虛擬環繞聲系統簡述

石慧

摘 要：本文簡要敘述了虛擬環繞聲技術的原理及虛擬環繞聲系統在現實生活中的應用，通過比較環繞聲系統及舉例現有虛擬環繞聲系統，分析闡述虛擬環繞聲系統的優缺點及發展潛力。

關鍵詞：虛擬環繞聲;空間感;音效

虛擬環繞聲技術，是基于心理聲學和人耳的生理聽覺特性等知識，利用計算機技術等高科技手段從聲源信號中提取空間信息并予以增強，使聽者可以獲得類似環繞聲的沉浸式效果。

虛擬環繞聲系統需要模擬人耳的綜合聽音因素，通過重放雙聲道信號以達到虛擬多聲道信號，重現環繞聲體驗的目的。環繞聲是人耳的聽覺對聲源在空間位置的全空間立體感知，環繞聲系統旨在營建出一個使人可以產生空間感、方位感和包圍感的聲場，。為虛擬出較接近環繞聲的聲場效果，我們需要盡可能捕捉并重現聲音信號的空間信息。為達成這一目的，我們應基于聽覺生理學、心理聲學和室內聲學等理論，利用頭相關傳遞函數（HRTF）及其在時域中相對應的頭相關沖激函數（HRIR）等音效定位算法。人耳的聽覺特性表明，人耳對聲音的響度、音調、音色等因素有靈敏的感知能力，依靠雙耳效應，由雙耳時間差、雙耳聲級差可判斷聲音方位;根據耳廓效應，聲音經由耳廓反射后進入耳道，在這個傳輸過程中，聲音在時間和音量方面會存在差異，由此聽者可對聲場進行定位。且人耳的聲音定位能力受頻率濾波效應影響，對高中低頻的聲音定位依據不同，我們亦可以據此原理對聲音進行分析處理。除此之外，在聲音的傳送過程中，會有人的軀干的衍射和反射，聲場直達聲和反射聲等多方面因素的影響，聲音信號從聲源至鼓膜處的傳播過程，可看做是激勵通過了濾波器后在鼓膜處引起的響應，這個濾波特性我們可以用頭部相關聯沖激響應（HRIR）及其在時域中相對應的頭部相關聯傳遞函數（HRTF）表示，運用這個濾波矩陣分析出聲源和雙耳信號的差別，并將此處理技術應用到虛擬環繞聲系統中。然而HRTF是個人化的，就如何還原該的空間函數并推廣給大眾使用仍有待研究。綜上所述，我們便實現了對空間的方向和距離定位，由此為基礎，虛擬環繞聲系統得以成為現實。常見的虛擬環繞聲有虛擬杜比環繞聲、SRS音效處理及ASR環繞聲技術。

不同于市面上常見的5.1環繞聲和7.1環繞聲，虛擬環繞聲的最大特點就是用兩個揚聲器表現多聲道的音效，擺脫了環繞聲在空間及設備的限制，同時也降低了成本，這使得隨時隨地獲得環繞聲的體驗成為可能。目前，我們可以將虛擬環繞聲的重放歸于兩種方式：揚聲器重放和耳機重放。關于揚聲器的虛擬環繞聲重放系統，我們以熱銷的電視伴侶回音壁（Soundbar）為例進行說明。Soundbar多用于彌補電視越來越薄所引起的音質不高的問題，相較于傳統家庭影院的環繞聲系統，它的體積更小，安裝更便利且專業要求度不高，因此Soundbar在市場中頗受青睞。Soundbar在左中右有三個內置揚聲器單元，可以對聲音的傳達方向加以調控，利用虛擬環繞聲技術形成較逼真的環繞聲音效。同時，Soundbar可與電視的多功能性相結合，使聽者根據電視應用的不同方面，享受到電影、游戲、音樂等多種聲場音效，獲得較為豐富的使用體驗。缺點在于，利用反射的虛擬環繞聲系統對室內的聲學環境要求高，房間的封閉與否更是嚴重影響著環繞聲效果，受條件制約有時還需要用聲音反射板彌補欠缺，這可能會比環繞聲系統更為繁瑣。且人在聽音的同時，不會一直保持靜止，其身體會有一些動作，這也會對環繞聲音效造成影響。就這一點來說，耳機重放的形式會更具優勢。耳機的特點在于體積小、輕便且易攜帶，可以不受環境的約束隨時隨地使用，實用性極強。但另一方面，利用耳機重放，聲音可以直接傳入人耳而無需環境的反射且不經過人頭和耳廓，這樣一來就沒有頭相關函數和耳廓效應的影響，聲音的空間感及人耳對聲音的定位能力會降低。為了彌補耳機的特點所造成的缺陷，我們需要對聲音信號進行人為處理。除去影視、音樂等，此技術還可以應用于各類游戲中，讓隨時隨地，快捷便利的高質量音效體驗成為可能，使虛擬環繞聲技術其更貼近人們的生活。

綜上所述，虛擬環繞聲系統的發展前景是極為可觀的。虛擬環繞聲技術以其自便于攜帶、安裝便利且成本低的特性受到人們的關注，較環繞聲系統的使用范圍更大且更適合于社會的各個階層人群用作各類用途。同時，它在聽覺和心理聲學、虛擬現實技術、通信技術及游戲娛樂等領域均具有廣泛的應用價值，非常值得深入研究。其缺點在于，虛擬環繞聲系統只是近似營造了環繞聲的空間效果，與真正的環繞聲系統仍是不同的，其還原度較之于環繞聲依舊有不小的差距，且揚聲器重放的方式受環境影響大，而耳機重放方式仍需要發展較前沿的數字信號處理技術相輔且應有相匹配的聲源。虛擬環繞聲技術的研究涉及科學多，如：聲學，心理聲學，計算機科學，物理學等，范疇大，難題多，如何改進虛擬環繞聲技術，使其更具實用性，滿足人們日常生活的聽感需求，仍需我們日后的不懈研究與努力。

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