Praktyczna implementacja dźwięku przestrzennego w technologii binauralnej i wielogłośnikowej
26 cze 2025
Technologie dźwięku przestrzennego stają się coraz bardziej dostępne. Nowoczesne rozwiązania oferują realistyczne wrażenia słuchowe – zarówno w systemach wielogłośnikowych, jak i binauralnych. Przedstawiamy przegląd praktycznych rozwiązań oraz ich znaczenie w powszechnie używanych formatach.
Spis treści
1. Wstęp: Czym jest dźwięk przestrzenny?
Dźwięk przestrzenny, zwany również 3D (trójwymiarowym), to sposób odwzorowania sceny dźwiękowej, który imituje naturalne doświadczenie słuchowe człowieka – odbieranie dźwięków z różnych kierunków i odległości. W codziennym życiu otacza nas bogate środowisko akustyczne: ptaki śpiewające w koronach drzew, szum przejeżdżających pojazdów w mieście, pogłos pomieszczenia, czy osoba mówiąca do nas zza naszych pleców. Nasz układ słuchowy intuicyjnie przetwarza te informacje, pozwalając nam zlokalizować źródła dźwięku i odczytać kontekst otoczenia.
Wyobraźmy sobie, że siedzimy w lesie. W oddali śpiewa ptak, z lewej strony słychać szelest liści, a gdzieś za plecami łamie się gałązka. Nasze uszy i mózg bezbłędnie lokalizują te dźwięki – wiemy, skąd pochodzą, czy się oddalają, czy zbliżają. To właśnie naturalne doświadczenie dźwięku przestrzennego. W rzeczywistości każdy z nas odbiera dźwięki przestrzennie – bez technologii, bez wysiłku.
Rys. 1. Przestrzenne środowisko dźwiękowe (soundscape) wokół słuchacza
Ilustracja przedstawia typowe źródła dźwięku w naturalnym otoczeniu człowieka – rozmowy, śpiew ptaków, hałas miejski – odbierane z różnych kierunków i odległości. Tego rodzaju spotykane na co dzień środowiska dźwiękowe stanowią punkt odniesienia dla technologii dźwięku przestrzennego.
Właśnie ten naturalny mechanizm stał się inspiracją dla rozwoju nowoczesnych technologii audio, które mają na celu nie tylko wierne odtwarzanie dźwięku, ale również rekonstrukcję jego przestrzennego charakteru. Dzięki zastosowaniu zaawansowanych algorytmów i systemów reprodukcji, możliwe jest dziś wytworzenie iluzji obecności w konkretnej przestrzeni akustycznej [1] – niezależnie od tego, czy odbiorca korzysta z rozbudowanego systemu głośnikowego, czy zwykłych słuchawek.
Dla zilustrowania idei dźwięku przestrzennego warto zapoznać się z poniższymi przykładami audiowizualnymi i doświadczyć takich efektów:
W lesie: Binaural Forest Ambience – naturalne źródła dźwięku wokół słuchacza
https://www.youtube.com/watch?v=RnJcURS807wW mieście: City soundscape – intensywne, wieloźródłowe środowisko
https://www.youtube.com/watch?v=snGKIlUJWHg&t=33sW sali koncertowej: Orchestra Hall Reverb – scena z przodu, pogłos z boków i tyłu
https://www.youtube.com/watch?v=qHJKhnXrUf4Z perspektywy dyrygenta: Inside the Orchestra – poczucie bycia w samym środku wydarzenia
https://www.youtube.com/watch?v=ZyJ-7vstPVY&t=59s
Z punktu widzenia projektowania dźwięku przestrzennego kluczowe są takie cechy jak:
wiarygodność przekazu – realistyczne odwzorowanie warunków akustycznych,
informacja kierunkowa – lokalizacja źródeł dźwięku, kluczowa np. w grach i systemach bezpieczeństwa,
naturalność odbioru – zbliżona do codziennego słyszenia,
interaktywność – zmienność sceny dźwiękowej w odpowiedzi na ruch i pozycję odbiorcy (np. w VR/AR).
W kolejnych częściach artykułu omówione zostaną kluczowe systemy i podejścia do realizacji dźwięku przestrzennego – zarówno z wykorzystaniem zestawów wielogłośnikowych, jak i w technologii binauralnej przystosowanej do odsłuchu na słuchawkach.
Czy wiesz, że… ?
Dźwięk przestrzenny wykorzystywany jest obecnie w wielu dziedzinach – od przemysłu filmowego i gier wideo, przez edukację i medycynę, aż po VR (ang. Virtual Reality, rzeczywistość wirtualna). Jego zadaniem jest nie tylko zwiększenie realizmu przekazu, ale również umożliwienie bardziej angażującego i immersyjnego doświadczenia odbiorcy.
2. Klasyfikacja systemów dźwięku przestrzennego
Aby dźwięk w formacie przestrzennym mógł zostać prawidłowo odebrany przez słuchacza, musi zostać odpowiednio przygotowany na etapie produkcji, a następnie odtworzony w dedykowany sposób. Istnieje kilka podejść do tworzenia przestrzennego audio, z których każde bazuje na innej filozofii organizacji i reprodukcji sceny dźwiękowej. Kluczowe różnice dotyczą sposobu określania, gdzie w przestrzeni znajduje się źródło dźwięku oraz jak ta informacja jest przenoszona do systemu odsłuchowego.
2.1 Podejścia do kodowania dźwięku przestrzennego
Najczęściej spotykane rozwiązania można podzielić na trzy główne grupy:
a) Channel-based audio (systemy kanałowe)
To najstarsze i najbardziej rozpowszechnione podejście. Dźwięk jest tu przypisany do konkretnych kanałów, z których każdy odpowiada jednej fizycznej lokalizacji głośnika w przestrzeni.
Rozwój systemów kanałowych przebiegał etapowo [2]:
Mono – jeden kanał, jeden głośnik
Stereo – dwa kanały (lewy i prawy), podstawowa scena dźwiękowa
Surround 4.0, 5.1, 7.1 – kolejne kanały pozwalają rozszerzyć przestrzeń (np. dźwięki z tyłu słuchacza)
7.1.2 / 7.1.4 – formaty wspierające dźwięk z góry (np. głośniki sufitowe)
Zaawansowane konfiguracje – 9.2, 22.1, a nawet 52.1 w niektórych eksperymentalnych instalacjach
Systemy channel-based wymagają fizycznego rozmieszczenia głośników zgodnie z założonym układem. Każdy dźwięk jest przypisany do konkretnego kanału, a twórca miksu decyduje z góry, skąd ma być słyszany.
b) Scene-based audio (systemy sceniczne)
W tym podejściu zamiast przypisywać dźwięki do kanałów, tworzona jest matematyczna reprezentacja pola dźwiękowego otaczającego słuchacza. Najpopularniejszym standardem reprodukcji sceny dźwiękowej jest ambisonia [3], a także podejście bazujące na wytworzneniu fali dźwiękowej przez dużą liczbę urządzeń głośnikowych – Wave Field Synthesis (WFS) [2].
Ambisonia – scena dźwiękowa opisana jako zestaw współczynników harmonicznych sferycznych. Może być dekodowana do dowolnego układu głośników lub słuchawek.
Rys. 2. Ambisonia - sferyczne harmoniczne uporządkowane według rzędów
Harmoniczne sferyczne od 0. (mono) do 3. rzędu, jako wizualna reprezentacja ambisonii. Źródło: „Ambisonics” – fragment ilustracji z Wikipedia Commons. Licencja: CC BY 4.0 (link).
Wave Field Synthesis – tworzenie rzeczywistego pola falowego, wymagające dużej liczby głośników (często kilkudziesięciu), stosowane głównie w badaniach i instalacjach artystycznych.
Rys. 3. Zasada działania Wave Field Synthesis (WFS) oparta na konstruktywnej superpozycji fal czołowych
Ilustracja przedstawia podstawę fizyczną WFS – zgodnie z zasadą Huygensa, każda jednostka liniowego zestawu głośników działa jako wtórne źródło falowe. Dzięki odpowiedniemu sterowaniu amplitudą i fazą możliwe jest odtworzenie żądanego czoła fali dźwiękowej w przestrzeni odsłuchowej.
Źródło: Marije Baalman, „Updates of the WONDER software interface…”, licencja CC BY 4.0 (za ResearchGate).
Zaletą podejścia bazującego na stworzeniu sceny dźwiękowej jest elastyczność i możliwość dynamicznego odtwarzania tej samej [4] sceny na różnych systemach odsłuchowych – z zachowaniem jej przestrzennej struktury.
c) Object-based audio (systemy obiektowe)
W tym nowoczesnym modelu każdy dźwięk traktowany jest jako niezależny „obiekt” z przypisanymi metadanymi dotyczącymi jego lokalizacji, trajektorii i innych właściwości. To podejście umożliwia elastyczne miksowanie sceny dźwiękowej w czasie rzeczywistym – np. dostosowanie jej do indywidualnego ustawienia systemu użytkownika.
Rys. 4. Reprezentacja systemu obiektowego audio z perspektywy słuchacza
Obiekt dźwiękowy (np. instrument, głos) wraz z metadanymi dotyczącymi jego pozycji i trajektorii w przestrzeni przekazywany jest do renderera.
Przykładowe technologie oparte na obiektach:
Dolby Atmos [5] – hybrydowy system łączący kanały i obiekty; wykorzystywany w filmie, grach i streamingu
MPEG-H Audio [6] – otwarty standard wykorzystywany m.in. w telewizji 3.0
Unity i Unreal Engine [7, 8] – silniki gier obsługujące dynamiczne rozmieszczanie dźwięków w przestrzeni
Systemy obiektowe wymagają obecności tzw. Renderera [9], który w czasie rzeczywistym „tłumaczy” metadane obiektów na odpowiednie sygnały audio w systemie użytkownika – niezależnie od tego, czy korzysta on z głośników, czy słuchawek.
3. Dźwięk binauralny: przestrzeń 3D przez słuchawki
Dźwięk binauralny to technika odwzorowywania sceny dźwiękowej w sposób zgodny z tym, jak człowiek słyszy naturalnie – z użyciem tylko dwóch kanałów, czyli tak jak słyszymy przez dwoje uszu. Kluczem do osiągnięcia iluzji przestrzenności jest uwzględnienie tego, jak nasza anatomia wpływa na przetwarzanie dźwięków.
3.1 Jak działa technika binauralna?
Każdy dźwięk, zanim dotrze do wnętrza ucha, ulega zniekształceniom wynikającym z:
różnicy czasu dotarcia do każdego ucha (ITD),
różnicy poziomu (ILD),
oraz złożonej filtracji przez małżowiny uszne, głowę i tors.
Te zjawiska są opisywane za pomocą tzw. HRTF (Head-Related Transfer Function) [1] – zestawu filtrów modelujących sposób, w jaki konkretne źródło dźwięku dociera do uszu w zależności od jego położenia w przestrzeni. HRTF może być uśrednione (dla ogółu populacji) lub indywidualne – mierzone dla konkretnej osoby, co zwiększa precyzję lokalizacji dźwięku.
Rys. 5. Schemat ilustrujący wpływ funkcji przenoszenia głowy (HRTF)
Dźwięk dochodzący z określonego kierunku jest przekształcany przez głowę i małżowiny uszne, zanim dotrze do wnętrza uszu. Te przekształcenia są kluczowe dla percepcji przestrzennej.
Źródło: Introduction to Sensation and Perception, autor: Tavin, Wikimedia Commons. Licencja: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)
Link do pliku: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:HRTF.svg
3.2 Dlaczego technika binaurala jest ważna?
Dzięki technice binauralnej możliwe jest uzyskanie bardzo realistycznego efektu przestrzennego na zwykłych słuchawkach – bez potrzeby stosowania wielu głośników. To rozwiązanie:
jest mobilne – możliwe do wdrożenia na telefonach, laptopach, VR headsetach,
jest skalowalne – ta sama scena dźwiękowa może być renderowana dla różnych odbiorców,
jest powszechnie dostępne – niemal każdy użytkownik ma dziś słuchawki i urządzenie zdolne do binauralnej reprodukcji.
3.3 Renderery binauralne – jak powstaje przestrzeń w słuchawkach?
Współczesne systemy umożliwiają stworzenie wersji binauralnej niemal każdego typu dźwięku przestrzennego – niezależnie od tego, czy pochodzi on z systemu kanałowego, obiektowego czy ambisonicznego. W tym celu używa się specjalnych rendererów binauralnych, które zamieniają dane przestrzenne na sygnał stereo z uwzględnieniem HRTF.
Najpopularniejsze rozwiązania:
Ambisonia
W środowiskach akademickich i artystycznych popularne są darmowe narzędzia, np. IEM Plugin Suite [10] – zestaw otwartoźródłowych pluginów do binauralnego dekodowania ambisonii. Istnieje także wiele komercyjnych pakietów dostępnych w DAW-ach (Digital Audio Workstations).Dolby Atmos
Systemy renderujące Dolby [5] oferują możliwość binauralnego odsłuchu materiału zakodowanego obiektowo. Renderery są zintegrowane z oprogramowaniem Dolby Atmos Production Suite oraz z niektórymi platformami streamingowymi.Silniki gier i VR
Unity i Unreal Engine [7, 8] posiadają wbudowane renderery binauralne (np. Google Resonance Audio, Oculus Spatializer), które dostosowują dźwięk do pozycji i ruchu gracza.
4. Podsumowanie: od eksperymentów do powszechnej dostępności
Technologie dźwięku przestrzennego przeszły długą drogę – od eksperymentalnych instalacji wielogłośnikowych po powszechnie dostępne rozwiązania słuchawkowe. Niezależnie od zastosowanego podejścia – kanałowego, scenicznego czy obiektowego – celem wszystkich systemów pozostaje jak najwierniejsze odwzorowanie rzeczywistego, trójwymiarowego świata dźwięków.
Dzięki rozwojowi technologii obliczeniowych, a także integracji rozwiązań przestrzennych z popularnymi narzędziami produkcyjnymi (DAW, silniki gier, platformy streamingowe), dźwięk przestrzenny stał się dostępny nie tylko dla profesjonalistów, lecz również dla szerokiego grona użytkowników końcowych. Wystarczą zwykłe słuchawki, aby doświadczyć efektów, które jeszcze dekadę temu były zarezerwowane dla wyspecjalizowanych sal kinowych czy laboratoriów badawczych.
Zachęcamy do pogłębiania wiedzy na temat dźwięku przestrzennego poprzez materiały dostępne na platformie Branżowego Centrum Umiejętności, w tym kurs „Produkcja dźwiękowa w formatach przestrzennych” (30 godzin). Szkolenie skierowane jest do osób zawodowo lub hobbystycznie zajmujących się realizacją dźwięku i pozwala zdobyć praktyczne kompetencje związane z zastosowaniem nowoczesnych technologii audio w grach, VR, filmie i muzyce.
5. Bibliografia
[1] Blauert, J. (1997). Spatial Hearing: The Psychophysics of Human Sound Localization. MIT Press.
[2] Wittek, H. (2013). Perceptual Differences Between Wavefield Synthesis and Stereophony. PhD Thesis, University of Surrey.
[3] Zotter, F., Frank, M. (2019). Ambisonics: A Practical 3D Audio Theory for Recording, Studio Production, Sound Reinforcement and Virtual Auditory Display. Springer.
[4] Małecki, P., Stefańska, J., Szydłowska, M. (2024). Assessing Spatial Audio... Archives of Acoustics. doi:10.24425/aoa.2024.148798
[5] Dolby. (2023). Dolby Atmos Production Suite.
[6] Fraunhofer IIS. (2023). MPEG-H Audio System – Overview and Applications. Retrieved from https://www.iis.fraunhofer.de/en/ff/amm/3d-audio/mpegh.html
[7] Unity Technologies. (n.d.). Unity Audio Spatialization Tools.
[8] Epic Games. (n.d.). Unreal Engine Audio Engine.
[9] Reardon, G. et al. (2017). Evaluation of Binaural Renderers: A Methodology. Audio Engineering Society Convention 143.
[10] IEM. (n.d.). IEM Plugin Suite. Retrieved from https://plugins.iem.at/
