Как сделать эффект колонок

Объемный звук: 5 основных советов по объемному звучанию

Объемный звук домашнего кинотеатра — в этой статье мы предложи вам несколько советов по настройке систем объемного звучания. Хорошее впечатление от фильма — это не только большой экран, но и большой звук. Отличное звучание заставляет вас чувствовать себя так, как будто вы находитесь в кадре фильма.

Объемный звук в акустических системах домашнего кинотеатра

В кинотеатре, просматривая какой либо фильм, вы чувствуете реалистичность происходящего на экране — будь то пролетающие над вами пули, автомобильные аварии или шепот в напряженной сцене, которая вовлекает вас в драму.

Чтобы получить у себя дома такое захватывающее звучание, вам нужна система воспроизводящая объемный звук. Существует множество вариантов, позволяющих перенести объемное звучание из фильмов в дом — от относительно недорогих звуковых панелей до полноценных систем с двенадцатью динамиками с высококлассными AV-процессорами и усилителями.

Объемный звук в кинотеатре и дома

Кинематографическое впечатление от большого экрана является интуитивным и живым, которое втягивает нас в фантастический мир кино и окружает нас высококачественным звуком, буквально летящим на нас со всех сторон.

Вы также можете перенести такое ощущение к себе домой, используя для этого музыкальный центр и систему объемного звучания. С помощью такого оборудования вы можете создать свой собственный домашний кинотеатр для любой комнаты с любым пространством.

Смысл такого проекта состоит в том, чтобы использовать несколько колонок для имитации трехмерного звука. Чтобы создать идеальную среду объемного звука в доме, вам не обязательно иметь столько динамиков, сколько в кинотеатре. При наличии у вас всей необходимой аудио аппаратуры, все, что вам нужно будет сделать — это правильно установить технику в вашей комнате.

Несколько основных моментов, прежде чем мы начнем: когда вы ищете новую систему объемного звучания для своего дома, вы должны знать, что каждая из них имеет числовые конфигурации: 5.1, 7.1, 9.1 и 11.1. Первое число соответствует количеству динамиков, а второе относится к количеству сабвуферов или низкочастотного компонента, отвечающей за звук при басовых атаках любой музыкальной композиции.

Система объемного звучания 5.1 (наиболее распространенная) обычно состоит из канального динамика, правого и левого динамических излучателей, тыловых колонок (размещайте их по внешнему периметру вашей комнаты или позади вас) и сабвуфер. В совокупности эти компоненты создают идеальное окружающее звучание. Но это не единственный вариант. Предположим, вы хотите расширить свое домашнее музыкальное представление, чтобы получить больше ярких впечатлений. Вот несколько дополнительных советов по настройке вашей новой системы!

5 советов по максимально эффективному использованию домашнего кинотеатра

1. Не устанавливайте сабвуфер сбоку

Басы — важная часть звукового спектра, и следует всегда помнить об этом. Ценители хорошего звука рекомендует «не относиться к своему сабвуферу, как к непослушному 4-летнему ребенку, и не ставить его в угол». Часто мы испытываем искушение держать сабвуфер в укромном месте, чтобы нейтрализовать часть глубоких басов, или чтобы не всегда был на виду. Но так быть не должно. Не нужно скрывать эпицентр звуковой системы вашего дома.

Цель здесь такая — воссоздать подобие кинематографического варианта, поэтому вытащите сабвуфер из укрытия и поэкспериментируйте с разными местами установки. Располагать саб желательно немного смещенным от центра, то-есть от того места, где вы, скорее всего, будете сидеть, чтобы звук доходил до вас и ваших гостей. Чтобы избежать дребезжания, которое может нарушить качество звука вашей системы, убедитесь, что сабвуфер не касается ничего, кроме пола.

2. Расположите центральный громкоговоритель выше

Центральные колонки идут по центру — просто! Специалисты по объемному звуку рекомендует разместить динамический излучатель центрального канала над телевизором по центру в горизонтальной плоскости, в чем мы вполне согласны! Кроме этого важно, чтобы вы почувствовали, что диалог идет прямо с экрана, или из какого-то внешнего источника расположенного, где-то в другом месте комнаты.

И если возможно, то лучше сделать это путем размещения источника над экраном. В этом случае подошли бы несколько вариантов — настенное крепление, резиновые ножки для поворота или подставка. Если это невозможно сделать, держите центральный канал как можно ближе к телевизору.

3. Объемный звук: Помните … размер имеет значение

Слушайте, что бы ни говорили, размер имеет значение. По утверждению инженеров для большинства людей, у которых есть «гостиная или кабинет среднего размера, то есть большой смысл установки в таком помещении полочных громкоговорителей от 12 до 15 дюймов».

Если вы заранее не спроектировали комнату для домашнего кинотеатра или в настоящее время создаете помещение для развлечений в гораздо большей комнате или многоцелевом пространстве. Тогда вы можете попробовать динамические излучатели на 38 дюймов или больше. Идея заключается здесь в том, чтобы создать захватывающую звуковую картину, поэтому будьте осторожны, чтобы не зайти слишком далеко и в конечном итоге не утонуть… в звуке.

4. Чем больше комната, тем больше система

Несмотря на то, что система 5.1 великолепна, она не обязательно лучше всего подходит для комнаты, в которой вы в настоящее время пользуетесь домашним музыкальным центром. Иногда нам действительно просто нужно обновить оборудование или изменить количество динамиков, которые вы сейчас используете. Если ваша комната является достаточно обширным пространством или вы решили модернизировать свой нынешний домашний кинотеатр, то система 7.1 или 9.1 может быть вашим лучшим выбором.

5. Калибровка — ключ к успеху

И в заключение о достижении оптимального звучания системы объемного звучания домашнего кинотеатра: вам необходимо правильно откалибровать выходные уровни акустической системы. Этот единственный шаг, который может радикально улучшить качество объемного звука всего вашего домашнего музыкального процесса.

Поскольку он способен выявить тонкие последовательности и нюансы в более крупных сегментах ваших любимых боевиков или фильмов ужасов. Многие из сегодняшних систем имеют встроенные функции автоматической калибровки, которые помогут менее технически подкованным людям!

Источник

Секреты создания 8D-музыки: как сделать так, чтобы звук в песне перемещался из
одного уха в другое

В последнее время аудиодорожки 8D набирают большую популярность в YouTube и постепенно вытесняет трёхмерное звучание. Прослушивание такой музыки создает ощущение присутствия в другом измерении, словно вы находитесь на реальном концерте. В этой статье мы постараемся объяснить, как сделать 8D музыку, чем она отличается от 3д и в чем причины ее популярности.

Что такое аудио в формате 8D?

Как работает 8d музыка, что это такое и как создается ощущение реалистичности объема? Это аудио, при прослушивании которого возникает впечатление, что источник звука исходит с разных сторон и расстояний. Это создает эффект присутствия музыки, словно на живом концерте или фестивале. Однако иллюзия звука 360 градусов доступна только при прослушивании музыки в наушниках.

Существует ли такая вещь, как звучание, имеющее восемь измерений? 8Д – просто термин, обозначающий наложение звука на другой звук, при котором сигнал поступает с основных направлений (сверху и снизу, слева и справа) и их четырех комбинаций. По сути, это бинауральный эффект (прослушивание двух тонов немного разной частоты, по одному в каждом ухе), наложенный на стереозвук. Дополнительно некоторые звукорежиссеры добавляют задержку сигнала в 5-30 миллисекунд. Эта комбинация заставляет мозг думать, что звук исходит из разных углов помещения.

Как работает звук 8D?

Как уже было упомянуто, 8D базируется на бинауральном ритме – ощущении, при котором вы слышите в каждом ухе тоны с разными частотами. Чтобы мозг мог обнаружить бинауральные биения и отреагировать на них, частоты должны быть ниже 1000 герц. Например, если левое ухо регистрирует тон с частотой 200 Гц, а правое ухо слышит 210 ​​Гц, бинауральные биения составляют 10 Гц.

Профессиональный процесс создания таких треков схож с тем, если бы вам нужно было сделать 3D звук. Аудио в формате 8д создается путем комбинирования эквалайзера, панорамирования и аудиоэффектов. В эквалайзере изменяется баланс разных частот, панорамирование распределяет звук по различным аудиоканалам.

Если профессиональное создание аудиоэффектов своими руками вас пугает, быстро добиться нужного результата можно в продвинутом аудиоредакторе. В данном случае мы рассмотрим, как сделать звук объемным в программе АудиоМАСТЕР. В нее уже встроен инструмент создания эффекта вращения, который поможет добиться результата за несколько кликов.

Создаем эффект 8D в аудиоредакторе

Сначала потребуется установить АудиоМАСТЕР, после чего можно приступать к созданию трека в формате 360 градусов. Сделать это можно за несколько простых шагов.

Шаг 1. Добавьте аудиофайл

Запустите АудиоМАСТЕР и загрузите готовую аудиодорожку. Если вы хотите обработать звук из клипа, воспользуйтесь функцией «Извлечь звук из видео». Также можно вытянуть дорожки с музыкального диска.

Импортируйте аудиофайл для обработки

Шаг 2. Обработайте трек

Пространственная обработка звука в программе АудиоМАСТЕР запускается при помощи функции «Добавить вращение каналов». Она находится в левой колонке с основными инструментами. Настройка предельно проста: в окошке нужно установить длительность оборота и выбрать вращение по часовой стрелке или против.

Окно настроек вращения звука в программе АудиоМАСТЕР

К примеру, установив длительность оборота 5 секунд, вы получите движение аудио каналов, при котором песня перемещается из одного уха в другое в течение указанного времени. Если при этом настроить направление против часовой стрелки, звук поступит в левое ухо и переместится в правое. Обратите внимание, как меняется график обработанной дорожки: он разбивается на звуковые «вспышки» с равным промежутком затухания.

Пример музыкального графика 8D дорожки с вращением 5 против часовой стрелки

Если вы хотите добиться более выраженного эффекта, стоит устанавливать длительность вращения на более длинный период. К примеру, при установке вращения периодичностью 30 секунд перемещение становится более заметным и «растянутым». Играя таким образом с настройками времени, вы сможете сделать стерео эффект звука за спиной на определенном участке песни.

Песня в формате звучания 8D с установками 30 сек по часовой стрелке

В программе можно преобразовывать отдельные участки песни, к примеру, запустить припев по часовой стрелке с 30 секундами, а для куплетов настроить другое значение. Для этого просто выделите отдельный участок при помощи курсора и снова запустите инструмент «Добавить вращение каналов». Также вы можете отдельно изменять громкость на выбранных областях песни, добиваясь ощущения, что музыка вращается вокруг слушателя.

Выделите отдельный участок дорожки, если не хотите изменять всю песню

Шаг 3. Сохраните результат

Готово! Вы преобразовали обычную песню в музыку 8D. Осталось сохранить трек на компьютер. Раскройте пункт меню «Файл» и нажмите строчку «Сохранить как». Аудиоредактор позволяет экспортировать музыкальные дорожки в популярные форматы аудио: WAV, WMA, MP3, OGG, AC3, AAC и даже создать рингтон для айфона. Если вы не уверены в выборе, к каждому варианту есть доступное описание.

Варианты экспорта звукового файла

Заключение

Как видите, сделать пространственный звук в Windows 10 и версиях младше достаточно просто, если правильно подобрать программное обеспечение. В этом вам поможет АудиоМАСТЕР – русскоязычная программа для редактирования аудио, которая позволяет добиться нужного эффекта простыми настройками. Устанавливать аудиоредактор можно на любую сборку Windows, начиная с версии XP, так что вам не нужно современное оборудование, чтобы добиться желаемого результата. Если вы хотите попробовать силы в аудиомонтаже, скачать программу и опробовать ее функционал можно полностью бесплатно.

Источник

Делаем звук в наушниках объёмным. Цифровая обработка сигналов для домашнего применения

Если вы когда-нибудь прослушивали музыку через наушники и через колонки, то наверняка обращали внимание, что звучит она по-разному. В наушниках часто возникает ощущение, что источник звука находится где-то внутри головы. Бывают и другие негативные эффекты: некоторые старые записи сделаны так, что, например, гитара полностью смикширована в левый канал, а ударные — в правый. На колонках это звучит нормально — как будто гитарист стоит примерно там где один из громкоговорителей, но в наушниках — это весьма неприятно, потому что неестественно: в природе не бывает такого, чтобы звук слышало только одно ухо.

Скажу больше: подавляющее большинство коммерческих аудиозаписей рассчитаны именно на прослушивание через колонки. То есть звукорежиссёр при подготовке записи делает всё, чтобы она правильно (в соответствии с задумками автора) звучала в студийных мониторах, а как оно будет в наушниках — с большой вероятностью даже не проверит.

Казалось бы, если нравится — всегда можно слушать через колонки. Но увы, бывают ограничения: хочется послушать музыку в офисе, в транспорте, да или просто поздно вечером, когда дети/родители/соседи уже давно спят. Кроме того, стоимость качественных акустических систем в разы превышает стоимость качественных наушников. А есть ещё может понадобиться отдельный усилитель, акустическая обработка комнаты и т. д. Иногда колонки просто негде разместить в квартире. С наушниками всё проще.

Что делать?

Одну минуточку! Но ведь когда мы слушаем музыку через колонки (или вообще сидим в концертном зале), каждого уха достигает совершенно определённый акустический сигнал. Значит если записать этот сигнал с помощью маленького микрофона, расположенного внутри каждой ушной раковины, и потом воспроизвести через хорошие наушники, то мы получим то же самое ощущение присутствия в зале. Разве что за исключением низкочастотных сигналов, ощущаемых грудной клеткой. Впрочем, это слишком сложная процедура, хотя такие записи (их называют бинауральными) иногда делают, и даже продают.

А что если воспроизвести через колонки какой-то тестовый сигнал, записать его этими самыми крошечными микрофонами в ушах, определить, как сигнал преобразовался, и потом аналогичным образом преобразовывать любимую музыку перед проигрыванием через наушники?

HRTF и HRIR

Представьте себе, что у вас есть только одна колонка, и она стоит, допустим, справа от вашего монитора. Подадим на неё короткий импульс. Излучаемый акустический сигнал обозначим как x(t). Тогда Вашего правого уха соответствующая акустическая волна достигнет чуть раньше, чем левого. Кроме того, от левого уха колонку будет заслонять ваша голова, в результате туда попадёт чуть более «глухой» и более тихий звук. На самом деле, до правого уха этот звук тоже не дойдёт неизменным: помимо прямого сигнала, будет ещё сигнал, отражённый от виска, от ушной раковины и т. д. Об отражениях от монитора, стола, стен, потолка, пола и мебели говорить пока не будем, представим себе, что их нет. Обозначим сигнал, принятый левым ухом, как X_L(t), а правым ухом — X_R(t). Эти сигналы можно представить как исходный сигнал, преобразованный двумя разными функциями: X_L(t)=F_L(x(t)) и X_R(t)=F_R(x(t)).

Подобные преобразования, вносимые в акустический сигнал можно описывать по-разному — можно нарисовать амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики, можно расписать передаточную функцию в виде многочленов, а можно задать импульсную характеристику и описать это преобразование как операцию свёртки (обозначим её символом *), тогда:

где h_L(t) и h_R(t) — импульсная характеристика фильтров соответственно для левого и правого уха.

Но как узнать вид этих передаточных функции или импульсных характеристик? К счастью, это уже было сделано (и не один раз). Например, в 2003-м году в институте IRCAM (Франция) были обследованы несколько десятков человек. Каждого из них сажали на стул в специальной акустической безэховой камере, устанавливали в уши крошечные микрофоны, а дальше воспроизводили тестовые сигналы с помощью небольшого, но сравнительно качественного студийного монитора, закреплённого на специальном сервоприводе так, чтобы можно было перемещать его в двух плоскостях, сохраняя неизменным расстояние до слушателя. Таким образом звук приходил к голове испытуемого под разными углами. Записанные сигналы обрабатывались, производилась коррекция для исключения неидеальности характеристик микрофонов и акустической системы. В результате для каждого человека было получено почти по две сотни импульсных характеристик. Их называют Head-Related Impulse Response — импульсная характеристика относительно головы. В литературе чаще встречается термин HRTF , это почти то же самое.

Казалось бы, задача решена. Ищем в базе данных IRCAM импульсную характеристику, снятую на уровне глаз с азимута, скажем, 30 градусов, всю прослушиваемую музыку пропускаем через соответствующий FIR-фильтр и подаём на хорошие наушники с плоской АЧХ . К сожалению, всё несколько сложнее…

Реальные наушники

В мире есть пара десятков крупных брендов, предлагающих качественные головные телефоны — Sennheiser, AKG, Beyerdynamic, Sony и т. д. Многие из них занимаются этим бизнесом не один десяток лет и придерживаются определённых традиций. Одна из них — фонограмма должна звучать в наушниках аналогично колонкам: никакие частоты не должны «выпячиваться» или «проваливаться» по сравнению с прослушиванием аналогичной фонограммы на качественных акустических системах с плоской АЧХ. Проблема в том, что для этого приходится делать наушники с кривой АЧХ. Например, часто в качестве оптимальной АЧХ наушников принимают одну из семейства кривых «Harman Target Curves». Таким образом, фактически, производители наушников уже давно и достаточно успешно рещают задачу имитации «прямой» импульсной характеристики, то есть звук из правой колонки воспринимается также, как звук из правого наушника. «Обратный» звук — такой, который попадает из правой колонки в левое ухо, в обычных наушниках отсутствует. Именно его нам и нужно сформировать, обладая знанием об HRTF.

На самом деле, помимо имитации «прямой» HRTF осуществляется ещё и некая стандартная эквализация, но об этом поговорим как-нибудь в другой раз.

Немного рассуждений

Если вы прониклись концепцией, но зеваете при виде формул — можете пропустить этот раздел.

Итак, у нас есть комплект импульсных характеристик: h_R(t) и h_L(t). Мы предполагаем, что «прямая» HRTF (то есть h_R(t) в нашем примере) имитируется за счёт конструкции головных телефонов, иначе говоря, наушники производят преобразование вида F_R(), то есть делают свёртку сигнала с h_R(t). Теперь нам нужно придумать фильтр, который сделает так, чтобы в левое ухо попал сигнал X_L(t) — как если бы мы слушали колонки. Обозначим импульсную характеристику этого фильтр как h_corr(t). Должно выполняться равенство: h_corr(t)*h_R(t)*x(t)=h_L(t)*x(t). Здесь появляется свёртка с h_R(t), так как левый наушник имеет точно такую же конструкцию как правый и преобразует сигнал точно также. Сократим лишнее (со свёрткой так можно): h_corr(t)*h_R(t)=h_L(t).

У меня в институте не было курса по цифровой обработке сигналов, но о преобразовании Фурье нам, конечно, рассказывали в рамках курса мат. анализа. Поэтому я помню, что преобразование Фурье — это фактически переход из временной области в частотную, а свёртка во временной области эквивалентна умножению в частотной области. Обозначим преобразование Фурье как fft(). Тогда:
fft(h_corr(t)) ⋅ fft(h_R(t)) = fft(h_L(t))
(символом ⋅ обозначаем поэлементное умножение).
Тут здорово то, что в частотной области не возбраняется не только поэлементное умножение, но и деление:
fft(h_corr(t)) = fft(h_L(t)) / fft(h_R(t)).

Дальше остаётся перейти снова во временную область (выполнить обратное преобразование Фурье), и мы получаем импульсную характеристику необходимого нам фильтра!

Если углубиться в теорию, то выяснится, что такой фокус — перейти в частотную область, поделить и перейти обратно во временную область — не всегда возможен. Забегая вперёд скажу: в данном случае возможен.

Для полноты картины нужно отметить, что в итоге нужно к сигналу, подаваемому в левый наушник прибавить сигнал правого канала, пропущенный через найденный нами фильтр, а к сигналу, подаваемому в правый наушник прибавить сигнал левого канала, также пропущенный через этот фильтр.

Я считаю, что нахождение фильтра, определяющего именно разность между сигналами для каждого из ушей концептуально более правильно, чем раздельное преобразование сигналов для правого и левого уха. Ведь мозг ничего не знает об истинном характере звука в пространстве. Он воспринимает только сигналы от обоих ушей, и по разнице между этими сигналами пытается определить направление на источник звука.

Второй важный момент: для локализации звука (то есть определения направления) не имеет особого значения АЧХ самих наушников (как и их «target curve») — она сократилась в наших уравнениях. Однако, необходимо, чтобы левый и правый наушники были максимально похожи. Поэтому, никто не мешает до или после данного фильтра использовать обычную эквализацию, чтобы получить именно такой спектр звука, какой нам хочется. Заодно можно компенсировать недостатки АЧХ наушников и/или недостатки записи.

О существующих решениях

Я не претендую на полный обзор, но кое-что перечислить всё-таки нужно. Во-первых есть много плагинов для разных программных аудио-плееров и редакторов, осуществляющих так называемый cross-feed. Подавляющее большинство из них — просто подмешивают звук противоположного канала. Иногда слегка его фильтруют и/или добавляют задержку. К сожалению. я не нашёл ни одного плагина такого типа, позволяющего сформировать звуковую картину, аналогичную прослушиванию на хороших колонках, когда можно с закрытыми глазами показать, где «находится» каждый из исполнителей. Возможно, причина в том, что у меня не самая типичная голова — значительно шире среднестатистической (замучился выбирать велосипедный шлем для катания зимой).

Единственный готовый инструмент из тех, что я пробовал, обеспечивший хорошую локализацию в пространстве — Dolby Headphones. Существует плагин-обёртка для известного в узких кругах аудиоплеера foobar2000, позволяющая обрабатывать звук соответствующей библиотекой от Dolby. Но у неё есть два недостатка. Во-первых, она искажает АЧХ. Есть подозрение, что она рассчитана именно на наушники с ровной АЧХ (как в рассуждениях выше). Это можно выправлять эквалайзером, но как-то неаккуратненько. Второй недостаток — сомнительная легальность. Наверное, можно купить программный пакет, в который входит эта библиотека от Dolby, но не знаю, насколько будет правомерно использовать её отдельно. Также есть очевидные сложности с использованием на ОС, отличных от Windows. Можно, конечно, снять импульсные характеристики, и использовать их, но это уже reverse-engineering, что тоже не всегда легально.

Разбираемся в нюансах и кодим

Если хочется наконец попробовать, и лень читать все эти буквы — в конце есть ссылка на GitHub, но лучше всё-таки прочитать, т. к. комментариев в коде немного, а readme.md я пока не написал.

Традиционно подобные фильтры часто делают в Matlab. Я никогда раньше с ним не работал, но решил повозиться с открытым аналогом — GNU Octave. Итак, за дело.

Для начала посмотрим, как выглядят импульсы от IRCAM. Виртуальные колонки у меня будут стоять под углом +-30 градусов — это классическая расстановка, когда колонки и слушатель образуют равносторонний треугольник. Вначале был соблазн взять единственный стерео-файл, в котором записаны сигналы для правого и левого уха, но оказалось, что импульсы правого и левого каналов могут ощутимо различаться (вероятно, вследствие асимметрии головы у большинства людей), поэтому стоит брать один и тот же канал, например, левый и файлы, снятые под разными углами. Я после ряда проб и ошибок выбрал файлы IRC_1006_R_R0195_T030_P000.wav и IRC_1006_R_R0195_T330_P000.wav, но, повторюсь, у меня не самая типичная голова, поэтому Вам с большой вероятностью лучше подойдёт какая-нибудь другая пара импульсов.

Здесь 1006 — идентификатор испытуемого, 0195 — расстояние от громкоговорителя до головы в сантиметрах, 030/330 — азимут (0 — колонка ровно перед слушателем, 90 слева, 180 — сзади, 270 — справа), 000 — нулевой угол над горизонтом. Также на сайте IRCAM доступны xml-файлы с описанием испытуемых — рост, расстояние между ушами, длина волос, размер ушных раковин и т. п. Посмотрим как выглядят эти импульсы.

Direct impulse Opposite impulse

Длина импульсов составляет 8192 сэмпла, при частоте дискретизации 44.1кГц. Получается 186мс, что соответствует длине волны 63м. Очевидно, что длина сильно избыточна, поскольку при такой длине волны (на 2 с лишним порядка больше размера головы!) никакого стереоэффекта нет, и оба уха слышат идентичный сигнал. Поэтому при загрузке файлов их можно сразу обрезать до 1024..4096 семплов. Например так:

Данные ненужного канала тоже выкинем.

Далее проведём наши вычисления на основе быстрого преобразования Фурье:

По-умному это называется deconvolution или system identification (т. к. позволяет определить свойства системы на основе входного и выходного сигналов). Посмотрим, что получается:

FFT deconvolution

Что-то получилось 🙂 Скажу больше, оно в целом даже работает как ожидалось. Однако, отношение сигнал-шум в этом импульсе не радует глаз. Перфекционист внутри меня негодует. Можно провести свёртку, и проверить, что h_corr(t) * h_R(t) = h_L(t).
Посмотрим, как будет выглядеть «сигнал ошибки»:

FFT error

Не скажу, что идеально, ошибка порядка нескольких процентов. Видимо не всё так просто.

Пришлось засесть за Гугл и найти учебники по цифровой обработке сигналов. Оказывается, проблема известна уже чуть ли не пол века: деконволюция через преобразование Фурье даёт большие ошибки. К счастью, более подходящие методы тоже давно известны. Один из классических — метод наименьших квадратов (МНК) с использованием матрицы Тёплица и её инверсией методом Дурбина-Левинсона. Было найдено несколько готовых реализаций для Matlab, из которых получилось сделать то, что хотелось (подробности здесь приводить не буду, если интересно — можно посмотреть на гитхабе).

Сам импульс, полученный с помощью МНК:

LMS deconvolution

И «сигнал ошибки»:

LMS error

Теперь получше, ошибка около одного процента.

Попробуем увеличить масштаб картинки с полученным импульсом:

LMS deconvolution, zoomed-in

Мне кажется, в этом импульсе многовато высокочастотных составляющих. Что ж, попробуем обрезать всё, что выше 20кГц (за пределами диапазона слышимых частот) с помощью ФНЧ :

LMS deconvolution, LPF

Выглядит ещё лучше.
Я слабо верю, что можно услышать разницу с использованием ФНЧ и без. На ресурсоёмкость это тоже не должно влиять. В общем, решение спорное, но я захотел сделать так.

Так, мы совсем забыли о длине… Мы же говорили, что 8192 сэмпла — это безумно большой запас, а сами сделали всего лишь вдвое меньше. Причём значительная часть энергии в импульсном отклике этого фильтра — банальный шум! Думаю, здесь стоит применить так называемую оконную функцию, например, функцию Блэкмана.

Честно говоря, я не стал выяснять, какая оконная функция здесь подходит лучше всего, но функция Блэкмана используется, например, в программе DRC, выполняющей похожую задачу, и я решил поступить также. Надеюсь, автор DRC посвятил этому вопросу больше времени 🙂
Не уверен, будет ли слышно разницу, но перфекционизм.

Сначала определим, где будет центр оконной функции. Для этого возьмём медиану группового времени задержки, которое даёт наш фильтр:

Теперь сформируем собственно оконную функцию и поэлементно умножим на неё наш импульс.

LMS deconvolution, LPF, windowing

Неплохо. Часть лишнего удалось убрать. Думаю, если уменьшить длину импульса ещё в 2..4 раза, то будет совсем красиво. Но тут надо оценивать на слух — я отчётливо слышал разницу в зависимости от длины импульса. Впрочем, это могли быть артефакты фильтрации на лету при прослушивании.

Дальше имеет смысл визуально сравнить полученный импульс после свёртки с исходным (примерно это мы делали при попытке использовать FFT). Я вывел на один график сами импульсы, и их же в частотной области, то есть после преобразования Фурье — отдельно модуль (то есть по сути АЧХ), действительную часть и мнимую часть:

Выглядит годно. Заметные отличия (и то если увеличить :)) — в области самых верхних частот, где мы собственно применили ФНЧ. То есть, похоже, что всё правильно.

Осталось сохранить полученный импульс в два стерео-файла, отличающихся только переменой правого и левого каналов.

Теперь осталось проверить, что собственно получилось. Для этого я использовал уже упоминавшийся аудиоплеер foobar2000 с плагином «Stereo Convolver». Настроен он у меня следующим образом:

Также рекомендую заняться эквализацией — значительных изменений тонального баланса от этого фильтра быть не должно, но тем не менее… Да и вообще, эквализация под свои вкусы никогда не помешает.

Если результат в плане пространственного разрешения фонограмм не понравился — можно попробовать выбрать другой импульс из базы IRCAM и попробовать снова. Либо закрыть эту страницу и заняться чем-нибудь более интересным.

В комментариях был задан вопрос о целесообразности использования для прослушивания свёртки в реальном времени на основе FFT. В теории известно, что вычисление свёртки на основе FFT (с лучае правильной реализации) имеет не худшую точность, чем «прямая» реализация свёртки. Однако позднее была проведена серия экспериментов, которая показала, что именно этот плагин — Stereo Convolver — выполняет свёртку недостаточно точно. Имеют место кореллированные с сигналом ошибки величиной порядка 0.05. По меркам численных методов это много, хотя на слух сильной разницы лично я не уловил. Тем не менее, имеет смысл заняться подбором/разработкой более точного плагина. К слову, вычисление свёртки с помощью FFT в GNU Octave (функция fftconv()) даёт ошибку порядка 10 -17 , то есть на уровне погрешностей округления — как и должно быть в теории.

Заключение

В общем, результаты этого хоббийного исследования меня удовлетворяют. Лучшего пространственного разрешения в наушниках я пока не слышал. Ну и заодно слегка подтянул знания в области цифровой обработки сигналов.

Есть и кое-какие мысли по дальнейшему развитию подхода.

Да, пара иллюстраций позаимствована с Википедии. Вроде бы лицензия это допускает.

Источник