利用Directsound 3D實現遊戲中3D音效

　摘要：3D遊戲中，增強3D音效會讓遊戲玩家產生震撼的聽覺效果，本文通過一個樣本示範了如何採用微軟的Directsound 3D 實現3D環繞立體聲。

　　關鍵詞：Directsound 3D 遊戲 3D立體聲

　　在開始本文前，我要說一句，Directsound 3D可以說是Directsound的精華所在，我個人的感覺，在3D遊戲的開發中，3D音效一般都是採用Directsound 3D來完成的。

　　DirectSound 3D是微軟公司所推出的，它利用聲音大小的比例調整與都蔔勒效應，來達到以軟體來類比3D音效的效果，創立了在三維空間定位音效檔案的標準方式。任何應用程式透過它和支援DirectSound 3D的音效卡，便可以獲得所需的效果。由於這是許多音效卡廠商與微軟共同制定的，現在大部分的音效卡都支援這項技術。 本文就是將Directsound 3D技術介紹給大家，你們可以在你們的程式中使用它，相信會給你的程式增色不少。

　　下面我們就開始吧，在開始前，我還要先介紹一下Directsound 3D相關的幾個基本概念。然後通過一個例子來示範如何使用Directsound 3D，源碼附在後面，可以下載。

　　3D空間 聲源 聽者

　　Directsound 3D是通過軟體類比來實現3D音效的，所以要先講一下Dsound 的3D類比空間。這個空間類似現實空間，可以用笛卡兒座標系來描述Dsound 的3D空間，有x，y，z三個座標軸座標軸。

　　在這個類比空間中Dsound提供了類比的聲來源物件和傾聽者對象（listener）,聲源和聽者的關係可以通過三個變數來描述：在三維空間的位置，以及運動的速度，以及運動方向。

　　位置即聲源和聽者在三維空間的所在位置，隨著兩者的相對位置不同，則聽者便會聽到不同的聲音效果。

　　速度為聲源和聽者在三維空間中的移動速度，此項特性同樣會改變兩者在空間的座標，以產生不同的聲音效果。

　　聲源和聽者相對運動的方向也會影響聽者聽到的聲音效果，因為聲音是具有方向性的。這個下面會談到。

　　知道了3D聲源以及3D環境中的聽者，那麼怎麼產生3D音效呢？一般來說，在產生3D音效的時候，主要有下面的幾種情況，1 是聲源不動，而聽者在類比的3D空間進行運動，2 是聽者不動，讓聲源在類比的3D空間進行運動，3 聽者和聲音同時在運動。如：

圖1 聲源不動，聽者移動產生3D音效

 

圖2 聽者不動，聲源移動產生3D音效

　　Directsound給我們提供了聽者和聲來源物件的介面，我們可以通過上面提到的三種方式設定改變聲源或者聽者的位置，運動速度和方向就可以形成3D音效了，

　　在3D環境中，我們通過IDirectSound3DBuffer8介面來表述聲源，這個介面只有建立時設定DSBCAPS_CTRL3D標誌的Directsound buffer才支援這個介面，這個介面提供的一些函數用來設定和擷取聲源的一些屬性。在一個虛擬3D環境中，我們可以通過主要緩衝區來擷取IDirectSound3DListener8介面，通過這個介面我們可以控制著聲學環境中的多數參數，比如多普勒變換的數量，音量衰減的比率。

　　介面很簡單，但是大量的計算工作Directsound都在內部協助我們完成了。
　最大最小距離

　　當聽者越接近聲源，那麼聽到的聲音就越大，距離減少一半，音量會增加一倍。但是，當你繼續接近到聲源，當距離縮短到一定距離後，音量就不會持續增加。這就是聲源的最小距離。

　　聲源的最小距離，就是聲音的音量開始隨著距離大幅度衰減的起始點。例如，對于飛機，這個最小距離也許是100m，但是對於蜜蜂，這個最小距離是2 cm，根據這個最小距離，當聽者距離飛機400m時，聲音的音量就要衰減一半，對於蜜蜂來說，當超過4cm的時候，音量衰減一半。下面這個圖表現了，最小和最大距離對飛機和蜜蜂音量的影響。

　　Directsound的預設的最小距離DS3D_DEFAULTMINDISTANCE 定義為1個單位，或者是1米。我們規定，聲音在1米處的音量是full volume，在2米處衰減一半，4米處衰減為1/4，一次類推。對於大多數聲音來說，我們要設定一個比較大的最小距離，這樣，當聲音運動的時候，不至於衰減的這麼快。

　　最大距離，就是就是聲源的音量不再衰減的距離，我們稱為聲源的最大距離。對於Directsound 3D buffer預設的最大的距離DS3D_DEFAULTMAXDISTANCE 是1 billion。 也就是說，當聲音超出我們的聽覺範圍以外的時候，衰減還是在繼續。在VXD驅動下，為了避免不必要的計算處理，我們在建立buffer的時候就要設定一個合理的最大距離。

　　最大距離同時也用來避免某種聲音聽不到。例如，如果你將某種聲音的最小距離設定為100m，那麼聲音可能在1000m的處衰減的可能就聽不到了，你可以將最大的距離設定為800m，這樣你就可以保證聲音在無論多遠處都為原音量的1/10。
記得，預設的單位是m。

圖3 最大最小距離

　　處理模式

　　Sound buffers 有三種處理模式，normal, head-relative, and disabled。

　　在正常模式下，聲源的位置和方向是真實世界中的絕對值，這種模式適合聲源相對於聽者不動的情形。

　　在head reative 模式下，聲源的所有3D特性都跟聽者的當前的位置，速度，以及方向有關，當聽者移動，或者轉動方向，3D buffer 就會自動的重新調整 world space 。這種模式可以應用實現一種在聽者頭部不停的嗡嗡叫的聲音，那些一直跟隨著聽者的聲音，根本沒有必要用3D聲音來實現。

　　在 disable 模式下，3 D 聲音失效，所有的聲音聽起來好像發自聽者的頭部。

　　聲音的錐效應

　　沒有方向的聲音在各個方向上的振幅都相同，有方向的聲音在該方向上的振幅最大，聲音的錐效應分為內部的錐效應，和外部的錐效應，錐的外部的角度應該大於等於錐的內部角度。

　　在錐的內部，在考慮到buffer中的基本的音量，以及距離聽者的距離遠近，何聽者的方向，聲音的音量就跟沒有錐效應一樣。
在錐的外部，正常的音量被削弱了，從0到負的百分之幾分貝。

　　在錐體的內部和外部之間，是一個過渡帶，從內部的volume 到外部的volume，這個音量的逐漸的降低。下面的圖表顯示了聲音的錐效應。

圖4 聲音錐

　　每一個的3D buffer都有一個聲音錐，但是預設的情況下，每一個3D聲音 buffer都像一個沒有衰減的 聲源，因為錐體內外都沒有聲音的音量的降低，錐的角度內外的角度是360度，除非我們的應用程式改變這個設定，否則的話，3D聲音沒有方向感。

　　利用3D聲音，可以給你的程式添加比較奇異的特技，例如，你可以將聲音源放到房間的中間，將聲源的方向朝向門的方向，然後將聲音的錐體角度包含門的寬度，將錐體的外部設定的更寬一些，然後將錐體的外部音量設定為0。這樣，當聽者只有在門的附近才能聽到聲音，在正對門的位置，聲音才更響。

　　關於Directsound 3D的一些相關的概念先介紹到這裡，下面我們就可以開始我們的3D音效之旅了。我提供了一個demo，下面我們分析如何編程來實現3D音效。Demo的介面如下：

圖5 demo介面

　　這裡要說明一下，這個demo實現3D音效的方法是採用的第二種方法，即聽者不動，使聲源運動的方法來產生3D音效。這裡設定聲源在一個平面上來運動，設定y軸為零。

　　象聲源一樣，3D世界中的聽者也有位置，速度和方向。 如

圖6 聽者的座標系

　　向上的向量指向頭的頂部，前向的向量指向聽者的面部正前方，預設時，front向量是(0.0, 0.0, 1.0),，頂部的向量是(0.0, 1.0, 0.0).，如果需要的話，Directsound可以調整front 向量，因為它在top向量的右向。所以，我們這個demo設定的buffer運動軌跡在一個平面內，如，我們選擇的平面是y=0，所以，我們在這個demo聽起來，就好像聲音在繞著我們的頭部不停的在轉動。
　下面一步一步跟我來做吧。

　　第1步 聲明一些我們要用到的變數。

LPDIRECTSOUND8 g_pDsd = NULL; //Directsound 對象指標 LPDIRECTSOUNDBUFFER g_pDSBuffer = NULL; //輔助緩衝區指標 LPDIRECTSOUND3DBUFFER g_pDS3DBuffer = NULL; // 3D 聲來源物件指標 LPDIRECTSOUND3DLISTENER g_pDSListener = NULL; // 3D 聽者對象指標 DS3DBUFFER g_dsBufferParams; // 3D buffer properties DS3DLISTENER g_dsListenerParams; // Listener properties CWaveFile *g_pWaveFile= NULL; //讀寫wave檔案用到的一個類對象 BOOL g_bPlaying = FALSE; //是否現正播放

　　第2步初始化Directsound，建立主要緩衝區，設定主要緩衝區的音頻格式，並通過主要緩衝區擷取聽者（listener）介面，這些工作可以在對話方塊的初始化中來做。

//初始化Dsound HRESULT hr; if(FAILED(hr = DirectSoundCreate8(NULL,&g_pDsd,NULL))) 　return FALSE; if(FAILED(hr = g_pDsd->SetCooperativeLevel(m_hWnd,DSSCL_PRIORITY))) 　return FALSE; //初始化Directsound 的主要緩衝區，並設定格式 LPDIRECTSOUNDBUFFER pDSBPrimary = NULL; DSBUFFERDESC dsbdesc ; ZeroMemory(&dsbdesc,sizeof(DSBUFFERDESC)); dsbdesc.dwSize = sizeof(DSBUFFERDESC); dsbdesc.dwFlags = DSBCAPS_CTRL3D | DSBCAPS_PRIMARYBUFFER;//一定不要忘記建立主要緩衝區的時候要設定DSBCAPS_CTRL3D標誌。只有指定了這個標誌，後面你才能從這個輔助緩衝區中請求到3D的buffer指標。 if(FAILED(hr = g_pDsd->CreateSoundBuffer(&dsbdesc,&pDSBPrimary ,NULL))) 　return FALSE; 　//擷取3D 類比世界中的聽者指標。 if( FAILED( hr = pDSBPrimary->QueryInterface( IID_IDirectSound3DListener, (VOID**)&g_pDSListener ) ) ) 　return FALSE; WAVEFORMATEX wfx; ZeroMemory( &wfx, sizeof(WAVEFORMATEX) ); wfx.wFormatTag = (WORD) WAVE_FORMAT_PCM; wfx.nChannels = WAVECHANNEL ; wfx.nSamplesPerSec = WAVESAMPLEPERSEC ; wfx.wBitsPerSample = WAVEBITSPERSAMPLE ; wfx.nBlockAlign = (WORD) (wfx.wBitsPerSample / 8 * wfx.nChannels); wfx.nAvgBytesPerSec = (DWORD) (wfx.nSamplesPerSec * wfx.nBlockAlign); if( FAILED( hr = pDSBPrimary->SetFormat(&wfx) ) ) //設定緩衝區的音頻格式。 　return FALSE;

　　第3步，建立輔助緩衝區，通過輔助緩衝區擷取3dbuffer指標

DSBUFFERDESC dsbd; ZeroMemory( &dsbd, sizeof(DSBUFFERDESC) ); dsbd.dwSize = sizeof(DSBUFFERDESC); dsbd.dwFlags = DSBCAPS_CTRL3D| DSBCAPS_GLOBALFOCUS | DSBCAPS_CTRLPOSITIONNOTIFY |DSBCAPS_GETCURRENTPOSITION2; //看看建立輔助緩衝區的buffer時設定的標誌，3D的標誌自然是需要的，還有一個標誌需要注意，DSBCAPS_CTRLPOSITIONNOTIFY，如果你採用的流（stream）buffer的話，就需要邊播放，邊向buffer中填充資料，就需要設定這個標誌，這樣，在directsound播放至指定位置時，就會觸發事件。 //dsbd.dwBufferBytes =MAX_AUDIO_BUF * BUFFERNOTIFYSIZE ;//如果採用流buffer，可以設定適當的buffer大小。 dsbd.dwBufferBytes =g_pWaveFile->GetSize(); // 如果採用靜態buffer，那麼buffer的大小就是檔案的大小了。 dsbd.guid3DAlgorithm = guid3DAlgorithm; dsbd.lpwfxFormat = g_pWaveFile->m_pwfx; if(FAILED(hr = g_pDsd->CreateSoundBuffer(&dsbd,&g_pDSBuffer,NULL))) 　return ; 　//通過輔助緩衝區，來擷取3D buffer的指標。 if(FAILED(hr = g_pDSBuffer->QueryInterface(IID_IDirectSound3DBuffer, (VOID**)&g_pDS3DBuffer ))) 　return ; g_dsBufferParams.dwSize = sizeof(DS3DBUFFER); g_pDS3DBuffer->GetAllParameters( &g_dsBufferParams ); //設定3Dbuffer的屬性。 g_dsBufferParams.dwMode = DS3DMODE_HEADRELATIVE; g_pDS3DBuffer->SetAllParameters( &g_dsBufferParams, DS3D_IMMEDIATE );

　　第4步 設定多普勒因子以及最小最大距離。

FLOAT fDopplerFactor; FLOAT fRolloffFactor; FLOAT fMinDistance; FLOAT fMaxDistance; CSliderCtrl *pDopplerSlider = (CSliderCtrl*)GetDlgItem(IDC_DOPPLER_SLIDER); fDopplerFactor = pDopplerSlider->GetPos(); CSliderCtrl *pRolloffSlider= (CSliderCtrl*)GetDlgItem(IDC_ROLLOFF_SLIDER); fRolloffFactor = pRolloffSlider->GetPos(); CSliderCtrl *pMinDistSlider = (CSliderCtrl*)GetDlgItem(IDC_MINDISTANCE_SLIDER ); fMinDistance = pMinDistSlider->GetPos(); CSliderCtrl *pMaxDistSlider = (CSliderCtrl*)GetDlgItem(IDC_MAXDISTANCE_SLIDER ); fMaxDistance = pMaxDistSlider->GetPos(); g_dsListenerParams.flDopplerFactor = fDopplerFactor; g_dsListenerParams.flRolloffFactor = fRolloffFactor; if( g_pDSListener ) { 　g_pDSListener->SetAllParameters( &g_dsListenerParams, DS3D_DEFERRED ); 　g_pDSListener->CommitDeferredSettings(); } g_dsBufferParams.flMinDistance = fMinDistance; g_dsBufferParams.flMaxDistance = fMaxDistance; if( g_pDS3DBuffer ) 　g_pDS3DBuffer->SetAllParameters( &g_dsBufferParams, DS3D_DEFERRED );

　　第5步 然後就是通過調用輔助緩衝區的play方法，來進行播放音頻檔案了。

DWORD res; LPVOID lplockbuf; DWORD len; DWORD dwWrite; g_pDSBuffer->Lock(0,0,&lplockbuf,&len,NULL,NULL,DSBLOCK_ENTIREBUFFER); g_pWaveFile->Read((BYTE*)lplockbuf,len,&dwWrite); g_pDSBuffer->Unlock(lplockbuf,len,NULL,0); g_pDSBuffer->SetCurrentPosition(0); g_pDSBuffer->Play(0,0,DSBPLAY_LOOPING);

　　第6步最後一個很重要的地方，就是我們在程式中設定了一個時鐘，這個時鐘事件是用來觸發Directsound聲源的運動如下：

　　聲源的運動軌跡根據我們設定的fxscale 和fyscale 的大小，就是我們拖動豎直和水平的兩個slider，是一個橢圓形狀，當然，如果fxscale = fyscale時，就是個圓形軌跡了。我們可以調整，然後通過ontimer事件來不斷調整buffer的運動軌跡。

圖7聲源運動的軌跡

void CDsound3DPlayDemoDlg::OnTimer(UINT nIDEvent ) { 　FLOAT fXScale; 　FLOAT fYScale; 　fXScale = (((CSliderCtrl*)GetDlgItem(IDC_HORIZONTAL_SLIDER ))->GetPos())/100.0f; 　fYScale = (((CSliderCtrl*)GetDlgItem(IDC_VERTICAL_SLIDER ))->GetPos())/100.0f; 　FLOAT t = timeGetTime()/1000.0f; 　// Move the sound object around the listener. The maximum radius of the 　// orbit is 27.5 units. 　D3DVECTOR vPosition; 　vPosition.x = ORBIT_MAX_RADIUS * fXScale * (FLOAT)sin(t); 　vPosition.y = 0.0f; 　vPosition.z = ORBIT_MAX_RADIUS * fYScale * (FLOAT)cos(t); 　D3DVECTOR vVelocity; 　vVelocity.x = ORBIT_MAX_RADIUS * fXScale * (FLOAT)sin(t+0.05f); 　vVelocity.y = 0.0f; 　vVelocity.z = ORBIT_MAX_RADIUS * fYScale * (FLOAT)cos(t+0.05f); 　memcpy( &g_dsBufferParams.vPosition, &vPosition, sizeof(D3DVECTOR) ); 　memcpy( &g_dsBufferParams.vVelocity, &vVelocity, sizeof(D3DVECTOR) ); 　UpdateGrid( vPosition.x, vPosition.z ); 　if( g_pDS3DBuffer ) 　　g_pDS3DBuffer->SetAllParameters( &g_dsBufferParams, DS3D_IMMEDIATE ); 　//隨著類比buffer的運動，我們要不斷地改變3Dbuffer的參數。 }

　　好了，介紹到這裡，基本上都介紹清楚了，如果你還有什麼疑惑的話，請參看demo的代碼，對於程式員來說，看代碼，比看文章能理解的更清楚些。

　　結束語

　　本文通過一個執行個體來示範了如何利用Directsound 實現遊戲開發中的3D立體聲音效，隨文提供了一個demo源碼，你可以下載，本文的demo在windowx xp，2000 + VC.7.0下調試。關於更詳細的資料，請參考msdn上directx部分。

　　最後提醒兩個問題：

　　1 在我的demo程式中，關於播放音頻檔案，我提供了兩種方法，一種是比較簡單的靜態buffer，適合比較小的wave檔案，另一種方法是採用Streaming buffer，開一個比較小的緩衝，然後一邊播放，一邊將向緩衝中填充資料，這個適合比較大的wave檔案。當然後一種方法比較麻煩，需要單獨起一個線程。我在程式中都作了詳盡的注釋，如果你足夠仔細，你肯定會發現。

　　2 一定要記住，3D音效只支援單聲道的wave檔案，不要試圖對一個多聲道的wave檔案實現三維立體聲效果，不會成功的。

　　最後留下email，aooang@hotmail.com有什麼問題聯絡我。