浅析MS Shuffler立体声格式转换技术在立体声处理中的应用

李哲川，魏增来

（中国传媒大学，北京 100024）

早期录音技术是以单声道的形式进行录音和重放的，随后立体声和环绕声技术才得以发展。今天广泛应用的双声道立体声来自于Alen Blumlein和他的EMI同事在19世纪30年代的开创性工作成果。Alen Blunlein最初的立体声系统也被称为“强度立体声”。MS作为一种重要的强度立体声录音制式，有其特殊的应用价值，基于MS Shuffler原理，各音频插件厂家研发了一批用于立体声格式转换的数字音频插件，但对于这些插件的具体应用研究较少，笔者希望借此文对这些数字音频插件的应用进行较为全面的分析。

1 MS立体声拾音制式概述

MS拾音制式是一种基于强度差的拾音制式[1]。这种制式由Alen Blumlein于19世纪30年代发明，并广泛应用到了立体声录音中。

MS拾音制式中的M指Middle，代表指向声场中央的传声器。S指Side，代表指向声场两侧的传声器。字母M也可以代表Mono（单声道）信号，字母S也可以代表Stereo（立体声）信号。

MS拾音制式中的M通常使用1支心形指向传声器，当然也可以选择其他的指向，但以心形指向居多，S使用1支双指向（8字型）传声器。其中，心形传声器（M）指向声场的中央，双指向形传声器（S）指向拟录制的声源两侧，如图1所示。

MS立体声拾音制式由三路原始拾音信号构成，其中，M传声器提供一路信号，记为M；S传声器所拾取的两侧信号则分别提供两路信号，其强度相同，但相位完全相反，分别记为+S及-S。最终合成双声道立体声时，三路信号的关系可以表示为：

在实际工作中，MS制式的立体声声场宽度是由S信号决定的。S信号输出越大，则主观听感上声场就越宽，S信号输出越少，声场宽度就越窄。在合成为单声道信号时，单声道信号为2M，即（M+S）+（M-S）=2M，因为其左右两侧的S信号会相互抵消，只保留M信号，所以，其单声道兼容性非常好。在实际工作中，录音师如果采用单独的M和S传声器，可以通过Y型导线将双指向形传声器（S）的信号分别送至调音台的两条通道上，并将其中的一条做反相处理，从而得到-S信号。

2 立体声格式转换技术及MS矩阵

MS Shuffler的基本思想可以追溯到Alen Blumlein在1931年所提出的相关学术观点上。Alen Blumlein认为立体声不仅是左右扬声器信号，还是和信号（M=L+R）和差信号（S=L-R）的关系。字母M和S分别代表“中间”和“侧”信号，即M是包含立体声中间信息的信号，而S是包含立体声侧边信息的信号。1954年，丹麦工程师Holger Lauridsen 在此基础上发明了基于MS Shuffler原理的立体声格式转换技术，作为他对空间音频无线电传输和播放再现研究的一部分，现代广播广泛应用了这项技术，即把M和S信号加载在不同的波段上，在最终的播放端解调为单声道或立体声信号。随后，Michael Gerzon对这种技术的应用进行了进一步延伸，他在左右声道信号转换到中、侧信号后，加入了图示均衡器，以便对声音进行进一步修正。

2.1 MS Shuffer原理及立体声格式转换技术

立体声可以是LR（左-右）格式的，也可以是MS（中间-两侧）格式的。LR格式主要应用于混音台和CD播放器等传声系统，而MS格式则主要应用于FM广播。从LR格式转换为MS格式是基于MS Shuffler的基本原理，即对信号进行分离，从而重新平衡信号的中间和两侧的相关成分。从LR格式转换为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∵ 声功率增加一倍，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

尽管这种方法来源于MS立体声传声器技术，但实际上任何立体声录音都可以通过这种技术进行后期处理。Michael Gerzon 提出了立体声录音矩阵化和信号交叉处理的数学表达式，以此来重新平衡信号的相关和非相关成分[2]。这实际上是MS Shuffler原理的一个具体应用，即把L和R格式的立体声信号转换为MS格式的立体声信号，从而对中间和两侧的信号进行单独的处理，最终再合成为LR格式的立体声信号，笔者把这一技术定义为立体声格式转换技术。

2.2 MS矩阵

大多数的数字音频工作站包含有MS（中-侧）到LR（左-右）的格式转换插件，也可以自己手动创建MS矩阵，用于立体声格式的转换。MS矩阵是立体声格式转换技术的核心，目前主要有两种方式，第一种是手动创建MS矩阵，第二种是运用一些音频插件生产厂商制作的MS矩阵插件，以上两种方式都可以将LR格式的立体声信号转换为MS格式的立体声信号。

2.2.1 手动建立的MS矩阵

利用MS Shuffler原理，可以手动创建MS矩阵，用于LR格式的立体声文件到MS格式立体声文件的转换。其中，M=（L+R）-3 dB，S=（L-R）-3 dB，如果在数字音频工作站中操作，需要在信号加和后手动降低3 dB的音量。具体原理如图2所示。

图2 LR至MS格式转换矩阵基本原理示意

在数字音频工作站中，首先要做的是将立体声音频通道发到一对立体声辅助母线（例如BUS33、BUS34）中，然后建立4条单声道的辅助通道，其中，2条选取L（BUS33）的信号，另外2条选取R（BUS34）的信号，之后将选取L（BUS33）信号的2条辅助通道声像分别PAN至极左和极右，而选取R（BUS34）信号的2条辅助通道也进行同样处理，但需要将PAN至极右的信号进行反相。最后将这4个通道信号混合输出，就得到了M和S信号，具体示例如图3所示。

图3 数字音频工作站中LR至MS格式转换操作流程

2.2.2 MS矩阵插件

上述手动创建MS矩阵的过程较为繁琐，不利于实际的音频处理操作，因此很多音频插件厂家推出了相关的音频插件，例如Waves公司的S1 MS Martaix（图4）以及Voxengo公司的MSED（图5）等。运用这些插件，可以较快的进行从LR格式到MS格式的立体声转换。

图4 S1 MS Martaix音频插件

图5 MESD 音频插件

3 MS立体声格式转换的具体运用

3.1 M和S信号均衡和动态的独立处理

基于MS shuffler原理和MS矩阵的应用，许多音频插件厂商设计了一些复合插件，可以将LR格式的立体声转换为MS格式的立体声信号，在对MS格式的立体声信号进行均衡和动态处理后，再转变回LR格式立体声。

3.1.1 MS均衡器

MS均衡器是将MS矩阵与均衡器一起使用，也是基于MS Shuffler的原理对音频信号进行格式转换，它容许对音频中间和两侧声音的EQ进行单独调整，例如Waves公司的HEQ（图6）。

图6 HEQ 音频插件

这一类型音频插件在母带处理中能得到较好的应用。例如，将立体声信号两侧的吊镲声进行单独的调节。将MS矩阵配合均衡器一起使用，会得到更好的通道隔离度，人工处理的痕迹也会减少。例如，某歌曲中间的人声音量偏小，可以先将其转换至MS格式，再对M和S声道分别实施均衡处理，通过提高M声道中的中高频部分来达到提高人声的目的，这样既提高了人声音量也不会对其他部分产生太大的影响。

3.1.2 MS压缩器

MS压缩器是将MS矩阵同压缩器一起使用，将LR格式的立体声信号转换为MS格式后，可对音频信号的中间和两侧组进行单独的动态控制。常见的插件有iZotope母带压缩器插件，如图7所示。

图7 iZotope Ozone母带压缩音频插件

在母带处理过程中，当某音乐作品位于两侧的乐器响度较大时，中间人声听感相对变小，这时可以使用MS压缩器对S声道的乐器进行动态调整，使其在响度大过人声时进行压缩；反之，如果位于中间的人声响度大过两侧的乐器，也可以压缩M声道或者对S声道进行向上扩展。

3.2 单声道模拟空间立体声

3.2.1 单声道模拟空间立体声的原理

通常有很多方法可以把一个单声道音频转换为立体声，各有利弊，一种行之有效且单声道兼容性较好的方法就是将单声道声源作为M（中间）信号，并人为创建一个S（侧）信号，在S声道加入延时，然后将其转换为 LR 格式的立体声，形成正常的左右声道信号，具体方法如图8所示。

图8 单声道模拟空间立体声原理示意

为了详细解释这一方法的运作，假设在录音棚内歌手前放置MS制式拾音传声器。面向前方的M传声器拾取到的主要为歌手的直达声，拾取到的侧向信息则很少。而S传声器的8字形指向除了捕捉到歌手的部分直达声外，更多地拾取到包括所处空间的声反射在内的侧向信息。直达声和反射声之间的主要区别在于延时，因为反射声相对于直达声需要更多的时间到达传声器。在人为创建的S声道中加入延时的作用就是模拟房间的反射声，从而使得单声道具有一定的空间信息。

3.2.2 利用MS技术模拟空间立体声的缺点分析

通过单声道人为创建一个Side信号，需要做的是延迟原始的信号源，延迟时间越长，意味着直达声到达墙壁并产生反射所用的时间越长，“房间”也会越大，空间信息也会越多。与所有MS处理一样，Side信号决定了立体声的宽度，所以需要将原始信号和延迟信号进行平衡，使空间感更为真实。

在实际应用中，将MS格式转换为LR格式的立体声，由于延迟会引起随频率变化的相位移动，在波长较长的低频段，延迟所造成的相移较小，所以，左声道（M+S）的低频会增加，而右声道（M-S）则会抵消，这样会导致合成的立体声的立体感不均衡，尤其是低音声部会产生向左声道的偏移。解决这一问题的方法是，在延迟前进行低切处理，这样做意味着低频部分没有被扩展，而锁定在中心，具体低切的频率需要视实际情况来确定。

3.2.3 单声道模拟空间立体声的方法

在数字音频工作站中，需要复制2轨M信号作为虚拟的S和-S信号，之后再对它们进行低切和延迟处理，最后合成为立体声信号，从而得到单声道模拟空间的立体声，具体做法如图9所示。

图9 数字音频工作站中单声道模拟空间立体声的操作流程

3.3 立体声宽度扩展

在进行音频制作时，若某一立体声节目听感宽度太窄，则可以利用MS Shffler原理和MS矩阵进行宽度扩展。

3.3.1 立体声宽度扩展原理

Blumlein设计了立体声宽度控制的信号处理流程，如图10所示。在将音频信号进行格式转换后，对M信号和S信号的增益进行重新平衡，当增加S信号的增益时，会使声像定位变宽，当减小S信号的增益时，会使声像定位变窄。宽度控制是MS Shuffler原理最实用的应用之一。3.3.2 立体声宽度扩展插件

图10 立体声宽度扩展原理示意

通过手动信号分配来达到宽度控制的目的可能需要很多繁琐的步骤，因此，针对这一应用需求，有一些音频厂家基于上述工作原理推出了相关的数字音频插件，运用这些插件可以简化应用流程，使音频制作更加便利。相关插件有Brainworx BX Digital V2以及Waves S1 Stereo Shuffler（图11所示）。

图11 S1 Stereo Shuffler 音频插件

在Waves S1 Stereo Shuffler这款插件中，只需要调整 Width即可调整立体声的宽度，这样简单的操作很大程度上提高了工作的便利性。

3.3.3 立体声宽度扩展应用及效果分析

实际工作中，在S声道上加入均衡器对立体声扩展是相当重要的，可以对S信号的某一频率进行单独的宽度扩展控制。通过这种处理，可以更有针对性地控制不同频率的宽度，流程如图12所示。例如，提升S声道的1000 Hz，则可以使转换为LR格式的立体声在1000 Hz左右频率的宽度得以提升。

图12 加入均衡器的立体声宽度扩展原理示意

在进行立体声宽度扩展后，运用PAZ Position插件对扩展前后的立体声宽度进行对比，如图13所示，左侧为扩展前的立体声宽度，右侧为扩展后的立体声宽度，可以看到增加S声道的增益后的立体声宽度增加。

图13 立体声扩展前后宽度对比

3.4 消声伴奏处理

3.4.1 MS消声伴奏原理

传统的消声伴奏制作方法是进行立体声某一通道的相位反转,但采用这种方法而来的伴奏中，低频因为大多处于立体声的中间位置（即左右通道包含能量基本相同的低音成分）而会被大量抵消，并且这些抵消在后期处理时极难补偿。针对这一问题，利用MS矩阵，可以先将LR格式的立体声转换为MS格式，再对M信号中的人声频率进行消除，这样就可以最大程度地保留原始信号中的低频成分，而原来S声道中的乐器声音也不受影响。其基本原理如图14所示。

图14 MS 消声伴奏处理原理示意

3.4.2 MS消声伴奏操作分析

在数字音频工作站中，需要将进行处理的立体声信号中插入S1 Matrix插件，此时这路立体声音频轨道的左边为M(L+R)，右边为S(L-R)。然后将这个立体声音频轨道发送到一个立体声辅助母线（例如BUS35、BUS36），之后创建3条辅助输入通道，其中1条输入选择BUS35（M），另外2条输入选择为BUS36（S）并把声像PAN至极左极右，之后对声像在右边的S辅助输入通道进行反相处理。在做完上述操作后，需对M声道的人声频率进行衰减，并对M和S的音量比例进行调整，以得到最终的伴奏。具体操作流程如图15所示。

3.4.3 MS消声伴奏缺点分析

当一首歌曲的主唱没有位于中间，或者左右声道内容一样的立体声时，这种方法并不适用。并且由于M（中间声道）需要衰减较为宽泛的人声频率，这实际上也会破坏位于此频段内的其他声部的频率响应。对比立体声相位反转消声伴奏，MS消声伴奏可调比例更大，效果更好。

图15 数字音频工作站中MS 消声伴奏操作流程

3.5 混响处理

3.5.1 减少过量的混响

利用MS shuffler原理的另一简单应用就是可以帮助减少立体声录音中的过量混响。在立体声信号中拾取的混响通常在两个声道之间是非相干的，主要存在于侧（S）声道中，因此，降低侧（S）声道的电平可以将混响声量减少到合适的程度。同时，通过在侧（S）声道中使用均衡，可以控制不同频率的混响量。大量的软硬件可以用来进行这种处理，如Brainworx提供的各种产品，硬件如Portico 5014立体声场编辑器。

3.5.2 加强混响

在得不到分轨文件，又需要对立体声信号中的人声进行混响加强时，可以利用MS立体声格式处理。如对人声居中而吉他摆在两侧的录音，可以在这个音轨上添加MS矩阵插件进行立体声格式转换，从而单独对中间（M）信号进行混响加强，最后再转换合成立体声。这样就能在对吉他的混响影响最小的情况下，使人声的混响得到加强。

3.6 检验混音质量

通过将立体声信号从LR格式转换为MS格式，可以听到原本掩蔽于混音中的一些细节。除了上面所说的混响之外，有时会让一些人为处理的痕迹变得明显,例如压缩、编辑点和失真等。

4 不足及展望

4.1 不足之处

当使用MS立体声格式技术对音频信号进行处理时，很容易造成单声道不兼容的问题。因此，需要不断地检查信号的单声道兼容性，具体可在相关处理过程中按下调音台或数字音频工作站监听部分的单声道监听按钮进行对比试听，同时，还需使用相位表对左右输出的相位进行监视。

另外一个重要的问题就是要对电平进行处理，如果2个Side信号的电平不一致，也会导致相位问题。

4.2 应用展望

基于MS Shuffler原理的立体声格式转换音频插件为艺术家和工程师创造了无数可能，但国内对这一原理的应用研究还很少，笔者提出的基于MS Shuffler原理的立体声转换技术的使用方法，旨在起到抛砖引玉的作用。随着音频技术的快速发展，立体声格式转换技术也得到更多的发展与应用，可以加入带通滤波器，解决单声道兼容性问题；也可以对转换后的M和S信号的声像和音量重新平衡，从而修正传声器不在乐队中轴线的问题。相信随着未来科学技术的快速发展，会有更多更加智能化的立体声处理技术和插件出现。