淺析MS Shuffler立體聲格式轉(zhuǎn)換技術(shù)在立體聲處理中的應(yīng)用

李哲川，魏增來(lái)

（中國(guó)傳媒大學(xué)，北京 100024）

早期錄音技術(shù)是以單聲道的形式進(jìn)行錄音和重放的，隨后立體聲和環(huán)繞聲技術(shù)才得以發(fā)展。今天廣泛應(yīng)用的雙聲道立體聲來(lái)自于Alen Blumlein和他的EMI同事在19世紀(jì)30年代的開(kāi)創(chuàng)性工作成果。Alen Blunlein最初的立體聲系統(tǒng)也被稱(chēng)為“強(qiáng)度立體聲”。MS作為一種重要的強(qiáng)度立體聲錄音制式，有其特殊的應(yīng)用價(jià)值，基于MS Shuffler原理，各音頻插件廠家研發(fā)了一批用于立體聲格式轉(zhuǎn)換的數(shù)字音頻插件，但對(duì)于這些插件的具體應(yīng)用研究較少，筆者希望借此文對(duì)這些數(shù)字音頻插件的應(yīng)用進(jìn)行較為全面的分析。

1 MS立體聲拾音制式概述

MS拾音制式是一種基于強(qiáng)度差的拾音制式[1]。這種制式由Alen Blumlein于19世紀(jì)30年代發(fā)明，并廣泛應(yīng)用到了立體聲錄音中。

MS拾音制式中的M指Middle，代表指向聲場(chǎng)中央的傳聲器。S指Side，代表指向聲場(chǎng)兩側(cè)的傳聲器。字母M也可以代表Mono（單聲道）信號(hào)，字母S也可以代表Stereo（立體聲）信號(hào)。

MS拾音制式中的M通常使用1支心形指向傳聲器，當(dāng)然也可以選擇其他的指向，但以心形指向居多，S使用1支雙指向（8字型）傳聲器。其中，心形傳聲器（M）指向聲場(chǎng)的中央，雙指向形傳聲器（S）指向擬錄制的聲源兩側(cè)，如圖1所示。

MS立體聲拾音制式由三路原始拾音信號(hào)構(gòu)成，其中，M傳聲器提供一路信號(hào)，記為M；S傳聲器所拾取的兩側(cè)信號(hào)則分別提供兩路信號(hào)，其強(qiáng)度相同，但相位完全相反，分別記為+S及-S。最終合成雙聲道立體聲時(shí)，三路信號(hào)的關(guān)系可以表示為：

在實(shí)際工作中，MS制式的立體聲聲場(chǎng)寬度是由S信號(hào)決定的。S信號(hào)輸出越大，則主觀聽(tīng)感上聲場(chǎng)就越寬，S信號(hào)輸出越少，聲場(chǎng)寬度就越窄。在合成為單聲道信號(hào)時(shí)，單聲道信號(hào)為2M，即（M+S）+（M-S）=2M，因?yàn)槠渥笥覂蓚?cè)的S信號(hào)會(huì)相互抵消，只保留M信號(hào)，所以，其單聲道兼容性非常好。在實(shí)際工作中，錄音師如果采用單獨(dú)的M和S傳聲器，可以通過(guò)Y型導(dǎo)線(xiàn)將雙指向形傳聲器（S）的信號(hào)分別送至調(diào)音臺(tái)的兩條通道上，并將其中的一條做反相處理，從而得到-S信號(hào)。

2 立體聲格式轉(zhuǎn)換技術(shù)及MS矩陣

MS Shuffler的基本思想可以追溯到Alen Blumlein在1931年所提出的相關(guān)學(xué)術(shù)觀點(diǎn)上。Alen Blumlein認(rèn)為立體聲不僅是左右揚(yáng)聲器信號(hào)，還是和信號(hào)（M=L+R）和差信號(hào)（S=L-R）的關(guān)系。字母M和S分別代表“中間”和“側(cè)”信號(hào)，即M是包含立體聲中間信息的信號(hào)，而S是包含立體聲側(cè)邊信息的信號(hào)。1954年，丹麥工程師Holger Lauridsen 在此基礎(chǔ)上發(fā)明了基于MS Shuffler原理的立體聲格式轉(zhuǎn)換技術(shù)，作為他對(duì)空間音頻無(wú)線(xiàn)電傳輸和播放再現(xiàn)研究的一部分，現(xiàn)代廣播廣泛應(yīng)用了這項(xiàng)技術(shù)，即把M和S信號(hào)加載在不同的波段上，在最終的播放端解調(diào)為單聲道或立體聲信號(hào)。隨后，Michael Gerzon對(duì)這種技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了進(jìn)一步延伸，他在左右聲道信號(hào)轉(zhuǎn)換到中、側(cè)信號(hào)后，加入了圖示均衡器，以便對(duì)聲音進(jìn)行進(jìn)一步修正。

2.1 MS Shuffer原理及立體聲格式轉(zhuǎn)換技術(shù)

立體聲可以是LR（左-右）格式的，也可以是MS（中間-兩側(cè)）格式的。LR格式主要應(yīng)用于混音臺(tái)和CD播放器等傳聲系統(tǒng)，而MS格式則主要應(yīng)用于FM廣播。從LR格式轉(zhuǎn)換為MS格式是基于MS Shuffler的基本原理，即對(duì)信號(hào)進(jìn)行分離，從而重新平衡信號(hào)的中間和兩側(cè)的相關(guān)成分。從LR格式轉(zhuǎn)換為MS格式的MS Shffler原理如下所示：

∴M=L-S=R+S

∴L-S=R+S

∴ 2S=L-R

又∵ 聲功率增加一倍，其增益提升3 dB

∴S=（L-R）-3 dB

同理可知

∵S=L-M=M-R

∴ 2M=L+R

∴M=（L+R）-3 dB

盡管這種方法來(lái)源于MS立體聲傳聲器技術(shù)，但實(shí)際上任何立體聲錄音都可以通過(guò)這種技術(shù)進(jìn)行后期處理。Michael Gerzon 提出了立體聲錄音矩陣化和信號(hào)交叉處理的數(shù)學(xué)表達(dá)式，以此來(lái)重新平衡信號(hào)的相關(guān)和非相關(guān)成分[2]。這實(shí)際上是MS Shuffler原理的一個(gè)具體應(yīng)用，即把L和R格式的立體聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為MS格式的立體聲信號(hào)，從而對(duì)中間和兩側(cè)的信號(hào)進(jìn)行單獨(dú)的處理，最終再合成為L(zhǎng)R格式的立體聲信號(hào)，筆者把這一技術(shù)定義為立體聲格式轉(zhuǎn)換技術(shù)。

2.2 MS矩陣

大多數(shù)的數(shù)字音頻工作站包含有MS（中-側(cè)）到LR（左-右）的格式轉(zhuǎn)換插件，也可以自己手動(dòng)創(chuàng)建MS矩陣，用于立體聲格式的轉(zhuǎn)換。MS矩陣是立體聲格式轉(zhuǎn)換技術(shù)的核心，目前主要有兩種方式，第一種是手動(dòng)創(chuàng)建MS矩陣，第二種是運(yùn)用一些音頻插件生產(chǎn)廠商制作的MS矩陣插件，以上兩種方式都可以將LR格式的立體聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為MS格式的立體聲信號(hào)。

2.2.1 手動(dòng)建立的MS矩陣

利用MS Shuffler原理，可以手動(dòng)創(chuàng)建MS矩陣，用于LR格式的立體聲文件到MS格式立體聲文件的轉(zhuǎn)換。其中，M=（L+R）-3 dB，S=（L-R）-3 dB，如果在數(shù)字音頻工作站中操作，需要在信號(hào)加和后手動(dòng)降低3 dB的音量。具體原理如圖2所示。

圖2 LR至MS格式轉(zhuǎn)換矩陣基本原理示意

在數(shù)字音頻工作站中，首先要做的是將立體聲音頻通道發(fā)到一對(duì)立體聲輔助母線(xiàn)（例如BUS33、BUS34）中，然后建立4條單聲道的輔助通道，其中，2條選取L（BUS33）的信號(hào)，另外2條選取R（BUS34）的信號(hào)，之后將選取L（BUS33）信號(hào)的2條輔助通道聲像分別PAN至極左和極右，而選取R（BUS34）信號(hào)的2條輔助通道也進(jìn)行同樣處理，但需要將PAN至極右的信號(hào)進(jìn)行反相。最后將這4個(gè)通道信號(hào)混合輸出，就得到了M和S信號(hào)，具體示例如圖3所示。

圖3 數(shù)字音頻工作站中LR至MS格式轉(zhuǎn)換操作流程

2.2.2 MS矩陣插件

上述手動(dòng)創(chuàng)建MS矩陣的過(guò)程較為繁瑣，不利于實(shí)際的音頻處理操作，因此很多音頻插件廠家推出了相關(guān)的音頻插件，例如Waves公司的S1 MS Martaix（圖4）以及Voxengo公司的MSED（圖5）等。運(yùn)用這些插件，可以較快的進(jìn)行從LR格式到MS格式的立體聲轉(zhuǎn)換。

圖4 S1 MS Martaix音頻插件

圖5 MESD 音頻插件

3 MS立體聲格式轉(zhuǎn)換的具體運(yùn)用

3.1 M和S信號(hào)均衡和動(dòng)態(tài)的獨(dú)立處理

基于MS shuffler原理和MS矩陣的應(yīng)用，許多音頻插件廠商設(shè)計(jì)了一些復(fù)合插件，可以將LR格式的立體聲轉(zhuǎn)換為MS格式的立體聲信號(hào)，在對(duì)MS格式的立體聲信號(hào)進(jìn)行均衡和動(dòng)態(tài)處理后，再轉(zhuǎn)變回LR格式立體聲。

3.1.1 MS均衡器

MS均衡器是將MS矩陣與均衡器一起使用，也是基于MS Shuffler的原理對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，它容許對(duì)音頻中間和兩側(cè)聲音的EQ進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整，例如Waves公司的HEQ（圖6）。

圖6 HEQ 音頻插件

這一類(lèi)型音頻插件在母帶處理中能得到較好的應(yīng)用。例如，將立體聲信號(hào)兩側(cè)的吊镲聲進(jìn)行單獨(dú)的調(diào)節(jié)。將MS矩陣配合均衡器一起使用，會(huì)得到更好的通道隔離度，人工處理的痕跡也會(huì)減少。例如，某歌曲中間的人聲音量偏小，可以先將其轉(zhuǎn)換至MS格式，再對(duì)M和S聲道分別實(shí)施均衡處理，通過(guò)提高M(jìn)聲道中的中高頻部分來(lái)達(dá)到提高人聲的目的，這樣既提高了人聲音量也不會(huì)對(duì)其他部分產(chǎn)生太大的影響。

3.1.2 MS壓縮器

MS壓縮器是將MS矩陣同壓縮器一起使用，將LR格式的立體聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為MS格式后，可對(duì)音頻信號(hào)的中間和兩側(cè)組進(jìn)行單獨(dú)的動(dòng)態(tài)控制。常見(jiàn)的插件有iZotope母帶壓縮器插件，如圖7所示。

圖7 iZotope Ozone母帶壓縮音頻插件

在母帶處理過(guò)程中，當(dāng)某音樂(lè)作品位于兩側(cè)的樂(lè)器響度較大時(shí)，中間人聲聽(tīng)感相對(duì)變小，這時(shí)可以使用MS壓縮器對(duì)S聲道的樂(lè)器進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，使其在響度大過(guò)人聲時(shí)進(jìn)行壓縮；反之，如果位于中間的人聲響度大過(guò)兩側(cè)的樂(lè)器，也可以壓縮M聲道或者對(duì)S聲道進(jìn)行向上擴(kuò)展。

3.2 單聲道模擬空間立體聲

3.2.1 單聲道模擬空間立體聲的原理

通常有很多方法可以把一個(gè)單聲道音頻轉(zhuǎn)換為立體聲，各有利弊，一種行之有效且單聲道兼容性較好的方法就是將單聲道聲源作為M（中間）信號(hào)，并人為創(chuàng)建一個(gè)S（側(cè)）信號(hào)，在S聲道加入延時(shí)，然后將其轉(zhuǎn)換為 LR 格式的立體聲，形成正常的左右聲道信號(hào)，具體方法如圖8所示。

圖8 單聲道模擬空間立體聲原理示意

為了詳細(xì)解釋這一方法的運(yùn)作，假設(shè)在錄音棚內(nèi)歌手前放置MS制式拾音傳聲器。面向前方的M傳聲器拾取到的主要為歌手的直達(dá)聲，拾取到的側(cè)向信息則很少。而S傳聲器的8字形指向除了捕捉到歌手的部分直達(dá)聲外，更多地拾取到包括所處空間的聲反射在內(nèi)的側(cè)向信息。直達(dá)聲和反射聲之間的主要區(qū)別在于延時(shí)，因?yàn)榉瓷渎曄鄬?duì)于直達(dá)聲需要更多的時(shí)間到達(dá)傳聲器。在人為創(chuàng)建的S聲道中加入延時(shí)的作用就是模擬房間的反射聲，從而使得單聲道具有一定的空間信息。

3.2.2 利用MS技術(shù)模擬空間立體聲的缺點(diǎn)分析

通過(guò)單聲道人為創(chuàng)建一個(gè)Side信號(hào)，需要做的是延遲原始的信號(hào)源，延遲時(shí)間越長(zhǎng)，意味著直達(dá)聲到達(dá)墻壁并產(chǎn)生反射所用的時(shí)間越長(zhǎng)，“房間”也會(huì)越大，空間信息也會(huì)越多。與所有MS處理一樣，Side信號(hào)決定了立體聲的寬度，所以需要將原始信號(hào)和延遲信號(hào)進(jìn)行平衡，使空間感更為真實(shí)。

在實(shí)際應(yīng)用中，將MS格式轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)R格式的立體聲，由于延遲會(huì)引起隨頻率變化的相位移動(dòng)，在波長(zhǎng)較長(zhǎng)的低頻段，延遲所造成的相移較小，所以，左聲道（M+S）的低頻會(huì)增加，而右聲道（M-S）則會(huì)抵消，這樣會(huì)導(dǎo)致合成的立體聲的立體感不均衡，尤其是低音聲部會(huì)產(chǎn)生向左聲道的偏移。解決這一問(wèn)題的方法是，在延遲前進(jìn)行低切處理，這樣做意味著低頻部分沒(méi)有被擴(kuò)展，而鎖定在中心，具體低切的頻率需要視實(shí)際情況來(lái)確定。

3.2.3 單聲道模擬空間立體聲的方法

在數(shù)字音頻工作站中，需要復(fù)制2軌M信號(hào)作為虛擬的S和-S信號(hào)，之后再對(duì)它們進(jìn)行低切和延遲處理，最后合成為立體聲信號(hào)，從而得到單聲道模擬空間的立體聲，具體做法如圖9所示。

圖9 數(shù)字音頻工作站中單聲道模擬空間立體聲的操作流程

3.3 立體聲寬度擴(kuò)展

在進(jìn)行音頻制作時(shí)，若某一立體聲節(jié)目聽(tīng)感寬度太窄，則可以利用MS Shffler原理和MS矩陣進(jìn)行寬度擴(kuò)展。

3.3.1 立體聲寬度擴(kuò)展原理

Blumlein設(shè)計(jì)了立體聲寬度控制的信號(hào)處理流程，如圖10所示。在將音頻信號(hào)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后，對(duì)M信號(hào)和S信號(hào)的增益進(jìn)行重新平衡，當(dāng)增加S信號(hào)的增益時(shí)，會(huì)使聲像定位變寬，當(dāng)減小S信號(hào)的增益時(shí)，會(huì)使聲像定位變窄。寬度控制是MS Shuffler原理最實(shí)用的應(yīng)用之一。3.3.2 立體聲寬度擴(kuò)展插件

圖10 立體聲寬度擴(kuò)展原理示意

通過(guò)手動(dòng)信號(hào)分配來(lái)達(dá)到寬度控制的目的可能需要很多繁瑣的步驟，因此，針對(duì)這一應(yīng)用需求，有一些音頻廠家基于上述工作原理推出了相關(guān)的數(shù)字音頻插件，運(yùn)用這些插件可以簡(jiǎn)化應(yīng)用流程，使音頻制作更加便利。相關(guān)插件有Brainworx BX Digital V2以及Waves S1 Stereo Shuffler（圖11所示）。

圖11 S1 Stereo Shuffler 音頻插件

在Waves S1 Stereo Shuffler這款插件中，只需要調(diào)整 Width即可調(diào)整立體聲的寬度，這樣簡(jiǎn)單的操作很大程度上提高了工作的便利性。

3.3.3 立體聲寬度擴(kuò)展應(yīng)用及效果分析

實(shí)際工作中，在S聲道上加入均衡器對(duì)立體聲擴(kuò)展是相當(dāng)重要的，可以對(duì)S信號(hào)的某一頻率進(jìn)行單獨(dú)的寬度擴(kuò)展控制。通過(guò)這種處理，可以更有針對(duì)性地控制不同頻率的寬度，流程如圖12所示。例如，提升S聲道的1000 Hz，則可以使轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)R格式的立體聲在1000 Hz左右頻率的寬度得以提升。

圖12 加入均衡器的立體聲寬度擴(kuò)展原理示意

在進(jìn)行立體聲寬度擴(kuò)展后，運(yùn)用PAZ Position插件對(duì)擴(kuò)展前后的立體聲寬度進(jìn)行對(duì)比，如圖13所示，左側(cè)為擴(kuò)展前的立體聲寬度，右側(cè)為擴(kuò)展后的立體聲寬度，可以看到增加S聲道的增益后的立體聲寬度增加。

圖13 立體聲擴(kuò)展前后寬度對(duì)比

3.4 消聲伴奏處理

3.4.1 MS消聲伴奏原理

傳統(tǒng)的消聲伴奏制作方法是進(jìn)行立體聲某一通道的相位反轉(zhuǎn),但采用這種方法而來(lái)的伴奏中，低頻因?yàn)榇蠖嗵幱诹Ⅲw聲的中間位置（即左右通道包含能量基本相同的低音成分）而會(huì)被大量抵消，并且這些抵消在后期處理時(shí)極難補(bǔ)償。針對(duì)這一問(wèn)題，利用MS矩陣，可以先將LR格式的立體聲轉(zhuǎn)換為MS格式，再對(duì)M信號(hào)中的人聲頻率進(jìn)行消除，這樣就可以最大程度地保留原始信號(hào)中的低頻成分，而原來(lái)S聲道中的樂(lè)器聲音也不受影響。其基本原理如圖14所示。

圖14 MS 消聲伴奏處理原理示意

3.4.2 MS消聲伴奏操作分析

在數(shù)字音頻工作站中，需要將進(jìn)行處理的立體聲信號(hào)中插入S1 Matrix插件，此時(shí)這路立體聲音頻軌道的左邊為M(L+R)，右邊為S(L-R)。然后將這個(gè)立體聲音頻軌道發(fā)送到一個(gè)立體聲輔助母線(xiàn)（例如BUS35、BUS36），之后創(chuàng)建3條輔助輸入通道，其中1條輸入選擇BUS35（M），另外2條輸入選擇為BUS36（S）并把聲像PAN至極左極右，之后對(duì)聲像在右邊的S輔助輸入通道進(jìn)行反相處理。在做完上述操作后，需對(duì)M聲道的人聲頻率進(jìn)行衰減，并對(duì)M和S的音量比例進(jìn)行調(diào)整，以得到最終的伴奏。具體操作流程如圖15所示。

3.4.3 MS消聲伴奏缺點(diǎn)分析

當(dāng)一首歌曲的主唱沒(méi)有位于中間，或者左右聲道內(nèi)容一樣的立體聲時(shí)，這種方法并不適用。并且由于M（中間聲道）需要衰減較為寬泛的人聲頻率，這實(shí)際上也會(huì)破壞位于此頻段內(nèi)的其他聲部的頻率響應(yīng)。對(duì)比立體聲相位反轉(zhuǎn)消聲伴奏，MS消聲伴奏可調(diào)比例更大，效果更好。

圖15 數(shù)字音頻工作站中MS 消聲伴奏操作流程

3.5 混響處理

3.5.1 減少過(guò)量的混響

利用MS shuffler原理的另一簡(jiǎn)單應(yīng)用就是可以幫助減少立體聲錄音中的過(guò)量混響。在立體聲信號(hào)中拾取的混響通常在兩個(gè)聲道之間是非相干的，主要存在于側(cè)（S）聲道中，因此，降低側(cè)（S）聲道的電平可以將混響聲量減少到合適的程度。同時(shí)，通過(guò)在側(cè)（S）聲道中使用均衡，可以控制不同頻率的混響量。大量的軟硬件可以用來(lái)進(jìn)行這種處理，如Brainworx提供的各種產(chǎn)品，硬件如Portico 5014立體聲場(chǎng)編輯器。

3.5.2 加強(qiáng)混響

在得不到分軌文件，又需要對(duì)立體聲信號(hào)中的人聲進(jìn)行混響加強(qiáng)時(shí)，可以利用MS立體聲格式處理。如對(duì)人聲居中而吉他擺在兩側(cè)的錄音，可以在這個(gè)音軌上添加MS矩陣插件進(jìn)行立體聲格式轉(zhuǎn)換，從而單獨(dú)對(duì)中間（M）信號(hào)進(jìn)行混響加強(qiáng)，最后再轉(zhuǎn)換合成立體聲。這樣就能在對(duì)吉他的混響影響最小的情況下，使人聲的混響得到加強(qiáng)。

3.6 檢驗(yàn)混音質(zhì)量

通過(guò)將立體聲信號(hào)從LR格式轉(zhuǎn)換為MS格式，可以聽(tīng)到原本掩蔽于混音中的一些細(xì)節(jié)。除了上面所說(shuō)的混響之外，有時(shí)會(huì)讓一些人為處理的痕跡變得明顯,例如壓縮、編輯點(diǎn)和失真等。

4 不足及展望

4.1 不足之處

當(dāng)使用MS立體聲格式技術(shù)對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，很容易造成單聲道不兼容的問(wèn)題。因此，需要不斷地檢查信號(hào)的單聲道兼容性，具體可在相關(guān)處理過(guò)程中按下調(diào)音臺(tái)或數(shù)字音頻工作站監(jiān)聽(tīng)部分的單聲道監(jiān)聽(tīng)按鈕進(jìn)行對(duì)比試聽(tīng)，同時(shí)，還需使用相位表對(duì)左右輸出的相位進(jìn)行監(jiān)視。

另外一個(gè)重要的問(wèn)題就是要對(duì)電平進(jìn)行處理，如果2個(gè)Side信號(hào)的電平不一致，也會(huì)導(dǎo)致相位問(wèn)題。

4.2 應(yīng)用展望

基于MS Shuffler原理的立體聲格式轉(zhuǎn)換音頻插件為藝術(shù)家和工程師創(chuàng)造了無(wú)數(shù)可能，但國(guó)內(nèi)對(duì)這一原理的應(yīng)用研究還很少，筆者提出的基于MS Shuffler原理的立體聲轉(zhuǎn)換技術(shù)的使用方法，旨在起到拋磚引玉的作用。隨著音頻技術(shù)的快速發(fā)展，立體聲格式轉(zhuǎn)換技術(shù)也得到更多的發(fā)展與應(yīng)用，可以加入帶通濾波器，解決單聲道兼容性問(wèn)題；也可以對(duì)轉(zhuǎn)換后的M和S信號(hào)的聲像和音量重新平衡，從而修正傳聲器不在樂(lè)隊(duì)中軸線(xiàn)的問(wèn)題。相信隨著未來(lái)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，會(huì)有更多更加智能化的立體聲處理技術(shù)和插件出現(xiàn)。