余音繞梁 如聞天籟
——3D環繞聲技術發展述評

莊 元

（南京藝術學院傳媒學院，南京，210013）

音響技術

余音繞梁 如聞天籟
——3D環繞聲技術發展述評

莊 元

（南京藝術學院傳媒學院，南京，210013）

對目前主流的3D環繞聲技術進行了分類，比較分析了各類3D環繞聲技術的特點及其商業應用前景，預言3D環繞聲技術的創新正在推動21世紀聲音技術的發展。

3D環繞聲；聲場重建；巴可Auro-3D；IOSONO-3D；杜比全景聲；中國多維聲；沉浸感

近年來，一個十分新穎的概念——3D環繞聲被提出，它突破了以往環繞聲技術的局限，徹底改變了音頻體驗，當人們初次體驗3D環繞聲時，不禁會發出“余音繞梁，如聞天籟”的感嘆。進入21世紀，3D環繞聲技術得到蓬勃發展。相對于傳統單層揚聲器環繞聲技術而言，多層揚聲器3D環繞聲技術可以給觀眾帶來精確的聲音定位、更加細膩的聲音細節和更加沉浸式的聽覺感受，這種聽覺感受是傳統的環繞聲技術所無法比擬的。那么，3D環繞聲技術的原理是什么？各種技術孰優孰劣？發展現狀如何？發展前景如何？這些問題成為音頻技術界的探討話題，筆者擬對3D環繞聲技術的發展進行一次粗淺的述評。

1 概述

聲音的錄制和重放技術在很大程度上是由電影工業所推動的，然而迄今為止，多聲道環繞聲技術雖然已經發展了數十年，不斷有新技術的運用，但總體來說是以平面5.1聲道技術為基礎的2D環繞聲。

促使3D環繞聲技術發展的動機因素有三個方面。第一，從技術的角度來看，現有的影院環繞聲是基于單層揚聲器的2D環繞聲系統，在很長的一段歷史時期中領先于35 mm膠片的影像技術。但隨著3D影像技術的發展，這種單層揚聲器環繞聲系統所帶來的聲音效果與3D影像一樣已不再給觀眾帶來技術體驗的新奇感。影院聲音技術從2D向3D發展成為必然的趨勢。第二，21世紀文化創意產業的發展，使得演藝、會展、建筑設計、景觀設計、游戲、家庭娛樂、音響制造等產業都迫切需要新的聲音技術以帶來創新動力。第三，最重要的是人類對客觀世界無止境的探索精神。因此，3D環繞聲技術應運而生。

何為3D環繞聲？簡而言之， 3D環繞聲不僅應該傳遞聲場水平面X、Y軸上聲音的信息，即空間里左右前后的聲音信息，還應該傳遞聲場Z軸上的聲音信息，即是聲場在垂直高度上的變化，同時，X、Y、Z三維的聲音信息具有直接的相關性。除此以外，真正3D環繞聲技術相比以前的環繞聲技術應當有以下明顯的優勢：更加確切的聲音定位；更加連貫的聲像運動感；更加強烈的臨場感和沉浸感；最佳聽音區的最大化；更加平衡的揚聲器聲壓級；聲音和圖像畫面場景一致性；更加得心應手的藝術創作手段。

從歷史眼光回望，20世紀中后期科學與工程界就開始了對3D環繞聲的研究，限于當時的技術水平，并沒有開發出具有實用性的3D環繞聲系統。但與此有關的研究成果，為今天3D環繞聲的發展奠定了理論基礎。

進入21世紀，3D環繞聲技術的研究終于水到渠成，多家研究機構和廠商幾乎同時期推出了不同的3D環繞聲系統。目前，已經問世的3D環繞聲技術有Barco Auro-3D、Dolby Atmos（杜比全景聲）、IOSONO-3D、Imm Sound 23.1系統、Spheraudio Upmix系統、NHK 22.2聲道系統、TMH 10.2/12.2聲道系統、中國多維聲13.1系統以及其他一些3D環繞聲技術。

2 3D環繞聲技術發展的路徑

由于3D環繞聲技術是自21世紀初才真正開始應用，許多新技術還處于實驗階段，即使少數技術已經投入商業應用，但從總體看，目前工程界對3D環繞聲技術的開發還處于初始階段，學術界也還沒有形成完整的評價體系，這給分析現有的3D環繞聲技術帶來了很大的困難。但是，仍然可以從重建原理、信號算法、揚聲器設置架構、聲音制作工藝概念四個方面來進行歸納、推演。

1）就3D環繞聲的重建原理，現有的技術可以歸納為：

（1）基于心理聲學的重建技術；

（2）基于物理聲場的重建技術；

（3）基于心理聲學加物理聲場的重建技術。

2）就3D環繞聲信號算法，現有技術可以歸納為：

（1）雙耳聲學算法（Binaural Acoustic Technology, BAT）；

（2）幅值平移算法(Amplitude Panning,AP)與矢量的幅值平移算法(Vector Base Amplitude Panning,VBAP)；

（3）波場合成算法(Wave Field Synthesis, WFS )；

（4）高階全息算法（High Order Ambisonics, HOA）。

3）就3D環繞聲揚聲器設置架構，現有的技術可以歸納為：

（1）耳機系統；

（2）多層揚聲器系統；

4）就3D環繞聲的信號分配方式，現有的技術可以歸納為：

（1）基于“聲道”的概念；

（2）基于“對象”的概念；

（3）基于“聲道+對象”的概念。

上述各種3D環繞聲技術使用的聲場重建原理各不相同，分別具有各自的優勢，其中Auro-3D、IOSONO-3D、Dolby Atmos、中國多維聲13.1四種3D環繞聲系統在中國市場已經得到商業化應用，而且具有一定的代表性，以下筆者就分別來進行探討。

3 比利時Barco Auro-3D

Barco Auro-3D（以下簡稱Auro-3D），是由Barco（巴可）公司和Auro科技公司共同研發的3D環繞聲技術。Auro-3D是基于心理聲學的聲音場景重建3D環繞聲技術。其原理是聽音者基于雙耳效應建立的幻覺聲像場景；采用強度差方式實現聲像定位；揚聲器分為2或3層；信號分配是基于傳統的“聲道”概念。

強度差方式是一種有效的聲像定位方法，通過將分配至揚聲器的信號的幅度進行調整，控制人耳感知到的聲像的位置。利用3個以上揚聲器的聲音強度矢量合成可以重建虛擬聲源水平和高度位置。

基于“聲道”的重放是一種傳統的聲音制作的工藝概念。在電影混錄棚里，安裝了多聲道混錄調音臺和規范設置的揚聲器，所有聲音信號已經預先分配到指定的揚聲器?；旌箱浺魩熕诘墓ぷ魑恢眉词亲罴训穆犚粑恢?，他將按照自己的主觀感受調整各聲道信號的比例，最終得到符合不同影院需要的混錄聲帶，如單聲道、4-2-4矩陣立體聲、5.1聲道環繞聲、7.1聲道環繞聲等?；诼犛X心理效應，聽音者會在聲道揚聲器之間自覺感知聲場重建。這種工藝方法簡單、直觀，一直是電影錄音、制作的主要方式。

Auro-3D提供了大、小兩種房間模式，即商業影院中的Auro 11.1以及家庭影院類的Auro 9.1。這兩種房間模式中，分別有標準配置與高配置兩種模式：Auro 11.1是商業影院的標準配置，Auro 13.1是商業影院的高配置；Auro 9.1是家庭影院的標準配置，Auro 10.1是家庭影院的高配置。

Auro 11.1和Auro 13.1采用3個揚聲器層：環繞層、上層和頂層，Auro11.1系統揚聲器布局見圖1。

（1）環繞層用于還放包圍在聽眾周圍水平面的聲音。

（2）上層用于還放來自高層夾角為30°左右的聲音，來自這個角度的聲音大部分是非常重要的空間反射聲（同時也有一些直達聲，例如鳥鳴聲等），這對于大腦來說非常重要，能夠更好地理解從環繞層來的聲音；同時能夠得到更加自然的音色以及更加清晰的水平面聲音定位。

（3）頂層是增加的單獨聲道（天花板／上帝之聲聲道），還放飛過頭頂的音效或其他特別的在觀眾頭頂上方的音效，能夠創造一個頭頂上方的聲音定位或軌跡，是重現一個自然的包容的三維空間聲音體驗的關鍵所在。

為降低系統成本，利于商業推廣，也因為家庭小空間的聲學特性，Auro 9.1家庭影院系統將揚聲器設置為2層，即在原平面5.1環繞聲的基礎上，在房間頂部四角加裝4只揚聲器來實現3D環繞聲，揚聲器布局見圖2。而Auro 10.1系統則在9.1的基礎上，在天花板中央設置了單獨一個置頂揚聲器——VOG。

Auro-3D在進行電影后期制作時，需要在現有音頻工作站Pro tools或Nuendo平臺上加裝Auro-3D插件。這些插件包括Auro-MATIC?音頻混合插件、Auro-PANNER?聲像設計插件、Auro-VERB三維混響插件、Auro-Codec編解碼插件等。

使用Auro-3D編碼的電影放映時需要使用硬件解碼器，通過Auro-3D?硬件解碼器可以方便地將原有的單聲道、立體聲、5.1環繞聲重新編碼轉換成可以通過Auro-3D系統重放的音頻信號，這最大限度地解決了音頻格式的兼容性問題。

由于Auro-3D是在5.1環繞聲技術基礎上發展而來的，其最突出的優勢在于極高的音頻格式兼容性。該技術合理利用目前音頻標準中的動態裕量進行多聲道編碼，無需更改有關電影聲音的SMPTE （The Society of Motion Picture and Television Engineers，電影電視工程師協會）標準或DCI（Digital Cinema Initiatives，數字電影先導組織）規格。一個正常的含有電影內容的DCP（ DigitalCinema Package ，數字影院文件包），通過Auro 11.1解碼器可以從現有5.1或7.1音軌文件中提取其他聲道的聲音信息。

目前，全球已有500多家影院引入了Auro-3D環繞聲系統，北京中影電影數字制作基地也正在改建Auro-3D混錄棚，將能夠完成Auro-3D環繞聲的后期制作。與此同時，Auro-3D環繞聲技術已經快速向民用領域發展，例如家庭影院、豪華車載音響系統、游戲音頻領域等，這些無疑對其發展起著非常重要的作用。

綜上所述，Auro-3D技術使用有限的聲道和揚聲器來完成3D聲場的重建，成本低，沉浸感強，技術適應性廣，兼容性好，有著很好的市場前景。

4 德國IOSONO-3D

IOSONO-3D，是基于物理的聲場重建技術開發的3D環繞聲，由德國弗朗霍費協會（Fraunhofer IDMT）和德國IOSONO公司于2004年推出。

物理聲場重建技術的主要代表是波場合成和高階全息。波場合成技術是荷蘭代爾夫特理工大學的Berkhout教授于1988年提出的，它源于17世紀初的惠更斯原理。惠更斯原理表明，在波的傳播過程中，任意曲面上的某一個點都可以看作是一個新的子波源，其后的任意時刻，這些子波源發射的波前的包絡線，就是聲波這一時刻的新波前。

在已知原始聲源加位置信息的情況下，波場合成算法通過Kirchhoff-helmholtz積分求出各二次聲源的驅動信號，利用連續分布的二次聲源，實現對原始聲源的聲場精確重建。在理想化的情況下，波場合成技術可以確保二次聲源合成的聲場與原始聲場完全一致，聽音者像在真實聽音空間中一樣感知和定位聲源，并允許聽音者在聽音區域內部任意走動，聲像不因人的位置的改變而發生改變。

IOSONO-3D系統的通道配置和揚聲器布局是根據不同空間狀況而決定的，采用的是3～5層式分布，根據波場合成原理將聲音的 X/ Y/Z三維空間完全表達出來。以SWD-IOSONO聲音實驗室為例：第一層，底層環繞聲揚聲器陣列由52只揚聲器構成三維聲音空間中的X軸面，用以構成常用的環繞聲音床；第二層，由34只揚聲器構成，目的是將X軸面的聲場進行縱向拉伸形成Z軸；第三層，由8只揚聲器組成，在頂層形成三角形布局，將2 000 Hz以上的高頻輻射至聽音區域，強化聲像定位，SWD-IOSONO聲音實驗室揚聲器陣列布置圖見圖3。

真實環境中的聲音是由左/右、前/后、上/下三個軸面的聲波構成，從物理聲學的屬性來分析，又是由球面波、柱面波和平面波三種形式的聲波傳播方式所構成。IOSONO-3D可以還原自然聲場中的球面波、柱面波和平面波，從而再現真實三維空間。在信號的生成中，產生球面波對于環繞聲系統來說，較為簡單，獲得平面波和柱面波則需要對音頻信號進行大量計算處理與合成。

IOSONO-3D的制作需要在Steinberg Nuendo 5.5音頻工作站加入插件SAW（Spatial Audio Workstation），SAW工作時需要對揚聲器位置進行預先的設定。在聲音的后期混錄中，IOSONO-3D制作使用的是基于“對象”的工藝概念，這是一個新的概念?！皩ο蟆笔侵嘎曇魧ο螅梢允钦Z言，可以是音樂，可以是背景聲，可以是動作音效等；可以是移動的，也可以是靜止的；可以是點狀的，也可以是面狀的。在IOSONO-3D的制作中，藝術家只需要將聲音對象放到音頻工作站界面顯示場景中，設定它的水平運動和高度變化的路線，完全不需要考慮聲道的問題，音頻工作站將根據WFS算法進行實時運算并生成3D音頻信息流，通過揚聲器陣列重放產生真實的3D聲場，揚聲器越密集，聲音定位越精確，這無疑是一種革命性的聲音技術。

IOSONO-3D基于技術原理，做到了更加清晰的聲源定位；更加連貫的聲音對象運動感；更加強烈的臨場感和沉浸感；最佳聽音區的最大化；更加平衡的揚聲器聲壓級和更加得心應手的藝術創作手段，具有明顯的技術優勢。

就目前來看，IOSONO-3D系統更適用于大型高層次的會展，交響樂、歌劇、音樂劇演出、城市聲音景觀、戶外實景演藝項目以及高等院校、科研院所的研究項目等領域。2008年上海世博會西班牙館就應用了IOSONO-3D系統，得到了觀眾的贊賞。2013年10月在上海舉辦的“張軍昆曲水磨新調3D全息音樂會”也使用了IOSONO-3D系統。

5 美國Dolby Atmos

Dolby Atmos，中文稱為杜比全景聲，是由美國杜比實驗室研發的3D環繞聲系統，Dolby公司在對其開發的Dolby 7.1環繞聲系統的后續開發過程中，發現在不損害7.1系統的兼容性同時，可以通過增加影院環繞聲陣列的數量來增加聲音定位，由此開發出全新的Dolby Atmos全景聲技術。

Dolby Atmos采用基于“聲道”（Beds）加基于“對象”（Object）兩者結合的方式來進行制作和渲染輸出，看起來是前兩種技術的結合。Beds在這里直譯為“音床”，意譯應為“聲道”。在制作中，為了準確放置聲音，聲像定位元數據整合入混錄控制界面，推子、聲像、音頻處理既可作用于音床或分組混錄，也可作用于音頻對象。在控制界面中可以看到影院的三維立體圖，聲音對象被放置在不同的點上，實時移動。在完成對白、效果聲前期的基本準備之后，適合在影院內精確放置或者移動的聲音將被標記為一個對象并根據需要進行位置操作，一些背景聲如群雜和音樂將被作為音床操作。在混錄棚的最終混錄階段，混錄錄音師將音樂、對白和效果聲編組，每個編組包含一個以聲道為基礎的音床和一些帶元數據的音頻對象，在最終混錄時通過音頻工作站和調音臺對音頻對象位置信息的操作，將音頻信息渲染至混錄棚揚聲器相應位置。渲染過程中，混錄錄音師可以使用有條件的元數據，這些數據根據相關的配置文件進行默認的配置，這樣混錄錄音師就能保證電影在杜比全景聲所容許的各種規模的影院進行回放。

從Dolby Atmos“聲道+對象”的制作工藝概念來看，Dolby Atmos的原理應當屬于心理聲學加物理聲場的重建技術以及VBAP算法。Dolby Atmos采用兩層揚聲器布局，要求極其嚴格。Dolby Atmos揚聲器布局俯視圖見圖4，側視圖見圖5。

（1）下層環繞聲：水平環繞聲，在原有Dolby 5.1和Dolby 7.1環繞聲系統揚聲器的基礎之上，增加左、右環繞聲道的揚聲器數量，用以彌補原有聲音定位不足的缺點；重新定位了前置揚聲器和環繞聲揚聲器的高度和角度，以更好地構建聲場。

（2）頂層環繞聲：在影院天花板設置兩列揚聲器，兩列頂部的環繞聲揚聲器與銀幕左中揚聲器和右中揚聲器保持軸線對齊，用以確保聲像及音色統一；每個環繞聲揚聲器之間的距離保持在2 m～3 m，同時相鄰兩只揚聲器與影院中央聽音區邊線和影院中線交匯點的夾角應保持30°以內，用以保證觀眾的聽音效果。

（3）銀幕揚聲器：Dolby Atmos為了使整個銀幕聲音的聲像定位和移動更加準確和流暢，在銀幕寬度大于12 m時，增加了左中置揚聲器和右中置揚聲器，它們分別位于中置揚聲器與左側揚聲器/右側揚聲器的中線位置。所有銀幕揚聲器的放置高度應以揚聲器的聲學中心點為基準高于銀幕約三分之二處。為了防止出現駐波，需要將低音揚聲器放置的位置偏離房間中線。Dolby Atmos銀幕揚聲器布局見圖6。

Dolby Atmos最多可以支持64個有效聲道(即61.3制式)，可以獨立驅動64個揚聲器，從而實現聲音在空間中的精確移動，由于有足夠多的聲道布滿空間，觀眾可以感受到真實而令人震撼的聲音效果。

相對于其他3D環繞聲技術來說，Dolby Atmos更加專注商業影院方向的發展。由于該技術是基于Dolby數字播放技術和Dolby 7.1環繞聲技術開發的，所以全世界絕大多數現有的杜比影院系統都可以根據Dolby Atmos的要求對現有影院系統進行升級，這使得Dolby Atmos技術能夠得到大量廣泛的應用。

Dolby Atmos打包方案允許將專用的DCP發送至任何影院，DCP中同時包含了主音頻和杜比全景聲軌跡文件，通過影院中的媒體模塊相對應的一個密鑰傳送信息（KDM）控制內容的回放。而任何符合DCI規范的服務器以及影院聲音處理器都能回放此DCP，這極大簡化了發行的流程。在擁有Dolby Atmos的影院，Dolby Atmos聲軌跡文件將被導入服務器，并在回放過程中以流的方式被傳送到Dolby Atmos影院處理器中進行渲染。由于DCP同時擁有Dolby 7.1或Dolby 5.1環繞聲和Dolby Atmos音頻流，Dolby Atmos影院處理器可以根據需要在三者之間切換。

目前，國內影院使用Dolby Atmos系統的數量已近百家，還有更多的影院開始改造、建設。從Dolby Atmos問世到2013年10月，全球使用Dolby Atmos制作的電影數量已經超過300部，2014年有超過80部使用Dolby Atmos制作的電影上映，這種井噴式的發展對于推動3D環繞聲技術的普及有著重要的作用。

6 中國多維聲（13.1）

中國是世界大國，發展中國自己的3D環繞聲技術，并躋身世界同行，是中國科技與產業界的雄心。2014年10月由中國電影科學技術研究所、中影電影數字制作基地有限公司與中廣華夏影視科技有限公司共同研發的“中國多維聲（13.1）”正式發布，這是中國自主研發的新一代影院全景環繞立體聲系統。它采用兩層揚聲器架構，環繞層包括5個前方聲道、2個環繞聲道、2個后環繞聲道、2個后角聲道、1個低頻效果聲道，上層有2個頂部聲道，構成了影院14個有效聲道的三維度空間。由于其多平面、多空間、多維度發聲，能夠給觀眾沉浸式的空間體驗，因此被稱為“中國多維空間聲道放映技術”，簡稱“中國多維聲”。其最大的特點，是所有的聲道都獨立驅動和發聲，不進行任何上變換虛擬處理，大大提高多維度聲音覆蓋的真實性，并為后續推出15.1 、22.1等多聲道格式的中國3D環繞聲技術奠定扎實的基礎。

中國多維空間聲道放映技術分為四個部分，分別包括多聲道制作、多聲道母版、多聲道聲頻處理器及與其對應的還音系統。為中國多維聲研發的DCP2000型數字聲頻處理器，采用軟件與硬件的模塊化設計，全新的編解碼上變換技術，其輸入端預先設計了三個輸入模塊，可滿足2種格式的16聲道聲頻輸入及其他多種格式的聲頻輸入；輸出聲道數為48路，不僅可以播放中國多維聲目前的13.1母版節目，也為中國多維聲從 13.1 格式升級為15.1、22.1等多聲道格式預留了空間。同時，還可以將5.1聲道上變換為13.1聲道，以緩解目前3D環繞聲片源不足的困境。

中國多維聲系統的投資成本要遠低于Dolby Atmos系統，僅為其1/4，而聲音質量、三維動態、音響效果與震撼力，并不亞于Dolby Atmos，其發展前景十分可觀。

中影電影數字制作基地有限公司2012年10月制作出首部中國多維聲（13.1）版本影片《一九四二》，其后又相繼發行了多部采用中國多維聲13.1版本的影片。到目前為止，已安裝中國多維聲系統的電影院有30多家，隨著影片發行量的不斷增多，與“中國巨幕”攜手，“中國多維聲系統”將成為國產影院技術的重要品牌，參與3D環繞聲技術的世界競爭。

7 應用前景

綜上所述，環繞聲技術多年發展歷程中，帶給人們的是一場又一場聽覺盛宴。這是人類在聽覺領域上不斷探尋的成果。

以Auro-3D為代表的基于心理聲學的3D聲場重建技術，改建成本低，格式兼容性好，沉浸感強，與原有的5.1環繞聲相比，聽音者的主觀感受得到了很大的提高，在商業影院和家庭影院領域有著很大的優勢，在車載音響、移動終端和桌面游戲等領域還有很大發展空間。但不可否認，這種技術畢竟是一種準3D技術，其固有的技術局限仍然存在，尤其是Auro-3D不能在大空間、寬廣區域產生有效的三維聲音效果的局限性限制了它在其他專業領域中的應用。

以IOSONO-3D為代表的基于物理的3D聲場重建技術，是理想的3D環繞聲技術，它應用WFS算法，實現更加清晰的聲源定位；更加連貫的聲音對象運動感；更加強烈的臨場感和沉浸感；最佳聽音區的最大化；大大豐富了藝術家的創作手段。影響IOSONO-3D環繞聲發展的不利因素主要是技術復雜、成本太高。但它可以與高清數字媒體結合廣泛運用于大型高層次的會展，也可以運用于交響樂、歌劇、音樂劇等大型演出，更可以與IMAX 3D等3D視頻技術結合組成超級雙3D全景影音系統。這種具有革命性的聲音重放方式，將成為21世紀的主流聲音技術。

2012年9月，杜比收購了Imm Sound，將其技術融入杜比全景聲中，開發出基于“聲道+對象”的3D環繞聲。2014年10月，巴可收購了IOSONO，也立志將基于“對象”的技術加入到巴可沉浸音3D環繞聲技術中去，3D環繞聲技術兩強爭霸的局面已經初見端倪。

中國具有世界最廣闊的電影市場，發展中國品牌的電影技術體現了國家軟實力，也是中國科技工程界的責任，中國多維聲系統任重道遠，期待它一路走好。

由于時間和篇幅所限，筆者對3D環繞聲技術的介紹和評價，無論從技術角度還是藝術角度都很粗陋，希望得到廣大讀者批評指正。

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（編輯 杜 青）

An Overview about the Development of 3D Surround Sound Technology

ZHUANG Yuan

（Nanjing University of the Arts, Nanjing Jiangsu 210013, China）

In this paper, the current mainstream 3D surround sound technologies are classified , and the characteristics of all kinds of 3D surround sound technology and its commercial application prospect are analyzed by comparatation. Additionally, the writor predicted that 3D surround technology innovation is driving the development of sound technology in the 21st century.

3D surround sound; sound field reconstruction ; Barco Auro-3D；IOSONO-3D; Dolby Atmos; Chinese multidimensional sound; immersion

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.03.004