www/devmaster/lesson*.html: Fix links to original articles.
[joal-demos.git] / www / devmaster / lesson7.html
1 <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01 Transitional//EN">
2 <html>
3 <head>
4 <title>JOAL OpenAL Tutorials from Lesson 7: The Doppler Effect</title>
5 <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=iso-8859-1">
6 <link rel="stylesheet" type="text/css" href="general.css">
7 </head>
8 <body>
9 <a href="../index.html"><img src="../../../images/jogamp_symbols/website_final_blue_joal_346x70pel.png" alt="JOAL Symbol"></a><a href=""><img src="../openal_c.gif"></a>
10 <br>
11 OpenAL Tutorials from Reprinted with Permission.<br>
12 <br>
13 <table border="0" cellspacing="0" style="border-collapse: collapse" width="100%" cellpadding="0" id="AutoNumber1" height="12" bgcolor="#666699">
14   <tr> 
15     <td width="47%" height="12" valign="middle"><p><b><font color="#FFFFFF">OpenAL 
16         Tutorials</font></b></p></td>
17     <td width="53%" height="12" align="right" valign="middle"><p align="right"><a href=""><font color="#66FF99"></font></a></p></td>
18   </tr>
19 </table>
20 <p class="ArticleTitle"><font size="5">The Doppler Effect<br>
21   </font><font color="#000000" size="4"><strong>Lesson 7</strong></font></p>
22 <p align="right" class="ArticleAuthor">Author: <a href="">Jesse 
23   Maurais</a><br>
24   Adapted For Java By: <a href="">Athomas Goldberg</a></p>
25 <p align="justify">This is a translation of <a href="">
26 OpenAL Lesson 7: The Doppler Effect</a>
27 tutorial from <a href=""></a> to JOAL.
29 </p>
30 <h1>A Look at Real-World Physics</h1>
31 <p align="justify">I know this will be boring review for anyone with a course 
32   in high school physics, but lets humour ourselves. The Doppler effect can be 
33   a very tricky concept for some people, but it is a logical process, and kind 
34   of interesting when you get right down to it. To begin understanding the Doppler 
35   effect we first must start to understand what a &quot;sound&quot; really is. 
36   Basically a sound is your minds interpretation of a compression wave that is 
37   traveling through the air. Whenever the air becomes disturbed it starts a wave 
38   which compresses the air particles around it. This wave travels outward from 
39   it's point of origin. Consider the following diagram.</p>
40 <p align="justify"><img src="sound_waves.jpg" width="150" height="132" hspace="5" vspace="0" border="0" align="left">In 
41   this diagram (on the left) the big red &quot;S&quot; stands for the sources 
42   position, and the big red &quot;L&quot; stands for (you guessed it), the Listener's 
43   position. Both source and Listener are not moving. The source is emitting compression 
44   waves outward, which are represented in this diagram by the blue circles. The 
45   Listener is experiencing the sound exactly as it is being made in this diagram. 
46   The Doppler effect is not actually present in this example since there is no 
47   motion; the Doppler effect only describes the warping of sound due to motion.</p>
48 <p align="justify">What you should try to do is picture this diagram animated. 
49   When the source emits a wave (the circles) it will look as though it is growing 
50   away from it's point of origin, which is the sources position. A good example 
51   of a similar effect is the ripples in a pond. When you throw a pebble into a 
52   calm body of water it will emit waves which constantly move away from the point 
53   of impact. Believe it or not this occurs from the exact same physical properties. 
54   But what does this have to do with the Doppler effect? Check out the next diagram 
55   (on the right).</p>
57 <p align="justify"> <img src="doppler_effect.jpg" width="150" height="132" hspace="5" border="0" align="right">Wow, 
58   what's going on here? The source is now in motion, indicated by the little red 
59   arrow. In fact the source is now moving towards the Listener with an implied 
60   velocity. Notice particularly that the waves (circles) are being displaced inside 
61   each other. The displacement follows the approximate path of the source which 
62   emits them. This is the key to the Doppler effect. Essentially what has happened 
63   is that the source has emitted a wave at different points in it's path of travel. 
64   The waves it emits do not move with it, but continue on their own path of travel 
65   from the point they were emitted.</p>
66 <p align="justify">So how does this effect the perceived sound by the Listener? 
67   Well, notice too in the last diagram that the waves (circles) that are between 
68   the source and the Listener are kind of compressed together. This will cause 
69   the sound waves to run together, which in turn causes the perceived sound seem 
70   like it's faster. What we are talking about here is frequency. The distances 
71   between the waves effects the frequency of the sound. When the source that emits 
72   the sound is in motion, it causes a change in frequency. You may notice too 
73   that distance between the waves varies at different points in space. For example, 
74   on the opposite side of the moving source (anywhere along the previous path 
75   of travel) the distances are actually wider, so the frequency will be lower 
76   (the distance and frequency have an inverse relationship). What this implies 
77   is that the frequency perceived by the Listener is relative to where the Listener 
78   is standing. </p>
79 <p align="justify">The motion of the Listener can also affect the frequency. This 
80   one is a little harder to picture though. If the source is still, and the Listener 
81   is moving toward the source, then the perceived frequency by the Listener will 
82   be warped in the same exact manner that we described for the moving source. 
83 </p>
84 <p>If you still have trouble picturing this, consider the following two 
85 diagrams:</p>
86 <p align="center"><img border="0" src="sin_wave.jpg" width="255" height="135">&nbsp;&nbsp;
87 <img border="0" src="compress_sin_wave.jpg" width="255" height="135"></p>
88 <p align="justify">These two diagrams will represent the sound in the form of 
89   a sine wave. Look at the first one. Think of the peaks as the instance of the 
90   wave. The very top point of the wave will be the same as the instance of the 
91   blue circle in the previous set of diagrams. The valleys will be like the spaces 
92   in between the blue circles. The second diagram represents a compressed wave. 
93   When you compare the two you will notice an obvious difference. The second diagram 
94   simply has more wave occurrences in the same amount of space. Other ways of 
95   saying this are that they occur more often, with a greater regularity, or with 
96   a greater frequency. </p>
97 <p align="justify">For anyone who is interested in some added information: The 
98   velocity of the waves is the speed of sound. If the velocity of the source is 
99   greater than that of the wave, then the source is breaking the sound barrier.</p>
100 <h1>The Physics of OpenAL</h1>
102 <p align="justify">Ok, either you have understood my ramblings on the Doppler 
103   effect from above, or you have skipped it because you already have full knowledge 
104   of the Doppler effect and just want to know how it effects the OpenAL rendering 
105   pipeline. I think the best start to his section will be to quote the OpenAL 
106   spec directly:</p>
107 <blockquote>
108   <p align="justify"><i>&quot;The Doppler Effect depends on the velocities of 
109     Source and Listener relative to the medium, and the propagation speed of sound 
110     in that medium.&quot; - chapter 3, subsection 7&quot;</i></p>
111 </blockquote>
112 <p align="justify">We can take this to mean that there are 3 factors which are 
113   going to affect the final frequency of the sound heard by the Listener. These 
114   factors are the velocity of the source, the velocity of the Listener, and a 
115   predefined speed of sound. </p>
116 <p align="justify">When we refer to a &quot;medium&quot;, what we mean is the 
117   kind of material that both the source and Listener are &quot;in&quot;. For example, 
118   sounds that are heard from underwater are much different than sounds that are 
119   heard in the open air. Air and water are examples of different mediums. The 
120   reason that sound is so different between these mediums has to do with the particle 
121   density. As we said before, sound is nothing but the motion of particles in 
122   the air. In a medium with a much greater particle density the sound will be 
123   much different because the particles are in closer contact. When they are in 
124   closer contact it allows for the wave to travel much better. As an example of 
125   the opposite, think of outer space. In outer space there is an extremely low 
126   particle density. In fact there is only a few very light particles (mostly hydrogen) 
127   scattered about. This is why no sound can be heard from space. </p>
129 <p align="justify">Ok, lets get back on topic. OpenAL calculates the Doppler effect 
130   internally for us, so we need only define a few parameters that will effect 
131   the calculation. We would do this in case we don't want a realistic rendering. 
132   Rather if want to exaggerate or deemphasize the effect. The calculation goes 
133   like this.</p>
134 <p><span class="codeNormal">&nbsp;&nbsp;&nbsp; shift = DOPPLER_FACTOR * freq * (DOPPLER_VELOCITY 
135 - l.velocity) / (DOPPLER_VELOCITY + s.velocity)</span></p>
136 <p align="justify">Constants are written in all caps to differentiate. The &quot;l&quot; 
137   and &quot;s&quot; variables are the Listener and source respectively. &quot;freq&quot; 
138   is the initial unaltered frequency of the emitting wave, and &quot;shift&quot; 
139   is the altered frequency of the wave. The term &quot;shift&quot; is the proper 
140   way to address the altered frequency and will be used from now on. This final 
141   shifted frequency will be sampled by OpenAL for all audio streaming that is 
142   affected. </p>
144 <p align="justify">We already know that we can define the velocity of both source 
145   and Listener by using the 'AL_VELOCITY' field to 'alListenerfv' and 'alSourcefv'. 
146   The 'freq' parameter comes straight from the buffer properties when it was loaded 
147   from file. To set the constant values the following functions are provided for 
148   us.</p>
149 <pre class=code><font color="#0000FF">public void </font>alDopplerFactor(<font color="#0000FF">float</font> factor);
150 <font color="#0000FF">public void </font>alDopplerVelocity(<font color="#0000FF">float</font> velocity);
151 </pre>
152 <p align="justify">For 'alDopplerFactor' any non-negative value will suffice. 
153   Passing a negative value will raise an error of 'AL_INVALID_VALUE', and the 
154   whole command will be ignored. Passing zero is a perfectly valid argument. Doing 
155   this will disable the Doppler effect and may in fact help overall performance 
156   (but won't be as realistic). The effect of the Doppler factor will directly 
157   change the magnitude of the equation. A value of 1.0 will not change the effect 
158   at all. Passing anything between 0.0 and 1.0 will minimize the Doppler effect, 
159   and anything greater than 1.0 will maximize the effect. </p>
160 <p align="justify">For 'alDopplerVelocity' any non-negative non-zero value will 
161   suffice. Passing either a negative or a zero will raise an error of 'AL_INVALID_VALUE', 
162   and the whole command will be ignored. The Doppler velocity is essentially the 
163   speed of sound. Setting this will be like setting how fast sound can move through 
164   the medium. OpenAL has no sense of medium, but setting the velocity will give 
165   the effect of a medium. OpenAL also has no sense of units (kilometer, miles, 
166   parsecs), so keep that in mind when you set this value so it is consistent with 
167   all other notions of units that you have defined.</p>
168 </p>
169 <table border="0" cellspacing="1" style="border-collapse: collapse" width="100%" id="AutoNumber2" bgcolor="#666699">
170   <tr> 
171     <td width="40%"> <p dir="ltr"><font color="#FFFFFF" size="2">© 2003 
172         All rights reserved.</font></td>
173     <td width="60%"> <p align="right" dir="ltr"><font size="2"><a href=""> 
174         <font color="#FFFFFF">Contact us</font></a><font color="#FFFFFF"> if you 
175         want to write for us or for any comments, suggestions, or feedback.</font></font></td>
176   </tr>
177 </table>
178 </body>
179 </html> git info: FAQ, tutorial and man pages.