平面環繞聲的多聲道擴展與效果分析

牛歡，孟子厚

(中國傳媒大學 傳播聲學研究所，北京100024)

1 引言

現實生活中，人們聆聽自然界的聲音豐富多彩，包含了大量的空間信息。在各種環境中，聲源輻射的聲波經過直達聲和環境反射等途徑在空間傳輸，形成空間聲場。人耳在空間聲場中接收到包涵豐富的空間信息的聲信號，形成對聲音空間的感知，包括聲像定位、聲源遠近距離、聲源寬度以及包圍感等等。當使用電聲系統重放聲音的時候，也希望重現聲音的空間信息，使欣賞著感受到某個特定環境的聲音空間感，這即是三維聲重放。

三維聲是立體聲發展的新趨勢。立體聲重放技術經理了長期的發展變革，從普通雙通道立體聲到四通道環繞立體聲，再到5.1、7.1等平面環繞立體聲廣泛應用，也即是上世紀九十年代5.1通路環繞聲系統被國際電信聯盟(ITU)推薦作為通用的環繞聲標準[1]。直到2010年以后杜比才推出了家用全景聲，針對5.1、7.1、9.1的平面環繞聲，希望能夠更加自然真實地給電影觀眾帶來全新聆聽體驗，將觀眾真正包圍其中。增設了頂部揚聲器，實現聲場包圍，展現更多聲音細節。目前市場推出的主要有5種系統，5.1.2/7.1.4/9.1.2等，具體揚聲器方案如下圖所示。

圖1 杜比家庭全景聲5.1.2

圖2 杜比家庭全景聲7.1.4

圖3 杜比家庭全景聲9.1.2

現有電影片源80%都是平面環繞聲，無法達到杜比全景聲效果。而平面環繞聲系統國內外均有多年的研究，無法滿足人們在某個特定角度范圍或者特定位置獲得的聲音空間信息。目前應用于家庭影院的環繞聲系統的聲道分配和揚聲器布置方案，都是根據國內外大量學者多年的理論分析和實驗結果以及實際應用條件的選擇。已有的5.1/6.1/7.1等平面環繞聲都有國際標準規定的每個聲道揚聲器的角度布置，但其他層面的揚聲器布置則各有不同，因此很難多系統兼容。由于在空間分布上沒有標準，在水平環繞的基礎上增加了頂部揚聲器通路，模擬頂部聲像。而且多數較為簡化，僅設置1路頂部通路，聽感上上方聲像不明確。

基于上述問題，本文需要對平面環繞聲進行多聲道擴展，實現從平面環繞聲到再現聲音垂直空間信息的三維聲，明確空間劃分，使聽眾能夠獲得高真實、強臨場的聽覺感受。因此本文從基礎的5.0電影片源制式進行研究分析，對其進行水平、中高層以至于頂層聲道的擴展。

2 實驗設計

2.1 聲道擴展

通過對比試聽現有的多套家用三維聲系統，并根據大量已有的心理聲學實驗結果和環繞聲常識，對平面5聲道制式進行優化，實現聲道擴展。

首先確定“三維”聲的具體范圍，將空間分層為：頂層—高度層—水平層—地層，每一層再具體規范聲道的數量和揚聲器的布置角度。其中水平層是多年來發展的平面環繞聲系統，但是由于投影幕布不透聲等技術問題，將平面環繞聲的左、右、中置布置在熒幕上方較高的位置，出現前方聲像來自前上方，并非水平面的前方。本實驗系統定義，水平層的高度應該與聽音員在座位上的人耳高度相一致。高度層的垂直面夾角在30°- 45°之間。水平層與高度層各有11個通路，頂層5個通道，地層4個通路即預留通路，另外低頻輔助通路4個。揚聲器具體分布如圖4所示。

圖4 平面環繞聲聲道擴展揚聲器布置示意圖

本實驗將基本的5聲道平面環繞聲，對水平層、高度層進行了擴展，并延伸到頂層和地下通路，包含了更多的空間角度，理論上可以獲得更強的包圍感和三維聽感效果。

2.2 素材選取

挑選了杜比5.1制式的10個電影片段作為實驗對象。所挑選片段包括：《十面埋伏》中水袖擊鼓聲以及民族樂器合奏等場景；《指環王》中軍隊攻城，箭雨、進攻吶喊以及冷兵器碰撞等場景；《速度與激情》中街道飆車，賽車疾馳聲以及馬達轟鳴聲等場景；《綠巨人》中直升機追擊綠巨人，直升機飛行聲以及炮彈爆炸聲等場景；《珍珠港》中日本敵機偷襲珍珠港，飛機飛行聲、機槍掃射聲以及炮彈落水爆炸聲等場景。

3 實驗方法

實驗采用系列范疇法[5]進行，具體操作如下：

(1)評價指標的選擇

參考了《Evaluation of Spatial Audio Reproduction Methods》[2]，結合本文的目的，選擇了以下5個公認的較有代表性的評價指標進行實驗：沉浸感、臨場感、聲像準確性、聲音層次感以及空間感。為了使受試人能更好地理解評價指標，在實驗表格中分別將其描述為融入影片的程度、真實環境聲與影片中聲音一致的程度、聲音定位的準確性、不同聲音是否層次分明、真實環境的空間感受，具體的評價指標及劃分等級尺度范疇的設定見表1。

(2)實驗環境及設備的選擇

實驗是在中國傳媒大學傳播聲學研究所的虛擬環境實驗室內進行的。根據實驗要求，聽音室本身的房間聲學特性不應該對影片片段的音效等指標造成影響，該實驗室基本符合GB/T50356-2005《劇場、電影院和多用途廳堂建筑聲學設計規范》[3]中提及的專業電影院的標準。所有音箱均為監聽音箱。

(3)受試人的選取及培訓

實驗共有16名受試人，均為聲頻技術方向的研究生，聽力正常，并且都有聽覺心里主觀評價實驗的經驗。在正式實驗前對其進行培訓，主要是講解評價方法、具體操作步驟和所要評價的5個指標的含義。

表1 多聲道電影聲音效果評價表

4 數據處理和分析

對實驗數據進行信度檢驗[4]以及顯著性分析，采用兩倍標準差原則剔除不合格的數據，結果顯示數據間具有顯著性差異。數據處理后得到了20個片段在5個指標上的主觀偏愛度的分布情況，即圖5至圖9，其中“o”為平面5聲道制式重放，“+”為多聲道制式重放即聲道擴展后的重放方式。

實驗結果發現沉浸感、臨場感、聲音層次感和空間感的分布比較分散。而兩種制式下的聲像準確性的主觀偏愛值基本都集中在“基本一致”這個范疇內，這說明多聲道重放制式下。相對于基本的平面5聲道制式，多聲道重放系統在所有指標上基本上都可以得到一定的優化，能夠滿足主觀聽感上的需求。

通過圖6發現，多聲道重放制式在沉浸感這個指標上，相比較于原有基準的平面5聲道平面環繞聲，空間三維的整體包圍感增強效果明顯，基本上所有電影片段更容易促進觀眾沉浸其中，有融為一體的感覺。

由圖5、7、9可知，臨場感、聲音準確性以及空間感的主觀偏愛值除了少數電影片段以外，多聲道重放制式在主觀聽感上還是較好一些。從聲像準確性這個指標上，多聲道重放制式并沒有因為聲道擴展的增多而顯得雜亂無章，這說明平面環繞聲聲道擴展方法是具有可行性的。

圖6 兩種重放制式下10個電影片段沉浸感的分布情況

圖7 兩種重放制式下10個電影片段聲像準確性的分布情況

圖8 兩種重放制式下10個電影片段聲音層次感的分布情況

圖9 兩種重放制式下10個電影片段空間感的分布情況

針對電影片段的不同，觀察圖9還可以發現，對于空間感，兩種重放制式之間的差距還是相對明顯的。電影片段整體的聲音能量的動態范圍變化較大時，聲道擴展后的主觀空間感比較適中；但電影片段的聲音能量的動態范圍變化較小時，整體主觀空間感相對比較壓抑，這樣的結果有可能是由于聲道擴展后，整體空間聲音的包圍感增強，而聽者對于聲音能量動態變化較小變得比較不明感，從而導致聽者有空間壓抑的感覺。因此在對平面環繞聲進行空間聲道擴展時，需要考慮利用早期反射聲對空間進行虛擬擴展，以避免主觀空間壓抑對整體聽感的影響。

但是圖8的聲音層次感，相比較平面5聲道制式，多聲道重放制式就顯得有點欠缺，聲音顯得有點混沌，清晰度不夠。這可能是由于聲道的增多，重放聲音信號相互之間進行疊加，從而使聲音層次感不夠。這需要對聲道擴展算法進行進一步優化的方向。

表2 評價指標的主分量分析

根據系列范疇法本身的數據處理過程得到的基本結論，并不能很明顯地得到5個指標之間的相互關系以及空間感受其他4個參量影響的程度，所以對這些數據又進行了主分量分析處理。表2是10段電影片段主成分分析的結果，共提取2個主分量，可以看到主分量1主要解釋沉浸感、聲音層次感，主分量2主要解釋沉浸感、臨場感。主分量分析結果空間感主要與沉浸感有較大的相關性。

5 結論

從選取素材到平面環繞聲聲道擴展的實現、數據處理和最后效果分析，可以驗證平面環繞聲的聲道擴展效果的大體狀況。實驗從主觀聽感的角度得到了觀影中的主觀空間感受沉浸感這個參數的影響很大的實驗結果。其中聲像準確性可以說是硬性的物理指標，與電影視頻中的運動聲源位置移動有關；聲音層次感以及空間感則與擴展聲道的算法以及信號間的相關性等有關。通過改善這幾個指標，可以進一步優化平面環繞聲聲道擴展的效果。

[1]ITU.ITU-R BS 775-1 Multi-channel stereophonic sound system without accompanying picture，Doc 10/63[S].Geneva：ITU，1994.

[2]Jon Francombe，Tim Brookes，Russell Mason.Evaluation of Spatial Audio Reproduction Methods(Part 1)：Elicitation of Perceptual Differences[J].AES，2017，(3)：198-211

[3]孟子厚.音質主觀評價的實驗心理學方法[M].北京：國防工業出版社，2008.

[4]金瑜.心理測量[M].上海：華東師范大學出版社，2005.