Wave field synthesis

Synteza pola falowego (WFS) – technika przestrzennego renderowania dźwięku, charakteryzująca się tworzeniem wirtualnych środowisk akustycznych. Polega na wytworzeniu sztucznych frontów falowych syntetyzowanych przez dużą liczbę indywidualnie napędzanych głośników. Tego typu fronty falowe wydają się pochodzić z wirtualnego punktu początkowego, wirtualnego źródła lub hipotetycznego źródła.

W przeciwieństwie do tradycyjnych technik uprzestrzennienia, takich jak dźwięk stereo lub dźwięk przestrzenny, lokalizacja źródeł wirtualnych w WFS nie zależy, ani nie zmienia się wraz z pozycją słuchacza.

Metodę tę wynalazł Berkhout w 1988 roku na Uniwersytecie Technicznym w Delfcie w Holandii. Pierwszy system demonstracyjny składał się z 160 głośników. Unijny projekt badawczy (w ramach EU framework 6th) o nazwie CARROUSO, trwający w latach 2001–2003, znacznie rozszerzył i sprecyzował badania.

WFS opiera się na zasadzie Huygensa, znanej z teorii fal w naukach fizycznych. Matematyczną podstawą, jest całka dyfrakcyjna Kirchhoffa-Helmholtza (skalarna teoria dyfrakcji), która jest opisem zjawiska dyfrakcji.

W myśl tego zjawiska, każdy punkt przestrzeni, do którego dociera płaska fala, staje się źródłem elementarnej fali sferycznej. Fale te następnie interferują ze sobą, tworząc nowe czoło fali.

Czoło fali, zgodnie z zasadą Huygensa, zbudowane jest z wielu elementarnych fal. Synteza komputerowa wzbudza poszczególne głośniki, ustawione w rzędzie wokół słuchacza. Fala wydobywająca się z głośnika jest dokładnie falą elementarną, która jako część czoła wirtualnej fali, dotarła do punktu, w którym znajduje się głośnik.

Koncepcja

Istnieją trzy podstawowe techniki dźwięku przestrzennego:

• stereofonia (w skład której wchodzą także systemy surround),
• system binauralny – technika, w myśl której obraz dźwiękowy kształtuje się we wnętrzu naszej głowy; opiera się na użyciu słuchawek,
• holofonia – metoda, mówiąca o transmisji pola akustycznego.

Istnieją dwa podstawowe systemy realistycznej symulacji obrazu dźwiękowego: systemy binauralne oraz holofonia.

Podstawy fizyczne

• współczynnik opóźnienia: $r0/c$
• współczynnik amplitudy: ${\frac {{\sqrt {\frac {1}{2\pi }}}\cdot {\sqrt {\Delta r/\Delta r+r}}\cdot \cos(\phi )}{r}}$
• współczynnik filtracji: ${\sqrt {jk}}$

Implementacja

Dzięki WFS możliwe są do uzyskania:

• synteza źródeł dźwięku w jakimkolwiek miejscu w obrazie,
• synteza poruszających źródeł dźwięku w obrazie,
• symulowanie akustyki pomieszczenia, poprzez syntezę odbić.

Nie uzyskuje się żadnego obszaru aktywnego (ang. sweet spot), lecz jednorodny obszar odsłuchowy.

Bibliografia

• Berkhout A.J.: A Holographic Approach to Acoustic Control, J.Audio Eng.Soc., vol. 36, Dezember 1988, s. 977–995.
• Berkhout A.J., De Vries D., Vogel P.: Acoustic Control by Wave Field Synthesis, J.Acoust.Soc.Am., vol. 93, Mai 1993, s. 2764–2778.

Linki zewnętrzne

• Strona na temat Wave field synthesis Uniwersytetu Erlangen-Nuremberg. www-nt.e-technik.uni-erlangen.de. [zarchiwizowane z tego adresu (2008-12-04)].
• Podstrona na temat WFS i bliskiego pola akustycznego
• artykul WFS – obiecująca koncepcja dźwięku przestrzennego opublikowana w Journal of the Institute of Image Information and Television Engineers, 2007
• Slajdy z prezentacji podczas targów Tonmeistertagungz roku 2006 pod tytułem Principles and Applications of Stereophony, Binaural Techniques and Wave Field Synthesis
• Artykuły niemieckich badaczy z zakładu systemów audio, Instytutu Rundfunktechnik
• Artykuły i prezentacje na temat projektów WFS w Komunikacji Multimedialnej i Przetwarzania Sygnału, Uniwersytetu w Nurembergu. lnt.de. [zarchiwizowane z tego adresu (2005-08-24)].
• Strona poświęcona opisowi WFS w Institut de Recherche et Coordination Acoustique/Musique (IRCAM) w Paryżu
• Strona z prezentacjami z warsztatów na temat technologii WFS, które odbyły się na Uniwersytecie Technicznym w Ilmenau w Niemczech