彭妙顏, 周錫韜

(1. 廣州大學(xué) 聲像與燈光技術(shù)研究所, 廣東 廣州 510006; 2. 廣東中南聲像燈光設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510006）

演出現(xiàn)場3D聲像定位與跟蹤系統(tǒng)及應(yīng)用

彭妙顏1, 周錫韜2

(1. 廣州大學(xué) 聲像與燈光技術(shù)研究所, 廣東 廣州 510006; 2. 廣東中南聲像燈光設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510006）

結(jié)合 BOA、TiMax、D-Mitri、Iosono、WFS 和TTA等3D聲像定位與跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成、功能和特點(diǎn)，舉出工程應(yīng)用實(shí)例。

3D（立體）環(huán)繞聲系統(tǒng)；聲像定位；實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)；演出現(xiàn)場

演出現(xiàn)場3D聲像定位及跟蹤系統(tǒng)技術(shù)近年在歐美獲得較快發(fā)展，特別在歌劇院、音樂廳、主題樂園和實(shí)景主題劇場（或稱為旅游主題劇場）等表演模式中的應(yīng)用效果突出。文中結(jié)合 BOA、 TiMax、 D-Mitri、Iosono、WFS 和TTA等3D聲像定位與跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成、功能和特點(diǎn)，舉出應(yīng)用案例。

1 概述

1.1 影視環(huán)繞聲和演出現(xiàn)場環(huán)繞聲

（1）影視環(huán)繞聲

從1986年杜比實(shí)驗(yàn)室推出杜比SR四聲道環(huán)繞立體聲電影系統(tǒng)開始，30年來陸續(xù)出現(xiàn)了杜比SR/D、DTS、SDDS等包括5.1和7.1等多聲道的2D （平面）環(huán)繞聲，以及Auro、Iosono、Dolby Atmos 等3D（立體）環(huán)繞聲系統(tǒng)[1,2]。應(yīng)當(dāng)指出，上述各種制式的環(huán)繞聲系統(tǒng)均局限于環(huán)繞聲技術(shù)在電影和電視（家庭影院）領(lǐng)域的應(yīng)用，其共同特點(diǎn)是所有節(jié)目都是預(yù)先在錄音棚、電視演播廳或演出現(xiàn)場通過錄音、錄像加上必要的編碼和信號(hào)處理等技術(shù)加工制作成電影片或DVD碟片，再提供給用戶（電影院或家庭）播放欣賞。使用者并不參與電影片或碟片的制作過程。依其運(yùn)作的特點(diǎn)可歸類稱為“影視環(huán)繞聲”（Film and TV Surround）或“編碼式環(huán)繞聲”(Coding Surround)技術(shù)。

（2）演出現(xiàn)場環(huán)繞聲

近年隨著數(shù)字音頻技術(shù)的發(fā)展，人們逐步把影視環(huán)繞聲的理念和技術(shù)推廣應(yīng)用到劇場、音樂廳，特別是在主題劇場和大型實(shí)景演出等現(xiàn)場，獲得巨大的成功。歸類稱為“演出現(xiàn)場環(huán)繞聲”（Performance Scene Surround）。該技術(shù)不僅運(yùn)用了影視環(huán)繞聲同樣的理念和手段——設(shè)置平面和頂置等多個(gè)環(huán)繞聲道，并在此基礎(chǔ)上加以發(fā)展和提升，不再局限于左、中、右和頂置揚(yáng)聲器，而是根據(jù)演出現(xiàn)場的環(huán)境、道具和演員的活動(dòng)范圍等條件進(jìn)行揚(yáng)聲器布局，增加的揚(yáng)聲器數(shù)量眾多（從數(shù)十路到數(shù)百路聲道），通過專用硬件和軟件的控制，從而達(dá)到更逼真和更精確的環(huán)繞聲效果。演出現(xiàn)場環(huán)繞聲的另一個(gè)特點(diǎn)是設(shè)計(jì)者和演出者都會(huì)直接參與節(jié)目的創(chuàng)作過程，因而亦稱為“現(xiàn)場創(chuàng)作式環(huán)繞聲”。

1.2 聲像定位的概念

音頻技術(shù)中常用到“聲像定位”的概念，下面作一簡介。

（1）聲像

演出現(xiàn)場中，在聽音者聽感中所展現(xiàn)的各個(gè)聲源（人聲、樂器聲、效果聲）的空間位置，并由此而形成的聲畫面，稱為“聲像”（Sound Image）。

（2）聲像定位

為使聽音者感受到聲音是來自于演員或樂手的真實(shí)位置，調(diào)音師要進(jìn)行“聲像定位”（Sound Image Localization）的調(diào)控。

（3）聲像定位實(shí)時(shí)跟蹤

當(dāng)演員或樂手的位置移動(dòng)時(shí)，聲像能同步跟蹤移動(dòng)，稱為聲像“同步跟蹤”或“實(shí)時(shí)跟蹤”（Real Time Tracking）技術(shù)。

早期的聲像定位調(diào)節(jié)僅局限于二維（2D）的范疇，是由調(diào)音師調(diào)控調(diào)音臺(tái)的PAN POT旋鈕，按照舞臺(tái)上演員或樂手實(shí)際所處的位置，將其傳聲器信號(hào)(或Line in信號(hào))輸入通道的PAN POT 調(diào)節(jié)到相對(duì)應(yīng)的位置。例如，吉他手站在舞臺(tái)左側(cè)，其對(duì)應(yīng)的PAN POT就適當(dāng)往左邊（L）旋動(dòng)；而歌手站在舞臺(tái)中央，則其PAN POT 就放L-R的中點(diǎn)，如此類推。當(dāng)演員或樂手在舞臺(tái)上移動(dòng)時(shí)，熟練的調(diào)音師還可以隨時(shí)調(diào)節(jié)PAN POT使聲像與歌手的位置同步跟蹤。如果左右手同時(shí)操作，調(diào)音師通常最多能同時(shí)控制兩個(gè)聲源（兩名演員或樂手）的同步跟蹤。而整個(gè)過程僅局限于平面（X、Y軸）的控制。

1.3 演出現(xiàn)場3D聲像定位與跟蹤系統(tǒng)

近年在2D“演出現(xiàn)場環(huán)繞聲”技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合聲像定位和同步跟蹤技術(shù)，開發(fā)出名為“演出現(xiàn)場3D聲像定位與跟蹤系統(tǒng)”（Performance Scene 3D Sound Image Localization and Tracking System），在歐美許多劇場、音樂廳，特別是主題樂園和實(shí)景主題劇場（或稱為旅游主題劇場）等表演模式中已獲得廣泛的應(yīng)用。近年被引進(jìn)國內(nèi)，在武漢漢秀劇場、廈門閩南劇場和上海交響樂團(tuán)音樂廳等開始應(yīng)用。此類系統(tǒng)通常具有數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)聲道的揚(yáng)聲器和功率放大器，不僅有平面布局，而且加上垂直高度Z軸的控制，使聲像定位的精確度和逼真度大大提高。

早期開發(fā)相對(duì)簡單的3D聲像跟蹤是應(yīng)用專門的硬件和軟件配合一臺(tái)iPad（或平板電腦），操作者在現(xiàn)場直接觀察演員的活動(dòng)路徑和范圍，通過觸摸屏控制，達(dá)到對(duì)聲像定位的人工跟蹤效果。近年開發(fā)出更為先進(jìn)的“3D聲像定位和自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)”，則可實(shí)現(xiàn)當(dāng)演員在舞臺(tái)上移動(dòng)，甚至走進(jìn)觀眾席互動(dòng)，以及吊“威亞”（鋼絲繩）騰空飛越觀眾席上空等復(fù)雜動(dòng)作時(shí)，演員唱歌或念白的聲像定位能達(dá)到精確同步自動(dòng)跟蹤移動(dòng)的效果，使觀眾感受到，他們?cè)谧簧下牭降穆曇羰恰罢鎸?shí)”地從演員的嘴里發(fā)出來的，而不是從劇場分散布置的揚(yáng)聲器中發(fā)出的。

此類系統(tǒng)目前的技術(shù)水平，可做到同時(shí)對(duì)二三十個(gè)直到六十個(gè)對(duì)象分別進(jìn)行實(shí)時(shí)聲像同步跟蹤，適合應(yīng)用于大型歌劇、主題劇場和旅游實(shí)景演出等現(xiàn)場，能營造出極其宏大、逼真且震撼的效果。表1列出“2D環(huán)繞聲像定位”和“3D環(huán)繞聲像定位與跟蹤系統(tǒng)”的對(duì)比。表2 列出“3D聲像定位與跟蹤系統(tǒng)”部分品牌的特點(diǎn)對(duì)比，供讀者參考。

下面對(duì)表2列出的6個(gè)系統(tǒng)的功能、特點(diǎn)和應(yīng)用分別作一簡介。

2 布雷根茨開放式聲學(xué)系統(tǒng)（BOA）

奧地利布雷根茨藝術(shù)節(jié)（Bregenzer Festspiele）創(chuàng)辦自1946年，每年七八月舉行，主要演出歌劇或音樂劇，每兩年更換一個(gè)劇目。巨大的露天舞臺(tái)固定在離岸25 m的博登湖中，臺(tái)口寬達(dá)50 m， 7 000個(gè)觀眾席位設(shè)在岸邊，如圖1所示。

以2011年演出歌劇《安德烈·謝尼埃》為例，整個(gè)場地共配置了400多臺(tái)功率放大器和812只Kling & Freitag (K&F)揚(yáng)聲器（參見圖2），按照?qǐng)龅貙?shí)景和劇情，設(shè)計(jì)安排三維空間的布局。由超大型數(shù)字音頻矩陣系統(tǒng)組成空間效果模擬系統(tǒng)（方向混合器），通過運(yùn)用早期反射聲和混響聲能表現(xiàn)出不同的聲學(xué)空間，使觀眾在露天劇場里也能感受到室內(nèi)歌劇院的聲音效果；再加上聲像定位跟蹤系統(tǒng)，組成一個(gè)稱為“布雷根茨開放式聲學(xué)系統(tǒng)(Bregenz Open Acoustics，BOA)”[3,4]。

大型的舞臺(tái)演出通常會(huì)設(shè)置多種信號(hào)源。以2010年演出威爾第的歌劇《阿依達(dá)》為例，該場演出共配置了三種信號(hào)源：第一是部分效果聲和背景音樂聲，是預(yù)先錄制儲(chǔ)存于硬盤播放器，根據(jù)劇情的進(jìn)展，由時(shí)間碼觸發(fā)播放；第二是大型樂隊(duì)演奏和合唱隊(duì)演唱，是安排在鄰近一間建聲效果極佳的室內(nèi)劇場演出，通過多聲道擴(kuò)聲系統(tǒng)傳送到觀眾席播放；第三種是最復(fù)雜的現(xiàn)場演員（或樂手）佩戴的無線傳聲器信號(hào)。

在露天舞臺(tái)演出的全過程中，“聲像自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)”不間斷地通過計(jì)算得到每個(gè)演員或樂手的空間虛擬聲源的位置，再分配給每個(gè)獨(dú)立聲道的功率放大器和揚(yáng)聲器進(jìn)行播放，使聽眾感受到的是一個(gè)自然空間及強(qiáng)烈的聲音包圍感。聲像定位跟蹤系統(tǒng)能使現(xiàn)場演員演唱、念白或樂手演奏的聲音在舞臺(tái)空間的聲像位置隨著演員或樂手的實(shí)際位置同步跟蹤移動(dòng)，形成逼真的3D環(huán)繞聲效果，使聽眾可以更好地感受到演員聲音在場景區(qū)的準(zhǔn)確位置，從而留下更深刻的臨場印象。

圖3是2011年～2012年歌劇《安德烈·謝尼?！返难莩鰣鼍?，半浮在水中的人像上半身高達(dá)24 m，把整個(gè)博登湖演化成一個(gè)巨大的浴缸。演員在人像的左眼位置上演唱并移動(dòng)到右眼位置，強(qiáng)烈的追光燈加上聲像跟蹤定位，使觀眾逼真地感受到演員在場景中的準(zhǔn)確位置及其移動(dòng)變化。

圖4顯示1999年演出威爾第的歌劇《假面舞會(huì)》的場景，一個(gè)巨型骷髏和一本巨型書作為舞臺(tái)。主角從舞臺(tái)右側(cè)上場，漫步走到骷髏的手指上坐下。主角與舞臺(tái)左側(cè)的群眾對(duì)唱，通過自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)使一唱一和的聲像移動(dòng)給觀眾帶來逼真且震撼的聽覺和視覺享受。

3 TiMax 空間聲像控制與跟蹤系統(tǒng)

TiMax 空間聲像控制與跟蹤系統(tǒng)（Soundhub/Tracker System）[5]來自于英國的Out Board公司，它包含兩套系統(tǒng)：Soundhub主要功能是音頻演出控制與編輯；Tracker主要功能是聲像跟蹤。下面分別簡介其結(jié)構(gòu)和主要功能。

3.1 Soundhub（音頻演出控制）系統(tǒng)

（1）內(nèi)置混音矩陣音頻信號(hào)處理器和硬盤錄放系統(tǒng)。

（2）基本插件模塊是16入/16出，最多可插4塊達(dá)到64個(gè)通道。

（3）輸入/輸出接口為AES/模擬，加上擴(kuò)展卡可兼容Cobranet、Ethersound、Dante和MADI等四種網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，通過同軸或網(wǎng)線傳輸。

（4）內(nèi)置GPIO、Midi、SMPTE和TCP/IP等演出控制（Show Control）接口，可實(shí)現(xiàn)外部演出遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)（如燈光、機(jī)械或視頻服務(wù)器）的編程和控制。

3.2 TiMax Tracker（TT）系統(tǒng)（跟蹤系統(tǒng)）

（1）TT系統(tǒng)組成

①佩戴在演員身上由電池供電的小型TT電子監(jiān)控器

TT電子監(jiān)控器在6 GHz～8 GHz頻段內(nèi)發(fā)送UWB（超寬帶）脈沖，這些脈沖被置于舞臺(tái)周圍的TT傳感器接收。另有一套雙向2.4 GHz的線路，作為控制和遙測信道使用。這種雙向線路的信息交流功能可以使系統(tǒng)發(fā)出指令并能動(dòng)態(tài)地管理電子監(jiān)控器，改變其修正率以及監(jiān)視電池壽命。TT電子監(jiān)控器符合IP63的防水標(biāo)準(zhǔn)。

②安裝在演出區(qū)域周圍的TT傳感器

TT傳感器內(nèi)含一組內(nèi)部天線及超寬帶（UWB）射頻接收機(jī)。傳感器接收和檢測電子監(jiān)控器發(fā)射的UWB（超寬帶）信號(hào)的方位角（AOA）和仰角，由連接傳感器網(wǎng)絡(luò)的計(jì)時(shí)線纜獲得到達(dá)信息的時(shí)間差（TDOA），從而計(jì)算出TT電子監(jiān)控器的位置。每一個(gè)傳感器還有一種具有雙向的2.4 GHz控制和遙測技術(shù)線路，用于指令和檢測電子監(jiān)控器。這種雙向線路的信息交流功能可以使系統(tǒng)發(fā)出指令并能動(dòng)態(tài)地管理電子監(jiān)控器，改變其修正率以及監(jiān)視電池壽命。

這種獨(dú)特的AOA和TDOA聯(lián)合的測量技術(shù)提供了強(qiáng)大而又健全的定位系統(tǒng)，在僅有兩個(gè)傳感器接收到信號(hào)時(shí)，也能精確地決定其三維位置。由于采用多臺(tái)傳感器，本跟蹤系統(tǒng)的精確度在三維空間內(nèi)可達(dá)到15 cm左右。而且在復(fù)雜的聲學(xué)環(huán)境下仍有優(yōu)良的反應(yīng)和可靠性。TT傳感器標(biāo)配版本達(dá)到IP30的防水標(biāo)準(zhǔn)，并有全天候版本可供選購。

③軟件平臺(tái)

軟件平臺(tái)用于分析來自傳感器的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一種演員圍繞舞臺(tái)活動(dòng)時(shí)的動(dòng)畫影像，之后把控制數(shù)據(jù)發(fā)送給TiMax音頻矩陣(或其他媒體)。這些通過預(yù)編程獲得音頻的方位來匹配舞臺(tái)上演員的位置。

TT軟件包含有電子監(jiān)控器編號(hào)(即TiMax的輸入)和它們的舞臺(tái)位置(即TiMax的聲像輪廓)等信息用MIDI信息方式，與TiMax音頻矩陣演出控制軟件相聯(lián)系。TiMax音頻圖像延時(shí)矩陣為每個(gè)聲源設(shè)置獨(dú)立的延時(shí)關(guān)系。這些延時(shí)關(guān)系會(huì)根據(jù)演員在舞臺(tái)上不同的位置而隨時(shí)改變，即應(yīng)用哈斯優(yōu)先效應(yīng)延時(shí)心理聲學(xué)現(xiàn)象來確保所有的觀眾都能夠感知到歌劇演唱者的無線傳聲器放大信號(hào)是直接來自于演唱者的嘴里而不是來自于舞臺(tái)和觀眾席分散布局的多聲道擴(kuò)聲系統(tǒng)。

軟件平臺(tái)還具有智能定位功能，在輸入幾個(gè)簡單的定位細(xì)節(jié)后，在數(shù)秒鐘內(nèi)智能的校準(zhǔn)向?qū)?huì)自動(dòng)確定每個(gè)傳感器的AOA（到達(dá)的角度）和TDOA（到達(dá)的時(shí)間差），跟蹤聲源的方位。

舞臺(tái)上安裝的傳感器經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)接回到一個(gè)POE路由器，再連接到運(yùn)行著軟件平臺(tái)的 PC機(jī)上，軟件平臺(tái)上顯示舞臺(tái)的外形輪廓，以及用方形或橢圓圖形顯示跟蹤區(qū)域（見圖5），加上彩色圖標(biāo)顯示演員在現(xiàn)場的位置和信號(hào)強(qiáng)度、電池量值等信息。

（2）TT系統(tǒng)的應(yīng)用和冗余

每套TT系統(tǒng)可以容納多達(dá)60個(gè)電子監(jiān)控器，工作范圍達(dá)到160 m，精確度在三維空間內(nèi)可達(dá)到15 cm。每個(gè)電子監(jiān)控器的刷新率可以分別調(diào)整，對(duì)于慢動(dòng)作者可以減小頻寬，而對(duì)于滾軸滑冰者或舞蹈者等速度較快的跟蹤對(duì)象則需增加頻寬。在大型表演場合，系統(tǒng)可根據(jù)對(duì)整個(gè)活動(dòng)的連續(xù)分析，自動(dòng)地改變各個(gè)電子監(jiān)控器的刷新率。

對(duì)于大型表演如圓形歌劇院和露天表演場地，一般需要6臺(tái)TT傳感器安裝在演出場所周圍。而對(duì)于傳統(tǒng)的鏡框式舞臺(tái)演出，通常只需要3臺(tái)/ 4臺(tái)傳感器。較小的鏡框式舞臺(tái)或演播室等只需2臺(tái)傳感器已足夠達(dá)到滿意效果。其實(shí)TT電子監(jiān)控器只需要有2臺(tái)傳感器就可以保證在任何時(shí)間的三維空間內(nèi)維持其準(zhǔn)確性，而附加的一些傳感器則有助于覆蓋更大的演出場面，同時(shí)也可以消除由于群體的舞臺(tái)調(diào)度和舞臺(tái)布景等引起的跟蹤誤差。

對(duì)于特別大型的室外演出或主題公園，TT系統(tǒng)可以無限制地把相鄰的傳感器組合成為一個(gè)大系統(tǒng)，并通過以太網(wǎng)連接到一臺(tái)中央定位的計(jì)算機(jī)服務(wù)器上。服務(wù)器可以擁有多位用戶，使音響師、舞臺(tái)監(jiān)督以及佩戴射頻傳聲器者在同一時(shí)間都能監(jiān)視到舞臺(tái)的表演、電子監(jiān)控器的信號(hào)強(qiáng)度和電池電量的多少等信息。

TiMax 系統(tǒng)在德國不來梅市音樂劇院、瑞士巴薩爾劇院和瑞典皇家戲劇院等[5,6]有應(yīng)用。

4 D-Mitri 數(shù)字音頻平臺(tái)

D-Mitri 是Meyer Sound 開發(fā)的第四代多通道數(shù)字音頻平臺(tái)（Digital Audio Platform）[6-8]，是一套具備混音和信號(hào)處理的音頻演出控制系統(tǒng)，特別適用于劇院、主題公園、博物館、天文館和游輪等表演場所。該系統(tǒng)以千兆網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的數(shù)字音頻處理及傳輸控制平臺(tái)，包括音頻演出控制系統(tǒng)（LCS）和電子建聲解決方案Constellation兩個(gè)功能。筆者只介紹其音頻演出控制系統(tǒng)（LCS）部分的結(jié)構(gòu)、功能和應(yīng)用。

D-Mitri采用96 kHz采樣率，64 bit的浮點(diǎn)運(yùn)算精度，72路輸入72路輸出。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是D-Mitri的核心結(jié)構(gòu)，它采用AVB協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，即實(shí)時(shí)媒體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的IEEE802.1開放標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用AVB網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以方便地建立分布式的D-Mitri系統(tǒng)，遠(yuǎn)距擺放和控制傳聲器前置放大器，擺脫專有音頻網(wǎng)絡(luò)的限制和大量接線的麻煩。除了AVB格式以及模擬I/O之外，D-Mitri也兼容CobraNet和AES/EBU進(jìn)行通信；并提供SMPTE、MIDI、RS-232、RS-422、Word Clock和GPIO等控制接口。

D-Mitri包含從傳聲器輸入到揚(yáng)聲器輸出的整個(gè)音頻信號(hào)鏈路，包括：輸入/輸出（模擬和數(shù)字）接口，全信號(hào)處理、混音、多通道聲像定位、音效重放和揚(yáng)聲器管理等功能，從而取代大型擴(kuò)聲系統(tǒng)中傳統(tǒng)的傳聲器前置放大器、自動(dòng)混音臺(tái)、揚(yáng)聲器處理器、分配器或矩陣、音頻重放或錄音系統(tǒng)以及多通道環(huán)繞聲系統(tǒng)等。

通過系統(tǒng)中的CueStation軟件，只須按一個(gè)按鈕，即可把某個(gè)參數(shù)自動(dòng)化，或把整個(gè)系統(tǒng)重新配置。

5 IOSONO 3D環(huán)繞聲系統(tǒng)

5.1 概述

開篇曾提及的IOSONO 3D是“3D環(huán)繞電影技術(shù)”，其在3D電影院中獲得相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。經(jīng)多年發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)IOSONO 3D環(huán)繞聲系統(tǒng)[9-11]在演出現(xiàn)場的應(yīng)用有著更為廣闊的發(fā)展前景。

IOSONO 3D環(huán)繞聲系統(tǒng)是應(yīng)用波場合成（Wave Field Synthesis，縮寫WFS）原理重新構(gòu)建聲場的技術(shù)。最早是由荷蘭的Berkhout教授提出，其理論則是基于荷蘭物理學(xué)家惠更斯(Christiaan Huygens)于1678年提出的“惠更斯原理”?；莞乖碇赋觯涸诓ǖ膫鞑ミ^程中，空氣中任意波前上的各點(diǎn)，都可以看作一個(gè)子波源，其后的任一時(shí)刻，這些子波源發(fā)射的波前的包絡(luò)線，就是聲波這一時(shí)刻的新波前。

人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)環(huán)境聽到的聲音都是在三維空間中傳播的，而這些聲波按物理聲學(xué)的分析，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。當(dāng)人耳接受到球面波的時(shí)候，雙耳效應(yīng)導(dǎo)致的時(shí)間差和相位差就能夠?qū)β曉醋龀鏊矫娴那昂笞笥叶ㄎ?；但人耳?duì)于聲源縱向上下的定位則只能取決于柱面波和平面波。傳統(tǒng)的環(huán)繞聲系統(tǒng)一般只能播放球面波，而IOSONO 3D系統(tǒng)由于使用波場合成技術(shù)，可以還原自然聲場中的球面波、柱面波和平面波三種形式的聲波，因而能再現(xiàn)真實(shí)的3D空間。

IOSONO系統(tǒng)的揚(yáng)聲器配置可采用三層式或五層式布局。圖6顯示IOSONO系統(tǒng)揚(yáng)聲器三層布局的現(xiàn)場實(shí)景，其第一層（底層）52只揚(yáng)聲器構(gòu)成3D空間的X軸面，稱為環(huán)繞聲的“音床”；第二層34只揚(yáng)聲器的任務(wù)是將X軸面的聲場進(jìn)行縱向拉伸形成Z軸面；第三層（頂層） 8只揚(yáng)聲器形成三角形布局，將2 000 Hz以上的高頻輻射至聽音區(qū)域，強(qiáng)化聲像定位。

3D音頻處理器IOSONO IPC 100對(duì)揚(yáng)聲器位置進(jìn)行設(shè)定和編程，將原始聲音信號(hào)根據(jù)使用者的需求重新編解碼，合成獨(dú)立的3D波形，再通過系統(tǒng)對(duì)合成音頻信號(hào)進(jìn)行場景分配，把不同的波形通過不同的揚(yáng)聲器進(jìn)行播放，組合成3D環(huán)繞聲。

下面列舉IOSONO系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)場演出的實(shí)例。

5.2 工程實(shí)例：悉尼歌劇院演出《死亡之城》

IOSONO技術(shù)進(jìn)入歌劇演出領(lǐng)域的典型例子，是2012年6月應(yīng)用于澳大利亞悉尼歌劇院的歌劇《死亡之城》（Die tote Stadt）演出。歌劇演出時(shí)，演員在歌劇院舞臺(tái)上面對(duì)觀眾演唱，而龐大的管弦樂隊(duì)并不在現(xiàn)場，而是在相鄰的演奏廳演奏，經(jīng)由IPC 100處理器建立一個(gè)聲學(xué)的全息圖將IOSONO 3D信號(hào)傳送到劇院的現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)了“看不見管弦樂隊(duì)”的再創(chuàng)作。3D環(huán)繞聲洋溢于整個(gè)劇院，使觀眾仿佛置身于樂隊(duì)之中，獲得逼真的現(xiàn)場感。悉尼歌劇院的演出舞臺(tái)、樂隊(duì)和觀眾席現(xiàn)場實(shí)景參見圖7。

6 WFS聲學(xué)全息系統(tǒng)

WFS聲學(xué)全息系統(tǒng)（Holophonic System）[12-14]是由瑞士科學(xué)家團(tuán)隊(duì)、法國聲學(xué)科技實(shí)驗(yàn)室和巴黎聲學(xué)音樂研究院合作開發(fā)的。其理論基礎(chǔ)與前述IOSONO 系統(tǒng)近似，假設(shè)重建輻射源網(wǎng)絡(luò)能取代實(shí)際的輻射源，則重建聲場中應(yīng)該考慮的問題是怎樣對(duì)二次聲源進(jìn)行饋送才能取代原始聲源。基爾霍夫亥姆霍茲積分方程中包含了二次波源的幅度和相位，這些幅度和相位是頻率的函數(shù)，由于虛擬聲源和二次波源的位置已確定，通過數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)可將定義在頻域的幅度和相位變換到時(shí)域，最終得出符合要求的“自適應(yīng)濾波器”。

根據(jù)上述原理，以WFS WAVE-SYSTEM主機(jī)為中心，加上調(diào)音臺(tái)、外圍設(shè)備、功率放大器和有源揚(yáng)聲器系統(tǒng)等組成演出現(xiàn)場3D環(huán)繞聲系統(tǒng)，如圖8所示。

2012年在法國巴黎投入使用的阿拉伯世界文化中心，采用兩層“皇冠”的WFS 3D環(huán)繞聲系統(tǒng)，主擴(kuò)聲選用12臺(tái)8英寸同軸全頻揚(yáng)聲器，加上6臺(tái)超低音揚(yáng)聲器，另有7臺(tái)15英寸有源同軸揚(yáng)聲器組成輔助擴(kuò)聲系統(tǒng)，現(xiàn)場演出獲得逼真的3D環(huán)繞聲效果。

WFS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可用較少的揚(yáng)聲器（5只～64只）即能獲得良好的3D環(huán)繞聲效果，在價(jià)格方面也有相當(dāng)?shù)母偁幜Α?/p>

7 TTA舞臺(tái)聲像跟蹤系統(tǒng)

挪威TTA公司推出的舞臺(tái)聲像跟蹤系統(tǒng)（Stagetracker FX）[15]主要具備三個(gè)功能：對(duì)表演者的聲音跟蹤、音頻定位和音效處理，可同時(shí)跟蹤多達(dá)32位演員，并定位舞臺(tái)上的聲像。Stagetracker FX的系統(tǒng)構(gòu)成如圖9，配置方式見表3。

TTA系統(tǒng)的 3D軟件可以在屏幕上實(shí)時(shí)顯示所有演員的活動(dòng)情況和音響效果；在音效處理方面，包括音量控制，聲像自動(dòng)控制、衰減器、高低頻切除和環(huán)路、EQ、音高調(diào)整等功能，采用“On the fly” 音效編輯，共有16個(gè)物理音效輸出。

8 結(jié)論

“演出現(xiàn)場3D聲像定位及跟蹤系統(tǒng)”及其所采用的技術(shù)近年在國外獲得較快發(fā)展，國內(nèi)新建的漢秀劇場等應(yīng)用類似系統(tǒng)相當(dāng)成功。結(jié)合中國國情，在大型主題劇場、旅游景點(diǎn)和露天實(shí)景演出等領(lǐng)域應(yīng)當(dāng)有一定的推廣前景。

[1] 彭妙顏,周錫韜. 數(shù)字聲頻設(shè)備與系統(tǒng)工程[M].北京：國防工業(yè)出版社,2006.

[2] 彭妙顏. 主題劇場聲光像同步表演系統(tǒng)的控制模式及應(yīng)用[J]. 電聲技術(shù),2015(2)∶11-17.

[3] 奧地利布雷根茨藝術(shù)中心. 聲性自由[J/OL]. http∶//www.mycchina.com/upload/%E5%A3%B0%E6% 80%A7%E8%87%AA%E7%94%B1-%E5%A5%A5%E5%9 C%B0%E5%88%A9%E5%B8%83%E9%9B%B7%E6%A0% B9%E8%8C%A8%E8%89%BA%E6%9C%AF%E4%B8%A D%E5%BF%83.pdf, 2011年第一期.

[4] 中國公共藝術(shù)網(wǎng). 布雷根茨藝術(shù)節(jié)瘋狂創(chuàng)意之——最美舞臺(tái)[EB/OL]. http∶//bbs.cpa-net.cn/ forum.php?mod=viewthread&tid=267&extra=page%3 D1,2014-06-26.

[5] sheriff Tech Ltd. TiMaxSoundhub[DB/OL]. www.outboard.com.UK.

[6] 金夢. 萬達(dá)漢秀劇場系統(tǒng)解析[EB/OL].

[7] D-MITRI數(shù)字音頻平臺(tái)說明書[Z].

[8] 劉舒,魏增來. 武漢萬達(dá)漢秀劇場音頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)施[C]. 2015年聲頻工程學(xué)術(shù)交流年會(huì)論文集.

[9] 彭妙顏. 基于空間定位的多聲道3D環(huán)繞聲數(shù)字電影還音系統(tǒng)[C]. 2012 聲頻工程學(xué)會(huì)論文集.

[10] 高杰,莊元. WFS 3D聲音技術(shù)在音樂會(huì)擴(kuò)聲工程中的應(yīng)用——上海北外灘景觀3D交響音樂會(huì)解析[J]. 演藝科技,2014(4)∶ 22-28.

[11] 莊元. 余音繞梁如聞天籟——3D環(huán)繞聲技術(shù)發(fā)展述評(píng)[J]. 演藝科技，2015(3)∶14-20.

[12] AES124_WFS_revisited_talk_.

[13] WFS_科普知識(shí)之Holophonics.

[14] “WFS聲學(xué)全息系統(tǒng)”技術(shù). http∶//www.wfssound.com.

[15] TTA. Total Theatre Audio Control[DB/OL]. www.tta-sound.com.

（編輯 杜 青）

Functions and Applications of Performance Scene 3D Sound Image Localization and Tracking System

PENG Miao-yan1, ZHOU Xi-tao2
(1.Institute of Audio Video and Lighting Technology, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China; 2.Central South Audio Video Lighting Design and Research Institute of Guangdong, Guangzhou 510006, China)

In this paper, the writer introduced the constituents, functions, and characteristics of 3D sound image localization and tracking system incluing BOA, TiMax, D-Mitri, Iosono, WFS and TTA, and gave some examples of engineering applications.

3D (stereo) surround sound system ; sound image localization; real time tracking system; live performance

10.3969/j.issn.1674-8239.2016.01.003