莊 元

（南京藝術(shù)學(xué)院傳媒學(xué)院，南京，210013）

音響技術(shù)

余音繞梁 如聞天籟
——3D環(huán)繞聲技術(shù)發(fā)展述評(píng)

莊 元

（南京藝術(shù)學(xué)院傳媒學(xué)院，南京，210013）

對(duì)目前主流的3D環(huán)繞聲技術(shù)進(jìn)行了分類(lèi)，比較分析了各類(lèi)3D環(huán)繞聲技術(shù)的特點(diǎn)及其商業(yè)應(yīng)用前景，預(yù)言3D環(huán)繞聲技術(shù)的創(chuàng)新正在推動(dòng)21世紀(jì)聲音技術(shù)的發(fā)展。

3D環(huán)繞聲；聲場(chǎng)重建；巴可Auro-3D；IOSONO-3D；杜比全景聲；中國(guó)多維聲；沉浸感

近年來(lái)，一個(gè)十分新穎的概念——3D環(huán)繞聲被提出，它突破了以往環(huán)繞聲技術(shù)的局限，徹底改變了音頻體驗(yàn)，當(dāng)人們初次體驗(yàn)3D環(huán)繞聲時(shí)，不禁會(huì)發(fā)出“余音繞梁，如聞天籟”的感嘆。進(jìn)入21世紀(jì)，3D環(huán)繞聲技術(shù)得到蓬勃發(fā)展。相對(duì)于傳統(tǒng)單層揚(yáng)聲器環(huán)繞聲技術(shù)而言，多層揚(yáng)聲器3D環(huán)繞聲技術(shù)可以給觀眾帶來(lái)精確的聲音定位、更加細(xì)膩的聲音細(xì)節(jié)和更加沉浸式的聽(tīng)覺(jué)感受，這種聽(tīng)覺(jué)感受是傳統(tǒng)的環(huán)繞聲技術(shù)所無(wú)法比擬的。那么，3D環(huán)繞聲技術(shù)的原理是什么？各種技術(shù)孰優(yōu)孰劣？發(fā)展現(xiàn)狀如何？發(fā)展前景如何？這些問(wèn)題成為音頻技術(shù)界的探討話(huà)題，筆者擬對(duì)3D環(huán)繞聲技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行一次粗淺的述評(píng)。

1 概述

聲音的錄制和重放技術(shù)在很大程度上是由電影工業(yè)所推動(dòng)的，然而迄今為止，多聲道環(huán)繞聲技術(shù)雖然已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年，不斷有新技術(shù)的運(yùn)用，但總體來(lái)說(shuō)是以平面5.1聲道技術(shù)為基礎(chǔ)的2D環(huán)繞聲。

促使3D環(huán)繞聲技術(shù)發(fā)展的動(dòng)機(jī)因素有三個(gè)方面。第一，從技術(shù)的角度來(lái)看，現(xiàn)有的影院環(huán)繞聲是基于單層揚(yáng)聲器的2D環(huán)繞聲系統(tǒng)，在很長(zhǎng)的一段歷史時(shí)期中領(lǐng)先于35 mm膠片的影像技術(shù)。但隨著3D影像技術(shù)的發(fā)展，這種單層揚(yáng)聲器環(huán)繞聲系統(tǒng)所帶來(lái)的聲音效果與3D影像一樣已不再給觀眾帶來(lái)技術(shù)體驗(yàn)的新奇感。影院聲音技術(shù)從2D向3D發(fā)展成為必然的趨勢(shì)。第二，21世紀(jì)文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使得演藝、會(huì)展、建筑設(shè)計(jì)、景觀設(shè)計(jì)、游戲、家庭娛樂(lè)、音響制造等產(chǎn)業(yè)都迫切需要新的聲音技術(shù)以帶來(lái)創(chuàng)新動(dòng)力。第三，最重要的是人類(lèi)對(duì)客觀世界無(wú)止境的探索精神。因此，3D環(huán)繞聲技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

何為3D環(huán)繞聲？簡(jiǎn)而言之， 3D環(huán)繞聲不僅應(yīng)該傳遞聲場(chǎng)水平面X、Y軸上聲音的信息，即空間里左右前后的聲音信息，還應(yīng)該傳遞聲場(chǎng)Z軸上的聲音信息，即是聲場(chǎng)在垂直高度上的變化，同時(shí)，X、Y、Z三維的聲音信息具有直接的相關(guān)性。除此以外，真正3D環(huán)繞聲技術(shù)相比以前的環(huán)繞聲技術(shù)應(yīng)當(dāng)有以下明顯的優(yōu)勢(shì)：更加確切的聲音定位；更加連貫的聲像運(yùn)動(dòng)感；更加強(qiáng)烈的臨場(chǎng)感和沉浸感；最佳聽(tīng)音區(qū)的最大化；更加平衡的揚(yáng)聲器聲壓級(jí)；聲音和圖像畫(huà)面場(chǎng)景一致性；更加得心應(yīng)手的藝術(shù)創(chuàng)作手段。

從歷史眼光回望，20世紀(jì)中后期科學(xué)與工程界就開(kāi)始了對(duì)3D環(huán)繞聲的研究，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，并沒(méi)有開(kāi)發(fā)出具有實(shí)用性的3D環(huán)繞聲系統(tǒng)。但與此有關(guān)的研究成果，為今天3D環(huán)繞聲的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。

進(jìn)入21世紀(jì)，3D環(huán)繞聲技術(shù)的研究終于水到渠成，多家研究機(jī)構(gòu)和廠商幾乎同時(shí)期推出了不同的3D環(huán)繞聲系統(tǒng)。目前，已經(jīng)問(wèn)世的3D環(huán)繞聲技術(shù)有Barco Auro-3D、Dolby Atmos（杜比全景聲）、IOSONO-3D、Imm Sound 23.1系統(tǒng)、Spheraudio Upmix系統(tǒng)、NHK 22.2聲道系統(tǒng)、TMH 10.2/12.2聲道系統(tǒng)、中國(guó)多維聲13.1系統(tǒng)以及其他一些3D環(huán)繞聲技術(shù)。

2 3D環(huán)繞聲技術(shù)發(fā)展的路徑

由于3D環(huán)繞聲技術(shù)是自21世紀(jì)初才真正開(kāi)始應(yīng)用，許多新技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)階段，即使少數(shù)技術(shù)已經(jīng)投入商業(yè)應(yīng)用，但從總體看，目前工程界對(duì)3D環(huán)繞聲技術(shù)的開(kāi)發(fā)還處于初始階段，學(xué)術(shù)界也還沒(méi)有形成完整的評(píng)價(jià)體系，這給分析現(xiàn)有的3D環(huán)繞聲技術(shù)帶來(lái)了很大的困難。但是，仍然可以從重建原理、信號(hào)算法、揚(yáng)聲器設(shè)置架構(gòu)、聲音制作工藝概念四個(gè)方面來(lái)進(jìn)行歸納、推演。

1）就3D環(huán)繞聲的重建原理，現(xiàn)有的技術(shù)可以歸納為：

（1）基于心理聲學(xué)的重建技術(shù)；

（2）基于物理聲場(chǎng)的重建技術(shù)；

（3）基于心理聲學(xué)加物理聲場(chǎng)的重建技術(shù)。

2）就3D環(huán)繞聲信號(hào)算法，現(xiàn)有技術(shù)可以歸納為：

（1）雙耳聲學(xué)算法（Binaural Acoustic Technology, BAT）；

（2）幅值平移算法(Amplitude Panning,AP)與矢量的幅值平移算法(Vector Base Amplitude Panning,VBAP)；

（3）波場(chǎng)合成算法(Wave Field Synthesis, WFS )；

（4）高階全息算法（High Order Ambisonics, HOA）。

3）就3D環(huán)繞聲揚(yáng)聲器設(shè)置架構(gòu)，現(xiàn)有的技術(shù)可以歸納為：

（1）耳機(jī)系統(tǒng)；

（2）多層揚(yáng)聲器系統(tǒng)；

4）就3D環(huán)繞聲的信號(hào)分配方式，現(xiàn)有的技術(shù)可以歸納為：

（1）基于“聲道”的概念；

（2）基于“對(duì)象”的概念；

（3）基于“聲道+對(duì)象”的概念。

上述各種3D環(huán)繞聲技術(shù)使用的聲場(chǎng)重建原理各不相同，分別具有各自的優(yōu)勢(shì)，其中Auro-3D、IOSONO-3D、Dolby Atmos、中國(guó)多維聲13.1四種3D環(huán)繞聲系統(tǒng)在中國(guó)市場(chǎng)已經(jīng)得到商業(yè)化應(yīng)用，而且具有一定的代表性，以下筆者就分別來(lái)進(jìn)行探討。

3 比利時(shí)Barco Auro-3D

Barco Auro-3D（以下簡(jiǎn)稱(chēng)Auro-3D），是由Barco（巴可）公司和Auro科技公司共同研發(fā)的3D環(huán)繞聲技術(shù)。Auro-3D是基于心理聲學(xué)的聲音場(chǎng)景重建3D環(huán)繞聲技術(shù)。其原理是聽(tīng)音者基于雙耳效應(yīng)建立的幻覺(jué)聲像場(chǎng)景；采用強(qiáng)度差方式實(shí)現(xiàn)聲像定位；揚(yáng)聲器分為2或3層；信號(hào)分配是基于傳統(tǒng)的“聲道”概念。

強(qiáng)度差方式是一種有效的聲像定位方法，通過(guò)將分配至揚(yáng)聲器的信號(hào)的幅度進(jìn)行調(diào)整，控制人耳感知到的聲像的位置。利用3個(gè)以上揚(yáng)聲器的聲音強(qiáng)度矢量合成可以重建虛擬聲源水平和高度位置。

基于“聲道”的重放是一種傳統(tǒng)的聲音制作的工藝概念。在電影混錄棚里，安裝了多聲道混錄調(diào)音臺(tái)和規(guī)范設(shè)置的揚(yáng)聲器，所有聲音信號(hào)已經(jīng)預(yù)先分配到指定的揚(yáng)聲器?；旌箱浺魩熕诘墓ぷ魑恢眉词亲罴训穆?tīng)音位置，他將按照自己的主觀感受調(diào)整各聲道信號(hào)的比例，最終得到符合不同影院需要的混錄聲帶，如單聲道、4-2-4矩陣立體聲、5.1聲道環(huán)繞聲、7.1聲道環(huán)繞聲等?；诼?tīng)覺(jué)心理效應(yīng)，聽(tīng)音者會(huì)在聲道揚(yáng)聲器之間自覺(jué)感知聲場(chǎng)重建。這種工藝方法簡(jiǎn)單、直觀，一直是電影錄音、制作的主要方式。

Auro-3D提供了大、小兩種房間模式，即商業(yè)影院中的Auro 11.1以及家庭影院類(lèi)的Auro 9.1。這兩種房間模式中，分別有標(biāo)準(zhǔn)配置與高配置兩種模式：Auro 11.1是商業(yè)影院的標(biāo)準(zhǔn)配置，Auro 13.1是商業(yè)影院的高配置；Auro 9.1是家庭影院的標(biāo)準(zhǔn)配置，Auro 10.1是家庭影院的高配置。

Auro 11.1和Auro 13.1采用3個(gè)揚(yáng)聲器層：環(huán)繞層、上層和頂層，Auro11.1系統(tǒng)揚(yáng)聲器布局見(jiàn)圖1。

（1）環(huán)繞層用于還放包圍在聽(tīng)眾周?chē)矫娴穆曇簟?/p>

（2）上層用于還放來(lái)自高層夾角為30°左右的聲音，來(lái)自這個(gè)角度的聲音大部分是非常重要的空間反射聲（同時(shí)也有一些直達(dá)聲，例如鳥(niǎo)鳴聲等），這對(duì)于大腦來(lái)說(shuō)非常重要，能夠更好地理解從環(huán)繞層來(lái)的聲音；同時(shí)能夠得到更加自然的音色以及更加清晰的水平面聲音定位。

（3）頂層是增加的單獨(dú)聲道（天花板／上帝之聲聲道），還放飛過(guò)頭頂?shù)囊粜Щ蚱渌貏e的在觀眾頭頂上方的音效，能夠創(chuàng)造一個(gè)頭頂上方的聲音定位或軌跡，是重現(xiàn)一個(gè)自然的包容的三維空間聲音體驗(yàn)的關(guān)鍵所在。

為降低系統(tǒng)成本，利于商業(yè)推廣，也因?yàn)榧彝バ】臻g的聲學(xué)特性，Auro 9.1家庭影院系統(tǒng)將揚(yáng)聲器設(shè)置為2層，即在原平面5.1環(huán)繞聲的基礎(chǔ)上，在房間頂部四角加裝4只揚(yáng)聲器來(lái)實(shí)現(xiàn)3D環(huán)繞聲，揚(yáng)聲器布局見(jiàn)圖2。而Auro 10.1系統(tǒng)則在9.1的基礎(chǔ)上，在天花板中央設(shè)置了單獨(dú)一個(gè)置頂揚(yáng)聲器——VOG。

Auro-3D在進(jìn)行電影后期制作時(shí)，需要在現(xiàn)有音頻工作站Pro tools或Nuendo平臺(tái)上加裝Auro-3D插件。這些插件包括Auro-MATIC?音頻混合插件、Auro-PANNER?聲像設(shè)計(jì)插件、Auro-VERB三維混響插件、Auro-Codec編解碼插件等。

使用Auro-3D編碼的電影放映時(shí)需要使用硬件解碼器，通過(guò)Auro-3D?硬件解碼器可以方便地將原有的單聲道、立體聲、5.1環(huán)繞聲重新編碼轉(zhuǎn)換成可以通過(guò)Auro-3D系統(tǒng)重放的音頻信號(hào)，這最大限度地解決了音頻格式的兼容性問(wèn)題。

由于Auro-3D是在5.1環(huán)繞聲技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，其最突出的優(yōu)勢(shì)在于極高的音頻格式兼容性。該技術(shù)合理利用目前音頻標(biāo)準(zhǔn)中的動(dòng)態(tài)裕量進(jìn)行多聲道編碼，無(wú)需更改有關(guān)電影聲音的SMPTE （The Society of Motion Picture and Television Engineers，電影電視工程師協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)或DCI（Digital Cinema Initiatives，數(shù)字電影先導(dǎo)組織）規(guī)格。一個(gè)正常的含有電影內(nèi)容的DCP（ DigitalCinema Package ，數(shù)字影院文件包），通過(guò)Auro 11.1解碼器可以從現(xiàn)有5.1或7.1音軌文件中提取其他聲道的聲音信息。

目前，全球已有500多家影院引入了Auro-3D環(huán)繞聲系統(tǒng)，北京中影電影數(shù)字制作基地也正在改建Auro-3D混錄棚，將能夠完成Auro-3D環(huán)繞聲的后期制作。與此同時(shí)，Auro-3D環(huán)繞聲技術(shù)已經(jīng)快速向民用領(lǐng)域發(fā)展，例如家庭影院、豪華車(chē)載音響系統(tǒng)、游戲音頻領(lǐng)域等，這些無(wú)疑對(duì)其發(fā)展起著非常重要的作用。

綜上所述，Auro-3D技術(shù)使用有限的聲道和揚(yáng)聲器來(lái)完成3D聲場(chǎng)的重建，成本低，沉浸感強(qiáng)，技術(shù)適應(yīng)性廣，兼容性好，有著很好的市場(chǎng)前景。

4 德國(guó)IOSONO-3D

IOSONO-3D，是基于物理的聲場(chǎng)重建技術(shù)開(kāi)發(fā)的3D環(huán)繞聲，由德國(guó)弗朗霍費(fèi)協(xié)會(huì)（Fraunhofer IDMT）和德國(guó)IOSONO公司于2004年推出。

物理聲場(chǎng)重建技術(shù)的主要代表是波場(chǎng)合成和高階全息。波場(chǎng)合成技術(shù)是荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Berkhout教授于1988年提出的，它源于17世紀(jì)初的惠更斯原理?；莞乖肀砻鳎诓ǖ膫鞑ミ^(guò)程中，任意曲面上的某一個(gè)點(diǎn)都可以看作是一個(gè)新的子波源，其后的任意時(shí)刻，這些子波源發(fā)射的波前的包絡(luò)線(xiàn)，就是聲波這一時(shí)刻的新波前。

在已知原始聲源加位置信息的情況下，波場(chǎng)合成算法通過(guò)Kirchhoff-helmholtz積分求出各二次聲源的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，利用連續(xù)分布的二次聲源，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始聲源的聲場(chǎng)精確重建。在理想化的情況下，波場(chǎng)合成技術(shù)可以確保二次聲源合成的聲場(chǎng)與原始聲場(chǎng)完全一致，聽(tīng)音者像在真實(shí)聽(tīng)音空間中一樣感知和定位聲源，并允許聽(tīng)音者在聽(tīng)音區(qū)域內(nèi)部任意走動(dòng)，聲像不因人的位置的改變而發(fā)生改變。

IOSONO-3D系統(tǒng)的通道配置和揚(yáng)聲器布局是根據(jù)不同空間狀況而決定的，采用的是3～5層式分布，根據(jù)波場(chǎng)合成原理將聲音的 X/ Y/Z三維空間完全表達(dá)出來(lái)。以SWD-IOSONO聲音實(shí)驗(yàn)室為例：第一層，底層環(huán)繞聲揚(yáng)聲器陣列由52只揚(yáng)聲器構(gòu)成三維聲音空間中的X軸面，用以構(gòu)成常用的環(huán)繞聲音床；第二層，由34只揚(yáng)聲器構(gòu)成，目的是將X軸面的聲場(chǎng)進(jìn)行縱向拉伸形成Z軸；第三層，由8只揚(yáng)聲器組成，在頂層形成三角形布局，將2 000 Hz以上的高頻輻射至聽(tīng)音區(qū)域，強(qiáng)化聲像定位，SWD-IOSONO聲音實(shí)驗(yàn)室揚(yáng)聲器陣列布置圖見(jiàn)圖3。

真實(shí)環(huán)境中的聲音是由左/右、前/后、上/下三個(gè)軸面的聲波構(gòu)成，從物理聲學(xué)的屬性來(lái)分析，又是由球面波、柱面波和平面波三種形式的聲波傳播方式所構(gòu)成。IOSONO-3D可以還原自然聲場(chǎng)中的球面波、柱面波和平面波，從而再現(xiàn)真實(shí)三維空間。在信號(hào)的生成中，產(chǎn)生球面波對(duì)于環(huán)繞聲系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，較為簡(jiǎn)單，獲得平面波和柱面波則需要對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行大量計(jì)算處理與合成。

IOSONO-3D的制作需要在Steinberg Nuendo 5.5音頻工作站加入插件SAW（Spatial Audio Workstation），SAW工作時(shí)需要對(duì)揚(yáng)聲器位置進(jìn)行預(yù)先的設(shè)定。在聲音的后期混錄中，IOSONO-3D制作使用的是基于“對(duì)象”的工藝概念，這是一個(gè)新的概念?！皩?duì)象”是指聲音對(duì)象，可以是語(yǔ)言，可以是音樂(lè)，可以是背景聲，可以是動(dòng)作音效等；可以是移動(dòng)的，也可以是靜止的；可以是點(diǎn)狀的，也可以是面狀的。在IOSONO-3D的制作中，藝術(shù)家只需要將聲音對(duì)象放到音頻工作站界面顯示場(chǎng)景中，設(shè)定它的水平運(yùn)動(dòng)和高度變化的路線(xiàn)，完全不需要考慮聲道的問(wèn)題，音頻工作站將根據(jù)WFS算法進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算并生成3D音頻信息流，通過(guò)揚(yáng)聲器陣列重放產(chǎn)生真實(shí)的3D聲場(chǎng)，揚(yáng)聲器越密集，聲音定位越精確，這無(wú)疑是一種革命性的聲音技術(shù)。

IOSONO-3D基于技術(shù)原理，做到了更加清晰的聲源定位；更加連貫的聲音對(duì)象運(yùn)動(dòng)感；更加強(qiáng)烈的臨場(chǎng)感和沉浸感；最佳聽(tīng)音區(qū)的最大化；更加平衡的揚(yáng)聲器聲壓級(jí)和更加得心應(yīng)手的藝術(shù)創(chuàng)作手段，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

就目前來(lái)看，IOSONO-3D系統(tǒng)更適用于大型高層次的會(huì)展，交響樂(lè)、歌劇、音樂(lè)劇演出、城市聲音景觀、戶(hù)外實(shí)景演藝項(xiàng)目以及高等院校、科研院所的研究項(xiàng)目等領(lǐng)域。2008年上海世博會(huì)西班牙館就應(yīng)用了IOSONO-3D系統(tǒng)，得到了觀眾的贊賞。2013年10月在上海舉辦的“張軍昆曲水磨新調(diào)3D全息音樂(lè)會(huì)”也使用了IOSONO-3D系統(tǒng)。

5 美國(guó)Dolby Atmos

Dolby Atmos，中文稱(chēng)為杜比全景聲，是由美國(guó)杜比實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的3D環(huán)繞聲系統(tǒng)，Dolby公司在對(duì)其開(kāi)發(fā)的Dolby 7.1環(huán)繞聲系統(tǒng)的后續(xù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在不損害7.1系統(tǒng)的兼容性同時(shí)，可以通過(guò)增加影院環(huán)繞聲陣列的數(shù)量來(lái)增加聲音定位，由此開(kāi)發(fā)出全新的Dolby Atmos全景聲技術(shù)。

Dolby Atmos采用基于“聲道”（Beds）加基于“對(duì)象”（Object）兩者結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)行制作和渲染輸出，看起來(lái)是前兩種技術(shù)的結(jié)合。Beds在這里直譯為“音床”，意譯應(yīng)為“聲道”。在制作中，為了準(zhǔn)確放置聲音，聲像定位元數(shù)據(jù)整合入混錄控制界面，推子、聲像、音頻處理既可作用于音床或分組混錄，也可作用于音頻對(duì)象。在控制界面中可以看到影院的三維立體圖，聲音對(duì)象被放置在不同的點(diǎn)上，實(shí)時(shí)移動(dòng)。在完成對(duì)白、效果聲前期的基本準(zhǔn)備之后，適合在影院內(nèi)精確放置或者移動(dòng)的聲音將被標(biāo)記為一個(gè)對(duì)象并根據(jù)需要進(jìn)行位置操作，一些背景聲如群雜和音樂(lè)將被作為音床操作。在混錄棚的最終混錄階段，混錄錄音師將音樂(lè)、對(duì)白和效果聲編組，每個(gè)編組包含一個(gè)以聲道為基礎(chǔ)的音床和一些帶元數(shù)據(jù)的音頻對(duì)象，在最終混錄時(shí)通過(guò)音頻工作站和調(diào)音臺(tái)對(duì)音頻對(duì)象位置信息的操作，將音頻信息渲染至混錄棚揚(yáng)聲器相應(yīng)位置。渲染過(guò)程中，混錄錄音師可以使用有條件的元數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)根據(jù)相關(guān)的配置文件進(jìn)行默認(rèn)的配置，這樣混錄錄音師就能保證電影在杜比全景聲所容許的各種規(guī)模的影院進(jìn)行回放。

從Dolby Atmos“聲道+對(duì)象”的制作工藝概念來(lái)看，Dolby Atmos的原理應(yīng)當(dāng)屬于心理聲學(xué)加物理聲場(chǎng)的重建技術(shù)以及VBAP算法。Dolby Atmos采用兩層揚(yáng)聲器布局，要求極其嚴(yán)格。Dolby Atmos揚(yáng)聲器布局俯視圖見(jiàn)圖4，側(cè)視圖見(jiàn)圖5。

（1）下層環(huán)繞聲：水平環(huán)繞聲，在原有Dolby 5.1和Dolby 7.1環(huán)繞聲系統(tǒng)揚(yáng)聲器的基礎(chǔ)之上，增加左、右環(huán)繞聲道的揚(yáng)聲器數(shù)量，用以彌補(bǔ)原有聲音定位不足的缺點(diǎn)；重新定位了前置揚(yáng)聲器和環(huán)繞聲揚(yáng)聲器的高度和角度，以更好地構(gòu)建聲場(chǎng)。

（2）頂層環(huán)繞聲：在影院天花板設(shè)置兩列揚(yáng)聲器，兩列頂部的環(huán)繞聲揚(yáng)聲器與銀幕左中揚(yáng)聲器和右中揚(yáng)聲器保持軸線(xiàn)對(duì)齊，用以確保聲像及音色統(tǒng)一；每個(gè)環(huán)繞聲揚(yáng)聲器之間的距離保持在2 m～3 m，同時(shí)相鄰兩只揚(yáng)聲器與影院中央聽(tīng)音區(qū)邊線(xiàn)和影院中線(xiàn)交匯點(diǎn)的夾角應(yīng)保持30°以?xún)?nèi)，用以保證觀眾的聽(tīng)音效果。

（3）銀幕揚(yáng)聲器：Dolby Atmos為了使整個(gè)銀幕聲音的聲像定位和移動(dòng)更加準(zhǔn)確和流暢，在銀幕寬度大于12 m時(shí)，增加了左中置揚(yáng)聲器和右中置揚(yáng)聲器，它們分別位于中置揚(yáng)聲器與左側(cè)揚(yáng)聲器/右側(cè)揚(yáng)聲器的中線(xiàn)位置。所有銀幕揚(yáng)聲器的放置高度應(yīng)以揚(yáng)聲器的聲學(xué)中心點(diǎn)為基準(zhǔn)高于銀幕約三分之二處。為了防止出現(xiàn)駐波，需要將低音揚(yáng)聲器放置的位置偏離房間中線(xiàn)。Dolby Atmos銀幕揚(yáng)聲器布局見(jiàn)圖6。

Dolby Atmos最多可以支持64個(gè)有效聲道(即61.3制式)，可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)64個(gè)揚(yáng)聲器，從而實(shí)現(xiàn)聲音在空間中的精確移動(dòng)，由于有足夠多的聲道布滿(mǎn)空間，觀眾可以感受到真實(shí)而令人震撼的聲音效果。

相對(duì)于其他3D環(huán)繞聲技術(shù)來(lái)說(shuō)，Dolby Atmos更加專(zhuān)注商業(yè)影院方向的發(fā)展。由于該技術(shù)是基于Dolby數(shù)字播放技術(shù)和Dolby 7.1環(huán)繞聲技術(shù)開(kāi)發(fā)的，所以全世界絕大多數(shù)現(xiàn)有的杜比影院系統(tǒng)都可以根據(jù)Dolby Atmos的要求對(duì)現(xiàn)有影院系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，這使得Dolby Atmos技術(shù)能夠得到大量廣泛的應(yīng)用。

Dolby Atmos打包方案允許將專(zhuān)用的DCP發(fā)送至任何影院，DCP中同時(shí)包含了主音頻和杜比全景聲軌跡文件，通過(guò)影院中的媒體模塊相對(duì)應(yīng)的一個(gè)密鑰傳送信息（KDM）控制內(nèi)容的回放。而任何符合DCI規(guī)范的服務(wù)器以及影院聲音處理器都能回放此DCP，這極大簡(jiǎn)化了發(fā)行的流程。在擁有Dolby Atmos的影院，Dolby Atmos聲軌跡文件將被導(dǎo)入服務(wù)器，并在回放過(guò)程中以流的方式被傳送到Dolby Atmos影院處理器中進(jìn)行渲染。由于DCP同時(shí)擁有Dolby 7.1或Dolby 5.1環(huán)繞聲和Dolby Atmos音頻流，Dolby Atmos影院處理器可以根據(jù)需要在三者之間切換。

目前，國(guó)內(nèi)影院使用Dolby Atmos系統(tǒng)的數(shù)量已近百家，還有更多的影院開(kāi)始改造、建設(shè)。從Dolby Atmos問(wèn)世到2013年10月，全球使用Dolby Atmos制作的電影數(shù)量已經(jīng)超過(guò)300部，2014年有超過(guò)80部使用Dolby Atmos制作的電影上映，這種井噴式的發(fā)展對(duì)于推動(dòng)3D環(huán)繞聲技術(shù)的普及有著重要的作用。

6 中國(guó)多維聲（13.1）

中國(guó)是世界大國(guó)，發(fā)展中國(guó)自己的3D環(huán)繞聲技術(shù)，并躋身世界同行，是中國(guó)科技與產(chǎn)業(yè)界的雄心。2014年10月由中國(guó)電影科學(xué)技術(shù)研究所、中影電影數(shù)字制作基地有限公司與中廣華夏影視科技有限公司共同研發(fā)的“中國(guó)多維聲（13.1）”正式發(fā)布，這是中國(guó)自主研發(fā)的新一代影院全景環(huán)繞立體聲系統(tǒng)。它采用兩層揚(yáng)聲器架構(gòu)，環(huán)繞層包括5個(gè)前方聲道、2個(gè)環(huán)繞聲道、2個(gè)后環(huán)繞聲道、2個(gè)后角聲道、1個(gè)低頻效果聲道，上層有2個(gè)頂部聲道，構(gòu)成了影院14個(gè)有效聲道的三維度空間。由于其多平面、多空間、多維度發(fā)聲，能夠給觀眾沉浸式的空間體驗(yàn)，因此被稱(chēng)為“中國(guó)多維空間聲道放映技術(shù)”，簡(jiǎn)稱(chēng)“中國(guó)多維聲”。其最大的特點(diǎn)，是所有的聲道都獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和發(fā)聲，不進(jìn)行任何上變換虛擬處理，大大提高多維度聲音覆蓋的真實(shí)性，并為后續(xù)推出15.1 、22.1等多聲道格式的中國(guó)3D環(huán)繞聲技術(shù)奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

中國(guó)多維空間聲道放映技術(shù)分為四個(gè)部分，分別包括多聲道制作、多聲道母版、多聲道聲頻處理器及與其對(duì)應(yīng)的還音系統(tǒng)。為中國(guó)多維聲研發(fā)的DCP2000型數(shù)字聲頻處理器，采用軟件與硬件的模塊化設(shè)計(jì)，全新的編解碼上變換技術(shù)，其輸入端預(yù)先設(shè)計(jì)了三個(gè)輸入模塊，可滿(mǎn)足2種格式的16聲道聲頻輸入及其他多種格式的聲頻輸入；輸出聲道數(shù)為48路，不僅可以播放中國(guó)多維聲目前的13.1母版節(jié)目，也為中國(guó)多維聲從 13.1 格式升級(jí)為15.1、22.1等多聲道格式預(yù)留了空間。同時(shí)，還可以將5.1聲道上變換為13.1聲道，以緩解目前3D環(huán)繞聲片源不足的困境。

中國(guó)多維聲系統(tǒng)的投資成本要遠(yuǎn)低于Dolby Atmos系統(tǒng)，僅為其1/4，而聲音質(zhì)量、三維動(dòng)態(tài)、音響效果與震撼力，并不亞于Dolby Atmos，其發(fā)展前景十分可觀。

中影電影數(shù)字制作基地有限公司2012年10月制作出首部中國(guó)多維聲（13.1）版本影片《一九四二》，其后又相繼發(fā)行了多部采用中國(guó)多維聲13.1版本的影片。到目前為止，已安裝中國(guó)多維聲系統(tǒng)的電影院有30多家，隨著影片發(fā)行量的不斷增多，與“中國(guó)巨幕”攜手，“中國(guó)多維聲系統(tǒng)”將成為國(guó)產(chǎn)影院技術(shù)的重要品牌，參與3D環(huán)繞聲技術(shù)的世界競(jìng)爭(zhēng)。

7 應(yīng)用前景

綜上所述，環(huán)繞聲技術(shù)多年發(fā)展歷程中，帶給人們的是一場(chǎng)又一場(chǎng)聽(tīng)覺(jué)盛宴。這是人類(lèi)在聽(tīng)覺(jué)領(lǐng)域上不斷探尋的成果。

以Auro-3D為代表的基于心理聲學(xué)的3D聲場(chǎng)重建技術(shù)，改建成本低，格式兼容性好，沉浸感強(qiáng)，與原有的5.1環(huán)繞聲相比，聽(tīng)音者的主觀感受得到了很大的提高，在商業(yè)影院和家庭影院領(lǐng)域有著很大的優(yōu)勢(shì)，在車(chē)載音響、移動(dòng)終端和桌面游戲等領(lǐng)域還有很大發(fā)展空間。但不可否認(rèn)，這種技術(shù)畢竟是一種準(zhǔn)3D技術(shù)，其固有的技術(shù)局限仍然存在，尤其是Auro-3D不能在大空間、寬廣區(qū)域產(chǎn)生有效的三維聲音效果的局限性限制了它在其他專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

以IOSONO-3D為代表的基于物理的3D聲場(chǎng)重建技術(shù)，是理想的3D環(huán)繞聲技術(shù)，它應(yīng)用WFS算法，實(shí)現(xiàn)更加清晰的聲源定位；更加連貫的聲音對(duì)象運(yùn)動(dòng)感；更加強(qiáng)烈的臨場(chǎng)感和沉浸感；最佳聽(tīng)音區(qū)的最大化；大大豐富了藝術(shù)家的創(chuàng)作手段。影響IOSONO-3D環(huán)繞聲發(fā)展的不利因素主要是技術(shù)復(fù)雜、成本太高。但它可以與高清數(shù)字媒體結(jié)合廣泛運(yùn)用于大型高層次的會(huì)展，也可以運(yùn)用于交響樂(lè)、歌劇、音樂(lè)劇等大型演出，更可以與IMAX 3D等3D視頻技術(shù)結(jié)合組成超級(jí)雙3D全景影音系統(tǒng)。這種具有革命性的聲音重放方式，將成為21世紀(jì)的主流聲音技術(shù)。

2012年9月，杜比收購(gòu)了Imm Sound，將其技術(shù)融入杜比全景聲中，開(kāi)發(fā)出基于“聲道+對(duì)象”的3D環(huán)繞聲。2014年10月，巴可收購(gòu)了IOSONO，也立志將基于“對(duì)象”的技術(shù)加入到巴可沉浸音3D環(huán)繞聲技術(shù)中去，3D環(huán)繞聲技術(shù)兩強(qiáng)爭(zhēng)霸的局面已經(jīng)初見(jiàn)端倪。

中國(guó)具有世界最廣闊的電影市場(chǎng)，發(fā)展中國(guó)品牌的電影技術(shù)體現(xiàn)了國(guó)家軟實(shí)力，也是中國(guó)科技工程界的責(zé)任，中國(guó)多維聲系統(tǒng)任重道遠(yuǎn)，期待它一路走好。

由于時(shí)間和篇幅所限，筆者對(duì)3D環(huán)繞聲技術(shù)的介紹和評(píng)價(jià)，無(wú)論從技術(shù)角度還是藝術(shù)角度都很粗陋，希望得到廣大讀者批評(píng)指正。

[1] 宋碩. 影院聲音3D硝煙四起[J]. 現(xiàn)代電影技術(shù), 2012(2): 43-48.

[3] 彭鈺林. 三維音頻若干算法研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué)，2013.6.

[4] 胡瑞敏等. 三維音頻技術(shù)綜述[J]. 數(shù)據(jù)采集與處理，2014(9).

[6] 王憶菲. 電影聲音技術(shù)的3D革命——Dolby Atmos解析[J]. 現(xiàn)代電視技術(shù), 2013(9): 88-92.

[7] 莊元, 范曉緯. 完美的3D空間聲音體驗(yàn)——訪SWDIOSONO聲音試驗(yàn)室[J]. 音響技術(shù), 2013(4)：6-9.

[8] 周宛鹿, 莊元. 昆曲邂逅波場(chǎng)合成3D技術(shù)的音韻幻化[J]. 演藝科技，2014(7): 31-35.

[9] Daele B V, Baelen W V, Claypool B. AURO TECHNOLOGIES NV [Z]. BARCO, 2012.

[10] DOLBY ATMOS影院技術(shù)指南[Z]. DOLBY, 2013.

[11] DOLBY ATMOS新一代影院音頻[Z]. DOLBY, 2013

[12] Auro11.1系統(tǒng)白皮書(shū)[Z]. Auro 11.1by Barco，2013.

[13] Auro 11-1 影院音響新維度[Z]. Auro 11.1by Barco,2013.

[14] 杜思?jí)? 從《痞子英雄2》看中國(guó)多維聲[N]. 北京.中國(guó)電影報(bào)，2014.10.1.

（編輯 杜 青）

An Overview about the Development of 3D Surround Sound Technology

ZHUANG Yuan

（Nanjing University of the Arts, Nanjing Jiangsu 210013, China）

In this paper, the current mainstream 3D surround sound technologies are classified , and the characteristics of all kinds of 3D surround sound technology and its commercial application prospect are analyzed by comparatation. Additionally, the writor predicted that 3D surround technology innovation is driving the development of sound technology in the 21st century.

3D surround sound; sound field reconstruction ; Barco Auro-3D；IOSONO-3D; Dolby Atmos; Chinese multidimensional sound; immersion

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.03.004