数字影院多声道环绕声技术的新发展

梁 华

（同济大学 声学研究所，上海 200092）

1 5.1声道环绕声系统

随着数字电影与数字高清电视的迅速发展，多声道环绕声技术取得惊人的进步。目前数字立体声电影院已广泛采用5.1声道环绕声系统，其中，主要采用杜比实验室有限公司的杜比（Dolby Digital，又称Dolby AC-3）5.1声道系统和DTS公司的DTS（Digital Theater System，数字化影院系统）5.1声道系统，而索尼公司的SDDS7.1声道在影院中则很少使用。杜比5.1声道系统和DTS5.1声道系统都是6声道系统，它们是正前方的左（L）、中（C）、右（R）3个主声道，另加左环绕（Ls）、右环绕（Rs）2个环绕声道，再配以1个超低音（SW）声道。因SW声道所占频带很小，故称之0.1声道。图1为上述3种数字立体声音箱布局。

虽然杜比5.1和DTS5.1都是5.1声道系统，但因两者的编解码方法不同而不能通用或兼容。而两者在重放电平上的要求相同，即左、中、右主声道最大声压级要求均不小于103 dB，超低音声道不小于113 dB，环绕声道不小于100 dB，以便营造大动态范围的声级变化和令人震撼的音响效果。两者在超低音声道频率响应上要求不同，杜比5.1要求超低音声道的频率范围为20 Hz～120 Hz，DTS5.1则要求20 Hz～80 Hz。图2为杜比5.1声道系统与DTS5.1声道系统的频响特性。对其余5个声道，杜比5.1声道系统要求全频带，而DTS5.1声道系统对左、中、右声道要求全频带，对环绕声道则要求80 Hz～2000 Hz。

杜比5.1和DTS5.1声道系统不仅广泛用于电影院，还应用于家庭影院、数字声音广播（DAB）、数字电视广播（DVB）、光盘（DVD、CD）以及娱乐游戏等领域。为了进一步增强后方声像定位的连续性和包围感，在5.1环绕声基础上，杜比公司相继又推出杜比6.1声道格式和杜比7.1声道格式。杜比6.1声道格式又称Dolby Digital Surround EX，即在环绕声道中增加一路中环绕声道Cs。杜比7.1声道格式又分两种格式：Dolby Digital Plus（简称DD plus）和Dolby TrueHD。它们均是将6.1声道的中环绕声道分成两个环绕声道：左后环绕声道（LB）和右后环绕声道（RB）。这两种杜比7.1声道格式不能通用或兼容，但DD plus格式可向下兼容杜比5.1声道格式，它已作为高清光盘（HD DVD）或蓝光光盘（BD）声音格式用于数字电影的声音重放，并已被美国ATSC（Advanced Television Systems Committee，美国高级电视业务顾问委员会）和欧洲高清DVB（Digital Video Broadcasting，数字电视广播）列为未来无线广播、卫星广播以及有线电视的新标准格式。在杜比公司推出7.1声道格式之后，DTS公司也相应推出新一代环绕声格式DTS HD7.1声道系统且得到广泛应用。

2 IMAX 6.1声道系统

IMAX系统是由加拿大IMAX公司开发的一项巨幕电影技术，刚刚推出即获广泛关注。IMAX源自英文“Image Maxium”，意即影像最大化。它集现代电影技术于一身，拥有非常大的银幕、清晰的图像、高精密度的放映设备以及强劲的6.1声道环绕声音响系统。IMAX电影使用70 mm、15尺孔的电影胶片，有效画面面积是普通35 mm胶片的十倍，是一般70 mm宽银幕胶片的三倍。由于电影画格大，所容纳的内容多，因此图像非常清晰，加之高精密度的IMAX放映设备，使其播放出的影像具有非常高的真切感和清晰度。而且，IMAX公司利用偏振光技术开发出IMAX-3D系统，它通过两台高亮度的DLP投影机（即数字电影放映机）播放，观众佩戴简便的偏振光眼镜即可以观赏立体感非常强的立体电影。

目前，我国IMAX影院大多由原有35 mm胶片影厅改扩建而成，多采用紧凑型影厅标准，其平面长宽比要求尽可能接近1∶1。至少规划1个350座以上的大厅，标准银幕为21.3 m×13.3 m，观众厅看台坡度应为18°（现有影厅为13°～ 15°），银幕向前倾斜15°，以最大限度地满足影厅内大多数观众视野能集中在IMAX主视野区。至于建声要求则与我国对数字影院的要求相似。

IMAX音响系统采用的是6.1声道环绕声系统，其音箱布置如图3所示。即在5.1声道格式的基础上、银幕后方上增加1个中央声道，用以增强银幕声像定位和声音的高度层次感。为产生逼真的临场感和震撼的效果，QSC公司推出了新型的数字影院音频处理器（DCP300）和四分频主扩声扬声器系统（DCS SC-424-8F）。图4为数字电影音响系统的构成方式；图5为多个影厅的数字电影音响系统的构成，呈网络结构方式。

数字影院处理器DCP300是目前市场上惟一满足DCI（Digital Cinema Initiatives，好莱坞数字电影工作组）数字影院标准的处理器产品，它把24位、16通道的数字音频信号进行DSP处理，并将数字分频、远程遥控、功放和音箱的网络监控等功能集成在1台设备中，使其成为数字影院音频系统的核心。同时，它还融合CobraNet网络音频传输技术，可以通过双向传输高达64路的高品质网络音频信号，满足影院网络化运营和管理的需要。如图5所示，就是通过网络交换机将各影厅的DCP300进行星形连接，并通过PC机对各影厅进行管理和控制。

QSC四分频主扬声器系统SC-424-8F的设计也很有特色。它由2×15英寸低音单元、10英寸中音单元、3.5英寸高音单元和1.75英寸超高音单元等组成。用一个高性能中频单元工作在250 Hz ～1.8 kHz频率范围，确保了电影的绝大多数语音对白频率，从而保证了良好的语言清晰度。同时，高音单元和超高音单元采用独特的同轴结构，获得良好的音质和相位特性，从而保证了平直一致的高频特性。由于在技术和工艺上采取一系列独特措施，使QSC四分频音箱能够很好地满足像IMAX等数字影院系统严格的音质要求。

应该指出，图4和图5可以组成6.1声道系统，也可以根据需要接成5.1声道或7.1声道环绕声系统方式。关于数字影院的主声道的频响特性的要求如图6所示。

3 更多声道环绕声系统

在5.1声道环绕声格式的基础上，人们为了获得更强的临场感、更稳定的声像定位和覆盖范围更大的听音区域，而采用了更多声道的环绕声格式。Tomlinson Holman（汤姆林森·霍尔曼）提出的TMH10.2声道环绕声格式（参见图3），它的前方主声道与图1中SDDS声道系统的相似，并增设一个后中置环绕声道，以增强后方声像的稳定性。此外，还将声场扩展到垂直方向（高度）上，在听音者的前上方（屏幕后上方）两侧增设了两个声道音箱。而超低音声道也增加到两个，分别放置在屏幕后下方的左右两侧，以增强超低音的空间感。

另外，还有一个称之为Auro-3D的10.1多声道环绕声系统，它的前方主声道与图3的IMAX系统类似，但在屏幕后上方布置左、中、右三路音箱，并增设了后中置环绕声道。

随着高清影视和数字3D立体电影的迅速发展，由SMPTE（The Society of Motion Picture and Television Engineers，电影和电视工程师协会）成立的DC28数字电影技术委员会制定了SMPTE 428.3M协议，协议提出未来的数字电影可配置的20个声道的环绕声格式，如图7所示。其中7个声道是Dolby6.1声道系统的配置，其余13个新声道中，有4个声道用于扩展现有的环绕声道阵列，加强在后方和两侧的方向感；另有两个声道位于中央声道的两侧，与SDDS格式相同；还有7个声道用于新的音箱配置：2个声道分别位于右前偏左和右前偏右，有4个声道当作垂直阵列，用于增强高度层次感，以及新增的第二个超低音声道，如前述10.2声道一样，用来增强重低音的音响效果。

日本NHK公司则推出22.2的24声道环绕声系统，如图8所示。它明确将重放音箱分为高、中、低三层音箱群，为高度信息的再现提供了更为有效的保障，具有更强的空间立体感，是一种富有临场感的三维立体音响系统。该系统的中层高度大致与人耳高度相接近，中层音箱布置与前述TMH10.2声道环绕声格式相似。22.2声道环绕声系统具有如下特点和要求：

（1）考虑到像古典音乐之类的三维立体音响重放，系统的频响特性（在观众厅中央位置测得）不采用图6所示的数字影院频响曲线，而是要求高频直到20 kHz均为平直的特性。

（2）为了获得大范围均匀的声场，要求所用音箱的指向性尽量宽（水平120°，垂直100°）。

（3）超低音音箱LFE的频响为20 Hz～120 Hz，配置2只，以双声道立体声方式重放。

（4）为了增强银幕上的声像定位感，在中层前方配置5只声道音箱，并放在透声银幕后面，同时在中层前方的3个声道的银幕下，配置2组6只音箱，形成三维合成立体声像的音响效果。

表1 22.2声道系统的各声道名称

表1列出这22.2声道环绕声系统的24个声道的命名与简称。22.2声道环绕声系统已被SMPTE暂定为未来超高清电视（UHDTV）的声音格式。可以相信，未来的多声道环绕声系统将更加绚丽多彩。