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3D音頻技術歷史介紹
作者:企鵝 來源:驅動之家 加入時間:2004-11-28
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1992年,創新推出第一款雙聲道音效卡——Sound Blaster 16,這是一款擁有16bit采樣和44.1kHz的采樣速率的聲卡。該款產品號稱擁有CD一樣的高質回放表現,聲卡的音質從此獲得了從量變到質變的飛躍發展,聲卡也從此走進了無窮無盡的技術變革道路中。在雙聲道聲卡推出后,PC用戶在很長的一段時間都樂于現狀,不過傲銳(Aureal Semiconductor)公司在1996年公布出A3D技術后,馬上震驚了平靜的PC音頻市場。A3D是一種音頻API(應用程序接口)和PC音頻引擎,是一種基于HRTF(Head Related Transfer Functions)聲音交互工程學模型演變而成的三維音頻技術和引擎。

最早推出的A3D 1.0 規范是一套互動的虛擬3D定位音效技術,它可在一套雙道聲道立體音頻系統中營造出假三維效果。雖然A3D 1.0的算法在現時看來是很簡單,而且還是一種偽3D技術,不過在當時來說,它開創了PC的三維音頻新時代,在PC音頻史上具有劃時代意義。

在A3D 1.0推出后,傲銳公司憑此名聲大噪,并在1998年推出了支持A3D 2.0音效的Aureal AU8830音頻處理器,而帝盟(Diamond)公司在就該年底推出了基于這款芯片的經典MX300聲卡,一款真正支持獨立四聲道輸出的產品。就在此時,有許多游戲公司表示用A3D開發三維游戲的音頻部分,其中最著名的就要數Quake3(雷神之錘3)、Half-Life(半條命)、Unreal(虛幻)等等游戲。但可惜的是,在這張MX300聲卡推出不到一年之后,帝盟與傲銳決裂終止合作,這個導致日后兩公司被收購埋下伏線。

在1999年傲銳公司發生重大變故,先是公司財政出現問題,緊接在該年三月時有大量的技術人員集體辭職,這使用原來前途光明的A3D技術蒙上一層陰影,當時基于SQ3500芯片的Vortex音效卡發展計劃被逼停止,A3D 3.0技術也成為了傲銳公司的絕唱。

A3D 3.0 技術介紹:



SQ3500原本設計的目的是要加強最新版A3D 3.0的功能,這個版本的API正好在公司開始走下坡之前發表問世。A3D 3.0強化了所有A3D 2.0的功能,如音源定位、聲波軌跡(WaveTracing)、回聲處理、封閉空間音效等等,此外它還加入了幾項新的功能,像支持杜比數碼音頻(Dolby Digital,即AC-3)解碼,回聲幾何運算功能(geometry engine),以及大型音源效果(Volumetric Sources)處理等。

A3D 3.0規范充許利用內建的解碼器來解讀杜比數碼音頻格式,可以利用杜比技術來錄制游戲內的背景音效跟音軌。如此一來,游戲內噪音源的定位與Dolby Digital的背景音效就可以同時共存,讓A3D的使用者不需要透過特別的驅動設備來進行解碼,而游戲設計師也不用擔心杜比數碼音效能否被完整地重現出來。

但很可惜,A3D技術最終未能逃過被終結的命遠。在2000年8月,傲銳被創新科技公司吞并,A3D技術從此退出音頻舞臺載入史冊。A3D技術無論是在當時,還是在今天都一種技術非常優秀的3D音頻API,被非技術性擊到無疑讓人十分心痛。

A3D 3.0 控制管理的音頻特性:



Geometric Reverb(幾何回聲)
幾何回聲功能可以計算出一間房間的正確幾何形狀,適當地調整回聲變化。

Acoustic Wavetracing(聲波追蹤技術)
聲波追蹤技術是A3D 3.0的新功能,將反射與封閉空間的音效處理一并整合到聲波軌跡的音場效果器。

Geometry engine(回聲幾何運算)
回聲幾何運算能進一步強化了A3D 2.0的wavetracing聲波軌跡處理,這項功能可以追蹤一道聲音在幾何空間中傳送的途徑,藉此創造出更為真實的回音效果。

volumetric sources(大型音源)
大型音源效果讓設計師可以創造出大型的發聲源,你可以這么想:一個人在跑步、或是一把小型武器開火的聲音都算是非常小的聲源;但如果是一群正在歡呼的人,一臺巨大的發電機,或是一條往來頻繁的高速道路,他們所發出的聲音都是屬與大范圍的區域。直到最近為止,以前多數的音效定位技術都只能追蹤一個單一定點的音源,而A3D的大型音源技術則允許游戲設計師定義出一塊大型的發聲區域。

[后者居上,創新EAX稱霸世界]

1998年8月,創新發布了當時最為強大的Emu10k1音頻處理器,基于這款芯片的Sound Blaster Live!系列產品一時風頭無二,中高端音頻市場也從此被創新公司一家獨大,也使音頻廠商們難以插足該領域。

在EMU10K1音頻芯片強大處理能力的基礎下,創新公司推出了自家首個三維音效技術——EAX(Environmental Audio Extensions:環境音效擴展)。EAX環境音效技術是當時唯一一個可與A3D相抗衡的三維音頻技術,但由于后來傲銳被創新收購,A3D技術最終被創新公司雪藏。

EAX環境音效技術不但能把聲音變換各種各樣的特效聲,而且還能把來自CD、VCD、MIDI、WAV或MP3等立體聲音源虛擬為多聲道環繞音效。另外它的全方位音頻定位技術也是一絕。現在,EAX技術已經占據了絕大部份游戲的三維音頻系統了。

就技術上而言,EAX并不算是一套獨立的API,而是微軟DirectSound API的加強功能。它加入了三度空間的回聲效果,能夠反應出聲音在游戲空間里不同環境下的反射表現。舉例而言,一聲在戶外的槍響,跟在空倉庫里面或是鐵皮屋里所聽到的聲音便會有所不同,而EAX技術就是為了虛擬這些不同的環境音效而開發的音頻引擎。

EAX的音效在眾多API中擁有最佳的音效表現,但其在游戲的音效定位中,始終不及A3D技術來得逼真自然,也正因為這樣才使到A3D技術擁有寬廣的生存空間,即使是在A3D被收購的現時,仍有大批的癡迷擁護者使用已經沒有太多軟件支持的A3D技術和產品。

EAX ADVANCED HD

隨著創新公司不段革新,現已經把EAX開成一套很完善3D音頻解決方案。EAX由原始的1.0版本變革到2.0、3.0版本。到2001年時候,創新在推出Audigy的同時,發布了新四代的3D音頻技術——EAX ADVANCED HD。在EAX前三代時,都只是著重于普通音樂音頻和游戲音頻中,但到了第四代的EAX ADVANCED HD,創新開始把各種的家庭影院音效技術容入了EAX環境音頻技術中。

發展到第四代的EAX ADVANCED HD已經不能說它是一個API了,它已經變成一套完整的音效解決方案。這套解決方案主要由兩大部分組成,一是應用于純音樂和與影劇院模式相配的EAX Music;二是專門應用于三維游戲音效引擎中的EAX Gaming。

其中EAX Music比較著重于強化音效播放,例如能強化PC音樂中的低音效果、可自定義喜好的音頻等化、可移除一般轉錄MP3時所產生的噪音、自動設定不同曲目間的合宜音量、加入像是劇院廳的音場至音樂中等等。而EAX Gaming則著重于在游戲中的音頻定位及各種聲音特效。下面我們一起來看看兩者用于音樂和游戲中的三維音頻技術。

EAX Music



DREAM 夢幻音場(Dynamic Repositioning of Enhanced Audio & Music)
DREAM(增強音頻與音樂的動態重定位)可為任何立體聲音樂營造一種DISCO舞廳氛圍的3D環繞聲效果。DREAM技術可將任何立體聲音樂透過選擇的音效頻率并重新指定各符合音效頻率的聲音于多組聲道中.如POP感受的3D立體音場環境, 使用者可以分別設定高中低三個頻率帶之音訊依節奏順時針或逆時針方向旋轉。

CMSS 多音箱環繞(Creative Multi-Speaker Surround)
創新多音箱環繞(CMSS)是一項EAX Music技術,它可以對模擬立體聲音源進行混合,比如將普通CD、VHS錄像帶的聲音混音為多聲道環繞,經由4.1或5.1音箱播放出來就能使人體驗到多聲道環繞效果。后來創新把它擴展為CMSS 3D技術, CMSS 3D可以讓您將任何立體聲音樂轉換成令人驚奇的6.1環繞聲音。CMSS 3D不但可以產生環繞音效,還可以智能地將主要的人聲放置在中央音箱。而且CMSS 3D能夠將立體聲的電影轉換成5.1或6.1環繞聲音! Sound Blaster Audigy 2中CMSS 3D的算法也能夠通過耳機或立體聲音箱創造出真實的三維空間感。



Dolby Digital (Dolby Surround AC-3)
創新在2000年9月發布Sound Blaster Live!5.1系列聲卡,它是創新首款硬件支持Dolby Digital的產品。Dolby Digital(杜比數碼)是杜比實驗室所發明的家庭影院多聲道數字音頻系統。AC-3是Audio Coding 3的簡稱,直譯為第三代音頻編碼,它是一套音頻壓縮技術。Dolby Digital是開發的初期是針對電影多聲道環繞系統所研發的新技術,為了大幅降低編碼后的文件大小,Dolby Digital應用了有損壓縮技術。所謂有損壓縮,就是一旦壓縮之后,就無法完全還原成原本的面貌,但是如果損失的是一些無關緊要的信號,則能達成大幅縮減文件大小的目的。Dolby Digital一共有5.1個聲道:分別是前左、前右、中央、后左環繞、后右環繞等五個聲道,全都是全頻段聲道,再加上一個3Hz-120Hz的超低頻聲道,所以統稱為5.1聲道。

Dolby Digital EX(杜比數碼EX)
杜比實驗室開發的一種音頻格式,提供了6.1聲道、清晰的環繞聲。是在原來的Dolby Digital 5.1的基礎上增加了一個后置中央的聲道。在您前方的左、中、右聲道為對白提供了精確定位。后部的獨立左右環繞聲道則負責電影中的背景聲,而后置中央聲道實現了后置左右聲道間的自然過渡。額外的后置中央聲道實現了更佳的后置左右聲道間的穿梭效果,以及飛越頭頂等音頻感受。



DTS (Digital Theater System)
DTS是美國的Digital Theater System公司所發展出來的一種電影全數字多聲道系統,它也是5.1聲道。DTS和AC-3一樣,為了要將5.1聲道的信息量存入電影膠片的有限空間內,也做了有損壓縮及編碼,可是兩個系統在壓縮編碼的方法與原理上有所不同。理論上DTS比AC-3擁有更多音頻細節。大致上說,AC-3的信息壓縮率平均高達12:1,信息傳輸率每秒只有384kbps至448kbps,而DTS平均信息壓縮率只有3:1,傳輸率則為每秒1.14kbps至1.500kbps,大約是AC-3的三至四倍,但就以上指標而言,DTS的保真度要優于AC-3。



THX
2002年9月,創新公司發布Sound Blaster Audigy 2系列產品。它擁有支持Dolby Digital EX 6.1聲道、DVD-Audio、THX認證、24bit/96KHz等新特征。值得注意,Audigy 2是少有獲得THX標準認證的聲卡產品之一。這一標準最初是由喬治盧卡斯本人制定的,用于保證最早的《星球大戰》影片中的音樂在影院中播放時,能夠達到在錄音棚中制作時所預想的效果。后來這一標準被應用于家庭影院系統,而直到近年,THX標準才被應用于評價PC多媒體系統,在播放DVD影片或玩3D游戲時的多聲道環繞聲效。所有申請THX認證的產品必須符合嚴格的性能要求和質量標準,才能獲得THX認證標志。這些性能標準覆蓋產品的所有特征,包括功率處理、頻率響應、傳播特性等。因此,THX標志是影音界權威認證的保證。通過THX認證并獲得THX標志的產品,將會帶給您前所未有的品質和可靠性。目前已有許多廠商生產符合THX標準的影音器材。一套完全由THX規格器材組成的AV系統應該能夠達成以下的效果:一、全頻段的高音及低音。二、聲音更為平順自然。三、在聽覺范圍內最少的低音失真。四、更清晰的人聲定位。大家要注意的是:THX是一個標準而不是一件器材,THX的確為應用專利技術的影院生產了一批特殊產品,但是他們的主要職能是確保自己檢測和認證的產品具有最高的質量和性能標準。

EAX Gameing



Environment Filtering(環境過濾)
環境過濾可準確模擬在開放和封閉空間的聲音傳播。

Multi-Environment(多環境)
多環境技術可同時提供多達4種實時環境音效。在現實生活場景中,您所聽到的聲音不僅受到周圍環境的影響,而且受到“實時”環境的影響。例如,您在一個大廳里,當廳里的大鐘敲響時您可以感到回聲帶來的空間感;但同時,大廳盡頭走廊中傳來的笑聲聽起來應具有較窄的回聲音質。



Environment Panning(環境移位)
環境移位使環境音效的三維空間音效和定位成為可能。 在虛擬世界中,有很多時候需要模擬不斷接近或距離較遠的音效環境,比如火車在行駛時不斷接近隧道,環境移位功能是通過三維空間定位來實現此效果的。



Environment Reflections(環境反射)
環境反射技術提供聲音反射以及回響的定位。反射是一種在真實世界中聲音從物體表面反射回到聽者耳中的現象,而環境反射不僅可以模擬出這種效果而且還能給聲音反射加上三維空間定位。



Environment Morphing(環境過渡)
在虛擬世界中,虛擬的“邊界”使不同空間和地區分離。跨越"邊界"會在音頻中引起突然的變化,例如,從一個小房間進入一個大洞穴。環境過渡能被用來慢速地把聽眾從一個環境過渡到另一個環境,就象現實生活中發生的情況那樣。

[DirectSound3D、Sensaura、Q3D]

DirectSound3D

講到PC的三維音頻技術,我們不能不提一提DirectSound,它原來是微軟開發DirectX API的一個小小組件,只是由于微軟公司一直以來都十分在意圖形API的開發,所以在音頻上缺乏重視。不過在創新公司成功擴展DirectSound推出EAX音效技術后,微軟也意識到三維音頻對于游戲的重要性,因此在近年來加大了DirectSound3D的開發力度。

作為DirectX API的音頻組件之一,DirectSound3D可以提供快速的混音、硬件加速功能,并且可以直接訪問相關設備,不過DirectSound3D的三維音頻算法一般都是靠CPU處理的,所以資源占用比較高,但這使用到它擁有很好的兼容性。此外DirectSound3D擁有A3D/EAX沒有的優點,它因為是完全公開的工業標準,所以開發起來十分簡單,而最重要是它的通用性十分強。傲銳和創新公司為了維護自身的利益,僅對外開放了A3D 1.0、EAX 1.0、EAX 2.0三個版本的3D音頻技術,而更高級的A3D/EAX技術只能在其自家音效芯片上支持,其他的廠商都即使是花錢也未能共用新版的A3D/EAX技術。

Sensaura



來自英國的Sensaura創造研發出多種3D音效定位的演算法,并且授權給音頻芯片開發公司與音響硬件公司。使用Sensaura技術的產品一般都能兼容于A3D與EAX,而且一般都包含了數項DirectSound3D的加強功能。 當然Sensaura自己擁有特有的技術,如MacroFX,它是一項可以模擬非常貼近使用者頭部的真實音源技術;ZoomFX,允許設計師創造定位出大型的發聲來源;EnvironmentFX效果,類似而且共通于EAX的效果,它能夠處理不同環境下的3D音場,像是水面底下的環境,大型的房間,金屬的墻壁等等。Sensaura后來被創新收購后,并未像A3D一樣從此消失于世上,其技術仍然得到廣泛的應用,現在它主要被采用于電視游戲機及一些專業應用軟件和硬件設備上。

Qsound Q3D



與Sensaura一樣,Qsound的Q3D也是相當古老的3D音效API,自從1991年進入市場以來,經過了幾次大的變革,進步成為一種十分成熟的3D音效。不過Qsound的三維音頻技術在PC平臺上并沒有取得成功。幸好Qsound的3D音頻技術不僅僅用在娛樂聲卡領域,所以它并沒有像A3D、Sensaura哪樣在PC平臺上經營失敗后被收購。其實,它在游戲機方面的應用比PC更為廣泛,在許多大型游戲機中你都可以看到Qsound的身影。


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