Бинауральное аудио или что такое HRTF

HRTF расшифровывается, как Head Related Transfer Function, что в переводе на русский означает «Функция моделирования восприятия звука». Фактически, Transfer Function или передаточная функция — это особая математическая формула, которая отображает связь между некоторым набором данных. В нашем случае такими данными являются фазовая и частотная характеристики нашей головы. А если проще, это функция описывает, как именно наша голова изменяет звуки, которые достигают наших барабанных перепонок.

Такие изменения вызваны структурой нашей головы: форма носа, лба, рта, наличие волос, плотность костей, форма ушных раковин и т.д. Каждая наша особенность влияет на то, как звук будет трансформирован прежде чем достигнет наших барабанных перепонок. И эти изменения зависят не только от формы и особенностей головы — в случае, если источник звука находится снизу, его звучание будет зависеть и от наших плеч тоже. Каждое встреченное на пути «препятствие»  слегка изменяет звук, его частотную и фазовую характеристики.

В зависимости от того, откуда исходит звук (спереди, сзади, сверху, снизу), на его пути встречаются различные препятствия, а, следовательно, происходят и разные акустические деформации. Наш мозг отлично знает особенности, и используют их, чтобы определить направление звука.

Поэтому даже с закрытыми глазами, мы можем без проблем определять положение источника звука. Орган, который больше всего влияет на эти изменения, — это ушные раковины. Все их изгибы необходимы для того, чтобы улавливать акустические изменения звука произведенные окружающей средой, направлять звук внутрь уха, и усиливать его. Именно поэтому наши уши имеют такую «странную» форму, вместо, например, простых плоских отверстий.

Ниже пример функции HRTF с источником спереди (сплошная линия) и сзади (пунктирная).

Так, при получении сигнала, соответствующего сплошной линии, наш мозг понимает, что источник звука находится перед нами. А при пунктирной линии — наоборот, источник звука находится позади нас. Физиология, естественно, у каждого человека разная, и по этой причине функции моделирования восприятия звука разных людей никогда не будут одинаковыми. Тем не менее, существует определенное сходство между всеми HRTF, что позволяет нашему мозгу эффективно интерпретировать сигналы, которые были разработаны специально для других людей.

Более того, существуют специальные системы для «3D» записи по принципу функции моделирования восприятия звука. При их использовании на записи не просто явно читается положение инструмента слева и справа (одномерная запись), но также сверху, снизу и сбоку (трехмерная или бинауральная).

Одним из самых распространенных примеров такой системы является Neumann KU 100.

Это инструмент, имитирующий форму человеческой головы, с микрофонами вместо барабанных перепонок. Он был специально разработан компанией Neumann для записи аудио с применением HRTF. Это устройство прекрасно справляется со своей задачей. Прослушивание в наушниках записи, сделанной с помощью подобного инструмента, дает ощущение, будто вокруг играет живая группа.

Существуют также и программные HRTF-декодеры, которые позволяют связывать данные HRTF с конкретным сигналом, придавая ему пространственную трехмерность. Кроме того, интересное применение HRTF можно встретить практически во всех современных наушниках, где такую систему с имитацией фронтального источника встраивают для того, чтобы избежать эффекта «звук в голове». А это, между прочим, еще одна причина, из-за которой не стоит полностью ориентироваться на наушники при сведении.