Звук как маяк: Направляя внимание в виртуальной реальности

Автор: Денис Аветисян

Новое исследование показывает, как пространственный звук может использоваться для мгновенного привлечения внимания пользователя в XR-средах, но требует точной калибровки восприятия.

Пока крипто-инвесторы ловят иксы и ликвидации, мы тут скучно изучаем отчетность и ждем дивиденды. Если тебе близка эта скука, добро пожаловать.

Купить акции "голубых фишек"

Для пространственного моделирования звука использовалась сфера радиусом пять метров, на поверхности которой равномерно размещены девяносто виртуальных источников звука; горизонтальное разрешение, охватывающее полный круг в 360 градусов с шагом 20 градусов, сочетается с вертикальным разрешением от -60 до 60 градусов с шагом 30 градусов, формируя тем самым всеобъемлющую звуковую среду.

Оценка эффективности пространственных звуковых сигналов для быстрого привлечения внимания в расширенной реальности (XR) и выявление факторов, влияющих на их результативность.

В условиях растущей сложности систем расширенной реальности (XR) обеспечение быстрого привлечения внимания пользователя к критическим сигналам остается сложной задачей. Настоящее исследование, ‘Evaluating Spatialized Auditory Cues for Rapid Attention Capture in XR’, посвящено оценке эффективности пространственного звука как мгновенного механизма направления внимания. Полученные результаты демонстрируют, что даже кратковременные звуковые сигналы способны передавать грубую информацию о направлении источника, при этом кратковременная калибровка значительно улучшает восприятие. Каковы пределы точности, достигаемой за счет пространственного звука, и как его можно оптимально комбинировать с другими сенсорными модальностями для создания действительно эффективных систем оповещения в XR?

Звуковая Локализация: Вызов для Имерсивных Пространств

Точное определение местоположения источника звука имеет решающее значение для создания эффекта полного погружения в расширенной реальности (XR). Однако, восприятие звука в пространстве не всегда однозначно, и возникают сложности в различении переднего и заднего, верхнего и нижнего направлений. Эти перцептивные неоднозначности представляют собой серьезную проблему, поскольку мозг человека не всегда способен точно определить источник звука, особенно при использовании наушников в XR-среде. В результате, даже незначительные ошибки локализации могут существенно снизить ощущение присутствия и реалистичности, а также повлиять на способность пользователя ориентироваться и взаимодействовать с виртуальным миром. Исследования показывают, что успешное преодоление этих сложностей требует разработки новых алгоритмов и методов пространственного аудио, учитывающих особенности человеческого слуха и восприятия.

В естественной среде звуки достигают ушей, отражаясь от различных поверхностей и изменяя свою интенсивность и тембр, что позволяет мозгу точно определять направление и расстояние до источника. Однако при воспроизведении звука через наушники в системах расширенной реальности (XR) эти естественные акустические подсказки теряются. Мозг, привыкший к обработке звука в свободном поле, сталкивается с упрощенной акустической картиной, что приводит к снижению точности локализации звука и, как следствие, к уменьшению чувства присутствия.

Ограничения в восприятии звука оказывают существенное влияние на эффективность пространственного аудио в приложениях расширенной реальности (XR). Неспособность точно определить направление звука, особенно в вертикальной и продольной плоскостях, снижает способность пользователя ориентироваться в виртуальном пространстве и быстро реагировать на важные сигналы. Это может привести к задержкам в принятии решений, снижению эффективности обучения в симуляциях и ухудшению общего ощущения присутствия. В частности, для приложений, где звуковая информация является критически важной — например, для систем предупреждения об опасностях или навигации — неточность локализации звука может иметь серьезные последствия, снижая доверие к системе и затрудняя выполнение задач. Поэтому, разработка методов улучшения точности локализации звука является ключевой задачей для создания действительно иммерсивных и полезных XR-приложений.

В ходе пользовательского исследования участники указывали направление, откуда, по их мнению, исходил сигнал после каждой стимуляции.

Воспроизведение Реалистичного Пространственного Звука: Использование Бинауральных и Монауральных Подсказок

Пространственная аудиосистема стремится воссоздать трехмерное звуковое пространство, моделируя взаимодействие звука с головой и ушами слушателя. Это достигается за счет использования бинауральных подсказок, в частности, разницы во времени прибытия звука к обоим ушам (ITD) и разницы в уровне звукового давления (ILD). ITD определяет относительное время прибытия звуковой волны к левому и правому уху, что позволяет локализовать источник звука по горизонтали. ILD, в свою очередь, возникает из-за акустической тени, создаваемой головой, и также способствует определению горизонтального местоположения источника звука. Точное моделирование этих параметров необходимо для создания реалистичного и убедительного пространственного звучания.

Эффективная пространственная локализация звука напрямую зависит от точного моделирования акустических сигналов, фильтруемых головой, туловищем и ушной раковиной. Для этого используются передаточные функции, связанные с головой (HRTF), представляющие собой набор фильтров, описывающих изменения звука по мере его распространения от источника к барабанной перепонке. HRTF учитывают дифракцию, отражение и поглощение звуковых волн, создавая уникальную акустическую «подпись» для каждого направления звука. Различные HRTF существуют для разных людей, отражая индивидуальные анатомические особенности, что делает персонализированные HRTF важными для достижения высокой точности и реализма в пространственном аудио.

Помимо бинауральных сигналов, таких как разница во времени прибытия звука к ушам (ITD) и разница в уровне звука (ILD), моноауральные сигналы играют важную роль в восприятии пространственного звука. Эти сигналы, воспринимаемые одним ухом, предоставляют информацию о вертикальном положении источника звука (высоте) и позволяют различать звуки, идущие спереди и сзади. Например, изменения в спектральных характеристиках звука, фильтруемые ушной раковиной, кодируют информацию о возвышении, а взаимодействие звука с головой и плечами создает отличимые паттерны для определения направления по горизонтали. Комбинация бинауральных и моноауральных сигналов значительно повышает реалистичность и точность воссоздаваемого звукового пространства.

Визуализация ошибок локализации в горизонтальной (азимут θ) и вертикальной (элевация φ) плоскостях показывает, что наибольшие погрешности возникают в направлениях перед-зад, лево-право и вверх-вниз, что позволяет выявить проблемные области для улучшения точности определения местоположения.

Оптимизация Рендеринга Пространственного Звука для Иммерсивных Опытов

В рамках исследования для обеспечения точной локализации звука использовался широкополосный стимул, основанный на белом шуме. Применение белого шума позволило максимизировать доступность как бинауральных, так и моноауральных слуховых сигналов. Бинауральные сигналы, включающие меж-ушные временные и интенсивные различия, предоставляют информацию о направлении источника звука, в то время как моноауральные сигналы, такие как спектральные характеристики, способствуют определению расстояния до источника и его общей акустической обстановке. Комбинация этих сигналов обеспечивает более надежную и точную систему пространственного слуха, что критически важно для создания реалистичных иммерсивных впечатлений.

Для создания пространственного звука, повышающего реалистичность восприятия в Head-Mounted Display (HMD), был использован движок рендеринга Steam Audio. Данный движок использует Head-Related Transfer Functions (HRTF) — передаточные функции, относящиеся к голове — для моделирования того, как звук изменяется при прохождении от источника к ушам слушателя. Применение HRTF позволяет точно воспроизводить направление и расстояние до звукового источника, создавая иллюзию трехмерного звукового пространства и улучшая эффект погружения пользователя в виртуальную или дополненную реальность.

Для повышения точности позиционирования звука в виртуальной реальности была реализована фаза визуо-аудиальной калибровки. Данная процедура позволила сопоставить рендерируемый звук с визуальной средой, что привело к снижению средней 3D угловой ошибки с 69.19 градусов до 65.38 градусов. Уменьшение угла ошибки указывает на улучшение согласованности между воспринимаемым звуком и его источником в виртуальном пространстве, что способствует более реалистичному и захватывающему пользовательскому опыту.

В результате проведения калибровки удалось повысить точность локализации звука. До проведения калибровки, 27.65% испытаний попадали в конус в 45 градусов, а после калибровки этот показатель увеличился до 33.01%. Аналогично, доля испытаний, попадающих в конус в 60 градусов, возросла с 44.18% до 49.08% после калибровки. Данные изменения свидетельствуют о повышении соответствия между визуальной и звуковой информацией, что способствует более реалистичному восприятию окружающего пространства в иммерсивных приложениях.

Анализ результатов показал статистически значимое снижение средней угловой ошибки локализации звука после проведения калибровки. В частности, ошибка в фронтальной области снизилась до 11.9 градусов (p=0.04), а в левой области — до 5.43 градусов (p=0.03). Данные значения демонстрируют улучшение точности позиционирования звука в этих ключевых областях восприятия, что свидетельствует об эффективности предложенного метода визуо-аудио калибровки для повышения реалистичности иммерсивного опыта.

Перспективы Развития: Расширение Границ Иммерсивного Звука

Работа над ключевыми проблемами локализации звука открывает новые возможности для создания более реалистичных и захватывающих эффектов присутствия в расширенной и виртуальной реальности (XR). Преодолевая ограничения традиционных методов, которые часто приводят к неточному позиционированию звуковых источников, данное исследование позволяет пользователям более естественно воспринимать звуковое окружение. Это достигается за счет усовершенствованных алгоритмов, учитывающих индивидуальные особенности слуха и геометрию пространства, что позволяет формировать звуковую картину, максимально приближенную к реальной. В результате, звуки воспринимаются не просто как аудиосигналы, а как неотъемлемая часть виртуального мира, усиливая эффект погружения и повышая уровень взаимодействия с цифровой средой.

Дальнейшие исследования сосредоточены на усовершенствовании процесса калибровки и изучении динамической персонализации HRTF с учетом индивидуальных особенностей слуха. В частности, планируется разработка алгоритмов, адаптирующих звуковое поле к уникальной анатомии ушной раковины и головы каждого пользователя, что позволит добиться более точной локализации звука и реалистичного восприятия пространства. Такой подход предполагает использование данных, полученных в процессе индивидуального прослушивания, для автоматической настройки параметров HRTF в реальном времени, учитывая даже незначительные изменения в положении головы и окружающей среде. Подобная адаптивность позволит значительно повысить степень погружения в виртуальную и дополненную реальность, создавая иллюзию присутствия и достоверности звукового окружения для каждого отдельного пользователя.

Усовершенствованный подход к локализации звука открывает широкие перспективы для различных областей применения. В игровой индустрии и сфере развлечений это позволит создать более реалистичные и захватывающие звуковые ландшафты, усиливающие эффект присутствия. В сфере обучения и моделирования, точное позиционирование звука критически важно для повышения реалистичности тренировочных сценариев, особенно в сложных условиях, требующих быстрой реакции. Не менее значимо применение данной технологии в создании вспомогательных средств для людей с нарушениями слуха или зрения, где пространственная информация о звуке может компенсировать недостаток других сенсорных данных, значительно улучшая качество жизни и расширяя возможности взаимодействия с окружающим миром.

Конечной целью исследований является создание бесшовного звукового опыта, значительно усиливающего ощущение присутствия в виртуальной и дополненной реальности. Разрабатываемые технологии стремятся к тому, чтобы звуковое восприятие стало неотъемлемой частью виртуального мира, позволяя пользователям ощутить полную иллюзию реальности и взаимодействия с окружающей средой. Это открывает новые возможности для создания захватывающих развлечений, эффективных обучающих симуляций и инновационных средств поддержки для людей с ограниченными возможностями.

Исследование, посвященное оценке пространственного звука как механизма привлечения внимания в расширенной реальности, подчеркивает, что системы, даже самые передовые, неизбежно подвержены влиянию времени и ограничений восприятия. Как отмечает Брайан Керниган: «Простота — это высшая степень совершенства». В данном контексте, простота и ясность пространственного звука, его способность предоставлять грубую направленность, важна, несмотря на присущие ему неоднозначности. Стабильность системы внимания, достигаемая за счет кратковременной перцептивной калибровки, может оказаться лишь временной задержкой перед необходимостью адаптации к изменяющимся условиям, что согласуется с философским взглядом на старение систем и их неизбежную эволюцию.

Куда же дальше?

Представленное исследование, оценившее возможности пространственного аудио как механизма привлечения внимания в расширенной реальности, выявило закономерную неоднозначность. Звук, как и любое другое средство коммуникации, не является абсолютным указателем, а скорее — вероятностным ориентиром. Попытка использовать его для мгновенного захвата внимания напоминает попытку удержать воду решетом — эффект есть, но кратковременный и требующий постоянной подпитки. При этом, наблюдаемая необходимость в кратковременной перцептивной калибровке указывает на то, что системы взаимодействия, полагающиеся на пространственное аудио, неизбежно подвержены «износу» — пользователю требуется постоянное подтверждение корректности направлений, иначе эффект рассеивается.

Дальнейшие исследования должны сместить фокус с простой локализации звука на моделирование когнитивных процессов, лежащих в основе восприятия. Необходимо учитывать, как пространственное аудио взаимодействует с другими сенсорными модальностями, а также с контекстом и ожиданиями пользователя. Представляется перспективным исследование адаптивных систем, способных динамически калибровать пространственное аудио на основе индивидуальных особенностей восприятия и текущей когнитивной нагрузки.

В конечном счете, вопрос не в том, насколько точно можно локализовать звук, а в том, как долго система сможет поддерживать иллюзию надежной направленности. Инфраструктура, подобно естественным циклам, подвержена эрозии — «технический долг» в данном случае проявляется в необходимости постоянной перекалибровки и адаптации. Истинная задача состоит в создании систем, которые стареют достойно, а не пытаются обмануть время.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2601.21264.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-01-30 23:59