Компьютерный звук

Выпуск третий. Битва за трехмерный звук

Современные игры немыслимы без трехмерного звука точно так же, как DVD-фильмы немыслимы без пятиканальной акустики Dolby Surround.
Безусловно, можно замечательно обойтись без всех этих технологий и смотреть DVD по старинке, на ламповом телевизоре с монофоническим динамиком, а играть в игры, вообще отключив звук. Но тот, кто пользуется подобными режимами "совместимости", теряет весьма значительный кусок общей атмосферы, заложенный в фильм или игру их создателями.

Как оно вообще работает

Под трехмерным звуком компьютерных игр подразумевается обеспечение игрока возможностями, во-первых, точно определять направление на какой- либо звучащий объект игрового мира, а во-вторых, воссоздание общей звуковой перспективы в локациях игрового мира. Человек определяет направление на звук с помощью обоих ушей — одно ухо не дает мозгу достаточной информации для локализации источника. Звук, идущий с какой- либо одной из сторон, попадает "напрямую" в одно ухо и проникает сквозь черепную коробку, прежде чем попадет во второе ухо. По характеру искажения звука, возникшего при прохождении препятствия, мозг рассчитывает направление на сам звучащий объект. В силу особенностей нашего организма (и законов школьной физики) низкочастотные звуки локализуются человеком очень плохо — основную информацию о направлении несет нам среднечастотный и высокочастотный диапазон, причем значащими являются лишь некоторые частоты в этом диапазоне. В качестве примера: человек намного легче определит направление на летящего комара, чем на гудящий теплоход. В том случае, если мозгу недостаточно информации для того, чтобы точно локализовать объект, человек инстинктивно совершает небольшой поворот головы.

Подобное подсознательное перемещение позиции головы и дает мозгу вспомогательную информацию для точного расчета местоположения источника звука. Эта практика особенно актуальна для локализации неподвижных источников звука — быстро передвигающиеся объекты сами любезно заваливают наш мозг массой информации о своем местонахождении. Крутить головой в этом случае нет никакой необходимости — источник звука сам крутится вокруг нее. Источник звука, находящийся сзади, мы слышим более "глухим" — мочки ушей фильтруют высокочастотные составляющие пришедшего звукового сигнала, и он попадает в оба уха уже искаженным, опять-таки, дополнительно локализуясь при проходе сквозь черепную коробку. Звук от своего источника попадает к нам в уши не только по прямой линии "источник — наша голова". Он застревает в различных препятствиях, "вырезающих" из его спектра определенные наборы частот, а также отражается от этих препятствий и стен помещений, формируя при этом фазовое запаздывание — "эхо". Причем эхо может быть как большим с задержкой в несколько секунд, так и "мгновенным" микросекундным.

Все нюансы отраженного звука вкупе с оригинальным вариантом, пришедшим по прямой линии, рассчитываются в режиме реального времени нашим "бортовым компьютером", давая нам информацию об окружающей нас среде. Церковь звучит одним образом, большая железная труба — другим, ванная комната — третьим, захламленный чердак — четвертым. Летучие мыши, слышащие ультразвук, и вовсе встроили в себя локатор, работающий на этом принципе (помните, я вам рассказывал о важности высоких частот?). Человек такими возможностями не обладает, хотя сумел-таки построить себе радар на еще более высокочастотном "звуке" — радиоволнах. Тем не менее, человек вполне в состоянии даже с завязанными глазами понять находится: в морском ли он, скажем, порту или в подвале жилого дома. Окружающее его звуковое поле несет вполне достаточно информации для того, чтобы это точно определить.

Алгоритм, который можно изложить словами на бумаге, можно и запрограммировать в компьютерной программе. Именно так и рассуждали разработчики звуковых карт, поддерживающих трехмерный звук. Если наш мозг получает информацию об окружающей среде, структуре материала стен помещений и его объеме, направлении на те или иные звучащие объекты благодаря определенным искажениям изначального звукового сигнала, то что, собственно говоря, нам мешает взять и запрограммировать эти искажения? Вместо простого усиления или ослабления звука в той или иной звуковой колонке, как это делается в "стерео" и "квадро", можно взять и заранее обработать изначальный сигнал, наложив на него эхо, отражения и затухание звука. Добавляем обсчет искажения звукового сигнала при проходе через наш череп и мочки ушей и засылаем этот сигнал в уши игрока. Мозг, получив хорошо знакомые ему звуковые паттерны, привычно их раскодирует, разложив на "лево-право", "спереди-сзади", "сверху-снизу". Разумеется, кое-что сделать очень трудно, а значит, дорого.

Другое требует огромных вычислительных ресурсов, которыми звуковые процессоры просто не обладают, и его пришлось упростить. Третье… а третье вообще непонятно по какому алгоритму вычисляется в нашем "биологическом бортовом процессоре", и его пришлось отбросить. Каждый человек имеет индивидуальные особенности слуха и даже индивидуальную форму ушей. Большинство жителей мегаполисов в возрасте более 30 лет теряют возможность слышать высокочастотные звуки с частотой выше 16 КГц. Уши каждого человека имеет свою собственную индивидуальную амплитудно-частотную характеристику, на некоторые частоты у него могут быть наложены "фильтры". К примеру, вполне вероятна такая ситуация, при которой вы хорошо слышите, скажем, 12 КГц и 14 КГц, а 13 КГц вообще не слышите. Плюс каждый из нас индивидуально учит свой мозг опознавать те или иные звуки, а звуковые карты реализуют лишь базовые алгоритмы, да и то на примитивном уровне. Тем не менее, как гласит известная поговорка, "в стране слепых и кривой король". Современные звуковые карты, реализуя алгоритмы, о которых я вам только что рассказал, умеют худо-бедно обманывать наш мозг таким образом, что мы начинаем слышать то, чего нет в реальности. Можно "услышать" себя стоящим на утесе, о который внизу разбиваются морские волны, почувствовать себя ползущим по пыльной трубе вентиляции с пистолетом в руках или находящимся в огромной пещере. Пули будут, как в песне, "свистеть у виска", а гильзы станут, подпрыгивая, кататься именно по полу, а не по внутренней поверхности вашей черепной коробки.

Карта Creative SB Live!

Возможность выпуска в ближайшем будущем конкурирующих звуковых решений с системой поддержки трехмерного звука подтолкнула фирму Creative Labs к разработке своей собственной карты, обладающей аналогичными возможностями. Такой картой стала модель Sound Blaster Live!, выпущенная осенью 1998 года. Да-да! Речь у нас идет о той самой звуковой карте, которая и сейчас установлена в компьютерах многих из вас. Поздравьте свою "старушку": этой осенью ей исполнилось 7 лет! По компьютерным меркам это очень преклонный возраст. В те годы в наших компьютерах стояли только что появившиеся в продаже микропроцессоры Celeron II-300A, а в форумах Интернет яростно спорили между собой "фанаты" видеокарт Voodoo2, S3 Savage3D и Riva TNT.

Карта SB Live! изготовлена на чипе EMU10K1, выпущенном дочерним предприятием фирмы Creative, называющемся EMU. Название этой фирмы хорошо известно музыкантам — данная фирма специализируется на разработке и производстве профессиональных эффект-процессоров, используемых при создании музыкальных произведений. Вот Creative и решила воспользоваться их готовыми наработками в области создания различных звуковых эффектов — на этот раз уже в "игровой" среде. Чип аппаратно поддерживал стандарт DirectSound3D — один из компонентов библиотеки DirectX, отвечающий в ней за трехмерное позиционирование звука. Разработчик игры задает параметры звучания конкретного источника звука — например, громкость и положение в пространстве, — все остальное карта делает сама, обрабатывая на лету сигнал от звукового источника в зависимости от его положения. Фирменная технология Creative, называющаяся EAX (в этом чипе была объявлена версия 1.0), заключается в описании фиксированного набора предустановок, описывающих звучание различных помещений.

Благодаря EAX стандартный набор функций DirectSound3D расширяется дополнительными эффектами эха и реверберации. Если игрок, скажем, падает в воду, то звук вокруг него приобретает характерное подводное звучание, в том случае, если игрок забирается в трубу, его окружает металлическое эхо, соответствующее этой трубе. Чип поддерживал 26 вариантов звучаний различных сред. Если этих предустановок было недостаточно, то их можно было дополнительно настроить с помощью трех дополнительных параметров — например, уменьшить или, напротив, увеличить эхо. Готовых алгоритмов трехмерного позиционирования звука у фирмы Creative не было, поэтому основной упор в продвигаемых технологиях был сделан на имитации окружающей игрока среды. Возможно, я и ошибаюсь, но, на мой взгляд, все позиционирование источников звука в SbLive сводилось к банальному панорамированию источника звука между четырьмя колонками. В лучших традициях Creative Labs выпустила огромное количество незначительных модификаций одной и той же карты. Условно эти карты можно поделить на два поколения, называющиеся в народе "старый SB Live!" и "новый SB Live!". Карты первого поколения поддерживали вывод звука только на 4 канала (схема 4.0), второе поколение принесло пользователю поддержку схемы динамиков 5.1. Чип EMU10k1 устанавливался в следующие карты Creative:

Карты первой волны Sound Blaster Live!:
Sound Blaster PCI 256 — модели CT4890, CT4891 и CT4893.
Sound Blaster PCI 512 — модели CT4820, SB0150 и CT4790.
Оригинальная карта Sound Blaster Live! — модель CT4620.
Карта Sound Blaster Live! Value — модели CT4660 и CT4670.
Карты Live! X-Gamer, Live! MP3+, Live! Player 1024, Live! Platinum: (все это модель CT4760).
OEM-вариант поставки карты: модель CT4780.

Карты Sound Blaster 5.1 разнообразных модификаций

В картах нового поколения по сравнению с предыдущими моделями добавился центральный канал и канал сабвуфера, что и было отражено в названии карты. Серия состояла из следующих карт: The Live! X-Gamer 5.1, Live! MP3+ 5.1, Live! Player 5.1, Live! Platinum 5.1, Live! Digital Entertainment 5.1 (модели SB0060, SB0100, SB0102, SB0220, SB0222, SB0103 и SB0105 соответственно), а также карта Sound Blaster Value 5.1 (SB0101). Помимо коробочных retail-вариантов, существовали еще и карты в OEM-исполнении (модели CT4830, CT4831, CT4832, CT4850, CT4870, CT4871 и CT4872), а также варианты, выпущенные для фирмы Dell (номер модели выглядит как с SB02xx).

Карта Aureal Vortex

Звуковая карта SbLive! появилась в продаже практически одновременно со своим главным конкурентом, получившим название Aureal Vortex 2. Противостоять гиганту Creative решилась довольно-таки широко известная, в основном, за счет своих видеокарт, "отверточная" компьютерная фирма Diamond Multimedia. Сама по себе она никогда ничего не разрабатывала, но ей обычно удавалось собирать удачные продукты, основанные на патентованных разработках третьих фирм. Так получилось и на этот раз: взяв за основу чип AU8830A2, произведенный фирмой Aureal, Diamond выпустила на его основе звуковую карту Diamond Monster MX300. Главной "фишкой" этой карты являлась возможность расчета в режиме реального времени отражений звука от объектов игрового мира с учетом геометрии помещения и наличия в нем тех или иных препятствий (по-умному эта технология называется Wavetracing). Помимо этого, карта аппаратно поддерживала алгоритмы, позволяющие эмулировать механизмы ориентации человека в пространстве с помощью двух ушей (HRTF-фильтры). Разработчики чипа обещали гарантированную локализацию слушателем не только источников звука, находящихся от него слева и справа, но также и находящихся "сзади-слева", "спереди-справа". Не ограничиваясь столь смелыми по тем годам заявлениями, они также гарантировали угадывание игроком вертикального позиционирования звука в игре, то есть комбинаций "слева-сзади-сверху" и "справа-спереди-снизу". И все эти чудеса нам обещали при использовании всего лишь обычных стереофонических наушников. Несмотря на то, что карта имела четыре выхода на колонки, упор в алгоритме был сделан в основном на двухколоночные системы. Объясняется это, скорее всего, тем, что изначально алгоритмы Aureal разрабатывались для нужд военных летчиков и космонавтов, а в самолетах и космических кораблях места мало, колонки там особенно расставлять негде, а вот наушники на голову надеть можно и в скафандре.

Тыловые колонки MX300 обходились куда как более простым алгоритмом. Фактически они были нужны лишь для "подзвучки" источников звука, находящихся сзади, задавая для них смещение источника звука влево и вправо. Первую партию карт MX300 покупатели расхватали практически мгновенно, несмотря на то, что стоили они весьма хороших денег (около $100). Первое, что порадовало покупателей, — не обещанные 3D-эффекты, а хорошие по тем временам параметры самого устройства. Карта была хорошо спроектирована, практически не шумела и весьма неплохо играла обычную музыку, а также поддерживала декодирование AC3-звука (DVD-фильмы). Прилагающиеся к карте программы демонстрации 3D-звука, написанные самой Aureal, действительно позволяли ориентироваться в пространстве на слух. Разве что подкачала обещанная возможность определять верх и низ. Лагерь пользователей Vortex2 раскололся на две примерно равные половины, одна из которых отличала "верх-низ", а вторая — нет. Насчет "переда-зада" никаких вопросов ни у кого не возникало — действительно, звук локализовался изумительно. Правда, вышедшие вскоре игры Half-Life и Heretic2 несколько поубавили волну восторгов фанатов MX300. Выяснились два неприятных нюанса, связанных с алгоритмами, используемыми картой. Ой, не зря в демонстрации, прилагавшейся к карте, использовалась пчела, летающая вокруг вашей головы! Алгоритм HRTF, заложенный в Vortex, замечательно работал для движущихся объектов, но сразу же пасовал, если речь заходила о неподвижном звучащем объекте. Почему так происходит, я вам подробно рассказывал в теоретической части статьи. Дальнейшая история этой карты весьма печальна. Aureal умудрилась поссориться с фирмой Diamond Multimedia — насколько помню, они там что-то не поделили по поводу драйверов, и последняя перестала использовать их чипы в своих картах. Aureal еще некоторое время пыталась самостоятельно выпускать OEM звуковые карты, но была задавлена катком Creative в лице ее карт Sound Blaster!. В конце концов, Aureal потерпела банкротство, и все их интересные патенты и разработки были скуплены на корню главным конкурентом — фирмой Creative. По большей части эти разработки были положены под сукно, но порой из очередных пресс-релизов, повествующих о ноу-хау карт Creative, нет-нет да и выглянут длинные уши технологий Aureal.

Приложение к выпуску: Рекомендации по выбору карт

Sblive!

По нынешним временам возможности этого чипа выглядят примитивными, но тогда даже они казались чудом. Со времен выпуска SB Live появились на свет версии 2, 3 и 4 расширений EAX. В новых расширениях учитывается большое количество параметров — таких, например, как размер помещения, отражение, поглощение и затухания звука в разных материалах, панорамирование отраженного сигнала и многое, многое другое. Подробный рассказ о возможностях современных звуковых карт выходит за рамки этой моей обзорной статьи. Всех заинтересовавшихся я отсылаю к замечательному материалу "Современные звуковые технологии в играх", опубликованному на сайте www.ixbt.com. В этой статье все нюансы реализаций различных технологий разложены по полочкам. Все это SBLive! не умеет, и поэтому для современных игр он практически непригоден. С точки зрения воспроизведения музыки SBLive! карта более чем посредственная — об особенностях карт Creative у нас пойдет речь в следующий раз. В продаже они сейчас не попадаются, а если вам и попадутся, то стоить будут малореальных денег. Сам я больше 5 долларов за нее бы не дал.

Aureal Vortex

Я не зря посвятил так много места рассказу об этих картах. История историей, но цель этой моей серии статей вполне утилитарна. Дело в том, что карты на основе чипов Vortex2 до сих пор широко продаются в магазинах. Если вашей целью является просто прослушивание mp3-музыки и просмотр DVD-фильмов, карты на чипе Vortex2 станут вашим наилучшим выбором. Дело в том, что стоимость этой карты в рознице сейчас не превышает 8 долларов. Никакого лучшего по качеству звучания и возможностям звукового решения за эти деньги просто не существует в природе. Единственный, но очень серьезный недостаток этих карт заключается в том, что для них не существует полноценных драйверов под операционные системы, отличные от Windows 98 и Windows 2000. Фирма разорилась до появления Windows XP, и драйверы делать стало некому. Впрочем, все не так плохо: Windows XP знает эту карту "как родную". Как только вы установите карту в компьютер, Windows сама ее обнаружит и установит под нее драйвер из своего дистрибутива. Но в этих драйверах нет поддержки особых 3D-эффектов карты (A3D 2.0 и EAX1). Вы получите обычную четырехканальную звуковую карту с аппаратным ускорением DirectSound и DirectSound 3D, на голову лучшую, чем любой современный AC'97 кодек, но не способную порадовать вас в компьютерных играх трехмерным позиционированием или эффектами окружающей среды. Если вы покопаетесь в Интернете, то сможете найти там и драйверы с поддержкой EAX1 (как у SBLive!), но звучит оно так, что лучше бы его и не было. Зато, если вы запустите DVD-фильм, то драйверы карты радостно подморгнут вам окошком с логотипом a3d, показав тем самым, что карта подключилась к декодированию AC3 5.1 звука. Вот такую любопытную карточку можно сейчас купить всего лишь за 8 долларов. В продаже попадается несколько разновидностей карт на чипах от Aureal.

1. Карты на устаревших чипах Au8810, Au8820.

Связываться с ними не стоит, хотя при их стоимости около 5 долларов и отсутствии в наличии карт на Vortex2, может быть, от них и есть толк. Существует довольно много разных карт на этих чипах, но по какой-то причине подавляющее их большинство обладает характерной формой печатных плат, по которой их легко сразу опознать. Печатная плата у них не квадратная или
прямоугольная, а треугольная. Поэтому, если вам предложат "треугольную" карту на чипе Vortex, сразу проверяйте надпись на ее главном чипе. Скорее всего, там будет написано нечто вроде "AU8810" или "AU8820". А так карта как карта, только шумная (и все равно лучшая, чем AC'97!).

2. Карта Diamond Monster MX300. Именно о ней я вам только что и рассказывал.

Внешний признак карты — надпись "Monster Sound" в левом верхнем углу платы, позолоченные разъемы, черная планка, на которую эти разъемы крепятся (смотрится все это очень эффектно). Основным чипом карты (DSP) является микросхема с надписью "AU8830A2". Внешний вид карты вы можете посмотреть на прилагаемой фотографии. На данный момент эта карта является более предпочтительной целью к покупке и наилучшим выбором из карт на чипе Vortex2. Разумеется, если вам не нужен цифровой выход. В обратном случае присмотритесь к карте, описанной в следующем абзаце. Сразу "из коробки" на MX300 работают все четыре канала на родных драйверах из Windows XP. Аналоговая часть карты собрана без проходных конденсаторов. Выход на наушники содержит дополнительный буферный усилитель на четырех транзисторах.

3. Карты, выпускавшиеся самой фирмой Aureal (OEM).

В прайсах компьютерных фирм они обычно фигурируют под названием SQ2500 (не перепутайте с SQ1500!). Сравнительно небольшая плата, построенная на чипе AU8830. Обратите внимание на отсутствие "A2" в окончании названия чипа. Это не моя ошибка, а более новая ревизия DSP (ничем интересным не отличающаяся). В отличие от MX300, карта оснащена цифровым коаксиальным SPDIF-выходом. Сама по себе карта sq2500 более шумная, чем MX300, в силу неудачной схемы аналогового тракта. В наличии проходные конденсаторы, ухудшающие качество звучания карты. Буферного усилителя на выходе наушников нет. Тыловые каналы на родных драйверах Windows XP не работают — вам потребуется установить патч и включить их через панель управления. В том случае, если вы являетесь владельцем карточки на чипе Aureal Vortex, обязательно посетите сайт Игоря Илларионова, сайт На его страницах вы найдете все версии когда-либо выпускавшихся драйверов для этих карт, а также множество патчей и утилит, позволяющих задействовать многие из возможностей карты, отсутствующих в штатных драйверах Windows XP. Обустройство на вашем компьютере карт от фирмы Creative заслуживает отдельного большого разговора. Об этом мы c вами еще подробно поговорим в одном из следующих выпусков. А на сегодня я с вами прощаюсь.

Герман Иванов. Февраль 2006 г.