ユーザー事例集

バーチャルリアリティゲーム用の没入型オーディオのゴールドスタンダードの設計

Julia Abrams 著
2020 10月

バーチャルリアリティは, ユーザーを可能な限りリアルに感じさせることで, ユーザーを仮想世界にできるだけ没頭させることを目的としています. VRが正しく行われると, ソファから史跡を訪れたり, 博物館で昔からの生息地を体験したり, 快適なリビングルームから火星や月を探索したりできます.

ゲーム業界はVR開発で大きな進歩を遂げていますが, ゲーム開発者が直面した1つの課題は, 仮想世界への没入感の阻害をいかに効率的になくすかということです.

VRを使用して地球に接近する小惑星を研究する場合でも, ミサイルを発射する必要があるゲームをプレイする場合でも, 没入型の体験はより良いものになります. 文学や映画などの他のエンターテインメント分野でも, 没入感の阻害という同じ課題に直面していますが, VRには, オーディオへの没入という特別なものがあります.

ValveIndex®ヘッドセットでのオーディオイマージョンの実現

ゲーム業界の大手開発者である Valve Corporation は, ゲーム, ゲームプラットフォーム, およびゲームハードウェアを作成し, 没入感の阻害を解消できる Valve Index® VR ヘッドセットの開発を目指しました. そのために, ValveエンジニアのEmily Ridgway氏と彼女のチームは, 没入型のオーディオ体験を作成する方法を理解する必要がありました.

ビデオゲームをプレイしている間, 人々はしばしばステレオヘッドホンを着用して, ゲーム内のキャラクターと比較して音がどこから来ているかを判断します. ソースがキャラクターの左側にある場合, プレーヤーは左側のヘッドフォンスピーカーから音を聞きます. その逆も同様です. ヘッドホンは, 音を分離し, ノイズをキャンセルし, 周波数応答を誇張するように設計されているため, Valveチームは, 従来のヘッドホンの使用をやめました. Ridgway氏は, ヘッドホンの物理的な設計がオーディオの没入感を妨げる可能性があると考えていました. 1つは, ヘッドホンが外耳道に直接音を入れるため, 人の頭の中から聞こえる,「本物ではない」音を想像できる（内部化された聴覚源として知られている）ことです.　また, ヘッドホンは物理的に不快である可能性があり, この不快感により, ユーザーはゲーム体験から引き離されてしまうかもしれません.

ヘッドフォンの代わりにスピーカーを選ぶ人もいます. スピーカーはこれらの問題のいくつかを軽減しますが, 独自の問題があります. スピーカーの音は, 実際の部屋の形状と音響に影響されます. もう1つの理由は, 最高の音質を得るためにプレーヤーが留まる必要がある「スイートスポット」があることですが, VRを体験すると, 動き回る傾向があります.

Ridgway氏の解決策？超近距離, フルレンジ, オフイヤー（耳外）ヘッドフォンのペア.

Ridgway氏と彼女のチームは, ヘッドセット用にいくつかのタイプのオーディオスピーカーを使用しました. 目標に完全に適合するものを探し続けた結果, Tectonic Audio Lab のバランスモードラジエーター（BMR）スピーカーを見つけました. Ridgway氏は,「いくつかのプラスのメリットにすぐに気づきました」とブログ投稿に書いています. 「スピーカーの位置ずれによるカラレーションは減少し, 重量は目標のほぼ範囲内であり, 高中音域で優れた周波数応答をもち（バイノーラルシミュレーションにとって重要）, 従来のスピーカードライバーよりもはるかに薄くできました」 Valve は Tectonic Audio Labs と協力して, これらの利点を活用し, VRヘッドセット用のカスタムスピーカーを設計しました.

BMRスピーカーテクノロジーとは?

従来のスピーカーでは, オーディオはピストン的に動くコーンダイアフラムによって生成されます. この動きは, 動きの軸に沿ってエネルギーを伝達し, 音を生成します. BMRスピーカーは, 曲げ波, つまり伝搬方向に垂直に移動する波を利用しているという点で異なります. これは, 周囲の空気との相互作用が大きいため, より多くのエネルギーを伝達できることを意味します. より高い周波数は, 従来のダイアフラムが波打ったり曲がったりする可能性があるため, 従来のスピーカーでは処理が難しい場合があります. これはコーンブレイクアップとも呼ばれます. その後の山と谷はオーディオ品質を低下させ, 配置感度を高めます. ほとんどのスピーカーは曲がる波を避けようとしますが, BMRはそれらを受け入れます.

「私たちは曲げモードを採用し, それらを発生させたいと考えています. 発生する場所を制御できます. 軸外出力を維持するのはこれらの曲げモードです. 共振ブレークアップを活用しています」と, Tectonic Audio におけるエンジニアリングの副社長である Tim Whitwell は述べています. 「多くの点で, BMRは従来の音響工学の考え方に反しています.」

BMRテクノロジーは, 材料の選択や質量負荷などのいくつかの特性を最適化することにより, この高周波の波打つことを利用できます. この曲げモードの活用, および曲げモードとピストンモードの両方の重ね合わせにより, BMRスピーカーで音が均等に伝播されます.

ゴールドスタンダードの作成

Tectonic Audio Labs のチームは, Valve Index® VRヘッドセットのオーディオスピーカーに取り組むことになりました. 「私たちにとって, 出発点は横隔膜のモーダル構造を分析することです」とWhitwell氏は言います. 「BMRで私たちにとって本当に重要なことは, ピストン動作がビームを開始したときにモーダル動作が正しく開始されることを確認することです. 」ビーミングが開始されようとすると, 曲げモーダル動作が開始されます. これにより,ビーミングが無視する軸外出力が「埋められ」ます.

この動作を最適化するために, Tectonicチームは最初に, ディスクの曲げモーダル動作が発生する場所と, 帯域幅全体で発生する曲げモードの数を把握する必要がありました. 彼らは COMSOL Multiphysics^® ソフトウェアを使用して, この動作の固有振動数分析を実行しました. そこからチームはディスクの厚さと材質を最適化することで曲げモードを制御することができました. Tectonic Audioは, この動作が必要な場所とタイミングで正確に発生するようにすることで, スピーカーの広い指向性出力を範囲全体で維持できます.

Tectonicはモーター設計も分析し, 電磁気分析を実行してボイスコイルを最適化しました. 「ボイスコイルワイヤーに多くの巻きを追加して, 電磁エネルギーから機械エネルギーへの変換を増やすことができますが, 重量が増えるため, そこで競合する制約があります」とWhitwell氏は説明しました.

機械モデルと電磁気モデルは別々に処理および最適化されました. Tectonic Audio Lab の次のステップは, 連成のために2つをまとめることでした. モデル内のほぼすべてが軸対称であるため, 2D軸対称空間で結合をモデル化でき, 計算リソースを節約できました. ダイヤフラムの材質は例外です. 「ダイアフラム材料自体は実際には直交異方性です. 方向によって剛性が異なります」とWhitwell氏は述べています. 「 COMSOL Multiphysics^® の固体力学インターフェースにより, 2D軸対称空間内の材料の直交異方性をモデル化できます. これは本当に素晴らしいことです. 」

チームが完全連成モデルを開発した後, コイルを中央に配置してその動きを制御するスパイダーサスペンションなどの他の要素を導入しました. 同時に, ダイアフラムの動作のバランスが取れるように完全連成モデルの最適化を継続しました. これはBMRテクノロジーの鍵であり, Valve Index® VRヘッドセットで適切に機能し, さまざまなユーザーに優れたエクスペリエンスを提供します.

スピーカーが完全にダイヤルインされると, サスペンションが次の焦点となり, その形状が非線形スタディで解析されます. 「サスペンションの形状を上下に変形させて, これらのコンポーネントの剛性が変位によってどのように変化するかを確認します」とWhitwell氏は述べています. 「繰り返しになりますが, そこには多くの最適化が必要です.」Whitwell氏は, この最適化がこのプロジェクトで特に重要であると強調しました.「ドライブユニットのノイズや歪みは, リスナーにとって非常に明白です.」サスペンションが完全に最適化された後, 連成モデルに戻ります.

「私たちは,すべてが私たちが望むパフォーマンスを提供していいることを確認しています. そして, プロトタイプを作成することができます.」とWhitwell氏は言います.

VRヘッドセットの「王様」

Tectonic Audio Lab の設計の最適化とプロトタイピングが成功した後, Valve Corporation はヘッドセットを市場に投入することができました.それ以来, 多くの肯定的なレビューを獲得しています.

一例として, 有名なLinusが運営するLinus TechTipsと呼ばれる人気のYouTubeチャンネルがあります. ビデオのトピックは, RAMを増やすとコンピューターが高速になるかどうかの説明から, 最近のレビューまで多岐にわたります. ワイヤレスキーボードをリリースし, 段ボールからPCタワーケースを構築することさえします. そしてもちろん, 彼らはさまざまなVRヘッドセットをレビューしています.

2019年8月, Linusは「VRは死んでいない...」というビデオをアップロードし, Valve Index® ヘッドセットをレビューしました. 彼は当初, スピーカーに対して懐疑的でしたが, ヘッドセットを1日使用した後, Linusは感銘を受けました.

「なんてすごいスピーカなんだ！」と彼はやや信じられないほど言った. 「驚くほど良い音を出します！」 Linusは,　残りのビデオをヘッドセットの仕様の説明に費やしています.

ビデオの最後で, LinusはValve Index® ヘッドセットを持ち上げてカメラを直接見て,「これは間違いなく, VRゲーミングヘッドセットの王様です」と言っています.