3D环绕声道前世今生

近年来，一个十分新颖的概念——3D环绕声被提出，它突破了以往环绕声技术的局限，彻底改变了音频体验，当人们初次体验3D环绕声时，不禁会发出“余音绕梁，如闻天籁”的感叹。进入21世纪，3D环绕声技术得到蓬勃发展。...

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近年来，一个十分新颖的概念——3D环绕声被提出，它突破了以往环绕声技术的局限，彻底改变了音频体验，当人们初次体验3D环绕声时，不禁会发出“余音绕梁，如闻天籁”的感叹。进入21世纪，3D环绕声技术得到蓬勃发展。相对于传统单层扬声器环绕声技术而言，多层扬声器3D环绕声技术可以给观众带来精确的声音定位、更加细腻的声音细节和更加沉浸式的听觉感受，这种听觉感受是传统的环绕声技术所无法比拟的。

那么，3D环绕声技术的原理是什么？各种技术孰优孰劣？发展现状如何？发展前景如何？这些问题成为音频技术界的探讨话题，笔者拟对3D环绕声技术的发展进行一次粗浅的述评。

3D环绕声技术发展概述

声音的录制和重放技术在很大程度上是由电影工业所推动的，然而迄今为止，多声道环绕声技术虽然已经发展了数十年，不断有新技术的运用，但总体来说是以平面5.1声道技术为基础的2D环绕声。

促使3D环绕声技术发展的动机因素有三个方面。第一，从技术的角度来看，现有的影院环绕声是基于单层扬声器的2D环绕声系统，在很长的一段历史时期中领先于35 mm胶片的影像技术。但随着3D影像技术的发展，这种单层扬声器环绕声系统所带来的声音效果与3D影像一样已不再给观众带来技术体验的新奇感。影院声音技术从2D向3D发展成为必然的趋势。第二，21世纪文化创意产业的发展，使得演艺、会展、建筑设计、景观设计、游戏、家庭娱乐、音响制造等产业都迫切需要新的声音技术以带来创新动力。第三，最重要的是人类对客观世界无止境的探索精神。因此，3D环绕声技术应运而生。

何为3D环绕声？简而言之， 3D环绕声不仅应该传递声场水平面X、Y轴上声音的信息，即空间里左右前后的声音信息，还应该传递声场Z轴上的声音信息，即是声场在垂直高度上的变化，同时，X、Y、Z三维的声音信息具有直接的相关性。除此以外，真正3D环绕声技术相比以前的环绕声技术应当有以下明显的优势：更加确切的声音定位；更加连贯的声像运动感；更加强烈的临场感和沉浸感；最佳听音区的最大化；更加平衡的扬声器声压级；声音和图像画面场景一致性；更加得心应手的艺术创作手段。

从历史眼光回望，20世纪中后期科学与工程界就开始了对3D环绕声的研究，限于当时的技术水平，并没有开发出具有实用性的3D环绕声系统。但与此有关的研究成果，为今天3D环绕声的发展奠定了理论基础。

进入21世纪，3D环绕声技术的研究终于水到渠成，多家研究机构和厂商几乎同时期推出了不同的3D环绕声系统。目前，已经问世的3D环绕声技术有Barco Auro-3D、Dolby Atmos（杜比全景声）、IOSONO-3D、ImmSound 23.1系统、Spheraudio Upmix系统、NHK 22.2声道系统、TMH 10.2/12.2声道系统、中国多维声13.1系统以及其他一些3D环绕声技术。

由于3D环绕声技术是自21世纪初才真正开始应用，许多新技术还处于实验阶段，即使少数技术已经投入商业应用，但从总体看，目前工程界对3D环绕声技术的开发还处于初始阶段，学术界也还没有形成完整的评价体系，这给分析现有的3D环绕声技术带来了很大的困难。但是，仍然可以从重建原理、信号算法、扬声器设置架构、声音制作工艺概念四个方面来进行归纳、推演。

就3D环绕声的重建原理，现有的技术可以归纳为：

（1）基于心理声学的重建技术；

（2）基于物理声场的重建技术；

（3）基于心理声学加物理声场的重建技术。

就3D环绕声信号算法，现有技术可以归纳为：

（1）双耳声学算法（Binaural Acoustic Technology，BAT）；

（2）幅值平移算法( Amplitude Panning , AP )与矢量的幅值平移算法( Vector Base AmplitudePanning,VBAP)；

（3）波场合成算法(Wave Field Synthesis, WFS )；

（4）高阶全息算法（High Order Ambisonics，HOA）。

就3D环绕声扬声器设置架构，现有的技术可以归纳为：

（1）耳机系统；

（2）多层扬声器系统；

就3D环绕声的信号分配方式，现有的技术可以归纳为：

（1）基于“声道”的概念；

（2）基于“对象”的概念；

（3）基于“声道+对象”的概念。

上述各种3D环绕声技术使用的声场重建原理各不相同，分别具有各自的优势，其中Auro-3D、IOSONO-3D、Dolby Atmos、中国多维声13.1四种3D环绕声系统在中国市场已经得到商业化应用，而且具有一定的代表性。