虚拟环绕声系统简述

石慧

摘 要：本文简要叙述了虚拟环绕声技术的原理及虚拟环绕声系统在现实生活中的应用，通过比较环绕声系统及举例现有虚拟环绕声系统，分析阐述虚拟环绕声系统的优缺点及发展潜力。

关键词：虚拟环绕声;空间感;音效

虚拟环绕声技术，是基于心理声学和人耳的生理听觉特性等知识，利用计算机技术等高科技手段从声源信号中提取空间信息并予以增强，使听者可以获得类似环绕声的沉浸式效果。

虚拟环绕声系统需要模拟人耳的综合听音因素，通过重放双声道信号以达到虚拟多声道信号，重现环绕声体验的目的。环绕声是人耳的听觉对声源在空间位置的全空间立体感知，环绕声系统旨在营建出一个使人可以产生空间感、方位感和包围感的声场，。为虚拟出较接近环绕声的声场效果，我们需要尽可能捕捉并重现声音信号的空间信息。为达成这一目的，我们应基于听觉生理学、心理声学和室内声学等理论，利用头相关传递函数（HRTF）及其在时域中相对应的头相关冲激函数（HRIR）等音效定位算法。人耳的听觉特性表明，人耳对声音的响度、音调、音色等因素有灵敏的感知能力，依靠双耳效应，由双耳时间差、双耳声级差可判断声音方位;根据耳廓效应，声音经由耳廓反射后进入耳道，在这个传输过程中，声音在时间和音量方面会存在差异，由此听者可对声场进行定位。且人耳的声音定位能力受频率滤波效应影响，对高中低频的声音定位依据不同，我们亦可以据此原理对声音进行分析处理。除此之外，在声音的传送过程中，会有人的躯干的衍射和反射，声场直达声和反射声等多方面因素的影响，声音信号从声源至鼓膜处的传播过程，可看做是激励通过了滤波器后在鼓膜处引起的响应，这个滤波特性我们可以用头部相关联冲激响应（HRIR）及其在时域中相对应的头部相关联传递函数（HRTF）表示，运用这个滤波矩阵分析出声源和双耳信号的差别，并将此处理技术应用到虚拟环绕声系统中。然而HRTF是个人化的，就如何还原该的空间函数并推广给大众使用仍有待研究。综上所述，我们便实现了对空间的方向和距离定位，由此为基础，虚拟环绕声系统得以成为现实。常见的虚拟环绕声有虚拟杜比环绕声、SRS音效处理及ASR环绕声技术。

不同于市面上常见的5.1环绕声和7.1环绕声，虚拟环绕声的最大特点就是用两个扬声器表现多声道的音效，摆脱了环绕声在空间及设备的限制，同时也降低了成本，这使得随时随地获得环绕声的体验成为可能。目前，我們可以将虚拟环绕声的重放归于两种方式：扬声器重放和耳机重放。关于扬声器的虚拟环绕声重放系统，我们以热销的电视伴侣回音壁（Soundbar）为例进行说明。Soundbar多用于弥补电视越来越薄所引起的音质不高的问题，相较于传统家庭影院的环绕声系统，它的体积更小，安装更便利且专业要求度不高，因此Soundbar在市场中颇受青睐。Soundbar在左中右有三个内置扬声器单元，可以对声音的传达方向加以调控，利用虚拟环绕声技术形成较逼真的环绕声音效。同时，Soundbar可与电视的多功能性相结合，使听者根据电视应用的不同方面，享受到电影、游戏、音乐等多种声场音效，获得较为丰富的使用体验。缺点在于，利用反射的虚拟环绕声系统对室内的声学环境要求高，房间的封闭与否更是严重影响着环绕声效果，受条件制约有时还需要用声音反射板弥补欠缺，这可能会比环绕声系统更为繁琐。且人在听音的同时，不会一直保持静止，其身体会有一些动作，这也会对环绕声音效造成影响。就这一点来说，耳机重放的形式会更具优势。耳机的特点在于体积小、轻便且易携带，可以不受环境的约束随时随地使用，实用性极强。但另一方面，利用耳机重放，声音可以直接传入人耳而无需环境的反射且不经过人头和耳廓，这样一来就没有头相关函数和耳廓效应的影响，声音的空间感及人耳对声音的定位能力会降低。为了弥补耳机的特点所造成的缺陷，我们需要对声音信号进行人为处理。除去影视、音乐等，此技术还可以应用于各类游戏中，让随时随地，快捷便利的高质量音效体验成为可能，使虚拟环绕声技术其更贴近人们的生活。

综上所述，虚拟环绕声系统的发展前景是极为可观的。虚拟环绕声技术以其自便于携带、安装便利且成本低的特性受到人们的关注，较环绕声系统的使用范围更大且更适合于社会的各个阶层人群用作各类用途。同时，它在听觉和心理声学、虚拟现实技术、通信技术及游戏娱乐等领域均具有广泛的应用价值，非常值得深入研究。其缺点在于，虚拟环绕声系统只是近似营造了环绕声的空间效果，与真正的环绕声系统仍是不同的，其还原度较之于环绕声依旧有不小的差距，且扬声器重放的方式受环境影响大，而耳机重放方式仍需要发展较前沿的数字信号处理技术相辅且应有相匹配的声源。虚拟环绕声技术的研究涉及科学多，如：声学，心理声学，计算机科学，物理学等，范畴大，难题多，如何改进虚拟环绕声技术，使其更具实用性，满足人们日常生活的听感需求，仍需我们日后的不懈研究与努力。

参考文献：

[1]唐芸.空间听觉模型中的HRIR基向量提取方法研究[D]南京：东南大学，2005.3：5-7

[2]唤醒声活.Starloop教科书式回答：虚拟环绕声和真5.1/7.1的区别[J/OL] http：//www.sohu.com/a/224720842_100094423，2018-03-02

[3]带你找到真正的身临其境！三款旗舰Soundbar深度对比体验[J/OL]http：//www.cheari.com/newsdetail.html？id=126118，2018-09-07

[4]张志明.简评VR/AR两大3D虚拟环绕声技术[J/OL]http：//www.cnki.net，2016-05-01

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