以假乱真——虚拟环绕声技术介绍

 

虚拟环绕声原理

 

　　实现虚拟杜比环绕声的关键是声音的虚拟化处理，依据了人的生理声学和心理声学原理专门处理环绕声道，制造出环绕声源来自听众后方或侧面的幻象感觉。应用了人耳听音原理的几种效应。

 

　　·双耳效应。英国物理学家瑞利于1896年通过实验发现人的两只耳朵对同一声源的直达声具有时间差（0.44-0.5微秒）、声强差及相位差，而人耳的听觉灵敏度可根据这些微小的差别准确判断声音的方向、确定声源的位置，但只能局限于确定前方水平方向的声源，不能解决三维空音声源的定位。

 

　　·耳廓效应。人的耳廓对声波的反射以及对空间声源的定向有重要的定向作用。借此效应，可判定声源的三维位置。

 

　　·人耳的频率滤波效应。人耳的声音定位机制与声音频率有关，对20-200赫的低音靠相位差定位，对300-4000赫的中音靠声强差定位，对高音则靠时间差定位。据此原理可分析出重放声音中的语言、乐音的差别，经不同的处理而增加环绕感。

 

　　·头部相关传输函数。人的听觉系统对不同方位的声音产生不同的频谱，而这一频谱特性可由头部相关传输函数HRT（HeadRelated Transfer Function）来描述。

 

　　综上所述，人耳的空间定位包括水平、垂直及前后三个方向。水平定位主要靠双耳，垂直定位主要靠耳壳，而前后定位及对环绕声场的感受靠HRTF函数。虚拟杜比环绕声依据这些效应，人为制造与实际声源在人耳处一样的声波状态，使人脑在相应空间方位上产生对应的声像。

　　

 

　　通常的虚拟环绕声系统，仅仅由一只有源的重低音音箱和一对卫星箱组成，用两只喇叭营造不错的具有包围感的虚拟环绕声，它主要由系统控制芯片和虚拟环绕声处理电路来实现。其功能有两种：能够把多声道的信号经过处理，在两个平行放置的音箱中回放出来，并且能够让人感觉到环绕声效果，或者是将原本是立体声的音源经过处理，让我们听到类似多个箱体发出的环绕声效果，鉴于多数有源音箱不具备接收处理AC-3多音频信息流的能力，因此，它们往往采用了后面的技术。

 

　　虚拟环绕声技术主要有SRS公司的SRS TruSurround、Qsound公司的Qsurround、Aureal公司的A3D和Spatializer公司的N-2-2DVS等技术，当然还有杜比实验室的杜比虚拟环绕声VSS（Virtual Surround Sound）技术，非杜比实验室的技术一般也获得了杜比实验室的认可，可以用于回放杜比定向逻辑和杜比数字信号。

 

　　虚拟环绕声技术比较有名的为SRS Labs、QSurround方案等，SRS（Sound Retrieval System）指的是声传播延时恢复系统格式的声音还原系统，其原理是根据头部声音传递函数HRTF（Head Related Transfer Function）来还原声音，所谓HRTF，是指人的外耳和头部对声音的加工作用，使声音发生了微小的变化，而人就可以通过这种变化判别出声音的来源方向，如果把环绕声通过同样的函数处理后再通过前置音箱放出来，也能让人以为是后置的环绕音箱放出来的，这样就达到了用两个音箱回放多声道的目的。而QSurround方案则是根据大量听音测试通过实验得出的系统。用信号进行几百次不同音箱试听，记录其声音的虚拟系统，最后用这些数据设计出QSurround系统，它用来进行音箱的虚拟定位，从而维持原有的保真度；它对前方声道和环绕声道信号均作了虚拟处理，实现时只选择环绕声道；中置声道则只作了简单的混合合成。正因为在六大公司（Qsound公司、SRS公司、Spatiatizer公司、Harman公司、Aureal公司、杜比实验室）推出的虚拟环绕处理系统中，只有Qsound公司的虚拟环绕处理系统是根据大量的试听测试结果得出的，所以QSurround系统是六种系统中空间感和包围感最好的，声音定位也相当精确，效果甚为理想。

 

　　QSound公司的方案有两种模式，一种是真实（Actual）模式，对应于有多个音箱的情况，把主声道及环绕声道处理后，直接输入各自的音箱，可以改善环绕声的效果，扩大了可听位置（皇帝位），另一种是幻象（Phantom）模式，对应于只有两个音箱的情况，这时把中置及环绕经换算后叠加到主声道上，以实现两音箱回放多声道的功能，并使人觉得有幻象音箱在回放中央声道及环绕声道。当前世界很多厂商不断推出不同的虚拟环绕声系统，在这里就SRS、QSound等公司（实验室）所推出的六个系统，在声音的流畅性和准确度、对话的可懂度、声像定位的精确度和空间感以及虚拟产生的副作用等方面作一比较。

 

　　（1）SRS公司的Tru Surround

 

　　采用频率滤波虚拟环绕声技术，可营造极好的包围环绕环境。但最佳听音区很小，声像定位感不如其它几种，有的情况下会引起短期耳压听觉疲劳的副作用。

 

　　在最佳听音区移动一个座位时，仍感觉有环绕的效应，但不如中心位置好，移动几英尺时，声音带瓮声，对白似乎只来自最近的音箱。

 

　　（2）Spatializer公司的N-2-2

 

　　N-2-2的技术还未完全公开，其目标在于扩大最佳听音区、减少染色和听觉疲劳。N-2-2的包围感不如其它几种；定位感也不如有些方案；对白不如真实5声道清晰响亮，但可听懂；背音色声音自然，没有短期耳压。

 

　　移动一个座位时，环绕声似乎来自主音箱平面之外，大部分时间仍只能听到普通双声道立体声；离开几英尺时，对白更是低弱无力。

 

　　（3）QSound公司的QSurround

 

　　前已指出，这是根据大量听音测试通过实验得出的系统，是六种方案中空间感和包围感最好的系统。声音定位相当精确。但听了会感觉到短期耳压。与真实5声道相比，声音发重，但很悦耳。

 

 

 

音源发出的声波通过各种路径，最后被人耳感知

 

 

　　移动一个座位，只能听到少许环绕声，移动几英尺，环绕声完全丧失，但对白仍可听懂。

 

　　（4）Harman公司的VMAX

 

　　采用串音抵消法，因此在最佳听音区听音时双耳间无干扰。声音宽广，空间感和包围感好，定位非常准确。移动感不及杜比虚拟环绕声方案，但比其它四种方案好。对白也比其它方案清晰。在大音量场面中总的声特性有点刺耳。

 

　　移动一个座位时，临场感变成普通双声道，移动几英尺时，声音带瓮声，对白也混浊不清。

 

　　（5）Aureal公司的A3D 

 

　　采用计算滤波法来营造虚拟环绕声。临场感宽阔，定位效果好，声音悦耳、流畅。有时能感到短期耳压。

 

 

        经过精确测算可以构建一个真实的声场函数。

 

　　移动一个座位时，声音变得略带空虚，空间感也降级至普通双声道水平；移动几英尺时，对白变得轻微而模糊。

 

　　（6）杜比实验室的杜比虚拟环绕声

 

　　它结合串音抵消和频率滤波对杜比环绕声和杜比数字信号进行虚拟处理。临场感宽阔而协调一致，声音和其它几种方案无多大差别。