淺析虛擬揚聲器技術

羅 穎

（廣州廣播電視臺 制作部，廣東 廣州 510010）

隨著現(xiàn)代視聽技術的飛速發(fā)展, 大眾化的視聽娛樂產(chǎn)品從無到有，已經(jīng)普及到人們的生活中，其價格和成本還在不斷下降。這些產(chǎn)品豐富了大眾的文化生活，大眾也對視聽娛樂有了更多的要求，尤其是不再滿足于傳統(tǒng)雙聲道立體聲系統(tǒng)所呈現(xiàn)的二維的空間特性，轉而尋求環(huán)繞聲系統(tǒng)所展現(xiàn)的豐富的三維信息。盡管多聲道環(huán)繞聲系統(tǒng)的出現(xiàn)有效地解決了這一問題，但這種系統(tǒng)需要特制的節(jié)目源，需要較多的重發(fā)通路（揚聲器），對聽音環(huán)境的要求嚴格，它的應用受到了限制。因而，業(yè)界提出了采用聽覺傳輸技術中的虛擬聲源的方法，通過HRTF（Head-Response Transfer Function，頭部反應傳遞函數(shù)），利用一對前方揚聲器系統(tǒng)虛擬出多通路聲系統(tǒng)的多個揚聲器，從而實現(xiàn)多通路聲的兩揚聲器系統(tǒng)虛擬重發(fā)。類似的原理也可用于多通路聲的耳機重發(fā)中。而虛擬揚聲器技術的實質(zhì)就是用兩揚聲器系統(tǒng)來虛擬某個空間位置上的聲源或揚聲器系統(tǒng)。

1 雙耳信號的產(chǎn)生

圖1是簡單的對空間聲源定位的數(shù)學模型。圖1a是空間聲源到人耳的傳輸示意圖，TL、TR分別是傳輸途徑上的上的左、右HRTF；圖1b是其聲學系統(tǒng)（信號處理與傳輸途經(jīng)）的簡易模型，HL、HR分別對應于左、右耳的頭部相關函數(shù)，DL、DR是最終到達人耳的信號。若要在大腦中獲得聲源S的正確的“像”，圖1b中的HL、HR與圖1a中的HRTF（TL、TR）應該會具有線性對應關系，即：

2 串音消除

選擇使用立體聲揚聲器系統(tǒng)作為實現(xiàn)虛擬環(huán)繞聲的重放設備，由于每一個揚聲器的信號會同時傳到兩只耳朵中，左右聲信號會互相干擾，逆變換路徑需要求一個2×2矩陣的逆，稱其為串音消除器；因為其要消除傳到另一側耳朵的串音。為了使用立體揚聲器來播放雙耳聲信號，必須使用一個2×2傳遞函數(shù)矩陣對雙耳聲信號進行濾波，此時回放系統(tǒng)如圖2所示。

圖中，y = cx

其中，y為雙耳聲信號，C為串音消除器。因為主要討論串音消除器的不同實現(xiàn)，選取x和y作為輸入與輸出信號。圖3為標準的雙聲道聽音示意圖。

雙耳處的信號與揚聲器信號的關系如下：

e = Ay

其中，e為耳朵處的信號， A為從揚聲器到人的兩耳的聲學傳遞矩陣，y是揚聲器信號。假設耳朵處的信號是用一個位于耳廓內(nèi)部的理想傳感器測量的，所有的方向信息都反映其中。方程 Axy給出了從揚聲器x到耳朵y的傳遞函數(shù)，包含有揚聲器的頻率響應，空氣中的傳輸方向和頭部的響應。A可以分解如下：

A = HS

H是一個HRTF矩陣，其中 Hxy給出了從揚聲器位置到人耳的HRTF，S是揚聲器與空氣的傳輸矩陣，是一個對角矩陣。Sx是揚聲器x的頻率響應，Ax表示信號右揚聲器x傳到人頭中心處的傳遞函數(shù)（假頭模型已經(jīng)拿掉）。矩陣A假設每個揚聲器的Sx對于兩個耳朵的影響是一樣的。

為了精確地將雙耳聲信號傳到雙耳中，要求串音消除器C必須是A的逆。

1/Sx為揚聲器頻率響應的逆，1/Ax為空氣傳播頻率響應的逆。在實際應用中，假如聽音距離兩只高品質(zhì)揚聲器系統(tǒng)距離相同的話，這一部分可以被略去。然而，假如聽音者偏離了中軸線，那么，就應該把較近的那一只揚聲器系統(tǒng)的信號進行適當?shù)匮訒r與衰減，使兩信號同時到達雙耳，且具有相當?shù)膹姸取?/p>

在實時實現(xiàn)時，往往將串音消除器疊加上足夠的延遲，以形成一個因果系統(tǒng)：

式中，所需的延遲數(shù)m取決于具體的實現(xiàn)方式。為了簡化討論，略去了模型的延遲和用于揚聲器均衡的，只考慮。因此有，圖4為串音抵消示意圖。

3 應用實例

虛擬揚聲器技術在虛擬環(huán)繞聲中的應用，實際就是借助兩只實際存在的揚聲器系統(tǒng)來虛擬5只環(huán)繞聲音箱中央聲道聲源和左右環(huán)繞聲道聲源。由上文可知，對音源C、L、R、LS、RS的虛擬可分為兩步：雙耳聲合成以及串音消除。首先使用與L、R、C、LS、RS揚聲器系統(tǒng)位置相對應的HRTF對音源信號進行濾波，完成雙耳聲合成；然后將輸出信號按左、右聲道進行疊加并將疊加的信號送至串音消除器；串音消除器的輸出與其他兩路信號相加之后，就可以分別送至左右揚聲器系統(tǒng)，虛擬出原揚聲器系統(tǒng)產(chǎn)生的雙耳聲壓，使聲像得到擴展，得到和原來相同的重放效果。

將濾波的過程稱為雙耳聲合成，稱濾波后的信號為雙耳聲信號。雙耳聲合成可表示為：

X = hx

雙耳聲信號也可以是多個不同位置輸入信號的和：

其中，hi是對應于音源xi的HRTF向量。

圖5顯示了多個音源的雙耳聲合成的實現(xiàn)。圖中可見，通過虛擬揚聲器技術，當L、R的實際位置與虛擬5.1聲道揚聲器系統(tǒng)中的位置相同的時候，可以將多聲道環(huán)繞聲信號通過一對音箱，分別虛擬出Vc、VSL、VSR。

3.1 SRS TruSurround技術

美國的SRS實驗室是對兩聲道3D環(huán)繞聲的研究和開發(fā)最多的公司之一，繼SRS的3D技術后，為適應多聲道日趨流行的新形勢，該實驗室又推出了SRS TruSurround——一種真正的虛擬環(huán)繞聲技術，并在1997年2月得到杜比公司的認證許可。

3.1.1 原理

SRS TruSurround是SRS 3D的后續(xù)產(chǎn)品，為了彌補SRS 3D始終不能完全重放多聲道系統(tǒng)的不足，SRS實驗室針對兩聲道重現(xiàn)多聲道環(huán)繞聲的虛擬技術進行了研究，開發(fā)出了SRS TruSurround系統(tǒng)，采用更加優(yōu)化的HRTF運算技術來模擬真實的多聲道環(huán)繞聲。它的回路備有6個輸入端子和2個輸出端子。輸入的信號來自杜比數(shù)字和DTS等環(huán)繞聲處理器的分離5.1聲道信號。它可使兩聲道重現(xiàn)酷似多聲道環(huán)繞聲的音響效果，對多聲道編碼的軟件的重放效果明顯優(yōu)于SRS 3D。它將解碼器輸出的多聲道信號經(jīng)過混合、處理，再以兩聲道輸出，保留了原聲道的所有音頻信息，以形成附加幻覺聲源的方式，為聆聽者制造出豐富的環(huán)繞聲場。這種技術與3D技術最大的區(qū)別就在于它不是為兩聲道系統(tǒng)開發(fā)的，而是直接為多聲道系統(tǒng)（杜比定向邏輯、杜比AC-3）開發(fā)的重放系統(tǒng)。SRS TruSurround特別適用于家庭影院、DVD影碟機、DVD-ROM光盤、多媒體電腦、MPEG-2等。Sony 的等離子電視機KZ-42TS1、東芝數(shù)字電視36D2500 BS，AV業(yè)界的馬蘭士、先鋒、金嗓子等品牌的產(chǎn)品中都采用了SRS TruSurround技術。

3.1.2 特點

聲場用杜比數(shù)碼AC-3環(huán)繞聲系統(tǒng)進行6個聲道的音箱重放時，音箱的擺位和聽者的位置非常重要，只有在一定的有限空間才能體現(xiàn)到良好的環(huán)繞聲效果。使用SRS 3D時，由于其只對兩聲道進行處理，處理的音頻中缺少環(huán)繞聲信號，雖經(jīng)SRS 3D處理，來自身后的幻覺聲源仍不多，它創(chuàng)造的幻覺聲源主要來自側方，它的聲場可達180°。使用SRS TruSurround虛擬環(huán)繞聲技術處理的兩揚聲器系統(tǒng)重放系統(tǒng)的聲場分布如圖6所示。由于在周圍空間形成了一系列幻覺聲源，聲音猶如來自四面八方，據(jù)介紹其聲場分布可達360°，聽者最佳位置為揚聲器系統(tǒng)距離的75%。

3.1.3 兼容性

SRS TruSurround虛擬環(huán)繞聲技術是處理多聲道系統(tǒng)的，它具有很好的兼容性，既可以處理杜比數(shù)碼AC-3環(huán)繞聲，也可以處理軟件最多的杜比定向邏輯環(huán)繞聲，還可以與DTS、MPEG-2兼容。

3.2 QSurroundTM技術

加拿大QSOUND實驗室的QSurroundTM技術是當前流行的虛擬環(huán)繞聲方案中較好的一種，QSurround系列三維虛擬聲音產(chǎn)品包括：QSurround HDTM, 專為立體聲喇叭系統(tǒng)設計的多聲道虛擬環(huán)；QSurround 5.1TM, 用于多揚聲器系統(tǒng)的多聲道虛擬環(huán)繞，揚聲器系統(tǒng)可以是傳統(tǒng)放置或前置式放置；QSound HeadphonesTM，用于耳機的多聲道虛擬環(huán)繞，使用了特殊的用于頭戴式耳機（模擬周圍環(huán)境情況下）的HRTF算法，其核心是基于聽音測試得出的QSurroundTM虛擬算法。采用QSurroundTM虛擬算法進行虛擬環(huán)繞聲處理的典型IC結構框圖如圖7所示。

QSurroundTM技術的原理是：內(nèi)置的多通道解碼器首先將帶杜比環(huán)繞聲編碼的音頻信號解碼成左、右、中置、后左環(huán)繞及后右環(huán)繞聲道等多路信號。在虛擬（幻像）模式下，用QSurroundTM虛擬算法分別將左、右及后左環(huán)繞、后右環(huán)繞聲道分別進行虛擬處理，再與中置聲道混合疊加，使兩只前置揚聲器系統(tǒng)在兩耳處產(chǎn)生與杜比多聲道重放系統(tǒng)完全相同的聲波狀態(tài)，從而還原出杜比編碼信號中的所有聲音空間信息。QSurroundTM技術使進入人耳的聲音符合人的雙耳效應和耳廓效應，采用HRTF原理還可補償話筒頻率響應與人耳聽覺系統(tǒng)之間的差異，進而實現(xiàn)僅用雙聲道音響系統(tǒng)便可產(chǎn)生與多聲道杜比環(huán)繞聲系統(tǒng)一致的環(huán)繞聲場。圖7可見，在真實模式下，對應于多個音箱的情況，QSurroundTM技術將主聲道及環(huán)繞聲道信號處理后，直接輸入各自的音箱，可改善環(huán)繞聲的效果，擴大聽音位置。目前，世界上有許多知名企業(yè)都采用QSurroundTM技術，如SHARP、AIWA、YAMAHA、MOTOROLA、ESS、AKM、IBM、MICROSOFT等等。應用的產(chǎn)品有DVD、TV、VCR、AV功放、便攜式電腦，INTERNET網(wǎng)絡音頻軟件等。

虛擬揚聲器技術通過兩聲道揚聲器系統(tǒng)營造出立體聲乃至多聲道揚聲器系統(tǒng)的音效，是可應用于數(shù)字電視、立體聲迷你音響、電視游戲機、電腦及其他影音產(chǎn)品的理想技術；它可替代在數(shù)量和設置上均顯冗繁的多聲道揚聲器系統(tǒng)，給大眾帶來新的聽覺體驗。