Контакты кнопок клавиатуры воспринимают последовательность импульсов от дополнительной схемы, как механическое нажатие/отпускание кнопок.
Разберем конкретный пример запуска ПК с автоматическим определением пользователя и вводом пароля (с помощью описываемой электронной приставки, последовательно замыкающей контакты кнопок клавиатуры ПК). В таком случае необходимо нажать на клавиатуре комбинацию клавиш: «Пуск», «7», «8», Enter, то есть четыре кнопки, где «78» пароль пользователя. Соответственно к этим кнопкам и должны подключаться выходные контакты электронного устройства (схема рис. 3.9).
Для новой серии последовательных импульсов необходимо кратковременно разорвать цепь питания схемы или подать управляющий импульс положительной полярности в точку А.
На микросхеме D3 собран четырехканальный коммутатор, входы (А1А4) и выходы (В1В4) подключены к соответствующим кнопкам клавиатуры ПК. Коммутация осуществляется управляющими сигналами высокого уровня, приходящими с выходов счетчика D2. Коммутатор имеет малое сопротивление включенного канала 80 Ом, что обеспечивает управление кнопками без помех.
Вместо диодов развязки VD1-VD2 можно применить КД503, КД521, КД522, Д220 с любым буквенным индексом. Времязадающий конденсатор С2 обязательно с малым током утечки и хорошими параметрами термостабильности. Все неиспользуемые входы логических элементов КМОП необходимо подключить к общему проводу.
Схема не требует настройки и стабильно работает в круглосуточном режиме.
На рис. 3.10 и 3.11 представлен вид на кнопки клавиатуры, в том числе (рис. 3.11) со снятым корпусом.
Рис. 3.10. Клавиатуравид сверху
Рис. 3.11. Клавиатуравид на внутреннее строение
3.10.2. Оригинальный эффект
Для еще большей оригинальности в качестве управляющего импульса (или для коммутации питания схемы) рекомендую применять автоматическое устройство, например, сенсор или акустический выключатель, реагирующий на хлопки. В последнем случае удается достичь оригинального эффекта, когда хлопок в ладоши вызывает последовательное нажатие (электронную имитацию) кнопок клавиатуры, к которым подключен шлейф электрической схемы.
Электрические схемы устройств акустических выключателей описаны в литературе.
Для других примеров последовательная комбинация клавиш может быть другой, но не менее эффектной задачей.
Кроме того, на базе этой разработки можно создать средство для автоматического обновления страницы, что может оказаться полезным для «накрутки» «счетчика» посещений, к примеру, вашей страницыдля повышении ее рейтинга среди других ресурсов сети. Сегодня многие этим озабочены.
3.11. Как сделать объемный звук на ПК
Решил обновить звуковую систему (колонки) и, выбирая, на многих моделях увидел отдельную кнопку включения «3D». Заинтересовалсянеужели так легко одной фиксированной кнопкой можно изменить качество и даже программное оформление звучания акустических систем ПК? Оказалось, что не все так просто. В предлагаемой статье обзор данной проблемы.
Развитие систем окружающего 3D-звука пока идет по пути создания красивой акустической иллюзии, за счет более или менее удачного обмана физиологии нашего слуха. Следующим логическим шагом в этом направлении уже стало интерактивное аудио, в основу которого положено адекватное реагирование на изменение акустических свойств помещения с целью имитации акустики всемирно знаменитых концертных залов. В будущем окажется актуально иметь отдельную комнату для аудиовидеоланча, скроенную по принципу срезов золотых сечений с натяжными звукокорректирующими гобеленами XVII века, скромными персидскими коврами и парочкой древнеримских статуй с отверстиямидля дробилки стоячих волн.
Может быть и поэтому звуковое сопровождение компьютера для рядового пользователя находится на втором плане. Большинство пользователей лучше потратят деньги на новейший акселератор 3D-графики, нежели на новую звуковую карту.
Однако за последний год разработчики звуковых чипов и технологий 3D-звука приложили немало усилий, чтобы убедить пользователей приложений в том, что хороший 3D-звук является неотъемлемой частью современного мультимедиа ПК. Пользователей убедить в пользе 3D-звука несколько легче, чем разработчиков приложений. Достаточно расписать то, как источники звука будут располагаться в пространстве вокруг него (звук будет окружать слушателя со всех сторон и динамично изменяться), как многие потянутся за бумажником. С разработчиками игр и приложений сложнее. Их надо убедить потратить время и средства на реализацию качественного звука. А если звуковых интерфейсов несколько, то перед разработчиком игры встает проблема выбора. Один из популярных интерфейсов сегодняDirectSound3D от Microsoft. Само понятие «трехмерный звук» подразумевает, что источники звука располагаются в трехмерном пространстве вокруг слушателя. Чтобы придать звуковой модели реализм и усилить восприятие звука пользователем, реализуются технологии, обеспечивающие воспроизведение реверберации, отраженных звуков, окклюзии (звук, прошедший через препятствие), обструкции (звук не прошел через препятствие), дистанционное моделирование (вводится параметр удаленности источника звука от слушателя) и масса других интересных эффектов. Цель всего этогосоздать у пользователя реальность звука и усилить впечатления от видеоряда в игре или приложении.
Не секрет, что слух человекаэто второстепенное (после зрения) чувство человека, именно поэтому каждый индивидуальный пользователь воспринимает звук по-своему. Никогда не будет однозначного мнения о звучании той или иной звуковой карты или эффективности той или иной технологии 3D-звука. Сколько будет слушателей, столько будет мнений.
Для позиционирования источников звука в виртуальном 3D-пространстве используются HRTF функции. Что такое HRTF и действительно ли их использование так эффективно?
Сколько раз уже происходило следующее: команда, отвечающая за звук, закончила встраивание 3D-звукового интерфейса на базе HRTF в новейшую игру; все комфортно расселись, готовясь услышать «звук, окружающий со всех сторон» и «свист пуль над головой»; запускается демоверсия игры и и ничего подобного нет!
HRTF (Head Related Transfer Function)это процесс, посредством которого наши два уха определяют слышимое местоположение источника звука; голова и туловище являются в некоторой степени препятствием, задерживающим и фильтрующим звук, поэтому ухо, скрытое от источника звука головой, воспринимает измененные звуковые сигналы, которые при декодировании мозгом интерпретируются для правильного определения местоположения источника звука. Звук, улавливаемый нашим ухом, создает давление на барабанную перепонку. Для определения создаваемого звукового давления необходимо определить характеристику импульса сигнала от источника звука, попадающего на барабанную перепонку, т. е. силу, с которой воздействует звуковая волна. Эту зависимость называют Head Related Impulse Response (HRIR), а ее интегральное преобразованиеHRTF.
Принято характеризовать акустические источники скоростью распространяемых ими звуковых волн V(t). Теоретически давление, создаваемое идеальным точечным источником звука бесконечно, но ускорение распространяемой звуковой волны есть конечная величина. Если пользователь находится в состоянии «free field» (в окружающей среде нет ничего кроме источника звука и среды распространения звуковой волны), тогда давление «free field» (ff) на расстоянии «г» от источника звука определяется по формуле:
Pff(t) = Zo V(tr/c) / г,
где Zoэто постоянная, называемая волновым сопротивлением среды (characteristic impedance of the medium), cскорость распространения звука в среде. Давление ff пропорционально скорости в начальный период времени (происходит сдвиг по времени, обусловленный конечной скоростью распространения сигнала). Возмущение в этой точке описывается скоростью источника в момент времени, отстоящий на r/cвремя затраченное на то, чтобы сигнал дошел до пользователя. Не зная V(t), нельзя утверждать характера изменения скорости при сдвиге (т. е. произойдет замедление или ускорение) и давление уменьшается обратно пропорционально расстоянию от источника звука до нахождения пользователя.
Если поместить в среду распространения звуковых волн человека, тогда звуковое поле вокруг него искажается за счет дифракции (различие скоростей распространения волн разной длины), отражения и дисперсии (рассредоточения) при контакте человека со звуковыми волнами. Тот же источник звука создает другое давление звука P(t) на барабанную перепонку в ухе человека. Для разного положения головы относительно источника звука задействуются HRTF фильтры. Библиотека HRTF фильтров создается в результате лабораторных измерений, производимых с использованием манекена, носящего название KEMAR (Knowles Electronics Manikin for Auditory Research, манекен Knowles Electronics для слуховых исследований) или с помощью специального «цифрового уха» (digital ear), разработанного в лаборатории Sensaura, располагаемого на голове манекена. Измеряется составляющая HRIR, а значение HRTF получается путем преобразования. В ушах манекена располагаются микрофоны, звуки воспроизводятся через акустические колонки, расположенные вокруг манекена. Записывается то, что слышит каждое «ухо».
HRTFсложная функция с четырьмя переменными: три пространственных координаты и частота. При использовании сферических координат для определения расстояния до источников звука больших, чем один м, считается, что источники звука находятся в дальнем поле (far field) и значение HRTF уменьшается обратно пропорционально расстоянию. Измерения HRTF производятся в дальнем поле, что существенным образом упрощает HRTF до функции азимута (azimuth), высоты (elevation) и частоты (frequency), т е. происходит упрощение за счет избавления от четвертой переменной. При записи используются полученные значения измерений и в результате он при проигрывании звука (например, оркестра) воспроизводится с таким же пространственным расположением, как при естественном прослушивании. Техника HRTF не нова, она широко используется пару десятков лет, обеспечивая качество стереозаписей. Лучшие результаты получаются при прослушивании записей слушателем в наушниках.
Наушники, конечно, упрощают решение проблемы доставки одного звука к одному уху и другого звука к другому уху. Тем не менее, использование наушников имеет и недостатки. Например:
* Многие люди просто не любят использовать наушники. Даже легкие беспроводные наушники могут быть обременительны. Наушники, обеспечивающие наилучшую акустику, могут быть чрезвычайно неудобными при длительном прослушивании.
* Наушники могут иметь провалы и пики в своих частотных характеристиках, которые соответствуют характеристикам ушной раковины. Если такого соответствия нет, то восприятие звука, источник которого находится в вертикальной плоскости, может быть ухудшено. Слышится преимущественно только звук, источники которого находятся в горизонтальной плоскости.
* При прослушивании в наушниках создается ощущение, что источник звука находится очень близко. Действительно, физический источник звука находится очень близко к уху, поэтому необходимая компенсация для избавления от акустических сигналов, влияющих на определение местоположения физических источников звука, зависит от расположения самих наушников.
* Применение наушников в наш век не очень удобно. Если это наушники с ободомони физически создают давление на голову и уши. Подбор таких наушников не менее сложен, чем, скажем, подбор хороших очков для подводного плавания. Наушники, вставляемые в ушные раковины, не универсальны и у многих людей вызывают дискомфорт.
Использование акустических колонок позволяет обойти большинство из этих проблем. Здесь недостаток в том, что нельзя использовать колонки для воспроизведения бинаурального звука (т. е. звука, предназначенного для прослушивания в наушниках, когда часть сигнала предназначена для одного уха, а другая часть для другого уха). Как только мы подключим вместо наушников колонки, наше правое ухо начнет слышать не только звук, предназначенный для него, но и часть звука, предназначенную для левого уха. Одним из решений проблемы является использование техники cross-talk-cancelled stereo или transaural stereo, называемой алгоритм crosstalk cancellation (для краткости CC).
Идея CC просто выражается в терминах частот. Звуковые сигналы воспроизводятся колонками. Сигнал Y1, достигающий левого уха, представляет собой смесь из S1 и crosstalk (части) сигнала S2. Здесь Y1=H11 S1 + H12 S2, где H11 является HRTF между левой колонкой и левым ухом, а H12это HRTF между правой колонкой и левым ухом. Аналогично Y2=H21 S1 + H22 S2. Если использовать наушники, то пользователь будет знать искомые сигналы Y1 и Y2, воспринимаемые ушами. Необходимо правильно определить сигналы S1 и S2, чтобы получить оптимальный результат.
Результат зависит от того, где находится слушатель по отношению к колонкам. Правильное восприятие звучания достигается только в районе так называемого sweet spot (об этом ниже), предполагаемого месторасположения слушателя. При грамотном использовании алгоритмов CC получаются результаты, обеспечивающие воспроизведение звука, источники которого расположены в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Фантомный источник звука может располагаться далеко вне пределов линейного сегмента между двумя колонками. Для создания убедительного SD-звучания достаточно двух звуковых каналов. Главноеэто воссоздать давление звука на барабанные перепонки в левом и правом ухе таким же, как если бы слушатель находился в реальной звуковой среде.
На практике существуют проблемы, связанные с созданием базы HRTF функций при помощи манекена. Результат будет соответствовать ожиданиям, если манекен и слушатель имеют головы одинакового размера и формы, а также ушные раковины одинакового размера и формы. Только тогда можно корректно воссоздать эффект звучания в вертикальной плоскости и гарантировать правильное определение источников звука в пространстве. Записи, сделанные с использованием HRTF (binaural recordings), обеспечивают высококачественный SD-звук. Слушать такие записи желательно в специальных наушниках. CD с такими записями стоят существенно дороже стандартных музыкальных CD (имеется в виду лицензионная продукция). Корректно воспроизводить их через акустические системы позволяет техника CC. Главный недостаток методаотсутствие интерактивности. Без механизмов, отслеживающих положение головы пользователя, обеспечить интерактивность при использовании HRTF нельзя. Бытует поговорка, что использовать HRTF для интерактивного 3D звукаэто все равно, что использовать ложку вместо отвертки: инструмент не соответствует задаче.
Sweet Spot
Значения HRTF можно получить не только с помощью установленных в ушах манекена специальных внутриканальных микрофонов (inter-canal microphones). Используется еще и так называемая искусственная ушная раковина. В этом случае прослушивать записи нужно в специальных внутриканальных (inter-canal) наушниках, которые представляют собой маленькие шишечки, размещаемые в ушном канале, так как искусственная ушная раковина уже перевела всю информацию о позиционировании в волновую форму. Однако, согласитесь, удобнее слушать звук в наушниках или через колонки. При записи через inter-canal (микрофоны вокруг них, над ними и под ними) происходит искажение звука. Аналогично при прослушивании звук искажается вокруг головы слушателя. Поэтому и появилось понятие sweet spot, т е. области, при расположении внутри которой слушатель будет слышать все эффекты, которые он способен слышать от рождения. Соответственно, если голова слушателя расположена в таком же положении, как и голова манекена при записи (и на той же высоте), тогда будет получен лучший результат при прослушивании. Во всех остальных случаях будут возникать искажения звука как между ушами, так и между колонками. Необходимость расположения слушателя в sweet spot накладывает дополнительные ограничения и создает новые проблемы. Чем больше область sweet spot, тем большую свободу действий имеет слушатель. Поэтому разработчики постоянно ищут способы увеличить область действия sweet spot.
Частотная характеристика
Действие HRTF зависит от частоты звука; только звуки со значениями в пределах от 3 kHz до 10 kHz могут успешно интерпретироваться с помощью функций HRTF. Определение местоположения источников звука с частотой ниже 1 kHz основывается на определении времени задержки прибытия
разных по фазе сигналов, что позволяет определить общее расположение слева/справа источников звука и не помогает пространственному восприятию звучания. Восприятие звука с частотой выше 10 kHz почти полностью зависит от ушной раковины, поэтому не каждый слушатель может различать звуки с такой частотой. Определить местоположение источников звука с частотой от 1 kHz до 3 kHz очень сложно. Число ошибок при определении местоположения источников звука возрастает при снижении разницы между соотношениями амплитуд (чем выше пиковое значение амплитуды звукового сигнала, тем труднее определить местоположение источника). Поэтому надо использовать частоту дискретизации (вдвое большую значения частоты звука), соответствующей как минимум 22050 Hz при 16 бит для реальной действенности HRTF. Дискретизация 8 бит не обеспечивает достаточной разницы амплитуд (всего 256 вместо 65536), а частота 11025 Hz не обеспечивает приемлемой характеристики (так как максимальная частота звука соответствует 5512 Hz). Чтобы применение HRTF было эффективным, необходимо использовать частоту 22050 Hz при 16-битной дискретизации.
К чему мы идем?