Definizione di una scena audio 3D

L’architettura consente all’utente di costruire una scena virtuale realistica per applicazioni musicali volte all’esecuzione e all’ascolto. L’ambiente virtuale si- mula il mondo reale sia per quanto riguarda la componente visiva sia per la componente sonora. In quest’ultimo caso la modellizzazione della propagazione del suono nell’ambiente e numerosi altri effetti fisici che caratterizzano l’acustica consente di realizzarne una fedele simulazione. A tal fine `e necessario definire una scena audio che raccolga e organizzi tutti gli elementi necessari per lo svi- luppo dell’ambiente virtuale. Le informazioni relative ai diversi elementi che compongono la scena audio vengono utilizzate dal cos`ı detto “motore audio” per gestire i vari processi necessari per il calcolo e l’elaborazione del suono vir- tuale. La scena audio 3D `e composta da elementi preposti all’elaborazione del suono (DSP), chiamati “Nodi Sonori”. Perch`e sia possibile la propagazione del suono all’interno dell’ambiente, inoltre, `e necessario definire tra le diverse coppie di nodi sonori delle “Connessioni Sonore” che determinano le modalit`a secon- do cui si realizza il flusso dell’audio all’interno dell’ambiente virtuale. I nodi e le connessioni sonore possono essere rispettivamente pensati come i nodi e gli archi di un grafo che rappresenta la struttura della catena di elaborazione del suono realizzata all’interno dell’ambiente virtuale. L’organizzazione dei nodi e delle connessioni sonore costituisce una struttura a grafo che rappresenta i vari processi di elaborazione del suono. Questa struttura, chiamata anche grafo del DSP, `e diretta a partire da una o pi`u sorgenti sonore verso uno o pi`u nodi ter- minali costituiti da ricevitori sonori. Il grafo del DSP, generalmente, `e di tipo aciclico, ossia `e rappresentabile mediante una catena aperta in cui non sono presenti anelli e percorsi chiusi di segnale. Comunque, `e anche possibile creare delle strutture rappresentabili tramite grafi ciclici, utilizzabili per esempio per il filtraggio ricorsivo del segnale.

3_{Per maggiori informazioni e approfondimenti si veda il sito ufficiale del progetto: http:}

La configurazione delle connessioni fra i nodi sonori consente di creare ca- tene di nodi finalizzate a realizzare un specifico tipo di elaborazione del suono. Il controllo e la modifica delle propriet`a del grafo del DSP pu`o essere realizzato tramite i vari parametri che caratterizzano le connessioni e i nodi coinvolti nella catena di elaborazione del segnale. Al crescere delle dimensioni del grafo questo compito pu`o diventare in apparenza difficile e complicato, ma in realt`a non `e cos`ı poich`e spesso le modifiche dei parametri si realizzano mediante attivit`a di natu- ra spaziale come per esempio traslazioni, rotazioni nello spazio 3D che risultano facili da realizzare. Inoltre tali modifiche sono anche facilitate dall’impiego del grafo della scena che, definendo l’ordine gerarchico dei nodi coinvolti, consente di modificare simultaneamente gruppi organizzati di nodi. In tal modo le modi- fiche spaziali effettuate su un nodo padre si propagano in maniera automatica a tutti i nodi a lui collegati. I valori assunti dai parametri relativi alle connessioni sonore, inoltre, consentono di influenzare in modo determinante le condizioni di propagazione del suono nell’ambiente virtuale, cos`ı oltre alla simulazione del mondo reale, risulta possibile sperimentare condizioni e fenomeni acustici lonta- ni dalla realt`a quotidiana che possono comunque consentire di ottenere risultati interessanti da un punto di vista musicale e artistico. Per esempio, l’effetto del decadimento in funzione della distanza pu`o essere diminuito o esagerato renden- do possibile l’ascolto di sorgenti molto lontane o determinando l’ascolto soltanto di ci`o che `e strettamente vicino al ricevitore. Allo stesso modo l’effetto Doppler pu`o essere esagerato o diminuito sperimentando condizioni di ascolto diverse da quelle a cui siamo abituati nel mondo reale. Infine, risulta possibile rea- lizzare il “teletrasporto” del suono annullando completamente gli effetti dovuti alla distanza o modificare le caratteristiche di emissione e di ricezione al fine di scegliere se realizzare un ascolto pi`u o meno selettivo rispetto alla direzione.

La struttura a grafo finora presentata consente di modificare il concetto di “ascoltatore” della scena audio. Mentre in molti altri sistemi citati in precedenza `e possibile avere un solo ascoltatore, tramite questa architettura `e possibile avere tanti ascoltatori simultaneamente. Infatti, un ascoltatore non `e altro che uno o pi`u nodi riceventi in cui il segnale assorbito dall’ambiente viene scritto sui buffer hardware di un dispositivo audio connesso a degli altoparlanti o a delle cuffie. Questo particolare tipo di ricevente `e chiamato anche “ricevente esterno” poich`e rappresenta un mezzo per interfacciare l’ambiente virtuale con l’esterno. Allo stesso modo possono esistere delle “sorgenti esterne”, come per esempio microfoni, file audio o altri tipi di segnali sonori, che consentono di immettere del segnale proveniente dall’esterno all’interno dell’ambiente virtuale.

Nodi sonori

Il “Nodo Sonoro” `e l’elemento fondamentale per la creazione di una scena audio virtuale, ogni nodo `e caratterizzato da una serie di parametri la cui definizione `e di fondamentale importanza per il controllo della propagazione e dell’elabora- zione del suono nella scena audio. Un nodo sonoro pu`o essere sia una sorgente, ossia un nodo che emette del suono, sia un ricevente, un nodo che assorbe del suono, sia entrambe le cose simultaneamente. In quest’ultimo caso il nodo so- noro costituisce l’elemento tramite cui `e possibile realizzare l’elaborazione del suono attraverso un opportuno algoritmo di DSP che modifica il segnale as- sorbito dall’ambiente e successivamente lo reimmette nell’ambiente. Bisogna sottolineare che un singolo nodo sonoro `e caratterizzato dalla possibilit`a di rea-

lizzare esclusivamente l’elaborazione del suono di tipo monofonica. Per ottenere un’elaborazione di tipo polifonica `e necessario utilizzare pi`u nodi sonori opportu- namente disposti e connessi fra loro in maniera che si ottenga tra essi la corretta distribuzione del segnale audio. La realizzazione, dunque, di effetti audio multi– canale pu`o essere realizzata tramite un meccanismo di raggruppamento in cui i diversi nodi sonori coinvolti vengono organizzati in una struttura coerente rap- presentata mediante delle adeguate relazioni logiche e gerarchiche nel grafo della scena. In tal modo una qualsiasi modifica applicata al nodo padre sia essa di natura spaziale o di natura acustica sar`a automaticamente applicata a tutti gli altri nodi figli preservando l’unit`a e la coerenza che caratterizza il gruppo.

I nodi sonori sono delle entit`a caratterizzate da posizione e orientamento all’interno dell’ambiente 3D, da parametri che ne controllano la visualizzazione all’interno della scena visiva e da diversi altri parametri che controllano gli aspet- ti legati al suono, quali per esempio: l’elaborazione del suono, la sua ricezione, la sua propagazione verso l’ambiente virtuale. Per ogni nodo infatti `e possibile definire un andamento caratteristico della direttivit`a che definisce come varia l’attenuazione del segnale in funzione dell’angolo di incidenza fra il suono e la di- rezione che definisce l’orientamento del nodo. L’andamento della direttivit`a pu`o essere definito in maniera completamente arbitraria oppure `e possibile utilizzare gli andamenti tipici dell’acustica e dell’ingegneria del suono che rappresentano andamenti tipici degli strumenti musicali e dei microfoni. La figura 8.1 mostra i grafici delle tre principali caratteristiche direzionali: omnidirezionale, cardioide, bidirezionale.

(a) Caratteristica Omnidi- rezionale.

(b) Caratteristica Cardioi- de.

(c) Caratteristica Bidirezio- nale.

Figura 8.1: Caratteristiche direzionali dei microfoni.

Il tipo di direttivit`a pu`o essere impostato separatamente per quanto riguarda l’assorbimento e l’emissione del suono, cos`ı come in maniera simile l’orienta- mento pu`o essere impostato in maniera separata per definire la direzione di emissione e quella di assorbimento. Tramite la modifica di questi parametri l’utente pu`o controllare con grande precisione la propagazione del suono nel- l’ambiente. L’utente pu`o scegliere infatti se un nodo deve emettere o assorbire il suono in tutte le direzioni o, al contrario, lungo una data direzione in maniera pi`u o meno selettiva, in tal modo `e possibile creare delle catene di elaborazione del suono controllate mediante la posizione e l’orientamento dei diversi nodi so- nori. Questa possibilit`a `e estremamente importante per lo sviluppo di sistemi di elaborazione del suono basati sull’interazione spaziale in cui ogni nodo posto

in una data posizione rappresenta un processo che in qualche modo modifica il suono. L’utente, modificando la propria posizione e l’orientamento all’interno dell’ambiente virtuale, pu`o scegliere quale effetto utilizzare o combinare i vari processi disponibili nella scena.

Qualsiasi tipo di DSP pu`o essere realizzato all’interno di un nodo sonoro. Ogni nodo, infatti, `e caratterizzato da una patch di PD finalizzata a realizza- re l’elaborazione del suono. Questa patch presenta un ingresso e un’uscita per ricevere e inviare il suono assorbito ed emesso dal nodo. L’utente pu`o persona- lizzare a piacimento il suo contenuto realizzando la catena di DSP che meglio soddisfa le proprie esigenze.

Connessioni sonore

Perch`e sia possibile la propagazione del suono fra una coppia di nodi sonori `e necessario che sia stata stabilita una “Connessione Sonora” fra essi. L’impiego delle connessioni sonore differenzia Audioscape da tutti gli altri sistemi attual- mente esistenti in cui gli elementi sonori sono caratterizzati dallo stesso modello di propagazione del suono. L’impiego delle connessioni sonore `e principalmente ispirato al paradigma tipico dell’ingegneria del suono in cui diversi dispositivi vengono collegati fra loro tramite cablaggi che stabiliscono una catena capace di realizzare un determinato processo di generazione o elaborazione del suono. Le connessioni sonore, oltre che connettere i vari nodi al fine di definire i percorsi di propagazione del suono all’interno della scena audio, determinano anche il modo in cui il suono deve propagarsi nello spazio che intercorre fra i due nodi coinvolti nella connessione.

L’impiego di questo paradigma, basato sulle connessioni sonore, comporta che il missaggio e il mescolamento fra diverse sorgenti sonore non venga realiz- zato tramite cursori o manopole, ma, in maniera del tutto diversa, sia realizzato tramite la modifica della posizione spaziale e dell’orientamento dei diversi nodi sonori coinvolti nella scena audio. Quando due nodi sono molto distanti fra loro il segnale trasmesso sar`a molto attenuato a causa della distanza, inoltre il segnale sar`a anche ritardato a causa del tempo necessario per la propagazione. Se due nodi vengono avvicinati fra loro l’effetto dell’attenuazione si ridurr`a cos`ı il segnale ricevuto avr`a un’intensit`a maggiore. In manier`a simile modificando l’orientamento di un dato nodo si cambier`a l’angolo d’incidenza del suono e si otterr`a, quindi, un’attenuazione o un incremento delle alte frequenze dovuto alla simulazione dell’effetto di diffrazione delle onde sonore. Modificando, dunque, i parametri spaziali dei diversi nodi risulta possibile realizzare il mescolamen- to e l’elaborazione di pi`u sorgenti sonore cos`ı come `e possibile fare, in maniera tradizionale, tramite l’impiego di un’interfaccia costituita da cursori e manopole. Le connessioni sonore sono caratterizzate da diversi parametri che influisco- no sulla propagazione del suono nello spazio compreso fra i due nodi. Questi parametri influiscono sull’entit`a dell’assorbimento o della diffusione del suono dovuto all’aria, sul tempo di ritardo dovuto alla propagazione nello spazio che intercorre fra i due nodi, sul decadimento dovuto alla distanza, sul filtraggio da applicare in funzione dell’angolo d’incidenza e, infine, sull’entit`a dell’effetto Doppler. Dopo aver stabilito una connessione fra due nodi, l’utente pu`o modifi- care tali parametri per ottenere diversi tipi di effetti sonori e musicali. Inoltre, l’utente pu`o alterare e influenzare il modo in cui si propaga il suono fra due nodi secondo le esigenze che spingono la creazione di una data scena sonora.

Per esempio, se `e necessario impiegare un brano musicale potrebbe essere utile preservarne quanto pi`u possibile il contenuto frequenziale tramite la diminu- zione dell’influenza dell’effetto Doppler che tende a inserire uno spostamento delle frequenze. Inoltre, potrebbe essere anche utile diminuire la rilevanza del decadimento del suono in funzione della distanza in maniera da rendere poco sensibile la variazione dell’ampiezza del brano musicale allo spostamento che possono subire i vari nodi. In tal modo la propagazione del suono nell’ambiente verrebbe trasformata in una specie di “teletrasporto” del suono da un punto all’altro della scena senza che gli effetti acustici alterino la qualit`a sonora del brano musicale.