Implementação de Som 3D em Jogos

Já reparou como a questão do som parece ser especialmente importante para os gamers que competem profissionalmente em esports, como em Counter-Strike ou Valorant?

Reparou como os entusiastas de FPS, sejam amadores ou em partidas rankeadas, estão sempre em busca do melhor tipo de fone de ouvido que eles podem ter?

Para jogadores casuais, essa questão pode não ser tão relevante, mas para quem precisa realmente OUVIR o mundo a seu redor, isso pode ser a diferença entre perder ou vencer uma partida.

Isso acontece por causa do som 3D, ou som ambiental ou som espacial, que simula a real direção de um som. Esses sons ambientais na maioria dos jogos, como tiros e passos, vêm com efeitos sonoros tridimensionais que as tecnologias de jogos estão cada vez melhores em emular em jogos feitos em engines como Unity (site oficial) e Unreal Engine (site oficial).

Um bom som 3D fornece mais informações auditivas aos jogadores para ajudá-los a identificar as posições de seus companheiros/inimigos por meio da voz, passos, tiros e sentir sua presença como no mundo físico. Isso torna a experiência de jogo mais conveniente e divertida.

Muitos desenvolvedores de jogos podem perguntar: Como funciona o som 3D? Como faço para adicioná-lo aos meus jogos? Para responder essas dúvidas, vamos falar um pouco sobre a tecnologia de som em 3D e, se ficar com dúvidas, deixe um comentário.

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Como Determinar as Posições da Fonte Sonora?

Podemos determinar a posição de uma fonte sonora principalmente porque o som atinge os ouvidos esquerdo e direito em momentos diferentes, e as intensidades e outras métricas também são diferentes.

Especificamente, identificamos a posição horizontal com base nas diferenças de tempo, nível sonoro e timbre entre sinais binaurais. A orelha atua como um filtro pente para ajudar a identificar a posição vertical de uma fonte sonora composta. A localização do som também depende de fatores como nível sonoro, espectro e experiência pessoal ao atingir a cabeça do ouvinte.

Para isso, uma HRTF é necessária. Pode ser considerado um processo de filtragem abrangente, onde os sinais sonoros viajam da fonte sonora para ambos os ouvidos. O processo inclui filtragem de ar, reverberação no ambiente, dispersão e reflexão no corpo humano (como tronco, cabeça e aurícula), etc.

A implementação do recurso de virtualização 3D em tempo real não envolve apenas ligar para a HRTF. Também envolve mapear o espaço virtual do jogo para o ambiente da vida real e realizar operações de alta frequência. O processo de implementação é resumido da seguinte forma.

Suponha que haja N jogadores conectados a um jogo. Dados os elevados requisitos de tempo real no jogo, o terminal de cada jogador deve receber pelo menos (N-1) pacotes contendo informações de voz e informações de posição relativa dentro de uma unidade de tempo de 20 ms, a fim de garantir uma experiência de jogo tranquila.

Com base nas informações de posição relativa, o modelo HRTF de alta precisão no algoritmo de áudio 3D é utilizado para processar as informações de som, com as informações sobre presença de obstáculos no caminho, sons ambientes no jogo (como o som de corrida água e eco em uma sala), etc. Desta forma, o som 3D realista em tempo real é renderizado nos dispositivos dos jogadores.

Todo o processo exige muita computação e alguns dispositivos de gama baixa/média podem não ser capazes de lidar com isso. Como minimizar o uso de recursos nos dispositivos dos jogadores e, ao mesmo tempo, garantir uma experiência de jogo tranquila continua sendo um desafio do setor.

Além disso, algumas bibliotecas HRTF podem resultar em séria atenuação para algumas frequências em sinais de áudio, principalmente os sons de instrumentos musicais com diversos componentes de frequência. Isso não apenas afeta a precisão da localização do som, mas também embota os sons do instrumento nos sons ambientes de saída.

O que é a HRTF?

De acordo com a Wikipédia, uma Head-Related Transfer Function, ou HRTF, é uma resposta que caracteriza como um ouvido recebe um som de um ponto no espaço.

À medida que o som atinge o ouvinte, o tamanho e o formato da cabeça, dos ouvidos, do canal auditivo, a densidade da cabeça, o tamanho e o formato das cavidades nasais e orais, todos transformam o som e afetam a forma como ele é percebido, aumentando algumas frequências e atenuando outras.

De modo geral, o HRTF aumenta frequências de 2–5 kHz com uma ressonância primária de +17 dB a 2.700 Hz. Mas a curva de resposta é mais complexa do que um único impacto, afeta um amplo espectro de frequência e varia significativamente de pessoa para pessoa.

Um par de HRTFs para dois ouvidos pode ser usado para sintetizar um som binaural que parece vir de um determinado ponto no espaço. É uma função de transferência, que descreve como um som proveniente de um ponto específico chegará ao ouvido (geralmente na extremidade externa do canal auditivo).

Alguns equipamentos de entretenimento domésticos são projetados para reproduzir som surround de fones de ouvido estéreo (dois alto-falantes) usam HRTFs. Algumas formas de processamento HRTF também foram incluídas em software de computador para simular a reprodução de som surround de alto-falantes.

Por que ter Mais Realismo nos Jogos?

Além da pesquisa e investimentos em novos e melhores hardwares para deixar os jogos visualmente mais bonitos, mas esse forte foco na fidelidade gráfica deixou poucos recursos para pesquisa e desenvolvimento de áudio de jogo mais realista. Contudo, há um interesse crescente em maior realismo e maior fidelidade no áudio, especialmente no campo dos esports.

Tópicos como renderização de áudio 3D, simulação realista de sala e propagação de som estão recebendo mais atenção para finalmente criar áudio totalmente realista em jogos.

Os designers de áudio sempre terão que adaptar criativamente um ambiente simulado às necessidades do jogo. É semelhante à atenuação sonora, raramente baseada em uma simulação fisicamente correta da diminuição do nível de pressão sonora e da intensidade percebida. O áudio de última geração apresenta a necessidade de ser cuidadosamente integrado ao conteúdo de um jogo com um extenso conjunto de ferramentas que permite aos designers alcançar plenamente suas visões criativas.

Porém, uma das principais armadilhas no esforço para alcançar um nível mais elevado de realismo é que a verdadeira realidade acústica é impossível, e muitas vezes indesejável, de alcançar. O verdadeiro objetivo deve ser um mundo auditivo autêntico, com sensação natural e de alta-fidelidade e não, necessariamente, um som completamente realista.

Devo Fazer Todo meu Som em 3D?

Imagine que você está tentando ouvir de onde vem seus inimigos para não ser pego de surpresa e, de repente, surge atrás de você um narrador que começa a contar uma história, andando de um lado para o outro, atrapalhando você de ouvir o que você realmente quer saber. Fica um pouco complicado, não é?

Embora o áudio 3D seja uma ferramenta fantástica no kit de ferramentas do desenvolvedor de jogos, se não for usado com cuidado, o áudio 3D pode distrair. Por exemplo, a reprodução mono ainda é preferida para narração e o estéreo é preferido para música.

O som espacial em 3D é utilizado em espaços de jogos para ajudar os jogadores a experimentar o som como na vida real – sons acontecendo ao seu redor, imersos na experiência, talvez até mesmo fazendo-os esquecer de usar fones de ouvido. Este fenômeno, denominado externalização, tem como objetivo ajudar os jogadores a discernir quais sons fazem parte da cena.

A razão é que, ao usar fones de ouvido, você localizará o som dentro de sua cabeça, e não ao seu redor. Isso é chamado de localização interna da cabeça (IHL). É aqui que as ondas sonoras que viajam dos alto-falantes esquerdo e direito se encontram – dentro da nossa cabeça. À medida que nos acostumamos com isso, com a introdução do áudio 3D fica mais claro que esse hábito pode se tornar um problema.

A chave para tornar o áudio espacial mais eficaz é garantir que o jogador possa discernir imediatamente o contexto dos sons que está ouvindo. Por exemplo, se o som de uma voz pudesse ser localizado, ao mover-se pela cena, o jogador saberia que o som faz parte da cena (som 3D). Ou seja, deve haver outro personagem por perto falando.

Se o som não puder ser localizado ao se movimentar pela cena (som mono), portanto é independente de qualquer movimento, o jogador entenderia que a voz não representa um personagem da cena. Portanto, deve ser uma forma de narração, dando informações sobre a cena, sem ser representada visualmente.

O que Esperar do Som 3D em Jogos?

Assim como os gráficos estão evoluindo, o futuro do áudio nos jogos também passará por melhorias na simulação de som em salas em tempo real. Embora a simulação de obstrução sonora em videogames com métodos simples de emissão de raios seja comum há anos, métodos mais sofisticados de oclusão, absorção, transmissão e propagação de som operando com operações de rastreamento de raios ainda são incomuns.

Agora que mais pessoas têm melhor acesso a hardware de alto desempenho na forma de consoles de geração atual ou computação em nuvem via streaming, essas tecnologias começarão a parecer cada vez mais viáveis.

Mas mesmo no seu estado de futuro próximo, mesmo a mais avançada tecnologia de simulação de salas ainda teria espaço para melhorias, como a criação de sistemas de reflexão precoce mais sofisticados e otimizados que utilizam todas as vantagens do áudio 3D.

O posicionamento exato das primeiras reflexões de primeira ordem, que não são apenas especializadas, mas também têm seus próprios valores de oclusão calculados, proporcionará uma expansão sonora mais natural das ondas de áudio em um ambiente simulado.

FAQ Rápido sobre Implementação de Som 3D em Jogos

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