全新的3D声音体验

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  【摘 要】声音重放的理念及技术不断进步,Dolby和Barco两家公司分别发布了Dolby Atmos和Auro-3D技术,围绕声音对象 (Object)及音床(Bed)这两个概念展开论述。
  【关键词】 3D声音;环绕声;杜比全景声;Auro-3D;声音对象;音床
  文章编号: 10.3969/j.issn.1674-8239.2015.02.005
  【Abstract】With advances in concepts and technologies about sound reproduction, two companies Dolby and Barco released Dolby Atmos technology and Auro-3D technology, and discussed around two concepts about sound object (Object) and sound bed (Bed).
  【Key Words】3D sound; surround; Dolby Atmos;Auro-3D;sound object;sound bed
  近年来,声音重放的理念及技术不断进步,并受到电影制片方、影院和观众的广泛欢迎,正快步进入声音的3D时代,声音重放的理念及技术不断进步。
  1 从2D声音到3D声音的进化
  1992年,首部基于Dolby Surround 5.1(杜比5.1环绕声,见图1)制作的电影《蝙蝠侠归来》上映后,在不到3年的时间内就有超过400部电影使用了杜比数字环绕声技术制作,当年全球就有超过4 000家影剧院配备了杜比数字环绕音响设备。2010年,随着《玩具总动员3》的上映,杜比实验室开始将Dolby Surround 7.1(杜比7.1环绕声,见图2)推向市场。该技术把环绕声声道从2路增加至4路,从而使电影录音师能够更好地控制声像位置,使银幕到环绕声之间的声音平移过渡得更平滑。该项技术同样受到业界广泛欢迎,在随后不到2年的时间里,全球配备杜比7.1环绕声技术的影院就已经达到了3 600多家。这种趋势足以说明,不管是电影的创作者、院线的经营者乃至广大的观众,都在追求更加逼真、细腻的声音再现,都在寄望数字音响领域的进一步变革。
  这种变革是从2D声音向3D声音的进化。它始于电影声音录制与重放的革新,但并不止于影院,它必将延伸至唱片业、家庭影院、大型活动扩声、汽车音响、电子游戏音响、手持移动设备、3D耳机等各领域,并在未来的十几年中,引发音响系统概念、制式、手段与技术上的不断争论与创新。
  在以上诸多应用方向上,除移动设备和3D耳机技术需特别考查人们的听觉生理、心理特性外,其他所有应用方面都会优先选择增加更多的声道数量。毫无疑问,更多的声道数量意味着更好的“真实重现”,意味着更准确的声像定位。
  例如,当巨幕影院越来越多时,原先的3声道银幕扬声器对于银幕内声像定位就不够细腻了。于是,特别为巨幕影院混录的、带有Inner Left及Inner Right声道的5声道银幕扬声器的重放制式被推出,如图3所示。
  当然,人们不会满足于7声道(在巨幕制式下为9声道)都和自己的耳朵处在同一个平面上。现实世界中,声音是来自四面八方的,如果考虑到人在大多情况下并非悬在半空,那么至少声音也应该来自人体的上方,在此用“上半球”表示。因此,要把更多的声道布置在耳朵上方来还原真实世界中的声音,正如Dolby Surround 9.1(杜比9.1环绕声)所定义的那样,见图4。
  至此,3D声音重放的时代开启,声音重放的理念及技术不断进步,Dolby和Barco(巴可)两家公司分别发布了Dolby Atmos(杜比全景声)和Auro-3D技术。同时,关于3D声音重放的争论也就此开始,围绕声音对象(Object)及音床(Bed)这两个概念,评述各自优劣。
  2 Dolby Atmos和Auro-3D的比较
  2.1 声音的重放
  真实世界中的声音大体来自“上半球”。比方说,有一只蜜蜂在空中飞过,或者一架直升机起飞。Dolby Surround 7.1环绕声只能通过某种方法,诱使人脑对这种虚拟声像进行重建。为了更直接地定位蜜蜂或直升飞机的声像,Dolby Surround 9.1系统采用了增加顶置的扬声器的方法,这种方法可以很好地还原物体从头顶飞过的音效。
  不同的意见来自巴可公司,该公司推出了Auro-3D这一概念。Auro-3D的设计者认为,顶置扬声器尽管可以很好地还原物体从头顶飞过的音效,但它与下层环绕扬声器中间空隙过大,两组扬声器分层过于明显,无法重放半球状声场。况且,很多生活场景中来自“上层”的声音,比方说树林、街道、市场、机场、体育比赛等,其上层声音并非来自头顶,而大多来自斜上方。于是,Auro-3D提出,在与下层环绕扬声器组平面呈30°夹角的高度布置“上层环绕扬声器组”,如图5所示,其重要程度要大于放置头顶扬声器。
  而Dolby Surround 9.1还存在着进一步增加头顶环绕扬声器数量的需求,以更好地实现“上半球”重放,那就是Dolby Surround 11.1以及Dolby Surround 13.1等等。
  显然,更多数量的扬声器(声道)也是Auro-3D的选择。2012年,首部使用Auro 11.1制作的电影上映,其扬声器与相应声道定义如表1。这个定义也符合了SMPTE(The Society of Motion Picture and Television Engineers,电影电视工程师协会)以及DCI(Digital Cinema Initiatives,数字影院先导组织)的规范,即在一个DCP中至多能够包含16个PCM格式的声轨。   同年,杜比也推出了其新一代电影声音制式——Dolby Atmos,杜比全景声。杜比的工程师定义Dolby Atmos最多支持128个音频轨道和64路扬声器输出。
  2.2 声音对象与声道
  多声道重放制式把如何更精准地在银幕内及银幕外实现声像定位作为争论的焦点。
  Dolby Atmos更是索性打破了所有的声音重放都要基于声道的传统,全新定义了独立的“声音对象”(Object)这一概念,即在放影端增加一个解码处理器,它可以利用声音对象自身所携带的定位信息去调用本地影院所对应的扬声器。声音对象并不属于任何一个物理意义上的声道。通过这一方式,任意一只环绕扬声器都可以单独发声,从而能够更精确地摆放声音位置。例如,当银幕上的人物与银幕外的人物对话时,银幕上人物的视线离开银幕进入房间,录音师可以利用Dolby Atmos精确地使处在那条视线上的扬声器出声,如图6所示,环绕扬声器可单独发声,而且,这种效果对于在影院中的每一位观众都是同等的。而非Dolby Atmos则如图7的环绕扬声器不可单独发声,如对于Dolby Surround 5.1或Dolby Surround 7.1的观众来说,那个银幕外的声音位置则一定程度上取决于自身的坐席位置。显然,Dolby Atmos这种能力的额外好处还在于,当银幕外发出的是一声枪响,或是一根管子喷出蒸汽的“丝丝”声时,只有其中一只扬声器发声要比整个扬声器组发声的效果来的真实。
  尽管从概念上讲,Dolby Atmos可以将环境声同样定义为声音对象,只不过其定位信息调用了一组(或多组)扬声器,但实际操作中,把环境声编入某个虚拟声道明显会更方便一点。显然,Dolby Atmos并没有完全抛弃声道,它使用了“音床”(Bed/Stem)这一概念。
  “音床”是基于物理声道的辅助母线。Dolby Atmos解码器可以将音频解码为单独的“声音对象”,亦或是属于某一“音床”的信号,然后再根据影院的情况,将“音床”和“声音对象”配置为Dolby Atmos,甚至Dolby Surround 5.1、Dolby Surround 7.1、 Dolby Surround 9.1等,如图8所示。
  看起来,Dolby Atmos使用“声音对象”这一概念进行声像定位是革命性的,让人印象深刻。不过,Auro-3D对此有不同的看法。
  首先,Auro-3D认为这个方案并不实用。例如,从银幕飞向观众席的音效往往是做高速运动的,这一过程极为短暂,人脑几乎没有时间感受这类高速运动过程的精确轨迹。因此,对于观众而言,基于声道的重放还是基于声音对象的重放区别不大。即便有些运动缓慢的音效,基于声音对象的重放也确实精准地描绘了其运动轨迹,但同时,观众的注意力也被吸引到了银幕以外,而这恰恰正是大多数混音师所努力避免出现的状况。
  其次,Auro-3D还认为这个方案并不好用。一般来讲,影院的银幕扬声器无论从频段响应还是声压级上来说,都会大大优于环绕扬声器。于是,当把一个银幕上的声音移出银幕时,那可不是单独调用一只环绕扬声器就能搞定的事了。
  Dolby Atmos显然也注意到了这种情况。Dolby Atmos的方法是:通过改进对环绕声扬声器的频率响应管理,使一个全频声音对象在移出银幕时,音色不致有太大变化。而当一个大响度声音对象移出银幕且其功率要求已超出单只环绕扬声器的极限时,Dolby Atmos会自动把这个声音对象扩散到附近的若干只环绕扬声器上,以保证其响度一致。
  Auro-3D则进一步认为,此种重放已和基于声道的方式差别不大,何况,当调用若干只扬声器时,其功率管理、相位管理会变得极为复杂,增加了成本,还不一定能达到好的效果;具体到每家影院的音响设备也是千差万别的。
  2.3 兼容性的挑战
  Dolby Atmos或Auro-3D都认为自己的3D制式与现存的电影混录制作流程及设备能够达成令人满意的兼容性。
  Dolby Atmos首先关注到电影制作端。经过几十年的实践,电影混录棚已形成了固有的工作流程及工作习惯。Dolby Atmos充分尊重这些传统,通过在音频工作站上加载一个插件,使录音师可以延用原来的声像定位及编辑技术,即可以在装备Dolby Surround 5.1系统的混录棚中,实现对声音对象及音床的编辑。所有声音对象及音床的矢量信息,既可以在调音台上编辑,也可以在工作站中编辑。这些带有矢量信息的声音元素经杜比“编解码母版处理器”(Rendering and Mastering Unit,RMU)解码后传送至监听设备。同时,RMU还将所有的声音元素合成为母版,这个母版包含Dolby Atmos文件,也包含Dolby Surround 5.1或Dolby Surround 7.1文件。该母版通过DCP(Digital Cinema Packaging,数字院线文件包)格式发送至影院。图9即是Dolby Atmos的整个混录流程。
  Auro-3D则认为,Dolby Atmos所发送的DCP并不符合SMPTE标准,不能被影院现有的处理器解码。Dolby Atmos需要为影院放映端增加一个处理器,以8组AES数字音频接口和现有设备连接,这样经过解码的全景声声道就可以在现有的Dolby Surround 5.1或Dolby Surround 7.1还音系统中重放;另一方面,对于那些装备了Dolby Atmos的影院,新的解码器可以将最多128个包含“声音对象”及“音床”的声道进行解码,对其中的“音床”做些延时及频率调整,然后发送给最多64路扬声器。而Auro 11.1并不存在硬件上的障碍,其编码器是一个软件插件,它可以运行于绝大多数常用的苹果或PC环境的数字音频工作站(例如:Pro Tools、Nuendo等)上 ;Auro-3D解码器则能够作为固化的软件升级嵌入到现有的媒体服务器中,并且也将能够运行于大多数最新型的服务器以及媒体模块中。
  Dolby Atmos继而额外地依据当地影院不同的情况,进行个别的校正。通过对全景声声道进行智能解码,尽量照顾到影院的扬声器布局及其中每一只扬声器的音色特征,达到优化声音效果的目的。此外,对于那些装备有环绕低音扬声器的影院来说,通过Dolby Atmos亦可达到使用小功率环绕扬声器达到大功率扬声器效果的目的。
  Auro-3D则指出,一部电影的声音元素成千上万,混录时需要经过预混和终混。录音师经常会为把某个声音元素保存为“声音对象”(这样会占用128个定义声道中的一个)或直接将其编入某个“音床”而烦恼。其次,对影院的个别校正产生了更多的不确定性,使得电影录音师很难兼顾到最终音响效果。而Auro 11.1编解码器能够将所有的音频标准格式(立体声、5.1环绕声 以及Auro 11.1)嵌入到一个单一的、标准的5.1 PCM(Pulse Code Modulation,脉冲编码调制)数据流中,即使对于没有配置Auro 11.1 系统的放映商,这个数据流也能够在任何5.1 环绕声系统中重放。而对于那些已配置了Auro 11.1 系统的放映商,解码器将从5.1 PCM 数据流中解码出嵌入其中的上层声道信息,还原成原始的Auro 11.1。
  3 结语
  基于不同声音重放的理念及原理,不同的3D声音技术有着各自的优劣及相适应的应用领域,在音响系统概念、制式、手段与技术上引发的探讨也将持续。不管是在电影、广播、唱片及大型活动扩声等商用领域,或在汽车音响、移动设备、电子游戏等个人消费市场中,期待Auro 11.1 、Dolby Atmos或其他各种音频设计方案都能带给人们全新的声音体验。
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