3D全息聲音系統在視聽藝術中的應用與研究

馬　晟　顧肖聯　黃社人

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3D全息聲音系統在視聽藝術中的應用與研究

馬晟顧肖聯黃社人

摘要：隨著大眾娛樂時代的到來，以往的文化藝術內容及形式突然間無法滿足大眾爆發式的需求，單是電影這一種藝術形式就在近些年出現了內容和技術上的大飛躍，研發和投入市場的時間也大幅縮短，3D聲音技術迅速滲透到傳統的創作手法之中，使得畫面有了新的拓展維度和空間。

關鍵詞：視聽藝術；3D聲音；大眾娛樂時代；維度和空間

顧肖聯，男，國家一級錄音師。(浙江傳媒學院電影學院，浙江杭州，310018)

黃社人，男，錄音師。(杭州聲無界音頻技術有限公司，浙江杭州，310024)

一、引言

近些年,隨著國家對文化創意產業扶植力度的逐年增大，整個產業如雨后春筍般出現爆發式增長，如在影視產業，目前國內的大銀幕數已在去年過萬，電影的年產量及票房也直逼擁有“影業帝國”寶座的美國。[1]音樂產業也已逐步擺脫了單純依靠唱片盈利的商業模式，向“獨立音樂工作室”、“網絡音樂營銷”等多元化方向發展，應運而生的一些電視真人秀欄目如《中國好聲音》《中國好歌曲》《我是歌手》等的誕生，直接輻射涵蓋所有電視觀眾，讓音樂從“免費時代”逐漸導入到“消費人群”模式。除了影視和音樂這些在國內曾經相對強勢的娛樂形式之外，近年來隨著舞臺以及交互藝術形式的崛起，許多新型的文化娛樂形式也從文化創意產業大發展的大趨勢中分得了一杯羹。

對于以上提及的這些藝術形式而言，最為直觀且效率最高的切入點無疑是視覺與聽覺。目前，隨著視覺技術諸如IMAX、3D、4K、8K等科技的發展，配合與之形成呼應的3D全息聲音技術的應用也在近些年大規模地投入市場，Auro 11.1、Dolby Atoms及IOSONO，這些相對于“IMAX”、“3D全息投影”耳熟能詳的名字逐步進入了大眾的視野，但這些3D聲音系統的“代名詞”將慢慢改變人們對于傳統聲音聽覺感受的態度。[2]就傳統的聲音回放系統而言，一方面，觀眾只能感受到“面”，而無法感受到“點”。另一方面，聲音只能在觀眾的平行維度出現，而無法在觀眾的立體空間中出現。直觀地說，聲音將變成一種能直接在觀眾你我身邊“觸手可及”的元素，這使得畫面中的“人”和“物”從二維的平面視覺中跳脫出來，變得更加真切，從而使視聽藝術的作品更加具有說服力和真實感。

可以想象，聲音這個無處不在卻似乎又不是那么被人重視的創作元素，將會對現有的藝術形式及藝術作品起到不可估量的作用。一個可以“觸摸”到的聲音，必將也正在改變傳統的視聽語言的規則和創作方式。對于創作者而言，無論是導演、編劇、攝影還是作曲，都必須重新定義作品中的各種元素，因為它們將不僅僅在觀眾的前、后方出現，而會存在于四面八方，甚至“上天入地”。

二、現有相對成熟的3D全息聲音系統

本項目將首先闡述3D全系聲音系統的概念以及形成3D全息聲回放條件的要素，通過將3D全息聲與目前應用相對普及的傳統環繞聲進行比較，突出3D全息聲在幻象聲源、空間定位、聽覺感受等多個方面的優勢，體現該系統在現有回放系統的基礎上，所能產生的在聽感及定位上的飛躍。[3]從回放系統算法、空間定位、波場合成原理等多方面討論3D聲音技術的實現效果和理論依據，對以下三種相對主流的3D全息聲音回放系統進行分析和比較。

(一)Barco Auro 11.1 沉浸式音響技術

Auro - 3D 11.1是由比利時Barco旗下的Auro Technologies于2005年研發的沉浸式音響技術，旨在將聽音區域細分成top-overhead(頭頂層)、Height-upper(30°仰角層)和Ear-Level(人耳水平層)，來塑造聲音從上至下的垂直感。該技術首先在音樂制作及回放領域實現，在歐洲早期的一些所謂的“3D音樂現場”的CD中得以應用，目前正在逐步向影院市場的聲音回放系統進軍，且技術實力不斷增強，許多影片諸如《超凡蜘蛛俠2》《Red Tails》《神探狄仁杰之神都龍王》等影片都應用了其技術，并與盧卡斯電影公司、天行者音效公司(Skywalker Sound)等好萊塢一線電影制作公司緊密合作。Barco Auro 11.1打破了傳統的聲音回放系統方式如立體聲、5.1或7.1環繞立體聲的感念，[4]不但加強了在平面上的聲音縱深感，更讓聲音素材能實現在垂直空間上的移動和覆蓋，也就是其所謂“沉浸式音響技術”的感官實現關鍵。

圖1　Auro 3D 11.1沉浸式聲音效果圖示，來源：http://www.auro-3d.com

最為首先提出所謂“3D聲音”的機構，Auro用更為直觀的方式——沉浸式來形容人在聲音包裹下的體驗。其Auro 11.1的音箱布局分別為Ear-Level(人耳水平層)——5只音箱(傳統的5.1環繞式音箱布局方式)；Height-upper(30°仰角層)——5只音箱；top-overhead(頭頂層)——1只音箱；再加上1只超低音組成的11.1的“3D聲音”系統。在電影《Red Tails》中，影片開頭就展示了一段飛行小組執行空中攻擊任務的片段，利用該系統在頂部音箱布局的優勢，展示了十分逼真的戰斗場面，飛機的定位也相對準確，但唯一的缺點就是當飛機從畫面底部出畫后，聲音定位的連續性就無法體現了，甚至在有些情況下，會給觀眾以利用低音音箱造成聲像定位模糊的錯覺。當然本片的導演或者聲音設計師也刻意回避了這樣的畫面，卻忽略了聲音對于畫面的延續性是無法改變的，因此過渡也存在著局限性。當然Auro 11.1只是其發布的最基礎版本，它可以向下變換至10.1和9.1，向上變換至13.1(適應更大面積的電影院)，耳機版本的3D回放系統也趨于成熟。但是，這都只能解決耳平面加上頭頂部的聲音回放，對于耳平面以下的空間似乎還需要再度研發。

(二)Dolby Atoms 全景聲系統

杜比公司一直在影視的聲音制作和回放方面有著自己獨到的研發以及市場投放策略，Dolby Atoms 全景聲系統于2012年全面發布，雖然投放市場的時間較晚，但是基于其聲音技術的連貫性，以及其全球覆蓋度最廣的院線市場，Dolby Atoms全景聲系統得以在較短時間內迅速占領3D全息聲在院線的市場。其技術在原有的Dolby Surround 7.1的基礎上，在影院的頂部增加了Celling層，實際上更加細化了聲音的回放層次。由于是在原有的基礎上的“升級”，在概念上實現了“3D”，通過原有的“環繞層”加上頂部的“Celling”層實現頭頂部分的聲音覆蓋。[5]通過這樣的設計概念，使其在院線的改造成本上大幅下降，市場化的速度和效率達到最大值。正是基于其在院線市場的統一性，也確保了在制作端完成的項目能在回放端(院線)得到相對一致的聽感體驗，這才是Dolby Atoms 全景聲系統最大的賣點之一。在其院線建聲的白皮書中，詳細規范了揚聲器數量、聲壓級、頻響曲線、頻響范圍等涵蓋了從環境聲學到電聲學的幾乎所有技術指標和規范，沿襲了其“有產品，必有規范”的一貫作風，也是杜比產品統一性的重要保證。其他品牌或廠商在這一方面就落后了好幾步。

從原理上看，杜比全景聲采用的是基于“聲道”(beds)+基于“對象”(objects)來制作和渲染輸出，這樣的流程更符合電影工業的流程和制作習慣。對于電影聲音制作人員來說，有著一定的制作習慣和模式。雖然現在強調“沉浸式”聽感體驗，但并不是所有的聲音都需要具備這樣的功能。比如在電影《星際穿越》中，主人公所處的太空環境自然需要處理為沉浸式的，在做環境效果(BG)編輯時，就需要將這一部分的聲音設置成(beds)作為“音床”使用，不需要占用對象(objects)部分的使用數量。提到“數量”的概念，在杜比全景聲系統中，對(beds)和(objects)的使用是有約束的?！癇eds”在9.1的模式下上限為10組，分別是L、C、R、Lss、Rss、Lsr、Rsr、Lts、Rts和LFE，“Objects”在Mono或Stereo格式下上限為118個(C for Mono，L&R for Stereo)，合計上限數量為128。因此，使用杜比全景聲的影片聲音設計師(Sound Designer)或聲音剪輯指導(Sound Editing Supervisor)在預混時就需要對軌道屬性及數量有提前規劃?；氐接捌缎请H穿越》，由于該片的語言(DX)部分在混錄上與以往影片有著明顯區別的是，需要根據畫面的變化而改變位置，語言不只局限在中間聲道(C)，會如畫面位置而改變。這就要求將語言元素作為“objects”單獨處理。當然，另一方面也要求影院揚聲器的統一性，不只是在規格上的統一，更需要在比如音箱夾角、軸向偏離度等細節指標上也具備一定的統一度，這也體現出其《院線白皮書》的重要性。

更為重要的是，一貫強調“體驗感”的杜比公司，已將“影院級”的聽覺感受迅速地引入普通家庭，通過早日普及的機頂盒和日益發達的互聯網技術，將這樣的感受“百分之百”地“復制”到家庭這樣的小單位中去，與“安橋”功放等客戶端服務廠商的合作，讓一部分家庭影院的擁有者先一步享受到杜比全景聲系統技術“個性化”服務的聽覺體驗。

(三)IOSONO 3D全息聲系統

IOSONO 3D全息聲系統是相較于以上幾種相對主流的3D聲音系統最早研發的，是由德國弗勞恩霍夫應用研究促進會(FraunhoferGesellschaft)下屬的數字媒體技術研究所(Institut für DigitaleMedientechnologie)于2004年推出的最為全面的3D聲音回放系統。作為該系統的基礎的“波長合成技術”(Wave Filed Synthesis)并不是十分新鮮的技術，但IOSONO是率先將該技術實現到應用層面的公司。通過“WFS技術”，可以準確定位聲音在空間中的任意位置，通過對于“球面波”與“平面波”的精確控制，能使聲音元素在三維空間形成“聲聚焦”，將聲音“打”在觀眾所處的經過設計的聽音區域內的任意位置。

2013年，張軍的“水磨新調”3D全息音樂會成功實現了將實時的移動聲源的聲像位置，同步定位在舞臺。該場音樂會首次采用了將戲曲舞臺做成四方形，演員位于舞臺中央，而觀眾圍繞在四周的形式呈現。音響圈一共分為三層(水平層、中高層和頭頂層)，在張軍演唱曲目《長刀大工》時，小提琴演員從畫面的最下角進入舞臺(表演區域)中央，通過IOSONO的聲像定位技術，聲音十分精確地跟隨表演者的位置移動而移動。更值得一提的是，演出主角張軍的聲音位置也能隨著他的運動軌跡而實時改變：當張軍正面朝向觀眾時，觀眾可以切實地感覺到聲音在其正前方出現，而當張軍背對觀眾時，則能感覺到聲音到了背向的一側，這是其他3D全息聲音系統所無法實現的?！扒蛎娌ā睂τ诼曄穸ㄎ黄鸬搅酥陵P重要的作用，正是IOSONO基于延時的算法，可以使在不同平面上的音箱根據可設定的延時數值，令聲音在“觀眾區域”中的任意位置產生共振峰——也就是所謂的“聲聚焦”，完成聲音物體的精確定位。

除此之外，IOSONO基于延時的算法也能讓音箱產生“平面波”，使聲音在一定距內以平面運動的方式傳達至觀眾區域，打破了“皇帝位”這樣的聽覺局限，消除了以往傳統的環繞聲無法克服的物理障礙。IOSONO 的3D聲音系統完全摒棄了以往對于“通道”的依賴，只基于“對象”的概念，在其最新的“core”版本中就可將音箱圈增多至5層，理論上音箱數量和聲音對象都沒有了上限瓶頸。這最大限度上解放了藝術家在創作時的壁壘，這項技術能更為廣泛地應用于一些“聲學條件不佳的”或是“聲源回放條件不統一的”會展、裝置藝術、多維舞臺等強調互動的新型藝術形式中去，聲音創作者在創意“天馬行空”之后，也極大地保留了后期創作的余地。

三、結語

雖然以上三種3D全息聲系統是目前相對成熟，實際運用最為廣泛的技術，但是并不意味著這個新興的市場就被壟斷了，后起之秀依然層出不窮，大眾熟知的DTS(Digital Theatre System)公司在前不久也發布了自己的3D聲音制作及回放系統——DTS：X多維音頻技術，并在電影《火星救援》中得到了應用，效果也得到了大眾的認可。又如斯坦福大學電腦音樂與音響研究中心(CCRMA)研發的3D多聲道聲音傳播系統，以及其他一些市場認知度不高的系統都在向這個市場靠攏?？梢娨院蟮穆曇粼O計和制作形式都將發生改變，可能會在以下三個領域最為明顯：聲音設計元素的改變、創作方式的改變及其他藝術工作者合作方式的改變。由于聲音出現的地方不再局限于環繞聲道，因此對于移動聲源來說，單聲道的聲音元素可能更加便于實際操作及后期的分布。立體聲的素材對于類似音效或是環境音響，對用戶來說就不再有原來的功能和效果，反而單聲道元素會使單一平面的細節更為豐富。如果使用Dolby Atmos來實現“沉浸式體驗”時，立體聲的素材就會顯得捉襟見肘。[6]不考慮通道而是更加關注聲源本身，將是聲音設計師需要轉變的創作態度。在和導演、攝影、演員及其他藝術工作者合作創作時，聲音設計將不得不被提前至腳本甚至是劇本構想階段，而不是像現在的聲音從業者一味被動地要求將聲音設計前置考慮。這樣的技術發展，使得聲音這門藝術不再是以往的處于可有可無地位的“被動創作”，而是對故事本身、情節設置、轉場方式、現場調度等都具有了指導意義。如此，“聲音指導”這個工作崗位才能發揮其最大功能，不光是對聲音部門，更能對整個主創團隊的聽覺引導都起到不可或缺的作用。

參考文獻：

[1]姚睿，姚國強.數字電影聲——3D時代的全維度環繞立體聲(ADSS)的概念、創意與發展對策[J].北京電影學院學報，2011(5):54-59.

[2]姚國強，赫鐵龍.挑戰與機遇——探析電影院數字環繞立體聲還音系統的現狀與未來發展趨勢[J].現代電影技術，2013(10):20-31.

[3]朱昱晨.3D聲音的發展歷程及在電影藝術中的應用[J].影視制作，2013(2)：48-50.

[4]王鋼.電影杜比全景聲創作初探[J].現代電影技術，2014(5):3-9.

[5]梁鐵強，劉小莎.杜比全景聲技術及在影院中的應用[J].音響技術，2013(3):5-13.

[6]張雪，劉達.全球數字電影發展與新技術應用研究[J].現代電影技術，2014(6):36-42.

〔責任編輯：高辛凡〕

中圖分類號：J933

文獻標識碼：A

文章編號：1008-6552(2016)02-00103-04

作者簡介：馬晟，男，碩士研究生。(中國美術學院3D音畫研究所，浙江杭州 310024)

基金項目：浙江廣播電視技術研究所2015年度科研項目：“3D全息聲音系統在視聽藝術中的應用與研究”(150002)的成果。