淺析虛擬揚聲器技術

羅 穎

（廣州廣播電視臺 制作部，廣東 廣州 510010）

隨著現代視聽技術的飛速發展, 大眾化的視聽娛樂產品從無到有，已經普及到人們的生活中，其價格和成本還在不斷下降。這些產品豐富了大眾的文化生活，大眾也對視聽娛樂有了更多的要求，尤其是不再滿足于傳統雙聲道立體聲系統所呈現的二維的空間特性，轉而尋求環繞聲系統所展現的豐富的三維信息。盡管多聲道環繞聲系統的出現有效地解決了這一問題，但這種系統需要特制的節目源，需要較多的重發通路（揚聲器），對聽音環境的要求嚴格，它的應用受到了限制。因而，業界提出了采用聽覺傳輸技術中的虛擬聲源的方法，通過HRTF（Head-Response Transfer Function，頭部反應傳遞函數），利用一對前方揚聲器系統虛擬出多通路聲系統的多個揚聲器，從而實現多通路聲的兩揚聲器系統虛擬重發。類似的原理也可用于多通路聲的耳機重發中。而虛擬揚聲器技術的實質就是用兩揚聲器系統來虛擬某個空間位置上的聲源或揚聲器系統。

1 雙耳信號的產生

圖1是簡單的對空間聲源定位的數學模型。圖1a是空間聲源到人耳的傳輸示意圖，TL、TR分別是傳輸途徑上的上的左、右HRTF；圖1b是其聲學系統（信號處理與傳輸途經）的簡易模型，HL、HR分別對應于左、右耳的頭部相關函數，DL、DR是最終到達人耳的信號。若要在大腦中獲得聲源S的正確的“像”，圖1b中的HL、HR與圖1a中的HRTF（TL、TR）應該會具有線性對應關系，即：

2 串音消除

選擇使用立體聲揚聲器系統作為實現虛擬環繞聲的重放設備，由于每一個揚聲器的信號會同時傳到兩只耳朵中，左右聲信號會互相干擾，逆變換路徑需要求一個2×2矩陣的逆，稱其為串音消除器；因為其要消除傳到另一側耳朵的串音。為了使用立體揚聲器來播放雙耳聲信號，必須使用一個2×2傳遞函數矩陣對雙耳聲信號進行濾波，此時回放系統如圖2所示。

圖中，y = cx

其中，y為雙耳聲信號，C為串音消除器。因為主要討論串音消除器的不同實現，選取x和y作為輸入與輸出信號。圖3為標準的雙聲道聽音示意圖。

雙耳處的信號與揚聲器信號的關系如下：

e = Ay

其中，e為耳朵處的信號， A為從揚聲器到人的兩耳的聲學傳遞矩陣，y是揚聲器信號。假設耳朵處的信號是用一個位于耳廓內部的理想傳感器測量的，所有的方向信息都反映其中。方程 Axy給出了從揚聲器x到耳朵y的傳遞函數，包含有揚聲器的頻率響應，空氣中的傳輸方向和頭部的響應。A可以分解如下：

A = HS

H是一個HRTF矩陣，其中 Hxy給出了從揚聲器位置到人耳的HRTF，S是揚聲器與空氣的傳輸矩陣，是一個對角矩陣。Sx是揚聲器x的頻率響應，Ax表示信號右揚聲器x傳到人頭中心處的傳遞函數（假頭模型已經拿掉）。矩陣A假設每個揚聲器的Sx對于兩個耳朵的影響是一樣的。

為了精確地將雙耳聲信號傳到雙耳中，要求串音消除器C必須是A的逆。

1/Sx為揚聲器頻率響應的逆，1/Ax為空氣傳播頻率響應的逆。在實際應用中，假如聽音距離兩只高品質揚聲器系統距離相同的話，這一部分可以被略去。然而，假如聽音者偏離了中軸線，那么，就應該把較近的那一只揚聲器系統的信號進行適當地延時與衰減，使兩信號同時到達雙耳，且具有相當的強度。

在實時實現時，往往將串音消除器疊加上足夠的延遲，以形成一個因果系統：

式中，所需的延遲數m取決于具體的實現方式。為了簡化討論，略去了模型的延遲和用于揚聲器均衡的，只考慮。因此有，圖4為串音抵消示意圖。

3 應用實例

虛擬揚聲器技術在虛擬環繞聲中的應用，實際就是借助兩只實際存在的揚聲器系統來虛擬5只環繞聲音箱中央聲道聲源和左右環繞聲道聲源。由上文可知，對音源C、L、R、LS、RS的虛擬可分為兩步：雙耳聲合成以及串音消除。首先使用與L、R、C、LS、RS揚聲器系統位置相對應的HRTF對音源信號進行濾波，完成雙耳聲合成；然后將輸出信號按左、右聲道進行疊加并將疊加的信號送至串音消除器；串音消除器的輸出與其他兩路信號相加之后，就可以分別送至左右揚聲器系統，虛擬出原揚聲器系統產生的雙耳聲壓，使聲像得到擴展，得到和原來相同的重放效果。

將濾波的過程稱為雙耳聲合成，稱濾波后的信號為雙耳聲信號。雙耳聲合成可表示為：

X = hx

雙耳聲信號也可以是多個不同位置輸入信號的和：

其中，hi是對應于音源xi的HRTF向量。

圖5顯示了多個音源的雙耳聲合成的實現。圖中可見，通過虛擬揚聲器技術，當L、R的實際位置與虛擬5.1聲道揚聲器系統中的位置相同的時候，可以將多聲道環繞聲信號通過一對音箱，分別虛擬出Vc、VSL、VSR。

3.1 SRS TruSurround技術

美國的SRS實驗室是對兩聲道3D環繞聲的研究和開發最多的公司之一，繼SRS的3D技術后，為適應多聲道日趨流行的新形勢，該實驗室又推出了SRS TruSurround——一種真正的虛擬環繞聲技術，并在1997年2月得到杜比公司的認證許可。

3.1.1 原理

SRS TruSurround是SRS 3D的后續產品，為了彌補SRS 3D始終不能完全重放多聲道系統的不足，SRS實驗室針對兩聲道重現多聲道環繞聲的虛擬技術進行了研究，開發出了SRS TruSurround系統，采用更加優化的HRTF運算技術來模擬真實的多聲道環繞聲。它的回路備有6個輸入端子和2個輸出端子。輸入的信號來自杜比數字和DTS等環繞聲處理器的分離5.1聲道信號。它可使兩聲道重現酷似多聲道環繞聲的音響效果，對多聲道編碼的軟件的重放效果明顯優于SRS 3D。它將解碼器輸出的多聲道信號經過混合、處理，再以兩聲道輸出，保留了原聲道的所有音頻信息，以形成附加幻覺聲源的方式，為聆聽者制造出豐富的環繞聲場。這種技術與3D技術最大的區別就在于它不是為兩聲道系統開發的，而是直接為多聲道系統（杜比定向邏輯、杜比AC-3）開發的重放系統。SRS TruSurround特別適用于家庭影院、DVD影碟機、DVD-ROM光盤、多媒體電腦、MPEG-2等。Sony 的等離子電視機KZ-42TS1、東芝數字電視36D2500 BS，AV業界的馬蘭士、先鋒、金嗓子等品牌的產品中都采用了SRS TruSurround技術。

3.1.2 特點

聲場用杜比數碼AC-3環繞聲系統進行6個聲道的音箱重放時，音箱的擺位和聽者的位置非常重要，只有在一定的有限空間才能體現到良好的環繞聲效果。使用SRS 3D時，由于其只對兩聲道進行處理，處理的音頻中缺少環繞聲信號，雖經SRS 3D處理，來自身后的幻覺聲源仍不多，它創造的幻覺聲源主要來自側方，它的聲場可達180°。使用SRS TruSurround虛擬環繞聲技術處理的兩揚聲器系統重放系統的聲場分布如圖6所示。由于在周圍空間形成了一系列幻覺聲源，聲音猶如來自四面八方，據介紹其聲場分布可達360°，聽者最佳位置為揚聲器系統距離的75%。

3.1.3 兼容性

SRS TruSurround虛擬環繞聲技術是處理多聲道系統的，它具有很好的兼容性，既可以處理杜比數碼AC-3環繞聲，也可以處理軟件最多的杜比定向邏輯環繞聲，還可以與DTS、MPEG-2兼容。

3.2 QSurroundTM技術

加拿大QSOUND實驗室的QSurroundTM技術是當前流行的虛擬環繞聲方案中較好的一種，QSurround系列三維虛擬聲音產品包括：QSurround HDTM, 專為立體聲喇叭系統設計的多聲道虛擬環；QSurround 5.1TM, 用于多揚聲器系統的多聲道虛擬環繞，揚聲器系統可以是傳統放置或前置式放置；QSound HeadphonesTM，用于耳機的多聲道虛擬環繞，使用了特殊的用于頭戴式耳機（模擬周圍環境情況下）的HRTF算法，其核心是基于聽音測試得出的QSurroundTM虛擬算法。采用QSurroundTM虛擬算法進行虛擬環繞聲處理的典型IC結構框圖如圖7所示。

QSurroundTM技術的原理是：內置的多通道解碼器首先將帶杜比環繞聲編碼的音頻信號解碼成左、右、中置、后左環繞及后右環繞聲道等多路信號。在虛擬（幻像）模式下，用QSurroundTM虛擬算法分別將左、右及后左環繞、后右環繞聲道分別進行虛擬處理，再與中置聲道混合疊加，使兩只前置揚聲器系統在兩耳處產生與杜比多聲道重放系統完全相同的聲波狀態，從而還原出杜比編碼信號中的所有聲音空間信息。QSurroundTM技術使進入人耳的聲音符合人的雙耳效應和耳廓效應，采用HRTF原理還可補償話筒頻率響應與人耳聽覺系統之間的差異，進而實現僅用雙聲道音響系統便可產生與多聲道杜比環繞聲系統一致的環繞聲場。圖7可見，在真實模式下，對應于多個音箱的情況，QSurroundTM技術將主聲道及環繞聲道信號處理后，直接輸入各自的音箱，可改善環繞聲的效果，擴大聽音位置。目前，世界上有許多知名企業都采用QSurroundTM技術，如SHARP、AIWA、YAMAHA、MOTOROLA、ESS、AKM、IBM、MICROSOFT等等。應用的產品有DVD、TV、VCR、AV功放、便攜式電腦，INTERNET網絡音頻軟件等。

虛擬揚聲器技術通過兩聲道揚聲器系統營造出立體聲乃至多聲道揚聲器系統的音效，是可應用于數字電視、立體聲迷你音響、電視游戲機、電腦及其他影音產品的理想技術；它可替代在數量和設置上均顯冗繁的多聲道揚聲器系統，給大眾帶來新的聽覺體驗。