Kopfhörer – Forschung, Design und Evolution

Die Kopfhörer von Valve Index sind für den Einsatz in der virtuellen Realität optimiert. Ihr Design hebt sich daher deutlich von dem gängiger Kopfhörer ab.

Zu Beginn unserer Experimente wurde klar, dass im Bereich VR nicht nur die narrativen, emotionalen und kontextschaffenden Methoden traditioneller Spiele und Filme relevant sind, sondern dass eine völlig neue Kategorie physiologischer Probleme hinzukommen würde, damit für Nutzer eine willentliche Aussetzung der Ungläubigkeit* geschaffen werden kann. Wenn wir beispielsweise Budget Cuts mit einem VR-Headset spielen, erwarten wir die glaubwürdige Illusion, dass unser Körper in ein Büro voller mörderischer Roboter transportiert wurde, statt lediglich eine Umgebung auf einem statischen Bildschirm zu sehen.

Unsere Forschungen und Testspiele zeigten, dass es für maximale Immersion ebenso viele Anforderungen an das Design der Audiokomponenten gibt, wie an das 3D-Ortungssystem und an die Anzeigefelder. Ein Design mit diesen Zielvorgaben bringt interessante Herausforderungen mit sich, insbesondere bei der Position der Kopfhörer, dem Gewicht der Antriebe, der Form der Membran, dem industriellen Design des Gehäuses und sogar bei den fundamentalen Frequenzgängen.

*Wir hatten zunächst den Begriff „Präsenz“ ausgewählt, aber da dieser im Audiobereich eine andere Konnotation hat, werden wir ihn im weiteren Verlauf dieses Artikels nicht mehr verwenden.

Hardware und Software

Ein überzeugende Immersion kann nur durch Zusammenarbeit von Software und Hardware erreicht werden. Um herauszufinden, was zum Aufgabenbereich der Hardware (dem Audiogerät) und was zum Aufgabenbereich der Software (Spiele, VR-Erfahrungen) gehört, mussten wir die gesamte VR-Audiopipeline ganzheitlich betrachten: von der Erstellung der VR-Soundinhalte bis zu ihrer Ausgabe durch die Game-Engine, bis hin zu allen Wegen, auf denen das Signal die Ohren erreicht.

Audio-Ingenieure und Wissenschaftler arbeiten schon seit den 90ern mithilfe von Software daran, immersiv überzeugende Soundinhalte zu erstellen (Doom, Half-Life, Aureal3D usw.) Die neueste VR-Generation hat bei der räumlichen Audiotechnologie enorme Verbesserungen erreicht. Binaurales Rendering- und physikbasierte Sound-Simulations-Plugins wie SteamAudio erlauben es den Entwicklern, Lokalisation von Schallquellen, Okklusion, Schallausbreitung und virtuellen Nachklang (Reverbs) selbst bei Verwendung normaler Stereokopfhörer präziser darzustellen. Bei der Auswahl des optimalen Geräts für VR haben wir die folgenden Kenntnisse und Forschungsergebnisse aus Audiosoftwaresimulationen genutzt:

• VR-Inhalte werden meist in Stereo geliefert – über einen linken und einen rechten Audiokanal. Diese Kanäle können eingebettete binaurale und HRTF-Klangfarben enthalten, die sich danach richten, wohin der Spieler zu einem bestimmten Zeitpunkt blickt.
• Ohrmuscheln, Kopf- und Gesichtsformen erzeugen eine spezifische Tonsignatur, mit deren Hilfe unser Gehirn echten Klang von imaginärem Klang unterscheiden und die relative Position der Schallquelle erkennen kann (hinter oder über uns, rechts oder links usw.).
• Wiedergabetreue bei Mittelhochfrequenzen ist sehr wichtig.
  • Binaurale Simulationen basieren für die Übermittlung der Lokalisation einer Schallquelle auf geringfügigen Änderungen der Klangfarbe (1 kHz bis 8 kHz). Wenn ein Wiedergabegerät diese durch Frequenzverfärbung verfälscht, beeinträchtigt dies die Fähigkeit des Spielers, den Ursprung eines Tons zu lokalisieren.
  • Menschen reagieren im Allgemeinen sehr empfindlich auf Geräusche im Bereich von 2 kHz bis 5 kHz. Wenn die Frequenz eines virtuellen Tons nicht mit der in der realen Welt erwarteten Frequenz übereinstimmt, wird er vom Gehirn mit hoher Wahrscheinlichkeit als nicht real eingestuft. Führen Sie sich als Beispiel den Unterschied vor Ohren, wenn eine Stimme über Lautsprecher übertragen wird oder jemand, der neben Ihnen steht, mit Ihnen spricht.
• Tieffrequente Klangtreue ist wichtig.
  • Obgleich tieffrequente Klänge in der Natur nicht allzu häufig vorkommen, sind sie oft im Bereich von VR und anderen Unterhaltungsinhalten anzutreffen (Musik, Poltern, Explosionen, Schüsse, Herzschläge, Stöße, Effekte von Zauberei usw.). Bass ist entscheidend, um ein Gefühl für Größe und Umfang zu vermitteln. In VR verstärkt er das Gefühl der Immersion und löst bestimmte emotionale Signale aus – Gefahr, Ehrfurcht, Isolation, Internalisierung usw. Aus diesen Gründen war uns ein Audiogerät mit überzeugender Basswiedergabe sehr wichtig.

Warum keine Standard-Kopfhörer?

Herkömmliche Kopfhörer liefern spielerbezogene Stereo-Soundinhalte direkt an die Ohren. 3D-Game-Engines mit Sound-Simulations-Plugins geben, während Spieler in der virtuellen Welt in eine beliebige Richtung schauen, das passende Stereosignal aus, um die korrekte Position der virtuellen Soundquelle zu übermitteln. Aus diesem Grund verwenden Wettbewerbsteilnehmer im E-Sport (z. B. CS:GO) Kopfhörer statt nach vorne gerichteter Lautsprecher – Kopfhörer ermöglichen direktere räumliche Klanginformationen. Also, zwei Ausgangskanäle (L/R) für zwei Ohrhörer (L/R) für zwei Ohren (L/R).

Herkömmliche Audiogeräte werden im Allgemeinen selten mit dem Primärziel der Immersion in eine Klangwelt entwickelt. Geräte wie In-Ohr-Kopfhörer, ohraufliegende Kopfhörer und Über-Ohr-Kopfhörer sind für das Anhören von Musik und anderen Unterhaltungsinhalten an Orten optimiert, an denen Lautsprecher nicht geeignet sind. Ihr Stromverbrauch ist oft sehr niedrig (z. B. bei Mobiltelefonen und anderen batteriebetriebenen Geräten). Der Fokus liegt häufig auf Schallisolation, Energieeffizienz, Geräuschabschirmung und starken Frequenzgängen. Viele dieser Optimierungen eigneten sich nicht für raumfüllende VR, wo die akustische Umgebung über ein bestimmtes Raumvolumen verfügt (z. B. ein Innenraum mit sanften Hintergrundgeräuschen) und ein geringer Klangverlust kein Problem darstellt. Wir brauchen uns auch keine Sorgen um den Stromverbrauch zu machen, doch Frequenzgänge müssen binaurale Klangsimulationen unterstützen.

Kopfhörer und In-Ohr-Kopfhörer müssen direkt in bzw. auf den Ohren sitzen, um eine gute Übertragung zu gewährleisten. Dies hat nach unserer Auffassung folgende Nachteile:

• Durch die Übertragung von Schall direkt in den Gehörgang wird der natürliche Weg des Klangs umgangen – also die Interaktion von Ohr und Kopf mit echten Schallwellen. Dadurch fehlt die durch Ohr- und Kopfform geschaffene Tonsignatur. Dies kann dazu führen, dass der Ton unecht wirkt oder direkt aus dem Kopf zu kommen scheint, selbst wenn der Audioinhalt sehr räumlich und physikalisch simuliert wird. Wir gehen davon aus, dass Software-Simulationen dies auf lange Sicht berücksichtigen werden.
• Der von solchen Kopfhörern ausgeübte Druck auf die Ohren kann nach einer Weile Schmerzen verursachen und dazu führen, dass Spieler ihr VR-Erlebnis abbrechen.
• Laut Aussagen einiger Spieltester übertragen In-Ohr-Kopfhörer und ohraufliegende Kopfhörer unecht klingenden Sound.
• Wenn die Ohren durch Über-Ohr-Kopfhörer umschlossen sind entsteht Hitze. Diese kann unangenehm werden und VR-Headset tragende Benutzer ablenken, wodurch die angestrebte Immersion eingeschränkt wird.
• Die Klangqualität einiger Kopfhörer kann die subtilen Frequenzfärbungen binauraler Simulationen einschränken. So beeinträchtigen Kopfhörer, bei denen mittlere und hohe Frequenzen entweder übertrieben oder gedämpft sind, die Feinheiten von HRTF-Filtern, was wiederum richtungsgetreuen Sound in Spielen und VR beeinträchtigt.

Warum keine Lautsprecher?

Wir haben auch Lautsprecher und Beamforming-Lautsprecher in Betracht gezogen. Lautsprecher vermeiden viele mit Kopfhörern assoziierte Komfortprobleme und geben Sound wieder, der sich leicht als außerhalb des eigenen Kopfes wahrnehmen lässt. Dennoch gab es auch hier einige Einwände:

• Viele Stereo-Lautsprecherkonfigurationen sind nach vorne ausgerichtet und übermitteln Ton daher so, als ob man sich in einem Publikum befindet und einer Band auf einer Bühne zuhört oder vom Sofa aus fernsieht. Diese Ausrichtung eignet sich für Musik und Filme auf einem Bildschirm, doch VR- und Stereospielinhalte setzten voraus, dass L/R-Kanäle direkt an beiden Ohren ankommen.
• Gängige 5.1- und 7.1-Surround-Soundsysteme beschränken die Wiedergabe auf ein horizontales Feld. In VR muss der Sound für Spieler in praktisch alle Richtungen lokalisiert werden können.
• Die Einrichtung von Lautsprechern benötigt Zeit und Platz, wodurch die Einrichtung des VR-Systems zusätzlich erschwert wird.
• Bei Lautsprechern muss sich der Spieler für eine genaue räumliche Wiedergabe innerhalb eines kleinen Bereichs aufhalten. VR erfordert manchmal größere Bereiche.
• Die Akustik des Raums beeinflusst die Klangwiedergabe von Lautsprechern und kann somit zu Konflikten mit der gewünschten Akustik der virtuellen Welt führen.
• Bei Lautsprechern kann der Ton als zu weit entfernt wahrgenommen werden und dem Ursprung einer virtuellen Schallquelle widersprechen, selbst wenn sich diese sehr nahe an den Ohren des Spielers befindet.

Die Idee

In Anbetracht der hier aufgeführten Nachteile herkömmlicher Kopfhörer und Lautsprecher kamen wir zu dem Schluss, dass für eine überzeugende Immersion in einer VR-Welt Ultra-Nahfeld-, Breitband- und Off-Ear- (extra-aurale) Kopfhörer erforderlich sind. Diese müssen nah genug an den Ohren liegen, um Stereokopfhörer zu imitieren und das Ausgabeformat des aktuellen VR-Inhalts zu unterstützen, aber gleichzeitig weit genug entfernt sein, um Ohren und Kopf die Möglichkeit zu geben, dem Sound ihre eigene Klangfarbe zu verleihen. Darüber hinaus mussten Bedenken bezüglich Komfort und Druck gelöst werden. Diese Erkenntnis, gemeinsam mit Erinnerungen aus der Kindheit wie man zwischen zwei nach innen gerichteten Hi-Fi-Lautsprechern in einer umwerfenden Klangwelt lag, inspirierte uns zu unserem ersten Prototypen.

Die Evolution

Der erste Prototyp war ein Skateboardhelm, an dem wir seitlich die Antriebe zwei kleiner Breitband-Desktop-Lautsprecher geklebt hatten und an dem außen eine Vive festgeschnallt war. Die Lautsprecher wurden über USB mit Strom versorgt und die Audioausgabe über die Kopfhörerbuchse an der HTC Vive. Dieser zusammengezimmerte Prototyp leistete überraschend gute Arbeit dabei, uns vorzuführen, wie die klangliche Immersion und Verkörperung gesteigert wird, wenn wir unseren eigenen Ohren und Köpfen die Möglichkeit geben, Klänge auf natürliche Weise zu interpretieren. Das Gefühl der Immersion ist nicht leicht zu quantifizieren, daher mussten wir uns in diesem Stadium auf das Feedback von Kollegen und Testspielern verlassen, die uns die klanglichen Unterschiede zwischen diesem Prototyp und einem Paar ohraufliegender Kopfhörer vom Typ KOSS Porta Pro in VR beschreiben sollten. Ihre Bewertung fiel deutlich genug zugunsten des Prototyps aus, dass wir uns entschieden, diesen Ansatz weiterzuverfolgen. Es traten allerdings diverse Probleme auf:

• Äußerst eingeschränkte Basswiedergabe.
• Geringfügige Abweichungen in der Lautsprecherposition, die durch unterschiedliches Aufsetzen des Helms oder durch Hin- und Herbewegen in VR verursacht wurden, führten zu einer deutlichen Verschiebung von Lautstärke, Frequenzgang und Klangbalance.
• Gewicht und Größe. Die Lautsprecher waren zu schwer (je 70 g), was nicht mit dem übergeordneten Produktziel, unser VR-Headset leicht und komfortabel zu machen, zu vereinbaren war. Dies war anfänglich unsere größte Sorge.
• Klangverlust.

Um die Bedenken hinsichtlich des Gewichts auszuräumen, wurden zunächst Antriebe für Kopfhörer statt Lautsprecher untersucht. Zwar sind diese leichter und energieeffizienter, jedoch konnten sie nicht genug Lautstärke liefern, sobald man sie vom Ohr weg, in der freien Luft hielt. Obwohl uns dies bereits bekannt war, war es interessant, die verschiedenen Vor- und Nachteile zwischen Klangimmersion, Abstand zum Ohr, Frequenzgang und Lautstärke zu analysieren.

Wir wollten die Mindestgröße für Kopfhörerantriebe wissen, um unsere Anforderungen an Lautstärke und Frequenzgang im extra-auralem Kontext zu erfüllen. Deshalb baten wir Audeze ein Paar planar-magnetostatische extra-aurale Kopfhörer für uns zu entwickeln. Das Ergebnis verfügte über eine fantastische Klangqualität, doch Gewicht, Größe und Kosten waren unvereinbar mit den Produktzielen des Valve Index.

Wir kehrten für die weitere Entwicklung zu Lautsprecherantrieben als Designbasis zurück. Einer der Vorteile im Frühstadium der Forschung & Entwicklung für Audio war die unabhängige Arbeitsmöglichkeit vom Rest des VR-Headset-Systems von Valve Index. Mithilfe eines Maschinenbauingenieurs entwickelten wir einen eigenständigen Formfaktor für extra-aurale Kopfhörer. In diesem neuen Kontext konnten wir schnell Basswiedergabe, Abstimmung, Orientierung zum Ohr, Distanz zum Ohr und Bewertung von A/B-Testlautsprecherantrieben bewerten. Dieser Prototyp war der erste 3D-gedruckte Lautsprecherkopfhörer und wurde von uns „Kolibris“ getauft.

Diese bunten Kolibris wurden mit dem Ziel erstellt, verschiedene Arten von Breitband-Lautsprecherantrieben bewerten zu können. Bis zu diesem Zeitpunkt hatten wir nur handelsübliche Lautsprecher- und Kopfhörersysteme verwendet. Kauf und Bewertung von handelsüblichen Bauteilen zwangen uns dazu, ein Audio-Subsystem von Grund aufzubauen: Verstärker, Audiochips, DSP (digitale Signalverarbeitung) und Mikrofone. Gleichzeitig näherten wir uns unseren Endproduktzielen bezüglich optimalem Abstand zum Ohr, Drehung, Gewicht, Lautsprecherabmessungen und Frequenzgang.

Während unserer Bewertungsphase von Antrieben stießen wir das erste Mal auf BMR-Lautsprecher (Balanced-Mode-Radiator) und erkannten sofort mehrere Vorteile: Reduktion von Klangverfärbung durch Falschpositionierung der Kopfhörer, fast innerhalb des Bereichs unserer Gewichtsvorgaben, großartiger Frequenzgang in hoch- und mittelfrequenten Bereichen (wichtig für binaurale Simulationen) und viel dünner als traditionelle Lautsprecherantriebe. Gemeinsam mit Tectonic entwickelten wir einen maßgeschneiderten Antrieb zur Verwendung für unsere Off-Ear-Kopfhörer.

Intern mehrten sich die Bedenken, wie viel Schall über die Kopfhörer in die Umgebung ausgestrahlt und hereingelassen werden würde. Um einen Eindruck zu gewinnen, bauten wir über 20 Kolibris und verliehen sie zu Testzwecken an Kollegen, die sie zu Hause testeten. Keiner von ihnen wollte seinen Kolibri wieder zurückgeben (Chet). Dies war neben dem überwältigend positiven Testfeedback ein gutes Zeichen. Tester bewerteten vorteilhaft, dass die Ohren nicht berührt werden. Auch wurde ein Gefühl gesteigerter Klangimmersion bemerkt, wodurch Probleme durch eingehende externe Geräusche bzw. austretende interne Klänge gemindert wurden. Wir entschlossen uns daher, mit diesem Design fortzufahren, die angesprochenen Bedenken jedoch weiterhin im Blick zu behalten.

Das Produkt

Wir verfügten nun über ein funktionierendes Kopfhörer-Subsystem, das in Tests gut abschnitt und im Hinblick auf unsere Vorgaben an Wiedergabetreue, Kosten und Designziele auf Kurs lag. Als Nächstes begannen wir damit, das Kopfhörerdesign mit dem VR-Headset von Valve Index zu verschmelzen. Hierbei wurde es wichtig, die Leistung unseres Audio-Subsystems im Kontext des VR-Headsets akustisch zu messen. Durch genaue Messungen konnten wir schrittweise Verbesserungen vornehmen und Fehler im Audio-Subsystem identifizieren. Anfänglich verwendeten wir „Mr. HATS“, unseren Kopfsimulator, um den Frequenzgang unserer Kopfhörer messen zu können. Blaues Klebeband markierte auf der Vorderseite die genaue Position des VR-Headsets am Modell, um die Konsistenz früher Messungen zu garantieren.

Zur Maximierung der Klangqualität wurden täglich Frequenzgang und Basswiedergabe gemessen und verfeinert. Während wir bei Valve an der Verbesserung der Basswiedergabe durch DSP mithilfe von Equalizer-Tuning und Algorithmen wie psychoakustischem Bass arbeiteten, wurde bei Tectonic der Bass mechanisch durch Optimierung des Lautsprecherantriebs selbst verbessert. Die Kombination dieser Bemühungen ermöglichte es uns, unsere Ziele in Bezug auf Klangqualität und Basswiedergabe zu erreichen und zu übertreffen.

Durch die Verwendung von BMR-Antrieben können wir konsistente Klangqualität ohne Verfärbung selbst bei geringfügiger Falschpositionierung der Kopfhörer an der Seite des Kopfes garantieren. Wir verdanken dies der einzigartigen Klangabstrahlung der BMR. Bei niedrigen Frequenzen verhalten sie sich wie herkömmliche Lautsprecher. Wenn das elektrische Signal eingeht, bewegt sich die gesamte Membran (der vordere Teil des Lautsprechers) in der Form des Signals vor und zurück. Die wahre Magie ist jedoch erst bei höheren Frequenzen zu beobachten. Wenn die Wellenlänge der Biegewellen, die durch die Membran wandern, sich der Größe der Membran annähert, beginnen herkömmliche Antriebe „zu brechen“, wobei sich die Membran biegt und kräuselt. Dies führt zu sehr scharfen Spitzen und Einbrüchen im Frequenzgang, die nicht nur schlecht klingen, sondern auch stark von der Position der Lautsprecher bzw. Kopfhörer abhängen. Das BMR-Design nutzt das natürliche Membran-Verhalten aus und gleicht die Vibrationen von verschiedenen Gebieten durch optimierte Materialauswahl, Massenbelastung und ausgiebige Designsimulation aus. So wird grundsätzlich sichergestellt, dass Ihre Ohren immer die vollständigen Klanginformationen erhalten, selbst wenn sie nicht im perfekten Winkel zu den BMR-Kopfhörern liegen.

Darüber hinaus konnte Tectonic den Klangverlust mechanisch reduzieren. Da die Lautsprecherantriebe des Valve Index hinten offen sind, wirkt der Schalldruck von der Vorderseite mit dem der Rückseite zusammen. Die Seiten sind gewollt phasenverschoben und die Antriebseinheiten sorgen dank ihres Gesamtdurchmessers für ein gewisses Maß an Selbstdämpfung. Allgemein verhindert der Außendurchmesser der Antriebseinheiten, dass der Schalldruck der Vorderseite auf den der Rückseite trifft, doch dies ist nur dann hilfreich, wenn die Wellenlänge der Schallwellen in der Luft kürzer ist als die Selbstdämpfung der Antriebseinheit. Ist die Wellenlänge länger als der Durchmesser der Antriebseinheit, so wirkt sich der Schalldruck aus der Vorderseite direkt auf den der Rückseite aus, was zu einer deutlichen Geräuschunterdrückung führt. Bei einem Gesamtdurchmesser der Antriebe von ca. 5 cm findet oberhalb von etwa 3 kHz keine Geräuschunterdrückung statt – es gibt allerdings nur sehr wenige Audioinhalte oberhalb dieser Frequenz. Die meisten Audioinhalte liegen unterhalb von 3 kHz und hier ist die Geräuschunterdrückung sehr intensiv, um andere Menschen in der Nähe nicht zu stören. „Die Ohren des VR-Headset-Trägers befinden sich so nahe an der Antriebseinheit (im Nahfeldbereich), dass diese Geräuschunterdrückung nicht wahrgenommen wird, da der Schalldruck aus der Vorderseite RELATIV GESEHEN viel näher am Ohr liegt als der von der Rückseite.“ Tim Whitwell, CTO Tectonic.

Das Mikrofon

Unser Ziel, für Streaming- und Mehrspieler-Erlebnisse ein VR-Headset mit hochwertigem Mikrofon zu entwickeln, war leicht zu setzen, wir gingen jedoch aufgrund des Designs der Off-Ear-Kopfhörer davon aus, dass die Mikrofonleistung eine schwierige Herausforderung darstellen würde. Überraschenderweise war das Gegenteil der Fall. Dank der spezifischen Eigenschaften dieser Kopfhörer mussten wir bei der Rauschunterdrückung für das Mikrofon nur wenig DSP verwenden, wodurch die Abtastrate des Klangflusses mit 48 kHz sehr hoch bleibt. Hier eine Liste bei der Entwicklung hilfreicher Funktionen:

• Das bidirektionale Mikrofonarray grenzt das Richtungsfeedback ein, fokussiert die Signalaufnahme auf den Mund des Benutzers und schließt dabei Nebengeräusche aus.
• Die Selbstdämpfung der BMR-Antriebseinheiten reduziert externe Störungen wesentlich besser als herkömmliche Lautsprecher.
• Die Lautsprecher- und Mikrofonakustik reduziert in hohem Maße nichtlineare akustische Rückkopplungspfade. Der Kopf des Spielers absorbiert einen Großteil der ersten Schallenergie aus den BMR-Lautsprechern.
• High-SNR-Mikrofone und Audiopfade
• Hochwertige Mikrofone und akustische Abdichtung
• Dynamische Komprimierung eingehender Audiodaten, um das Abschneiden lauter Stimmen zu vermeiden.

Schlussbemerkungen

Die Auswertung unserer Forschungsdaten, wiederholter Tests und Verbesserungen sowie des erhaltenen Feedbacks zeigt, dass das Design der Kopfhörer von Valve Index dem optimalen Kompromiss für die Audiowiedergabe von VR im Innenraum so nahe kommt, wie dies derzeit möglich ist. Wir sind sehr zufrieden mit dem Ergebnis, freuen uns aber dennoch auf zukünftige Erkenntnisse und Verbesserungen.

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