Valve工程师揭秘:Index头显的耳机到底有何不同

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今年备受瞩目的VR头显,除了Oculus Quest VR一体机外,还不得不提到Valve自家出品的高端PC VR:Index。Index采用和HTC Vive Pro相同的Steam VR 2.0激光定位系统,不仅头显支持高达1600x1400分辨率、144Hz的画质,其手柄所配备的五指追踪也十分独特。

Valve Index

此外,Index的人体工学也是由Valve精心设计的,比如耳机部分,采用和Vive Pro、三星奥德赛+相似的悬空式耳机设计,这样的好处是长时间佩戴不会给人耳造成压力,而且也可以让你在激烈游戏的时候也能听到周围的声音。同时,Index的耳机部分也兼顾足够优秀的3D音频体验,并不会因为不够封闭而影响声音的沉浸感。

那么Valve是怎么让不采用包耳式耳机的情况下兼顾立体音质的呢?近期,其在官网发布了一遍博客详细向大家解释了整个设计的灵感来源,还对比了与传统耳机、音响等音频设备相比,Index的耳机有哪些优势,接下来就跟青亭网来看一看。

Valve在博客中写到,为了达到最佳的声音沉浸感,他们在耳机的位置、耳机驱动器重量、驱动器膜片的形状、耳机外壳的工业设计、甚至对频率产生反应的基础特性上都需要做出权衡。同时,逼真的3D音频对软件和硬件都有要求,因此需要考虑到整体的VR音频流程,包括从VR声音内容的创作,到游戏引擎输出音频的方式,再到声音到达人耳的方式。

关于软件优化

软件部分,在现有一代VR技术推动下,空间音频技术较90年代刚兴起的时候已经得到了很大提高,目前有支持双耳渲染和基于物理的声音模拟插件SteamAudio,它的特点是可以让开发者制作空间定位、物理交互更加准确的虚拟混响、声音遮挡和声传播,而且对硬件依赖性不强,只需要普通立体声耳机效果就足够好。

而为了从软件部分达到立体音频的最佳化,Valve总结了一些用音频软件模拟声音需要注意的几点:

  • 1,VR中的音频以立体音频为主,包括一左一右两个音频通道,每个通道可根据用户实时的头部方向,对双耳和HRTF音调进行色彩化;
  • 2,人的外耳、头部外形和面部轮廓可帮助大脑识别真实和虚拟的声音,以及声源与人的相对位置(背后、头顶、脚下、左、右等);
  • 3,中高频声音的逼真感非常重要;首先,双耳音频的模拟依赖音调色彩画的细微变化(1kH-8kHz)来表达声源与用户的相对位置,如果耳机本身发出低沉的频率,容易影响用户对声音的定位;其二,通常人类对于2kHz-5kHz频率范围的声音非常敏感,如果虚拟声音无法与真实声音的频率匹配,那就很容易降低逼真感(比如透过扬声器听到的声音和周围人声音的区别);
  • 4,低频声音的逼真感也足够重要。尽管大自然中的低频声音并不太常见,但它是VR等娱乐内容(音乐、隆隆声、爆炸、炮火、心跳、撞击、念魔咒等场景)中常出现的元素;此外低音是表现大小和规模的关键因素,它的作用包括增强VR的视觉沉浸感,并引出危险、敬畏、孤立等情绪线索,总之耳机对低音的响应是必要的。

关于硬件选取

为了找到最适合VR的耳机,Valve对比了多种不同的硬件。比如传统的包耳式和入耳式耳机,它们的特点是可为用户提供直接入耳的立体空间音频,不管在VR中看哪个方向,3D游戏引擎中的声音模拟插件都将输出相应的空间音频信号,以此来表现虚拟声源的准确位置。这也就是为什么,一些电竞选手采用能提供空间音频信息的耳机而不是前置扬声器。

不过通常来讲,传统音频设备的主要设计核心并不在于声音的沉浸感,尤其是耳机,主要是为了不适合扬声器的场景而诞生,其重点主要是省电、隔音、降噪等等。但在Valve看来,传统耳机的许多特点似乎对于大空间VR来讲似乎不太适用,因为大空间VR可允许音频在一定范围内传播,对隔音的需求不大,而且PC VR并不需要担心省电的问题,也可以支持耳机的高频响应。

另一方面,Valve认为耳机的人体工学反而容易破坏音频的沉浸感,原因如下:

  • 1,耳机会绕过人耳和大脑与真实声波交互所形成的自然自然聆听过程,直接将声音传递到耳道中。结果,由于你没能听到声音在耳朵、头部等结构通过所产生的独特轨迹,可能会觉得声音听起来不够逼真(即使是空间和物理模拟的音频),仿佛声音来自于脑内;
  • 2,由于需要与耳朵接触,长时间佩戴后耳机容易让人产生疼痛和不适感,破坏VR的沉浸感;甚至有的体验者称,耳机在碰到耳朵的一瞬间就暗示了,它所发出的声音都是虚拟的;
  • 3,包耳式耳机保温性好,因此让VR头显的整体热量感觉更高,也容易破坏沉浸感;
  • 4,一些耳机的音质可能会影响双耳空间音频模拟的频率色彩化,从而破坏声音定向的准确性。

当然,除了耳机,Valve也对比了在VR中使用音箱/扩音器的优缺点,优点方面,包括:不需要考虑人体工学,外置声源听起来更逼真等。而缺点方面,则有许多:

  • 1,现有的立体音箱主要以前置的方向来传递声音,适用于观看MV、电影等场景位置几乎不变的内容,但是对于会根据用户位置移动而改变的动态VR环境来讲,扩音器便难以达到实时的立体感;
  • 2,常见的5.1和7.1声道环绕立体声仅限于声音在水平方向的回放,这难以达到VR对于逼真空间音频的要求;
  • 3,扩音器阵列设置起来比耳机更加麻烦;
  • 4,将用户限制在空间较小的最佳体验区,不太适合大空间VR;
  • 5,可能会受到房间内声音的影响,破坏虚拟音频的逼真感;
  • 6,而且扩音器的声音可能会听起来是从远处传来,可能无法与近处虚拟声源的位置相匹配。

在权衡传统耳机、立体音箱的优缺点后,Valve工程师想出了一种可能最适合VR的设计,即:一副靠近却不接触耳朵的耳机,就像是将两个高保真扬声器分别放在左右耳两边。它的特点是能在距离耳朵非常近的距离模拟逼真的空间音频,同时也不免去声波在耳朵、头部的传播(逼真感更强),而且也兼顾了舒适的人体工学。

关于迭代过程

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首款耳机原型

Valve所开发的最初版VR音响/耳机装置,其实就是将两个全音域PC外置扬声器粘到了滑板头盔上,然后电源线和音频输出线与HTC Vive VR头显相连。据Valve称,该原型版成功展示了这种耳机设计对音频沉浸感的提高,并且在与Koss Porta Pro耳机在VR中的效果对比后,体验者中有很多人更倾向于Valve的近耳音响设计。

不过在调查实验中,也发现了一些问题:

  • 1,低音频部分的响应有限;
  • 2,因为头盔佩戴方式的不同,或者在VR中移动会造成耳机位移,从而大幅影响音量、频率响应和声音平衡;
  • 3,扬声器的体积较重(每个约70g),影响头显舒适性;
  • 4,容易泄露声音。

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为了解决这4个问题,Valve对其VR音响/耳机装置做出了多次改变。比如在重量问题上,Valve曾将扬声器驱动器改成耳机驱动器,以此来降低整体重量和省电,但这样做就不得不牺牲音量,VR音频的沉浸感也就难以保持。另一方面,在向专家了解后,Valve发现如果采用耳机驱动器,将难以兼顾目标音质、硬件重量、体积和成本,因此又改回了扬声器驱动器。

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于是,Valve开发了一款独立于Index VR头显的VR扬声器原型(被内部称为:蜂鸟),并在此基础上来迭代低音频响应问题,调节声音、面对耳朵的方位、与耳朵的距离,以及测试不同种类的全音域扬声器驱动器。据Valve称,为了迭代这样一款扬声器,几乎改造了市面上所有的C端扬声器和耳机,同时也离找到耳机与耳朵之间的最佳距离、方向、耳机的重量、尺寸和频率响应的目标越来越近。

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首个蜂鸟原型

同时,为了解真实环境中的声音与VR音频之间的互相作用对VR内容的影响,Valve向20多个人分别发放了一副蜂鸟耳机用于体验测试,发现大家喜欢耳机不碰到耳朵的设计,而且还发现提高声音沉浸感有助于弥补外部声音干扰或者耳机声音泄露的问题。

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蜂鸟原型

后来,Valve工程师发现了一种平衡模式发声(BMR)扬声器,发现它在扬声器位置不对时可降低频率色彩化,在高中音频范围内具备优秀的频率响应,而且重量也几乎在目标范围内,厚度比传统扬声器驱动器薄很多。于是便开始与Tectonic合作,定制了一款用蜂鸟耳机的BMR扬声器驱动器。

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搭载BMR驱动器的蜂鸟耳机

最终成果

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在找到了符合音质、成本和设计目标的VR扬声器设计后,Valve便开始研究耳机与Index头显的集成与同步。同时,为了尽可能提高其声音质量,Valve曾致力于优化扬声器的低频延伸,而Tectonic则负责优化扬声器驱动器,包括从机械上尽可能减少扬声器声音的泄露。

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此外,BMR驱动器本身的特性也确保了稳定的音质,因为声音在BMR驱动器上是以辐射的形式传播。在低频率的时候,BMR的作用类似于传统扬声器,传入电信号的时候,驱动器的整个膜片会根据信号的形状来前后移动。而在高频率的时候,比如当声波的波长与驱动器膜片尺寸相似(>3kHz)时,BMR驱动器的质量负载比传统扬声器驱动器更高,因此膜片不容易变形,可确保向人耳持续输出完整的声音信息,即使在耳机错位的情况下。

总之,Valve认为Index VR耳机在经过多次设计的权衡后,已经达到了一种最佳平衡,音质足以适用于目前的大空间VR场景。本文系青亭网翻译自:Valve

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