淺談3D聲音技術及在音樂類節目錄音實踐中的運用

曹 勐

（中國音樂學院音樂科技系，北京 100101）

淺談3D聲音技術及在音樂類節目錄音實踐中的運用

曹 勐

（中國音樂學院音樂科技系，北京 100101）

基于3D聲音基本概念和特點，介紹了基于“聲道”和基于“對象”的3D聲音技術原理，分析音樂類節目的3D聲音錄制方案，并預見音樂類節目的3D聲音制作將成為研究熱點。

3D聲音技術；沉浸式聲音；3D音樂錄制

1 引言

3D是近年來頻繁出現的一個熱門詞匯，以3D電影、3D電視、3D游戲、3D投影等為代表的3D影像技術已經成為視頻領域的發展熱點。而音頻方面，3D聲音（也稱沉浸式聲音）正在成為一個新的發展方向。近兩年音頻領域的重要國際會議，如AES（Audio Engineer Society）會議、德國錄音師會議（Tonmeistertaguang）等，都將3D聲音作為會議研討的一項重要議題；各國科研機構和設備廠商也在著力研發針對3D聲音的新技術、新設備。筆者從3D聲音基本概念和特點入手，介紹一系列目前常見的3D聲音技術方案，并且針對音樂類節目的3D聲音錄制方法進行總結分析。

2 3D聲音技術特點及發展現狀

3D（3-dimensional），通常被譯為三維，通常指空間維度，即具有長、寬、高三個向量的立體空間。3D聲音可以理解為通過一定的技術手段記錄和重放出三維空間信息的聲音。

人耳與生俱來地具有感知三維聲場和定位三維空間聲像的能力。聲音的錄制和重放技術從單聲道、雙聲道平面立體聲再到5.1、7.1平面環繞聲，其對聲場的塑造能力從一維空間發展到水平二維空間。而3D聲音技術與3D圖像技術主要拓展縱深有所不同，主要拓展了音頻系統在垂直方向的聲場塑造能力，可以模擬出與真實聽音感受最為接近的三維聲音空間。

2.1 3D聲音技術特點

3D聲音技術與設備的運用，不但給人們帶來了全新的音響審美體驗，而且由于聲音空間的拓展，聲音創作的空間和自由度獲得了前所未有的提高。其特點和優勢可以歸納為以下幾點。

（1）3D聲音技術臨場感和沉浸感更強。在人們的聽音習慣中，從上方和斜上方而來的聲音承載了更多有助于辨識聲場環境的信息。3D聲音重放技術使聽眾置身于一個三維的聲音重放空間內，聲場的重現與在自然環境的聽音體驗接近，這種臨場感是平面立體聲和環繞聲無法比擬的。

（2）3D聲音技術拓展的垂直方向的聲像定位使聲場信息更完整。垂直方向聲像定位的出現使聲像運動軌跡更加自由、連貫，進一步豐富了聲音的藝術表現力。

（3）3D聲音技術改善了重放聲音的音質。從單聲道到平面環繞聲的發展過程可以看出，聲道數量越少，單個通路內所包含的聲音信息就越多，也就易出現信號間相互的聲染色和相位抵消的現象。目前常見的大部分3D聲音系統都增加了上方或斜上方的揚聲器，所以一定程度地緩解了聲染色和相位抵消的問題。德國Fraunhofer研究院的雙盲音質對比測試結果（如圖1所示）也顯示出當添加上層額外聲道揚聲器時，聲音的整體音質有了大幅提升。

（4）3D聲音技術擴大了最佳聽音區域。平面環繞聲相對于雙聲道平面立體聲的一大優勢就是最佳聽音區域擴大，而3D聲音重放系統又在平面環繞聲的基礎上將最佳聽音區域進一步擴大。這一點筆者有切身體會，在德國錄音師會議設置的3D視聽室內，筆者特意在多個位置進行了對比聆聽，感受到聲音的還原和聲場的一致性非常好，雖然在不同位置聲像定位也會有一些差異，但是并沒有出現過于極端的變化效果。

2.2 3D聲音技術發展現狀

近幾年，3D聲音技術進入了發展的快車道。大量產品從研究機構和設備廠商的實驗室走向市場，其中有些已經在普通聽眾和業內專家中獲得了較好的評價和廣泛的接受。目前常見的3D聲音技術方案有：Dolby Atmos（杜比全景聲）、Auro 3D、IOSONO-3D、NHK22.2、DTS-X、HOA（High Order Ambisonics 高階聲場復制）等。就聲音信號分配方式而言，可將常見的3D聲音系統分為基于“聲道”和基于“對象”兩種類型。

2.2.1 基于“聲道”的3D聲音技術

基于“聲道”的3D聲音技術采用了與傳統平面立體聲和環繞聲類似的信號分配方式，通過不同揚聲器重放聲音信息之間的強度差和時間差定位聲源。使用這一原理的3D聲音技術方案包括Auro 3D、NHK22.2等。

2.2.2 基于“對象”的3D聲音技術

基于“對象”的3D聲音技術打破了傳統以聲道為基礎的聲音信號分配方式，在聲音制作環節中增加一個專用的編碼處理器，將聲音的空間定位信息記錄為一系列的元數據，這些元數據并不屬于任何一個物理意義上的聲道，重放時使用解碼器利用元數據的聲音定位信息調用重放系統的對應揚聲器進行重放。屬于這類3D聲音技術方案包括Dolby Atmos、DTS-X、IOSONO-3D等。其中IOSONO-3D系統對元數據進行解碼重放時還采用了基于惠更斯原理（二次波源原理）的波場合成技術（Wave Field Synthesis）①。

3 音樂類節目的3D聲音錄制

目前3D聲音技術主要是針對電影、游戲領域進行技術研究和節目制作，針對音樂類節目制作的3D聲音研究較少，但鑒于目前音樂演出市場和電視臺音樂類綜藝節目的火熱，音樂類節目有可能成為下一個3D聲音技術應用的研究熱點。

圖1 立體聲、平面環繞聲擴展至3D聲音重放系統的音質效果比較

3.1 Auro 3D技術在音樂錄音領域的運用

通過對現有音樂類節目的3D聲音錄制方法的分析和比較，可以發現目前大部分音樂類節目的3D聲音同期錄制制作方案都是根據Auro 3D技術方案進行設計，并且在Auro 3D系統中進行重放。Auro 3D技術方案在音樂節目3D重放領域的應用占據重要的位置。下面分別從音樂節目的聲音特點和Auro 3D技術方案特點等角度分析其在音樂節目錄制領域被廣泛采用的原因。

（1）從聲音的藝術表現上看，電影聲音與音樂聲音有各自不同的藝術追求。電影聲音需要與電影畫面完美配合，不僅需要重現畫面所呈現的聲場環境，更要求準確的聲像定位和還原聲音對象的運動軌跡。而音樂類節目尤其是古典音樂類節目則沒有太多運動聲源定位的要求，即便需要聲像定位，很多時候也不是一個點而是需要有一定寬度。錄制這類節目的側重點在于聲場塑造，模擬更自然的音樂表演環境，帶給聽眾更逼真的沉浸式體驗。所以，雖然類似Dolby Atmos那樣的基于“對象”的信號分配方式能夠重現更準確的三維聲像定位，但音樂類節目留給它發揮的空間十分有限。

（2）傳統音樂錄音無論是同期的立體聲、環繞聲制式錄音方式還是分期的單點拾音和后期制作，其理論基礎都是傳統的基于“通道”的重放系統。而在基于“通道”重放的Auro 3D系統中，音樂錄音師可以利用自身已經掌握的所有傳統錄音制作手段，工作習慣和工作方式與之前也幾乎不發生任何變化，只是需要考慮增加上層的傳聲器組來為上層揚聲器提供對應的音頻信息。也就是說Auro 3D技術方案是音樂錄音師可以相對容易地憑借已具備的平面立體聲錄音技術和經驗快速進入3D聲音技術領域的方式。

（3）Auro 3D系統根據不同的重放環境和重放條件制定了從9.1到13.1等幾套固定的揚聲器系統搭建方案，并要求理想的重放系統都應按照上述方案進行搭建。部分錄音師十分認可這種方式，認為這樣可以保證音樂成品播放時的重放條件與自己制作時的監聽條件一致，也就保證了錄音師制作時的監聽狀態與廣大聆聽者最終的實際聆聽效果非常接近。而Dolby Atmos卻沒有設計固定的聲音重放系統，需要根據廳堂的實際尺寸設計揚聲器的數量。實際上，由于揚聲器的使用數量和最終聲音的重放效果有著非常密切的關系，一般民用重放系統在揚聲器數量和質量上都與專業系統存在較大差異，這就造成了制作時監聽到的聲音效果在一般民用重放設備上被大打折扣。

（4）Auro 3D技術方案的兼容性。目前絕大多數音樂錄音的重放系統仍以2.0聲道和5.1聲道為主，針對2.0和5.1 聲道的節目制作仍是音樂錄制技術的主要內容。因此使用3D聲音技術進行錄制的音樂錄音師必須首先保證自己的作品能夠在上述兩種環境下重放出較為理想的效果。Auro 3D獨特的Octopus編碼技術具備非常出眾的向下兼容性，其聲音成品（采用藍光光碟存儲）可以在不需要解碼器的情況直接回放5.1通道乃至2.0通道的PCM數據流。這樣，在制作端就可以實現一次性完成平面和3D兩種重放格式的制作，同時在客戶終端有解碼器的情況下可以實現3D聲音的解碼還放，即使沒用解碼器也不影響2.0、5.1格式下的欣賞。

3.2 3D音樂錄音案例分析

目前采用3D聲音技術的音樂錄音案例較少，大多數還在討論和探索之中，以下選擇三個具有代表性的錄音方案加以分析。

3.2.1 Galaxy Studio的3D音樂錄音方案

作為Auro 3D技術的創始者，有著深厚音樂錄音經驗的Galaxy Studio公司所提出的音樂錄音方案是3D音樂錄音的典型案例。

Galaxy Studio的基本方案（是依據Auro 3D系統中揚聲器上下兩層設置的方式，采取兩層傳聲器布局，即在原有平面環繞聲錄音方案的基礎上增加了上層傳聲器組，如圖2所示。在整個系統中，下層傳聲器組多采用Decca Tree加后方2支全指向傳聲器，共5支全指向傳聲器的方案；上層傳聲器組一般由4支全指向傳聲器組成，其中，在Decca Tree的正上方為一組AB（2支全指向）傳聲器組，傳聲器主軸一般指向正前或斜下方，根據實際錄音環境的情況也有指向斜上方的情況，另外，在2支環繞傳聲器的正上方再分別各設置1支全指向傳聲器，主軸指向斜后方。實際錄音時，樂隊中還會對某些樂器和聲部增加輔助傳聲器。

這種方案的優勢之一就是針對平面環繞聲系統的向下兼容性極佳。在不進行解碼的情況下，系統錄制的信號重放出下層標準的5.1環繞聲錄音系統的信號；而上層傳聲器則主要負責拾取來自廳堂上方、斜上方的反射聲，同時也會拾取到一些能量相對下層較弱且傳播聲程更長的直達聲。

3.2.2 2L唱片公司的錄音方案

挪威2L唱片公司（LindbergLyd）是古典音樂唱片廠牌中的后起之秀， 近兩年其唱片連續獲得了格萊美獎古典音樂類別的多項提名。它是目前堅持采用DSD錄音技術進行錄音，是目前少數發行Auro-3D格式藍光光盤的唱片公司。另外，2L有與眾不同的音響美學概念，認為多聲道技術可以打破原有舞臺表演觀眾與表演者之間的傳統位置關系，因此其制作的大量唱片所追求的是一種將聽眾置身于樂團的中間，即聽眾被所有樂器包圍的新奇的聲音體驗。筆者將2L錄音的基本原則總結為如下三點：選擇最佳的錄音場地，使用最簡單的傳聲器設置，通過改變樂隊擺位獲得理想的平衡和奇妙的聲音體驗。

2L公司的拾音技術從Decca Tree和Mercury Tree中汲取了部分靈感，它的3D拾音技術也是從其他的平面環繞聲拾音技術發展而來的。它的平面環繞聲拾音技術一般采用5支或7支傳聲器組成的拾音陣列。以專輯《Remote Galaxy》（如圖3）的錄制方式為例，其平面環繞聲的錄制，采用7支傳聲器組成環繞聲陣列置于環形布局的樂隊中心，如圖4所示，使用傳聲器一般都為DPA全指向傳聲器，相鄰傳聲器的間距不超過1 m。5支傳聲器的陣列可以理解為模仿5.1重放系統的L、C、R、Ls、Rs 5只揚聲器；而7支傳聲器的陣列是從5支傳聲器陣列發展而來的，增加的2支傳聲器位于L和Ls、R和Rs之間，用于確保L、R和Ls、Rs之間的聲音過渡得平衡、自然，多用于中大型樂隊拾音。在此基礎上，2L公司增加了上方的4支全指向傳聲器來實現Auro 3D格式的錄音，這4支傳聲器分別位于L、R、Ls和Rs聲道傳聲器的正上方，向下的俯角略小于下層傳聲器，上層升高的高度等于下層L、R傳聲器的間距，如圖5所示，錄制中傳聲器陣列與樂隊的位置如圖6所示。上下兩層傳聲器基本上組成了一個立方體，而立方體的尺寸根據樂隊規模在120 cm～40 cm[6]之間變化。傳聲器方面，2L的錄音多選擇全指向傳聲器，只是有時根據音樂和樂器的特點在小振膜傳聲器DPA4003和大振膜傳聲器DPA4041（傳聲器主軸方向的調整更為嚴格）之間進行選擇。

圖2 Galaxy Studio 3D音樂錄音方案實例

圖4 《Remote Galaxy》環繞聲錄制中樂隊擺位和拾音位置

圖3 Remote Galaxy 專輯封面

圖5 《Remote Galaxy》3D錄制中采用的拾音傳聲器陣列

圖6 《Remote Galaxy》3D錄制中樂隊與傳聲器陣列的位置

與Galaxy Studio的錄音方案一樣，2L公司的3D音樂節目拾音技術來源于它的平面環繞聲陣列拾音技術，其同樣具備完美的向下兼容性。依據2L公司的音響美學原則，該系統的傳聲器使用十分經濟，除主傳聲器陣列之外幾乎不使用任何輔助傳聲器（只是偶爾給獨奏樂器架設輔助傳聲器），因此，這種錄音對廳堂聲學環境、樂隊的位置布局和樂隊本身的音響平衡有極其嚴苛的要求。

圖7 Zielinsky Cube 的傳聲器位置關系

圖9 MKH800twin傳聲器

3.2.3 Zielinsky Cube 3D拾音方案

Zielinsky Cube是以德國著名錄音師和制作人Gregor Zielinsky的名字命名的3D音樂錄音制式。1989年，Gregor Zielinsky曾憑借錄制伯恩斯坦指揮的音樂劇《老實人》斬獲格萊美最佳古典音樂錄音獎項。他從2010年開始介入Galaxy Studios公司的Auro 3D研發工作，進行了大量音樂的3D錄音和制作實驗，音樂類型涵蓋了古典音樂、爵士樂、搖滾樂等多種音樂風格。

經過多年3D音樂錄音實踐，Zielinsky總結出了一套獨特的3D主傳聲器拾音布局方式，稱之為Zielinsky Cube。該系統由8支傳聲器組成，傳聲器的位置正好處于一個虛擬立方體（長方體）的8個頂角，如圖7、圖8所示。如圖7所示，下層L、R傳聲器的間距約等于上層HL和下層L間距離的2倍，其余上層傳聲器的高度均可以此類推，這種傳聲器布局方式與Auro 3D系統的揚聲器擺放標準完全吻合。下層L、R和LS、RS傳聲器組可以理解為常規的大AB加左后右后兩支環繞聲傳聲器，L與R傳聲器的間距一般在1.5 m～2 m之間，有時甚至更大，傳聲器型號多選擇Sennheiser的MKH800twin②（如圖9所示）。進行3D錄音時，條件允許的情況下，上下層8支傳聲器都使用該型號傳聲器，有時上層也有選擇其他心形或寬心形指向傳聲器的情況。HL、HR傳聲器主軸指向正前方，而HLS和HRS傳聲器則多指向斜后上方。

根據上述傳聲器布局方案可以發現，Zielinsky一般不使用Auro 3D系統的前方中間聲道，他認為中間揚聲器的使用對于音樂錄音沒有很重要的作用，使用它會使聲音從左到右的過渡變得不自然。甚至有時即使根據樂隊編制和廳堂特性需要在左右傳聲器中間增加一支中央傳聲器C，重放進行聲道分配時也只將這路信號同時分配給左右揚聲器而不向中間揚聲器分配。同時，Zielinsky還提出了上下兩層傳聲器拾取信號的相關性問題，他認為上下兩層傳聲器所拾取信號的內容必須具備一定的相關性，即上層傳聲器也要拾取一定量的聲源直達聲，只有這樣才能保證垂直方向的重放聲場最為自然，并且能體現出聲源本身的高度信息。如果上方傳聲器只拾取上方反射聲，會導致整個聲場被分割為上下兩部分，使聲場整體性、融合性差。

圖8 Zielinsky Cube 傳聲器與樂隊的位置關系

4 總結與展望

3D聲音系統可以有效地提高重放聲音的音質；同時其獨一無二的沉浸式聲音體驗超過以往所有的聲音重放系統，可以塑造出逼真的音樂聲場；三維空間定位能力則突破了傳統的聲音重放空間，拓展了音樂創作的機會和表現力。

目前，Barco公司聯合Auro Technology公司和德國的IOSONO Sound公司（已被Barco收購）發布立了Auro 3D的升級版本Auro Max。Auro Max已經放棄了傳統基于聲道的方式轉而運用基于對象的技術（借鑒了IOSONO-3D的元數據技術）。因此，基于“對象”的聲像重放方式由于其精確的聲像定位能力和對基于聲道方式的兼容性，必將成為3D聲音技術的主流。

隨著3D聲音技術的廣泛應用及該技術的不斷進步發展，在電影聲音領域、音樂領域、游戲領域等將具有廣闊的應用空間和發展前景。現在，現場音樂會、多媒體“秀”的3D聲音擴聲已經成為3D聲音技術國內外研究和嘗試的新熱點，2013年10月昆曲水磨新調3D全息音樂會和2015年8月的“聲立方”電子音樂全息聲音樂秀在上海舉行，兩場音樂會的擴聲系統均采用了波長合成技術（WFS）重放3D聲場，為聽眾帶來更美妙、新奇的聽覺體驗。

注：本文屬于“國家科技支撐計劃項目：2012BAH38F03-03聽覺呈現系統效果測試與評價”研究成果。

注釋：

①波場合成技術（WFS）是在已知原始聲源位置定位信息的前提下，通過波場合成算法求出各二次聲源的驅動信號，利用連續分布的二次聲源實現對原始聲源所在聲場的精確重建。理論上該技術通過數學算法所獲得的重放聲場與真實的聽音空間完全一致，而且重放信號的聲像定位不會隨聽眾在聽音區域內位移而改變。

②MKH800 twin是一種可以在監聽時自由調節傳聲器指向性的雙電容傳聲器。它與其他雙電容傳聲器（如Neumann U87）的最大區別是兩組電容產生信號不進行混合而是分別輸出，即1支傳聲器具有2個XLR輸出接口，錄音師可以根據實際監聽的情況自由調節2個輸出的比例關系，從而改變傳聲器的指向性。

[1] Günther Theile,Helmut Wittek. Principle in Surround Recording with Height[J]. AES Journal, May 13, 2011.

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[3] Bert Van Daele,Wilfried Van Baelen. Auro-3D Workflow Presentation[Z]. 2012-02-28.

[4] 周天樅. 全新的3D聲音體驗_DolbyAtmos與Auro_3D[J]. 演藝科技,2015(2):19-22,65.

[5] 莊元. 余音繞梁如聞天籟_3D環繞聲技術發展述評[J]. 演藝科技,2015(3):14-20.

[6] Morten Lindberg. 3D recording with"2L-cube". VDT Magazin,2015(3).

[7] Robert Bleidt,Arne Borsum,Harald Fuchs,S. Merrill Weiss. Object-Based Audio: Opportunities for Improved Listening Experience and Increased Listener Involvement[J]. SMPTE Journal,2015.

[8] Brian Claypool,Wilfried Van Baelen,Bert Van Daele. Auro 11.1 versus object-based sound in 3D[Z].

[9] Dobly Labbratories. 杜比全景聲影院揚聲器位置設計指南[Z].

[10] Dobly Laboratories. Dolby Atmos Cinema Technical Guidelines[Z].

曹勐，2002年畢業于中國傳媒大學錄音藝術學院，碩士。參與了中國音樂學院音樂科技系的籌建，現為中國音樂學院音樂科技系錄音與擴聲專業講師，中國傳媒大學藝術學部創作導師，首都師范大學音樂學院外聘專家，北京傳統音樂節音響設計。擅長中國民族音樂和西方古典音樂的錄音制作，具有從立體聲節目制作到多聲道環繞聲節目制作等多種類型與形式音樂節目的錄制經驗。

（編輯 杜 青）

Discussion on the 3D Sound Technology and the Application in the Practice of Music Program Recording

CAO Meng
(Music Department of Science and Technology, China Conservatory of Music, Beijing 100101, China)

Based on the basic concepts and features of 3D sound, the writer introduces the principle of 3D sound technology based on "sound track" and "object", analyzes the 3D sound recording scheme of music programs, and predicts that the 3D sound production will become a hot research topic.

3D sound technology; immersed sound; 3D music recording

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.12.004