虛擬環(huán)繞聲系統(tǒng)簡述

石慧

摘 要：本文簡要敘述了虛擬環(huán)繞聲技術(shù)的原理及虛擬環(huán)繞聲系統(tǒng)在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用，通過比較環(huán)繞聲系統(tǒng)及舉例現(xiàn)有虛擬環(huán)繞聲系統(tǒng)，分析闡述虛擬環(huán)繞聲系統(tǒng)的優(yōu)缺點及發(fā)展?jié)摿Α?/p>

關(guān)鍵詞：虛擬環(huán)繞聲;空間感;音效

虛擬環(huán)繞聲技術(shù)，是基于心理聲學和人耳的生理聽覺特性等知識，利用計算機技術(shù)等高科技手段從聲源信號中提取空間信息并予以增強，使聽者可以獲得類似環(huán)繞聲的沉浸式效果。

虛擬環(huán)繞聲系統(tǒng)需要模擬人耳的綜合聽音因素，通過重放雙聲道信號以達到虛擬多聲道信號，重現(xiàn)環(huán)繞聲體驗的目的。環(huán)繞聲是人耳的聽覺對聲源在空間位置的全空間立體感知，環(huán)繞聲系統(tǒng)旨在營建出一個使人可以產(chǎn)生空間感、方位感和包圍感的聲場，。為虛擬出較接近環(huán)繞聲的聲場效果，我們需要盡可能捕捉并重現(xiàn)聲音信號的空間信息。為達成這一目的，我們應(yīng)基于聽覺生理學、心理聲學和室內(nèi)聲學等理論，利用頭相關(guān)傳遞函數(shù)（HRTF）及其在時域中相對應(yīng)的頭相關(guān)沖激函數(shù)（HRIR）等音效定位算法。人耳的聽覺特性表明，人耳對聲音的響度、音調(diào)、音色等因素有靈敏的感知能力，依靠雙耳效應(yīng)，由雙耳時間差、雙耳聲級差可判斷聲音方位;根據(jù)耳廓效應(yīng)，聲音經(jīng)由耳廓反射后進入耳道，在這個傳輸過程中，聲音在時間和音量方面會存在差異，由此聽者可對聲場進行定位。且人耳的聲音定位能力受頻率濾波效應(yīng)影響，對高中低頻的聲音定位依據(jù)不同，我們亦可以據(jù)此原理對聲音進行分析處理。除此之外，在聲音的傳送過程中，會有人的軀干的衍射和反射，聲場直達聲和反射聲等多方面因素的影響，聲音信號從聲源至鼓膜處的傳播過程，可看做是激勵通過了濾波器后在鼓膜處引起的響應(yīng)，這個濾波特性我們可以用頭部相關(guān)聯(lián)沖激響應(yīng)（HRIR）及其在時域中相對應(yīng)的頭部相關(guān)聯(lián)傳遞函數(shù)（HRTF）表示，運用這個濾波矩陣分析出聲源和雙耳信號的差別，并將此處理技術(shù)應(yīng)用到虛擬環(huán)繞聲系統(tǒng)中。然而HRTF是個人化的，就如何還原該的空間函數(shù)并推廣給大眾使用仍有待研究。綜上所述，我們便實現(xiàn)了對空間的方向和距離定位，由此為基礎(chǔ)，虛擬環(huán)繞聲系統(tǒng)得以成為現(xiàn)實。常見的虛擬環(huán)繞聲有虛擬杜比環(huán)繞聲、SRS音效處理及ASR環(huán)繞聲技術(shù)。

不同于市面上常見的5.1環(huán)繞聲和7.1環(huán)繞聲，虛擬環(huán)繞聲的最大特點就是用兩個揚聲器表現(xiàn)多聲道的音效，擺脫了環(huán)繞聲在空間及設(shè)備的限制，同時也降低了成本，這使得隨時隨地獲得環(huán)繞聲的體驗成為可能。目前，我們可以將虛擬環(huán)繞聲的重放歸于兩種方式：揚聲器重放和耳機重放。關(guān)于揚聲器的虛擬環(huán)繞聲重放系統(tǒng)，我們以熱銷的電視伴侶回音壁（Soundbar）為例進行說明。Soundbar多用于彌補電視越來越薄所引起的音質(zhì)不高的問題，相較于傳統(tǒng)家庭影院的環(huán)繞聲系統(tǒng)，它的體積更小，安裝更便利且專業(yè)要求度不高，因此Soundbar在市場中頗受青睞。Soundbar在左中右有三個內(nèi)置揚聲器單元，可以對聲音的傳達方向加以調(diào)控，利用虛擬環(huán)繞聲技術(shù)形成較逼真的環(huán)繞聲音效。同時，Soundbar可與電視的多功能性相結(jié)合，使聽者根據(jù)電視應(yīng)用的不同方面，享受到電影、游戲、音樂等多種聲場音效，獲得較為豐富的使用體驗。缺點在于，利用反射的虛擬環(huán)繞聲系統(tǒng)對室內(nèi)的聲學環(huán)境要求高，房間的封閉與否更是嚴重影響著環(huán)繞聲效果，受條件制約有時還需要用聲音反射板彌補欠缺，這可能會比環(huán)繞聲系統(tǒng)更為繁瑣。且人在聽音的同時，不會一直保持靜止，其身體會有一些動作，這也會對環(huán)繞聲音效造成影響。就這一點來說，耳機重放的形式會更具優(yōu)勢。耳機的特點在于體積小、輕便且易攜帶，可以不受環(huán)境的約束隨時隨地使用，實用性極強。但另一方面，利用耳機重放，聲音可以直接傳入人耳而無需環(huán)境的反射且不經(jīng)過人頭和耳廓，這樣一來就沒有頭相關(guān)函數(shù)和耳廓效應(yīng)的影響，聲音的空間感及人耳對聲音的定位能力會降低。為了彌補耳機的特點所造成的缺陷，我們需要對聲音信號進行人為處理。除去影視、音樂等，此技術(shù)還可以應(yīng)用于各類游戲中，讓隨時隨地，快捷便利的高質(zhì)量音效體驗成為可能，使虛擬環(huán)繞聲技術(shù)其更貼近人們的生活。

綜上所述，虛擬環(huán)繞聲系統(tǒng)的發(fā)展前景是極為可觀的。虛擬環(huán)繞聲技術(shù)以其自便于攜帶、安裝便利且成本低的特性受到人們的關(guān)注，較環(huán)繞聲系統(tǒng)的使用范圍更大且更適合于社會的各個階層人群用作各類用途。同時，它在聽覺和心理聲學、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、通信技術(shù)及游戲娛樂等領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用價值，非常值得深入研究。其缺點在于，虛擬環(huán)繞聲系統(tǒng)只是近似營造了環(huán)繞聲的空間效果，與真正的環(huán)繞聲系統(tǒng)仍是不同的，其還原度較之于環(huán)繞聲依舊有不小的差距，且揚聲器重放的方式受環(huán)境影響大，而耳機重放方式仍需要發(fā)展較前沿的數(shù)字信號處理技術(shù)相輔且應(yīng)有相匹配的聲源。虛擬環(huán)繞聲技術(shù)的研究涉及科學多，如：聲學，心理聲學，計算機科學，物理學等，范疇大，難題多，如何改進虛擬環(huán)繞聲技術(shù)，使其更具實用性，滿足人們?nèi)粘Ｉ畹穆牳行枨?，仍需我們?nèi)蘸蟮牟恍秆芯颗c努力。

參考文獻：

[1]唐蕓.空間聽覺模型中的HRIR基向量提取方法研究[D]南京：東南大學，2005.3：5-7

[2]喚醒聲活.Starloop教科書式回答：虛擬環(huán)繞聲和真5.1/7.1的區(qū)別[J/OL] http：//www.sohu.com/a/224720842_100094423，2018-03-02

[3]帶你找到真正的身臨其境！三款旗艦Soundbar深度對比體驗[J/OL]http：//www.cheari.com/newsdetail.html？id=126118，2018-09-07

[4]張志明.簡評VR/AR兩大3D虛擬環(huán)繞聲技術(shù)[J/OL]http：//www.cnki.net，2016-05-01

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