浅析虚拟扬声器技术

罗 颖

（广州广播电视台 制作部，广东 广州 510010）

随着现代视听技术的飞速发展, 大众化的视听娱乐产品从无到有，已经普及到人们的生活中，其价格和成本还在不断下降。这些产品丰富了大众的文化生活，大众也对视听娱乐有了更多的要求，尤其是不再满足于传统双声道立体声系统所呈现的二维的空间特性，转而寻求环绕声系统所展现的丰富的三维信息。尽管多声道环绕声系统的出现有效地解决了这一问题，但这种系统需要特制的节目源，需要较多的重发通路（扬声器），对听音环境的要求严格，它的应用受到了限制。因而，业界提出了采用听觉传输技术中的虚拟声源的方法，通过HRTF（Head-Response Transfer Function，头部反应传递函数），利用一对前方扬声器系统虚拟出多通路声系统的多个扬声器，从而实现多通路声的两扬声器系统虚拟重发。类似的原理也可用于多通路声的耳机重发中。而虚拟扬声器技术的实质就是用两扬声器系统来虚拟某个空间位置上的声源或扬声器系统。

1 双耳信号的产生

图1是简单的对空间声源定位的数学模型。图1a是空间声源到人耳的传输示意图，TL、TR分别是传输途径上的上的左、右HRTF；图1b是其声学系统（信号处理与传输途经）的简易模型，HL、HR分别对应于左、右耳的头部相关函数，DL、DR是最终到达人耳的信号。若要在大脑中获得声源S的正确的“像”，图1b中的HL、HR与图1a中的HRTF（TL、TR）应该会具有线性对应关系，即：

2 串音消除

选择使用立体声扬声器系统作为实现虚拟环绕声的重放设备，由于每一个扬声器的信号会同时传到两只耳朵中，左右声信号会互相干扰，逆变换路径需要求一个2×2矩阵的逆，称其为串音消除器；因为其要消除传到另一侧耳朵的串音。为了使用立体扬声器来播放双耳声信号，必须使用一个2×2传递函数矩阵对双耳声信号进行滤波，此时回放系统如图2所示。

图中，y = cx

其中，y为双耳声信号，C为串音消除器。因为主要讨论串音消除器的不同实现，选取x和y作为输入与输出信号。图3为标准的双声道听音示意图。

双耳处的信号与扬声器信号的关系如下：

e = Ay

其中，e为耳朵处的信号， A为从扬声器到人的两耳的声学传递矩阵，y是扬声器信号。假设耳朵处的信号是用一个位于耳廓内部的理想传感器测量的，所有的方向信息都反映其中。方程 Axy给出了从扬声器x到耳朵y的传递函数，包含有扬声器的频率响应，空气中的传输方向和头部的响应。A可以分解如下：

A = HS

H是一个HRTF矩阵，其中 Hxy给出了从扬声器位置到人耳的HRTF，S是扬声器与空气的传输矩阵，是一个对角矩阵。Sx是扬声器x的频率响应，Ax表示信号右扬声器x传到人头中心处的传递函数（假头模型已经拿掉）。矩阵A假设每个扬声器的Sx对于两个耳朵的影响是一样的。

为了精确地将双耳声信号传到双耳中，要求串音消除器C必须是A的逆。

1/Sx为扬声器频率响应的逆，1/Ax为空气传播频率响应的逆。在实际应用中，假如听音距离两只高品质扬声器系统距离相同的话，这一部分可以被略去。然而，假如听音者偏离了中轴线，那么，就应该把较近的那一只扬声器系统的信号进行适当地延时与衰减，使两信号同时到达双耳，且具有相当的强度。

在实时实现时，往往将串音消除器叠加上足够的延迟，以形成一个因果系统：

式中，所需的延迟数m取决于具体的实现方式。为了简化讨论，略去了模型的延迟和用于扬声器均衡的，只考虑。因此有，图4为串音抵消示意图。

3 应用实例

虚拟扬声器技术在虚拟环绕声中的应用，实际就是借助两只实际存在的扬声器系统来虚拟5只环绕声音箱中央声道声源和左右环绕声道声源。由上文可知，对音源C、L、R、LS、RS的虚拟可分为两步：双耳声合成以及串音消除。首先使用与L、R、C、LS、RS扬声器系统位置相对应的HRTF对音源信号进行滤波，完成双耳声合成；然后将输出信号按左、右声道进行叠加并将叠加的信号送至串音消除器；串音消除器的输出与其他两路信号相加之后，就可以分别送至左右扬声器系统，虚拟出原扬声器系统产生的双耳声压，使声像得到扩展，得到和原来相同的重放效果。

将滤波的过程称为双耳声合成，称滤波后的信号为双耳声信号。双耳声合成可表示为：

X = hx

双耳声信号也可以是多个不同位置输入信号的和：

其中，hi是对应于音源xi的HRTF向量。

图5显示了多个音源的双耳声合成的实现。图中可见，通过虚拟扬声器技术，当L、R的实际位置与虚拟5.1声道扬声器系统中的位置相同的时候，可以将多声道环绕声信号通过一对音箱，分别虚拟出Vc、VSL、VSR。

3.1 SRS TruSurround技术

美国的SRS实验室是对两声道3D环绕声的研究和开发最多的公司之一，继SRS的3D技术后，为适应多声道日趋流行的新形势，该实验室又推出了SRS TruSurround——一种真正的虚拟环绕声技术，并在1997年2月得到杜比公司的认证许可。

3.1.1 原理

SRS TruSurround是SRS 3D的后续产品，为了弥补SRS 3D始终不能完全重放多声道系统的不足，SRS实验室针对两声道重现多声道环绕声的虚拟技术进行了研究，开发出了SRS TruSurround系统，采用更加优化的HRTF运算技术来模拟真实的多声道环绕声。它的回路备有6个输入端子和2个输出端子。输入的信号来自杜比数字和DTS等环绕声处理器的分离5.1声道信号。它可使两声道重现酷似多声道环绕声的音响效果，对多声道编码的软件的重放效果明显优于SRS 3D。它将解码器输出的多声道信号经过混合、处理，再以两声道输出，保留了原声道的所有音频信息，以形成附加幻觉声源的方式，为聆听者制造出丰富的环绕声场。这种技术与3D技术最大的区别就在于它不是为两声道系统开发的，而是直接为多声道系统（杜比定向逻辑、杜比AC-3）开发的重放系统。SRS TruSurround特别适用于家庭影院、DVD影碟机、DVD-ROM光盘、多媒体电脑、MPEG-2等。Sony 的等离子电视机KZ-42TS1、东芝数字电视36D2500 BS，AV业界的马兰士、先锋、金嗓子等品牌的产品中都采用了SRS TruSurround技术。

3.1.2 特点

声场用杜比数码AC-3环绕声系统进行6个声道的音箱重放时，音箱的摆位和听者的位置非常重要，只有在一定的有限空间才能体现到良好的环绕声效果。使用SRS 3D时，由于其只对两声道进行处理，处理的音频中缺少环绕声信号，虽经SRS 3D处理，来自身后的幻觉声源仍不多，它创造的幻觉声源主要来自侧方，它的声场可达180°。使用SRS TruSurround虚拟环绕声技术处理的两扬声器系统重放系统的声场分布如图6所示。由于在周围空间形成了一系列幻觉声源，声音犹如来自四面八方，据介绍其声场分布可达360°，听者最佳位置为扬声器系统距离的75%。

3.1.3 兼容性

SRS TruSurround虚拟环绕声技术是处理多声道系统的，它具有很好的兼容性，既可以处理杜比数码AC-3环绕声，也可以处理软件最多的杜比定向逻辑环绕声，还可以与DTS、MPEG-2兼容。

3.2 QSurroundTM技术

加拿大QSOUND实验室的QSurroundTM技术是当前流行的虚拟环绕声方案中较好的一种，QSurround系列三维虚拟声音产品包括：QSurround HDTM, 专为立体声喇叭系统设计的多声道虚拟环；QSurround 5.1TM, 用于多扬声器系统的多声道虚拟环绕，扬声器系统可以是传统放置或前置式放置；QSound HeadphonesTM，用于耳机的多声道虚拟环绕，使用了特殊的用于头戴式耳机（模拟周围环境情况下）的HRTF算法，其核心是基于听音测试得出的QSurroundTM虚拟算法。采用QSurroundTM虚拟算法进行虚拟环绕声处理的典型IC结构框图如图7所示。

QSurroundTM技术的原理是：内置的多通道解码器首先将带杜比环绕声编码的音频信号解码成左、右、中置、后左环绕及后右环绕声道等多路信号。在虚拟（幻像）模式下，用QSurroundTM虚拟算法分别将左、右及后左环绕、后右环绕声道分别进行虚拟处理，再与中置声道混合叠加，使两只前置扬声器系统在两耳处产生与杜比多声道重放系统完全相同的声波状态，从而还原出杜比编码信号中的所有声音空间信息。QSurroundTM技术使进入人耳的声音符合人的双耳效应和耳廓效应，采用HRTF原理还可补偿话筒频率响应与人耳听觉系统之间的差异，进而实现仅用双声道音响系统便可产生与多声道杜比环绕声系统一致的环绕声场。图7可见，在真实模式下，对应于多个音箱的情况，QSurroundTM技术将主声道及环绕声道信号处理后，直接输入各自的音箱，可改善环绕声的效果，扩大听音位置。目前，世界上有许多知名企业都采用QSurroundTM技术，如SHARP、AIWA、YAMAHA、MOTOROLA、ESS、AKM、IBM、MICROSOFT等等。应用的产品有DVD、TV、VCR、AV功放、便携式电脑，INTERNET网络音频软件等。

虚拟扬声器技术通过两声道扬声器系统营造出立体声乃至多声道扬声器系统的音效，是可应用于数字电视、立体声迷你音响、电视游戏机、电脑及其他影音产品的理想技术；它可替代在数量和设置上均显冗繁的多声道扬声器系统，给大众带来新的听觉体验。