Откуда идут шаги: пространственный звук в играх, HRTF и виртуальный 7.1
Если коротко: чтобы понять, откуда идут шаги, двух динамиков в наушниках достаточно. Направление мозг считывает не по тому, где стоит динамик, а по форме сигнала в каждом ухе: что пришло раньше, что громче и как ушная раковина «окрасила» тембр. Хорошая игра рисует эти подсказки сама — это и есть HRTF. Виртуальный 7.1 гарнитуры делает то же самое грубее, а если включить его поверх HRTF игры, подсказки накладываются друг на друга, и шаги начинают «плавать».
Это «Во что поиграть» — мы обычно разбираемся, во что сесть вечером, но вопрос «почему я не слышу, откуда идёт противник» прилетает к нам постоянно. Ответ на него лежит не в магазине гарнитур, а в том, как устроены слух и игровой звуковой движок. Разберём механизм, и настройки станут очевидны.
Почему направление — это не про динамики, а про подсказки
Ухо не видит, где источник. До барабанной перепонки доходит одна-единственная волна давления, у каждого уха своя. Всё, что мозг знает о направлении, он вычисляет, сравнивая эти два потока. Подсказок три.
Разница во времени. Звук слева дойдёт до левого уха чуть раньше, чем до правого: правому достаётся обходной путь вокруг головы. Задержка ничтожная, но слух её ловит. Разница в громкости. Голова отбрасывает «звуковую тень», и дальнее ухо слышит высокие частоты тише. Спектр. Складки ушной раковины, плечи и сама голова по-разному гасят и подчёркивают частоты в зависимости от того, пришёл звук спереди, сзади, сверху или снизу.
Набор этих искажений для каждого направления и называют передаточной функцией головы — HRTF (head-related transfer function). По сути это таблица фильтров: «звук с такого-то угла приходит в левое ухо вот таким, а в правое — вот таким». Подробно про физиологию — времена, частоты, опыты с зажатым ухом — мы уже писали в статье про то, как два уха определяют направление. Здесь важен вывод: направление закодировано в самом сигнале. Если подать в каждое ухо ровно то, что туда пришло бы от реального источника, мозг поверит.
Конус неопределённости: почему путаются «спереди» и «сзади»
Время и громкость отлично отвечают на вопрос «левее или правее». А вот на вопрос «спереди или сзади» — почти никак. Шаг ровно впереди-слева под 45° и шаг сзади-слева под 135° дают почти одинаковую разницу между ушами. Все такие точки лежат на воображаемом конусе вокруг оси, проходящей через уши, — его называют конусом неопределённости. На нём мозгу остаётся надеяться только на спектральные подсказки раковины, а они тонкие.
В наушниках с этим ещё хуже. Игровой HRTF снят не с ваших ушей, а с чужой головы или манекена. Ещё в 1993 году исследователи NASA проверили, как люди локализуют звук через наушники с такой «чужой» HRTF: в работе Wenzel и коллег у многих слушателей резко выросла доля ошибок «спереди/сзади» и «верх/низ» по сравнению с живыми источниками. При этом, если отбросить именно эти перевороты, для 12 из 16 человек точность по направлению оказалась сравнимой с реальной комнатой. То есть влево-вправо чужая HRTF работает почти идеально, а спереди-сзади — лотерея.
«Ага»-момент: мышь работает как поворот головы
В жизни мы разрешаем путаницу инстинктивно — чуть поворачиваем голову. Если источник спереди, после поворота направо он «уезжает» влево; если сзади — вправо. Именно это показали Wightman и Kistler в 1999 году: когда слушателям разрешали двигать головой, ошибки «спереди/сзади» почти исчезали. А во второй части опыта голову зафиксировали, но дали людям самим двигать источник — и путаница тоже пропала. Не помогало только движение, которое делал экспериментатор.
В шутере голова не двигается — зато вы сами двигаете камеру, а значит, и весь звуковой мир относительно себя. Ровно тот случай, когда слушатель управляет движением. Когда вы доворачиваете мышь, движок пересчитывает направление на каждый источник относительно взгляда, и звук сдвигается в ту же сторону, что сдвинулся бы при повороте головы. Поэтому опытные игроки на слух «не уверены» в первую долю секунды, а потом делают короткий доворот — и уверены. Это не чутьё, а та же самая механика, что в эксперименте. И отсюда первый практический вывод: всё, что мешает движку честно пересчитывать направление, мешает и вам.
Как игра превращает 3D-сцену в два канала
У игрового движка есть то, чего нет у фильма: точные координаты каждого звука. Он знает, что шаг — в трёх метрах за левым плечом и на этаж выше. Поэтому он может сделать бинауральный рендер напрямую: взять звук шага, выбрать из таблицы HRTF пару фильтров именно для этого угла и пропустить через них. На выходе — обычное стерео, но с «зашитыми» подсказками для каждого уха.
Так устроены движки пространственного звука. Например, в документации Valve Steam Audio бинауральный эффект описан именно так: источник пространственно обрабатывается через HRTF по его 3D-положению относительно слушателя, а сама HRTF «описывает, как звук с разных направлений воспринимается каждым ухом».
В играх это выглядит как переключатель. В Valorant его добавили в патче 2.06: в официальных патч-нотах Riot сказано, что с HRTF в 3D обрабатываются шаги, перезарядка и респауны в Deathmatch, профиль снят с одного набора измерений и поначалу может звучать непривычно, а все остальные «3D Audio»-обработки на время использования функции рекомендуют выключать. В Fortnite похожая опция называется «3D-наушники». Где-то бинаурал встроен в движок без отдельной галочки — тогда он просто работает, если выбран вывод на наушники.
Что на самом деле делает виртуальный 7.1
Теперь про кнопку «7.1» в софте гарнитуры. Это тоже HRTF, только применённая не к каждому звуку, а к восьми воображаемым колонкам вокруг головы: фронт, центр, бока, тыл (плюс сабвуфер). Игра сначала раскладывает все звуки по этим каналам, как для домашнего кинотеатра, а виртуализатор потом «ставит» каждую колонку на её место через HRTF и сводит всё в два канала.
В чём подвох. Шаг, который был ровно между боковой и тыловой колонкой, превращается в «немножко из одной, немножко из другой» — фантомный источник. Высоты в обычном 7.1 нет вовсе: все восемь колонок стоят в одной плоскости, и шаги этажом выше сползают на уровень ушей. Valve прямо пишет об этом в описании эффекта Virtual Surround в Steam Audio: смешать все источники в 7.1 и потом виртуализировать — быстрый способ получить приблизительный бинауральный рендер, который экономит процессор ценой точности позиционирования.
Значит ли это, что виртуальный 7.1 бесполезен? Нет. Если игра не умеет HRTF, но выдаёт честный многоканальный звук, виртуализация даёт больше, чем голое стерео, где тыл просто сложен с фронтом. Плохо становится тогда, когда её включают туда, где работа уже сделана.
Windows Sonic и Dolby Atmos — то же самое, только умнее
Системные пространственные режимы Windows устроены интереснее. По документации Microsoft Spatial Sound игра может отдавать не только каналы, но и «динамические объекты» с произвольными координатами в 3D, плюс статические каналы до раскладки 8.1.4.4 — в том числе четыре над слушателем и четыре под ним. Рендер в наушники делает выбранный формат: Windows Sonic for Headphones, Dolby Atmos for Headphones или DTS Headphone:X. Если игра этим API пользуется, вы получаете почти то же, что бинаурал внутри игры, и с высотой. Если не пользуется и выдаёт обычное 7.1 — Sonic и Atmos работают как тот же виртуальный 7.1.
Двойная обработка: почему шаги начинают «плавать»
Представьте, что игра уже честно прогнала шаг через свою HRTF и отдала стерео, в котором закодировано «сзади слева». Дальше включён виртуальный 7.1 гарнитуры или Windows Sonic. Он не знает, что сигнал уже обработан, и делает свою работу: раскладывает звук по виртуальным колонкам и снова фильтрует его HRTF — уже другой, со своими провалами и пиками.
Итог — на одном звуке два набора спектральных «отпечатков», от двух разных голов. Раз ошибки «спереди/сзади» у чужой HRTF и так главная проблема, то две чужие HRTF подряд — гарантированная каша: слух получает противоречивые подсказки, звук размазывается, тыл начинает выглядеть как фронт. Разницу во времени и громкости вторая обработка тоже искажает, поэтому плывёт даже «влево-вправо». Поэтому Riot и просит выключать другие 3D-режимы при включённом HRTF.
Отдельная деталь: многие эквалайзеры «для шутеров» задирают верх, чтобы шаги были громче. Громче — да, но спектральные подсказки раковины живут как раз в верхних частотах, и грубый подъём может их сломать. Если хочется слышать шаги лучше, сначала уберите лишние обработки, а уже потом крутите эквалайзер.
Миф: чем больше динамиков в наушниках, тем лучше слышно направление
Встречаются гарнитуры с «настоящим 7.1»: несколько маленьких динамиков в каждой чашке. Логика продавца понятна — колонок больше, значит, звук объёмнее. Но вспомните, с чего мы начали: в ухо приходит одна волна давления. Неважно, сколько излучателей её сформировали, — мозг получает два сигнала, по одному на ухо, и анализирует их форму.
А чтобы звук «пришёл сзади», нужен не динамик сзади, а сигнал, отфильтрованный так, как его отфильтровала бы ваша голова для источника сзади. «Тыловой» динамик в чашке стоит в паре сантиметров от уха, а не в двух метрах за спиной. Раковина не успевает сработать как фильтр для дальнего источника, голова не отбрасывает тень — подсказок, которыми пользуется мозг, не появляется. Плюс ко всему маленькие излучатели обычно хуже по частотному диапазону, чем один нормальный динамик.
Эксперимент NASA, о котором мы говорили выше, — по сути и есть опровержение мифа: два динамика обычных наушников с правильно рассчитанным сигналом дают направление, сравнимое с реальным источником (если не считать путаницы спереди-сзади, которую в игре лечит доворот мышью). Узкое место не в количестве динамиков, а в качестве сигнала. Поэтому в разговорах про «игровые» наушники полезнее смотреть на другие вещи — посадку, звукоизоляцию, ровность АЧХ, совместимость со звуковой картой.
Как настроить, чтобы слышать шаги
Всё следует из механизма, поэтому коротко:
Игра умеет HRTF (Valorant, Fortnite и другие с опцией вроде «HRTF» или «3D-наушники») → включить её в игре, вывод в игре — «наушники/стерео», в Windows пространственный звук — «Откл.», виртуальный 7.1 в софте гарнитуры — выключить.
HRTF нет, но игра выводит 5.1/7.1 → выбрать один виртуализатор: Windows Sonic, Dolby Atmos for Headphones или 7.1 гарнитуры. Не два сразу.
Игра поддерживает Microsoft Spatial Sound → Sonic или Atmos здесь работают с объектами и высотой, их стоит оставить, а внутриигровые 3D-режимы выключить.
Сомневаетесь → попробуйте оба варианта в пустом матче или на тренировочном полигоне: пусть друг ходит вокруг вас, а вы с закрытыми глазами показываете направление.
И дайте себе время. Чужая HRTF — как чужие очки: первые полчаса всё кажется странным, потом мозг подстраивается. Riot прямо советует тренировать слух в спокойной обстановке, а не судить о функции по первому рейтинговому матчу. Тем, кому хочется глубже — почему одни и те же наушники «правильно» звучат в игре и «внутри головы» в музыке, — пригодится наш разбор о сведении для наушников.
Коротко
Направление шагов мозг вычисляет по трём подсказкам в каждом ухе: время, громкость и спектральная «окраска» от головы и раковины. Всё это можно уложить в два канала — поэтому стерео-наушников хватает, а лишние динамики в чашке ничего не добавляют. Игра с HRTF рисует подсказки для каждого звука по его точным координатам; виртуальный 7.1 делает то же для восьми фиксированных точек и без высоты — это приблизительно. Включать оба сразу — значит фильтровать звук двумя чужими головами подряд. Путаницу «спереди/сзади» лечит короткий доворот мышью — это тот же приём, что поворот головы в жизни. Правило: в цепочке ровно один пространственный процессор.
Пока нет комментариев