено математическому алгоритму трассировки звука в зависимости от геометрии и материала среды распространения звука, названному Wavetracing. Алгоритм и соответствующее API разрабатывались Aureal в кооперации с такими известными компаниями и организациями как NASA, Matsushita и Disney. При расчете звучания анализируются не только отражения звука от различных объектов, но и перемещение звуковых волн через открытую в комнате дверь, распахнутое окно и т.п. Поддержка версии 2.0 требует значительной вычислительной мощности звукового процессора, поэтому она поддерживается только процессорами второго поколения, как, например, в звуковой карте Diamond Monster Sound MX300.

При подготовке этой страницы использовались материалы с WEB сайтов компаний Creative Technology, Aureal Semiconductor и Dolby Laboratories.