DirectSound---3D环境

宋世泊

2018-03-10

DirectSound对于单声道的Wav文件（或者说对于单声道的PCM音频数据）提供了内置3D音效的模拟，你能够控制每一个声源和收听者的立体位置，对移动的物体应用多普勒效果等等。在单个应用程序中，可以有多个声源，但是只能有一个收听者。

1. 3D音效概念简介

3D坐标：坐标采用左手笛卡尔坐标系，x轴向右延伸，y轴向上延伸，z轴向前延伸。
3D处理模式： DirectSound由三种3D环境处理模式：普通模式、禁用模式、头部相关模式。普通模式就是完整的3D模式，禁用模式不言而喻，头部相关模式是部分3D模式（因为该模式下所有的声源参数都是参考听者位置的，而不是参考原点）。
延迟生效：因此每次应用3D配置，DirectSound都要进行大量的计算，可能会家中cpu的负担。因此，声源和听者都支持一种叫做延迟设置的方式，多个以延迟设置设置的参数需要调用提交函数才能应用到音频数据上，这样可以避免多次重复计算。

1.1 声源（Source）相关概念

最小距离：在最小距离范围内，听到的声源音量大小保持不变；在最小距离范围外，听到的音量开始成比例衰减（例如最小距离是10米，则听者站在距离声源20米处听到的声音是原始声音的1/2）。
最大距离：在最大距离外的听者，不管再怎么朝外移动，听到的音量都不会再减小。
朝向：朝向用来指定声源投射的方向，具体见下一点。
音量投射角度： 3D环境下的音量有一个锥形的投射角度（当设置朝向时），分内角和外角：内角的声音是正常的音量，外角的音量通常是衰减的音量，在内角边界向外角边界过渡时音量逐级衰减。

移动速度：移动速度在整个3D环境里主要是用来计算多普勒效应（Doppler Effect）的。

1.2 听者（Listener）相关概念

朝向：听者的朝向角度由两个3维向量构成，实际上这个朝向是一个平面。两个三维向量都以听者头部中心为原点，一个向顶部延伸，一个向前延伸。

距离因子：距离因子（Distance Factor）表示三维空间中的单位，与米成正比（例如距离因子为2，则一个三维点(1,0,0)表示现实中距离原点x轴2米）。
多普勒因子：表示产生的多普勒效应是真实效应的几倍。
滚降因子：表示音量随距离的衰减程度。0表示不衰减，1表示衰减成程度与现实环境相同，等等。

2. 3D示例程序

2.1 获取和设置声源最大最小距离

IDirectSound3DBuffer8::GetMaxDistance(D3DVALUE * pflMaxDistance);
IDirectSound3DBuffer8::GetMinDistance(D3DVALUE * pflMinDistance);
IDirectSound3DBuffer8::SetMaxDistance(D3DVALUE flMaxDistance, DWORD dwApply);
IDirectSound3DBuffer8::SetMinDistance(D3DVALUE flMinDistance, DWORD dwApply);

dwApply参数用来指定是立即生效还是延迟生效（需要调用CommitDeferredSettings函数）。

2.2 获取和设置声源音量投射角度

因为投射角度中外角肯定要比内角大，为了保证这一点我们需要做些额外的判断处理：

void MainWindow::on_coneAnglesInside_valueChanged(int value)
{
    DWORD insideAngle, outsideAngle;
    if (m_wavPlayer.get3DSource()->GetConeAngles(&insideAngle, &outsideAngle) != DS_OK)
        throw std::exception("GetConeAngles error");

    if (static_cast<unsigned>(value) > outsideAngle)
        ui->coneAnglesOutside->setValue(value),
        outsideAngle = value;
    if (m_wavPlayer.get3DSource()->SetConeAngles(value, outsideAngle, DS3D_IMMEDIATE) != DS_OK)
        throw std::exception("SetConeAngles error");

    ui->coneAnglesInsideLabel->setText(QString("coneAnglesInside(%1)").arg(value));
}

2.3 获取和设置声源朝向

这里也有一个特殊情况要处理：朝向的3个维度不能都为0，否则就是一个无效的方向：

#define SET_ONE_VECTOR_WITH_ZERO_CHECK_OF_SOURCE(getFunc, setFunc, sliderName, valueX, valueY, valueZ)  \
    D3DVECTOR vector;                                                                                   \
    if (m_wavPlayer.get3DSource()->getFunc(&vector) != DS_OK)                                           \
        throw std::exception(#getFunc " error");                                                        \
                                                                                                        \
    if (!(valueX == 0.0 && valueY == 0.0 && valueZ == 0.0))                                             \
        if (m_wavPlayer.get3DSource()->setFunc(valueX, valueY, valueZ, DS3D_IMMEDIATE) != DS_OK)        \
            throw std::exception(#setFunc " error");                                                    \
                                                                                                        \
    ui->sliderName##Label->setText(QString(#sliderName "(%1)").arg(value));

void MainWindow::on_coneOrientationX_valueChanged(int value)
{
    SET_ONE_VECTOR_WITH_ZERO_CHECK_OF_SOURCE(GetConeOrientation, SetConeOrientation, coneOrientationX,
                                            value, vector.y, vector.z);
}

其他相关设置这里就不给出代码了，都比较简单，有需要的可以看官方文档。