淺析MS Shuffler立體聲格式轉換技術在立體聲處理中的應用

李哲川，魏增來

（中國傳媒大學，北京 100024）

早期錄音技術是以單聲道的形式進行錄音和重放的，隨后立體聲和環繞聲技術才得以發展。今天廣泛應用的雙聲道立體聲來自于Alen Blumlein和他的EMI同事在19世紀30年代的開創性工作成果。Alen Blunlein最初的立體聲系統也被稱為“強度立體聲”。MS作為一種重要的強度立體聲錄音制式，有其特殊的應用價值，基于MS Shuffler原理，各音頻插件廠家研發了一批用于立體聲格式轉換的數字音頻插件，但對于這些插件的具體應用研究較少，筆者希望借此文對這些數字音頻插件的應用進行較為全面的分析。

1 MS立體聲拾音制式概述

MS拾音制式是一種基于強度差的拾音制式[1]。這種制式由Alen Blumlein于19世紀30年代發明，并廣泛應用到了立體聲錄音中。

MS拾音制式中的M指Middle，代表指向聲場中央的傳聲器。S指Side，代表指向聲場兩側的傳聲器。字母M也可以代表Mono（單聲道）信號，字母S也可以代表Stereo（立體聲）信號。

MS拾音制式中的M通常使用1支心形指向傳聲器，當然也可以選擇其他的指向，但以心形指向居多，S使用1支雙指向（8字型）傳聲器。其中，心形傳聲器（M）指向聲場的中央，雙指向形傳聲器（S）指向擬錄制的聲源兩側，如圖1所示。

MS立體聲拾音制式由三路原始拾音信號構成，其中，M傳聲器提供一路信號，記為M；S傳聲器所拾取的兩側信號則分別提供兩路信號，其強度相同，但相位完全相反，分別記為+S及-S。最終合成雙聲道立體聲時，三路信號的關系可以表示為：

在實際工作中，MS制式的立體聲聲場寬度是由S信號決定的。S信號輸出越大，則主觀聽感上聲場就越寬，S信號輸出越少，聲場寬度就越窄。在合成為單聲道信號時，單聲道信號為2M，即（M+S）+（M-S）=2M，因為其左右兩側的S信號會相互抵消，只保留M信號，所以，其單聲道兼容性非常好。在實際工作中，錄音師如果采用單獨的M和S傳聲器，可以通過Y型導線將雙指向形傳聲器（S）的信號分別送至調音臺的兩條通道上，并將其中的一條做反相處理，從而得到-S信號。

2 立體聲格式轉換技術及MS矩陣

MS Shuffler的基本思想可以追溯到Alen Blumlein在1931年所提出的相關學術觀點上。Alen Blumlein認為立體聲不僅是左右揚聲器信號，還是和信號（M=L+R）和差信號（S=L-R）的關系。字母M和S分別代表“中間”和“側”信號，即M是包含立體聲中間信息的信號，而S是包含立體聲側邊信息的信號。1954年，丹麥工程師Holger Lauridsen 在此基礎上發明了基于MS Shuffler原理的立體聲格式轉換技術，作為他對空間音頻無線電傳輸和播放再現研究的一部分，現代廣播廣泛應用了這項技術，即把M和S信號加載在不同的波段上，在最終的播放端解調為單聲道或立體聲信號。隨后，Michael Gerzon對這種技術的應用進行了進一步延伸，他在左右聲道信號轉換到中、側信號后，加入了圖示均衡器，以便對聲音進行進一步修正。

2.1 MS Shuffer原理及立體聲格式轉換技術

立體聲可以是LR（左-右）格式的，也可以是MS（中間-兩側）格式的。LR格式主要應用于混音臺和CD播放器等傳聲系統，而MS格式則主要應用于FM廣播。從LR格式轉換為MS格式是基于MS Shuffler的基本原理，即對信號進行分離，從而重新平衡信號的中間和兩側的相關成分。從LR格式轉換為MS格式的MS Shffler原理如下所示：

∴M=L-S=R+S

∴L-S=R+S

∴ 2S=L-R

又∵ 聲功率增加一倍，其增益提升3 dB

∴S=（L-R）-3 dB

同理可知

∵S=L-M=M-R

∴ 2M=L+R

∴M=（L+R）-3 dB

盡管這種方法來源于MS立體聲傳聲器技術，但實際上任何立體聲錄音都可以通過這種技術進行后期處理。Michael Gerzon 提出了立體聲錄音矩陣化和信號交叉處理的數學表達式，以此來重新平衡信號的相關和非相關成分[2]。這實際上是MS Shuffler原理的一個具體應用，即把L和R格式的立體聲信號轉換為MS格式的立體聲信號，從而對中間和兩側的信號進行單獨的處理，最終再合成為LR格式的立體聲信號，筆者把這一技術定義為立體聲格式轉換技術。

2.2 MS矩陣

大多數的數字音頻工作站包含有MS（中-側）到LR（左-右）的格式轉換插件，也可以自己手動創建MS矩陣，用于立體聲格式的轉換。MS矩陣是立體聲格式轉換技術的核心，目前主要有兩種方式，第一種是手動創建MS矩陣，第二種是運用一些音頻插件生產廠商制作的MS矩陣插件，以上兩種方式都可以將LR格式的立體聲信號轉換為MS格式的立體聲信號。

2.2.1 手動建立的MS矩陣

利用MS Shuffler原理，可以手動創建MS矩陣，用于LR格式的立體聲文件到MS格式立體聲文件的轉換。其中，M=（L+R）-3 dB，S=（L-R）-3 dB，如果在數字音頻工作站中操作，需要在信號加和后手動降低3 dB的音量。具體原理如圖2所示。

圖2 LR至MS格式轉換矩陣基本原理示意

在數字音頻工作站中，首先要做的是將立體聲音頻通道發到一對立體聲輔助母線（例如BUS33、BUS34）中，然后建立4條單聲道的輔助通道，其中，2條選取L（BUS33）的信號，另外2條選取R（BUS34）的信號，之后將選取L（BUS33）信號的2條輔助通道聲像分別PAN至極左和極右，而選取R（BUS34）信號的2條輔助通道也進行同樣處理，但需要將PAN至極右的信號進行反相。最后將這4個通道信號混合輸出，就得到了M和S信號，具體示例如圖3所示。

圖3 數字音頻工作站中LR至MS格式轉換操作流程

2.2.2 MS矩陣插件

上述手動創建MS矩陣的過程較為繁瑣，不利于實際的音頻處理操作，因此很多音頻插件廠家推出了相關的音頻插件，例如Waves公司的S1 MS Martaix（圖4）以及Voxengo公司的MSED（圖5）等。運用這些插件，可以較快的進行從LR格式到MS格式的立體聲轉換。

圖4 S1 MS Martaix音頻插件

圖5 MESD 音頻插件

3 MS立體聲格式轉換的具體運用

3.1 M和S信號均衡和動態的獨立處理

基于MS shuffler原理和MS矩陣的應用，許多音頻插件廠商設計了一些復合插件，可以將LR格式的立體聲轉換為MS格式的立體聲信號，在對MS格式的立體聲信號進行均衡和動態處理后，再轉變回LR格式立體聲。

3.1.1 MS均衡器

MS均衡器是將MS矩陣與均衡器一起使用，也是基于MS Shuffler的原理對音頻信號進行格式轉換，它容許對音頻中間和兩側聲音的EQ進行單獨調整，例如Waves公司的HEQ（圖6）。

圖6 HEQ 音頻插件

這一類型音頻插件在母帶處理中能得到較好的應用。例如，將立體聲信號兩側的吊镲聲進行單獨的調節。將MS矩陣配合均衡器一起使用，會得到更好的通道隔離度，人工處理的痕跡也會減少。例如，某歌曲中間的人聲音量偏小，可以先將其轉換至MS格式，再對M和S聲道分別實施均衡處理，通過提高M聲道中的中高頻部分來達到提高人聲的目的，這樣既提高了人聲音量也不會對其他部分產生太大的影響。

3.1.2 MS壓縮器

MS壓縮器是將MS矩陣同壓縮器一起使用，將LR格式的立體聲信號轉換為MS格式后，可對音頻信號的中間和兩側組進行單獨的動態控制。常見的插件有iZotope母帶壓縮器插件，如圖7所示。

圖7 iZotope Ozone母帶壓縮音頻插件

在母帶處理過程中，當某音樂作品位于兩側的樂器響度較大時，中間人聲聽感相對變小，這時可以使用MS壓縮器對S聲道的樂器進行動態調整，使其在響度大過人聲時進行壓縮；反之，如果位于中間的人聲響度大過兩側的樂器，也可以壓縮M聲道或者對S聲道進行向上擴展。

3.2 單聲道模擬空間立體聲

3.2.1 單聲道模擬空間立體聲的原理

通常有很多方法可以把一個單聲道音頻轉換為立體聲，各有利弊，一種行之有效且單聲道兼容性較好的方法就是將單聲道聲源作為M（中間）信號，并人為創建一個S（側）信號，在S聲道加入延時，然后將其轉換為 LR 格式的立體聲，形成正常的左右聲道信號，具體方法如圖8所示。

圖8 單聲道模擬空間立體聲原理示意

為了詳細解釋這一方法的運作，假設在錄音棚內歌手前放置MS制式拾音傳聲器。面向前方的M傳聲器拾取到的主要為歌手的直達聲，拾取到的側向信息則很少。而S傳聲器的8字形指向除了捕捉到歌手的部分直達聲外，更多地拾取到包括所處空間的聲反射在內的側向信息。直達聲和反射聲之間的主要區別在于延時，因為反射聲相對于直達聲需要更多的時間到達傳聲器。在人為創建的S聲道中加入延時的作用就是模擬房間的反射聲，從而使得單聲道具有一定的空間信息。

3.2.2 利用MS技術模擬空間立體聲的缺點分析

通過單聲道人為創建一個Side信號，需要做的是延遲原始的信號源，延遲時間越長，意味著直達聲到達墻壁并產生反射所用的時間越長，“房間”也會越大，空間信息也會越多。與所有MS處理一樣，Side信號決定了立體聲的寬度，所以需要將原始信號和延遲信號進行平衡，使空間感更為真實。

在實際應用中，將MS格式轉換為LR格式的立體聲，由于延遲會引起隨頻率變化的相位移動，在波長較長的低頻段，延遲所造成的相移較小，所以，左聲道（M+S）的低頻會增加，而右聲道（M-S）則會抵消，這樣會導致合成的立體聲的立體感不均衡，尤其是低音聲部會產生向左聲道的偏移。解決這一問題的方法是，在延遲前進行低切處理，這樣做意味著低頻部分沒有被擴展，而鎖定在中心，具體低切的頻率需要視實際情況來確定。

3.2.3 單聲道模擬空間立體聲的方法

在數字音頻工作站中，需要復制2軌M信號作為虛擬的S和-S信號，之后再對它們進行低切和延遲處理，最后合成為立體聲信號，從而得到單聲道模擬空間的立體聲，具體做法如圖9所示。

圖9 數字音頻工作站中單聲道模擬空間立體聲的操作流程

3.3 立體聲寬度擴展

在進行音頻制作時，若某一立體聲節目聽感寬度太窄，則可以利用MS Shffler原理和MS矩陣進行寬度擴展。

3.3.1 立體聲寬度擴展原理

Blumlein設計了立體聲寬度控制的信號處理流程，如圖10所示。在將音頻信號進行格式轉換后，對M信號和S信號的增益進行重新平衡，當增加S信號的增益時，會使聲像定位變寬，當減小S信號的增益時，會使聲像定位變窄。寬度控制是MS Shuffler原理最實用的應用之一。3.3.2 立體聲寬度擴展插件

圖10 立體聲寬度擴展原理示意

通過手動信號分配來達到寬度控制的目的可能需要很多繁瑣的步驟，因此，針對這一應用需求，有一些音頻廠家基于上述工作原理推出了相關的數字音頻插件，運用這些插件可以簡化應用流程，使音頻制作更加便利。相關插件有Brainworx BX Digital V2以及Waves S1 Stereo Shuffler（圖11所示）。

圖11 S1 Stereo Shuffler 音頻插件

在Waves S1 Stereo Shuffler這款插件中，只需要調整 Width即可調整立體聲的寬度，這樣簡單的操作很大程度上提高了工作的便利性。

3.3.3 立體聲寬度擴展應用及效果分析

實際工作中，在S聲道上加入均衡器對立體聲擴展是相當重要的，可以對S信號的某一頻率進行單獨的寬度擴展控制。通過這種處理，可以更有針對性地控制不同頻率的寬度，流程如圖12所示。例如，提升S聲道的1000 Hz，則可以使轉換為LR格式的立體聲在1000 Hz左右頻率的寬度得以提升。

圖12 加入均衡器的立體聲寬度擴展原理示意

在進行立體聲寬度擴展后，運用PAZ Position插件對擴展前后的立體聲寬度進行對比，如圖13所示，左側為擴展前的立體聲寬度，右側為擴展后的立體聲寬度，可以看到增加S聲道的增益后的立體聲寬度增加。

圖13 立體聲擴展前后寬度對比

3.4 消聲伴奏處理

3.4.1 MS消聲伴奏原理

傳統的消聲伴奏制作方法是進行立體聲某一通道的相位反轉,但采用這種方法而來的伴奏中，低頻因為大多處于立體聲的中間位置（即左右通道包含能量基本相同的低音成分）而會被大量抵消，并且這些抵消在后期處理時極難補償。針對這一問題，利用MS矩陣，可以先將LR格式的立體聲轉換為MS格式，再對M信號中的人聲頻率進行消除，這樣就可以最大程度地保留原始信號中的低頻成分，而原來S聲道中的樂器聲音也不受影響。其基本原理如圖14所示。

圖14 MS 消聲伴奏處理原理示意

3.4.2 MS消聲伴奏操作分析

在數字音頻工作站中，需要將進行處理的立體聲信號中插入S1 Matrix插件，此時這路立體聲音頻軌道的左邊為M(L+R)，右邊為S(L-R)。然后將這個立體聲音頻軌道發送到一個立體聲輔助母線（例如BUS35、BUS36），之后創建3條輔助輸入通道，其中1條輸入選擇BUS35（M），另外2條輸入選擇為BUS36（S）并把聲像PAN至極左極右，之后對聲像在右邊的S輔助輸入通道進行反相處理。在做完上述操作后，需對M聲道的人聲頻率進行衰減，并對M和S的音量比例進行調整，以得到最終的伴奏。具體操作流程如圖15所示。

3.4.3 MS消聲伴奏缺點分析

當一首歌曲的主唱沒有位于中間，或者左右聲道內容一樣的立體聲時，這種方法并不適用。并且由于M（中間聲道）需要衰減較為寬泛的人聲頻率，這實際上也會破壞位于此頻段內的其他聲部的頻率響應。對比立體聲相位反轉消聲伴奏，MS消聲伴奏可調比例更大，效果更好。

圖15 數字音頻工作站中MS 消聲伴奏操作流程

3.5 混響處理

3.5.1 減少過量的混響

利用MS shuffler原理的另一簡單應用就是可以幫助減少立體聲錄音中的過量混響。在立體聲信號中拾取的混響通常在兩個聲道之間是非相干的，主要存在于側（S）聲道中，因此，降低側（S）聲道的電平可以將混響聲量減少到合適的程度。同時，通過在側（S）聲道中使用均衡，可以控制不同頻率的混響量。大量的軟硬件可以用來進行這種處理，如Brainworx提供的各種產品，硬件如Portico 5014立體聲場編輯器。

3.5.2 加強混響

在得不到分軌文件，又需要對立體聲信號中的人聲進行混響加強時，可以利用MS立體聲格式處理。如對人聲居中而吉他擺在兩側的錄音，可以在這個音軌上添加MS矩陣插件進行立體聲格式轉換，從而單獨對中間（M）信號進行混響加強，最后再轉換合成立體聲。這樣就能在對吉他的混響影響最小的情況下，使人聲的混響得到加強。

3.6 檢驗混音質量

通過將立體聲信號從LR格式轉換為MS格式，可以聽到原本掩蔽于混音中的一些細節。除了上面所說的混響之外，有時會讓一些人為處理的痕跡變得明顯,例如壓縮、編輯點和失真等。

4 不足及展望

4.1 不足之處

當使用MS立體聲格式技術對音頻信號進行處理時，很容易造成單聲道不兼容的問題。因此，需要不斷地檢查信號的單聲道兼容性，具體可在相關處理過程中按下調音臺或數字音頻工作站監聽部分的單聲道監聽按鈕進行對比試聽，同時，還需使用相位表對左右輸出的相位進行監視。

另外一個重要的問題就是要對電平進行處理，如果2個Side信號的電平不一致，也會導致相位問題。

4.2 應用展望

基于MS Shuffler原理的立體聲格式轉換音頻插件為藝術家和工程師創造了無數可能，但國內對這一原理的應用研究還很少，筆者提出的基于MS Shuffler原理的立體聲轉換技術的使用方法，旨在起到拋磚引玉的作用。隨著音頻技術的快速發展，立體聲格式轉換技術也得到更多的發展與應用，可以加入帶通濾波器，解決單聲道兼容性問題；也可以對轉換后的M和S信號的聲像和音量重新平衡，從而修正傳聲器不在樂隊中軸線的問題。相信隨著未來科學技術的快速發展，會有更多更加智能化的立體聲處理技術和插件出現。