科普 | 无所不在的3D音效：浅析几种主流虚拟环绕声技术的发展与现状

马兰士中国

如果想要在家庭影院系统中获得高音质的音响效果，优秀的放音设备是必不可少的。然而，按照杜比、DTS等技术的要求，家庭影院系统至少需要五个以上的扬声器、相应的功率放大器及解码器。并且，这些技术对扬声器和功放的要求，以及听音环境、调校技术的要求也是比较高的。因此，这对于消费水平一般的用户来说，是不太现实的。

同时，随着移动互联的的高速发展，人们开始追求便携、高品质的移动影音体验。那么，有没有能够利用较简单的设备也可以实现类似于杜比Dolby TrueHD和DTS-HD Master Audio的环绕效果呢？虚拟环绕声技术便是目前应用最为广泛的技术之一。

虚拟环绕声在立体声增强技术（即3D空间增强）的基础上发展起来的，不仅具有立体声增强技术的空间感和包围感，还具有类似杜比DolbyTrueHD和DTS-HD Master Audio的声像定位效果，符合了一般人群的影音要求，而且成本较低，因此应用十分广泛。

下面，Sound United就为大家简单介绍环绕声与几种主流虚拟环绕声的概念、分类以及应用前景，以供大家参考。

▌ 环绕声技术的发展

如果我们闭上双眼，找个人在你的前后左右四个方向先后拍手，即使是没有看见，我们也能够准确地分辨出他的位置。这是因为随着位置的不同，声源（即手掌）与每只耳朵之间的距离也会随之改变。由于击掌产生的声波传递速度不变，这样传到两耳的时间便会因双耳的位置差而略有不同。人们的大脑就是靠分辨双耳间几个毫秒的时间差和声压差来判定声音的位置的。如果左、有两只耳朵收到声波的时间相等，则可以断定声源位于不左下右的正方向。由于耳廓的作用，人们又能准确分辨出声音是来自于正前方还是正后方。正是通过这样的工作，人耳才能够感应到环绕声所创造出的方位感。

环绕声所营造出的使人能够产生方位感的环境即为环绕声声场。科学实验证明：人周围的声道数目越多，人的声场定位感，也就是声音的方向感就会越强，从理论上讲，声场中不同位置的声道数目越多，声场的方位感就越强。当声道数目接近无穷个时，定位感为最佳，当然这是目前技术所无法做到的。

早期立体声技术的研究开始于十九世纪末期，1896年著名物理学家、现代声学理论奠基人之一的瑞利发表了《声学理论》，对人的双耳效应作了比较完整详细的阐述，总结了经典声学理论，为立体声技术的研究发展奠定了理论基础。随着立体声理论与技术的发展，人满不再满足于双声道立体声系统仅能再现倾听者前方一定角度范围内的声音空间信息，便对重放的真实感、临场感提出了更高的要求。

从20世纪30年代开始，为了使声重放时能真实地再现原声场的声音及空间信息，使倾听者能够获得身临其境的听觉感受，开展了对立体声的研究，先后提出了不同类型的立体声系统，其中一些系统在电影院、家庭放音等方面应用非常广泛。从20时间70年代开始，人们开始着重研究和发展多声道环绕声系统。环绕声首先在电影院获得了成功，但是由于节目源的短缺问题，而无法将移植到家庭当中。知道采用了信号处理技术的矩阵重组技术，对多声道的信息进行不同相位调制混合成两声道，这一问题才得以解决。随着电子技术、计算机技术的迅猛发展，人们对声音重放的空间效果提出了更高的要求，使立体声技术进入新的发展阶段，80年代之后，环绕声系统进入高速发展的时期，新技术、新系统层出不穷。

经过测试人们发现，5个声道已能满足人们对声场定位的需要。使用7声道或9声道，定位感会更好。当声道数多于9个时，对于正常人来讲，其听音效果与声延时的效果难以区分，结合录制时的编码技术特点，人们将家庭影院系统中的环绕声声场定为5—8个声道，个别器材搭配也可能会使用9个声道的情况。对一般家庭而言，使用5个或6个声道放音，完全可以满足人耳对环绕声声场定位感的需要。

目前在环绕声上的最高成就便是杜比全景声（Dolby Atmos）。全景声是结合了动态对象和播放声道的崭新混音和声音定向方式，可在任何环境及不同扬声器配置下尽可能播放出最接近原创者设想的效果。换句话说就是全景声技术不同于以往一路音频信号控制影院中一侧音箱发出相同的声音，它可使一侧的多个音箱逐个发出不同声响，真实地营造出由远及近、由小到大的音效。最为特别的是，它可以对声音进行“聚焦”，让某些声音浮动于其他声音之上，自由游动，营造真实包围感。全景声技术比较有优势的是杜比和巴可公司，但杜比全景声显然更受青睐，是各大电影争相使用的宠儿。

值得一提的是，杜比全景声（Dolby Atmos）在进入家庭影院系统当中，也采用了相关虚拟环绕声的技术。全新的杜比全景声（Dolby Atmos）家庭体验为用户提供了3种配置方案：最佳的方式当然就是在天花板上安装扬声器，并且按照Atmos的规范进行连接；其次，可以选择提供支持杜比全景声（Atmos-Enabled）的全新扬声器，这种扬声器可以在传统扬声器所在位置，虚拟出一个来自顶部上方的饱满、细腻的音效；如果已经有了自己的扬声器，也可以选择增加支持杜比全景声（Atmos Modules）的扬声器模块，作为现有扬声器系统的补充。

▌虚拟环绕声系统

虚拟现实技术利用计算机技术等高科技手段构造出虚拟环境，使人获得与现实一样的感觉。虚拟听觉空间就是在虚拟环境中加入与视觉并行的三维虚拟声音，使收听者在模拟环境中收听到的声信号逼近在真实环境声场中收听到的声信号。在人的听觉感受中，除听觉生理学、听觉心理学和声学的角度，对空间的听觉也进行了深入的研究并取得了一定的成果。随着计算机技术和信息产业的迅猛发展，空间听觉的应用也越来越广泛。在空间听觉的研究和实现中，与头部相关联的冲激响应HRIR（Head Related Inpulse Response）以及与头部相关联的传递函数HRTF（Head Related Transfer Function）占有十分重要的地位。这种虚拟环绕声系统只需要两个重放声道就可以再现环绕声的效果，与其它环绕系统相比，由于成本低，因此具有很好的应用前景。

利用听觉传输技术即通过与头相关传递函数来实现声场空间信息的传输重放，这类系统大致可分为以下几类：

（1）听觉传输立体声系统。它是根据听觉传输技术的原理，通过人工假头进行捡拾，或者用信号处理的方法模拟出声源到双耳的传输函数HRTF，从而得到含有3D空间环绕声信息的双耳信号。所得到的两声道信号经放大、记录、传输后，在经耳机重放，或由扬声器重放。这种方法的优点是声像逼真自然，且只需两个独立的重放声道就可以再现三维空间的声像。但是其缺点也是存在的，由于这种方法对测量和处理的精度要求很高，而且由于HRTF与声源到双耳的相对位置有关，因此，严格来说理想的有效听音域是有限的，而且，倾听者头部的转动也会造成前后声像的倒置等等。

（2）3D“准”虚拟环绕声系统。这类系统是在听觉传输立体声技术的基础上，从双声道信号提取出空间信息并予以增强，或者通过模拟空寂不同方向上的HRTF来模拟发射声与混响声，进而增加主观听觉上的空间感与包围感，达到模拟3D环绕声的目的，是普通双声道节目源的后期处理系统。这类系统所起到的是模拟环绕声信息的作用，也就是“准”环绕声系统。SRS、Spatializer3D、Qxpander等是这类系统的代表。

（3）多通道虚拟环绕声系统。这类系统多采用听觉传输技术的虚拟声源的方法，通过HRTF的模拟。利用一对前方扬声器虚拟出部分扬声器，从而实现环绕声的效果。值得一提的是，这类系统也存在听音域窄和声像前后倒置的缺陷。

在讲虚拟环绕声的时候，还有一项技术是不容忽略的，那就是数字声场处理器（DSP）。DSP在音响方面可用于数字混响器、数字解码器、数字均衡器和数字变调器等。在家庭影院中，DSP对单声道或双声道的声音信号进行数字处理，人为地进行声音频率的再分配和产生时间差，以营造立体声的幻觉，让听者能感受到如同在教堂、音乐厅等特定环境下的听音效果。

DSP是一项用计算机对声源的声场数据（如直达声、发射声、混响声）进行分析，编写出DSP数字声场处理软件，在将软件固化在大规模集成电路里的先进数码技术，它利用内在固化软件的多样性和灵活性，营造出满足各种大厅的混响效果。但重放时，用户可按照选定的DSP模式调出相应场所的软件，来对数字化音频信号进行处理，再还原成模拟声信号，由环绕声场扬声器把声场重现出来，并且自动调节其中两只扬声器之间的信号电平，以确定各虚声源的位置，同时自动控制发射声的延迟时间和混响时间，以确定各虚声源的声场。

产生DSP环绕效果的核心便是是DSP声场处理器，DSP声场处理技术目前已被广泛地应用于各种档次的AV功放机中。此外，按照重放设备的不同，虚拟环绕声又可以分为基于音箱重放的虚拟环绕声和基于耳机重放的虚拟环绕声。二者在本质上均是通过双声道信号来虚拟实现环绕声效果，只是在处理技术和需要解决的问题方面存在差别。

DTS Headphone:X便是DTS在今年CES发表的专为耳机用户设计的虚拟环绕声音效技术。DTS Headphone:X技术的特别之处，在于用户只要使用内建此音效处理的平板电脑、智能手机等移动产品，则无论使用任何品牌的任何耳机，都可以轻轻松松、随时随地享受有如多声道系统（多达11.1声道）营造出的包围感。

DTS Headphone:X在手机上的Demo演示功能

传统上听者从耳机聆听，感觉声音就是在戴耳机的头部位置，先前其他品牌所推出的多声道虚拟耳机亦是如此，但DTS Headphone:X技术会让声音具有“外来感”，也就是说，我们会觉得声音并非出自耳机，而像是来自附近有一段距离的高品质多声道喇叭系统。从而精确重现混音室的声学环境，保留创作者的原意，重现所有声音细节及方向定位。

结语：相对于多声道环绕声系统，虚拟环绕声系统只需两个声道就可以实现环绕声的效果，这使得希望享受“家庭影院”的用户的愿望得以满足。并且随着个人电脑以及智能手机等移动设备的普及应用，越来越多的用户已经3D游戏爱好者，希望能够轻松便捷地享受到多声道环绕声的效果，同时希望重放设备尽量少，而且能保持原多声道系统的重放效果，这也就扩大了虚拟环绕声的应用范围。

Sound United也将继续为大家介绍影音类相关知识。爱马士、小龙人有什么特别想要了解知道的内容也请留言告诉我们，期待与你们互动！

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