游戏中的现代音频技术样本.docx
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游戏中的现代音频技术样本
游戏中当代音频技术
1、概念
1.13DSoundvsSurroundSound
在游戏开发中,声音(Sound)地位并不如图象那么重要。
游戏开发者们会发费大某些时间来增长3D图形新功能和特效;但是,想要说服她们花更多时间和金钱,来开发具备高质量音频效果游戏可以说是非常困难。
同步,在硬件方面,玩家们也更乐意购买最新款式3D图象加速卡,而对新声卡似乎也并不是那么感冒。
然而,随着显示卡发展正在呈现出顶峰状态,玩家对游戏也体现出越来越挑剔姿态,以为先进游戏除了具备赏心阅目图象和绚丽特效外,音效也是不可缺少,因此当前形势似乎有急转趋势—顾客和开发者比以往任何时候都专著于音频系统效果。
在当代游戏开发筹划中,声音效果占据了40%预算,时间和人力。
音效芯片制造商和3D音效开发者们在竭力使顾客和应用程序开发者们相信:
良好3D音效将是当代多媒体电脑重要构成某些。
此前音效是立体,这是非常模糊说法;在引如了3DSound之后,咱们全面进入了多通道音频效果新纪元:
4.1,5.1和7.1通道。
当前让咱们走近3D音效,看它与多通道解决方案雷同和区别。
3D音效概念是对听众周边3D空间音源进行精准定位。
在虚拟游戏世界里,每个可以发出声音物体都代表了1个音源。
咱们这里以Action发布典型第一人称射击游戏《活体解剖者:
人面兽心》(Vivisector:
BeastInside)为例进一步浅出地解释本文中问题。
上面图象里有观众和音源,其中有些音源是立体声(例如背景音乐;在这个特别游戏里,风和丛林沙沙声都将是重要环境(噪)声);怪物有8个音源;玩家射击,脚步等作为1个音源;尚有3个环境音源(昆虫,小鸟等等)。
为了在场景里获得更加逼真音效,虚拟世界3D音效都被进行了深度解决:
模仿或者夸大现实世界声音,这里使用到了各种各样音频解决技术,例如:
混响,反射,闭塞,阻碍物,远方传来声音(音源与听众距离)……等等。
1.23D音频技术
1.2.1定位
每个人可以感知到声音都是不同(这依赖于耳朵形状,年龄和心理状态),因而在1项3D技术里关于不同声卡或者解决效果不也许只有1个质量选项。
声音与否可以真实地再现,则重要依赖于声卡和扬声器,尚有游戏中采用音效解决引擎。
当前让咱们看看3D音效是如何产生,咱们一方面要从2D定位(Panning)开始讲起(当前这项技术依然在IDSoftware《Doom》中被使用)。
在这项技术中,每个单声道音源都被当作立体声来运营,并且它们左—右声道音量水平可以互相对调。
这样虽然系统里没有垂直定位,但它还是可以变化声音效果(例如,进行高频过滤),因此当声音从听众背面发出来时候,她可以听到压抑声音。
当前硬件已经可以实现这种效果了。
声卡可以使用HRTF(头部有关传播函数)技术在两个扬声器或者耳机中模仿音源位置;通过过滤或者其他转换来模仿人类听觉。
1.2.2HRTF(头部有关传播函数)
使用两个耳朵决定音源在空间位置中传播函数。
在声音传递过程中,咱们头和身体实际成了变化声音障碍物,咱们耳朵藏在音源背面,可以感知到声音信号变化;接着声音信号会进入咱们脑子,并被解码来决定音源在空间中对的位置。
从左耳到右耳各有不同3个HRTF(头部有关传播函数):
音源定位,135度数和36度数。
而这些数据所有解决过程基本上都是一致,普通做法是在特殊耳麦下使用特殊办法把这些数据记录起来。
Sensaura,在平滑法则下(例如,在2500Hz峰值,和5000Hz低谷下使用间隔)运用人工合成HRTF,而其他公司普通都使用平均HRTF。
上面HRTF系统由两个FIR滤镜构成,而HRTF就是它们传播函数。
既然HRTF具备智能,那么咱们储存容量巨大HRTF似乎就显得挥霍了,由于真实音源定位可以通过HRTF插补来实现。
1.2.3逐渐没落HRTF
1)声音会发生严重扭曲。
2)解决进程非常慢。
3)如果音源是固定,那么它们位置将不可以精准地定位,由于人脑子需要移动音源(音源移动或者在听众脑海移动)才可以懂得音源在几何空间精准定位。
人们突然其来地向音源转过头去,这是常有事情;而就在头转过去一瞬间,脑海里就可以懂得声音在空间确切位置。
在先后HRTF函数之间,如果音源没有产生特殊频率,那么脑海就会忽视这样声音;相反,它会把这样数据与记忆中数据进行对比,并定位音源在空间中位置。
4)耳机可以获得最抱负音频效果。
耳机可以较好地解决把声音信号从1个耳朵输送此外1个耳朵问题。
然而,大某些人并不是很喜欢耳机,虽然是无线型号。
此外,玩家带上耳机之后,会使声音听起来更近一点,这个问题尚有待解决。
音响学发展可以避免耳机浮现这些问题,然而新难题又浮现了:
一方面,不明确怎么使用扬声器生成立体声声音。
例如:
在HRTF传播之后,怎么让声音信号一某些在两个耳朵之间互相输送呢?
当咱们使用扬声器而不是耳机之后,两个耳朵就会获得相似声音,这里解决该问题办法就是串话干扰(CrosstalkCancellation:
CC)。
2、进一步
在最佳听音位置(SweetSpots)听众可以抱负地听到所有3D音频效果,而在其他区域声音会发生失真。
这样咱们在倾听声音时候就就需要选取对的位置。
对于一对音箱来说,有一种平衡、声带、细节、立体感最佳听音位置,称作SweetSpot。
录音和制作时候始终在这一点对监听具备重要意义。
SweetSpot普通位于一对立体声音箱中间,前方数英尺地方。
许多专家以为从高音头上方到听音者鼻尖构成一种虚幻等边三角形,就是SweetSpot所在。
由于受到许多客观条件影响,这个位置也许有某些偏移,例如调音台面板反射就会有影响,音箱差别也会影响到SweetSpot,某些音箱具备较宽敞最佳位置。
准的确际位置普通要通过持续试听和调节来拟定。
SweetSpot范畴越辽阔,效果就越佳,这也是为什么开发者们在努力寻找可以扩展SweetSpot覆盖范畴办法。
在多扬声器系统(4.1,5.1)里,声音从听众周边扬声器里分布式传出来;声音从不同扬声器系统里传出来,听众就可以定位音源所在了。
在规则来说,使用Panning就足够了,也就是所有扬声器同步地播放数个流(依照扬声器数量),但是却在不同音量水平—因而效果就产生了。
例如,杜比数字(DolbyDigital)在5.1和7.1配备分别运用6和8个音频流。
SensauraMultiDrive,Creative(创新)CMSS(Creative创新多音箱环绕)技术,可以使用4个或者更多扬声器重现使用HRTF函数声音。
SensauraMultiDrive3D音效技术基本上都必要至少透过4声道以上喇叭来体现3D音效定位临场感,而每一只喇叭所输出音效内容都是不同样。
Creative多音箱环绕(CMSS)技术可将任意单声道或立体声音源解决为360度音效。
扬声器每某些有先后两个半球。
既然声场是基于HRTF函数,那么SweetSpot容许听众每边音源和先后轴音源定位具备最佳感知觉。
随着覆盖角落拓宽,SweetSpot空间也会变得足够大。
没有串话干扰(CrosstalkCancellation:
CC),音源定位是不也许。
既然HRTF在MultiDrive技术上重要是用于4个以上扬声器,那么在所有4个扬声器上应用CC运算法则就显得非常必要了,但这需要音频解决芯片有非常强大计算能力。
在使用了HRTF之后,后置扬声器也可以如前置扬声器般获得精准定位。
前置扬声器普通放在显示屏附近,重低音单元则可以放在中心地板上,而后置扬声器可以放在听众喜欢任何地方,但我相信没有人会把它放在身后吧。
要记住,HRTF和CC用在4个扬声器系统时候会需要非常强大计算能力,因此厂家们想出了诸多应对办法。
例如傲锐(Aureal,已经被创新给收购了)在后置扬声器上使用了Panning算法,由于对后置扬声器定位并没有那么严格。
nVidia在3D音响上使用了DolbyDigital5.1。
在定位时候,整个音频流会解码为AC-3格式,接着会以数字格式输送到外部解码器(例如,家庭影院)。
2.1最小/大距离,空气效果,MacroFX(Min/MaxDistance,AirEffects,MacroFX)
声音引擎重要特点之一就是它距离效果,音源距离越远,声音就显得越安静。
其中采用最简朴办法是在远距离时候减少音量级;在声音开始淡出时候,声音效果设计师必要分派给它一种至少距离。
当声音在该距离范畴之内,它仅变化方位;每当她穿越1米距离,声音强度将减少6dB。
在最远距离之前,声音会始终削弱,而在最后声音会由于距离太远而听不见。
在声音接近1个音量级时候,引擎会把声音关掉以释放资源。
最大距离越远,听到声音消逝也会越持久。
在大多数状况下,音量级是有对数有关性。
设计师可以鉴别较大声音和安静声音,音源也可以被区别为最小和最大距离。
例如,蚊子声音在50cm之外就听不见了,而飞机引擎声音在几公里之外还是可以清晰听见。
2.2A3DEAXHFRolloff
A3DAPI通过模块化高频率衰减开扩展DirectSound3D距离—与真实世界相似,高频某些会根据相应法则被大气吸取—每米大概0.05dB(选取频率:
默以为5000Hz)。
但在迷雾天气,空由于气会更加厚,高频衰减就会更快。
EAX3容许解决低阶模块化空气效果:
这里分派了两个参照频率—低频和高频,它们效果要根据环境参数。
2.3MacroFX
大某些HRTF测量都是在远声场里执行,这样可以简化计算,但如果音源是在1米之内(在附近区域),HRTF将不可以充分地工作。
这时候就浮现了MacroFX,MacroFX技术是用于重现接近区域发出声音。
MacroFX算法合用于在接近区域声音,而声音被定位为与听众似乎非常近,好象声音是从扬声器向听众传去,甚至穿透她/她耳朵。
效果基于在听众周边所有空间声波传播精准模块化,数据传播使用了高效率算法。
该算法整合到了Sensaura引擎,并且在DirectSound3D操控之下,也就是说它相应用程序开发者是透明,可以运用它开发出大量新特效。
例如,在飞行模仿程序中,作为飞行员听众可以听到空中交通控制员对话,就像她戴了耳机同样。
2.4多普勒效应(Dopplereffect)
多普勒效应:
传播系统中因源与观测点间有效传播距离,会随时间变化,而引起观测到波频率有所变化现象。
赛车或者飞行游戏将可以从DopplerEffect获益良多,而在射击中,它可以用在喧闹,激光或者等离子射击时候声音效果,也就是任何移动非常快目的。
2.5大型音源效果
大型音源(VolumetricSources)效果让设计师们可以创造出大型发声源,你可以这样想:
一种人在跑步、或是一把小型武器开火声音都算是非常小声源;但如果是一群正在欢呼人,一台巨大发电机,或是一条往来频繁高速道路,她们所发出声音都是属与大范畴区域。
更大和合成音源与最佳音源相比可以获得更加逼真效果。
最佳音源可以较好地应用到宽敞但是却在远方物体,例如,移动汽车。
在现实生活中,当汽车接近时候,听众位置将不会再是最佳音源位置。
然而,DS3D模式算法会以为它是最佳音源,图画就没有那么逼真(也就是它看起来像是1辆小火车在接近而非是巨大火车)。
Aureal首个在它A3DAPI3.0里应用到了大型音源;接着是Sensaura在它ZoomFX加入了对大型音源支持。
ZoomFX技术把几种音源定义为一块很大对象(假设火车合成音源可以由车轮,引擎,耦合车厢等构成)。
2.6多听众
多听众(MultipleListeners)是供游戏控制台(PlayStation2,Xbox,GameCube)支持两个或更多玩家使用新技术。
例如在TV控制器PS2游戏《GT赛车3》(PolyphonyDigitalInc.)可以支持各种玩家,两个玩家都是在不同电脑和游戏中不同区域;因而,她们必要仅听到环绕在附近声音。
无疑,她们可以听到互相发出声音,但这项技术简化了实现过程。
不幸是,当前还没有任何硬件API支持多听众。
这项技术也仅是使用在商业声音API—FMOD中。
等一下咱们会阐明它细节。
3、3D音响技术:
声波追踪VS缠绕(wavetracingvsreverb)
在1997—1998年,每个芯片制造商都加大力度开发它们以为有前程音频技术。
Aureal,当时业界领先者,将赌注放在极限真实游戏上,它采用技术为“声波追踪”(Wavetracing)。
Creative则以为使用缠绕预前运算会更有更好效果,于是它便开发了EAX。
Creative在1997年收购了Ensoniq/EMU:
专门研究开发和制造音效芯片公司—这也是为什么它在当时拥有缠绕技术因素。
Sensaura出当前市场时候,它使用了EAX作为基本,命名为EnvironmentFX版本技术事实上就是:
MultiDrive,ZoomFX和MacroFX。
nVidia是最迟进入该领域
厂家—它为3D声音定位实现了唯一真实DolbyDigital5.1解码。
3.1声波追踪(Wavetracing)
为了把音效完全融合到游戏里面,必要要计算出声环境和它与音源交互作用。
随着声音传播,声波与环境具备干涉作用。
声波可以以几种不同途径传播到听众耳朵:
∙直接通道(directpath)
∙1st顺序反射(1storderreflection)
∙2nd顺序或者晚期反射(2ndorderorlatereflection)
∙封闭(occlusion)
Aureal声波追踪算法通过度析3D空间几何描述,然后决定声波在实时模式传播办法,接着它们会被反射,抑或通过3D环境无源物体。
几何引擎在A3D接口程序来说是非常独特机制,它可以模块化声音反射和穿越障碍物。
它从几何水平上来解决数据:
线,三角形和四边形(声频几何)。
声频多边形有它自己位置,大小,形状和制造材料属性。
它形状位置与音源紧密有关,听众可以感觉到每个独立声音是被反射、穿越或者环绕着多边形。
材料属性则可以决定传播声音声是被整个吸取或者被反射了。
图象几何构造数据库可以通过转换器,在游戏水平被装载时候把所有图形多边转换为声频多边形。
全局反射或者封闭值可以通过设立参数进行修改。
此外,它还可以在高档模式解决多边型转换算法,和以独立卡文献形式把音频几何数据库给储存起来,然后在游戏装载时候进行文献互换。
最后,声音就可以获得更加正式效果:
混合3D声音,通过声学设计房间和环境,声音信号可以在听众耳朵里精准再现。
Aureal实现环境模式并不是太抱负,虽然是Creative最新版本EAX也是如此。
无论如何“声波追踪”技术所分派用于计算反射硬件流是非常有限。
这就是为什么说获得真实声音效果尚有很长路要走。
例如,当前它对迟反射解决能力局限性,就更不要说图形化声音解决了。
此外,声波追踪技术不够敏捷;并且实现时候需要巨大资源开支。
这也是为什么你不可以对EAX技术纹理渲染置之不理了。
3D图形当前还没有使用到基于光线追踪办法来实现实时渲染。
3.2封闭
当前让咱们来研究封闭效果。
在原理上来说,它可以通过调低音量来实现,但更加实际实现办法是使用低通过(low-pass)过滤。
在大某些状况下,1种类型封闭(occlusion)就已经足够了—音源被定位为在看不见障碍物背面。
直接通路被遮挡住了,过滤度数要根据几何参数(厚度)和墙壁制造材料。
既然音源和和听众之间没有直接接触,音源回波也依照同样原则被压抑了。
CreativeAPI开发者使用了更加可行概念,使用意味着直接通路被包住障碍物—和听众没有直接接触,但源和听众是在相似房间内;接着,反射会以相似形式传播到听众耳里。
使用得最多是排斥。
源和听众在不同房间,但她们有直接接触,直接声音可以传到听众,但反射声音会发生失真(根据材料厚度,形状和属性)。
总之,无论效果怎么真实(使用AurealA3D,CreativeLabsEAX或者手动选取你自己音频引擎),都必要跟踪几何(完全或者某些声音)以找出与否与音源有直接接触。
这对性能有莫大关联,这也是为什么在大多数状况下要为声音搭建最简朴几何空间(为了可以获得更加逼真效果,特别是射击,3DRPG或者其他类似游戏)。
幸运是,该类型几何普通要通过解决,以找出碰撞—为了不在玩家房间内跟踪整个途径。
这就是为什么咱们可以使用相似几何构造来体现出更多声音细节。
3.3环境渐变(Environmentsmorphing)
CreativeLab此外一种解决办法是在发布EAX3。
这是一种环境到此外一种环境逐渐转换参数算法。
上面图片论证了两个效果实现。
∙一方面进行是位置转换:
混响(reverb)参数会依照玩家在两个环境位置绝对不同参数而逐渐地变化(在该状况下,户外空间和户内空间隔着金属墙)。
随着玩家与户外更加临近,户外回响参数就可以工作得更加有效率,反之亦然。
∙接下来类型是极限变化:
当玩家穿越边界(BORDER)=1区域,参数会自动地进行变化。
环境渐变是与回响有关最重要函数。
但是当前在对已经预先设立参数进行修改时候会有点问题。
虽然没有使用到逐渐过渡,你也可以通过设立渐变因素等于0.5而使用这些函数形成一定平均环境(例如,咱们在户外石头走廊),这样咱们就可以得到不同声场平均效果。
在环境渐变被开发出来之前,游戏(例如游戏《食肉动物2》:
Carnivores2)效果并不可以通过使用不同参数进行逐渐地(它们在EAX1和EAX2已经预先设定好了)变化。
中间环境有25个预先设定变量构成。
例如,有岩洞渐变到山沟设定;而在听过程中会选取石走廊作为中间参数。
当前有了环境渐变,你就可以避免诸多纷繁复杂解决工作了。
4、接口程序和API(InterfacesandAPI)
当前让咱们讨论音频引擎中API编程应用。
可供选取选项并不多:
WindowsMultimedia,DirectSound,OpenAL,AurealA3D。
不幸是,AurealA3D驱动仍旧臭虫(bug)连篇,在当前最流行Windows和XP操作系统,它工作效率稳定性依然非常差。
视窗媒体系统(WindowsMultimediaSystem)是从初期Windows3.1继承而来最基本声音再现系统。
它较大缓冲会导致比较大延迟,因此在游戏中很少有应用;但是,某些准职业声卡使用WinMM为WDM驱动作了特别优化。
OpenAL是LokiEntertaiment公司跨平台API解决方案,与OpenGL类似。
它被Creative推动作为DirectSound可供选取之一。
该主意是较好,但现实却是残酷,由于它效果比较差。
此外,LokiEntertaiment在近来已经宣布了破产。
咱们但愿新可供选取声音API尽快浮现,由于OpenAL对程序员们来说是简直就是恶梦。
然而,nVidia在近来发布了它nForce芯片组里支持OpenAL硬件驱动,效果让人好到不相信。
DirectSound和DirectSound3D是当前最先进API。
它们当前还没有势均力敌对手,它有点自命不凡;毕竟,它可以在没有任何辅助前提下,可以真实地重现声音效果。
这些硬件API(拥有硬件驱动程序API,而非通过DirectSound或者WinMM来模仿声音再现),它们被称为包装(使用准备好软-硬接口程序,来创立它们自己应用程序接口)。
作为规则,每个游戏均有它自己打包好应用程序接口。
当前有诸多此类型API组件包(它们没有真正硬件支持):
MilesSoundSystem,RenderWareAudio,GameCoda,FMOD,Galaxy,BASS,SEAL。
∙MilesSS
MilesSS是其中最知名之一—2700种游戏完全使用了该组件包。
它获得了IntelRSX技术允许,当前可以作为软件3DSound可选选项择之一。
该技术有诸多可供选取功能,但这局限性以弥补它缺陷:
它仅可以应用在Win32和Mac平台,并且需要极昂贵授权费用。
∙GalaxyAudio
GalaxyAudio原被开发为用于虚幻,当前它使用在所有基于虚幻引擎游戏上;但Unreal2却是基于OpenAL,这就是为什么咱们可以以为Galaxy已经死了因素。
∙GameCoda/RenderWareAudio
Gamecoda和RenderWareAudio分别来自Sensaura和Renderware,它们具备几乎相似大小,都支持PC,PS2,GameCube,XBOX尚有其他诸多特性,但它授权费用也是非常昂贵。
∙FMOD
FMOD,近来引入技术,它具备广泛功能选取和对API技术完美支持,它占据了当前领导地位。
4.1环境音效果扩展(EAX)
EAX全名为EnvironmentalAudioExtension,这是创新公司在推出SBLive声卡时所推出API插槽原则,重要是针对某些特定环境,如音乐厅、走廊、房间、洞窟等,作成声音效果器,当电脑需要特殊音效时,可以透过DirectX和驱动程序让声卡解决,可以呈现出不同声音在不同环境下反映,并且通过多件式音箱方式,达到立体声音效果。
EAX在刚推出时为1.0版,当前是4.0版,当前许多游戏都支持此项规格。
4.2高品质音频及3D音频技术(EAXAdvancedHD)
在,Creative宣布了Audigy声卡和新称为EAXAdvancedHDEAX函数。
它涉及听众可以精准进行调节25个参数和18个用于源参数(其中两个用于新封闭效果)。
∙顾客可选设立,可针对耳机、2、4或5.1音箱系统及外接A/V功放系统进行优化。
∙Dolby数码音频解码以模仿或数字模式输出至5.1音箱。
∙可升级3D音频架构。
∙游戏中硬件加速EAXADVANCEDHD。
∙Creative多音箱环绕(CMSS)技术可将任意单声道或立体声音源解决为360度音效。
∙EAX预置效果—顾客可选、模仿声学环境DSP模式。
∙高档时间缩放技术在不变化声音频率状况下调节曲目播放速度。
∙音频去噪功能去除录音磁带背景噪声及CD光盘爆音。
这些效果并不是典型真实效果。
它们用于创立情绪波动,例如,如果你感到晕眩,兴奋等等。
咱们尚有可以调制深度(0....1)和调制时间(0.4....4秒)。
4.3EAX4(EAXAdvancedHDVer4)
3月,Creative发布了EAXAdvancedHD版本4,预测将在4月份底或者5月初开始开始正式提供。
可惜是,Creative并没有对它技术细节进行详细描述。
EAX3与EAX4区别也只是概念上。
EAXAdvancedHD版本4具备如下新元素:
∙工作室质量效果(Studioqualityeffects)
∙多效果插槽(Mul
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