平面环绕声的多声道扩展与效果分析

牛欢，孟子厚

(中国传媒大学 传播声学研究所，北京100024)

1 引言

现实生活中，人们聆听自然界的声音丰富多彩，包含了大量的空间信息。在各种环境中，声源辐射的声波经过直达声和环境反射等途径在空间传输，形成空间声场。人耳在空间声场中接收到包涵丰富的空间信息的声信号，形成对声音空间的感知，包括声像定位、声源远近距离、声源宽度以及包围感等等。当使用电声系统重放声音的时候，也希望重现声音的空间信息，使欣赏着感受到某个特定环境的声音空间感，这即是三维声重放。

三维声是立体声发展的新趋势。立体声重放技术经理了长期的发展变革，从普通双通道立体声到四通道环绕立体声，再到5.1、7.1等平面环绕立体声广泛应用，也即是上世纪九十年代5.1通路环绕声系统被国际电信联盟(ITU)推荐作为通用的环绕声标准[1]。直到2010年以后杜比才推出了家用全景声，针对5.1、7.1、9.1的平面环绕声，希望能够更加自然真实地给电影观众带来全新聆听体验，将观众真正包围其中。增设了顶部扬声器，实现声场包围，展现更多声音细节。目前市场推出的主要有5种系统，5.1.2/7.1.4/9.1.2等，具体扬声器方案如下图所示。

图1 杜比家庭全景声5.1.2

图2 杜比家庭全景声7.1.4

图3 杜比家庭全景声9.1.2

现有电影片源80%都是平面环绕声，无法达到杜比全景声效果。而平面环绕声系统国内外均有多年的研究，无法满足人们在某个特定角度范围或者特定位置获得的声音空间信息。目前应用于家庭影院的环绕声系统的声道分配和扬声器布置方案，都是根据国内外大量学者多年的理论分析和实验结果以及实际应用条件的选择。已有的5.1/6.1/7.1等平面环绕声都有国际标准规定的每个声道扬声器的角度布置，但其他层面的扬声器布置则各有不同，因此很难多系统兼容。由于在空间分布上没有标准，在水平环绕的基础上增加了顶部扬声器通路，模拟顶部声像。而且多数较为简化，仅设置1路顶部通路，听感上上方声像不明确。

基于上述问题，本文需要对平面环绕声进行多声道扩展，实现从平面环绕声到再现声音垂直空间信息的三维声，明确空间划分，使听众能够获得高真实、强临场的听觉感受。因此本文从基础的5.0电影片源制式进行研究分析，对其进行水平、中高层以至于顶层声道的扩展。

2 实验设计

2.1 声道扩展

通过对比试听现有的多套家用三维声系统，并根据大量已有的心理声学实验结果和环绕声常识，对平面5声道制式进行优化，实现声道扩展。

首先确定“三维”声的具体范围，将空间分层为：顶层—高度层—水平层—地层，每一层再具体规范声道的数量和扬声器的布置角度。其中水平层是多年来发展的平面环绕声系统，但是由于投影幕布不透声等技术问题，将平面环绕声的左、右、中置布置在荧幕上方较高的位置，出现前方声像来自前上方，并非水平面的前方。本实验系统定义，水平层的高度应该与听音员在座位上的人耳高度相一致。高度层的垂直面夹角在30°- 45°之间。水平层与高度层各有11个通路，顶层5个通道，地层4个通路即预留通路，另外低频辅助通路4个。扬声器具体分布如图4所示。

图4 平面环绕声声道扩展扬声器布置示意图

本实验将基本的5声道平面环绕声，对水平层、高度层进行了扩展，并延伸到顶层和地下通路，包含了更多的空间角度，理论上可以获得更强的包围感和三维听感效果。

2.2 素材选取

挑选了杜比5.1制式的10个电影片段作为实验对象。所挑选片段包括：《十面埋伏》中水袖击鼓声以及民族乐器合奏等场景；《指环王》中军队攻城，箭雨、进攻呐喊以及冷兵器碰撞等场景；《速度与激情》中街道飙车，赛车疾驰声以及马达轰鸣声等场景；《绿巨人》中直升机追击绿巨人，直升机飞行声以及炮弹爆炸声等场景；《珍珠港》中日本敌机偷袭珍珠港，飞机飞行声、机枪扫射声以及炮弹落水爆炸声等场景。

3 实验方法

实验采用系列范畴法[5]进行，具体操作如下：

(1)评价指标的选择

参考了《Evaluation of Spatial Audio Reproduction Methods》[2]，结合本文的目的，选择了以下5个公认的较有代表性的评价指标进行实验：沉浸感、临场感、声像准确性、声音层次感以及空间感。为了使受试人能更好地理解评价指标，在实验表格中分别将其描述为融入影片的程度、真实环境声与影片中声音一致的程度、声音定位的准确性、不同声音是否层次分明、真实环境的空间感受，具体的评价指标及划分等级尺度范畴的设定见表1。

(2)实验环境及设备的选择

实验是在中国传媒大学传播声学研究所的虚拟环境实验室内进行的。根据实验要求，听音室本身的房间声学特性不应该对影片片段的音效等指标造成影响，该实验室基本符合GB/T50356-2005《剧场、电影院和多用途厅堂建筑声学设计规范》[3]中提及的专业电影院的标准。所有音箱均为监听音箱。

(3)受试人的选取及培训

实验共有16名受试人，均为声频技术方向的研究生，听力正常，并且都有听觉心里主观评价实验的经验。在正式实验前对其进行培训，主要是讲解评价方法、具体操作步骤和所要评价的5个指标的含义。

表1 多声道电影声音效果评价表

4 数据处理和分析

对实验数据进行信度检验[4]以及显著性分析，采用两倍标准差原则剔除不合格的数据，结果显示数据间具有显著性差异。数据处理后得到了20个片段在5个指标上的主观偏爱度的分布情况，即图5至图9，其中“o”为平面5声道制式重放，“+”为多声道制式重放即声道扩展后的重放方式。

实验结果发现沉浸感、临场感、声音层次感和空间感的分布比较分散。而两种制式下的声像准确性的主观偏爱值基本都集中在“基本一致”这个范畴内，这说明多声道重放制式下。相对于基本的平面5声道制式，多声道重放系统在所有指标上基本上都可以得到一定的优化，能够满足主观听感上的需求。

通过图6发现，多声道重放制式在沉浸感这个指标上，相比较于原有基准的平面5声道平面环绕声，空间三维的整体包围感增强效果明显，基本上所有电影片段更容易促进观众沉浸其中，有融为一体的感觉。

由图5、7、9可知，临场感、声音准确性以及空间感的主观偏爱值除了少数电影片段以外，多声道重放制式在主观听感上还是较好一些。从声像准确性这个指标上，多声道重放制式并没有因为声道扩展的增多而显得杂乱无章，这说明平面环绕声声道扩展方法是具有可行性的。

图6 两种重放制式下10个电影片段沉浸感的分布情况

图7 两种重放制式下10个电影片段声像准确性的分布情况

图8 两种重放制式下10个电影片段声音层次感的分布情况

图9 两种重放制式下10个电影片段空间感的分布情况

针对电影片段的不同，观察图9还可以发现，对于空间感，两种重放制式之间的差距还是相对明显的。电影片段整体的声音能量的动态范围变化较大时，声道扩展后的主观空间感比较适中；但电影片段的声音能量的动态范围变化较小时，整体主观空间感相对比较压抑，这样的结果有可能是由于声道扩展后，整体空间声音的包围感增强，而听者对于声音能量动态变化较小变得比较不明感，从而导致听者有空间压抑的感觉。因此在对平面环绕声进行空间声道扩展时，需要考虑利用早期反射声对空间进行虚拟扩展，以避免主观空间压抑对整体听感的影响。

但是图8的声音层次感，相比较平面5声道制式，多声道重放制式就显得有点欠缺，声音显得有点混沌，清晰度不够。这可能是由于声道的增多，重放声音信号相互之间进行叠加，从而使声音层次感不够。这需要对声道扩展算法进行进一步优化的方向。

表2 评价指标的主分量分析

根据系列范畴法本身的数据处理过程得到的基本结论，并不能很明显地得到5个指标之间的相互关系以及空间感受其他4个参量影响的程度，所以对这些数据又进行了主分量分析处理。表2是10段电影片段主成分分析的结果，共提取2个主分量，可以看到主分量1主要解释沉浸感、声音层次感，主分量2主要解释沉浸感、临场感。主分量分析结果空间感主要与沉浸感有较大的相关性。

5 结论

从选取素材到平面环绕声声道扩展的实现、数据处理和最后效果分析，可以验证平面环绕声的声道扩展效果的大体状况。实验从主观听感的角度得到了观影中的主观空间感受沉浸感这个参数的影响很大的实验结果。其中声像准确性可以说是硬性的物理指标，与电影视频中的运动声源位置移动有关；声音层次感以及空间感则与扩展声道的算法以及信号间的相关性等有关。通过改善这几个指标，可以进一步优化平面环绕声声道扩展的效果。

[1]ITU.ITU-R BS 775-1 Multi-channel stereophonic sound system without accompanying picture，Doc 10/63[S].Geneva：ITU，1994.

[2]Jon Francombe，Tim Brookes，Russell Mason.Evaluation of Spatial Audio Reproduction Methods(Part 1)：Elicitation of Perceptual Differences[J].AES，2017，(3)：198-211

[3]孟子厚.音质主观评价的实验心理学方法[M].北京：国防工业出版社，2008.

[4]金瑜.心理测量[M].上海：华东师范大学出版社，2005.