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深入了解3D音效 聆听完美音质

2018-10-16 18:55:19

3D音效就是用扬声器仿造出似乎存在但是虚构的声音。例如扬声器仿造头顶上有一架飞机从左至右飞过,你闭上眼睛听,就会感觉到头顶真的有一架飞机从左至右飞过。这就是3D音效。随着科技的进步,3D音效在日常的娱乐生活中扮演着越来越重要的作用。近期,微软申请了一项3D音响系统专利,使用户无论坐在或站在何地,都能感受到优美的3D音效。3D音效技术如此迅猛的发展离不开各大厂家的支持,同时也离不开以前一些技术的积累。在3D音效技术产生之前,已经存在多种声音表现的方法了,但这些方法的主要目的都是为了更好地再现音场。

音效技术的发展

1、单声道(Mono)

所谓的单声道就是声音由一只音箱产生的效果,听众可以很明显地听出声音的来源就是音箱所摆放的位置,其本身的表现力较为平淡。

2、立体声(Stereo)

立体声系统需要一对音箱来完成任务,它通过调整系统中两只音箱发出声音的大小,让我们误认为声源来自两只音箱之间直线段中的任意位置。特别是当使用耳机的时候,由于左右两边的声音串音情况很少发生,所以声音的定位比较准确;再加上比较真实的音场感觉,使它能够带给我们比单声道真实许多的表现力。 

3、增强立体声(Extended stereo)

这种技术是对传统立体声的一种延续,通过某种算法对两只音箱系统中的声音进行处理后,过去只能反映两只音箱连线间的声源位置被扩展到了其延长线上。这对于当两支音箱放置相距较近的情况有很大帮助。

4、四声道(Quadraphonics)

实际上这也是对基本的立体声概念进行的扩展,它需要的音箱数目是四只。这样的安排可以表达在四个音箱摆布所构成的矩形边上的声源位置。虽然这已经很类似我们需要的定位音场的需要,不过实际上这和真正的3D声音效果是有区别的。

5、环绕立体声(Surround-Sound)  

还是基于立体声的概念,它在标准的四声道系统中在听众正面增加一只音箱来覆盖四只卫星音箱所包围的范围内的声音定位。这就是5声道系统,甚至为了有更好的低音域表现力,还有人单独再放置一个低音单元,也就是俗称的5.1系统。
  
如果需要更加精确定位声音的通路,你甚至可以在听众的上方、下方来放置音箱,得到从上面和下面传来声音的效果。这些所有的效果很大程度上都是通过实际音箱的摆放位置来实现的。不过以上的音箱设置方式只让我们觉得置身其中,却没有办法找出准确方位来。于是3D音效闪亮登场了。

3D音效的理论

1、进入双声道技术(binaural)
  在单个音箱系统中,声音的来源总是一个位置,我们一下子就能确定它的位置,而过去的多音箱系统,则靠同时从不同位置产生声音,欺骗大脑对声音位置的辨识。现在双声道系统则通过两个不同的信号来处理声音,让两只耳朵分别接受,并误当作它就是从同一个位置发来的到达两个耳朵的不同信号,从而确定出声音的位置。显然这和立体声是有本质区别的。和立体声不同,当两个外部音箱被用来传送双声道效果的时候,声音必须分别传送到特定的耳朵里,而不是像立体声那样让两只音箱的声音都同时到两个耳朵。这之间的差异就是两者间声音定位准确与否的关键因素。
  
  由两只音箱来产生一个真3D音效是非常困难的。首先,这样的位置效果容易因听众位置的不同而大打折扣;其次,听众探明两支音箱的准确位置后,会对两股声音流所产生的位置识别感产生抵触情绪。
  
  最成功的从外部声源传送能够准确表达声音方位的系统是采用4只音箱的配置,但很不幸即使采用了4只音箱,也很少有系统是真的在用4路3D声音,并且采用4路串音消除技术。绝大多数系统都是使用两路独立的双声道设计,然后用立体声来混合前置和后置音箱的发声状况。更有甚者是只在前置音箱采用了真3D音效,而其他部分都用传统4声道或环绕立体声加以混合。
  
2、我们的大脑是如何判断声源方位的呢?

当一个声音位于听众身体一侧的时候,距离更近这一边的耳朵能够听到更大的声音,而且可以提前一点听到。这种差别在声学方面有两个术语IAD(Inter-aural Amplitude Difference)和ITD(Inter-aural Time Difference)来加以说明。大脑就是依靠这两个细微的差别来确定声音的位置。耳朵的固有形状实际上会增强或削弱不同的声音频率。依靠声音位置的不同,外耳首先负责解决前后方向的不同,因为耳朵都是朝前的,自然前面的声音会大些,而后面的就会小些了。而且由于外耳的形状上下也不对称,还可以借此来确定声音的高度。
  
声音在环境方面的效果不但对我们确定所处环境类型有很重要的提示,而且反射效果也帮助我们的大脑来判断声音的距离。另外,声音被环境中建筑物等的反射和吸收,比如像墙、门等等也提供给大脑一个重要的位置信息,所有这些因素都需要被考虑,如果我们要完整地再现一个3D Audio 效果。不过要明白,这些效果有的是由人自己的结构所产生而另外的则由外部结构和环境所产生呢。

(1)由人体自身结构产生的效果

在1927年,一个叫做W•Bartlett Jones的人利用一个带有麦克风以及内耳通道的人头部模型来录音。当这个头被使用的时候,它的结构影响到了声音,用这种简单的方法,人自身的结构对声音的影响被纪录了下来。靠这种方法,当声音后来回放时,经由耳机让听众体验到非常逼真的3D声效。
  
虽然现在已经看不到这种技术的使用,但用人造头部模型来从事人对声音的反应方面的研究却依然在延续。除去了前面我们所说的IAD和ITD,我们要接触到的最核心的判断声音方位的技术是HRTF,简单说这就是个头部反应传送函数(Head-Response Transfer Function)。要具体点呢,可以分成几个主要的步骤来描述其功用。
  
第一步:制作一个头部模型并安装一支麦克风到耳膜的位置;

第二步:从固定的位置发出一些声音;

第三步:分析从麦克风中得到声音并得出被模型所改变的具体数据;

第四步:设计一个音频过滤器来模仿那个效果;

第五步:当你需要模仿某个位置所发出的声音的时候就使用上述过滤器来模仿即可。
  
  HRTF这个概念确实为我们实现对声音的定位带来了无限的好处,但实际生活中这个数据是变化多端的,毕竟每个人的头部和耳朵的大小形状都不完全相同。事实上,目前成功地设置HRTF都是一种提供给大多数人的近似值。这也就是为什么这里有这么多不同的技术来实现它的原因了。
  
(2)靠外部环境产生的效果

当一个声音被产生,听众首先听到直接传送过来的声波,很短的时间间隔以后,一些经过折射或反射的声波会又传入听众的耳膜。根据时间两者之间的响度差别等等数据给了我们关于声源距离的线索。当反射次数过多,大脑会把后到的信号和前面的处理信号当成两个不同的信号,这就是我们常遇到的回声效果了。
  
  这里有4种不同的方法可以混合回响成双声道效果。第一种方法是对每一个反射声源位置单独使用HRTF技术。比较不幸,这种效果的实现需要相当大的代价。第二种是平均多个位置的反射,然后得出一个相对位置,从这里应用HRTF技术。第三种方法是把反射放在一边不处理转而使用标准立体声或四声道混合技术来处理。第四种方法和前面的做法差不多,但只使用一个被平均的反射声源。现在应用最多的方法是第二种,这时候只使用在在两支音箱或耳机的系统中,而第三种则配合4声道或环绕立体声的状况。

3D音效定位的核心技术是HRTF,而ITD以及IAD等现象是我们能体会出声音方位感产生的原因。而环境效果比如反射、阻塞等也有重要的作用。在实际处理中,我们都需要在HRTF的基础上加入各种各样的环境处理过程来更真实体现实际效果。

3D音效技术介绍

随着Aureal和Creative先后推出了自己崭新的音效技术A3D及EAX,“3D Sound”也变得愈加火爆,现在就让我们来了解一下时下最热门的几种3D音效技术。

A3D技术

A3D是Aureal Semiconductor开发的一种崭新的互动3D定位音效技术,使用这一技术的软件(特别是游戏)可以根据软件中交互式的场境、声源变化而输出相应变化的音效,产生围绕听者的极其逼真的3D定位音效,带来真实的听觉体验,而这一切只需通过一对普通的音箱或耳机就能实现。

A3D技术具体包含两个部分:A3D Surround和A3D Interactive。A3D Surround这一技术在于“环绕”,它允许只用两只普通的音箱或一对耳机就能在环绕着听者的三维空间中精确地定位声源。A3D Surroun结合了诸如Dolby的ProLogic和AC-3这样的环绕声解码技术,环绕声解码器通过两个音箱创建一个由5组音频流环绕而成声场,即用两个音箱就能体验到Dolby的五音箱环绕效果,这一技术被杜比实验室授予了“Virtual Dolby”的认证。 A3D Interactive这一技术在于“互动”,它能为互动游戏及一些交互式的软件应用产生交互式的3D音效,营造出非常真实互动的3D听觉环境。

A3D 的关键技术是基于一个叫 HRTF(Head-Related Transfer Function)的理论。通过Vortex芯片内强大的HRTF过滤器处理后产生的音效,能使大脑精确定位声源的3D方位。A3D 中还首次采用了美国国家航空及太空总署(NASA)开发的声波追踪(Wavetracing algorithms)技术。

EAX

面对A3D的挑战,Creative Lab.这个曾建立“兼容Soundblaster”这一音频规范的业界霸主,拿出了自己的独家技术“环境音效(Environment Audio)”,环境音效是以创新的子公司E-mu为好莱坞开发的音频及效果技术为基础的一种专业音效技术,它凭借Soundblaster Live!/value的主芯片EMU10K1的强大声音处理能力,实时地实现声音的混响、变调、回声及延时等3D音效。即使是用麦克风输入的声音,也能实时地回放出经过环境音效处理后的声音。
  
环境音效扩展集EAX,是一套公开的应用程序接口(API),目的是让游戏和软件开发商在开发软件时,通过EAX利用E-mu的环境建模技术(Environmental Modeling Technology)在游戏中预置好不同场境的不同音效参数,如大厅、水下、房内等,在进行游戏时能方便地调用,辟如玩家在房内时,就会调用预置好的相应的环境音效参数使声音变得闭塞,而当玩家来到大厅时,声音又会变得空旷起来,从而实现逼真的环境音效。另外,对于支持A3D的游戏或软件,EAX还可以通过DirectX间接调用A3D,同样能实现逼真的互动音效。
  
环境音效的核心主要是通过调节混响(Reverb)、合声(Chorus)、原声(Original Sound)的音频参数以及利用多音箱辅助定位来构造3D空间的。所以对于一些不支持EAX的游戏或普通的软件、影片,玩家可以通过Live/Value自带的混音台(Mixer)来调节各项音频参数,使音效与软件的场景相匹配,也能达到极佳的效果。不过无论如何,像PcWorks 4.1这样的多音箱环绕系统都是必不可少的。

SRS

SRS(Sound Retrieval System 声音补偿系统)是SRS Labs Inc.推广的一种三维实感技术。SRS认为:普通立体声的聆听范围很小,听者须坐在与两音箱成等腰三角形的地方,而且即使是多音箱的环绕立体声,其每个音箱中放出的声音的各个音元也只是平面的,垂直面上的声音十分空洞。而经过SRS处理后的声音,其每个音元都是立体的,听者无论在何种角度都能听到极具三维感的声音。

SRS的核心同样是利用了HRTF。比起A3D和EAX,SRS出道较早,它广泛应用于电脑多媒体声卡、音箱以及家庭影院中。而且对软件无任何要求,只要经SRS声卡或SRS音箱回放出的声音都极具三维空间感,特别是若将SRS与上面的A3D、EAX或Dolby接合起来(如Live/MX300+SRS音箱),那效果真的只能用“震撼”二字来形容了。
  
总的来说,这三种音效各有所长:A3D胜在互动,EAX羸在音效,而SRS的声场宽广饱满,且能与其它3D音效相接合。
 

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