Fülhangszórók - Kutatás, tervezés és evolúció

A Valve Index fülhangszórók kifejezetten a virtuális valóság megtapasztalásának céljaihoz lettek optimalizálva, és emiatt kialakításuk is érdekes módokon tér el a szokványos általános célú fejhallgatókétól.

VR kísérleteink korai szakaszában világossá vált, hogy ahhoz, hogy segítsünk egy VR felhasználónak a kétkedés felfüggesztésének* megfelelő fokát elérni, nem csak a hagyományos játékok és filmek narratív, környezeti és érzelmi módszereire kell hagyatkoznunk, de a VR-re egyedülállóan érvényes fiziológiai problémamegoldás teljesen új kategóriájára is. Amikor felveszünk egy fejszettet, hogy a Budget Cutsszal játsszunk, azt várjuk a VR-től, hogy úgy érezzük, mintha testünk átkerült volna egy gyilkos robotokkal teli irodába ahelyett, hogy pusztán egy statikus képernyőn keresztül mutatnák be a környezetüket.

Kutatásunk és játéktesztelésünk vezetett annak megértéséhez, hogy a hang maximális átélhetőségének elérése ugyanannyi követelményt állít fel a hangösszetevő kialakításával szemben, mint a 3D követőrendszernél vagy a kijelzőpaneleknél. Azt is megtudtuk, hogy az e követelményeknek megfelelő kialakítás bizonyos érdekes kompromisszumok elfogadását jelenti, amelyek hatással voltak olyasmikre, mint a hangszórók elhelyezkedése, a gerjesztő súlya, a membrán alakja, a hangszóróburkolat ipari formatervezése és még az alapvető frekvenciaátviteli jellemzők is.

*E megtestesített kétkedés felfüggesztését más kontextusokban „jelenlétnek” hívtuk, de ez a kifejezés a hangok világában más jelentést hordoz, így e Mélymerülés cikk további részében nem használjuk.

Hardver és szoftver együtt

Meggyőző hangátélhetőséget csak a szoftver és a hardver területére egyidejűleg építve lehet elérni. Annak megismerése, hogy hol kell meghúzni a határt a hardver (hangeszközök) és a szoftver (játékok, VR élmények) felelősségei között, a teljes VR hangfolyamat átfogó figyelembevételét követelte meg, a VR hangtartalom létrehozásától kezdve a játékmotorok kimeneti eredményén keresztül a hang fülhöz érkezésének minden lehetséges módjáig.

Szoftver oldalon a játékhangmérnökök és tudósok azóta dolgoznak meggyőző, átélhető hangtartalom létrehozásán, hogy az első játékoshoz viszonyított pásztázású élmények megjelentek a 90-es években (Doom, Half-Life, Aureal3D stb.). Majd, a jelenlegi VR generációnak köszönhetően, hatalmas fejlődést láttunk a térbeli hangtechnika terén. A binaurális hangképzés és a fizikán alapuló hangszimulációs bővítőmodulok, mint a SteamAudio, lehetővé teszik a fejlesztőknek, hogy még pontosabb hangpozicionálást, fizikailag pontos virtuális hangvisszaverődést, hangelnyelést és hangterjedést hozzanak létre, mindezt normál sztereó fejhallgatókon keresztül. A jelenlegi VR-hez optimális hallgatóeszközön gondolkodva a következő szoftveres hangszimulációs ismereteket és kutatást használtuk fel:

• A VR tartalmat többnyire sztereóban biztosítják – egy bal és egy jobb hangcsatornán keresztül. Ezek a csatornák tartalmazhatnak beágyazott binaurális és HRTF hangszíntorzulást ahhoz képest, hogy a játékos egy adott időpontban éppen hová néz.
• A külső fülünk, fej- és arcformánk olyan specifikus hangszínmintát ad, amely segít agyunknak beazonosítani, hogy a hang igazi-e vagy képzelt, valamint a hangforrások hozzánk viszonyított helyzetét (mögöttünk, felettünk, alattunk, jobbra, balra stb.).
• A közép-magas frekvenciás hanghűség nagyon fontos.
  • A binaurális szimulációk a hangszín finom változásaira (1 kHz – 8 kHz) hagyatkoznak a hangforrás játékoshoz viszonyított pozíciójának érzékeltetésére. Ha egy hallgatóeszköz hozzáteszi saját tompított frekvenciatorzulását, az zavarni fogja a játékost a hangforrás helyének beazonosításában.
  • Az emberek általában véve nagyon érzékenyek a 2 kHz – 5 kHz közötti tartományban levő hangokra. Ha egy virtuális hang frekvenciája nem felel meg annak, amit a valóságban várnánk, akkor valószínűbb, hogy „nem igaziként” fogjuk azonosítani a hangot. Ez különösen igaz, ha összehasonlítjuk, milyen könnyű megállapítani, hogy valakinek a hangját hangszórón keresztül halljuk, vagy mellettünk beszél.
• Az alacsony frekvenciás hanghűség fontos.
  • Míg alacsony frekvencia a természetben nem fordul elő túl gyakran, addig VR- és szórakoztató tartalmaknál rendszeresen megjelenik (zene, morajlás, robbanás, fegyvertűz, szívverés, becsapódások, varázslatok stb.). A basszus kritikus fontosságú a méretek és arányok érzékeltetéséhez. Fokozza a VR vizuális átélhetőségét, és bizonyos érzelmi reakciókat vált ki – veszély, ámulat, elszigeteltség, internalizáció stb. Ezért fontos volt, hogy a hallgatóeszközünk rendelkezzen jó adag basszus-átvitellel.

Miért nem fejhallgató?

A hagyományos fejhallgatók kiválóak a közvetlen, játékoshoz viszonyított sztereó hangtartalom fülbe történő továbbításához. A játékosok bármely irányba nézhetnek a virtuális világban, és a hangszimulációs bővítőmodulokkal rendelkező 3D játékmotorok a szükséges sztereó jelet fogják kiadni a virtuális hangforrás helyének helyes közvetítéséhez. Ez az oka, hogy a versenyszerű e-sport játékosok (pl. CS:GO) fejhallgatót használnak első hangszórók helyett – a fejhallgatók közvetlenebb térhang-információt biztosítanak. Két kimeneti csatorna (bal/jobb), két fülhallgató (bal/jobb), két fülhöz (bal/jobb) – egyértelmű.

Általában véve azonban a hagyományos hangeszközöket ritkán tervezik a hangátélhetőséggel elsődleges célként. A személyes eszközöket, mint például a fülbe dugható, fülre helyezhető, fület takaró fejhallgatókat zene- és szórakoztató tartalmak olyan helyeken történő hallgatásához optimalizálják, ahol hangszóró használata nem helyénvaló, és az energiaellátás gyakran nagyon alacsony (pl. mobiltelefonok, akkumulátorral működő eszközök). A hangsúly gyakran a hangszigetelésen, energiahatékonyságon, zajcsökkentésen és hangsúlyozott frekvenciaátvitelen van. Úgy éreztük, hogy ezen optimalizálások közül soknak nem lenne annyi értelme a jelenlegi szobaléptékű VR kontextusában, ahol az általános hallgatási környezet egy erre szánt térrész (pl. egy beltéri szoba enyhe háttérzajjal), ahol egy kis hangszivárgás belefér. Bőven érhető el energia, a frekvenciaátviteleknek pedig támogatnia kell a binaurális hangszimulációk követelményeit.

A fejhallgatóknak és fülhallgatóknak céljuk optimális eléréséhez érintkezniük kell a füllel, vagy körül kell venniük azt. Azt láttuk, hogy ez néha a hangátélhetőség ellen dolgozhat a következő módokon:

• A hang közvetlenül a hallójáratba továbbítása kikerüli a természetes hallási folyamatot, amelyet a fül és a fej valódi hanghullámokkal való kölcsönhatása eredményez. A hallgatóknak kimarad a fül, a fej és a személyes arcforma által létrehozott hangszínezet. Emiatt a hang úgy tűnhet, mintha képzelnénk vagy a fej belsejéből érkezne, még akkor is, ha a hangtartalom erősen térbeli és fizikailag szimulált. Megérzésünk szerint a szoftverszimulációk előbb-utóbb számításba fogják ezt venni.
• A fülre gyakorolt nyomás bizonyos idő után fájdalmassá és kényelmetlenné válhat, kizökkentve az embereket a VR jelenlétből.
• Egyes játéktesztelők azt jelezték, hogy már önmagában a fejhallgató fülhöz érintése azt jelezte számukra, hogy semmilyen ezt követő hang nem lesz valódi.
• A fül lefedése fület takaró fejhallgatókkal benntarthatja a hőt, így a felhasználó melegebbet érezhet a VR fejszettel, mint valójában volna, ami csökkenti a jelenlétet.
• Egyes fejhallgatók hangszínminősége zavarhatja a binaurális szimulációk finom frekvenciaeltéréseit. Például azok a fejhallgatók, ahol a közép-magas frekvenciák vagy kiemeltek vagy tompítottak, valószínűleg zavarni fogják a HRTF-szűrők árnyalatait, ami gyenge minőségű irányított hangérzetet fog eredményezni játékokban és VR-ben.

Miért nem hangfalak?

Gondolkodtunk hagyományos hangfalakban és nyalábformáló hangfalakban is, hagyományos sztereó- vagy térhatású hang elrendezésben. A hangfalak elkerülnek sok, a fejhallgatókra jellemző kényelmi problémát és olyan hangot bocsátanak ki, amelyet könnyen a fejünkön kívülinek tudunk érzékelni, de számos akadályt állítottak az alkalmazás elé:

• A jelenlegi sztereó hangfalak előre néző irányt feltételeznek, így a hang úgy játszódik le, mintha az ember a nézőközönségben lenne, egy színpadon levő együttest hallgatva vagy TV-t nézve egy kanapéról. Ez zenéhez vagy a képernyőn látható filmhez rendben van, a VR- és a térhangzású videojáték-tartalom azonban olyan kimenet, amely azt feltételezi, hogy a bal/jobb hangcsatornák közvetlenül a hallgató fejének két oldalára érkeznek.
• A hétköznapi 5.1 és 7.1 térhangzású hangrendszerek vízszintes térre korlátozzák a hanglejátszást, míg a VR- és játék-hangtartalom gyakorlatilag bárhol elhelyezkedhet a hallgató körül.
• A hangfalrendszerek helyes összeállítása helyet és időt igényelhet, további nehézséget okozva a VR beállításánál.
• A hangfalak megkövetelik, hogy a játékos egy kis, „ideális területen” maradjon a pontos térbeli hanglejátszáshoz. A VR néha megkövetelheti, hogy az ember nagy területen mozogjon.
• A hangfalakat befolyásolhatja a valós szoba akusztikája, amely ütközhet a virtuális világ által megkívánt akusztikával.
• A hangfalaknál a hang túl távolinak tűnhet, ellentmondva egy olyan virtuális hangforrás helyének, amely lehet, hogy nagyon közel van a játékosok füléhez.

Az ötlet

Az összes fenti kompromisszumot áttekintve nyilvánvalóvá vált, hogy a VR-hez az optimális megoldás egy ultra-közeltéri, teljes frekvenciatartományú, fülön kívüli (extraaurális) fejhallgató lehet. Elég közel a fülhöz, hogy imitálja a játékoshoz viszonyított sztereó fejhallgatót és támogassa a jelenlegi VR-tartalmak kimeneti formátumát, de elég távol, hogy lehetővé tegye a füleknek és a fejnek saját színezetük hozzáadását a hanghoz, közben megoldva a kényelem- és nyomásproblémákat is. Ez a felismerés, kombinálva a két befelé fordított hi-fi hangfal közé feküdve megélt teljes hangátélés gyermekkori emlékéből merített inspirációval eredményezte az első prototípusok megalkotását.

A fejlődés

Az első prototípus két kis méretű, teljes frekvenciatartományú asztali hangszórógerjesztőnek egy gördeszkás sisak oldalához ragasztószalagozásával készült. Egy régi Vive lett a sisak külső részéhez erősítve. A hangszórók USB-n keresztül kaptak tápfeszültséget, a hangkimenet pedig a HTC Vive fejhallgató-csatlakozóján át érkezett. Ez a nyers prototípus meglepően jó munkát végzett a hangátélhetőség növekedésének és a hangok külsővé tételének bemutatásában, amikor hagytuk, hogy fülünk és fejünk természetes módon értelmezze a hangot. Az átélhetőség érzését nehéz mennyiségileg mérni, így ezen a ponton a kollégák és játéktesztelők minőségi visszajelzéseire támaszkodtunk a prototípus és egy KOSS Porta Pro fülre helyezhető fejhallgató VR közbeni használata közötti hangkülönbség leírásánál. A válaszok eléggé a hangszórókat preferálták ahhoz, hogy nyugodt szívvel menjünk tovább ezzel a kialakítással. Azonban számos probléma merült fel:

• Nagyon korlátozott basszusátvitel.
• A hangszórók pozíciójának enyhébb változásai a sisak különbözőképpen való felvételéből vagy a VR-beli mozgásból adódóan a hangerő, frekvenciaátvitel és hangegyensúly jelentős eltolódását okozták.
• Súly és méret. A hangszórók túl nehezek voltak (egyenként 70 g), ami ellentétben állt azon nagyobb termékcélunkkal, hogy a fejszett könnyű és kényelmes legyen. Valószínűleg ez volt a legnagyobb aggodalmunk a korai szakaszban.
• Hangszivárgás.

A súllyal kapcsolatos aggodalmak megoldására megvizsgáltuk fejhallgató-gerjesztők használatát hangszórógerjesztők helyett. Bár könnyebbek és energia-hatékonyabbak voltak, a fültől távol tartva a levegőben nem tudtak elegendő hangerőt szolgáltatni. Bár eleve tudtuk, hogy így lesz, érdekes volt hallani a kompromisszumokat a hangátélhetőség vs. fültől való távolság vs. frekvenciaválasz és hangerő között.

Tudni akartuk, mégis mekkora fejhallgató-gerjesztőkre van szükség a hangerő- és frekvenciaátviteli követelményeinknek való megfeleléshez a fülön kívüli környezetünkben. Beszéltünk az Audeze-zel, akik kifejlesztettek egy mágneses síklapos fülön kívüli fejhallgatót, hogy segítsenek megtudnunk ezt. Az eredmény hihetetlenül szólt, azonban a súly, méret és ár miatt nem volt megvalósítható a Valve Index gyártási céljaihoz.

A továbbiakra nézve visszatértünk hangszórógerjesztők használatához kialakításunkban. A korai hang kutatás-fejlesztés egyik előnye ebben a szakaszban az volt, hogy a Valve Index fejszett-rendszer többi részétől függetlenül tudtunk dolgozni. Egy gépészmérnök segítségével létrehoztunk egy önálló, fülön kívüli fejhallgató-kialakítást. Ebben az új környezetben képesek voltunk gyorsan továbbfejleszteni a basszusátvitelt, hangolást, fülhöz képesti elhelyezkedést, fültől való távolságot, és A/B tesztelt hangszórógerjesztő értékeléseket végezni. Ez a prototípus volt az első 3D nyomtatással készült fülhangszórós fejhallgató, amit egymás közt „kolibrinek” hívunk.

Ezek a színes Kolibrik különböző kicsi, teljes frekvenciatartományú hangszórógerjesztők értékelésének céljával lettek megalkotva. Eddig kereskedelemben kapható teljes hangszóró- és fejhallgatórendszereket alakítottunk át. A készen kapható alkatrészek megvásárlása és értékelése megkívánta, hogy megkezdjük a hangalrendszer alapjainak felépítését: erősítők, hangchipek, DSP (digitális jelfeldolgozás) és mikrofonok. Ezzel párhuzamosan közelebb kerültünk a végtermékünk céljainak meghatározásához a fülhöz viszonyított optimális távolság, elforgatás, súly, hangszóróméretek és frekvenciaátvitel tekintetében.

A BMR (kiegyensúlyozott módusú sugárzó) hangszórókkal a gerjesztők értékelési szakaszában találkoztunk, és azonnal számos előnyt vettünk észre: csökkentették a hangszórók rossz elhelyezéséből adódó hangtorzulást, majdnem belül voltak a súlycélunkon, nagyszerű frekvenciaátvitelük volt a magas-közepes tartományban (ez fontos a binaurális szimulációknál) és sokkal vékonyabbak voltak a hagyományos hangszórógerjesztőknél. Elkezdtünk a Tectonickal dolgozni egy fülön kívüli hangszóróként használható egyedi gerjesztőn.

Növekedtek aggodalmaink azzal kapcsolatban, hogy a fülhangszórók mennyi hangot szivárogtatnak ki a környezetbe, illetve mennyi hangot engedhetnek be. Hogy fogalmunk legyen róla, mekkora hatással lehet ez vásárlókra, több mint 20 Kolibrit építettünk és osztottunk ki kollégáknak otthoni tesztelésre. Senki sem akarta visszaadni a Kolibrikat. Ez jó jel volt, a túlnyomó többségben pozitív játékteszt-visszajelzésekkel együtt. A játéktesztelők azt jelezték, hogy annak előnye, hogy semmi sem ér a fülhöz, és a hangátélés fokozott érzése kompenzálták a kívülről bejövő hangok, illetve belső hangok kiszivárgása okozta problémákat. Úgy döntöttünk, ezzel a kialakítással folytatjuk, de észben tartjuk ezeket az aggályokat.

A termék

Most már volt egy működő fülhangszóró-alrendszerünk, amely jól szerepelt a játéktesztelésen, és nagyjából megfelelt a hanghűség-, költség- és kialakítás-céljainknak. Elkezdtük a fülhallgató-kialakítás és a Valve Index fejszett összekapcsolásának folyamatát. Itt fontossá vált, hogy elkezdjük akusztikailag mérni a hangalrendszerünk teljesítményét a fejszettel összefüggésben. A pontos mérések végzése lehetővé tette, hogy számszerűsítsük a fokozatos javulást, valamint azonosítsuk a problémákat a hangalrendszerben. Kezdetben „Mr. HATS-et”, a fejmodellünket használtuk fülhangszórónk frekvenciaátvitelének méréseihez. Az arcon levő kék ragasztószalag a HMD pontos elhelyezését jelzi a modellen, így a korai mérések következetesek lehettek.

A hangminőség maximalizálására a frekvenciaátvitel és basszuskiterjesztés napi szinten mérésre és finomhangolásra került. Míg mi a Valve-nál a basszuskiterjesztés DSP-n keresztüli jobbításán dolgoztunk EQ hangolást és olyan algoritmusokat használva, mint a pszichoakusztikus basszus, a Tectonic a basszus mechanikai jobbításán dolgozott, magát a hangszórógerjesztőt optimalizálva. Ezen erőfeszítések kombinációja lehetővé tette, hogy elérjük és túlszárnyaljuk a hangminőségi és mélyhang-átviteli céljainkat.

A BMR gerjesztők használatával képesek vagyunk hangtorzulás nélküli, egyenletes hangminőséget biztosítani akkor is, ha a hangszórók kissé rosszul vannak pozicionálva a fej mellett. Ez a BMR egyedi hangsugárzási módja miatt van. Alacsony frekvenciáknál a hagyományos hangszórókhoz hasonlóan viselkednek. Az elektromos jel bejön, és az egész membrán (a hangszóró elülső része) előre-hátra mozog, a jel alakját követve. Az igazi varázslat azonban a magasabb frekvenciáknál történik. Amikor a membránon áthaladó, görbülő hullámok hossza hasonló a membrán méretéhez, a hagyományos gerjesztők elkezdenek „megtörési” módokba lépni, amelyek a membrán hajlását és hullámzását okozzák, nagyon éles hegyeket és völgyeket hozva létre a frekvenciaátvitelben, ami amellett, hogy rosszul hangzik, nagyon elhelyezés-érzékeny. A BMR-eket a membrán természetes viselkedésének kihasználására tervezik, kiegyenlítve a különböző területekről érkező rezgéseket optimalizált anyagválasztással, tömegelosztással és kiterjedt kialakítás-szimulációval. Lényegében biztosítják, hogy a fülek mindig a teljes hanginformációt kapják – még ha nem igazodnak is tökéletesen a BMR hangszórókhoz.

Emellett, a Tectonic képes volt mechanikailag minimalizálni a hangszivárgást is. Mivel a Valve Index hangszórógerjesztő egység hátulja nyitott, az első oldali nyomás kapcsolatba léphet a hátsó oldali nyomással, és ezek alapból nincsenek szinkronban egymással. Azonban maga a gerjesztő egység teljes átmérőjéből fakadóan biztosít bizonyos szintű „öncsillapítást”. Lényegében bármelyik hangszórógerjesztőnél a külső átmérő segít megakadályozni, hogy az elölről érkező nyomás találkozzon a hátulról érkező nyomással. Bár ez csak akkor segít, ha a levegőben levő hanghullámok hossza kisebb, mint a gerjesztő átmérőjének öncsillapítása. Amikor a hullámhossz nagyobb lesz a gerjesztő átmérőjénél, az elölről érkező nyomás közvetlenül kapcsolatba lép a hátulról érkező nyomással és erős kioltás történik. A gerjesztőegység teljes átmérője körülbelül 5 cm. Ez azt jelenti, hogy nagyjából 3 kHz fölött nincs kioltás, de mint tudjuk, e frekvencia fölött egyre kevesebb a hangtartalom. A legtöbb hangtartalom 3 kHz alatt található, és itt erős a kioltás, ami megelőzi, hogy a hang zavarja a közelben levőket. „A fejszettet viselő hallgató füle olyan közel van a gerjesztőegységhez (közeltéri), hogy nem észlelhető a kioltás, mivel az elölről érkező nyomás ARÁNYÁBAN sokkal közelebb van a fülhöz, mint a hátsó oldali.” Tim Whitwell, a Tectonic műszaki igazgatója

A mikrofon

Célunkat, hogy a fejszetten magas minőségű mikrofonok legyenek a közvetítők és többjátékos élmények támogatására, könnyű volt meghatározni. A fület nem érintő hangszóró-kialakítás miatt azonban azt vártuk, hogy a mikrofonminőség nehéz kihívás lesz. Meglepetésünkre, nem így történt. A fejhangszóró számos egyedi jellemzője miatt el tudtuk kerülni a mikrofonjelnél jelentős mennyiségű zajcsökkentő DSP használatát, ami viszont lehetővé tette, hogy a mikrofon mintavételezési frekvenciáját nagyon magasan, 48 kHz-en tartsuk. Íme a jellemzők listája, amelyek segítettek a minőségi mikrofonbevitel kialakításában:

• Kettős mikrofontömb az irányított átvitel leszűkítéséhez és a jelre (a felhasználó szája) fókuszáláshoz, valamint az egyéb nem kívánt zaj kiküszöböléséhez. A kétirányú mikrofontömb a hangrögzítést a felhasználó szájára fókuszálja és kizárja a külső hangokat.
• A BMR gerjesztők „öncsillapítása” sokkal jobban csökkenti a külső zajszennyeződést, mint a hagyományos hangszórók.
• A hangszóró és a mikrofon akusztikáját úgy terveztük, hogy jelentősen csökkentse a nemlineáris akusztikai visszacsatolási útvonalakat. A játékos feje elnyeli a BMR hangszórókból érkező kezdeti hangenergia nagy részét.
• Magas jel-zaj arányú mikrofonok és hangútvonalak.
• Jó minőségű mikrofonok és akusztikai szigetelések.
• A bejövő hang dinamikus tömörítése a hangos beszédhangok levágásának elkerülésére.

Záró gondolatok

Mindezen kutatás, tökéletesítés és a visszajelzések eredményeképp úgy véljük, hogy a Valve Index fülhangszóró kialakítása olyan közel áll a kompromisszumok és kifejezetten a szobaléptékű VR hanglejátszáshoz tervezett funkciók optimális egyensúlyához, amennyire jelenleg lehetséges. Igazán elégedettek vagyunk a létrehozott hangélménnyel, azonban sokat lehet még tanulni és még sok mindent fejleszthetünk tovább.

Ha szenvedélyed a hangzás és szeretnél velünk dolgozni effajta problémák megoldásán, kérjük, fedezd fel a különféle hanggal kapcsolatos munkaterületeket vagy küldj e-mailt a jobs@valvesoftware.com

címre.