Dans l'article d'aujourd'hui, nous allons plonger en profondeur dans un phénomène acoustique intéressant appelé « phasing » (ou déphasage), et qui peut être rencontré lors de la modélisation de l'acoustique d'un environnement donné.  Nous prendrons d'abord un bref moment pour examiner la physique sous-jacente au phénomène du phasing avant de présenter les nouveaux outils que Reflect offre dans Wwise 23.1 pour aider à minimiser certains de ses effets indésirables.

Qu'est-ce que le phasing ?

On décrit typiquement l'effet de phasing comme si vous écoutiez un son jouant à travers un tuyau.  Ou encore, comme le son d'un avion à réaction volant au-dessus de la tête, un son de sweep (balayage), un son creux, etc.  Dans les exemples ci-dessous, nous avons un clip audio d'un rythme de batterie non modifié (en haut), et avec un effet de phasing (en bas) :

Remarquez comment le clip ayant un effet de phasing sonne comme s'il était incomplet !  Le phasing* est souvent utilisé en musique comme effet créatif, mais l'effet lui-même ne se limite pas à des plugins ou des pédales d'effet.  Le phasing peut également être observé dans la vie réelle !  Dans la vidéo ci-dessous, on peut clairement entendre l'effet de phasing sur le bruit de la fontaine :

Principes physiques de base du phasing

Tout d'abord, parlons d'interférence des ondes, ce qui est fondamental pour comprendre le phasing.  Lorsque deux ondes se rencontrent, il y a une forme d'interférence. Cette interférence peut être constructive (l'amplitude de l'onde résultante est augmentée) ou destructive (l'amplitude est réduite).  Le type et l'ampleur de l'interférence dépendent de l'amplitude, de la fréquence et de la phase des ondes.

Dans l'animation ci-dessous, l'onde bleue rencontre l'onde orange.  Lorsque l'onde orange est alignée sur l'onde bleue, il y a interférence constructive et l'amplitude de l'onde résultante (rouge) est augmentée.  Lorsque l'onde orange se déplace vers la droite (en augmentant le délai/la phase), l'amplitude de l'onde résultante diminue jusqu'à zéro avant de croître à nouveau.

Démonstration simple d'interférence d'ondes

Cette démonstration simple montre les effets de l'interférence de deux signaux à une fréquence donnée, mais la plupart des signaux audio se produisant dans le monde réel sont complexes et composés de nombreuses fréquences différentes.  Il est donc plus utile d'examiner le spectre d'un signal.

L'animation ci-dessous recrée le scénario de la vidéo de la fontaine. Les ondes sonores empruntent deux chemins différents pour atteindre l'auditeur.  Le premier est un chemin direct tandis que le second contient une réflexion sur le mur.  Le graphique en haut à droite montre le spectre résultant des deux ondes mélangées ensembles, tandis que le graphique en bas à droite montre le temps d'arrivée (ToA ou « Time of Arrival ») de chaque onde :

Simulation de l'effet de phasing de la fontaine

Au fur et à mesure que l'auditeur se rapproche du mur, la différence entre les temps d'arrivée de chaque onde se réduit et le spectre présente de plus en plus un profil fait d'une succession importante de pics et de creux.  Ce profil nous indique que l'amplitude des différents composants fréquentiels du son sera augmentée (pics) ou réduite (creux).  En d'autres termes, le spectre nous renseigne sur le type d'interférence que subit chaque composant fréquentiel.  Ce profil en peigne (« comb »)** est précisément ce que nous percevons comme un effet de phasing !

Il y a plusieurs choses à noter ici.  Tout d'abord, le phasing devient très important lorsque la différence de temps d'arrivée entre les ondes sonores est courte (moins de 20 ms).  Deuxièmement, le modèle présenté ici n'utilise que deux trajets sonores, mais dans la réalité, il y en a beaucoup plus (infiniment plus, mais nous ne pouvons rendre qu'un nombre limité de trajets).  Chaque chemin sonore a un temps d'arrivée différent et peut avoir des pics spectraux qui se chevauchent avec des creux provenant d'autres chemins, s'annulant les uns les autres.  Le graphique ci-dessous montre l'effet du mélange de signaux avec trois temps d'arrivée différents.  Remarquez que le spectre résultant est plus aplati :

Effet de la combinaison spectrale de plusieurs réflexions

Ce qu'il faut en retenir, c'est que si l'effet de phasing se produit en effet dans la vie réelle, celui-ci est probablement rare en raison des très nombreuses interactions entre les multiples réflexions, ce qui en atténue l'effet.  Cependant, dans le monde de la modélisation acoustique, nous devons réduire le nombre de réflexions pour réduire les coûts de calcul. Par conséquent, le phasing est plus susceptible de se produire.

Revenons à Reflect

Le plugin Reflect est un moteur de rendu des premières réflexions qui donne à l'auditeur une impression d'espace pour les sons d'un environnement.  Lorsque les ondes sonores partent de leur source, elles sont réfléchies par différentes surfaces avant d'atteindre l'auditeur.  Les premières réflexions qui atteignent l'auditeur contribuent fortement à notre perception de l'espace, et c'est ce que le plugin Reflect permet de rendre.

Puisque Reflect travaille avec les réflexions, vous vous demandez peut-être : cela signifie-t-il que Reflect peut restituer un signal audio avec un effet de phasing ?  La réponse est OUI !  La démo ci-dessous utilise le plugin Reflect pour simuler l'environnement de la fontaine présentée plus haut :

Au fur et à mesure que l'auditeur se rapproche du mur et s'éloigne de la fontaine, nous entendons un effet de phasing très similaire à celui de la vidéo précédente de la fontaine !  C'est formidable que Reflect puisse reproduire ce que nous avons observé dans la vie réelle, mais dans un jeu, cet effet peut être très gênant. Heureusement, Reflect propose des outils pour réduire ces effets de phasing.

Outils d'atténuation

Wwise 23.1 introduit deux nouveaux outils pour réduire le phasing de Reflect.

Clustering

Si nous savons que le phasing peut se produire lorsqu'un groupe de réflexions a des différences de temps d'arrivée inférieures à 20 ms, nous pouvons alors « regrouper » ces réflexions en une seule réflexion :

Concept de clustering

Dans le diagramme ci-dessus, il y a 3 chemins de réflexion parvenant à l'auditeur. Les chemins A et B ont des différences de temps d'arrivée de moins de 20 ms (différence de temps d'arrivée = 19 - 18 ms = 1 ms).  Par conséquent, les chemins A et B sont regroupés et « fusionnés » avec le chemin direct (orange).  Le chemin C, quant à lui, présente une différence de temps d'arrivée supérieure à 20 ms et n'est donc pas modifié.

Le clustering (ou « regroupement ») est activé en réglant la propriété Direct Sound Max Delay de l'interface de Reflect sur une valeur différente de 0.  Cette propriété représente la différence maximale de temps d'arrivée en millisecondes.  Toutes les réflexions dont les différences de temps d'arrivée sont égales ou inférieures à cette valeur sont regroupées.

Contrôles du paramètre Direct Sound Max Delay

La vidéo ci-dessous présente une démonstration du clustering :

Le clustering est une approche simple mais efficace qui présente l'avantage supplémentaire de réduire la charge de calcul car il y a moins de réflexions à rendre.  L'inconvénient de cette approche est que les réflexions ne sont regroupées qu'avec le chemin direct.  Les groupes de réflexions basées sur une autre différence de temps d'arrivée ne peuvent pas être regroupées.

Décorrélation

Dans la réalité, la plupart des surfaces ne se contentent pas de réfléchir les ondes sonores, elles les diffusent également.  Dans la section précédente, nous avons vu comment le fait de mélanger davantage de réflexions avec des temps d'arrivée différents conduisait à un spectre plus aplati.  Nous pouvons considérer les ondes diffusées comme des mini-réflexions qui se combinent aux réflexions principales.

Diffusion des ondes

La diffusion est modélisée par un filtre et fait partie d'une famille plus large de filtres appelés filtres de décorrélation.

Les filtres de décorrélation sont activés en réglant la propriété Decorrelation Strength dans l'interface de Reflect sur une valeur supérieure à 0.  Il existe deux types de filtres de décorrélation dans le menu déroulant Decorrelation Mode :

Favor Performance utilise des filtres de décorrélation basés sur un modèle physique de diffusion acoustique.
Cette option est moins coûteuse en termes de calcul mais moins efficace pour réduire l'effet de phasing par rapport au mode Favor Quality.  Des valeurs de force de décorrélation élevées peuvent entraîner une certaine coloration spectrale : une augmentation ou une réduction de certains composants fréquentiels (phénomène similaire au phasing).

Contrôles du filtre de décorrélation (Favor Performance)

La vidéo ci-dessous montre les effets du filtre de décorrélation en mode Favor Performance :

Le mode Favor Quality utilise un autre type de filtre de décorrélation, cette fois basé sur une conception algorithmique.  Il est assez efficace pour réduire l'effet de phasing tout en minimisant les effets de coloration spectrale.  Cependant, le coût de calcul est plus élevé.

Contrôles du filtre de décorrélation (Favor Quality)

La vidéo ci-dessous montre les effets du filtre de décorrélation en mode Favor Quality :

Performances contre qualité

Vous avez peut-être remarqué dans les exemples précédents que le mode Favor Quality était généralement plus efficace pour réduire le phasing sans donner de coloration spectrale, contrairement au mode Favor Performance.  Cependant, cela se fait au détriment des ressources CPU.  Il convient de noter que le mode Favor Performance est toutefois capable de fournir des résultats satisfaisants avec moins de ressources, en particulier lorsque d'autres types de sons sont impliqués.  Dans l'exemple ci-dessous, la source sonore utilisée est un battement de tambour au lieu d'un bruit rose, et le phasing est considérablement réduit avec une coloration spectrale minimale lorsque la force de décorrélation est réglée sur une valeur faible de 15 !

N'hésitez pas à expérimenter différents modes de décorrélation avec différents sons.  Vous constaterez peut-être que certains sons conviennent mieux à certains modes de décorrélation que d'autres !

Le tableau ci-dessous résume les méthodes de réduction de l'effet de phasing, leurs avantages et leurs inconvénients :

 

Type d'atténuation	Concept	Avantages	Inconvénients
Clustering	Fusionne avec le chemin direct toutes les réflexions dont les différences de temps d'arrivée sont inférieures ou égales à une certaine valeur.	Moins coûteux sur le plan des calculs que les filtres de décorrélation, simple à manipuler.	Les réflexions sont regroupées et fusionnées uniquement avec le chemin direct. Peut créer une certaine perte de perception spatiale.
Décorrélation : Favor Performance	Passe le signal audio des réflexions dans un filtre de décorrélation conçu à partir d'un modèle de diffusion acoustique.	Moins coûteux en calcul que le filtre de décorrélation Favor Quality (les coûts de calcul augmentent avec l'intensité de la décorrélation)	Moins efficace pour réduire le phasing et peut ajouter une coloration spectrale
Décorrélation : Favor Quality	Passe le signal audio des réflexions dans un filtre de décorrélation conçu par un processus algorithmique	Plus efficace pour réduire le phasing et crée moins de coloration spectrale	Plus coûteux en termes de calcul que le filtre Favor Performance

 

Largeur stéréo

Les filtres de décorrélation ont d'autres utilisations.  L'une d'elles consiste à élargir l'image stéréo, une fonctionnalité disponible dans Reflect.  Pour l'activer, il suffit de cocher la case Widen Stereo Field, de s'assurer que la courbe Distance Spread ait une valeur non nulle pour une distance donnée, et que le paramètre Decorrelation Strength soit supérieure à 0.  L'augmentation de l'intensité de la décorrélation permet d'élargir davantage le champ stéréo.

Contrôles d'élargissement du champ stéréo

En résumé

Lorsque des réflexions acoustiques présentant de petites différences de temps d'arrivée sont mélangées, le spectre résultant peut présenter un profil en peigne, que nous percevons comme un effet de phasing.  Comme Reflect permet de rendre les premières réflexions, le phasing peut se produire dans certaines situations. Dans Wwise 23.1, Reflect offre plusieurs outils pour réduire les aspects les plus gênants de cet effet.

Notes

* En production musicale, on appelle typiquement « flanger » l'effet obtenu en créant des profils d'interférence par l'usage d'ondes similaires, mais nous utilisons ici les termes « phasing » et « flanging » de manière interchangeable.

**Ce profil en peigne est à l'origine d'un terme peut-être familier : « filtrage en peigne » (ou « comb filter »)