數字影院多聲道環繞聲技術的新發展

梁 華

（同濟大學 聲學研究所，上海 200092）

1 5.1聲道環繞聲系統

隨著數字電影與數字高清電視的迅速發展，多聲道環繞聲技術取得驚人的進步。目前數字立體聲電影院已廣泛采用5.1聲道環繞聲系統，其中，主要采用杜比實驗室有限公司的杜比（Dolby Digital，又稱Dolby AC-3）5.1聲道系統和DTS公司的DTS（Digital Theater System，數字化影院系統）5.1聲道系統，而索尼公司的SDDS7.1聲道在影院中則很少使用。杜比5.1聲道系統和DTS5.1聲道系統都是6聲道系統，它們是正前方的左（L）、中（C）、右（R）3個主聲道，另加左環繞（Ls）、右環繞（Rs）2個環繞聲道，再配以1個超低音（SW）聲道。因SW聲道所占頻帶很小，故稱之0.1聲道。圖1為上述3種數字立體聲音箱布局。

雖然杜比5.1和DTS5.1都是5.1聲道系統，但因兩者的編解碼方法不同而不能通用或兼容。而兩者在重放電平上的要求相同，即左、中、右主聲道最大聲壓級要求均不小于103 dB，超低音聲道不小于113 dB，環繞聲道不小于100 dB，以便營造大動態范圍的聲級變化和令人震撼的音響效果。兩者在超低音聲道頻率響應上要求不同，杜比5.1要求超低音聲道的頻率范圍為20 Hz～120 Hz，DTS5.1則要求20 Hz～80 Hz。圖2為杜比5.1聲道系統與DTS5.1聲道系統的頻響特性。對其余5個聲道，杜比5.1聲道系統要求全頻帶，而DTS5.1聲道系統對左、中、右聲道要求全頻帶，對環繞聲道則要求80 Hz～2000 Hz。

杜比5.1和DTS5.1聲道系統不僅廣泛用于電影院，還應用于家庭影院、數字聲音廣播（DAB）、數字電視廣播（DVB）、光盤（DVD、CD）以及娛樂游戲等領域。為了進一步增強后方聲像定位的連續性和包圍感，在5.1環繞聲基礎上，杜比公司相繼又推出杜比6.1聲道格式和杜比7.1聲道格式。杜比6.1聲道格式又稱Dolby Digital Surround EX，即在環繞聲道中增加一路中環繞聲道Cs。杜比7.1聲道格式又分兩種格式：Dolby Digital Plus（簡稱DD plus）和Dolby TrueHD。它們均是將6.1聲道的中環繞聲道分成兩個環繞聲道：左后環繞聲道（LB）和右后環繞聲道（RB）。這兩種杜比7.1聲道格式不能通用或兼容，但DD plus格式可向下兼容杜比5.1聲道格式，它已作為高清光盤（HD DVD）或藍光光盤（BD）聲音格式用于數字電影的聲音重放，并已被美國ATSC（Advanced Television Systems Committee，美國高級電視業務顧問委員會）和歐洲高清DVB（Digital Video Broadcasting，數字電視廣播）列為未來無線廣播、衛星廣播以及有線電視的新標準格式。在杜比公司推出7.1聲道格式之后，DTS公司也相應推出新一代環繞聲格式DTS HD7.1聲道系統且得到廣泛應用。

2 IMAX 6.1聲道系統

IMAX系統是由加拿大IMAX公司開發的一項巨幕電影技術，剛剛推出即獲廣泛關注。IMAX源自英文“Image Maxium”，意即影像最大化。它集現代電影技術于一身，擁有非常大的銀幕、清晰的圖像、高精密度的放映設備以及強勁的6.1聲道環繞聲音響系統。IMAX電影使用70 mm、15尺孔的電影膠片，有效畫面面積是普通35 mm膠片的十倍，是一般70 mm寬銀幕膠片的三倍。由于電影畫格大，所容納的內容多，因此圖像非常清晰，加之高精密度的IMAX放映設備，使其播放出的影像具有非常高的真切感和清晰度。而且，IMAX公司利用偏振光技術開發出IMAX-3D系統，它通過兩臺高亮度的DLP投影機（即數字電影放映機）播放，觀眾佩戴簡便的偏振光眼鏡即可以觀賞立體感非常強的立體電影。

目前，我國IMAX影院大多由原有35 mm膠片影廳改擴建而成，多采用緊湊型影廳標準，其平面長寬比要求盡可能接近1∶1。至少規劃1個350座以上的大廳，標準銀幕為21.3 m×13.3 m，觀眾廳看臺坡度應為18°（現有影廳為13°～ 15°），銀幕向前傾斜15°，以最大限度地滿足影廳內大多數觀眾視野能集中在IMAX主視野區。至于建聲要求則與我國對數字影院的要求相似。

IMAX音響系統采用的是6.1聲道環繞聲系統，其音箱布置如圖3所示。即在5.1聲道格式的基礎上、銀幕后方上增加1個中央聲道，用以增強銀幕聲像定位和聲音的高度層次感。為產生逼真的臨場感和震撼的效果，QSC公司推出了新型的數字影院音頻處理器（DCP300）和四分頻主擴聲揚聲器系統（DCS SC-424-8F）。圖4為數字電影音響系統的構成方式；圖5為多個影廳的數字電影音響系統的構成，呈網絡結構方式。

數字影院處理器DCP300是目前市場上惟一滿足DCI（Digital Cinema Initiatives，好萊塢數字電影工作組）數字影院標準的處理器產品，它把24位、16通道的數字音頻信號進行DSP處理，并將數字分頻、遠程遙控、功放和音箱的網絡監控等功能集成在1臺設備中，使其成為數字影院音頻系統的核心。同時，它還融合CobraNet網絡音頻傳輸技術，可以通過雙向傳輸高達64路的高品質網絡音頻信號，滿足影院網絡化運營和管理的需要。如圖5所示，就是通過網絡交換機將各影廳的DCP300進行星形連接，并通過PC機對各影廳進行管理和控制。

QSC四分頻主揚聲器系統SC-424-8F的設計也很有特色。它由2×15英寸低音單元、10英寸中音單元、3.5英寸高音單元和1.75英寸超高音單元等組成。用一個高性能中頻單元工作在250 Hz ～1.8 kHz頻率范圍，確保了電影的絕大多數語音對白頻率，從而保證了良好的語言清晰度。同時，高音單元和超高音單元采用獨特的同軸結構，獲得良好的音質和相位特性，從而保證了平直一致的高頻特性。由于在技術和工藝上采取一系列獨特措施，使QSC四分頻音箱能夠很好地滿足像IMAX等數字影院系統嚴格的音質要求。

應該指出，圖4和圖5可以組成6.1聲道系統，也可以根據需要接成5.1聲道或7.1聲道環繞聲系統方式。關于數字影院的主聲道的頻響特性的要求如圖6所示。

3 更多聲道環繞聲系統

在5.1聲道環繞聲格式的基礎上，人們為了獲得更強的臨場感、更穩定的聲像定位和覆蓋范圍更大的聽音區域，而采用了更多聲道的環繞聲格式。Tomlinson Holman（湯姆林森·霍爾曼）提出的TMH10.2聲道環繞聲格式（參見圖3），它的前方主聲道與圖1中SDDS聲道系統的相似，并增設一個后中置環繞聲道，以增強后方聲像的穩定性。此外，還將聲場擴展到垂直方向（高度）上，在聽音者的前上方（屏幕后上方）兩側增設了兩個聲道音箱。而超低音聲道也增加到兩個，分別放置在屏幕后下方的左右兩側，以增強超低音的空間感。

另外，還有一個稱之為Auro-3D的10.1多聲道環繞聲系統，它的前方主聲道與圖3的IMAX系統類似，但在屏幕后上方布置左、中、右三路音箱，并增設了后中置環繞聲道。

隨著高清影視和數字3D立體電影的迅速發展，由SMPTE（The Society of Motion Picture and Television Engineers，電影和電視工程師協會）成立的DC28數字電影技術委員會制定了SMPTE 428.3M協議，協議提出未來的數字電影可配置的20個聲道的環繞聲格式，如圖7所示。其中7個聲道是Dolby6.1聲道系統的配置，其余13個新聲道中，有4個聲道用于擴展現有的環繞聲道陣列，加強在后方和兩側的方向感；另有兩個聲道位于中央聲道的兩側，與SDDS格式相同；還有7個聲道用于新的音箱配置：2個聲道分別位于右前偏左和右前偏右，有4個聲道當作垂直陣列，用于增強高度層次感，以及新增的第二個超低音聲道，如前述10.2聲道一樣，用來增強重低音的音響效果。

日本NHK公司則推出22.2的24聲道環繞聲系統，如圖8所示。它明確將重放音箱分為高、中、低三層音箱群，為高度信息的再現提供了更為有效的保障，具有更強的空間立體感，是一種富有臨場感的三維立體音響系統。該系統的中層高度大致與人耳高度相接近，中層音箱布置與前述TMH10.2聲道環繞聲格式相似。22.2聲道環繞聲系統具有如下特點和要求：

（1）考慮到像古典音樂之類的三維立體音響重放，系統的頻響特性（在觀眾廳中央位置測得）不采用圖6所示的數字影院頻響曲線，而是要求高頻直到20 kHz均為平直的特性。

（2）為了獲得大范圍均勻的聲場，要求所用音箱的指向性盡量寬（水平120°，垂直100°）。

（3）超低音音箱LFE的頻響為20 Hz～120 Hz，配置2只，以雙聲道立體聲方式重放。

（4）為了增強銀幕上的聲像定位感，在中層前方配置5只聲道音箱，并放在透聲銀幕后面，同時在中層前方的3個聲道的銀幕下，配置2組6只音箱，形成三維合成立體聲像的音響效果。

表1 22.2聲道系統的各聲道名稱

表1列出這22.2聲道環繞聲系統的24個聲道的命名與簡稱。22.2聲道環繞聲系統已被SMPTE暫定為未來超高清電視（UHDTV）的聲音格式。可以相信，未來的多聲道環繞聲系統將更加絢麗多彩。