3D游戏中的声音设计要素Aspects of 3D Audio

本文由微博用户@SounDoer翻译，读者薛云升推荐。内容来自游戏音频引擎 FMod 和 Sound Librarian 合作的 FMOD Online Courses Demo，点此访问原文。

虽然是有关游戏3D音频，但其中提到的几个要素都是提炼自声学基础理论的，且同样适用于立体声工作实践中，比如非3D游戏音频、电影声音设计等。另，不要将此处的 3D Audio，同 Binaural Audio 想混淆。Binaural Audio 一般特制采用了人头录音方式制作的音频，并且会运用在游戏 3D Audio 设计中。@SounDoer 编译，原文题为“Aspects of 3D Audio”，译者切合实际内容将中文名定为“3D游戏中的声音设计要素”。若翻译有误望不吝指正。

1.位置（Position）

3D音频是应用在3D游戏世界中的，这意味着声音（译者注：包括声源位置、声音传播路径等）与该世界中的任何事物都有一个明确的相对位置关系。声源（Emitter）的位置将会决定声音是如何传播到听者（Listener）的。

相对位置（Relative Position）包含了听者与声源以及两者之间运动时相对关系的信息，可能是3D音频中最重要的一个因素了。

2.振幅（Amplitude）

我们所感知的声音的振幅（或者说是音量）大小，实质上是反映了声音在空气中传播时的能量强弱。声波的能量越大，则声音听起来越响。

声音在空气中传播时，能量随着距离增大而衰减，所以当我们远离声源时音量会减小。3D音频需要模拟这样的声学特征。

3.3D最近/最远距离（3D Min and Max Distance）

下图表明了3D音频的最小与最大值之间的关系，纵轴是某声音的振幅值。具体的振幅数值无关紧要，重要的是声音的振幅在原点至最近距离之间都保持一致。

这意味着当听者处于原点与最近距离之间的位置时，听到的声音音量将保持不变（即设定的最大音量）。一旦超过了最近距离时，振幅就开始减弱，右图中曲线即为声音衰减时所遵循的规律曲线（译者注：现实中声音衰减遵循平方反比定律）。

声音的振幅会一直减弱（如图中衰减所示）直到到达最远距离。这时振幅将不再减弱，声音将会保持至无限远。注意，如果将最远距离设置得离最近距离足够远，那么声音衰减曲线看上去最终像是减弱到了零。

选择不同的衰减曲线将会明显改变声音的传播特性。下图中的衰减曲线在保持最近和最远距离不变的情况下，由之前的对数关系（Logarythmic）变成了线性关系（Linear），由此可以明显观察到，不仅声音的衰减方式改变了，而且在最大距离处，振幅维持在了一个比之前更高的数值之上。（译者注：上述模型均指在游戏设计中的实现方式，并非与现实世界相同。）

我们从另一个角度的图示来解读上述同样的信息。同现实中一样，声源点呈球状向外发射声波（Emanate Spherically），3D最近距离确定了声音传播多远后开始衰减，如图中橙色区域所示。在这个区域之内，即使声音是由点声源发出的，也将保持在设定的音量之上。超出最近距离之后，声音将向着最远距离开始衰减。（译者注：图中蓝色实线标明的是 Sound Size，即声音尺寸，可以理解为声音在听感上给人的尺寸大小，很大程度上同声源本身的大小有关。）

4.阻挡（Obstruction）

阻挡，是指声音在传播至听者的直接路径上被某些物体部分遮挡，因此声波会绕过障碍物传递到听者处。阻挡效果并不是指声波的传播路径完全被阻碍，所以听上去的感觉与掩蔽（Occlusion）效果并不一样。你可以通过这样的方式来演示阻挡现象：对某人说话时在嘴巴前放一本书，你会发现说话的音调和音色都有了变化，高频成分被反弹回来而另一些频率部分则绕过了障碍。

5.掩蔽（Occlusion）

在实际游戏设计中加入掩蔽，是为了模拟声音穿过关闭的门或者坚实的墙时的效果。与阻挡效果类似，掩蔽一般也通过降低整体音量和使用滤波器（保证低频的同时削减高频成分）的方式来实现。

3D音频中的阻挡和掩蔽效果需要大量的运算量才能实现，所以建议只在需要实现特殊效果的时候有节制地使用。

你可以通过这样的方式来演示掩蔽现象：站在门前对某人说话时完全把门关上。你会发现这时的声音的变化效果会比上述的阻挡更加明显，因为门把更多的声波运动给阻挡了，音量降低了更多而且滤波效果也愈加显著。

由于阻挡和掩蔽效果的高运算量，通常还会有其他不需要持续计算的方式来实现同样的效果。（译者注：阻挡和掩蔽两词可能翻译不够确切，精确含义及区别建议查询原英文单词。）

6.角度（Angle）

角度是指听者与声源传播方向之间的相对位置关系。当有人站定朝着某一方向持续讲话，你围绕着他走动时会发现，声音变得不再像站在演讲人面前时听起来那样了。（译者注：典型的离轴现象。）

绝大多数声源发声时都有特定的方向。声波从声源点开始球状地向外扩散，但在某个声音特定传播方向上会有更强的声压级，而在其他有阻挡和掩蔽效应的方向上声能就被削弱了。当你站在演讲者身后时，他的头和嘴就阻碍了声音的传播。

7.自转（Rotation）

俯视图（Plan View），特定传播方向的发声源（Emitter）。

自转与上述的角度概念相关，只是它侧重的是听者自身的旋转角度。最简单的示例就是你自己头部的转动，声音传播方向与你耳朵之间的相对角度会因为头部的转动而改变。如果有一个声音原本在你的右边，当你把头转向声源时，声音就会从原来右耳听到比较多的情况，变成从正中间传过来的感觉。实际上，转动头部正是我们精确定位声源位置的方法。（译者注：依靠的是细微的声压级差和相位差等信息来定位声源。）

如果要在3D游戏中实现头部转动效应，这需要系统能够支持“头部相关转换函数”（Head Related Transfer Function，HRTF）。HRTF会调用3D环境中声音的位置信息，然后根据声音相对于头部转动的变化进行计算。由于该技术需要特殊的软件来支持，所以这种方式在目前的游戏设计中并不常见，不过现在世界各地有一些团队正在努力做进一步的研发。