计算机科学论坛--利用Directsound 3D实现游戏中3D音效

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在开始本文前，我要说一句，Directsound 3D可以说是Directsound的精华所在，我个人的感觉，在3D游戏的开发中，3D音效一般都是采用Directsound 3D来完成的。

　　DirectSound 3D是微软公司所推出的，它利用声音大小的比例调整与都卜勒效应，来达到以软件来模拟3D音效的效果，创立了在三维空间定位音效文件的标准方式。任何应用程序透过它和支持DirectSound 3D的[URL=http://www.yesky.com/key/460/460.html]声卡[/URL]，便可以获得所需的效果。由于这是许多声卡厂商与微软共同制定的，现在大部分的声卡都支持这项技术。本文就是将Directsound 3D技术介绍给大家，你们可以在你们的程序中使用它，相信会给你的程序增色不少。

　　下面我们就开始吧，在开始前，我还要先介绍一下Directsound 3D相关的几个基本概念。然后通过一个例子来演示如何使用Directsound 3D，[URL=http://www.yesky.com/key/747/45747.html]源码[/URL]附在后面，可以下载。

　　3D空间声源听者

　　Directsound 3D是通过软件模拟来实现3D音效的，所以要先讲一下Dsound 的3D模拟空间。这个空间类似现实空间，可以用笛卡儿[URL=http://www.yesky.com/key/1381/41381.html]坐标系[/URL]来描述Dsound 的3D空间，有x，y，z三个坐标轴坐标轴。

　　在这个模拟空间中Dsound提供了模拟的声源对象和倾听者对象（listener）,声源和听者的关系可以通过三个变量来描述：在三维空间的位置，以及运动的速度，以及运动方向。

　　位置即声源和听者在三维空间的所在位置，随着两者的相对位置不同，则听者便会听到不同的声音效果。

　　速度为声源和听者在三维空间中的移动速度，此项特性同样会改变两者在空间的坐标，以产生不同的声音效果。

　　声源和听者相对运动的方向也会影响听者听到的声音效果，因为声音是具有方向性的。这个下面会谈到。

　　知道了3D声源以及3D环境中的听者，那么怎么产生3D音效呢？一般来说，在产生3D音效的时候，主要有下面的几种情况，1 是声源不动，而听者在模拟的3D空间进行运动，2 是听者不动，让声源在模拟的3D空间进行运动，3 听者和声音同时在运动。如下图：

图1 声源不动，听者移动产生3D音效

图2 听者不动，声源移动产生3D音效

　　Directsound给我们提供了听者和声源对象的接口，我们可以通过上面提到的三种方式设置改变声源或者听者的位置，运动速度和方向就可以形成3D音效了，

　　在3D环境中，我们通过IDirectSound3DBuffer8接口来表述声源，这个接口只有创建时设置DSBCAPS_CTRL3D标志的Directsound buffer才支持这个接口，这个接口提供的一些函数用来设置和获取声源的一些属性。在一个虚拟的3D环境中，我们可以通过主缓冲区来获取IDirectSound3DListener8接口，通过这个接口我们可以控制着声学环境中的多数[URL=http://www.yesky.com/key/2011/32011.html]参数[/URL]，比如多普勒变换的数量，音量衰减的比率。

　　接口很简单，但是大量的计算工作Directsound都在内部帮助我们完成了。

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最大最小距离

　　当听者越接近声源，那么听到的声音就越大，距离减少一半，音量会增加一倍。但是，当你继续接近到声源，当距离缩短到一定距离后，音量就不会持续增加。这就是声源的最小距离。

　　声源的最小距离，就是声音的音量开始随着距离大幅度衰减的起始点。例如，对于飞机，这个最小距离也许是100m，但是对于蜜蜂，这个最小距离是2 cm，根据这个最小距离，当听者距离飞机400m时，声音的音量就要衰减一半，对于蜜蜂来说，当超过4cm的时候，音量衰减一半。下面这个图表现了，最小和最大距离对飞机和蜜蜂音量的影响。

　　Directsound的缺省的最小距离DS3D_DEFAULTMINDISTANCE 定义为1个单位，或者是1米。我们规定，声音在1米处的音量是full volume，在2米处衰减一半，4米处衰减为1/4，一次类推。对于大多数声音来说，我们要设置一个比较大的最小距离，这样，当声音运动的时候，不至于衰减的这么快。

　　最大距离，就是就是声源的音量不再衰减的距离，我们称为声源的最大距离。对于Directsound 3D buffer缺省的最大的距离DS3D_DEFAULTMAXDISTANCE 是1 billion。也就是说，当声音超出我们的听觉范围以外的时候，衰减还是在继续。在VXD驱动下，为了避免不必要的计算处理，我们在创建buffer的时候就要设置一个合理的最大距离。

　　最大距离同时也用来避免某种声音听不到。例如，如果你将某种声音的最小距离设置为100m，那么声音可能在1000m的处衰减的可能就听不到了，你可以将最大的距离设置为800m，这样你就可以保证声音在无论多远处都为原音量的1/10。
记得，缺省的单位是m。

图3 最大最小距离

　　处理模式

　　Sound buffers 有三种处理模式，normal, head-relative, and disabled。

　　在正常模式下，声源的位置和方向是真实世界中的绝对值，这种模式适合声源相对于听者不动的情形。

　　在head reative 模式下，声源的所有3D特性都跟听者的当前的位置，速度，以及方向有关，当听者移动，或者转动方向，3D buffer 就会自动的重新调整 world space 。这种模式可以应用实现一种在听者头部不停的嗡嗡叫的声音，那些一直跟随着听者的声音，根本没有必要用3D声音来实现。

　　在 disable 模式下，3 D 声音失效，所有的声音听起来好像发自听者的头部。

　　声音的锥效应

　　没有方向的声音在各个方向上的振幅都相同，有方向的声音在该方向上的振幅最大，声音的锥效应分为内部的锥效应，和外部的锥效应，锥的外部的角度应该大于等于锥的内部角度。

　　在锥的内部，在考虑到buffer中的基本的音量，以及距离听者的距离远近，何听者的方向，声音的音量就跟没有锥效应一样。
在锥的外部，正常的音量被削弱了，从0到负的百分之几分贝。

　　在锥体的内部和外部之间，是一个过渡带，从内部的volume 到外部的volume，这个音量的逐渐的降低。下面的图表显示了声音的锥效应。

图4 声音锥

　　每一个的3D buffer都有一个声音锥，但是缺省的情况下，每一个3D声音 buffer都像一个没有衰减的声源，因为锥体内外都没有声音的音量的降低，锥的角度内外的角度是360度，除非我们的应用程序改变这个设置，否则的话，3D声音没有方向感。

　　利用3D声音，可以给你的程序添加比较奇异的特技，例如，你可以将声音源放到房间的中间，将声源的方向朝向门的方向，然后将声音的锥体角度包含门的宽度，将锥体的外部设置的更宽一些，然后将锥体的外部音量设置为0。这样，当听者只有在门的附近才能听到声音，在正对门的位置，声音才更响。

　　关于Directsound 3D的一些相关的概念先介绍到这里，下面我们就可以开始我们的3D音效之旅了。我提供了一个demo，下面我们分析如何编程来实现3D音效。Demo的界面如下：

图5 demo界面

　　这里要说明一下，这个demo实现3D音效的方法是采用的第二种方法，即听者不动，使声源运动的方法来产生3D音效。这里设置声源在一个平面上来运动，设置y轴为零。

　　象声源一样，3D世界中的听者也有位置，速度和方向。如下图

图6 听者的坐标系

　　向上的向量指向头的顶部，前向的向量指向听者的面部正前方，缺省时，front向量是(0.0, 0.0, 1.0),，顶部的向量是(0.0, 1.0, 0.0).，如果需要的话，Directsound可以调整front 向量，因为它在top向量的右向。所以，我们这个demo设置的buffer运动轨迹在一个平面内，如上图，我们选择的平面是y=0，所以，我们在这个demo听起来，就好像声音在绕着我们的头部不停的在转动。

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下面一步一步跟我来做吧。

　　第1步声明一些我们要用到的变量。

LPDIRECTSOUND8 g_pDsd = NULL; //Directsound 对象指针
LPDIRECTSOUNDBUFFER g_pDSBuffer = NULL; //辅助缓冲区指针
LPDIRECTSOUND3DBUFFER g_pDS3DBuffer = NULL; // 3D 声源对象指针
LPDIRECTSOUND3DLISTENER g_pDSListener = NULL; // 3D 听者对象指针
DS3DBUFFER g_dsBufferParams; // 3D buffer properties
DS3DLISTENER g_dsListenerParams; // Listener properties
CWaveFile *g_pWaveFile= NULL; //读写wave文件用到的一个类对象
BOOL g_bPlaying = FALSE; //是否正在播放

　　第2步初始化Directsound，创建主缓冲区，设置主缓冲区的音频格式，并通过主缓冲区获取听者（listener）接口，这些工作可以在对话框的初始化中来做。

//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 的主缓冲区，并设置格式
LPDIRECTSOUNDBUFFER pDSBPrimary = NULL;
DSBUFFERDESC dsbdesc ;
ZeroMemory(&dsbdesc,sizeof(DSBUFFERDESC));
dsbdesc.dwSize = sizeof(DSBUFFERDESC);
dsbdesc.dwFlags = DSBCAPS_CTRL3D | DSBCAPS_PRIMARYBUFFER;//一定不要忘记创建主缓冲区的时候要设置DSBCAPS_CTRL3D标志。只有指定了这个标志，后面你才能从这个辅助缓冲区中请求到3D的buffer指针。
if(FAILED(hr = g_pDsd->CreateSoundBuffer(&dsbdesc,&pDSBPrimary ,NULL)))
　return FALSE;
　//获取3D 模拟世界中的听者指针。
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) ) ) //设置缓冲区的音频格式。
　return FALSE;

　　第3步，创建辅助缓冲区，通过辅助缓冲区获取3dbuffer指针

DSBUFFERDESC dsbd;
ZeroMemory( &dsbd, sizeof(DSBUFFERDESC) );
dsbd.dwSize = sizeof(DSBUFFERDESC);
dsbd.dwFlags = DSBCAPS_CTRL3D| DSBCAPS_GLOBALFOCUS | DSBCAPS_CTRLPOSITIONNOTIFY |DSBCAPS_GETCURRENTPOSITION2;
//看看创建辅助缓冲区的buffer时设置的标志，3D的标志自然是需要的，还有一个标志需要注意，DSBCAPS_CTRLPOSITIONNOTIFY，如果你采用的流（stream）buffer的话，就需要边播放，边向buffer中填充数据，就需要设置这个标志，这样，在directsound播放到指定位置时，就会触发事件。
//dsbd.dwBufferBytes =MAX_AUDIO_BUF * BUFFERNOTIFYSIZE ;//如果采用流buffer，可以设置适当的buffer大小。
dsbd.dwBufferBytes =g_pWaveFile->GetSize(); // 如果采用静态buffer，那么buffer的大小就是文件的大小了。
dsbd.guid3DAlgorithm = guid3DAlgorithm;
dsbd.lpwfxFormat = g_pWaveFile->m_pwfx;
if(FAILED(hr = g_pDsd->CreateSoundBuffer(&dsbd,&g_pDSBuffer,NULL)))
　return ;
　//通过辅助缓冲区，来获取3D buffer的指针。
if(FAILED(hr = g_pDSBuffer->QueryInterface(IID_IDirectSound3DBuffer, (VOID**)&g_pDS3DBuffer )))
　return ;

g_dsBufferParams.dwSize = sizeof(DS3DBUFFER);
g_pDS3DBuffer->GetAllParameters( &g_dsBufferParams );

//设置3Dbuffer的属性。
g_dsBufferParams.dwMode = DS3DMODE_HEADRELATIVE;
g_pDS3DBuffer->SetAllParameters( &g_dsBufferParams, DS3D_IMMEDIATE );

　　第4步设置多普勒因子以及最小最大距离。

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步然后就是通过调用辅助缓冲区的play方法，来进行播放音频文件了。

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);

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第6步最后一个很重要的地方，就是我们在程序中设置了一个时钟，这个时钟事件是用来触发Directsound声源的运动如下：

　　声源的运动轨迹根据我们设置的fxscale 和fyscale 的大小，就是我们拖动竖直和水平的两个slider，是一个椭圆形状，当然，如果fxscale = fyscale时，就是个圆形轨迹了。我们可以调整，然后通过ontimer事件来不断调整buffer的运动轨迹。

图7声源运动的轨迹

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 );
　//随着模拟buffer的运动，我们要不断地改变3Dbuffer的参数。
}

　　好了，介绍到这里，基本上都介绍清楚了，如果你还有什么疑惑的话，请参看demo的代码，对于程序员来说，看代码，比看文章能理解的更清楚些。

　　结束语

　　本文通过一个实例来演示了如何利用Directsound 实现游戏开发中的3D立体声音效，随文提供了一个demo源码，你可以下载，本文的demo在windowx xp，2000 + VC.7.0下调试。关于更详细的资料，请参考msdn上directx部分。

　　最后提醒两个问题：

　　1 在我的demo程序中，关于播放音频文件，我提供了两种方法，一种是比较简单的静态buffer，适合比较小的wave文件，另一种方法是采用Streaming buffer，开一个比较小的缓存，然后一边播放，一边将向缓冲中填充数据，这个适合比较大的wave文件。当然后一种方法比较麻烦，需要单独起一个线程。我在程序中都作了详尽的注释，如果你足够仔细，你肯定会发现。

　　2 一定要记住，3D音效只支持单声道的wave文件，不要试图对一个多声道的wave文件实现三维立体声效果，不会成功的。

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