当环绕声遇到游戏

2014-04-29蔡梦甜

艺术科技 2014年1期

蔡梦甜

摘要：本文针对目前主流尖端游戏领域，分析游戏玩家对环绕声的实际需求，认为虚拟环绕声是面向大部分游戏玩家最实际的解决方案。据此对现在的商用虚拟环绕声技术进行了细致展示、分类和技术分析。同时，本文探究性的探讨了尖端游戏的电子竞技领域中，游戏环绕声“后方定位优先”这个论题的实现可行性。

关键词：尖端游戏；重放限制；虚拟环绕声；电子竞技；后方定位优先1当环绕声遇到游戏

随着数字技术的发展，电子游戏从8位机时代的Atari①、任天堂FC②，一路走到了64位机的PS3③、XBOX360④。这期间，图形处理和人机对话等技术有了不可想象的突破。在现在最主流的PS3等游戏系统中，视觉、听觉、操控等仿真程度都达到了很高的水平，给玩家带来了美妙的游戏享受。在游戏图形处理领域，因为计算能力、存储容量的提升，3D技术已经运用非常成熟。从目前最尖端的游戏之一——《孤岛惊魂3》（未开发完）的截图可以看出，其图像在一定程度上达到了以假乱真的程度。可以想见，尖端游戏不可避免地“遇到”了环绕声。回想8位机时代，游戏声音几乎可以和单调的FM合成音乐画等号。可如今，游戏声音的技术已经赶上音频技术的最前沿，这从PS3音频部分的标准就可以看出：支持LPCM 7.1ch、Dolby Digital、 Dolby Digital Plus、Dolby TrueHD、DTS、DTSHD、AAC。诸如Dolby TrueHD、DTSHD等技术，都是近年才提出、还未完全普及的尖端编码技术。同时，这些编码技术，除了5.1环绕声就是7.1环绕声。可以说在这个尖端游戏的年代，想要获得与视觉匹配的逼真游戏效果，环绕声的重放是必不可少的。

2虚拟环绕声最对症

如果环绕声面对的是游戏玩家，也需要因地制宜。游戏玩家大部分都不是音响发烧友，这在很大程度上决定了其对待环绕声回放的重视程度。首先，在重放设备上可能存在不专业。很多游戏玩家使用的是耳机或者多媒体音箱重放。重放设备的限制导致这部分玩家无法享受逼真的环绕声感受。其次，在回放环境上会有严重制约。游戏玩家在对待环绕声重放时，会面临很多的现实问题：声压级太大会吵到他人、不安静的环境会干扰环绕声听音、重放房间没有达到基本大小、听音声学条件差等。这些问题是游戏玩家无法回避，或者不愿意花费金钱、精力解决的。这也是很多玩家使用耳机，或者勉强使用多音箱、却无法达到标准回放效果的原因。因此，为了让没有环绕声监听条件的玩家能够体验到尖端游戏的环绕声回放效果，很多虚拟环绕声技术在游戏领域得到了应用。

3虚拟环绕声技术群雄并起

很多厂商都进行了虚拟环绕声技术的研发，其中很多技术都已经得到广泛的商业应用。我在这里先介绍几个虚拟环绕声领先者，有利于我们对每个专利技术的历史有个直观的印象（只针对每个厂商的虚拟环绕声领域，排名不分先后）。

（1）SRS Lab。SRS（Sound Retrieval System）Lab，成立于1993年。最早推出的技术是SRS 3D，它可以将立体声信号经过运算，在两声道系统重放出环绕声。SRS 3D可以视为其虚拟环绕声的核心技术。后来SRS推出了SRS TruSurround，增加了对Dolby Pro Logic、Dolby Digital等环绕声编码的支持，并提升了处理的质量。现在，SRS TruSurround已经发展到了SRS TruSurround HD4。同时，SRS还推出了专门针对立体声耳机重放虚拟环绕声的SRS Headphone系列。其中SRS Headphone 360可以让立体声耳机回放5.1或者7.1编码的环绕声音频，而CS Headphone则可以使立体声信号经过处理转化为虚拟环绕声回放。

（SRS 3D——SRS TruSurround——SRS TruSurround HD——SRS Headphone ——SRS Headphone 360——SRS CS Headphone）

（2）Qsound Lab。Qsound Lab成立于1986年。有意思的是，Qsound的虚拟环绕声技术的第一次商业应用就是在Capcom⑤的游戏运用。Qsound的虚拟环绕声核心技术是QSurround算法。其后推出了三款商用产品：QSurround HD，专为双声道音箱系统的多声道虚拟环绕声技术；QSurround 5.1，用于多声道系统的虚拟环绕技术；QSound Headphones，耳机虚拟环绕声技术。通过分析QSurround5.1针对多声道系统的用途可以发现，QSurround技术是可以用于立体声信号源虚拟“上变换⑥”的（如果不能上变换，则QSurround 5.1技术就没有意义了）。

（3）Dolby Lab。Dolby Lab创立于1965年。与SRS和Qsound不同，杜比的主要技术重心是音频编码标准（如Dolby Digital），虚拟环绕声技术只是杜比的一项分支技术。这带来了两点显而易见的优势：一方面可以在音频编码与虚拟环绕声处理的技术衔接上更加完美。另一方面由于杜比音频编码标准的市场影响力和占有率，杜比可以在自家虚拟环绕声技术的推广上，有更大的话语权（就好像微软的对待上、下游厂商的做法）。杜比的技术体系相比SRS和Qsound更简明——基于Virtual Dolby Surround技术，杜比衍生出Dolby Virtual Speaker和Dolby Headphone两项技术产品。从名称上就可以看出，这两项技术可以通过算法处理，将环绕声信号在双声道音箱、耳机中重放虚拟环绕声。

（4）SunnyTech。SunnyTech是这次谈到的最神秘的公司。第一个原因是因为它推出了世界上第一款物理环绕声耳机。第二个原因是这家宣称来自美国的公司，居然只有一个在安徽注册的、推广LTB系列耳机的网站，此外再无母公司网站或者技术资料。Sunnytech之所以出現在这篇论文中，是因为它宣称的ISC（独立音室）技术：通过一个USB数字解码器，以及一个六单元（每个耳罩内三个单元）的头戴式耳机，达到真正的物理耳机环绕声。不过根据仅有的资料，使用者似乎对于这个技术评价并不是很高。

4虚拟环绕声的分类

虚拟环绕声，从广义上说，可以定义为“将原本为立体声听感的回放声信号，经过数字环节的处理计算，转变为环绕声听感的回放声信号”。这里特别需要特别指出的是，如下两种情况也包括在广义虚拟环绕声的定义中：1）环绕声编码信号源（环绕声数字信号）在两声道回放（环绕声声信号）。2）普通立体声信号源，在环绕系统（标准环绕声摆放）的虚拟环绕声回放。由于广义虚拟环绕声在数字信号源和回放系统两方面都分别存在类别划分，因此我将目前的虚拟环绕声技术，按照两种分类体系进行了分类。

（1）按照信源声道数分类：1）信源声道数为2：这类虚拟环绕声的代表技术有SRS 3D、QSurround5.1等。这些技术将原本为立体声的数字信号，处理为虚拟环绕声信号，在两声道回放系统或者环绕声回放系统中重放。2）信源声道数为N（N为标准环绕声声道数）：这类虚拟环绕声的代表技术有SRS 3D的衍生技术SRS TruSurround和SRS Headphone系列、QSurround HD、QSurround Headphone以及Virtual Dolby Surround等。这些技术将环绕声数字编码解码后，再通过处理，在双声道系统中重放（这种技术对于环绕声系统没有意义）。3）信源声道数为2（N）：这类虚拟环绕声的代表技术是人工头录音。这些技术在录音时就是以两声道重放环绕声为目的，得到两声道数字信号，因此不需要做处理就可以直接回放。但是这类技术基本应用于耳机回放。

（2）按照回放系统分类：1）双声道音箱回放：SRS 3D技术及其衍生技术SRS TruSurround、Dolby Virtual Speaker、QSurround HD。2）双声道耳机回放：SRS 3D技术及其衍生技术SRS Headphone系列、Dolby Headphone、QSurround Headphones。3）环绕声音箱系统回放：QSurround 5.1。4）物理多声道耳机回放：SunntTech的ISC技术。

在这里对虚拟环绕声的“虚拟”做一个总结：

1）2转N至N（立体声数字信号，上变换为环绕声数字信号，在环绕声系统中重放）：虚拟在“上变换”环节。2）N转N至2：虚拟在音箱、耳机重放环节。3）2转N至N：同时虚拟在“上变换”和重放环节。

5虚拟环绕声的原理核心以及发展

所有虚拟环绕声技术最基本的核心是人头传递函数，即HRTF（HeadRelated Transfer Functions）。HRTF模拟声音信号从声源到达耳膜之间的传输路径中，频率响应上受到的衰减。

早期的虚拟环绕声技术，针对立体声信号，通过HRTF函数模拟侧后方反射声以及混响声，以达到虚拟的“上变换”混响。这时的虚拟环绕声技术在“环绕”这个概念，仅仅是“有包围感”这个最低要求。后来，虚拟环绕声技术进一步发展。由于家庭影院的普及，越来越多的人想要在家里享受真正5.1编码的节目源，这也对虚拟环绕声领域提出了更高的要求。这时的虚拟环绕声，加入了对5.1编码的支持。基本原理是将L和Ls、R和Rs分别发送给左右声道，C信号经3dB衰减后同时馈送到左右声道，再经过HRTF函数等算法，得到真正5.1编码源的虚拟环绕声重放。

虚拟环绕声发展到这里，也算进入了一个相对的高度了。但正是因为技术水平的提升，一些原来无须重视的问题成为最重要的课题。通过对之前两步发展分析可以发现，虚拟环绕声在重放时并没有对耳机重放或音箱重放进行统一的严格要求。而我们又都知道，耳机重放和音箱重放的原理是有区别的：耳机重放条件下，左声道只能传递到左耳，右声道只能传递到右耳；而音箱重放条件下，左或右声道均可以传递至左右两耳，并且带有传输路径的信息（声学环境影响，以及可能存在的某系空气衰减重复计算）。因此，虚拟环绕声在这里就分化出了两个系列：Headphone系列和Speaker系列。

Headphone系列中，针对耳机回放的头中效应（其实在之前的技术中，工程师也对头中效应进行了优化，但是在耳机回放单独分化出来之后，优化技术有了更好的发展），新的技术在L、R声道中刻意串入对方声道的信号，以模拟人头真实听音感受。同时，为了模拟真实听音环境的反射声，在L、R声道中加入了房间声学模型的函数。但是问题又来了，由于加入的房间反射声模型与声源信号的不可控制性，会导致诸如重放声像定位不准等新的问题。针对这一问题，每个厂家也都推出了自己解决。比如对于后方环绕声道信号进行去相关延时处理等。

Speaker系列中，因为不存在头中定位问题，因此可以直接采用反射声模拟。但是同样，反射声的不可控性带来了定位等问题。每个厂家也是各自推出独门绝技，比如Dolby的扬声器传音消除技术，可惜由于技术机密的原因，其具体的解决措施我们无法真正得知。

技术的发展没有止境的。解决了耳机和揚声器的问题，使得我们在水平听音面有了较好的环绕声模拟效果之后，各大虚拟环绕声技术厂家开始致力于三维空间的虚拟环绕声。众所周知在普及商用环绕声领域，即使是最新的Dolby TrueHD和DTSHD，也基本上是360°二维环绕声（由于人耳耳郭的滤波构造以及日常听音经验，会存在很少一部分上下定位的分辨），而虚拟环绕声这个“假”技术在立体化上走在了“真家伙”前面。现有的三维虚拟环绕声技术，主要实现手段是在后方环绕声道部分。究其原因，主要原因有两点：1）后方声道的定位要求不高，实现起来难度不大。2）前方声道的三维处理，在现行阶段会因为惯性听音习惯而造成不合理感。后方环绕声道的虚拟，主要还是基于HRTF实现。通过将环绕声道信号馈送给一个3D模块的HRTF函数（具有上下角度采样的HRTF数据），计算处理后重放出三维虚拟环绕声。

6游戏所需要的

本文开头提到，目前最尖端的游戏，提供的都是环绕声编码的音频信号；因此有多音箱回放条件的玩家就无须“上变换”类型的虚拟环绕声。据此分析，尖端游戏所需要的虚拟环绕声技术，应当是狭义的虚拟环绕声，也就是双声道环绕声，即“在使用两声道⑦系统的前提下，回放多声道环绕声”。也就是说，像QSurround 5.1这类技术，我们在尖端游戏领域就不需要了。

7环绕声在电子竞技的应用以及“后方定位优先”

就像文章第二段谈到的，之所以虚拟环绕声在尖端游戏的应用广泛，是因为大部分玩家对环绕声要求不高或者有客观因素制约。但是对于一些高端电子竞技⑧玩家，他们追求的是竞技性。在竞技性的前提下，挖掘一切因素来获得感知上的全面精准和优势就显得非常有必要。举一个简单的例子：在主视角射击游戏的竞技中，玩家需要准确判断在身后玩家的位置，并及时给予“还击”。面对这种要求，环绕声可不可以做一些因地制宜的变通呢？回望环绕声技术的发展历程，始创于电影工业，然后应用于音乐领域。电影和音乐，都是对于重视观众正前方的媒体——电影荧幕在前方，音乐舞台在前方。因此，环绕声技术的标准一直以来都是“前方定位优先”，后方声道更多肩负的是包围感营造或者簡单声像定位的责任。可是在电子竞技的一些项目如主视角射击游戏、赛车游戏等等，水平任何一个方向的定位都是非常重要的。然而，屏幕在前方已经提供了很好的视觉定位，如果再把声音定位最佳区域放到前方，这岂不是一种资源重复浪费？由此我斗胆提出：为什么不在这些电子竞技领域，将5.1或者7.1声道环绕声音箱的设置，在水平听音面上进行一个180°的旋转，让声音定位最好的L/R/C区域放在后方，以此来弥补视觉上的定位盲区？

当然，这个“后方定位优先”理论，一定要有游戏开放厂商的支持。但是其实要把声音“后方定位优先”付诸商业应用，是非常容易实现的。因为“后方定位优先”不需要制定全新的环绕声音频编码，甚至不需要完全重新制作游戏的声音引擎，只需要游戏厂商在游戏主体系统和音频引擎之间，加入一个可开关的数字信号分配模块。那些需要“后方定位优先”的玩家，可以选择打开，这样原本在后方Ls/Rs重放的音效就被自动馈送编码到L、C、R声道去了。

当然，“后方定位优先”的设想还有很多需要讨论、验证的地方。首先，将定位不佳的区域放置在前方，必然会损失前方的声像定位准确度下降。虽然有屏幕提供极佳的视觉定位感知，但是结合声音定位之后，会不会造成声画定位的混乱？通过分析可以发现，由于屏幕宽度一般小于前方音箱的间距，会导致视觉定位与听觉定位的错位。因此，虽然人在感知定位时会结合视觉与听觉，但其实在环绕声系统中，视觉定位系统和听觉定位系统往往存在一定的分离。这意味着，听觉定位准确度不能完全依赖于视觉定位。所以如果将声像定位准确度较低的Ls、Rs放置在前方，可能会加剧视听觉定位的错位感。这是“后方定位优先”有待验证的问题之一。再有，人的耳郭是有滤波作用的，具体到水平前后方向来说，就是通过的耳郭滤波作用，配合人头的下意识的左右转动，达到前后声源的分辨。而“人耳滤波器”在人类长年累月的进化中，造成了“重前轻后”的现状。也就是说，如果将L、C、R音箱放置在后方时，因为人耳滤波的作用，它们的声像定位准确度较之在前方放置时，会有一定程度的下降。这是“后方定位优先”有待验证的问题之二。

可惜的是，因为没有主观听觉评价的条件，我考虑的这两个潜在问题，无法得到实验证明。不过如果可以验证这两个问题（以及更多我没有考虑到得因素）的负面作用，没有“后方定位优先”带来的提升多的话，“后方定位优先”还是会有其存在的意义的。试想，环绕声的“后方定位优先”加上视觉准确的“绝对前方定位”相辅相成，让高端的游戏玩家得到更好的全方向定位感知。这也是环绕声在尖端游戏领域的又一个应用吧。

注释：① Atari（雅达利）.上世纪七、八十年代最领先的游戏系统制造厂商之一，这里借用Atari来指代其早期一系列经典的八位游戏系统。

②任天堂，即日本Nintendo公司。从上世纪八十年代开始成为最领先的游戏系统制造厂商。FC（Family Computer）是其在八十年代推出的经典八位游戏系统，在国内有诸如“小霸王”等诸多仿制品。

③PS3，全称Play Station 3。一款由Sony公司推出的游戏系统。PS3和XBOX360，一般被认为目前最尖端的主流游戏系统。

④XBOX360，一款由微软推出的游戏系统。

⑤Capon，一家以生产游戏软件为主的日本老牌游戏公司。中文习惯翻译为卡普空。

⑥上变换，借用音频编码上下转换的名词，指将立体声数字信号处理为环绕声数字信号的过程。

⑦这里用两声道，强调两声道音箱和立体声耳机两个方面。

⑧电子竞技，一种以电子游戏为比赛内容的竞技项目。如今的电子竞技已经具有相当规模，是国家承认的体育竞技项目。世界范围内，已经有很多大型的电子竞技比赛，形成了一定的商业规模。参考文献：

[1] SRS Lab官方网站.www.srslabs.com.

[2] Sound官方网站.www.qsound.com.

[3] Dolby官方网站.www.dolby.com.

[4] 李其佳.SRS 3D与SRS TruSurround技术[J].音响技术，1999（4）.