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Article

1 - PERCEPTION DE L’ESPACE SONORE

2 - SYNTHÈSE DE SOURCES VIRTUELLES

3 - CAPTATION DE SCÈNES SONORES

4 - RÉSEAUX COMPACTS DE HAUT-PARLEURS À DIRECTIVITÉ VARIABLE

5 - TECHNOLOGIES POUR LA SPATIALISATION SONORE

  • 5.1 - Formats de production et diffusion
  • 5.2 - Protocoles de transmission audio
  • 5.3 - Outils pour la spatialisation

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : BR1150 v1

Perception de l’espace sonore
Spatialisation sonore - Perception, captation et diffusion de scènes sonores

Auteur(s) : Thibaut CARPENTIER

Date de publication : 10 nov. 2022

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RÉSUMÉ

La spatialisation sonore s’intéresse à l’analyse, à la synthèse et à la transformation des propriétés du son qui contribuent à l’impression d’espace et à la sensation d’immersion. Dans les environnements virtuels - jeux vidéo, réalité virtuelle -, elle permet de simuler des sources sonores dans l’espace autour de l’auditeur. Dans le domaine de la production audiovisuelle, elle vise à capter ou à diffuser des scènes sonores. Cet article expose les principaux mécanismes psychoacoustiques de perception de l’espace sonore, puis il présente l’état de l’art des techniques permettant la synthèse - par des réseaux de haut-parleurs - et l’enregistrement - par des réseaux de microphones - de champs sonores.

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ABSTRACT

Spatial audio - Perception, recording, and synthesis of sound scenes

Spatial audio refers to the analysis, synthesis, and transformation of the properties of sound that contribute to immersion and spatial impression. In virtual environments - video games, virtual reality -, it makes it possible to simulate sound sources in the space around the listener. In the field of audio-visual production, it aims to capture or create sound scenes. This article exposes the main psychoacoustic mechanisms of spatial hearing, then it presents the state of the art of the techniques allowing the synthesis - by loudspeaker arrays - and the recording - by microphone arrays - of sound fields.

Auteur(s)

  • Thibaut CARPENTIER : Ingénieur de recherche CNRS - STMS Lab (sciences et technologies de la musique et du son) – CNRS, IRCAM, Sorbonne Université Paris, France

INTRODUCTION

En acoustique et en musique, on caractérise généralement les sons selon leurs propriétés de durée, hauteur, timbre et intensité. Outre ces attributs, les sons s’organisent également dans l’espace. La spatialisation est l’étude du son dans sa dimension spatiale. Plus précisément, la spatialisation sonore s’intéresse à l’analyse, à la synthèse et à la transformation des propriétés du son qui contribuent à l’impression d’espace et à la sensation d’immersion. Ce champ d’études s’appuie sur des recherches fondamentales et des avancées technologiques issues de plusieurs disciplines scientifiques : acoustique, traitement du signal, informatique, psychoacoustique et cognition. La spatialisation sonore, parfois appelée « audio 3D », « audio spatial », « son multicanal », ou encore « acoustique virtuelle », est un domaine de recherche en plein essor et qui trouve des applications, industrielles ou grand public, dans de nombreux secteurs : production audiovisuelle (musique, cinéma, radio, vidéo 360°), spectacle vivant (sonorisation), jeux vidéo, réalité virtuelle, installations sonores, simulations acoustiques, etc. Par exemple, en mixage de musique, la spatialisation est utilisée pour répartir dans l’espace les différents instruments afin de favoriser leur intelligibilité et la clarté de la scène sonore. Dans les environnements virtuels (jeux vidéo, réalité virtuelle), elle permet de simuler des sources sonores dans l’espace autour de l’auditeur et elle participe à la sensation d’immersion.

Selon les domaines d’application et les cas d’usage, l’objectif de la spatialisation sonore est tantôt de capter et restituer des scènes sonores ou des espaces acoustiques existants, tantôt de créer virtuellement des expériences auditives avec une dimension sonore immersive. Pour ce faire, les procédés mis en œuvre exploitent des réseaux de transducteurs électroacoustiques (enceintes, casque, microphones) et des algorithmes de traitement du signal audio, et ils visent à produire soit un rendu réaliste (« objectivement précis »), soit une illusion plus artistique (« perceptivement plausible »).

Les systèmes de diffusion sonore spatiale cherchent, d’une part, à simuler des indices de localisation spatiale pour des sources sonores virtuelles arbitrairement placées dans l’espace et, d’autre part, à produire des effets de réverbération artificielle qui contribuent à la création d’un espace sonore immersif. Les techniques disponibles peuvent être classées en trois grandes familles : des approches dites « perceptives » qui reposent sur des modèles de l’audition humaine pour créer l’illusion d’un phénomène acoustique (positionnement d’une source « fantôme » dans l’espace 3D, ou effet de réverbération qui paraît « naturelle »), des approches par échantillonnage qui consistent à mesurer un champ acoustique en un ensemble discret de positions puis à le restituer par des techniques de convolution, des approches par modèles physiques qui visent à synthétiser, dans une certaine zone de l’espace, un champ acoustique précisément maîtrisé et conforme aux lois de propagation des ondes. Chacune de ces approches présente des avantages et des inconvénients, en termes de complexité, de coût (de calcul ou d’équipements), de précision, de nombre d’auditeurs, etc. C’est pourquoi il est fréquent, en pratique, d’utiliser des techniques hybrides qui combinent plusieurs approches.

Après quelques rappels des principaux mécanismes psychoacoustiques participant à la perception de l’espace sonore, cet article propose un panorama des techniques de synthèse de sources spatialisées et de prise de son multicanal [BR 1 150] ; la réverbération artificielle sera traitée dans l’article [BR 1 152].

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KEYWORDS

Binaural   |   Ambisonic   |   Wave-field synthesis   |   Spatial hearing   |   Multichannel audio

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-br1150


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1. Perception de l’espace sonore

  • Audition spatiale

    L’audition spatiale (spatial hearing) désigne l’ensemble des attributs spatiaux de la perception auditive, c’est-à-dire les attributs (et les phénomènes) auditifs qui permettent d’accéder à la connaissance de l’espace environnant un individu. Autrement dit, l’audition spatiale se réfère à la capacité à percevoir des événements sonores dans l’espace tridimensionnel dans lequel nous vivons.

    D’un point de vue évolutif, cette aptitude est nécessaire pour la survie (détection acoustique de dangers ou localisation de proies) ; aujourd’hui, cette faculté est exploitée pour détecter la provenance d’événements sonores dans des situations critiques (par exemple circulation routière), pour s’orienter dans des espaces réverbérants ou pour séparer plusieurs sources sonores concurrentes afin d’améliorer la communication entre individus. L’audition spatiale a été l’objet de nombreuses recherches et études expérimentales , , , , ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - ABRAMOWITZ (M.), STEGUN (I.A.) -   Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables (9th printing).  -  Dover (1970).

  • (2) - AHRENS (J.) -   Analytic Methods of Sound Field Synthesis.  -  Springer, Berlin, Germany (2012).

  • (3) - ALGAZI (V.R.), AVENDANO (C.), DUDA (R.O.) -   Estimation of a Spherical-Head Model from Anthropometry.  -  Journal of the Audio Engineering Society, 49(6), p. 462-479 (2001).

  • (4) - ALGAZI (V.R.), DUDA (R.O.), DURAISWAMI (R.), GUMEROV (N.A.), TANG (Z.) -   Approximating the head-related transfer function using simple geometric models of the head and torso.  -  Journal of the Acoustical Society of America, 112(5), p. 2053-2064 (2002).

  • (5) - ALGAZI (V.R.), DUDA (R.O.), THOMPSON (D.M.) -   The Use of Head-and-Torso Models for Improved Spatial Sound Synthesis.  -  In: Proc. of the 113rd Convention of the Audio Engineering Society (AES), Los Angeles, CA, USA (2002).

  • ...

NORMES

  • Head and torso simulator for telephonometry - Recommandation ITU-T P.58 - 2021

  • Multichannel stereophonic sound system with and without accompanying picture - Recommandation ITU-R BS.775-3 - 2012

  • ADM Audio Definition Model - Recommandation ITU-R BS.2076 - 2015

  • Audio Definition Model renderer for advanced sound systems - Recommandation ITU-R BS.2127 - 2019

  • Advanced sound system for programme production - Recommandation ITU-R BS.2051-3 - 2022

  • AES standard for audio applications of networks – High-performance streaming audio-over-IP interoperability - Standard AES67 - 2018

  • AES standard for file exchange – Spatial acoustic data file format - Standard AES69 - 2020

  • AES Recommended Practice for Digital Audio Engineering – Serial Multichannel Audio Digital Interface (MADI) - Standard...

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