文/陳宇海

引言

從工業(yè)時(shí)代至今，對(duì)聲音技術(shù)的探討，一直貫穿在社會(huì)發(fā)展過(guò)程中。聲音技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中經(jīng)歷了以麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器為代表的單聲道音頻、雙聲道立體聲音頻，再到之后的5.1環(huán)繞聲，7.1環(huán)繞聲音頻等，聲音技術(shù)日趨成熟，直至發(fā)展到今天的三維聲（3D Audio）技術(shù)，從而使聲音技術(shù)達(dá)到爐火純青的地步。三維聲技術(shù)的應(yīng)用推廣，使廣播電視業(yè)和新聞業(yè)進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)新。

1.三維聲的相關(guān)概述

1.1 三維聲的含義

所謂三維聲，是指借助音箱陣列或耳機(jī)等，繼而為聽眾創(chuàng)造出別樣的聲音影像，這些聲音影像兼具三維空間感和方位感，從而使聽眾在虛擬的場(chǎng)景中保持清醒的頭腦，對(duì)于發(fā)聲的位置可以做出準(zhǔn)確判斷，而這些聲音，則與人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界中所聽到的方式符號(hào)一致，從而滿足人們對(duì)聲音感知的需求。

1.2 三維聲的分類

一般來(lái)講，三維聲通常分為三層空間。第一層空間則為人耳高度，也就是說(shuō)，聲音所能達(dá)到的高度，則為環(huán)繞聲音箱所在的高度。第二層空間則是指與人耳位置從30度仰角的高度，鳥鳴聲、風(fēng)吹聲，則表現(xiàn)得尤為明顯，是這一層空間高度的典型代表。第三層空間高度則表現(xiàn)為人耳正上方所聽到的聲音，當(dāng)然，這一層高度也被稱為“上帝之音”，飛機(jī)飛過(guò)的轟鳴聲，暴風(fēng)雨來(lái)臨之前的雷鳴聲等，則是這一層空間高度的典型例證。

2.三維聲技術(shù)分析

2.1 聲道的實(shí)現(xiàn)方式分析

為了對(duì)三維聲進(jìn)行全面了解，需要對(duì)三維聲的發(fā)聲技術(shù)進(jìn)行探討。三維聲這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，依托三種形式，第一種則為基于聲道的方式，第二種屬于聲傳床+對(duì)象的方式，第三種方式也為基于場(chǎng)景，從而使三維聲這一技術(shù)得以凸顯和應(yīng)用。首先要探討基于聲道的實(shí)現(xiàn)方式，這種方式表現(xiàn)為要對(duì)聲道配置進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，進(jìn)而將每個(gè)聲道的音源可以直接映射到其指定的揚(yáng)聲器位置中。這種聲道方式制作的音頻可以確保聲音達(dá)到預(yù)期的效果，但是為了確保聲音可以在聽眾因?yàn)榉秶畠?nèi)，需要聽眾對(duì)位置進(jìn)行準(zhǔn)確選擇，基于聲道方式制作的音頻聲音傳播范圍小，需要在特定的揚(yáng)聲器布局里重新播放，繼而使其聲音效果更為完美。

2.2 聲床+對(duì)象的實(shí)現(xiàn)方式分析

三維聲（3D Audio）是通過(guò)音箱陣列或耳機(jī)為聽眾創(chuàng)造具有三維空間感、方位感的聲音影像，使聽眾在虛擬的場(chǎng)景中獲得與人們?cè)谡鎸?shí)世界中心理聽覺方式相符、與臨場(chǎng)相似的聽覺感受的聲音系統(tǒng)。三維聲技術(shù)在發(fā)聲過(guò)程中也需要用到聲床+對(duì)象的實(shí)現(xiàn)方式，聲床對(duì)基本環(huán)境聲起到承載的作用，屬于基本聲場(chǎng)的音頻信號(hào)。聲道和特定揚(yáng)聲器位置緊密相連，因而，要想使聲床+對(duì)象這一方式實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)元數(shù)據(jù)定義的聲音場(chǎng)景進(jìn)行預(yù)先設(shè)定。

2.3 場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)方式分析

現(xiàn)如今，民眾對(duì)音頻技術(shù)的要求越來(lái)越高，為了滿足民眾的需求，基于場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)方式在三維聲音制作中受到追捧和青睞，基于場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)方式技術(shù)的應(yīng)用和推廣，聲音在捕獲方面和音頻選擇方面得到很大的突破。在這種發(fā)展模式下，聲音作為壓力波進(jìn)行傳遞，對(duì)于給定時(shí)間的聲音場(chǎng)景，每個(gè)點(diǎn)都需要借助數(shù)個(gè)壓力函數(shù)得以體現(xiàn)，也就是說(shuō)，每個(gè)點(diǎn)的壓力值在聲音技術(shù)方面發(fā)揮著重要作用。倘若獲知該空間中每個(gè)點(diǎn)的壓力值，便可對(duì)空間中的聲音進(jìn)行完美重構(gòu)。當(dāng)然，為了對(duì)每個(gè)點(diǎn)的壓力值進(jìn)行捕獲，需要借助一些方法對(duì)其進(jìn)行處理。其中，包括基于球面諧波變換的高階精度系數(shù)，進(jìn)而對(duì)三維空間所有點(diǎn)的壓力值進(jìn)行表述?？臻g中每個(gè)點(diǎn)的壓力和其鄰近的點(diǎn)存在一定的關(guān)系，因而，可以借助麥克風(fēng)陣列對(duì)聲音進(jìn)行全方位收集，應(yīng)用數(shù)學(xué)原理和公式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而將上述系數(shù)進(jìn)行有效推導(dǎo)。與此同時(shí)，為了使基于場(chǎng)景的音頻制作方式的優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮，需要對(duì)HOA系數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確獲取，提高生產(chǎn)空間系數(shù)的編碼質(zhì)量，克服音頻制作方式的難點(diǎn)，從而使基于場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)方式的效能得以最大發(fā)揮。設(shè)計(jì)基于VBAP基本原理的三維音頻編解碼框架，以3個(gè)聲道為一組合成虛擬聲源及下混信號(hào)，編碼時(shí)增添時(shí)間差參數(shù)，在解碼端提出基于線性方程組求解的虛擬聲像重分配方法，獲得與原始聲道配置一致的重建信號(hào)。

2.4 三維聲重放環(huán)境分析

三維聲重放環(huán)境在三維聲音頻制作中發(fā)揮著重要作用，這種技術(shù)在日本電臺(tái)表現(xiàn)得尤為突出。日本電視臺(tái)的22.2多聲道音頻采用重放環(huán)境這一技術(shù)，有22個(gè)寬頻揚(yáng)聲器和2個(gè)低頻揚(yáng)聲器構(gòu)成，當(dāng)然，也可以使用較少的揚(yáng)聲器對(duì)聲音進(jìn)行重放。揚(yáng)聲器使用數(shù)量的多少在很大程度上影響著最佳聽音的區(qū)域范圍，也就是說(shuō)，揚(yáng)聲器數(shù)量少，最佳聽音的區(qū)域范圍也就越小，兩者呈正相關(guān)。近年來(lái)，這種技術(shù)在我國(guó)音頻制作中也得到普遍應(yīng)用和推廣，電影院也在采用這一技術(shù)，從而使音頻質(zhì)量不斷提升。

2.5 雙耳渲染技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）的興起使三維音頻技術(shù)得到進(jìn)一步的應(yīng)用。VR中三維音頻的回放一般采用基于雙耳的方式，目前，VR中應(yīng)用較多的三維音頻技術(shù)有基于物理聲場(chǎng)重建和球諧分解的Ambisonics技術(shù)、基于自然雙耳錄音（Binaural recording）的技術(shù)，以及基于頭相關(guān)傳遞函數(shù)（Head Related Transfer Function，HRTF）重建的技術(shù)。雙耳渲染技術(shù)是指三維聲的重放可以依托揚(yáng)聲器和耳機(jī)得以實(shí)現(xiàn)，為此，為了使這一技術(shù)的性能和優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮和體現(xiàn)，需要對(duì)事先制作好的音源成品編碼文件進(jìn)行解碼，從而使普通立體聲耳機(jī)可以聆聽三維聲音頻。雙耳渲染技術(shù)的誕生和應(yīng)用，使三維聲這一技術(shù)更為成熟，滿足了民眾的精神需求，順應(yīng)了時(shí)代發(fā)展潮流，從而使這一技術(shù)更為成熟。

3.三維聲在我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)

3.1 三維聲專題組的成立

為了使三維聲這一技術(shù)在我國(guó)進(jìn)一步推廣和應(yīng)用，我國(guó)于2012年3月成立了AVS技術(shù)應(yīng)用聯(lián)合推進(jìn)工作組，這一工作組主要是由工業(yè)和信息化部電子信息司與國(guó)家新聞出版廣電總局科技司共同成立的，這一工作組的成立，有利于我國(guó)廣播電影電視新業(yè)務(wù)的進(jìn)一步發(fā)展，從而使我國(guó)自主創(chuàng)新技術(shù)更為成熟。2016年2月19日，我國(guó)成立了三維聲專題組，三維聲專題組的牽頭單位是中央電視臺(tái)。這一專題組的成立，使廣播電視領(lǐng)域的三維聲節(jié)目制作、傳輸分發(fā)和重放技術(shù)工作進(jìn)一步開展。

3.2 三維聲在我國(guó)的發(fā)展

近年來(lái)，立體聲、多聲道音頻編碼技術(shù)發(fā)展迅速，在許多領(lǐng)域都獲得了廣泛應(yīng)用。三維聲在我國(guó)發(fā)展過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間考證。三維聲專題組完成需求制定工作的時(shí)間是2016年4月15日，之后于4月16日三維聲技術(shù)提案征集得以啟動(dòng)。在此之后，三維聲專題組召開第一次工作組會(huì)議。各提案方提交三維聲的最終提案時(shí)間為2017年1月19日，2017年10月完成標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試驗(yàn)證工作。當(dāng)前，三維聲專題組正在進(jìn)行測(cè)試總結(jié)，并開展標(biāo)準(zhǔn)的撰寫工作。

3.3 三維聲在我國(guó)廣播電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的探討

從目前發(fā)展情況來(lái)看，我國(guó)的三維聲廣播電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)階段基本上采用基于聲床+對(duì)象的實(shí)現(xiàn)方式，也就是說(shuō)，需要在視音頻壓縮編碼端和接收終端進(jìn)行測(cè)試。因而，需要對(duì)支持的對(duì)象進(jìn)行明確，具體表現(xiàn)為三維生產(chǎn)中的坐標(biāo)定位、音量大小、對(duì)象聲音有無(wú)等。同時(shí)，也需要對(duì)下方控制、聲道描述、節(jié)目相關(guān)信息描述等工作進(jìn)行有效開展。此外，在后期制作中也需要對(duì)支持對(duì)象進(jìn)行明確，在后期制作環(huán)境中，至少需要支持64個(gè)對(duì)象，在直播環(huán)境中最少需要支持四個(gè)對(duì)象，從而營(yíng)造良好的環(huán)境氛圍，進(jìn)而滿足聽眾更高層次的聲音享受。

結(jié)語(yǔ)

三維聲的聲音傳播方式使聲音效果發(fā)生極大變化，由最初的靜態(tài)傳播轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)傳輸。同時(shí)，三維生可以營(yíng)造良好的聲音環(huán)境，從而滿足聽眾對(duì)聲音的高層次需求。三維聲技術(shù)的應(yīng)用推廣在很大程度上促進(jìn)了廣播電視業(yè)的發(fā)展，從而使科技更好地為人類社會(huì)發(fā)展服務(wù)。

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