DMS動(dòng)聲錄音與效果制作技術(shù)的研究

靳聰，馬賽

(中國傳媒大學(xué)媒介音視頻教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024)

1 引言

為了還原聲場(chǎng)的真實(shí)狀態(tài)，使人們聽起來就像身處原來的聽音環(huán)境，放音通道經(jīng)歷了從單聲道到雙聲道到多聲道的發(fā)展歷程:自從1877年，瑪斯·愛迪生發(fā)明了滾桶式留聲機(jī)開始，就進(jìn)入了單聲道的錄音時(shí)代。盡管我們生活的環(huán)境中，隨時(shí)隨地都可從上下、左右、前后等各個(gè)不同的方向，感受到全方位的聲音世界，但由于受技術(shù)條件的制約，直到1958年，人們記錄和播放聲音方式，仍然以單聲道為主。最早期的聽音方式是單聲道，重建的聲源被看作一個(gè)點(diǎn)聲源。這種系統(tǒng)只能讓人們感受到非常有限的聲場(chǎng)信息，而不能反映聲源的二維方向性和空間的位置信息。傳統(tǒng)的立體聲由時(shí)間差(ITD)和強(qiáng)度差(IID)決定聲源在空間的定位［1］。在二維平面立體聲的重建過程中，通過時(shí)間差和強(qiáng)度差使聽音者感受到前方一定角度范圍內(nèi)的聲像信息［2］［3］。隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，多聲道系統(tǒng)逐漸發(fā)展成為4 聲道、5.1、7.1、9.1 環(huán)繞聲系統(tǒng)［4］。前方聲道數(shù)的增加極大地改善了聽音效果，最佳聽音位置也不只局限于“甜點(diǎn)”［5］［6］。為滿足 UHDTV 系統(tǒng)的需要，日本NHK廣播公司研制出了22.2多聲道環(huán)繞聲系統(tǒng)［7］。

中國傳媒大學(xué)媒介音視頻教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出基于聲場(chǎng)優(yōu)化原則與惠更斯原理的多聲道動(dòng)聲系統(tǒng)，即DMS系統(tǒng)(dynamic matrix sound system)(專利名稱:一種動(dòng)聲聲場(chǎng)系統(tǒng)。專利號(hào)ZL 2009 1 0031119.4)。該系統(tǒng)把有限的聲源信號(hào)與惠更斯原理中無限的二次波聲場(chǎng)相結(jié)合，形成了一個(gè)M輸入與N個(gè)輸出的聲場(chǎng)系統(tǒng)，以有限的聲源真實(shí)地再現(xiàn)原始聲場(chǎng)［8］。

隨機(jī)選取在校大學(xué)生調(diào)查顯示，大學(xué)生中100%聽過立體聲音樂，其中有約70%的人經(jīng)常聽。傳統(tǒng)立體聲是目前應(yīng)用最廣泛，影響最深遠(yuǎn)，普及面最廣的聽音方式。本文通過主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方式［9］［10］，對(duì) DMS 和傳統(tǒng)立體聲進(jìn)行對(duì)比研究［11］，從而得出兩者主觀感受方面的區(qū)別，得出大眾對(duì)DMS的認(rèn)可程度以及DMS的最佳應(yīng)用范圍。

目前，對(duì)聲場(chǎng)效果的研究主要集中于聲道轉(zhuǎn)換［12-15］技術(shù)和虛擬聲場(chǎng)［16-17］技術(shù)，然而對(duì)不同系統(tǒng)聲場(chǎng)的心理測(cè)試研究不夠全面，更缺乏嚴(yán)格的科學(xué)的主觀評(píng)價(jià)。本文完成了DMS多聲道與傳統(tǒng)立體聲的心理感受比較的研究。

2 錄音方法及原理概述

本次錄音采取主話筒、輔助話筒、環(huán)境話筒的近遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)合的DMS錄音方法。近場(chǎng)麥克風(fēng)指的是輔助話筒，主要拾取直達(dá)聲，加強(qiáng)樂隊(duì)的定位和音色的修飾;遠(yuǎn)場(chǎng)麥克風(fēng)指的是主話筒和環(huán)境話筒，主要拾取環(huán)境聲和反射聲，增加空間信息。

主話筒不同于傳統(tǒng)錄音，而是采用基于波束形成原理的5點(diǎn)麥克風(fēng)線陣列的拾音方式。主話筒往往有不同方式下的應(yīng)用，在通常的兩聲道和環(huán)繞聲錄音場(chǎng)合中主話筒的特征屬性是不一樣的。原理上，由于主話筒拾取到的是一部分直達(dá)聲和環(huán)境聲，因此主話筒應(yīng)該既有音源本身的聲像信息也有空間方向信息。

環(huán)境話筒拾取相應(yīng)的自然反射聲和混響聲，包括空間印象聲像和空間深度聲像。在音樂廳內(nèi)，深度或者距離感的主要信息來自早期和遲后反射聲及混響聲的延時(shí)和電平與直達(dá)聲的相對(duì)關(guān)系。直達(dá)聲給出的方向信息要比現(xiàn)場(chǎng)自然聆聽下的方向信息少，但是在聲源方向性上能夠給出較重要的定位信息，環(huán)境話筒拾取的聲音包含較少的距離信息，因此，空間深度聲像主要與反射聲相關(guān)而不是與直達(dá)聲的設(shè)計(jì)相關(guān)。輔助話筒的作用主要是增加對(duì)音源的定位和對(duì)音色的修飾，拾取的主要是音源的直達(dá)聲。

在不同的播放環(huán)境中，需要加入的混響與效果是不同的。然而在現(xiàn)有的系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)中無法實(shí)現(xiàn)這種選擇與控制。DMS系統(tǒng)采用分部與分軌的錄音方法，可以實(shí)現(xiàn)音源的高度隔離。DMS專業(yè)錄音棚的設(shè)計(jì)要求同聲錄制的分軌隔離度達(dá)到80分貝。中國傳媒大學(xué)媒介音視頻教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室裝備了我國第一套DMS專業(yè)錄音室，12個(gè)錄音通道可以實(shí)現(xiàn)同聲12聲道的錄制，聲道之間的隔離度可以達(dá)到80分貝。這個(gè)指標(biāo)是實(shí)現(xiàn)音源綜合的關(guān)鍵技術(shù)，用有限個(gè)音源的合成替代波前綜合方法所采用的眾多揚(yáng)聲器系統(tǒng)。DMS綜合聲場(chǎng)可以克服波前綜合方法所產(chǎn)生的相位敏感，錄音陣列的復(fù)雜度與邊緣效果等難以克服的問題。

3 錄音樂隊(duì)編制

錄音采用多軌分期double的方法，利用小型樂隊(duì)配置實(shí)現(xiàn)大型樂隊(duì)的效果。弦樂部分基本配置為一提8人、二提6人、中提4人、大提4人、貝斯2人，銅管部分為長號(hào)3人、小號(hào)3人、圓號(hào)4人，木管部分為長笛2人、單簧管2人、雙簧管2人、巴松2人，都是通過double的方法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)管弦樂團(tuán)的配置。合唱部分為8男8女，分成4個(gè)聲部演唱，double 3遍。定音鼓等打擊樂用MIDI制做。

4 錄音所用設(shè)備

話筒:DPA4009

U87

U89

SONY U800

話放:SSL super analogue channel

Studer 169

GML 8302

硬件效果器:GML Model 2030

Millenia TCL-2

Millenia NSEQ-2

Merging dua II

5 錄音話筒擺位圖

本次錄音采用分期分軌的錄音方法，按照標(biāo)準(zhǔn)的交響樂團(tuán)編排，話筒擺位如圖1所示。其中主話筒采用5只心形指向性的DPA4009，構(gòu)成5點(diǎn)麥克風(fēng)線陣列。距離樂隊(duì)2米，高度3米。環(huán)境話筒采用4只全指向性的U87，構(gòu)成有左前、右前、左后、右后四個(gè)方向的陣列。距離樂隊(duì)5米，高度5米。

圖1 錄音棚樂隊(duì)話筒擺位圖

6 后期混音及效果制作

DMS重放系統(tǒng)在分配聲道時(shí)，根據(jù)相關(guān)性的定義要求，相關(guān)性強(qiáng)的(例如直達(dá)聲)分配至前方聲道，相關(guān)性弱的(例如混響聲和反射聲)分配至后方和側(cè)方聲道。

為制作自然而且寬廣的聲場(chǎng)，本文采用分層式多聲道錄音陣列。五點(diǎn)線陣列中的話筒提供了不同方向的信號(hào)輸出。在錄音時(shí)要確保線陣列準(zhǔn)確的定位以做到能重現(xiàn)正確的前方聲像，在播放時(shí)，正面采集的聲場(chǎng)信息主要分配給前方聲道，使得音樂有良好的樂器均衡和聲音質(zhì)量。輔助點(diǎn)話筒拾取到的主要是直達(dá)聲，按照樂隊(duì)真實(shí)的擺位分配至前方聲道，從而重現(xiàn)出較好的臨場(chǎng)感和真實(shí)感，對(duì)立體聲拾不到的近場(chǎng)聲音與效果給以比較好的補(bǔ)償。環(huán)境聲場(chǎng)用的話筒陣列具有左、右、左后和右后四個(gè)聲道輸出，并分配至后方和側(cè)方的放音聲道，它們給出良好的寬廣空間感。這個(gè)陣列中話筒的最佳位置應(yīng)當(dāng)選擇直達(dá)聲盡量少而又能豐富地拾取到混響聲的地方。本次錄音是在錄音棚中進(jìn)行的，混響環(huán)境不好，因此可以在第三層上補(bǔ)充多聲道人工混響，即利用混響效果器通過調(diào)整一些參數(shù)，彌補(bǔ)環(huán)境話筒混響的不足。

在重放時(shí)，觀眾的視點(diǎn)在前方，主要的音樂成分設(shè)置于前方;具有空間信息的混響和間接聲重現(xiàn)于后方和四周。這個(gè)設(shè)計(jì)充分利用了給定的聲道數(shù)目重建出了實(shí)際錄音棚里樂隊(duì)的真實(shí)效果。

在DMS動(dòng)聲系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中共排布有30個(gè)揚(yáng)聲器，分為上下兩層排列在DMS電影廳實(shí)驗(yàn)室中，第一層共有17個(gè)揚(yáng)聲器，第二層共有13個(gè)揚(yáng)聲器。圖2所示為DMS系統(tǒng)平面布局圖，圖中清晰的顯示了30個(gè)音箱的擺放位置及聲道數(shù)目情況。

我們根據(jù)以上理論分配聲道。首先將輔助話筒拾取到的每個(gè)聲部根據(jù)其在樂隊(duì)中的位置加以一定量的延時(shí)、混響，分配至1-12聲道。其中弦樂組離聽音者最近，管樂組經(jīng)過一定延時(shí)處理分配至3、4、7、8聲道，獨(dú)唱通過均衡、壓縮處理分配至5、6聲道。合唱組經(jīng)延時(shí)、混響處理分配至1-8，13-17聲道。主話筒5點(diǎn)線陣列分配至18-22聲道。環(huán)境話筒分配至23-30聲道。

圖2 DMS系統(tǒng)平面布局圖

7 主觀評(píng)價(jià)

7.1 音頻信號(hào)的選取

(1)DMS系統(tǒng)播放的音頻信號(hào)

DMS系統(tǒng)播放的音頻信號(hào)是利用DMS錄音方法在錄音棚里錄制并按照DMS的后期制作方法制作成的30聲道的民歌《大中原》，總時(shí)長5分32秒。

(2)立體聲系統(tǒng)播放的音頻信號(hào)

立體聲的音頻信號(hào)制作是在制作完的DMS系統(tǒng)的音頻信號(hào)基礎(chǔ)上完成的。將整首曲目分成5小段，每小段都是30個(gè)聲道的音頻文件，將其按照?qǐng)D3的聲道間的比例關(guān)系計(jì)算并分配到立體聲的左、右兩個(gè)聲道上，便形成了5段1分鐘的立體聲系統(tǒng)播放的音頻信號(hào)。立體聲系統(tǒng)播放的音頻信號(hào)與DMS系統(tǒng)在名稱、內(nèi)容、特點(diǎn)、時(shí)長上保持完全一致。

圖3 實(shí)驗(yàn)室音響布局球形圖

7.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本次實(shí)驗(yàn)在中國傳媒大學(xué)綜合樓8層的媒介音視頻教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的DMS動(dòng)聲系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。該系統(tǒng)的平面布局圖如圖2所示。根據(jù)揚(yáng)聲器之間的距離及空間位置，通過角度的計(jì)算，得出實(shí)驗(yàn)室音響布局球形圖，如圖3所示:

同時(shí)利用DMS動(dòng)聲系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)雙聲道立體聲的播放，即選擇低層的3、8兩個(gè)聲道放音，其他28個(gè)聲道靜音。沙發(fā)位置是DMS系統(tǒng)和立體聲系統(tǒng)的最佳聽音位置。

7.3 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)的基本思路為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，即隨機(jī)用DMS系統(tǒng)和立體聲系統(tǒng)播放同一段音頻信號(hào)，由受試者進(jìn)行打分。實(shí)驗(yàn)流程如圖4所示:

圖4 實(shí)驗(yàn)流程圖

本次實(shí)驗(yàn)共有被試者21人，分別為8名男性，13名女性，年齡在20-30歲之間，聽力狀況良好。在被試者中共有18人有音樂基礎(chǔ)，3人無音樂基礎(chǔ)。

由于實(shí)驗(yàn)室座位數(shù)量的限制，本實(shí)驗(yàn)共分為三次進(jìn)行。第一次實(shí)驗(yàn)8人，音頻信號(hào)的播放順序?yàn)锳1(立體聲)-A1(DMS)-A2(立體聲)-A2(DMS)-A3(立體聲聲)-A3(DMS)-A4(立體聲)-A4(DMS)-A5(立體聲)-A5(DMS)，用時(shí)10分鐘。第二次實(shí)驗(yàn)6人，音頻信號(hào)的播放順序?yàn)锳1(DMS播放)-A2(立體聲播放)-A1(立體聲)-A2(DMS)-A3(立體聲)-A4(立體聲)-A5(DMS)-A4(DMS)-A3(DMS)-A5(立體聲)，用時(shí)10分鐘。第三次實(shí)驗(yàn)7人，音頻的播放順序?yàn)锳1(DMS)-A1(立體聲)-A2(DMS)-A2(立體聲)-A3(DMS)-A3(立體聲)-A4(立體聲)-A4(DMS)-A5(立體聲)-A5(DMS)，用時(shí)10分鐘。用三種不同的順序播放，可以防止受試者產(chǎn)生主觀評(píng)價(jià)的慣性和刻板印象，能夠獲得更加準(zhǔn)確和科學(xué)結(jié)果。每段音頻信號(hào)之間間隔5秒鐘，從而對(duì)每段音頻的播放做了區(qū)分，讓被試者有充分的時(shí)間進(jìn)行打分，也保證了受試者的合理聽音狀態(tài)。

7.4 評(píng)價(jià)方法——語義細(xì)分法

對(duì)音質(zhì)而言，人的主觀感受是多方面的，音質(zhì)的好壞也可以分為多方面的評(píng)價(jià)指標(biāo)［10］。在本次實(shí)驗(yàn)中，一共選擇了14個(gè)音質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的含義如下所述:

響度:即直達(dá)聲和混響聲的響度，對(duì)被試者而言是聽到音頻聲音的大小。

清晰度:聲音干凈清楚，從中可以辨認(rèn)出每種聲音音色。播放音效時(shí)，能辨認(rèn)是何種聲源發(fā)聲。播放音樂時(shí)，能辨認(rèn)每個(gè)樂器的音色，聽清每個(gè)音符。

明亮度:指中高音的聽音感覺，音頻中高頻成分豐富，重放聲明亮，反之昏暗。

低音感:即低音的聽音感受，低音是否豐滿動(dòng)聽，低音表現(xiàn)的是否好。

豐滿度:聲音是否豐滿動(dòng)聽，高中低音表現(xiàn)是否適度，聽感是否溫暖、舒適、有彈性。

平衡感:音頻信號(hào)的各部分比例和諧，各聲道的一致性好，音頻信號(hào)的整體聲音效果是否協(xié)調(diào)。

空間感:受試者被充滿聲音的空間包圍，聲像方位基本準(zhǔn)確。

寬度:聲音在空間的橫向表現(xiàn)上是否寬闊，主觀感覺聲音表現(xiàn)范圍寬。

深度:聲音在空間的縱向表現(xiàn)上是否有縱深感，主觀感覺聲音表現(xiàn)范圍較深。

臨場(chǎng)感:聽眾聽到聲音是否有身臨其境的感覺。

力度:聲音堅(jiān)實(shí)有力，反應(yīng)聲源的動(dòng)態(tài)，反之單薄，干癟。

真實(shí)感:聽到的聲音是不是和真實(shí)聲源發(fā)聲相同。

動(dòng)感:聲音的動(dòng)態(tài)效果是否好。

整體感:對(duì)這種聲音系統(tǒng)播放聲音的整體感覺［11］。

語義細(xì)分法是一種多元尺度的分析方法。語義分析法是運(yùn)用語義區(qū)分量表來研究事物的意義的一種方法。它是由美國心理學(xué)家奧斯古德和其同事所創(chuàng)立的。該方法以紙筆形式進(jìn)行，要求被試在若干個(gè)七點(diǎn)等級(jí)的語義量表上對(duì)某一事物或概念(如汽車、鄰居)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以了解該事物或概念在各被評(píng)維度上的意義和強(qiáng)度。等級(jí)序列的兩個(gè)端點(diǎn)通常是意義相反的形容詞，如誠實(shí)與不誠實(shí)、強(qiáng)與弱、重要與不重要。本實(shí)驗(yàn)采用語義細(xì)分法來獲得對(duì)DMS動(dòng)聲系統(tǒng)和立體聲系統(tǒng)的多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)心理尺度。實(shí)驗(yàn)選擇了14個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此共有14對(duì)語義對(duì)，語義對(duì)及分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，被試者根據(jù)表格所示的內(nèi)容進(jìn)行打分。例如，為了評(píng)價(jià)清晰度，有清晰與模糊這對(duì)語義相反的語義對(duì)，在清晰與模糊之間有7個(gè)層次的分?jǐn)?shù)，含義不同。1代表極度清晰，2代表非常清晰，3代表比較清晰，4代表既不清晰也不模糊，清晰度適中，5代表比較模糊，6代表非常模糊，7代表極度模糊［12］。

表1 語義細(xì)分法評(píng)價(jià)指標(biāo)

7.5 語義細(xì)分法的結(jié)果

DMS系統(tǒng)的14個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的平均值與立體聲的14個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的平均值的對(duì)比結(jié)果如圖5所示:

圖5 立體聲與DMS對(duì)比結(jié)果

7.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在折線圖中，根據(jù)DMS與立體聲的總體對(duì)比結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)除了響度這一評(píng)價(jià)指標(biāo)以外，DMS系統(tǒng)在各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)上都明顯優(yōu)于立體聲系統(tǒng)，尤其是空間感、臨場(chǎng)感、深度、動(dòng)感四項(xiàng)指標(biāo)上差距較大。說明與傳統(tǒng)立體聲相比，DMS系統(tǒng)確實(shí)能夠給聽眾提供一個(gè)更加開闊、更具動(dòng)感、更加真實(shí)的聽音感受。由于采用了DMS音源綜合與聲場(chǎng)綜合的方法，DMS系統(tǒng)采用的聲道數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波前綜合法所需要的眾多播放聲道。

綜上所述，通過語義細(xì)分法本文驗(yàn)證了DMS動(dòng)聲系統(tǒng)音質(zhì)水平全面高于傳統(tǒng)立體聲系統(tǒng)，聲音表現(xiàn)力較強(qiáng)，能給聽眾帶來動(dòng)態(tài)主觀感受。其次，DMS動(dòng)聲系統(tǒng)更適合于播放內(nèi)容豐富且具有空間動(dòng)態(tài)特點(diǎn)的音頻。DMS可以應(yīng)用于還原音樂廳的現(xiàn)場(chǎng)演出效果，將多種樂器的演奏逼真再現(xiàn)，使聽眾仿佛置身交響樂隊(duì)中間;還可以應(yīng)用于電影院中，生動(dòng)呈現(xiàn)人聲、音樂、音效，給人身臨其境的享受。最后，為了拓展DMS系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，讓更多的聽眾享受DMS動(dòng)聲系統(tǒng)，給他們帶來更完美的聽音感受，未來還要考慮性別、年齡、喜好等因素對(duì)于聲音系統(tǒng)的影響，展開融合心理學(xué)、行為學(xué)、藝術(shù)學(xué)等多種學(xué)科的深入研究。

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