WebXR erdvinio garso apdorojimas: 3D garso efektų įgyvendinimas

WebXR (angl. Web Extended Reality) pasaulis sparčiai vystosi, peržengdamas įtraukiančių patirčių, pasiekiamų tiesiogiai interneto naršyklėje, ribas. Nors vaizdai dažnai atsiduria dėmesio centre, aukštos kokybės, realistiško garso svarbos negalima pervertinti. Būtent erdvinis garsas atlieka lemiamą vaidmenį kuriant išties tikėtiną ir įtraukiančią virtualią ar papildytą aplinką. Šis tinklaraščio įrašas gilinsis į erdvinio garso apdorojimo principus WebXR aplinkoje ir pateiks išsamų vadovą, kaip įgyvendinti 3D garso efektus.

Kas yra erdvinis garsas?

Erdvinis garsas, dar žinomas kaip 3D garsas arba binauralinis garsas, yra technika, atkurianti būdą, kaip mes suvokiame garsą realiame pasaulyje. Skirtingai nuo tradicinio stereo garso, kuris daugiausia orientuojasi į kairįjį ir dešinįjį kanalus, erdvinis garsas atsižvelgia į trimatę garso šaltinių padėtį klausytojo atžvilgiu. Tai leidžia vartotojams suvokti garsus, sklindančius iš konkrečių vietų erdvėje, sustiprinant buvimo ir įsitraukimo jausmą.

Štai pagrindiniai erdvinio garso komponentai:

• Pozicionavimas: Tikslus garso šaltinių išdėstymas 3D koordinačių sistemoje, atsižvelgiant į klausytojo galvos padėtį.
• Atstumo silpnėjimas: Garso stiprumo sumažėjimo simuliavimas didėjant atstumui tarp garso šaltinio ir klausytojo. Tai vadovaujasi atvirkštinių kvadratų dėsniu, pagal kurį garso intensyvumas mažėja proporcingai atstumo kvadratui.
• Doplerio efektas: Suvokiamo garso dažnio (aukščio) pasikeitimo simuliavimas dėl garso šaltinio judėjimo klausytojo atžvilgiu. Prie klausytojo artėjančio garso šaltinio aukštis bus didesnis, o tolstančio – žemesnis.
• HRTF (angl. Head-Related Transfer Function): Tai turbūt svarbiausias komponentas. HRTF yra filtrų rinkinys, kuris simuliuoja, kaip galvos, ausų ir liemens forma veikia garsą, kol jis keliauja nuo šaltinio iki mūsų ausų būgnelių. Skirtingi HRTF naudojami modeliuoti unikalias asmenų akustines savybes, tačiau apibendrinti HRTF gali suteikti įtikinamą erdvinio garso patirtį.
• Užstojimas ir atspindys: Simuliavimas, kaip aplinkos objektai užstoja ar atspindi garso bangas, paveikdami suvokiamą garso stiprumą, tembrą ir kryptį.

Kodėl erdvinis garsas yra svarbus WebXR?

WebXR programose erdvinis garsas žymiai pagerina vartotojo patirtį keliais būdais:

• Didesnis įsitraukimas: Erdvinis garsas dramatiškai padidina buvimo ir įsitraukimo jausmą virtualioje ar papildytoje aplinkoje. Tiksliai pozicionuojant garso šaltinius 3D erdvėje, vartotojai gali lengviau patikėti, kad jie iš tikrųjų yra simuliuojamame pasaulyje.
• Pagerintas realizmas: Realistiški garso efektai ženkliai prisideda prie bendro WebXR patirties realizmo. Tikslus atstumo silpnėjimo, Doplerio efekto ir HRTF simuliavimas padaro virtualų pasaulį labiau tikėtinu ir įtraukiančiu.
• Pagerinta vartotojo sąveika: Erdvinis garsas gali suteikti vertingą grįžtamąjį ryšį vartotojui apie jo sąveikas su aplinka. Pavyzdžiui, mygtuko paspaudimo garsas gali būti erdvėje lokalizuotas prie paties mygtuko, suteikiant aiškų ir intuityvų ženklą, kad sąveika buvo sėkminga.
• Prieinamumas: Erdvinis garsas gali būti gyvybiškai svarbi prieinamumo funkcija vartotojams su regos negalia. Pasikliaudami garso signalais naršymui ir sąveikai su aplinka, regos negalią turintys vartotojai gali visapusiškiau dalyvauti WebXR patirtyse.
• Pagerinta navigacija: Garsai gali vesti vartotojus per patirtį, sukuriant intuityvesnį ir mažiau varginantį kelią. Pavyzdžiui, subtilus erdvinis garsas gali nukreipti vartotoją į kitą lankytiną vietą.

Erdvinio garso įgyvendinimas WebXR

„Web Audio API“ suteikia galingą ir lankstų įrankių rinkinį, skirtą erdvinio garso apdorojimui WebXR programose. Štai žingsnis po žingsnio vadovas, kaip įgyvendinti 3D garso efektus:

1. „Web Audio“ konteksto nustatymas

Pirmas žingsnis yra sukurti „AudioContext“, kuris atspindi garso apdorojimo grafiką. Tai yra visų garso operacijų pagrindas jūsų WebXR programoje.

            const audioContext = new (window.AudioContext || window.webkitAudioContext)();

            

              
                Copy
              
            
          

Šis kodo fragmentas sukuria naują „AudioContext“, atsižvelgiant į naršyklės suderinamumą (naudojant `window.webkitAudioContext` senesnėms „Chrome“ ir „Safari“ versijoms).

2. Garso failų įkėlimas

Toliau reikia įkelti garso failus, kuriuos norite paversti erdviniais. Galite naudoti `fetch` API, kad įkeltumėte garso failus iš savo serverio ar turinio pristatymo tinklo (CDN).

            async function loadAudio(url) {
  const response = await fetch(url);
  const arrayBuffer = await response.arrayBuffer();
  return audioContext.decodeAudioData(arrayBuffer);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Ši funkcija asinchroniškai atsiunčia garso failą, konvertuoja jį į „ArrayBuffer“, o tada dekoduoja į „AudioBuffer“ naudojant `audioContext.decodeAudioData`. „AudioBuffer“ atspindi neapdorotus garso duomenis, kuriuos gali atkurti „Web Audio API“.

3. „PannerNode“ sukūrimas

„PannerNode“ yra pagrindinis komponentas erdviniam garsui sukurti. Jis leidžia pozicionuoti garso šaltinį 3D erdvėje klausytojo atžvilgiu. „PannerNode“ sukuriate naudodami `audioContext.createPanner()`.

            const pannerNode = audioContext.createPanner();

            

              
                Copy
              
            
          

„PannerNode“ turi keletą savybių, kurios valdo jo elgseną:

• positionX, positionY, positionZ: Šios savybės apibrėžia garso šaltinio 3D koordinates.
• orientationX, orientationY, orientationZ: Šios savybės apibrėžia kryptį, kuria yra atsuktas garso šaltinis.
• distanceModel: Ši savybė nustato, kaip garso šaltinio garsumas keičiasi priklausomai nuo atstumo. Galimos parinktys: "linear", "inverse" ir "exponential".
• refDistance: Ši savybė apibrėžia referencinį atstumą, kuriame garso šaltinis girdimas pilnu garsumu.
• maxDistance: Ši savybė apibrėžia maksimalų atstumą, kuriame garso šaltinis gali būti girdimas.
• rolloffFactor: Ši savybė kontroliuoja greitį, kuriuo garsumas mažėja didėjant atstumui.
• coneInnerAngle, coneOuterAngle, coneOuterGain: Šios savybės apibrėžia garso kūgio, sklindančio iš garso šaltinio, formą ir slopinimą. Tai leidžia simuliuoti kryptinius garso šaltinius, tokius kaip megafonas ar prožektorius.

4. „GainNode“ sukūrimas

„GainNode“ valdo garso signalo garsumą. Jis dažnai naudojamas reguliuoti bendrą garso šaltinio garsumą arba įgyvendinti tokius efektus kaip nutildymas ar pritildymas.

            const gainNode = audioContext.createGain();

            

              
                Copy
              
            
          

„GainNode“ turi vieną savybę, `gain`, kuri kontroliuoja garsumą. Vertė 1 reiškia originalų garsumą, 0 – tylą, o vertės, didesnės nei 1, sustiprina garsumą.

5. Mazgų sujungimas

Sukūrus reikiamus mazgus, juos reikia sujungti, kad susidarytų garso apdorojimo grafikas. Tai apibrėžia garso tėkmę nuo garso šaltinio iki klausytojo.

            const audioBufferSource = audioContext.createBufferSource();
audioBufferSource.buffer = audioBuffer; // The loaded audio buffer
audioBufferSource.loop = true; // Optional: loop the sound
audioBufferSource.connect(pannerNode);
pannerNode.connect(gainNode);
gainNode.connect(audioContext.destination); // Connect to the speakers
audioBufferSource.start();

            

              
                Copy
              
            
          

Šis kodo fragmentas sukuria „AudioBufferSourceNode“, kuris naudojamas garso buferiui atkurti. Tada jis sujungia „AudioBufferSourceNode“ su „PannerNode“, „PannerNode“ su „GainNode“, o „GainNode“ su `audioContext.destination`, kuris atspindi garsiakalbius ar ausines. Galiausiai, jis pradeda groti garsą.

6. „PannerNode“ pozicijos atnaujinimas

Norėdami sukurti dinamišką erdvinio garso patirtį, turite atnaujinti „PannerNode“ poziciją atsižvelgiant į garso šaltinio padėtį virtualioje ar papildytoje aplinkoje. Tai paprastai daroma WebXR animacijos cikle.

            function updateAudioPosition(x, y, z) {
  pannerNode.positionX.value = x;
  pannerNode.positionY.value = y;
  pannerNode.positionZ.value = z;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Ši funkcija atnaujina „PannerNode“ savybes `positionX`, `positionY` ir `positionZ`, kad jos atitiktų naują garso šaltinio padėtį.

7. Klausytojo pozicija ir orientacija

„Web Audio API“ taip pat leidžia valdyti klausytojo poziciją ir orientaciją, o tai gali būti svarbu kuriant realistišką erdvinio garso patirtį, ypač kai klausytojas juda virtualiame pasaulyje. Prie klausytojo objekto galite prieiti per `audioContext.listener`.

            const listener = audioContext.listener;
listener.positionX.value = cameraX;
listener.positionY.value = cameraY;
listener.positionZ.value = cameraZ;
listener.forwardX.value = cameraForwardX;
listener.forwardY.value = cameraForwardY;
listener.forwardZ.value = cameraForwardZ;
listener.upX.value = cameraUpX;
listener.upY.value = cameraUpY;
listener.upZ.value = cameraUpZ;

            

              
                Copy
              
            
          

Šis kodo fragmentas atnaujina klausytojo poziciją ir orientaciją, atsižvelgiant į kameros padėtį ir orientaciją WebXR scenoje. Vektoriai `forward` ir `up` apibrėžia kryptį, kuria žiūri klausytojas.

Pažangios erdvinio garso technikos

Kai jau turite pagrindinį supratimą apie erdvinio garso įgyvendinimą, galite tyrinėti pažangesnes technikas, kad dar labiau pagerintumėte savo WebXR patirčių realizmą ir įsitraukimą.

1. HRTF (angl. Head-Related Transfer Function)

Kaip minėta anksčiau, HRTF yra labai svarbūs kuriant įtikinamą erdvinio garso patirtį. „Web Audio API“ suteikia „ConvolverNode“, kurį galima naudoti HRTF pritaikymui garso signalams. Tačiau HRTF naudojimas gali būti skaičiavimo požiūriu brangus, ypač mobiliuosiuose įrenginiuose. Našumą galite optimizuoti naudodami iš anksto apskaičiuotus HRTF impulsinius atsakus ir ribodami garso šaltinių, kurie vienu metu naudoja HRTF, skaičių.

Deja, integruotas „ConvolverNode“ „Web Audio API“ turi tam tikrų apribojimų, o tikro HRTF pagrindu veikiančio erdvinio garso įgyvendinimas gali būti sudėtingas. Kelios „JavaScript“ bibliotekos siūlo patobulintus HRTF įgyvendinimus ir erdvinio garso atvaizdavimo technikas, tokias kaip:

• „Resonance Audio“ („Google“): Daugiaplatformis erdvinio garso SDK su „Web Audio API“ palaikymu. Ji suteikia aukštos kokybės HRTF pagrindu veikiantį erdvinį garsą ir pažangias funkcijas, tokias kaip kambario efektai ir garso lauko atvaizdavimas. (Pastaba: ši biblioteka gali būti pasenusi arba jos palaikymas dabar ribotas. Patikrinkite naujausią dokumentaciją.)
• „Web Audio Components“: Pakartotinai naudojamų „Web Audio API“ komponentų rinkinys, įskaitant komponentus, skirtus erdvinio garso apdorojimui.
• Individualūs įgyvendinimai: Pažangesni kūrėjai gali sukurti savo HRTF įgyvendinimus naudodami „Web Audio API“, kas leidžia labiau kontroliuoti erdvinio garso kūrimo procesą.

2. Kambario efektai

Kambario akustinių savybių simuliavimas gali žymiai pagerinti erdvinio garso patirties realizmą. Galite naudoti aidėjimo efektus, kad simuliuotumėte garso bangų atspindžius nuo kambario sienų, grindų ir lubų. „Web Audio API“ suteikia „ConvolverNode“, kurį galima naudoti aidėjimo efektams įgyvendinti. Galite įkelti iš anksto įrašytus skirtingų kambarių impulsinius atsakus arba naudoti algoritmines aidėjimo technikas, kad sukurtumėte realistiškus kambario efektus.

3. Užstojimas ir obstrukcija

Simuliavimas, kaip aplinkos objektai užstoja ar blokuoja garso bangas, gali pridėti dar vieną realizmo sluoksnį jūsų erdvinio garso patirčiai. Galite naudoti spindulių sekimo (raycasting) technikas, kad nustatytumėte, ar tarp garso šaltinio ir klausytojo yra kokių nors objektų. Jei yra, galite sumažinti garso šaltinio garsumą arba pritaikyti žemų dažnių filtrą, kad simuliuotumėte užstojimo sukeliamą slopinimo efektą.

4. Dinaminis garso maišymas

Dinaminis garso maišymas apima skirtingų garso šaltinių garsumo lygių reguliavimą atsižvelgiant į jų svarbą ir aktualumą dabartinei situacijai. Pavyzdžiui, galbūt norėsite sumažinti foninės muzikos garsumą, kai kalba veikėjas arba vyksta svarbus įvykis. Dinaminis garso maišymas gali padėti sutelkti vartotojo dėmesį ir pagerinti bendrą garso patirties aiškumą.

WebXR erdvinio garso optimizavimo strategijos

Erdvinio garso apdorojimas gali reikalauti daug skaičiavimo resursų, ypač mobiliuosiuose įrenginiuose. Štai keletas optimizavimo strategijų našumui pagerinti:

• Ribokite garso šaltinių skaičių: Kuo daugiau garso šaltinių turite savo scenoje, tuo daugiau apdorojimo galios reikės jiems paversti erdviniais. Stenkitės riboti vienu metu grojančių garso šaltinių skaičių.
• Naudokite žemesnės kokybės garso failus: Žemesnės kokybės garso failams reikia mažiau apdorojimo galios dekoduoti ir atkurti. Apsvarstykite galimybę naudoti suspaustus garso formatus, tokius kaip MP3 ar AAC.
• Optimizuokite HRTF įgyvendinimą: Jei naudojate HRTF, įsitikinkite, kad jūsų įgyvendinimas yra optimizuotas našumui. Naudokite iš anksto apskaičiuotus impulsinius atsakus ir ribokite garso šaltinių, kurie vienu metu naudoja HRTF, skaičių.
• Sumažinkite garso konteksto diskretizavimo dažnį: Sumažinus garso konteksto diskretizavimo dažnį galima pagerinti našumą, tačiau tai taip pat gali sumažinti garso kokybę. Eksperimentuokite, kad rastumėte pusiausvyrą tarp našumo ir kokybės.
• Naudokite „Web Workers“: Perkelkite garso apdorojimą į „Web Worker“, kad išvengtumėte pagrindinės gijos blokavimo. Tai gali pagerinti jūsų WebXR programos reakcijos laiką.
• Profiluokite savo kodą: Naudokite naršyklės kūrėjo įrankius, kad profiliuotumėte savo kodą ir nustatytumėte našumo problemas. Sutelkite dėmesį į tų sričių optimizavimą, kurios naudoja daugiausiai apdorojimo galios.

WebXR erdvinio garso taikymo pavyzdžiai

Štai keletas pavyzdžių, kaip erdvinis garsas gali būti naudojamas pagerinti WebXR patirtis:

• Virtualūs koncertai: Erdvinis garsas gali atkurti dalyvavimo gyvame koncerte patirtį, leidžiant vartotojams girdėti muziką taip, lyg jie stovėtų žiūrovų minioje.
• 3D žaidimai: Erdvinis garsas gali pagerinti 3D žaidimų įsitraukimą ir realizmą, leidžiant žaidėjams girdėti žaidimų pasaulio garsus, sklindančius iš konkrečių vietų.
• Architektūrinės vizualizacijos: Erdvinis garsas gali būti naudojamas pastato akustikai simuliuoti, leidžiant vartotojams patirti, kaip garsas sklis erdvėje.
• Mokymų simuliacijos: Erdvinis garsas gali būti naudojamas kuriant realistiškas mokymų simuliacijas, tokias kaip skrydžių simuliatoriai ar medicininės simuliacijos.
• Muziejaus eksponatai: Erdvinis garsas gali atgaivinti muziejaus eksponatus, leidžiant vartotojams girdėti praeities garsus, tyrinėjant istorinius artefaktus. Įsivaizduokite vikingų ilgojo namo ekspoziciją, kurioje traškančios ugnies, kalimo ir senąja skandinavų kalba kalbančių balsų garsai sklinda iš skirtingų virtualios erdvės taškų.
• Terapinės programos: Tokiose situacijose kaip nerimo mažinimas ar fobijų gydymas, kontroliuojami erdvinio garso scenarijai gali sukurti saugias ir reguliuojamas įtraukiančias patirtis pacientams.

Daugiaplatformiškumo aspektai

Kuriant WebXR programas su erdviniu garsu pasaulinei auditorijai, labai svarbu atsižvelgti į daugiaplatformį suderinamumą. Skirtingi įrenginiai ir naršyklės gali turėti skirtingą „Web Audio API“ ir jos erdvinio garso funkcijų palaikymo lygį.

• Naršyklių suderinamumas: Išbandykite savo programą skirtingose naršyklėse („Chrome“, „Firefox“, „Safari“, „Edge“), kad įsitikintumėte, jog erdvinis garsas veikia teisingai. Kai kurioms naršyklėms gali prireikti įjungti tam tikras vėliavėles ar nustatymus.
• Įrenginio galimybės: Mobilieji įrenginiai paprastai turi mažiau apdorojimo galios nei staliniai kompiuteriai, todėl svarbu optimizuoti erdvinio garso įgyvendinimą mobiliosioms platformoms. Apsvarstykite galimybę naudoti žemesnės kokybės garso failus ir riboti garso šaltinių skaičių.
• Atkūrimas per ausines ir garsiakalbius: Erdvinis garsas yra efektyviausias, kai jį patiriama per ausines. Pateikite aiškias instrukcijas vartotojams naudoti ausines geriausiai patirčiai. Atkuriant per garsiakalbius, erdvinio garso efektas gali būti mažiau ryškus.
• Prieinamumo aspektai: Nors erdvinis garsas gali būti naudingas vartotojams su regos negalia, svarbu užtikrinti, kad jūsų programa būtų prieinama ir vartotojams su klausos negalia. Pateikite alternatyvias grįžtamojo ryšio formas, tokias kaip vizualūs signalai ar haptinis grįžtamasis ryšys.

Pavyzdžiui, pasaulinė e. mokymosi platforma, teikianti virtualias kalbų mokymosi patirtis, turėtų užtikrinti, kad jų WebXR programa teiktų nuoseklią erdvinio garso kokybę įvairiuose įrenginiuose ir naršyklėse, kad atitiktų studentų su įvairiomis technologinėmis sąlygomis poreikius.

Erdvinio garso ateitis WebXR

Erdvinio garso sritis nuolat vystosi, ir horizonte yra daug įdomių pokyčių. Kai kurios ateities erdvinio garso tendencijos apima:

• Personalizuoti HRTF: Ateityje gali būti įmanoma sukurti personalizuotus HRTF kiekvienam individualiam vartotojui, atsižvelgiant į jo unikalią galvos ir ausų formą. Tai žymiai pagerintų erdvinio garso patirčių realizmą ir tikslumą.
• Objektu pagrįstas garsas: Objektu pagrįstas garsas leidžia garso dizaineriams kurti garso turinį, kuris yra nepriklausomas nuo atkūrimo aplinkos. Tai reiškia, kad erdvinio garso patirtis gali būti pritaikyta prie specifinių vartotojo ausinių ar garsiakalbių savybių.
• Dirbtiniu intelektu pagrįstas garso apdorojimas: Dirbtinis intelektas (DI) gali būti naudojamas pagerinti erdvinio garso patirčių kokybę ir realizmą. Pavyzdžiui, DI gali būti naudojamas automatiškai generuoti kambario efektus arba simuliuoti garso bangų užstojimą aplinkos objektais.
• Integracija su 5G: 5G technologijos atsiradimas leis pasiekti didesnį pralaidumą ir mažesnį vėlavimą, o tai leis sukurti sudėtingesnes ir labiau įtraukiančias erdvinio garso patirtis WebXR.

Išvada

Erdvinis garsas yra galingas įrankis, skirtas pagerinti WebXR patirčių įsitraukimą ir realizmą. Suprasdami erdvinio garso apdorojimo principus ir efektyviai naudodami „Web Audio API“, galite sukurti išties tikėtinas ir įtraukiančias virtualias bei papildytas aplinkas. Technologijai toliau tobulėjant, ateityje galime tikėtis dar sudėtingesnių ir realistiškesnių erdvinio garso patirčių. Nesvarbu, ar tai būtų virtualios muziejaus ekskursijos realizmo didinimas studentams Europoje, ar intuityvių garso signalų teikimas AR pagrįstoje mokymo simuliacijoje technikams Azijoje, galimybės yra didžiulės ir daug žadančios. Nepamirškite teikti pirmenybę optimizavimui ir daugiaplatformiam suderinamumui, kad užtikrintumėte sklandžią ir prieinamą patirtį visiems vartotojams, nepriklausomai nuo jų vietos ar įrenginio.