當環繞聲遇到游戲

蔡夢甜

摘要：本文針對目前主流尖端游戲領域，分析游戲玩家對環繞聲的實際需求，認為虛擬環繞聲是面向大部分游戲玩家最實際的解決方案。據此對現在的商用虛擬環繞聲技術進行了細致展示、分類和技術分析。同時，本文探究性的探討了尖端游戲的電子競技領域中，游戲環繞聲“后方定位優先”這個論題的實現可行性。

關鍵詞：尖端游戲；重放限制；虛擬環繞聲；電子競技；后方定位優先1當環繞聲遇到游戲

隨著數字技術的發展，電子游戲從8位機時代的Atari①、任天堂FC②，一路走到了64位機的PS3③、XBOX360④。這期間，圖形處理和人機對話等技術有了不可想象的突破。在現在最主流的PS3等游戲系統中，視覺、聽覺、操控等仿真程度都達到了很高的水平，給玩家帶來了美妙的游戲享受。在游戲圖形處理領域，因為計算能力、存儲容量的提升，3D技術已經運用非常成熟。從目前最尖端的游戲之一——《孤島驚魂3》（未開發完）的截圖可以看出，其圖像在一定程度上達到了以假亂真的程度。可以想見，尖端游戲不可避免地“遇到”了環繞聲。回想8位機時代，游戲聲音幾乎可以和單調的FM合成音樂畫等號。可如今，游戲聲音的技術已經趕上音頻技術的最前沿，這從PS3音頻部分的標準就可以看出：支持LPCM 7.1ch、Dolby Digital、 Dolby Digital Plus、Dolby TrueHD、DTS、DTSHD、AAC。諸如Dolby TrueHD、DTSHD等技術，都是近年才提出、還未完全普及的尖端編碼技術。同時，這些編碼技術，除了5.1環繞聲就是7.1環繞聲。可以說在這個尖端游戲的年代，想要獲得與視覺匹配的逼真游戲效果，環繞聲的重放是必不可少的。

2虛擬環繞聲最對癥

如果環繞聲面對的是游戲玩家，也需要因地制宜。游戲玩家大部分都不是音響發燒友，這在很大程度上決定了其對待環繞聲回放的重視程度。首先，在重放設備上可能存在不專業。很多游戲玩家使用的是耳機或者多媒體音箱重放。重放設備的限制導致這部分玩家無法享受逼真的環繞聲感受。其次，在回放環境上會有嚴重制約。游戲玩家在對待環繞聲重放時，會面臨很多的現實問題：聲壓級太大會吵到他人、不安靜的環境會干擾環繞聲聽音、重放房間沒有達到基本大小、聽音聲學條件差等。這些問題是游戲玩家無法回避，或者不愿意花費金錢、精力解決的。這也是很多玩家使用耳機，或者勉強使用多音箱、卻無法達到標準回放效果的原因。因此，為了讓沒有環繞聲監聽條件的玩家能夠體驗到尖端游戲的環繞聲回放效果，很多虛擬環繞聲技術在游戲領域得到了應用。

3虛擬環繞聲技術群雄并起

很多廠商都進行了虛擬環繞聲技術的研發，其中很多技術都已經得到廣泛的商業應用。我在這里先介紹幾個虛擬環繞聲領先者，有利于我們對每個專利技術的歷史有個直觀的印象（只針對每個廠商的虛擬環繞聲領域，排名不分先后）。

（1）SRS Lab。SRS（Sound Retrieval System）Lab，成立于1993年。最早推出的技術是SRS 3D，它可以將立體聲信號經過運算，在兩聲道系統重放出環繞聲。SRS 3D可以視為其虛擬環繞聲的核心技術。后來SRS推出了SRS TruSurround，增加了對Dolby Pro Logic、Dolby Digital等環繞聲編碼的支持，并提升了處理的質量。現在，SRS TruSurround已經發展到了SRS TruSurround HD4。同時，SRS還推出了專門針對立體聲耳機重放虛擬環繞聲的SRS Headphone系列。其中SRS Headphone 360可以讓立體聲耳機回放5.1或者7.1編碼的環繞聲音頻，而CS Headphone則可以使立體聲信號經過處理轉化為虛擬環繞聲回放。

（SRS 3D——SRS TruSurround——SRS TruSurround HD——SRS Headphone ——SRS Headphone 360——SRS CS Headphone）

（2）Qsound Lab。Qsound Lab成立于1986年。有意思的是，Qsound的虛擬環繞聲技術的第一次商業應用就是在Capcom⑤的游戲運用。Qsound的虛擬環繞聲核心技術是QSurround算法。其后推出了三款商用產品：QSurround HD， 專為雙聲道音箱系統的多聲道虛擬環繞聲技術；QSurround 5.1， 用于多聲道系統的虛擬環繞技術；QSound Headphones， 耳機虛擬環繞聲技術。通過分析QSurround5.1針對多聲道系統的用途可以發現，QSurround技術是可以用于立體聲信號源虛擬“上變換⑥”的（如果不能上變換，則QSurround 5.1技術就沒有意義了）。

（3）Dolby Lab。Dolby Lab創立于1965年。與SRS和Qsound不同，杜比的主要技術重心是音頻編碼標準（如Dolby Digital），虛擬環繞聲技術只是杜比的一項分支技術。這帶來了兩點顯而易見的優勢：一方面可以在音頻編碼與虛擬環繞聲處理的技術銜接上更加完美。另一方面由于杜比音頻編碼標準的市場影響力和占有率，杜比可以在自家虛擬環繞聲技術的推廣上，有更大的話語權（就好像微軟的對待上、下游廠商的做法）。杜比的技術體系相比SRS和Qsound更簡明——基于Virtual Dolby Surround技術，杜比衍生出Dolby Virtual Speaker和Dolby Headphone兩項技術產品。從名稱上就可以看出，這兩項技術可以通過算法處理，將環繞聲信號在雙聲道音箱、耳機中重放虛擬環繞聲。

（4）SunnyTech。SunnyTech是這次談到的最神秘的公司。第一個原因是因為它推出了世界上第一款物理環繞聲耳機。第二個原因是這家宣稱來自美國的公司，居然只有一個在安徽注冊的、推廣LTB系列耳機的網站，此外再無母公司網站或者技術資料。Sunnytech之所以出現在這篇論文中，是因為它宣稱的ISC（獨立音室）技術：通過一個USB數字解碼器，以及一個六單元（每個耳罩內三個單元）的頭戴式耳機，達到真正的物理耳機環繞聲。不過根據僅有的資料，使用者似乎對于這個技術評價并不是很高。

4虛擬環繞聲的分類

虛擬環繞聲，從廣義上說，可以定義為“將原本為立體聲聽感的回放聲信號，經過數字環節的處理計算，轉變為環繞聲聽感的回放聲信號”。這里特別需要特別指出的是，如下兩種情況也包括在廣義虛擬環繞聲的定義中：1）環繞聲編碼信號源（環繞聲數字信號）在兩聲道回放（環繞聲聲信號）。2）普通立體聲信號源，在環繞系統（標準環繞聲擺放）的虛擬環繞聲回放。由于廣義虛擬環繞聲在數字信號源和回放系統兩方面都分別存在類別劃分，因此我將目前的虛擬環繞聲技術，按照兩種分類體系進行了分類。

（1）按照信源聲道數分類：1）信源聲道數為2：這類虛擬環繞聲的代表技術有SRS 3D、QSurround5.1等。這些技術將原本為立體聲的數字信號，處理為虛擬環繞聲信號，在兩聲道回放系統或者環繞聲回放系統中重放。2）信源聲道數為N（N為標準環繞聲聲道數）：這類虛擬環繞聲的代表技術有SRS 3D的衍生技術SRS TruSurround和SRS Headphone系列、QSurround HD、QSurround Headphone以及Virtual Dolby Surround等。這些技術將環繞聲數字編碼解碼后，再通過處理，在雙聲道系統中重放（這種技術對于環繞聲系統沒有意義）。3）信源聲道數為2（N）：這類虛擬環繞聲的代表技術是人工頭錄音。這些技術在錄音時就是以兩聲道重放環繞聲為目的，得到兩聲道數字信號，因此不需要做處理就可以直接回放。但是這類技術基本應用于耳機回放。

（2）按照回放系統分類：1）雙聲道音箱回放：SRS 3D技術及其衍生技術SRS TruSurround、Dolby Virtual Speaker、QSurround HD。2）雙聲道耳機回放：SRS 3D技術及其衍生技術SRS Headphone系列、Dolby Headphone、QSurround Headphones。3）環繞聲音箱系統回放：QSurround 5.1。4）物理多聲道耳機回放：SunntTech的ISC技術。

在這里對虛擬環繞聲的“虛擬”做一個總結：

1）2轉N至N（立體聲數字信號，上變換為環繞聲數字信號，在環繞聲系統中重放）：虛擬在“上變換”環節。2）N轉N至2：虛擬在音箱、耳機重放環節。3）2轉N至N：同時虛擬在“上變換”和重放環節。

5虛擬環繞聲的原理核心以及發展

所有虛擬環繞聲技術最基本的核心是人頭傳遞函數，即HRTF（HeadRelated Transfer Functions）。HRTF模擬聲音信號從聲源到達耳膜之間的傳輸路徑中，頻率響應上受到的衰減。

早期的虛擬環繞聲技術，針對立體聲信號，通過HRTF函數模擬側后方反射聲以及混響聲，以達到虛擬的“上變換”混響。這時的虛擬環繞聲技術在“環繞”這個概念，僅僅是“有包圍感”這個最低要求。后來，虛擬環繞聲技術進一步發展。由于家庭影院的普及，越來越多的人想要在家里享受真正5.1編碼的節目源，這也對虛擬環繞聲領域提出了更高的要求。這時的虛擬環繞聲，加入了對5.1編碼的支持。基本原理是將L和Ls、R和Rs分別發送給左右聲道，C信號經3dB衰減后同時饋送到左右聲道，再經過HRTF函數等算法，得到真正5.1編碼源的虛擬環繞聲重放。

虛擬環繞聲發展到這里，也算進入了一個相對的高度了。但正是因為技術水平的提升，一些原來無須重視的問題成為最重要的課題。通過對之前兩步發展分析可以發現，虛擬環繞聲在重放時并沒有對耳機重放或音箱重放進行統一的嚴格要求。而我們又都知道，耳機重放和音箱重放的原理是有區別的：耳機重放條件下，左聲道只能傳遞到左耳，右聲道只能傳遞到右耳；而音箱重放條件下，左或右聲道均可以傳遞至左右兩耳，并且帶有傳輸路徑的信息（聲學環境影響，以及可能存在的某系空氣衰減重復計算）。因此，虛擬環繞聲在這里就分化出了兩個系列：Headphone系列和Speaker系列。

Headphone系列中，針對耳機回放的頭中效應（其實在之前的技術中，工程師也對頭中效應進行了優化，但是在耳機回放單獨分化出來之后，優化技術有了更好的發展），新的技術在L、R聲道中刻意串入對方聲道的信號，以模擬人頭真實聽音感受。同時，為了模擬真實聽音環境的反射聲，在L、R聲道中加入了房間聲學模型的函數。但是問題又來了，由于加入的房間反射聲模型與聲源信號的不可控制性，會導致諸如重放聲像定位不準等新的問題。針對這一問題，每個廠家也都推出了自己解決。比如對于后方環繞聲道信號進行去相關延時處理等。

Speaker系列中，因為不存在頭中定位問題，因此可以直接采用反射聲模擬。但是同樣，反射聲的不可控性帶來了定位等問題。每個廠家也是各自推出獨門絕技，比如Dolby的揚聲器傳音消除技術，可惜由于技術機密的原因，其具體的解決措施我們無法真正得知。

技術的發展沒有止境的。解決了耳機和揚聲器的問題，使得我們在水平聽音面有了較好的環繞聲模擬效果之后，各大虛擬環繞聲技術廠家開始致力于三維空間的虛擬環繞聲。眾所周知在普及商用環繞聲領域，即使是最新的Dolby TrueHD和DTSHD，也基本上是360°二維環繞聲（由于人耳耳郭的濾波構造以及日常聽音經驗，會存在很少一部分上下定位的分辨），而虛擬環繞聲這個“假”技術在立體化上走在了“真家伙”前面。現有的三維虛擬環繞聲技術，主要實現手段是在后方環繞聲道部分。究其原因，主要原因有兩點：1）后方聲道的定位要求不高，實現起來難度不大。2）前方聲道的三維處理，在現行階段會因為慣性聽音習慣而造成不合理感。后方環繞聲道的虛擬，主要還是基于HRTF實現。通過將環繞聲道信號饋送給一個3D模塊的HRTF函數（具有上下角度采樣的HRTF數據），計算處理后重放出三維虛擬環繞聲。

6游戲所需要的

本文開頭提到，目前最尖端的游戲，提供的都是環繞聲編碼的音頻信號；因此有多音箱回放條件的玩家就無須“上變換”類型的虛擬環繞聲。據此分析，尖端游戲所需要的虛擬環繞聲技術，應當是狹義的虛擬環繞聲，也就是雙聲道環繞聲，即“在使用兩聲道⑦系統的前提下，回放多聲道環繞聲”。也就是說，像QSurround 5.1這類技術，我們在尖端游戲領域就不需要了。

7環繞聲在電子競技的應用以及“后方定位優先”

就像文章第二段談到的，之所以虛擬環繞聲在尖端游戲的應用廣泛，是因為大部分玩家對環繞聲要求不高或者有客觀因素制約。但是對于一些高端電子競技⑧玩家，他們追求的是競技性。在競技性的前提下，挖掘一切因素來獲得感知上的全面精準和優勢就顯得非常有必要。舉一個簡單的例子：在主視角射擊游戲的競技中，玩家需要準確判斷在身后玩家的位置，并及時給予“還擊”。面對這種要求，環繞聲可不可以做一些因地制宜的變通呢？回望環繞聲技術的發展歷程，始創于電影工業，然后應用于音樂領域。電影和音樂，都是對于重視觀眾正前方的媒體——電影熒幕在前方，音樂舞臺在前方。因此，環繞聲技術的標準一直以來都是“前方定位優先”，后方聲道更多肩負的是包圍感營造或者簡單聲像定位的責任。可是在電子競技的一些項目如主視角射擊游戲、賽車游戲等等，水平任何一個方向的定位都是非常重要的。然而，屏幕在前方已經提供了很好的視覺定位，如果再把聲音定位最佳區域放到前方，這豈不是一種資源重復浪費？由此我斗膽提出：為什么不在這些電子競技領域，將5.1或者7.1聲道環繞聲音箱的設置，在水平聽音面上進行一個180°的旋轉，讓聲音定位最好的L/R/C區域放在后方，以此來彌補視覺上的定位盲區？

當然，這個“后方定位優先”理論，一定要有游戲開放廠商的支持。但是其實要把聲音“后方定位優先”付諸商業應用，是非常容易實現的。因為“后方定位優先”不需要制定全新的環繞聲音頻編碼，甚至不需要完全重新制作游戲的聲音引擎，只需要游戲廠商在游戲主體系統和音頻引擎之間，加入一個可開關的數字信號分配模塊。那些需要“后方定位優先”的玩家，可以選擇打開，這樣原本在后方Ls/Rs重放的音效就被自動饋送編碼到L、C、R聲道去了。

當然，“后方定位優先”的設想還有很多需要討論、驗證的地方。首先，將定位不佳的區域放置在前方，必然會損失前方的聲像定位準確度下降。雖然有屏幕提供極佳的視覺定位感知，但是結合聲音定位之后，會不會造成聲畫定位的混亂？通過分析可以發現，由于屏幕寬度一般小于前方音箱的間距，會導致視覺定位與聽覺定位的錯位。因此，雖然人在感知定位時會結合視覺與聽覺，但其實在環繞聲系統中，視覺定位系統和聽覺定位系統往往存在一定的分離。這意味著，聽覺定位準確度不能完全依賴于視覺定位。所以如果將聲像定位準確度較低的Ls、Rs放置在前方，可能會加劇視聽覺定位的錯位感。這是“后方定位優先”有待驗證的問題之一。再有，人的耳郭是有濾波作用的，具體到水平前后方向來說，就是通過的耳郭濾波作用，配合人頭的下意識的左右轉動，達到前后聲源的分辨。而“人耳濾波器”在人類長年累月的進化中，造成了“重前輕后”的現狀。也就是說，如果將L、C、R音箱放置在后方時，因為人耳濾波的作用，它們的聲像定位準確度較之在前方放置時，會有一定程度的下降。這是“后方定位優先”有待驗證的問題之二。

可惜的是，因為沒有主觀聽覺評價的條件，我考慮的這兩個潛在問題，無法得到實驗證明。不過如果可以驗證這兩個問題（以及更多我沒有考慮到得因素）的負面作用，沒有“后方定位優先”帶來的提升多的話，“后方定位優先”還是會有其存在的意義的。試想，環繞聲的“后方定位優先”加上視覺準確的“絕對前方定位”相輔相成，讓高端的游戲玩家得到更好的全方向定位感知。這也是環繞聲在尖端游戲領域的又一個應用吧。

注釋：① Atari（雅達利）.上世紀七、八十年代最領先的游戲系統制造廠商之一，這里借用Atari來指代其早期一系列經典的八位游戲系統。

②任天堂，即日本Nintendo公司。從上世紀八十年代開始成為最領先的游戲系統制造廠商。FC（Family Computer）是其在八十年代推出的經典八位游戲系統，在國內有諸如“小霸王”等諸多仿制品。

③PS3，全稱Play Station 3。一款由Sony公司推出的游戲系統。PS3和XBOX360，一般被認為目前最尖端的主流游戲系統。

④XBOX360，一款由微軟推出的游戲系統。

⑤Capon，一家以生產游戲軟件為主的日本老牌游戲公司。中文習慣翻譯為卡普空。

⑥上變換，借用音頻編碼上下轉換的名詞，指將立體聲數字信號處理為環繞聲數字信號的過程。

⑦這里用兩聲道，強調兩聲道音箱和立體聲耳機兩個方面。

⑧電子競技，一種以電子游戲為比賽內容的競技項目。如今的電子競技已經具有相當規模，是國家承認的體育競技項目。世界范圍內，已經有很多大型的電子競技比賽，形成了一定的商業規模。參考文獻：

[1] SRS Lab官方網站.www.srslabs.com.

[2] Sound官方網站.www.qsound.com.

[3] Dolby官方網站.www.dolby.com.

[4] 李其佳.SRS 3D與SRS TruSurround技術[J].音響技術，1999（4）.

[5] 謝菠蓀，王杰，管善群，李長濱.5.1通路環繞聲的耳機虛擬重放[J].聲學學報，2005（7）.

[6] 王超，胡劍凌.基于HRTF的虛擬三維空間環繞聲耳機重放[J].信息技術，2009（1）.

[7] Dolby Virtual Speaker.技術說明文檔.