Введение
Бинауральная запись – это метод записи звука, использующий два микрофона, расположенных таким образом, чтобы создать у слушателя ощущение трехмерного стереозвука, как будто он находится в одной комнате с исполнителями или инструментами. Этот эффект часто достигается с помощью техники, известной как запись с использованием головы-манекена, при которой в уши манекена встроены микрофоны. Бинауральная запись предназначена для прослушивания в наушниках и не будет корректно воспроизводиться через стереодинамики. Эта идея трехмерной или "внутренней" формы звука также способствовала развитию технологий в различных областях, например, в стетоскопах, создающих "внутреннюю" акустику, и в фильмах IMAX, обеспечивающих трехмерный акустический опыт. Термин "бинауральный" часто ошибочно принимают за синоним слова "стерео", отчасти из-за систематического злоупотребления им звукозаписывающей индустрией в середине 1950-х годов в качестве маркетингового термина. Традиционные стереозаписи не учитывают естественное расстояние между ушами или "тень головы", создаваемую головой и ушами, поскольку эти эффекты возникают естественным образом при прослушивании человеком, генерируя межслуховые временные разности (ITD) и межслуховые разности уровней (ILD), специфичные для его позиции прослушивания. Поскольку перекрестные помехи от динамиков в традиционном стерео препятствуют бинауральному воспроизведению (то есть звук от динамика каждого канала слышен обоими ушами, а не только ухом с соответствующей стороны, как это было бы в случае с наушниками), требуются либо наушники, либо система подавления перекрестных помех для сигналов, предназначенных для динамиков, например, Ambiophonics. Для прослушивания через обычные стереодинамики или MP3-плееры, для квази-бинауральных записей, таких как сферический микрофон или Ambiophone, может быть предпочтительнее использовать голову-манекен без ушных раковин. В общем случае, для получения истинно бинаурального результата, цепочка системы записи и воспроизведения звука, от микрофона до мозга слушателя, должна содержать только один набор ушных раковин (желательно, собственные уши слушателя) и одну тень головы.
Binaural recording is a method of recording sound that uses two microphones, arranged with the intent to create a 3D stereo sound sensation for the listener of actually being in the room with the performers or instruments. This effect is often created using a technique known as dummy head recording, wherein a mannequin head is fitted with a microphone in each ear. Binaural recording is intended for replay using headphones and will not translate properly over stereo speakers. This idea of a three dimensional or "internal" form of sound has also translated into useful advancement of technology in many things such as stethoscopes creating "in head" acoustics and IMAX movies being able to create a three dimensional acoustic experience. The term "binaural" has frequently been confused as a synonym for the word "stereo", due in part to systematic misuse in the mid 1950s by the recording industry, as a marketing buzzword. Conventional stereo recordings do not factor in natural ear spacing or "head shadow" of the head and ears, since these things happen naturally as a person listens, generating interaural time differences (ITDs) and interaural level differences (ILDs) specific to their listening position. Because loudspeaker crosstalk with conventional stereo interferes with binaural reproduction (i. e. because the sound from each channel's speaker is heard by both ears rather than only by the ear on the corresponding side, as would be the case with headphones), either headphones are required, or crosstalk cancellation of signals intended for loudspeakers such as Ambiophonics is required. For listening using conventional speaker stereo, or MP3 players, a pinna less dummy head may be preferable for quasi binaural recordings such as the sphere microphone or Ambiophone. As a general rule, for true binaural results, an audio recording and reproduction system chain, from the microphone to the listener's brain, should contain one and only one set of pinnae (preferably the listener's own), and one head shadow.
История
История бинауральной записи восходит к 1881 году. В 1974 году Virgin Records выпустила первый сольный альбом лидера Tangerine Dream Эдгара Фрузе, названный Aqua. В кратких примечаниях к обложке указано, что вторая сторона диска (то есть треки NGC 891 и Upland) была записана с использованием системы искусственной головы, разработанной Гюнтером Бруншеном. Слушателям рекомендовалось оптимизировать прослушивание, используя стереонаушники для этой стороны альбома. Хотя Эдгар стремился продолжать использовать и продвигать эту систему для последующих записей, от неё отказались, поскольку, несмотря на хорошее звучание в наушниках, улучшенное качество звука не воспроизводилось должным образом через hi-fi акустическую систему. В 1978 году Лу Рид выпустил первую коммерчески выпущенную бинауральную поп-запись Street Hassle, представляющую собой сочетание живых и студийных записей. Бинауральная запись оставалась в тени из-за дорогостоящего и специализированного оборудования, необходимого для качественной записи, а также из-за требования использования наушников для корректного воспроизведения. Особенно в до-эпоху Walkman большинство потребителей считали наушники неудобными и интересовались только записями, которые можно было слушать на домашних стереосистемах или в автомобилях. Кроме того, объекты, которые можно записывать с помощью этой технологии, обычно не имели высокой рыночной стоимости. Студийные записи вряд ли выиграют от использования бинауральной установки, за исключением естественной перекрестной прослушиваемости, поскольку пространственное качество студии не будет особенно динамичным и интересным. Записи, представляющие интерес, – это живые оркестровые выступления и эмбиентные, "окружающие" записи городских звуков, природы и других подобных объектов. В 1990-х годах появились в продаже электронные устройства, использующие цифровую обработку сигналов (DSP) для воспроизведения HRTF. Эти устройства позволяли звукорежиссёру использовать регулируемые параметры для изменения кажущегося направления звуков в реальном времени. Они были необычными и дорогими, но позволяли звукорежиссёру быстро и удобно изменять спецэффекты предварительно записанных звуков. Манипулируя параметрами, звукорежиссёры могли взять монофоническую запись проезжающей машины и заставить её звучать так, будто она проезжает мимо них в реальном времени. Для достижения того же результата при записи с использованием реальной манекенной головы потребовалась бы звукоизоляционная кабина и подвижный динамик или массив динамиков, а также несколько устройств для панорамирования или переключения. В современную эпоху наблюдается возрождение интереса к бинауральной записи, отчасти благодаря широкой доступности наушников, более дешевым методам записи и общему росту коммерческого интереса к 360° аудио технологиям. Онлайн-сообщество ASMR – ещё одно движение, которое активно использует бинауральные записи. Появление Dolby Atmos и других 360° аудио технологий для кино в сфере коммерческих развлечений привело к росту популярности использования бинауральной симуляции. Это делается с целью полной адаптации 360° саундтрека для наушников и заушных мониторов. Пользователи могут смотреть 360° фильмы и слушать музыку с эффектом захватывающего объемного звучания, который сохраняется даже при использовании всего двух динамиков в наушниках. Важно отметить, что любой полноценный многоканальный 360° саундтрек автоматически преобразуется в имитированный бинауральный звук при прослушивании в наушниках. В 2005 году Aqua был ремикширован для ограниченного переиздания в Германии и Японии, с добавлением дополнительного трека Upland Dawn в конце CD. В 2015 году сингапурский певец и автор песен JJ Lin выпустил свой дебютный экспериментальный альбом From M. E. to Myself, используя запись с помощью манекенной головы. Это также первый альбом в поп-музыке, использующий эту технологию.
Запись головы манекена
Типичный бинауральный записывающий блок оснащен двумя высококачественными микрофонами, установленными в макет головы, помещенными в ушные вкладыши для полной фиксации всех изменений звуковой частоты (известных как передаточные функции, связанные с головой (HRTF) в психоакустическом исследовательском сообществе), которые естественным образом возникают, когда звук огибает голову человека и "формируется" строением внешней и внутренней части уха. Макет головы (также известный как искусственная голова, Kunstkopf или симулятор головы и туловища) используется для создания бинауральных записей. Затем треки прослушиваются в наушниках, позволяя слушателю воспринимать звук с точки зрения макета. Макет головы предназначен для одновременной записи нескольких звуков, что делает его особенно эффективным при записи музыки, а также в других отраслях, где задействовано несколько источников звука. Макет головы разработан для имитации головы человека среднего размера и, в зависимости от производителя, может иметь нос и рот. Каждый макет головы оснащен ушными раковинами и слуховыми проходами, в которых размещены небольшие микрофоны, по одному в каждом ухе. Ведущие производители макетов головы: Brüel & Kjær, Head Acoustics GmBH, Knowles Electronics и GRAS Sound & Vibration. См. разность межслуховых времен и локализацию звука. При воспроизведении ударных звуков, воздействие можно почувствовать на коже (обычно на туловище). Наиболее сильный и ранний сенсорный стимул исходит из участков кожи, расположенных перпендикулярно направлению источника звука. Человеческая голова накладывает частотно-зависимые искажения фазы и амплитуды на звуки по мере их достижения барабанных перепонок. Частотно-зависимые различия в уровнях, а также эти искажения, меняются в зависимости от направления источника звука. Это обусловлено геометрией и звукопроводящими характеристиками пазух, глоточно-гортанных полостей, евстахиевых труб, внутреннего уха, наружных ушей и других тканей головы и верхней части тела. См. передаточная функция, связанная с головой. Традиционная музыкальная запись предназначена для стереовоспроизведения, которое использует только левый и правый каналы для динамиков и наушников. Использование макета головы позволяет звукорежиссеру использовать трехмерное воспроизведение звука. Это происходит потому, что при воспроизведении через наушники слушатель воспринимает звук так, как будто он находится в положении макета. Запись воспринимается через ушные раковины макета головы.
Методы повторной записи
Техника бинауральной перезаписи проста, но недостаточно изучена. Она основана на тех же принципах, что и Worldizing – техника, используемая звукорежиссерами кино, при которой звук воспроизводится через динамик в реальном пространстве, а затем перезаписывается, захватывая все особенности и характеристики окружающей среды. Использование пространства для обработки звука и последующая перезапись применяются в студиях звукозаписи с помощью эхокамер на протяжении многих лет. В 1959 году Ирвинг Таунсенд использовал эхокамеру в процессе постпродакшна альбома Майлза Дэвиса «Kind of Blue». «Влияние эхокамеры на «Kind of Blue» – это лишь небольшое улучшение звучания. На 30-й улице линия была проложена от микшерного пульта в низкое, бетонное подвальное помещение размером примерно 3,6 на 4,5 метра, где мы устанавливали динамик и всенаправленный микрофон». При бинауральной перезаписи используется бинауральный микрофон для записи звука, воспроизводимого через многоканальную акустическую систему. Таким образом, бинауральная голова, или микрофон, теоретически записывает то, как человек воспримет многоканальный звук. Саундтрек к фильму, например, будет записан бинауральным микрофоном со всеми звуковыми сигналами окружающей среды, а также реверберацией, включая ту, что создается человеческим торсом (при использовании модели HATS). Этот метод схож с некоторыми бинауральными записями, созданными с помощью Neumann KU 100. Используя МРТ-сканер, Brüel & Kjær и DTU собрали данные о геометрии ушей большой группы людей. Зафиксировав полную геометрию слухового прохода, включая костную часть, прилегающую к барабанной перепонке, эти данные были обработаны для определения средней геометрии человеческого слухового прохода. На основе этих данных высокочастотный симулятор головы и туловища (HATS) типа 5128 создает очень реалистичное воспроизведение акустических свойств в полном диапазоне слышимых частот (до 20 кГц).
Просмотр
Есть некоторые сложности с воспроизведением бинауральных записей в наушниках. Звук, улавливаемый микрофоном, расположенным в ушном канале или у его входа, имеет частотный спектр, значительно отличающийся от спектра, который зафиксировал бы микрофон, установленный в свободном пространстве. Функция передачи диффузного поля головы (HRTF), то есть частотная характеристика на барабанной перепонке, усредненная для звуков, приходящих со всех возможных направлений, весьма причудлива, с пиками и провалами, превышающими 10 дБ. Особенно сильно усиливаются частоты в диапазоне от 2 до 5 кГц по сравнению с воспроизведением в свободном поле.
Проблемы с тембральным аппаратом
В январе 2012 года BBC R&D совместно с BBC Radio 4 создали бинауральную постановку книги Майкла Морпурго «Приватный мир». 88-минутная драматизация включала в себя воспроизведение с использованием системы 5.1 и предлагала 4 варианта. В начале каждого варианта слушателям воспроизводилась серия тестовых сигналов, позволяющая выбрать версию, обеспечивающую наилучшие пространственные ощущения. Таким образом, BBC R&D признали, что эффективность бинауральной репродукции может варьироваться, и предоставили различные миксы, основанные на разных наборах данных HRTF. Вместе с выпуском «Приватного мира» был проведен опрос, который предлагалось заполнить всем слушателям. В опросе спрашивали об успехе бинауральной репродукции и о том, какой из четырех вариантов (1–4) слушатели сочли наиболее удачным. В интервью с Крисом Пайком из BBC R&D в сентябре 2012 года Пайк отметил, что «можно добиться хорошего пространственного впечатления, но окраска тембра часто представляет собой проблему». Проблема окраски тембра часто упоминается в исследованиях пространственного улучшения звучания и иногда рассматривается как следствие неправильного использования или недостаточного количества данных HRTF при воспроизведении бинаурального аудио, или просто из-за того, что конкретный пользователь может неадекватно реагировать на собранные данные HRTF. Фрэнсис Рамси в статье 2011 года «Чья же это голова?» утверждает, что «неправильно реализованные HRTF могут привести к низкому качеству тембра, плохой внешней локализации и множеству других нежелательных эффектов». Это указывает на то, что существуют способы уменьшить влияние тембральных проблем на аудио, обработанное с использованием данных HRTF, но это требует дополнительной эквализации. Если этот путь будет исследован дальше, исследователям придется смириться с тем, что аудио будет подвергаться значительным изменениям для достижения более выраженного ощущения пространства, и что эти изменения будут необратимыми, что может не понравиться создателям контента. Необходимо будет учитывать, насколько допустимы эти изменения и в какой степени, если таковая имеется, они могут повлиять на восприятие конечного пользователя.
Проблемы тембрального звука, связанные с наушниками
Идеальные условия для прослушивания, вероятнее всего, будут достигнуты с использованием наушников, разработанных и откалиброванных для обеспечения максимально ровной частотной характеристики, чтобы минимизировать окраску звука, воспринимаемого пользователем. Однако, в большинстве случаев, эта проблема не кажется достаточно значимой для конечных пользователей, чтобы они инвестировали в наушники, позволяющие услышать аудио именно таким, каким его задумал автор контента. Вместо этого они продолжают использовать наушники, поставляемые в комплекте, или, в некоторых случаях, приобретают наушники, одобренные и продвигаемые определенными исполнителями. Как было сказано ранее, при использовании данных BRIR и HRTF для создания пространственно улучшенного звука, техник, применяемых Крисом Пайком и BBC R&D, возникают проблемы, связанные с тембральными эффектами.
Нойманн КУ 100
Neumann KU 100 – это микрофон с фиктивной головой, используемый для записи в бинауральном стерео. "Он напоминает человеческую голову и имеет две микрофонные капсулы, встроенные в уши".
G.R.A.S. Модификатор головы и туловища KEMAR (HATS)
KEMAR был первоначально разработан в сотрудничестве с аудиологической индустрией для использования при разработке слуховых аппаратов и до сих пор является де-факто стандартом в этой области. Однако с тех пор применение KEMAR распространилось на множество других отраслей, таких как: телекоммуникации, испытания средств защиты слуха, автомобилестроение и другие. KEMAR разработан на основе масштабных статистических исследований, чтобы максимально соответствовать средним антропометрическим данным человека. Модель KEMAR – единственный микрофон в этом списке, оснащенный моделью торса. Отражения от торса оказывают существенное влияние на качество бинауральной записи.
3Dio диапазон
В модельном ряду бинауральных микрофонов 3Dio используются две силиконовые формы ушных раковин (пина), разделенные расстоянием, близким к среднему расстоянию между человеческими ушами. Внутри ушных раковин располагаются микрофоны: от Primo EM172 в моделях Free Space и Free Space XLR до DPA 4060 в модели Pro II. Модельный ряд 3Dio значительно дешевле, чем, например, Neumann KU 100, и поэтому чаще используется на потребительском и полупрофессиональном уровнях. Главное отличие моделей 3Dio от KEMAR или KU 100 заключается в отсутствии модели головы. 3Dio полностью полагается на использование ушных раковин для достижения бинаурального эффекта при стереозаписи.
Профессионалы звука SP-TFB-2
Стереомикрофон внутриушного типа, используемый как наушники и размещаемый внутри ушной раковины. Этот микрофон использует ушную раковину пользователя для создания бинаурального эффекта.
Поэма Хука
Hooke Verse – относительно новое бинауральное устройство, представляющее собой вставные микрофоны, которые подключаются к записывающим устройствам по Bluetooth с использованием беспрерывной (без потерь) записи. Разработанный кодек позволяет пользователю одновременно захватывать аудио и видео. Кроме того, устройство оснащено ветрозащитными колпачками для микрофонов, чтобы уменьшить шум ветра – распространенную проблему для носимых устройств и смартфонов.