作者：Jon Gabay

引言

世界是不斷變化的。這種不斷發(fā)展的狀態(tài)，意味著(zhù)我們與世界、設備和他人互動(dòng)的方式也在發(fā)生變化。支配這種變化的，除了獲取利潤外，還存在兩種重要的力量：其一，是技術(shù)的發(fā)展，它推動(dòng)著(zhù)我們不斷開(kāi)拓創(chuàng )新，帶來(lái)了各種當今習以為常的設備和應用程序；其二，則是在新冠疫情的推動(dòng)下，人們對身體健康的關(guān)注度變得更高。

當人們擁有更多時(shí)間用來(lái)娛樂(lè )，沉浸式技術(shù)便迎來(lái)了發(fā)展機遇�，F在，消費者可以購買(mǎi)到多家制造商推出的虛擬現實(shí)和增強現實(shí)頭顯設備，業(yè)余開(kāi)發(fā)者和專(zhuān)業(yè)人員也可以借助開(kāi)發(fā)工具來(lái)渲染虛擬世界和場(chǎng)景。這些顯示技術(shù)正不時(shí)地見(jiàn)諸媒體頭條，與此同時(shí)相應的音頻技術(shù)也沒(méi)被落下。

在公認的五大感知中，聲音也許是人們最先感受到的。不論是大自然的豐富、管弦樂(lè )的渾厚，還是靈歌的激蕩，聲音和其他任何感知一樣，都會(huì )對我們的情感和生理產(chǎn)生深遠的影響。

發(fā)展歷程

我們之所以能繁衍至今，很大程度上離不開(kāi)我們專(zhuān)注于傾聽(tīng)的能力。例如，我們的祖先在狩獵時(shí)，會(huì )通過(guò)聲音來(lái)追蹤和尋找食物，維持家族或村莊的生計。借助聲音，他們能夠以一種3D沉浸式的方式來(lái)定位潛在的致命因素，從而避開(kāi)捕食者。我們只要聽(tīng)到聲音，就可以感知到它在哪個(gè)方向、距離我們多遠，以及它正以怎樣的速度靠近。

沉浸式音頻是一種高科技音頻處理和音響技術(shù)，它的實(shí)現離不開(kāi)高質(zhì)量的音頻處理，以及一系列經(jīng)過(guò)精心設計、校準和布置的高、中、低音揚聲器單元，這樣才能提供動(dòng)態(tài)的全頻譜聽(tīng)覺(jué)感受。

雖然以往的普通發(fā)燒友并不追求這樣的配置，但電影院和各種表演場(chǎng)所多年來(lái)一直在運用這項技術(shù)。就像所有的開(kāi)創(chuàng )性技術(shù)一樣，它最終會(huì )找到自己的方式來(lái)惠及其他領(lǐng)域。

現代娛樂(lè )系統會(huì )采用許多專(zhuān)門(mén)的過(guò)濾器和動(dòng)態(tài)處理，創(chuàng )造出能讓更多人負擔得起的方案。如今，家庭影院的普及度已經(jīng)站上新高，新冠疫情的橫行進(jìn)一步推動(dòng)了這種趨勢。在遍地開(kāi)花的游戲裝備和家庭影院中，沉浸式音頻是一種順理成章的需求。

雖然立體聲可以實(shí)現基礎的環(huán)繞聲能力，但杜比數字5.1 (Dolby Digital 5.1) 技術(shù)才是當今應用最廣泛的環(huán)繞聲和3D音頻方案。此類(lèi)系統包括杜比數字、杜比定向邏輯II (Dolby Pro Logic II)、DTS、SDDS和THX等技術(shù)，它們都采用圍繞聽(tīng)眾布置的六揚聲器配置（五個(gè)全帶寬聲道、一個(gè)重低音揚聲器）（圖1）。這些環(huán)繞聲技術(shù)首先在電影院中得到應用，這推動(dòng)了它們實(shí)現進(jìn)一步發(fā)展，并將成本降低到大眾可以接受的程度。

圖1：5.1環(huán)繞聲使用五個(gè)放置在特定位置的全頻揚聲器和一個(gè)重低音揚聲器。音頻處理工程師可以通過(guò)混音，讓聽(tīng)眾感覺(jué)到聲音似乎在他們周?chē)�移�?dòng)。重低音揚聲器通�？梢苑旁谌我馕恢�。（圖源：Zern Liew/Shutterstock.com）

在這樣的系統中，多個(gè)揚聲器都由獨立的音頻流驅動(dòng)，讓聽(tīng)眾可以感受到虛擬的聲音環(huán)繞在自己周?chē)�。其中，左后和右后聲道負責空間深度；左前、右前和前中置聲道負責橫向深度；重低音揚聲器負責整個(gè)空間的低頻聲音。

對于處在收聽(tīng)區域（也就是沙發(fā)）中央的單個(gè)聽(tīng)眾而言，這樣的配置是理想的。在多人收聽(tīng)的情況下，不同位置的聽(tīng)眾體驗上會(huì )有細微差異，但總體而言是相對一致的，每個(gè)人都可以感受到聲音的移動(dòng)�，F在，已經(jīng)有一些錄音師在新唱片中提供了5.1環(huán)繞聲音軌，并以“沉浸式”來(lái)進(jìn)行宣傳。

一個(gè)有趣的事實(shí)是，前中置聲道針對語(yǔ)音范圍的聲音進(jìn)行了優(yōu)化，這有助于聽(tīng)眾在沉浸于3D音效的同時(shí)依然能夠分辨人物對話(huà)。在豐富、渾厚的聲音越來(lái)越受追捧的情況下，分辨人聲會(huì )變得更加困難。通過(guò)中置聲道的過(guò)濾和放大，聽(tīng)眾便更容易聽(tīng)清人物對話(huà)。

在5.1環(huán)繞聲基礎上，如果取消左后和右后聲道，改為左環(huán)繞、右環(huán)繞和后中置聲道，便可升級為6.1環(huán)繞聲（圖2）；如果在6.1環(huán)繞聲基礎上取消后中置聲道，改為左后和右后聲道，則成為7.1環(huán)繞聲（圖3）。

圖2：6.1環(huán)繞聲在左右兩側配備了揚聲器，當音頻對象從前面移向側面或背后時(shí)可增強移動(dòng)音效。重低音揚聲器依然可以隨意放置，這里也不討論有關(guān)低音的話(huà)題。（圖源：Zern Liew/Shutterstock.com）

7.1環(huán)繞聲技術(shù)增加了更多揚聲器和獨立聲道，因而可以構建出2.5D的立方體或多邊形聲場(chǎng)，在重要位置配備更多高、中、低音單元，使聽(tīng)眾沉浸到2D和有限的3D音頻中（圖3）。對于聲音從聽(tīng)眾正上方或正下方發(fā)出的音效，一定程度上可以通過(guò)信號處理來(lái)近似地實(shí)現，但并不能達到比較完美的效果，除非在上方或下方確實(shí)有揚聲器。

圖3：以較小角度放置更多揚聲器，有助于消除可能出現的音頻熱點(diǎn)，尤其是在音軌沒(méi)有正確地進(jìn)行混音或處理，或者音頻轉換器未能正確處理環(huán)繞聲的情況下。（圖源：Zern Liew/Shutterstock.com）

值得注意的是，我們可以通過(guò)音源轉換器對拾取的立體聲音頻信號進(jìn)行處理，從而創(chuàng )建出合成的多揚聲器環(huán)繞聲信號。也就是說(shuō)，只需借助數字信號處理技術(shù)，我們就能夠在很大程度上從立體聲中分離出聲源的位置。當然，3D音頻最理想的解決方案依然是通過(guò)3D麥克風(fēng)拾取聲音，然后使用同樣的3D揚聲器配置來(lái)播放，但這種做法即麻煩又困難，而且既然信號處理就能夠實(shí)現很近似的效果，也就鮮少有人會(huì )如此折騰了。

但信號處理真的是一劑“萬(wàn)靈丹”嗎？我們敏銳的聽(tīng)覺(jué)，僅僅遇上信號處理和有限的幾個(gè)揚聲器，就可以被糊弄嗎？如果不是這樣的話(huà)，我們是不是就得用上滿(mǎn)墻、滿(mǎn)天花板的揚聲器？

圖4：有一句老話(huà)叫“多多益善”。許多藝人都喜歡在現場(chǎng)配備一大堆揚聲器和功放，這在大型戶(hù)外演出中也許是必要的，但你真的希望把整面墻都掛滿(mǎn)揚聲器嗎？在某些情況下，你是不是更希望體驗到更好的音效，而不是更大的音量？（圖源：tommistock/Shutterstock.com）

面向對象的音頻

沉浸式音頻的最新實(shí)踐來(lái)自杜比全景聲 (Dolby Atmos)，它最初是為影院應用而設計的。迄今為止，已有近5000家影院經(jīng)過(guò)改造，通過(guò)64個(gè)揚聲器帶來(lái)這種全新聽(tīng)覺(jué)體驗。該技術(shù)支持由多達128個(gè)聲道組成的大型陣列，這些聲道可以使用全頻、低音、重低音和高音單元。

與傳統音頻不同的是，杜比全景聲（及其競爭對手索尼360）采用了“音頻對象”的概念。視聽(tīng)接收器 (AVR) 將自動(dòng)適配揚聲器的數量、類(lèi)型和位置，并對每個(gè)音頻對象的頻譜構成、振幅位置、速度和方向進(jìn)行處理。不過(guò)，“音頻對象”并不僅僅包含聲音本身，它還帶有各種元數據，幫助對象音頻渲染器 (OAR) 讓對象移動(dòng)起來(lái)。在128個(gè)聲道中，10個(gè)用于環(huán)境效果，余下的118個(gè)可用于音頻對象。

這些聲道并不一定對應于特定的揚聲器。聲道信息和聲音對象是對應的，對象音頻可以進(jìn)行處理，并與其他對象音頻相結合，最終以適當的音量分配到各個(gè)揚聲器。整個(gè)過(guò)程均由AVR借助元數據來(lái)實(shí)時(shí)處理信號，并進(jìn)行實(shí)時(shí)混音和分配。

可以想見(jiàn)，這樣的技術(shù)絕不像立體聲那樣，只要隨手放兩臺揚聲器就可以實(shí)現。對于杜比全景聲以及許多其他環(huán)繞聲和3D音響系統，揚聲器在放好位置后還必須進(jìn)行校準，才能共同呈現出精確的聲場(chǎng)。杜比全景聲還有適用于家庭影院的方案，但并不會(huì )用到全部128個(gè)聲道。這種家用方案采用的應該是34個(gè)揚聲器的配置。

杜比全景聲并不是完全新鮮的事物。2012年，洛杉磯的一家影院舉辦了一部迪士尼電影的首映式，這是該技術(shù)的首次實(shí)際應用。從那時(shí)起，大型影院、IMAX、天文館、音樂(lè )劇、戲劇和其他音響應用都積極采用這項技術(shù)，使之成為了新電影和活動(dòng)事實(shí)上的音頻拾取標準。杜比全景聲還通過(guò)天花板上的揚聲器來(lái)構建完整的聲音半球，不僅能夠使聲音真正從上方發(fā)出，還讓實(shí)時(shí)處理變得更加容易。

曾幾何時(shí)，杜比全景聲對普通發(fā)燒友而言過(guò)于復雜和昂貴，但現在它對于有足夠空間和預算的發(fā)燒友而言，已經(jīng)成為讓朋友們驚嘆的必備配置，拉風(fēng)指數五顆星。

如果你已經(jīng)在其他環(huán)繞聲技術(shù)上耗費了大量銀子，那么也可以入手一個(gè)杜比全景聲轉換器，然后繼續使用現有的揚聲器和功放。不過(guò)，你一定不會(huì )止步于此，至少你肯定希望配備天花板揚聲器。該轉換器可以將杜比5.1轉換為17揚聲器的7.4.1環(huán)繞聲配置。

值得注意的是，杜比全景聲還可以通過(guò)條形音箱而非環(huán)繞揚聲器來(lái)實(shí)現。各種形式的條形音箱技術(shù)正越來(lái)越受到歡迎。降低成本、簡(jiǎn)化設置、降低功耗、減少電纜和縮小尺寸等明顯的優(yōu)勢推動(dòng)了這項技術(shù)的發(fā)展。

相控陣垂直條形音箱已經(jīng)證明了它們能夠以良好的清晰度和分離度模擬完整的音頻頻譜。使用它們的音樂(lè )人會(huì )告訴你，帶有6英寸揚聲器的條形音箱柱可為重低音揚聲器應用提供相當于18英寸揚聲器的清晰度。這應該足夠引起一些人的注意了。因此，水平條形音箱和基于條形音箱的混合系統（包括遠程揚聲器）在許多家庭影院和工作室中都很受歡迎。

條形音箱的頂部揚聲器和側邊揚聲器使聲音在墻壁和天花板表面反射，讓聽(tīng)眾感到它似乎來(lái)自上方和背后�，F代感十足的特斯拉Model 3就將前置條形音箱技術(shù)作為其15揚聲器音頻系統的一部分，從而將環(huán)繞聲和沉浸式音頻作為一項賣(mài)點(diǎn)。關(guān)閉Model 3的后置揚聲器，啟用帶有信號處理和混響的沉浸式音頻模式，便可以體驗到這項功能，那些嘗試過(guò)的人都堅信聲音是從后面傳來(lái)的。不過(guò)它的實(shí)際反饋毀譽(yù)參半，許多人都不喜歡這樣的音效。測評師的觀(guān)點(diǎn)也呈現出兩極化傾向，不少都提到了不同類(lèi)型的音樂(lè )適合或者不適合條形音箱式的沉浸式方案。這是有道理的，因為聲音再現的質(zhì)量離不開(kāi)錄音師的混音技術(shù)。條形音箱能夠在這種場(chǎng)景中成功落地，意味著(zhù)準確、帶有上下方向的沉浸式音箱技術(shù)在沒(méi)有地板和天花板揚聲器的情況下也幾乎都能實(shí)現。

拾取和渲染

諸如游戲之類(lèi)的沉浸式視頻體驗，使用的是一種完全創(chuàng )造出來(lái)的環(huán)境，由具有表面渲染和指定物理屬性的3D結構組成。真實(shí)的視頻片斷可以被捕獲并以數字方式拼接在一起，形成一個(gè)包括上下影像的全景。

沉浸式的體驗，例如在國家公園中散步，可以整合豐富的視覺(jué)效果，而音頻則可以通過(guò)對預先錄制的片段進(jìn)行組合來(lái)合成或創(chuàng )建出來(lái)。這些片段可以在3D音響系統中進(jìn)行拾取，并用作沉浸式體驗的一部分。就像由頭部追蹤控制的視頻一樣，音頻也必須由頭部追蹤來(lái)控制。例如，在你面對一條潺潺小溪時(shí)，所聽(tīng)到的聲音與背對它時(shí)會(huì )有顯著(zhù)區別。如果沒(méi)有通過(guò)頭部追蹤來(lái)控制聲音，沉浸式體驗就會(huì )大打折扣。

好在，你不必為沉浸式的目的而自己發(fā)明3D音頻拾取方案。諸如森海塞爾 (Sennheiser) 等知名音頻廠(chǎng)商利用分段軸和數字工具，制造出了專(zhuān)業(yè)的真正全向麥克風(fēng)，以拾取高度定向的聲音（圖5）。AMBEO VR Mic包含多個(gè)敏感的寬頻譜麥克風(fēng)元件，并采用環(huán)繞聲配置。DearVR MICRO處理軟件可以渲染定向音頻以提供標準環(huán)繞聲配置。

圖5：Sennheiser AMBEO VR Mic等沉浸式音頻拾取技術(shù)，使數字音頻引擎能夠根據地磁極和方向來(lái)渲染聲場(chǎng)。通過(guò)數字求和，可以創(chuàng )造出結合了不同距離多個(gè)聲源的復合音頻。（圖源：森海塞爾）

為此，音頻引擎需要知道你頭部的方向和運動(dòng)。按照今天的標準，這一點(diǎn)在使用頭顯設備時(shí)很容易實(shí)現，因為它們都內置了頭部追蹤功能用于視頻渲染。但是，如何才能通過(guò)局限于兩只耳朵的耳機來(lái)實(shí)現基于頭部位置的沉浸式音頻系統呢？我們可以把多個(gè)微型揚聲器放置在耳機中，模擬環(huán)繞聲體驗。對于大多數應用而言，立體聲已經(jīng)足夠，但它與真正的環(huán)繞聲依然不在同一水平上。

非娛樂(lè )應用

雖然大多數情況下沉浸式視聽(tīng)技術(shù)會(huì )用于娛樂(lè )用途，但它在專(zhuān)業(yè)用途中也有一席之地。例如，產(chǎn)品設計工程就可以從包括視頻和音頻在內的沉浸式技術(shù)中獲益。從視頻的角度而言，可以通過(guò)虛擬的方式構建、渲染和檢查復雜組件的機械設計。對于以沉浸式方式生成的虛擬組件，例如噴氣式發(fā)動(dòng)機，我們可以身臨其境地進(jìn)行構建、推入和檢查，確保齒輪和渦輪對齊。沉浸在制造環(huán)境中的工廠(chǎng)專(zhuān)家可以指導世界另一端的維修技術(shù)人員進(jìn)行操作。

沉浸式音頻也可以在工程應用中提供幫助。設計汽車(chē)的工程團隊可以聆聽(tīng)到模擬渲染的發(fā)動(dòng)機和變速箱噪音。他們可以從虛擬設計中提取出氣流、振動(dòng)和擺動(dòng)等環(huán)境控制要素，也可以在虛擬環(huán)境中設計并測試車(chē)窗，避免在特定車(chē)速下將車(chē)窗搖到特定位置時(shí)發(fā)出砰砰聲——這是一種在當今許多新車(chē)上依然會(huì )出現的問(wèn)題。

在各種用例中，音頻都是沉浸式體驗的組成部分，但并不是所有情況都需要環(huán)繞聲。至少在通過(guò)雙耳耳機實(shí)現真正環(huán)繞聲的問(wèn)題解決之前，模擬環(huán)繞聲可能就已經(jīng)足夠了。