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技术探讨 | 伦敦奥运会声音总设计师向你阐述多维音响技术

发布日期:2017-02-28 21:46:58文章来源:点击:1275

Dennis Baxter是一位在业界屡获殊荣的工程师、技术作家,同时也是奥运会的声音总设计师和音频顾问,本文中他为我们阐述了Higher Order Ambisonics(高阶三维声)的相关概念。

在广播电视领域,对于多维声音的追求经历了漫长的发展过程:从单声道到立体声,再到如今变得司空见惯的环绕声,多声道在业内人士的不断努力下已经达到了22.2 声道格式。这种音频行业的持续创新和发展为声音的追求不断设立了新的目标,同时也进一步增强了二维影像画面的真实性和可信度。

多维声音的制作已经出现了一段时间,但是它所面临的一个难题就是重放系统需要和制作环节相同的音箱数量,并遵循既定的音箱摆放位置。坦白地说,这一基于声道和扬声器的制作方式一直是推广环绕声格式的薄弱环节。即使是现在有了条式音箱,你仍不得不考虑在这种缺少最佳声音体验的环境下,自己的混音是否还是制作时听到的样子。

考虑这样一个理念,所有音频元素保留在音频流中,无论是立体声还是沉浸式声音格式,用户都能够将全部声音以理想的方式进行重放。 这一完全不同的制作方式采用的是拾取整 个声压场,将其转换为HOA(高阶三维声)编码,并将HOA信号传输至重放设备,之后在听音者处得到完美的还原。在音频通过重放设备进行播放时,解码设备根据音箱的数量和位置来匹配HOA声场,通过这种方式重放的声场能够在最大程度上接近原始的声压场。

 

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HOA 能够基于所有空间维度的声场进行编码

既然HOA能够基于所有空间维度的声场进行编码,因此这种音频空间编码方式拥有一个特别明显的优点——能够创造多维度的声音混音,并将空间距离信息、横向和纵向定位信息及高度信息传递给听音者。

毫无疑问,这种基于场景的音频重放方式,通过将 HOA信号进行解码重放能够有效解决同时制作多种不同声道格式混音的问题。HOA编码和解码方式操作简单,能够确保重放声场在几乎所有音箱配置下的一致性和准确性。

三维声的优点在于方便拾取及创建HOA编码。三维声基于一种采样的原则,能够对整个声场进行还原。直观地说,随着三维声阶数的增加,在拾取或重放声场时,将会获得更出色的空间解析度和更多的细节信息。

当然,任何事情的实现都伴随着相应的代价。更出色的解析度需要更大量的声音方位点,从而更加准确且详细的记录现实声场信息。我们通过一些简单的数学计算来说明:四阶三维声需要25个声音方位点,五阶三维声需要36个声音方位点,六阶三维声需要49个声音方位点,以此类推。诚然,使用更高阶的三维声编码具有很多优点,但是这意味着编码过程将要处理大量的通道和数据量。

技术巨头Qualcomm公司通过对HOA编码优点的研究,开发出了一种“夹层式编码”,能够将高达29阶HOA编码(900 路通道)的通道数量减少至6个通道加上控制轨。然而,我怀疑这种编码会出现边际效益递减问题。现在,我们来考虑一个声音设计师选择的制作方案:HOA编码为立体声、5.1声道、7.1声道、 7.1+4声道、10.2声道、11.1声道一直到22.2声道及更高数量的声道格式提供了技术基础,仅需在数据流中使用7个通道。

事实上,各种各样的声道格式将会并存。人们需要面向消费领域的解决方案,而挑战则在于如何尽可能经济且快速地制作和管理类型广泛的多声道音频格式。经济和廉价意味着在最大程度上减少数据的传输量。

如果要在消费设备上完成解码工作,本质上意味着需要为设备提供更高的通道/数据处理能力。然而, 当前的数据压缩技术已经得到了较大的发展,同原来的编解码方式相比,现在在同样的比特流中能够传输两倍的音频数据量。由Fraunhofer和Qualcomm公司开发的先进的 音频编解码技术已经被批准作为MPEG-H3D音频标准,从而允许内容开发者为设备传输高达16个通道的音频数据。

现在,我们来分析一下使用HOA编码进行制作的优势所在。你能够使用16个通道中的7个通道重放本质上全部的多声道声音格式,接着你还有另外9个独立声道用于加入多语种音频数据、其他对于混音有着独特意义的音频元素,以及设定自定义的音频通道等。因此在制作时, 你可以将基础的声场信息同语言和个性化的音频元素区分开,从而在响度标准下最大程度地提升动态范围, 即使是在最大数量的音箱布局下也能够重放完全一致的声音。

三维声的原理是什么?

这个概念很简单——拾取整个声场接着进行编解码,并还原尽可能多的声场信息。HOA编码的作用是惊人的,在HOA编码中你无需完整的拾取声场信息,而是将经过优化且相互独立的话筒拾取的信号进行编码。一旦你拾取到了HOA编码的基础信息,它便能够为你提供理想的、预期的结果,从而在此基础上为你准确地重现指定声场。

这个过程似乎能够兼容众多的重放格式,无需下混音或上混音便能够得到从立体声到22.2 声道及其他多声道格式的效果。这一概念对于那些需要同时制作立体声和环绕声混音的音响工程师来说是解决问题的一个重要手段。

那么我们从哪里开始阐述呢?

这一切都起始于声音设计。声音是营造现实氛围、提升可信度必不可少的元素,在加入高度信息后,沉浸式的音响能够轻而易举地带来身临其境的感受。针对沉浸式声音的研究和记录中我们可以看到,它已经成为一种提升聆听体验的重要方式。 当前对于专业音频行业的挑战在于研发出更加有效和实际的制作手段。

我们通过一个问题来开始基础的介绍:你使用高度声道是为了什么?举例来说,在体育现场直播中, 典型的声音设计是从旁观者或参与者的角度来进行的。从坐在看台上观众(旁观者)的角度来看,他们听到的自然音响可能是现场气氛声和扩声声音。这时可能会有一种声音元素或声音对象出现,例如一只鸟,随机出现在听音者的上方声场中,以及/或者一架无人机或飞机等声音元素或对象从听音者的上方声场中飞过。 在这些例子中,可以使用高度通道来还原上方出现的随机音响。

现在我们考虑将声音更贴近观众,好像观众就是参与者,并通过高度通道来强化这一感受。对于体育比赛来说,高度通道中出现的应该是更接近运动员、器械或教练的上方声音。然而,在典型的综艺节目制作中, 当歌手在现场演出时,以参与者角度进行制作的设计方案是不合适的,因为我们需要从观众角度听到的音响。

当你在进行当代体育赛事和现场综艺演出的音响设计时,无论声场多么庞大,如果通常只是制作在观众/旁观者前方的所有声音时,或许便应该去考虑改变声音设计和塑造空间声场的方式了。正是出于这些原因,我们对沉浸式声音的优点充满了好奇。

其中一个提议来自于 Tsuyoshi Hinata,他是22.2声道的设计者,来自日本国家广播机构NHK。该提议是从前方到后方的声音在听觉上具有清晰的定位,并分配有自下而上的频率带宽——与听音者耳朵水平或来自听音者下方的声音拥有更多低频信息,而出现在听音者上方的声音则拥有更多高频信息。因此这确实需要使用前方音箱和高度音箱以获得更精确的声音还原,最终结果能够将观众注意力集中在前方,同时使用后方高度音箱以提供扩展的空间信息。这是一个好的提议,或许还能通过条式音箱营造更出色的沉浸式声音体验。

在制作沉浸式声音时需要考虑的另外一点,则是在声音空间中需要为听音者上方和周围的声音元素及声音对象设计使用不同的仰角。在我的听音测试中,我发现为各个声音设计稍有区别的仰角能够在混音中获得更清晰的空间定位,并且不易被掩蔽,你可以使用Google 来搜索一些相关的研究成果。通常,这些声音元素在它们的多维空间中是静止的,但我使用一个动态的多维声像电位器(实时横向和纵向声像调整)进行了长时间的测试,作为一个混音师,我能够发现更多实现创意的可能性。

通过采集和编码能够制作出多维的声音场景处理精度越高。 这里有一个重要的注意事项——你也可以使用分开放置在任意地点的独立话筒进行拾音,并使用这些话筒拾取的全部信号来获得HOA编码的各个声音方位点信息。 此外,没有采用单声道和立体声子编组作为 HOA编码基本素材的内容, 可以使用一个HOA编码器进行处理生成3D声音方位点,并且在用音箱进行重放时,能够制作出多维的声音场景。

 

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通过采集和编码能够制作出多维的声音场景

 

单声道、立体声和阵列话筒混音拥有相似的制作流程,这种类似的工作流程也将用于沉浸式声音的制作,因此能够便于混音师和音频制作人员真正实现沉浸声和HOA制作过程的无缝衔接。

在当前的多声道音频工作流程和实践中,采用HOA编码和基于场景的制作具有非常显著的优势。这一技术能够满足沉浸式声音内容制作的需求,通过将其高效地分配到一个比特流中,从而可在各种各样的音箱配置和声道格式下进行重放——因此更具创造力和效率,同时便于消费者使用。

同时在横向和纵向空间中动态的移动一个声音元素是一种强大的制作手法,从而能够重新定义具有高度信息声音的应用。我有幸曾在好莱坞以沉浸式声音的格式为一场滑板跳跃活动进行混音,发现在屏幕中将滑板声音进行纵轴方向的上下移动是一次独特的体验。

如果你进一步开阔在声音设计方面的视野,你会发现有很多拥有创造力的用户将空间中的一个声音对象进行精确的反复移动。想一想在DVE数字视频效果的运用中,编排一个或几个重复的运动序列来加强视觉上的运动效果。

拾取还是创造?

自然的拾音、处理及混音是一次HOA编码基本的制作过程,我认为这也是典型的体育赛事和现场综艺演出进行HOA制作的完整流程。

我认为传统的高相关度话筒阵列存在的问题是在可用的声音拾取区域之外细节的缺失较为明显,最终需要额外的点话筒以拾取相应细节。


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单声道、立体声和阵列话筒混音这种类似的工作流程也将用于沉浸式声音制作

 

就我所听过的高密度阵列话筒而言,它们能够改善所需要信号的细节,并通过改变话筒角度——使话筒的指向对准需要的音响来减少噪声干扰。有趣的是,在改变话筒角度的同时,偏离话筒头指向性的声音也得到了衰减——同样是阶数越高, 处理精度越高。这里有一个重要的注意事项——你也可以使用分开放置在任意地点的独立话筒进行拾音,并使用这些话筒拾取的全部信号来获得HOA编码的各个声音方位点信息。此外,没有采用单声道和立体声子编组作为HOA编码基本素材的内容,可以使用一个HOA编码器进行处理生成3D声音方位点,并且在用音箱进行重放时,能够制作出多维的声音场景。

单声道、立体声和阵列话筒混音拥有相似的制作流程,这种类似的工作流程也将用于沉浸式声音的制作, 因此能够便于混音师和音频制作人员真正实现沉浸声和HOA制作过程的无缝衔接。

在当前的多声道音频工作流程和实践中,采用HOA编码和基于场景的制作具有非常显著的优势。这一技术能够满足沉浸式声音内容制作的需求,通过将其高效地分配到一个比特流中,从而可在各种各样的音箱配置和声道格式下进行重放——因此更具创造力和效率,同时便于消费者使用。






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