梁振中

耳機(jī)虛擬3D技術(shù)在電子音樂創(chuàng)作中的應(yīng)用探究

梁振中

（寶雞文理學(xué)院，陜西寶雞，721013）

本文對(duì)電子音樂創(chuàng)作中的虛擬3D音頻技術(shù)進(jìn)行了探討，并對(duì)其定位和重放的原理進(jìn)行論述，同時(shí)利用MatLab軟件對(duì)其進(jìn)行了簡單的音頻合成。

耳機(jī)虛擬3D；MatLab；定位；環(huán)繞聲重放

1 虛擬3D音頻技術(shù)

該技術(shù)具有為廣大的聽者進(jìn)行定位其周圍聲音的能力。在實(shí)際中，我們可以看出其聲音是來源于音響或耳機(jī)，但是聽者所感受到的聲音卻是來自空間當(dāng)中的任意的位置。而類似于立體聲一樣，其聲音則是通過兩只箱對(duì)其進(jìn)行定位，并在沒有音響的位置的情況下，即可制造出一些聲音的幻覺。

但是，在實(shí)際中，傳統(tǒng)的立體聲系統(tǒng)則不會(huì)對(duì)聲音進(jìn)行定位，并測定出聲音是來自聽者的背部、上方或者是下方。而我們常用的多揚(yáng)聲器可對(duì)生源進(jìn)行定位，但智能定位到聽者的身邊的某些位置，并且其需要很多的硬件和軟件設(shè)施的支持。

而所謂的3D音頻，其僅僅在使用的過程中使用立體聲的設(shè)備，就可得到相應(yīng)的三維空間的音響聽感，而這也是該技術(shù)的關(guān)鍵。通過耳機(jī)虛擬3D技術(shù)，為廣大的聽者提供三維環(huán)境的聽感，并通過聲源位置來制造虛擬的環(huán)境變成可能。換句話說，就是在聽者明明不知道聲音來源的情況之下，其卻可有效的感覺到某個(gè)位置并能確定的位置發(fā)出了聲音。而這就是虛擬3D的最為主要的原因。聲音提供了一種重要的反饋途徑,不僅增加了聽者對(duì)視覺線索的反饋,也提供了聽者在視覺范圍之外,對(duì)動(dòng)作和環(huán)境的反饋。比起視覺,三維的聲音可以在聽者周圍的360度空間中提供多重的實(shí)際聲音來源,因此具有更人的優(yōu)越性。

2 虛擬3D音頻的技術(shù)原理

人的聽覺是依靠兩個(gè)不同的方法進(jìn)行定位：第一種方法是IID，也就是通過聲音達(dá)到雙耳之間的強(qiáng)度差來進(jìn)行定位。聲音從出發(fā)點(diǎn)到達(dá)雙耳的強(qiáng)度時(shí)不一樣的，如果相同的聲音，到達(dá)最近的那個(gè)聲音其強(qiáng)度喲啊大一些，而這些細(xì)微的強(qiáng)度的差別則會(huì)使得人體的耳朵產(chǎn)生不同的感覺，從而可以判斷出聲音大概來自人體的那個(gè)方向，并作出定位；另外一種方法則是ITD，通過對(duì)聲音到達(dá)雙耳的時(shí)間差來做最后的判斷。和強(qiáng)度的原理類似，其不同的聲音傳播的距離因?yàn)槿梭w的耳朵的不同，而通過這種時(shí)間差的判斷，從而可對(duì)作出一定的定位。

圖1 雙耳的時(shí)間差

而除了上述的時(shí)間差以外，還可以采用頻率的變化來對(duì)聲音的來源進(jìn)行位置的定位。在實(shí)際中，耳朵則猶如一個(gè)濾波器，其通過通過的過濾，將聲音傳遞給大腦。而耳廓基本可接收到現(xiàn)實(shí)中存在的任何的聲音來源。從而通過耳廓對(duì)聲音進(jìn)行定位。

3D音頻主要的作用和目的就是將這些定位效果進(jìn)行還原，利用聲音在傳播中的IID、ITD、頻率的變化,通過數(shù)字虛擬聲場來模擬出聲音所處的位置。

3 3D音頻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式

3.1 聲音定位

與多揚(yáng)聲器系統(tǒng)相比，虛擬3D音頻技術(shù)具有很大的創(chuàng)新。傳統(tǒng)的如立體聲設(shè)備其輸出的信號(hào)上，是通過對(duì)信號(hào)的處理，來加強(qiáng)對(duì)其中的方位性的“依賴傳遞函數(shù)”。而這些函數(shù)則必須通過聽者，其每天在生活中不間斷的對(duì)聲音進(jìn)行三維空間的潘端端，以此來重建比復(fù)雜的聲學(xué)信號(hào)。而無需再借助實(shí)際的多方位揚(yáng)聲器對(duì)其進(jìn)行重新的位置確立。3D音頻技術(shù)則僅依靠簡單的 立體耳機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)三維空間當(dāng)中的聲音來源，而這也是該技術(shù)的關(guān)鍵。其中的“依賴傳遞函數(shù)”則是借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行編程而實(shí)現(xiàn)的，這也是該技術(shù)能比較成熟的根本的原因。

而要獲取虛擬3D的音頻，對(duì)其進(jìn)行合成，則還需要相關(guān)的HRTF數(shù)據(jù)。通過HRTF對(duì)數(shù)據(jù)的處理，得到聲音信號(hào)的卷積，而這也是虛擬3D音頻被合成的最關(guān)鍵性的步驟。通過使用單聲道的聲源信號(hào),在領(lǐng)域內(nèi)合成虛擬3D音頻，其具體的步驟則是：首先是對(duì)對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換,變換后的數(shù)據(jù)分別于左右而得HRTF數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,然后對(duì)計(jì)算結(jié)果再進(jìn)行傅里葉逆變換,即可得到虛擬3D音頻的聲音文件。

3.2 聲音回放

而除了對(duì)聲音的定位以外，還可進(jìn)行聲音的重放。以5.1環(huán)繞聲作為比較。環(huán)繞聲重放設(shè)計(jì)如圖2所示。

如在三維立體的耳機(jī)重放當(dāng)中，其首先也是對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。在進(jìn)行重發(fā)左右環(huán)繞聲信號(hào)時(shí)候，其將原來的二維轉(zhuǎn)換成三維，也就是講其中的圖2當(dāng)中的H31,H32,H41,H42通過一個(gè)3D的處理模塊來對(duì)其進(jìn)行替代。

因此，在經(jīng)過對(duì)研究后，決定采用圖3的方式，在3D模塊中，采用了3對(duì)HRTF數(shù)據(jù)，其具體的位置則為水平面上的后方±60°(LS1,RS1),水平仰角為30°的后方±60°(LS2,RS2),水平仰角為60°的后方±60°(LS3,RS3)的方位角。而采用這些角度則是按照一般的情況而定。其具體的角度則根據(jù)具體的方位進(jìn)行選擇。

同時(shí)還必須進(jìn)行計(jì)算公式的調(diào)整。其環(huán)繞重放的計(jì)算公式為：

通過聲音反饋合成：

4 虛擬3D音頻的創(chuàng)作

圖2 普通5.1環(huán)繞聲重放系統(tǒng)

以《水花.靈》作為案例。該創(chuàng)作作品其總共為10分鐘的時(shí)間。該作品其最大的靈感在于水花的靈性的表達(dá)。通過一滴水在滴入到水面，到最后沉入到水底，而這粒水滴也在不但的孕育著不同的人們的生活，同時(shí)也在孕育著生物。而如何利用相關(guān)的器材采樣，表現(xiàn)出這種意境。因此，作品采樣電吉他摩擦琴弦聲，通過對(duì)不同頻率的顫抖來調(diào)制出不同的水流的聲音，同時(shí)利用模擬的合成器來調(diào)制音色墊，以此給廣大的聽者制作出一種身處在水中的那種感覺。通過這種延展，一滴靈性的誰，在進(jìn)不到水面之后，開始子啊水底慢慢的進(jìn)行活動(dòng)，并在自然的孕育之后，水底又開始慢慢的形成，并滋潤的大地。而在6分零3秒的時(shí)候，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這種靜和零星開始在水底不斷的翻騰。

而要對(duì)該音頻進(jìn)行制作，則必須用到Matlab軟件。MATLAB是由美國的mathworks公司在面對(duì)交互式程序、可視化等方面而推出的一個(gè)計(jì)算的環(huán)境。其將非線性動(dòng)態(tài)、可視化、矩陣分析等進(jìn)行建模和仿真，從而形成一個(gè)易于使用的視窗的環(huán)境，以此為科學(xué)研究等進(jìn)行有效的計(jì)算的軟件。

而在該制作過程中，則利用Matlab的純代碼編寫的這種模式，通過采用不同的代碼將音頻進(jìn)行導(dǎo)入，同時(shí)在其中套用HRTF的相關(guān)參數(shù)，通過其中的卷積形成具有3D效果的虛擬音頻。而如果該音頻需要進(jìn)行多軌的合并，則必須對(duì)其中的不同的音頻進(jìn)行單獨(dú)的3D虛擬制作，在做好后再進(jìn)行音頻的合并。本文在創(chuàng)作中則利用Matlab軟件的量化指令對(duì)音頻進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，同時(shí)無法在其中做到平滑。因此，雖然制作完成，但是該軟件之適用于少量的音樂制作。

5 構(gòu)建的意義

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，未來的音樂創(chuàng)作，特別是在電子音樂的制作方面將具有很大的轉(zhuǎn)換的空間。而這種技術(shù)的應(yīng)用也給廣大的作曲家?guī)砹诵碌目臻g，特別是在舞臺(tái)表現(xiàn)方面。采用該技術(shù)之后，其作曲的理念也不再僅僅局限于對(duì)傳統(tǒng)的音色和音樂素材的追求，而開始使用這種交互式的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)聽者沉浸式的享受，從而通過音樂大廳即可讓廣大的聽眾感受到作曲家的作曲理念，從而形成音樂、人等為一體的新的音樂享受。

[1] 殷福亮,汪林,陳 ,《三維音頻技術(shù)綜述》[J],通信學(xué)報(bào),2011年2月

[2] 李定川,《3D音頻技術(shù)綜述》[J],電子報(bào),2007年10月、11月、12月

[3] 丁林,《基于HRTF的虛擬環(huán)繞聲技術(shù)的研宄與IP核的實(shí)現(xiàn)》[D],中南民族大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012年5月

梁振中，男，漢族，33歲，1977年12月出生于陜西榆林。講師，寶雞文理學(xué)院音樂系。2007年畢業(yè)于西安音樂學(xué)院，獲得文學(xué)碩士。研究方向：音樂教育。

Research on Application of Headset virtual 3D technology in electronic music.

Ling Zhenzhong
(Baoji University of Arts and Sciences,shanxiBaoji，721013)

This paper discusses the virtual 3D audio technology,electronic music,and the principle of its positioning and playback is discussed,meanwhile has carried on the simple audio synthesis using MatLab software.

Headset virtual 3D;MatLab;localization;surround sound reproduction

圖3 3D添加處理過程