耳機虛擬3D技術在電子音樂創作中的應用探究

梁振中

耳機虛擬3D技術在電子音樂創作中的應用探究

梁振中

（寶雞文理學院，陜西寶雞，721013）

本文對電子音樂創作中的虛擬3D音頻技術進行了探討，并對其定位和重放的原理進行論述，同時利用MatLab軟件對其進行了簡單的音頻合成。

耳機虛擬3D；MatLab；定位；環繞聲重放

1 虛擬3D音頻技術

該技術具有為廣大的聽者進行定位其周圍聲音的能力。在實際中，我們可以看出其聲音是來源于音響或耳機，但是聽者所感受到的聲音卻是來自空間當中的任意的位置。而類似于立體聲一樣，其聲音則是通過兩只箱對其進行定位，并在沒有音響的位置的情況下，即可制造出一些聲音的幻覺。

但是，在實際中，傳統的立體聲系統則不會對聲音進行定位，并測定出聲音是來自聽者的背部、上方或者是下方。而我們常用的多揚聲器可對生源進行定位，但智能定位到聽者的身邊的某些位置，并且其需要很多的硬件和軟件設施的支持。

而所謂的3D音頻，其僅僅在使用的過程中使用立體聲的設備，就可得到相應的三維空間的音響聽感，而這也是該技術的關鍵。通過耳機虛擬3D技術，為廣大的聽者提供三維環境的聽感，并通過聲源位置來制造虛擬的環境變成可能。換句話說，就是在聽者明明不知道聲音來源的情況之下，其卻可有效的感覺到某個位置并能確定的位置發出了聲音。而這就是虛擬3D的最為主要的原因。聲音提供了一種重要的反饋途徑,不僅增加了聽者對視覺線索的反饋,也提供了聽者在視覺范圍之外,對動作和環境的反饋。比起視覺,三維的聲音可以在聽者周圍的360度空間中提供多重的實際聲音來源,因此具有更人的優越性。

2 虛擬3D音頻的技術原理

人的聽覺是依靠兩個不同的方法進行定位：第一種方法是IID，也就是通過聲音達到雙耳之間的強度差來進行定位。聲音從出發點到達雙耳的強度時不一樣的，如果相同的聲音，到達最近的那個聲音其強度喲啊大一些，而這些細微的強度的差別則會使得人體的耳朵產生不同的感覺，從而可以判斷出聲音大概來自人體的那個方向，并作出定位；另外一種方法則是ITD，通過對聲音到達雙耳的時間差來做最后的判斷。和強度的原理類似，其不同的聲音傳播的距離因為人體的耳朵的不同，而通過這種時間差的判斷，從而可對作出一定的定位。

圖1 雙耳的時間差

而除了上述的時間差以外，還可以采用頻率的變化來對聲音的來源進行位置的定位。在實際中，耳朵則猶如一個濾波器，其通過通過的過濾，將聲音傳遞給大腦。而耳廓基本可接收到現實中存在的任何的聲音來源。從而通過耳廓對聲音進行定位。

3D音頻主要的作用和目的就是將這些定位效果進行還原，利用聲音在傳播中的IID、ITD、頻率的變化,通過數字虛擬聲場來模擬出聲音所處的位置。

3 3D音頻技術的實現方式

3.1 聲音定位

與多揚聲器系統相比，虛擬3D音頻技術具有很大的創新。傳統的如立體聲設備其輸出的信號上，是通過對信號的處理，來加強對其中的方位性的“依賴傳遞函數”。而這些函數則必須通過聽者，其每天在生活中不間斷的對聲音進行三維空間的潘端端，以此來重建比復雜的聲學信號。而無需再借助實際的多方位揚聲器對其進行重新的位置確立。3D音頻技術則僅依靠簡單的 立體耳機，即可實現對三維空間當中的聲音來源，而這也是該技術的關鍵。其中的“依賴傳遞函數”則是借助現代計算機技術進行編程而實現的，這也是該技術能比較成熟的根本的原因。

而要獲取虛擬3D的音頻，對其進行合成，則還需要相關的HRTF數據。通過HRTF對數據的處理，得到聲音信號的卷積，而這也是虛擬3D音頻被合成的最關鍵性的步驟。通過使用單聲道的聲源信號,在領域內合成虛擬3D音頻，其具體的步驟則是：首先是對對聲音信號進行傅里葉變換,變換后的數據分別于左右而得HRTF數據進行計算,然后對計算結果再進行傅里葉逆變換,即可得到虛擬3D音頻的聲音文件。

3.2 聲音回放

而除了對聲音的定位以外，還可進行聲音的重放。以5.1環繞聲作為比較。環繞聲重放設計如圖2所示。

如在三維立體的耳機重放當中，其首先也是對信號進行處理。在進行重發左右環繞聲信號時候，其將原來的二維轉換成三維，也就是講其中的圖2當中的H31,H32,H41,H42通過一個3D的處理模塊來對其進行替代。

因此，在經過對研究后，決定采用圖3的方式，在3D模塊中，采用了3對HRTF數據，其具體的位置則為水平面上的后方±60°(LS1,RS1),水平仰角為30°的后方±60°(LS2,RS2),水平仰角為60°的后方±60°(LS3,RS3)的方位角。而采用這些角度則是按照一般的情況而定。其具體的角度則根據具體的方位進行選擇。

同時還必須進行計算公式的調整。其環繞重放的計算公式為：

通過聲音反饋合成：

4 虛擬3D音頻的創作

圖2 普通5.1環繞聲重放系統

以《水花.靈》作為案例。該創作作品其總共為10分鐘的時間。該作品其最大的靈感在于水花的靈性的表達。通過一滴水在滴入到水面，到最后沉入到水底，而這粒水滴也在不但的孕育著不同的人們的生活，同時也在孕育著生物。而如何利用相關的器材采樣，表現出這種意境。因此，作品采樣電吉他摩擦琴弦聲，通過對不同頻率的顫抖來調制出不同的水流的聲音，同時利用模擬的合成器來調制音色墊，以此給廣大的聽者制作出一種身處在水中的那種感覺。通過這種延展，一滴靈性的誰，在進不到水面之后，開始子啊水底慢慢的進行活動，并在自然的孕育之后，水底又開始慢慢的形成，并滋潤的大地。而在6分零3秒的時候，出現了轉折點，這種靜和零星開始在水底不斷的翻騰。

而要對該音頻進行制作，則必須用到Matlab軟件。MATLAB是由美國的mathworks公司在面對交互式程序、可視化等方面而推出的一個計算的環境。其將非線性動態、可視化、矩陣分析等進行建模和仿真，從而形成一個易于使用的視窗的環境，以此為科學研究等進行有效的計算的軟件。

而在該制作過程中，則利用Matlab的純代碼編寫的這種模式，通過采用不同的代碼將音頻進行導入，同時在其中套用HRTF的相關參數，通過其中的卷積形成具有3D效果的虛擬音頻。而如果該音頻需要進行多軌的合并，則必須對其中的不同的音頻進行單獨的3D虛擬制作，在做好后再進行音頻的合并。本文在創作中則利用Matlab軟件的量化指令對音頻進行實現，同時無法在其中做到平滑。因此，雖然制作完成，但是該軟件之適用于少量的音樂制作。

5 構建的意義

隨著現代信息技術的發展，未來的音樂創作，特別是在電子音樂的制作方面將具有很大的轉換的空間。而這種技術的應用也給廣大的作曲家帶來了新的空間，特別是在舞臺表現方面。采用該技術之后，其作曲的理念也不再僅僅局限于對傳統的音色和音樂素材的追求，而開始使用這種交互式的技術，實現聽者沉浸式的享受，從而通過音樂大廳即可讓廣大的聽眾感受到作曲家的作曲理念，從而形成音樂、人等為一體的新的音樂享受。

[1] 殷福亮,汪林,陳 ,《三維音頻技術綜述》[J],通信學報,2011年2月

[2] 李定川,《3D音頻技術綜述》[J],電子報,2007年10月、11月、12月

[3] 丁林,《基于HRTF的虛擬環繞聲技術的研宄與IP核的實現》[D],中南民族大學碩士學位論文,2012年5月

梁振中，男，漢族，33歲，1977年12月出生于陜西榆林。講師，寶雞文理學院音樂系。2007年畢業于西安音樂學院，獲得文學碩士。研究方向：音樂教育。

Research on Application of Headset virtual 3D technology in electronic music.

Ling Zhenzhong
(Baoji University of Arts and Sciences,shanxiBaoji，721013)

This paper discusses the virtual 3D audio technology,electronic music,and the principle of its positioning and playback is discussed,meanwhile has carried on the simple audio synthesis using MatLab software.

Headset virtual 3D;MatLab;localization;surround sound reproduction

圖3 3D添加處理過程