หูฟัง - การวิจัย การออกแบบ และการพัฒนาปรับปรุง

หูฟังของ Valve Index ได้รับการปรับให้มีประสิทธิภาพเหมาะสมกับเป้าหมายในการมอบประสบการณ์ที่เฉพาะเจาะจงภายในโลกเสมือนจริง อันเป็นเหตุให้การออกแบบมีความแตกต่างจากหูฟังสำหรับผู้บริโภคทั่วไปในลักษณะที่น่าสนใจ

ในช่วงแรกที่เราทำการทดลองเกี่ยวกับ VR เราเห็นชัดว่าการช่วยให้ผู้ใช้ VR เกิดความรู้สึกยอมรับความเหลือเชื่อ* ในระดับที่เหมาะสม ไม่เพียงแต่ต้องอาศัยวิธีการเล่าเรื่อง สร้างสิ่งแวดล้อม และกระตุ้นอารมณ์ความรู้สึกตามแบบอย่างของเกมและภาพยนตร์ทั่วไปเท่านั้น แต่ยังต้องอาศัยการแก้ปัญหาทางสรีรวิทยาประเภทใหม่ที่เฉพาะเจาะจงต่อ VR เป็นพิเศษอีกด้วย เมื่อเราสวมเครื่องสวมศีรษะเพื่อเล่นเกม Budget Cuts เราคาดหวังว่า VR จะทำให้เรารู้สึกราวกับว่า ร่างกายของเราถูกนำพาไปยังสำนักงานที่พลุกพล่านไปด้วยหุ่นยนต์ฆาตกร ไม่ใช่แค่แสดงให้เราเห็นแค่สิ่งแวดล้อมภายในสำนักงานด้วยภาพนิ่งบนหน้าจอ

งานวิจัยของเราและการทดลองเล่นช่วยให้เราเข้าใจว่า การบรรลุถึงความสมจริงด้วยเสียงโซนิกสูงสุดทำให้เกิดข้อกำหนดหลายข้อในแง่องค์ประกอบของระบบเสียง เช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นในระบบติดตาม 3 มิติ หรือบนแผงจอแสดงผล นอกจากนี้ เรายังเรียนรู้ด้วยว่าการออกแบบตามข้อกำหนดเหล่านั้นหมายถึงการที่ต้องยอมแลกกับลักษณะบางอย่างที่น่าสนใจ ซึ่งมีผลกระทบต่อสิ่งต่าง ๆ อาทิ ตำแหน่งของลำโพง น้ำหนักของไดรเวอร์ รูปร่างไดอะแฟรมของไดรเวอร์ การออกแบบเชิงอุตสาหกรรมของกล่องลำโพง และแม้กระทั่งลักษณะเฉพาะพื้นฐานด้านการตอบสนองต่อย่านความถี่

*เราเรียกการยอมรับความเหลือเชื่อที่แสดงไว้นี้ว่า ‘การอยู่ในสถานที่’ ในบริบทอื่น แต่ในโลกของเสียง คำนี้มีความหมายแฝงอย่างอื่นด้วย ดังนั้นเราขอไม่ใช้คำนี้ในเนื้อหาส่วนที่เหลือของบทความเจาะประเด็นนี้

ทั้งฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์

ความสมจริงของเสียงจนน่าเชื่อสามารถบรรลุได้ก็ต่อเมื่อต้องพึ่งพาอาศัยทั้งปัจจัยด้านซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ในเวลาเดียวกัน การทราบว่าตรงไหนควรเป็นเส้นแบ่งความรับผิดชอบระหว่างงฮาร์ดแวร์ (อุปกรณ์เสียง) กับซอฟต์แวร์ (เกม, ประสบการณ์ VR) จำเป็นต้องพิจารณาถึงองค์รวมของระบบเสียง VR ทั้งหมด - ตั้งแต่วิธีสร้างสรร์เนื้อหาเสียงของ VR วิธีที่เกมเอนจินทำให้เกิดเอาต์พุต ไปจนกระทั่งถึงวิธีที่เสียงเดินทางไปถึงหูของผู้เล่นเกม

ในด้านซอฟต์แวร์ วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ด้านระบบเสียงของเกมได้มุ่งมั่นทำงานเพื่อสร้างสรรค์เนื้อหาเสียงที่มีความสมจริงจนน่าเชื่อนับตั้งแต่เมื่อการเลื่อนภาพตามมุมมองผู้เล่นเริ่มออกสู่ตลาดเป็นครั้งแรกในช่วงทศวรรษ 90 (Doom, Half-Life, Aureal3D ฯลฯ) จากนั้น VR รุ่นปัจจุบันช่วยให้เราเห็นพัฒนาการแบบก้าวกระโดดในด้านเทคโนโลยีการจำลองเสียงรอบทิศทาง ปลั๊กอินการจำลองเสียงที่อาศัยการสร้างคลื่นเสียงใหม่จากการประมวลความต่างของคลื่นเสียง (การเรนเดอร์ไบเนเชอเรล) และฟิสิกส์ เช่น SteamAudio > ช่วยให้ผู้พัฒนาสามารถสร้างสรรค์ผลงานให้ดียิ่งกว่าเดิม ไม่ว่าในด้านความแม่นยำเชิงตำแหน่งของคลื่นเสียงโซนิก เสียงก้องเสมือนที่มีความแม่นยำทางกายภาพ เสียงในสิ่งแวดล้อมปิด และการแผ่กระจายของเสียง โดยผ่านทางหูฟังสเตอริโอแบบปกติ เมื่อพิจารณาถึงอุปกรณ์ฟังเสียงที่มีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับ VR ในปัจจุบันแล้ว เราได้นำภูมิความรู้และงานวิจัยในด้านการจำลองด้วยซอฟต์แวร์ระบบเสียงมาปรับใช้ดังต่อไปนี้:

• เนื้อหา VR ส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปแบบสเตอริโอ – หนึ่งช่องเสียงทางซ้ายและหนึ่งช่องเสียงทางขวา ช่องเหล่านี้อาจมีคุณภาพของเสียงแบบรอบทิศทาง (HRTF) และแบบแยกสองหูแทรกอยู่ในลักษณะที่สัมพันธ์กับตำแหน่งที่ผู้เล่นกำลังมองดูอยู่ ณ ชั่วเวลาหนึ่ง ๆ
• หูชั้นนอก รูปร่างศีรษะ และลักษณะใบหน้าของเราช่วยเพิ่มลักษณะเฉพาะของเสียงแบบเฉพาะเจาะจงที่ช่วยให้สมองของเราแยกแยะระหว่างเสียงที่แท้จริงกับเสียงในจินตนาการได้ รวมทั้งตำแหน่งของแหล่งกำเนิดเสียงที่สัมพันธ์กับเรา (ด้านหลัง ข้างบน ข้างล่าง ด้านขวา ฯลฯ)
• ความแม่นยำของเสียงความถี่สูงปานกลางมีความสำคัญอย่างยิ่ง
  • การจำลองเสียงแบบแยกสองหูจะขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงเล็ก ๆ น้อย ๆ ที่เกิดขึ้นกับคุณภาพเสียง (1kH-8kHz) เพื่อสื่อให้ทราบถึงตำแหน่งของแหล่งกำเนิดเสียงที่สัมพันธ์กับผู้เล่น หากอุปกรณ์รับฟังคุณภาพความถี่เสียงที่ปรับให้เบาลงของตัวเองเพิ่มเข้าไปอีก ก็จะทำให้ผู้เล่นระบุตำแหน่งของเสียงได้ยากขึ้น
  • โดยทั่วไป มนุษย์มีความไวอย่างยิ่งต่อเสียงภายในช่วง 2kHZ-5kHz หากความถี่ของเสียงเสมือนไม่ตรงกับสิ่งที่เราคาดว่าจะเป็นในความเป็นจริง เราก็มักจะคิดว่านั่นเป็นเสียงที่ “ไม่จริง” โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กรณีนี้จะเป็นจริงหากคุณเปรียบเทียบความยากง่ายที่จะบอกว่าเสียงของใครบางคนมาจากลำโพงหรือมาจากเสียงของคนที่พูดคุยข้างตัวคุณ
• ความแม่นยำของเสียงความถี่ต่ำมีความสำคัญ
  • แม้ว่าเนื้อหาที่เป็นเสียงความถี่ต่ำจะเกิดขึ้นในธรรมชาติไม่บ่อยนัก แต่ก็ปรากฏขึ้นเป็นประจำในเนื้อหา VR และเนื้อหาความบันเทิง (ดนตรี เสียงดังก้อง เสียงระเบิด เสียงปืน เสียงหัวใจเต้น เสียงกระแทก เสียงร่ายเวทย์มนต์ ฯลฯ) เสียงเบสมีความสำคัญอย่างยิ่งในการถ่ายทอดความรู้สึกในแง่ขนาดและสัดส่วน โดยช่วยเสริมความสมจริงของภาพ VR และกระตุ้นความรู้สึกบางอย่าง เช่น อันตราย ความน่าเกรงขาม ความโดดเดี่ยว ความรู้สึกภายใน ฯลฯ เพราะฉะนั้น สิ่งสำคัญคือ อุปกรณ์รับฟังของเราต้องรักษาระดับการตอบสนองต่อย่านความถี่ระดับเบสไว้ให้พอเหมาะ

เหตุใดจึงไม่ใช้หูฟัง?

หูฟังแบบดั้งเดิมมีประสิทธิภาพเป็นเลิศในการนำส่งเนื้อหาเสียงสเตอริโอที่สัมพันธ์กับผู้เล่นตรงไปยังหูแต่ละข้าง ผู้เล่นสามารถมองไปยังทิศทางใดก็ได้ในโลกเสมือนจริง และเอนจินเกม 3D ที่มีปลั๊กอินจำลองเสียงจะส่งเอาต์พุตที่เป็นสัญญาณสเตอริโอออกมาตามต้องการ เพื่อสื่อให้ทราบถึงตำแหน่งที่ถูกต้องของแหล่งกำเนิดเสียงเสมือน นี่คือเหตุผลที่ผู้เล่น e-sport แบบแข่งขัน (เช่น CS:GO) ใช้หูฟังแทนลำโพงที่หันไปข้างหน้า - หูฟังจะให้ข้อมูลเสียงแบบรอบทิศทางโดยตรงได้มากกว่า ช่องสัญญาณเอาต์พุตสองช่อง (ซ้าย/ขวา) สำหรับหูฟัง (ซ้าย/ขวา) สองชิ้นสำหรับหู (ซ้าย/ขวา) สองข้าง - ตรงไปตรงมา

แต่กล่าวโดยทั่วไปแล้ว แทบไม่มีอุปกรณ์เสียงแบบดั้งเดิมใด ๆ ที่ออกแบบขึ้นมาโดยมีเป้าหมายหลักที่ความสมจริงของเสียงโซนิก อุปกรณ์ส่วนตัว เช่น หูฟังแบบแปะหู แนบหู และครอบหู ได้รับการปรับประสิทธิภาพเพื่อการฟังดนตรีและความบันเทิงในสถานที่ที่ไม่เหมาะสมกับตู้ลำโพง และมักต้องการกำลังไฟฟ้าต่ำมาก (เช่น โทรศัพท์มือถือ อุปกรณ์ที่ใช้พลังแบตเตอรี่) จุดมุ่งเน้นมักอยู่ที่การป้องกันเสียงรบกวนจากภายนอก ประสิทธิภาพของกำลังไฟฟ้า การตัดเสียงรบกวน และการตอบสนองย่านความถี่แบบเกินจริง เรารู้สึกว่าการปรับประสิทธิภาพเหล่านี้อาจไม่สมเหตุสมผลมากนักในบริบทของ VR แบบขนาดห้อง (ใช้พื้นที่กว้าง) ในปัจจุบัน ที่ซึ่งสิ่งแวดล้อมในการฟังเสียงโดยทั่วไปคือปริมาตรของพื้นที่ที่กำหนดไว้โดยเฉพาะ (เช่น ห้องภายในอาคารที่บรรยากาศพื้นหลังมีเสียงเบา) และการรั่วไหลของเสียงที่น้อยมากอาจไม่ก่อให้เกิดปัญหา เราสามารถเข้าถึงแหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่มีอยู่มากมาย และการตอบสนองต่อย่านความถี่ที่จำเป็นต่อการรองรับข้อสันนิษฐานในการจำลองเสียงแบบแยกสองหู

หูฟังแบบครอบหูและหูฟังแบบเสียบในช่องหูจำเป็นต้องมีการสัมผัสกับหูหรือหุ้มรอบหูเพื่อให้บรรลุเป้าหมายอย่างมีประสิทธิภาพ เราเห็นว่าภาวะเช่นนี้บางครั้งไม่เป็นผลดีต่อความสมจริงของเสียงในลักษณะต่อไปนี้:

• การนำส่งเสียงเข้าสู่ช่องหูโดยตรงเป็นการเลี่ยงกระบวนการรับฟังเสียงตามธรรมชาติ อันเกิดจากหูและสมองมีปฏิสัมพันธ์กับคลื่นเสียงที่แท้จริง ผู้ฟังจะไม่ได้ยินลักษณะเฉพาะของโทนเสียงที่เกิดจากหู ศีรษะ และลักษณะส่วนบุคคล ส่งผลให้เกิดเสียงที่รู้สึกเหมือนเป็นเสียงจากจินตนาการหรือมาจากภายในสมองของผู้ฟัง แม้ว่าเนื้อหาเสียงนั้นเป็นการจำลองเสียงรอบทิศทางแบบกายภาพก็ตาม เราคาดว่าในที่สุดแล้ว การจำลองเสียงด้วยซอฟต์แวร์จะนำประเด็นนี้ไปประกอบการพิจารณา
• หลังจากเล่นไปสักครู่ ความดันในหูอาจทำให้เกิดความเจ็บปวดและอึดอัด ซึ่งเป็นเหตุให้คนปลีกตัวจากการมีส่วนร่วมในโลกเสมือนจริง
• ผู้ทดลองเล่นบางคนได้รายงานว่าทันทีที่หูฟังสัมผัสกับหู ก็เป็นสัญญาณบ่งบอกว่าเสียงที่จะกำลังจะได้ยินนั้นเป็นเสียงไม่จริง
• การครอบหูด้วยหูฟังแบบครอบหูอาจเก็บกักความร้อน ทำให้รู้สึกว่าเครื่องสวมศีรษะ VR ร้อนกว่าความรู้สึกในชีวิตจริงของผู้ใช้ เป็นเหตุให้ลดจำนวนการเล่นลง
• คุณภาพของโทนเสียงจากหูฟังบางชุดอาจเป็นอุปสรรคต่อคุณภาพความถี่ที่ละเอียดอ่อนในการจำลองเสียงแบบแยกสองข้าง ตัวอย่างเช่น หูฟังที่มีการปรับเสียงความถี่สูงปานกลางให้เกินจริงหรือเบาลง มีแนวโน้มที่จะรบกวนความละเอียดอ่อนของตัวกรอง HRTF มากที่สุด อันส่งผลให้เกิดความรู้สึกไม่ดีต่อเสียงที่มีทิศทางในเกมและ VR

เหตุใดจึงไม่ใช้ตู้ลำโพง?

นอกจากนี้ เรายังพิจารณาถึง ตู้ลำโพง สำหรับผู้บริโภคด้วย และ ลำโพงแบบควบคุมทิศทางเสียงในระบบเสียงแบบสเตอริโอหรือแบบรอบทิศทางทั่วไป ตู้ลำโพงหลีกเลี่ยงปัญหาความไม่สะดวกที่เกี่ยวข้องกับหูฟัง และให้เสียงที่เรารับรู้ได้ง่ายว่าเป็นเสียงภายนอกศีรษะของเราเอง แต่การนำมาใช้ก็มีอุปสรรคหลายข้อ:

• การจัดวางตู้ลำโพงสเตอริโอที่มีอยู่แล้วอาศัยการคาดเดาว่าเป็นการจัดให้หันไปด้านหน้า เพื่อให้รู้สึกเหมือนนั่งอยู่ท่ามกลางกลุ่มผู้ฟังที่กำลังฟังวงดนตรีบนเวที หรือนั่งชมทีวีบนโซฟา ลักษณะนี้ใช้ได้ผลดีกับดนตรีและภาพยนตร์บนจอภาพ แต่เนื้อหาเกม VR และสเตอริโอเป็นเอาต์พุตที่ถือว่าเสียงจากช่องทางซ้าย/ขวามาถึงด้านข้างของศีรษะผู้ฟังในทันที
• ระบบเสียงรอบทิศทาง 5.1 และ 7.1 ตามปกติจะจำกัดการเล่นเสียงไว้ที่ขอบเขตแนวนอน โดยที่เนื้อหาเสียงของ VR และเกมอาจถูกวางตำแหน่งไว้ได้แทบทุกที่รอบตัวผู้ฟัง
• ผู้ใช้อาจต้องสละเวลาและพื้นที่เพื่อจัดตั้งระบบตู้ลำโพงให้ถูกต้อง อันก่อให้เกิดความขัดแย้งกับการจัดตั้งระบบ VR
• ตู้ลำโพงกำหนดให้ผู้เล่นต้องอยู่ภายใน “จุดหรรษา” ขนาดเล็กเพื่อให้เล่นเสียงรอบทิศทางได้อย่างแม่นยำ บางครั้ง VR อาจกำหนดให้ผู้เล่นต้องเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ในพื้นที่ขนาดใหญ่
• ตู้ลำโพงอาจได้รับอิทธิพลจากคุณสมบัติทางอะคูสติกส์ของห้องที่แท้จริง ซึ่งอาจขัดแย้งกับอะคูสติกส์ที่ต้องการในโลกเสมือนจริง
• ตู้ลำโพงอาจทำให้รู้สึกเหมือนเสียงอยู่ไกลออกไป ต่างจากตำแหน่งของแหล่งกำเนิดเสียงเสมือนที่อาจอยู่ใกล้กับหูผู้เล่นมาก

แนวคิด

ในการพิจารณาทบทวนข้อดีข้อเสียทั้งหมดข้างต้น ก็เป็นที่ประจักษ์ว่าวิธีแก้ปัญหาที่เหมาะสมที่สุดสำหรับ VR อาจเป็นหูฟังแบบใกล้เป็นพิเศษ, แบบเต็มพิกัด, แบบนอกหู (หูฟังแบบพิเศษ) โดยอยู่ใกล้หูพอที่จะเลียนแบบหูฟังสเตอริโอที่สัมพันธ์กับผู้เล่นและรองรับรูปแบบเอาต์พุตของเนื้อหา VR ในปัจจุบัน แต่ไกลพอที่จะให้หูและสมองกำกับคุณภาพโทนเสียงได้เอง ขณะเดียวกันก็แก้ปัญหาเรื่องความสบายและความดัน การตระหนักถึงลักษณะเช่นนี้ผนวกกับแรงบันดาลใจจากความทรงจำวัยเด็กที่ดื่มด่ำกับเสียงโซนิกอย่างเต็มที่ในขณะที่นอนอยู่ตรงกลางระหว่างตู้ลำโพงไฮไฟที่หันเข้าด้านใน ซึ่งส่งผลให้มีการสร้างสรรค์ต้นแบบชิ้นแรก

การพัฒนาปรับปรุง

ต้นแบบชุดแรกทำขึ้นด้วยการใช้เทปยึด ไดรเวอร์ลำโพงเดสก์ท็อปเต็มพิกัดขนาดเล็ก สองตัวเข้ากับด้านข้างของหมวกกันน็อคสเก็ตบอร์ด Vive รุ่นเก่าถูกรัดไว้รอบด้านนอกของหมวกกันน็อค ลำโพงได้รับไฟเลี้ยงจาก USB และเอาต์พุตเสียงผ่านทางช่องเสียบหูฟังแบบครอบหูบน HTC Vive ต้นแบบหยาบ ๆ นี้ใช้ได้ผลดีอย่างน่าประหลาดใจในการสาธิตให้เห็นถึงการเพิ่มความสมจริงของคลื่นเสียงและการรับรู้จากภายนอกเมื่อเราปล่อยให้หูและสมองของเราเองตีความเสียงเองตามธรรมชาติ ความรู้สึกสมจริงเป็นสิ่งที่วัดปริมาณได้ยาก ดังนั้น ในขั้นนี้ เราจึงอาศัยข้อเสนอแนะเชิงคุณภาพจากเพื่อนร่วมงานและผู้ทดลองเล่นเพื่ออธิบายความแตกต่างของคลื่นเสียงระหว่างต้นแบบนี้กับหูฟังแบบแนบหู KOSS Porta Pro ขณะที่อยู่ใน VR ผลปรากฏว่า การตอบสนองต่อลำโพงในเชิงบวกมีนัยสำคัญมากพอจนเรารู้สึกเชื่อมั่นที่จะเดินหน้าต่อไปกับการออกแบบนี้ แต่ก็มีหลายประเด็นที่ต้องพิจารณา:

• การตอบสนองต่อย่านความถี่เบสที่จำกัดมาก
• ความแตกต่างเล็กน้อยในแง่ตำแหน่งลำโพง อันเกิดจากการสวมหมวกกันน็อคในลักษณะที่แตกต่างกัน หรือการเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ใน VR ทำให้ปริมาตร การตอบสนองต่อย่านความถี่ และสมดุลเสียงเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ
• น้ำหนักและขนาด ลำโพงมีน้ำหนักมากเกินไป - (แต่ละเครื่อง 70 กรัม) ซึ่งขัดแย้งกับเป้าหมายที่สำคัญกว่าสำหรับผลิตภัณฑ์ นั่นคือการทำให้เครื่องสวมศีรษะมีน้ำหนักเบาและสวมใส่สบาย นี่อาจจะเป็นข้อกังวลที่สำคัญที่สุดในช่วงต้น
• การรั่วไหลของเสียง

ในการแก้ไขข้อวิตกกังวลเกี่ยวกับน้ำหนัก เราได้ดำเนินการตรวจสอบโดยใช้ไดรเวอร์หูฟังแทนที่ไดรเวอร์ลำโพง แม้มีน้ำหนักเบากว่าและประสิทธิภาพกำลังไฟฟ้าสูงกว่า แต่ไม่สามารถให้ระดับเสียงที่เพียงพอเมื่อถือห่างจากหู ถึงแม้เราทราบอยู่แล้วว่าจะเป็นเช่นนี้ ก็ยังคงน่าสนใจอยู่ดีที่จะรับฟังเกี่ยวกับการถ่วงดุลระหว่างความสมจริงของเสียงกับระยะห่างจากหูกับการตอบสนองต่อย่านความถี่และระดับเสียง

เราต้องการทราบว่าไดรเวอร์หูฟังต้องมีขนาดใหญ่เพียงใดจึงจะเริ่มเข้ากับข้อกำหนดของเราในด้านระดับเสียงและการตอบสนองย่านความถี่ภายในบริบทเกี่ยวกับหูฟังแนบหูของเรา ดังนั้นเราจึงปรึกษาหารือกับ Audeze ซึ่งได้พัฒนาหูฟังแนบหูแบบระนาบแม่เหล็ก เพื่อช่วยให้เราศึกษาหาข้อมูล ผลลัพธ์ฟังดูน่าทึ่ง แต่น้ำหนัก ขนาด และต้นทุน ไม่สอดคล้องกับเป้าหมายในการผลิต Valve Index

เราย้อนกลับไปใช้ไดรเวอร์ลำโพงเป็นพื้นฐานในการออกแบบขั้นต่อไปของเรา ประโยชน์อย่างหนึ่งของการวิจัยและพัฒนาระบบเสียงเบื้องต้นในขั้นนี้คือ สามารถทำงานได้โดยไม่ขึ้นกับส่วนที่เหลือของระบบเครื่องสวมศีรษะ Valve Index เราได้สร้างฟอร์มแฟกเตอร์หูฟังแบบครอบหูที่แยกต่างหากโดยอาศัยความช่วยเหลือจากวิศวกรเครื่องกล ในบริบทใหม่นี้ เราสามารถดำเนินการแบบวนซ้ำในแง่การตอบสนองของเสียงเบส การปรับระดับเสียง ทิศทางที่สัมพันธ์กับหู ระยะห่างจากหู และการประเมินไดรเวอร์ลำโพงทดสอบ A/B ได้อย่างรวดเร็ว ต้นแบบนี้เป็นหูฟังแบบลำโพงแนบหูตัวแรกที่ผลิตขึ้นด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ เราเรียกกันเป็นการภายในว่า “ฮัมมิงเบิร์ด”

ฮัมมิงเบิร์ดที่เต็มไปด้วยสีสันเหล่านี้ถูกสร้างสรรค์ขึ้นโดยมีเป้าหมายในการประเมินไดรเวอร์ลำโพงขนาดเล็กชนิดต่าง ๆ ที่มีย่านความถี่กว้าง เท่าที่ผ่านมา เราได้นำลำโพงและหูฟังสำหรับผู้บริโภคทั่วไปมาปรับให้เข้ากับจุดประสงค์ใหม่ การซื้อและประเมินชิ้นส่วนที่หาซื้อได้ทั่วไปนี้ทำให้เราต้องเริ่มสร้างองค์ประกอบพื้นฐานให้ส่วนย่อยของระบบเสียง เช่น ตัวขยายสัญญาณ ชิปเสียง DSP (การประมวลผลสัญญาณดิจิทัล) และไมโครโฟน ในเวลาเดียวกัน เราก็เข้าใกล้จุดที่จะสามารถกำหนดเป้าหมายการจัดส่งของเรา เพื่อให้มีระยะห่างจากหู การหมุน น้ำหนัก ขนาดของลำโพง และการตอบสนองย่านความถี่ที่เหมาะสมที่สุด

เราได้พบลำโพง BMR (Balance Mode Radiator) ในระหว่างขั้นตอนการประเมินผลไดรเวอร์ และสังเกตเห็นข้อดีมากมายทันที เป็นต้นว่า ความผิดเพี้ยนของเสียงเนื่องจากการวางตำแหน่งผิดมีน้อยลงจนเกือบอยู่ในช่วงเป้าหมายน้ำหนักของเรา มีการตอบสนองต่อย่านความถี่ดีเยี่ยมในช่วงกลางด้านสูง (สำคัญสำหรับการจำลองแบบ binaural) และมีความบางมากกว่าไดรเวอร์ลำโพงแบบเดิมมาก เราได้เริ่มต้นร่วมงานกับ Tectonic เพื่อออกแบบไดรเวอร์พิเศษเพื่อใช้เป็นลำโพงนอกหู

ภายในบริษัทเอง เรารู้สึกกังวลมากขึ้นเกี่ยวกับปริมาณเสียงที่จะรั่วไหลออกจากลำโพงหูไปสู่สิ่งแวดล้อม รวมถึงปริมาณเสียงที่อาจเล็ดลอดเข้ามา ในการตรวจสอบเพื่อให้ทราบว่าจะมีผลกระทบต่อลูกค้ามากน้อยเพียงใด เราได้สร้างฮัมมิงเบิร์ดมากกว่า 20 ชุด เพื่อให้เพื่อนร่วมงานยืมไปทดสอบที่บ้าน ปรากฏว่าไม่มีใครอยากคืนฮัมมิงเบิร์ด (Chet) อันเป็นสัญญาณที่ดี อีกทั้งยังได้รับข้อเสนอแนะที่เป็นคำชมอย่างท่วมท้นจากการทดลองเล่น ผู้ทดลองเล่นให้ความเห็นว่า ลักษณะที่ไม่สัมผัสกับหูและความรู้สึกดื่มด่ำกับเสียงมากขึ้นเป็นข้อดีที่ช่วยชดเชยปัญหาที่เกิดจากเสียงภายนอกเล็ดลอดเข้ามาและ/หรือเสียงภายในรั่วไหลออกไป เราได้ตัดสินใจที่จะเดินหน้าต่อไปกับการออกแบบนี้ แต่นำข้อกังวลเหล่านี้มาประกอบการพิจารณาด้วย

ผลิตภัณฑ์

ขณะนี้เรามีระบบย่อยสำหรับหูฟังที่ใช้งานได้ ซึ่งทดสอบเล่นแล้วให้ผลดี และอยู่ภายในขอบเขตของเป้าหมายที่เราประมาณการไว้ในด้านความเที่ยงตรง ต้นทุน และการออกแบบ เมื่อเราเริ่มต้นนำหูฟังที่ออกแบบขึ้นมาไปผนวกรวมเข้ากับเครื่องสวมศีรษะ Valve Index เราจึงเริ่มเห็นความสำคัญของการวัดประสิทธิภาพในด้านคุณภาพเสียงของระบบย่อยในบริบทของเครื่องสวมศีรษะ การวัดอย่างแม่นยำช่วยให้เราสามารถจับประเด็นการปรับปรุงทีละขั้นอย่างต่อเนื่อง รวมทั้งสามารถระบุปัญหาในระบบย่อยของเราได้ด้วย ในเบื้องต้น เราใช้ “Mr. HATS” ซึ่งเป็นหุ่นจำลองศีรษะที่เราใช้ในการวัดการตอบสนองต่อย่านความถี่สำหรับหูฟังของเรา เทปสีน้ำเงินบนใบหน้าของหุ่นแสดงตำแหน่งที่ HMD ครอบบนหุ่นจำลองได้อย่างแม่นยำ ดังนั้นการวัดในเบื้องต้นยังคงให้ค่าที่เสมอต้นเสมอปลาย

ในการปรับคุณภาพเสียงให้มีระดับสูงสุด เราวัดและปรับการตอบสนองต่อย่านความถี่และการขยายเสียงเบสเป็นประจำทุกวัน แม้ว่า Valve ดำเนินการเพื่อปรับปรุงการขยายเสียงเบสผ่าน DSP โดยใช้การปรับแต่ง EQ และอัลกอริทึมต่าง ๆ เช่น เสียงเบสในทางจิตสวนศาสตร์ (psychoacoustic bass) แต่ Tectonic ก็ดำเนินการเพื่อปรับปรุงเสียงเบสด้วยวิธีทางกลไก โดยการปรับประสิทธิภาพของตัวไดรเวอร์ลำโพง ผลรวมของความพยายามเหล่านี้ได้ช่วยให้เราบรรลุได้เกินเป้าหมายด้านคุณภาพเสียงและการตอบสนองต่อย่านความถี่ของเสียงเบส

การใช้ไดรเวอร์ BMR ช่วยให้เรามีความมั่นใจในคุณภาพเสียงที่สม่ำเสมอและไม่มีความผิดเพี้ยน แม้เมื่อลำโพงวางอยู่ข้างศีรษะในลักษณะที่ผิดตำแหน่งไปเล็กน้อย ทั้งนี้เนื่องจากลักษณะพิเศษที่ BMR แผ่คลื่นเสียง โดยทำหน้าที่เหมือนลำโพงตามปกติทั่วไปที่ย่านความถี่ต่ำ เมื่อสัญญาณไฟฟ้าเข้ามา ไดอะแฟรมทั้งชุด (ส่วนหน้าของลำโพง) จะเคลื่อนที่ไปมาตามรอยรูปร่างของสัญญาณ แต่ความมหัศจรรย์ที่แท้จริงจะเกิดขึ้นที่ย่านความถี่สูงขึ้น เมื่อเสียงมีความยาวคลื่นใกล้เคียงกับขนาดของไดอะแฟรม (>3kHz) ไดรเวอร์แบบดั้งเดิมจะเริ่มเข้าสู่โหมด 'แตกแยก' ซึ่งเป็นเหตุให้ไดอะแฟรมโค้งงอและกระเพื่อม อันก่อให้เกิดการตอบสนองต่อย่านความถี่ด้วยจุดสูงสุดและจุดต่ำสุดที่ชัดเจน ซึ่งนอกไปจากเสียงที่มีคุณภาพต่ำแล้ว ยังขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่ตั้งเป็นอย่างยิ่งอีกด้วย BMR ออกแบบไดอะแฟรมด้วยความพิถีพิถันในการเลือกใช้วัตถุดิบ การโหลดมวลอากาศ และการจำลองการออกแบบอย่างละเอียด โดยพื้นฐานแล้ว ทั้งหมดนี้เพื่อให้แน่ใจว่าหูของคุณจะได้รับข้อมูลเสียงครบถ้วนเสมอ - แม้ว่าจะไม่อยู่ในแนวเดียวกันกับลำโพง BMR อย่างสมบูรณ์แบบก็ตาม

นอกจากนี้ Tectonic ยังสามารถลดการรั่วไหลของเสียงให้น้อยที่สุดด้วยวิธีทางกลได้อีกด้วย เนื่องจากชุดไดรเวอร์ของลำโพง Valve Index เปิดออกด้านหลัง ความดันจากด้านหน้าจึงสามารถมีปฏิสัมพันธ์กับความดันจากด้านหลังได้ และโดยนิยามแล้ว ความดันเหล่านี้อยู่ในลักษณะที่ไม่สอดคล้องหรือเหลื่อมกัน แต่ชุดไดรเวอร์เองทำให้มี “การกั้นด้วยตัวเอง” ในระดับหนึ่งโดยอาศัยเส้นผ่านศูนย์กลางทั้งหมดของไดรเวอร์เอง โดยพื้นฐานของชุดไดรเวอร์ลำโพงใด ๆ แล้ว เส้นผ่านศูนย์กลางด้านนอกช่วยป้องกันความดันจากด้านหน้าไม่ให้ปะทะกับความดันจากด้านหลัง แม้ว่าลักษณะนี้ช่วยเฉพาะในกรณีที่ความยาวคลื่นของคลื่นเสียงในอากาศมีค่าน้อยกว่าการกั้นด้วยตัวเองของเส้นผ่านศูนย์กลางชุดไดรเวอร์ เมื่อความยาวคลื่นมีค่ามากกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางชุดไดรเวอร์ ความดันจากด้านหน้าจะปะทะกับความดันจากด้านหลังโดยตรง และเกิดการหักล้างกันอย่างแรง เส้นผ่านศูนย์กลางโดยรวมของชุดไดรเวอร์คือประมาณ 5 ซม. ซึ่งหมายความว่าจะไม่มีการหักล้างกันที่ความถี่เหนือกว่าประมาณ 3kHz แต่เท่าที่เราทราบ เนื้อหาเสียงเหนือความถี่นี้มีน้อยลงเรื่อย ๆ เนื้อหาเสียงส่วนใหญ่อยู่ที่ต่ำกว่า 3kHz และนี่คือจุดที่มีการหักล้างกันอย่างแรง ซึ่งช่วยป้องกันมิให้เสียงรบกวนผู้คนรอบข้าง คุณ Tim Whitwell ซีทีโอของ Tectonic กล่าวว่า “ผู้ฟังที่สวมเครื่องสวมศีรษะใกล้ชุดไดรเวอร์ (ระยะใกล้) มากจนกระทั่งไม่รับรู้ว่ามีการหักล้างกัน เพราะความดันจากด้านหน้าอยู่ในระยะสัมพัทธ์ที่ใกล้กับหูมากกว่าความดันจากด้านหลังมาก”

ไมโครโฟน

เป้าหมายของเราที่จะมีไมโครโฟนคุณภาพสูงบนเครื่องสวมศีรษะเพื่อรองรับนักสตรีมและประสบการณ์การเล่นแบบผู้เล่นหลายคนเป็นสิ่งที่กำหนดได้ง่าย เนื่องจากการออกแบบหูฟังแบบนอกหู เราจึงคาดหวังว่าประสิทธิภาพของไมโครโฟนจะเป็นปัญหาท้าทายที่แก้ได้ยาก แต่เราต้องประหลาดใจเพราะกลับกลายเป็นว่าไม่เป็นไปอย่างที่คาดไว้ ทั้งนี้เพราะหูฟังมีคุณสมบัติพิเศษหลายข้อ เราจึงสามารถหลีกหลี่ยงการใช้ DSP จำนวนมากเพื่อตัดเสียงรบกวนกับสัญญาณไมโครโฟน ซึ่งส่งผลให้เราสามารถรักษาอัตราสุ่มสัญญาณเสียงของสตรีมไมโครโฟนไว้ได้สูงมากถึง 48kHz รายการต่อไปนี้เป็นคุณสมบัติเด่นที่ช่วยสร้างอินพุตของไมโครโฟนคุณภาพสูง:

• อาร์เรย์ไมโครโฟนแบบคู่ เพื่อให้มีการตอบสนองแบบมีทิศทางแคบและมุ่งเน้นที่สัญญาณ (ปากของผู้ใช้) และขจัดเสียงรบกวนภายนอกอื่น ๆ อาร์เรย์ไมโครโฟนแบบสองทิศทางมุ่งเน้นที่การจับเสียงจากปากของผู้ใช้และละเว้นเสียงภายนอกอื่นใด
• “การกั้นด้วยตัวเอง” ของไดรเวอร์ BMR ช่วยลดมลพิษทางเสียงภายนอกมากกว่าลำโพงแบบดั้งเดิมมาก
• อะคูสติกส์ของลำโพงและไมโครโฟนได้รับการออกแบบมาเพื่อลดเส้นทางเสียงย้อนกลับแบบไม่เป็นเชิงเส้นจากไมโครโฟน ศีรษะของผู้ฟังเองดูดซับพลังเสียงเบื้องต้นส่วนใหญ่จากลำโพง BMR ไว้
• ไมโครโฟน SNR ประสิทธิภาพสูงและเส้นทางเสียง
• ไมโครโฟนและยางกันเสียงคุณภาพดี
• การบีบอัดสัญญาเสียงขาเข้าแบบพลวัตเพื่อหลีกเลี่ยงการตัดยอดคลื่นของเสียงที่มีความดัง

ข้อคิดปิดท้าย

งานวิจัยนี้ รวมถึงการทำซ้ำและข้อเสนอแนะทั้งหมดทำให้เราเชื่อว่าการออกแบบหูฟังของ Valve Index นั้นมีความสมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่างการชดเชยข้อดีข้อเสียและคุณสมบัติเด่นที่ออกแบบมาเพื่อเล่นเสียงใน VR สำหรับขนาดพื้นที่ในห้องโดยเฉพาะ เท่าที่เป็นไปได้ในปัจจุบัน เรารู้สึกยินดีอย่างยิ่งกับประสบการณ์ด้านเสียงที่เป็นผลลัพธ์ แต่กระนั้นก็ยังมีสิ่งที่ต้องเรียนรู้และสิ่งที่เราสามารถปรับปรุงได้อีกมาก

หากคุณเป็นคนฝักใฝ่ในระบบเสียงและต้องการร่วมงานกับเราเพื่อแก้ไขปัญหาประเภทนี้ กรุณาไปที่ โดเมนที่เกี่ยวข้องกับระบบเสียง หรือส่งอีเมลไปที่ jobs@valvesoftware.com