浅谈3D声音技术及在音乐类节目录音实践中的运用

曹 勐

（中国音乐学院音乐科技系，北京 100101）

浅谈3D声音技术及在音乐类节目录音实践中的运用

曹 勐

（中国音乐学院音乐科技系，北京 100101）

基于3D声音基本概念和特点，介绍了基于“声道”和基于“对象”的3D声音技术原理，分析音乐类节目的3D声音录制方案，并预见音乐类节目的3D声音制作将成为研究热点。

3D声音技术；沉浸式声音；3D音乐录制

1 引言

3D是近年来频繁出现的一个热门词汇，以3D电影、3D电视、3D游戏、3D投影等为代表的3D影像技术已经成为视频领域的发展热点。而音频方面，3D声音（也称沉浸式声音）正在成为一个新的发展方向。近两年音频领域的重要国际会议，如AES（Audio Engineer Society）会议、德国录音师会议（Tonmeistertaguang）等，都将3D声音作为会议研讨的一项重要议题；各国科研机构和设备厂商也在着力研发针对3D声音的新技术、新设备。笔者从3D声音基本概念和特点入手，介绍一系列目前常见的3D声音技术方案，并且针对音乐类节目的3D声音录制方法进行总结分析。

2 3D声音技术特点及发展现状

3D（3-dimensional），通常被译为三维，通常指空间维度，即具有长、宽、高三个向量的立体空间。3D声音可以理解为通过一定的技术手段记录和重放出三维空间信息的声音。

人耳与生俱来地具有感知三维声场和定位三维空间声像的能力。声音的录制和重放技术从单声道、双声道平面立体声再到5.1、7.1平面环绕声，其对声场的塑造能力从一维空间发展到水平二维空间。而3D声音技术与3D图像技术主要拓展纵深有所不同，主要拓展了音频系统在垂直方向的声场塑造能力，可以模拟出与真实听音感受最为接近的三维声音空间。

2.1 3D声音技术特点

3D声音技术与设备的运用，不但给人们带来了全新的音响审美体验，而且由于声音空间的拓展，声音创作的空间和自由度获得了前所未有的提高。其特点和优势可以归纳为以下几点。

（1）3D声音技术临场感和沉浸感更强。在人们的听音习惯中，从上方和斜上方而来的声音承载了更多有助于辨识声场环境的信息。3D声音重放技术使听众置身于一个三维的声音重放空间内，声场的重现与在自然环境的听音体验接近，这种临场感是平面立体声和环绕声无法比拟的。

（2）3D声音技术拓展的垂直方向的声像定位使声场信息更完整。垂直方向声像定位的出现使声像运动轨迹更加自由、连贯，进一步丰富了声音的艺术表现力。

（3）3D声音技术改善了重放声音的音质。从单声道到平面环绕声的发展过程可以看出，声道数量越少，单个通路内所包含的声音信息就越多，也就易出现信号间相互的声染色和相位抵消的现象。目前常见的大部分3D声音系统都增加了上方或斜上方的扬声器，所以一定程度地缓解了声染色和相位抵消的问题。德国Fraunhofer研究院的双盲音质对比测试结果（如图1所示）也显示出当添加上层额外声道扬声器时，声音的整体音质有了大幅提升。

（4）3D声音技术扩大了最佳听音区域。平面环绕声相对于双声道平面立体声的一大优势就是最佳听音区域扩大，而3D声音重放系统又在平面环绕声的基础上将最佳听音区域进一步扩大。这一点笔者有切身体会，在德国录音师会议设置的3D视听室内，笔者特意在多个位置进行了对比聆听，感受到声音的还原和声场的一致性非常好，虽然在不同位置声像定位也会有一些差异，但是并没有出现过于极端的变化效果。

2.2 3D声音技术发展现状

近几年，3D声音技术进入了发展的快车道。大量产品从研究机构和设备厂商的实验室走向市场，其中有些已经在普通听众和业内专家中获得了较好的评价和广泛的接受。目前常见的3D声音技术方案有：Dolby Atmos（杜比全景声）、Auro 3D、IOSONO-3D、NHK22.2、DTS-X、HOA（High Order Ambisonics 高阶声场复制）等。就声音信号分配方式而言，可将常见的3D声音系统分为基于“声道”和基于“对象”两种类型。

2.2.1 基于“声道”的3D声音技术

基于“声道”的3D声音技术采用了与传统平面立体声和环绕声类似的信号分配方式，通过不同扬声器重放声音信息之间的强度差和时间差定位声源。使用这一原理的3D声音技术方案包括Auro 3D、NHK22.2等。

2.2.2 基于“对象”的3D声音技术

基于“对象”的3D声音技术打破了传统以声道为基础的声音信号分配方式，在声音制作环节中增加一个专用的编码处理器，将声音的空间定位信息记录为一系列的元数据，这些元数据并不属于任何一个物理意义上的声道，重放时使用解码器利用元数据的声音定位信息调用重放系统的对应扬声器进行重放。属于这类3D声音技术方案包括Dolby Atmos、DTS-X、IOSONO-3D等。其中IOSONO-3D系统对元数据进行解码重放时还采用了基于惠更斯原理（二次波源原理）的波场合成技术（Wave Field Synthesis）①。

3 音乐类节目的3D声音录制

目前3D声音技术主要是针对电影、游戏领域进行技术研究和节目制作，针对音乐类节目制作的3D声音研究较少，但鉴于目前音乐演出市场和电视台音乐类综艺节目的火热，音乐类节目有可能成为下一个3D声音技术应用的研究热点。

图1 立体声、平面环绕声扩展至3D声音重放系统的音质效果比较

3.1 Auro 3D技术在音乐录音领域的运用

通过对现有音乐类节目的3D声音录制方法的分析和比较，可以发现目前大部分音乐类节目的3D声音同期录制制作方案都是根据Auro 3D技术方案进行设计，并且在Auro 3D系统中进行重放。Auro 3D技术方案在音乐节目3D重放领域的应用占据重要的位置。下面分别从音乐节目的声音特点和Auro 3D技术方案特点等角度分析其在音乐节目录制领域被广泛采用的原因。

（1）从声音的艺术表现上看，电影声音与音乐声音有各自不同的艺术追求。电影声音需要与电影画面完美配合，不仅需要重现画面所呈现的声场环境，更要求准确的声像定位和还原声音对象的运动轨迹。而音乐类节目尤其是古典音乐类节目则没有太多运动声源定位的要求，即便需要声像定位，很多时候也不是一个点而是需要有一定宽度。录制这类节目的侧重点在于声场塑造，模拟更自然的音乐表演环境，带给听众更逼真的沉浸式体验。所以，虽然类似Dolby Atmos那样的基于“对象”的信号分配方式能够重现更准确的三维声像定位，但音乐类节目留给它发挥的空间十分有限。

（2）传统音乐录音无论是同期的立体声、环绕声制式录音方式还是分期的单点拾音和后期制作，其理论基础都是传统的基于“通道”的重放系统。而在基于“通道”重放的Auro 3D系统中，音乐录音师可以利用自身已经掌握的所有传统录音制作手段，工作习惯和工作方式与之前也几乎不发生任何变化，只是需要考虑增加上层的传声器组来为上层扬声器提供对应的音频信息。也就是说Auro 3D技术方案是音乐录音师可以相对容易地凭借已具备的平面立体声录音技术和经验快速进入3D声音技术领域的方式。

（3）Auro 3D系统根据不同的重放环境和重放条件制定了从9.1到13.1等几套固定的扬声器系统搭建方案，并要求理想的重放系统都应按照上述方案进行搭建。部分录音师十分认可这种方式，认为这样可以保证音乐成品播放时的重放条件与自己制作时的监听条件一致，也就保证了录音师制作时的监听状态与广大聆听者最终的实际聆听效果非常接近。而Dolby Atmos却没有设计固定的声音重放系统，需要根据厅堂的实际尺寸设计扬声器的数量。实际上，由于扬声器的使用数量和最终声音的重放效果有着非常密切的关系，一般民用重放系统在扬声器数量和质量上都与专业系统存在较大差异，这就造成了制作时监听到的声音效果在一般民用重放设备上被大打折扣。

（4）Auro 3D技术方案的兼容性。目前绝大多数音乐录音的重放系统仍以2.0声道和5.1声道为主，针对2.0和5.1 声道的节目制作仍是音乐录制技术的主要内容。因此使用3D声音技术进行录制的音乐录音师必须首先保证自己的作品能够在上述两种环境下重放出较为理想的效果。Auro 3D独特的Octopus编码技术具备非常出众的向下兼容性，其声音成品（采用蓝光光碟存储）可以在不需要解码器的情况直接回放5.1通道乃至2.0通道的PCM数据流。这样，在制作端就可以实现一次性完成平面和3D两种重放格式的制作，同时在客户终端有解码器的情况下可以实现3D声音的解码还放，即使没用解码器也不影响2.0、5.1格式下的欣赏。

3.2 3D音乐录音案例分析

目前采用3D声音技术的音乐录音案例较少，大多数还在讨论和探索之中，以下选择三个具有代表性的录音方案加以分析。

3.2.1 Galaxy Studio的3D音乐录音方案

作为Auro 3D技术的创始者，有着深厚音乐录音经验的Galaxy Studio公司所提出的音乐录音方案是3D音乐录音的典型案例。

Galaxy Studio的基本方案（是依据Auro 3D系统中扬声器上下两层设置的方式，采取两层传声器布局，即在原有平面环绕声录音方案的基础上增加了上层传声器组，如图2所示。在整个系统中，下层传声器组多采用Decca Tree加后方2支全指向传声器，共5支全指向传声器的方案；上层传声器组一般由4支全指向传声器组成，其中，在Decca Tree的正上方为一组AB（2支全指向）传声器组，传声器主轴一般指向正前或斜下方，根据实际录音环境的情况也有指向斜上方的情况，另外，在2支环绕传声器的正上方再分别各设置1支全指向传声器，主轴指向斜后方。实际录音时，乐队中还会对某些乐器和声部增加辅助传声器。

这种方案的优势之一就是针对平面环绕声系统的向下兼容性极佳。在不进行解码的情况下，系统录制的信号重放出下层标准的5.1环绕声录音系统的信号；而上层传声器则主要负责拾取来自厅堂上方、斜上方的反射声，同时也会拾取到一些能量相对下层较弱且传播声程更长的直达声。

3.2.2 2L唱片公司的录音方案

挪威2L唱片公司（LindbergLyd）是古典音乐唱片厂牌中的后起之秀， 近两年其唱片连续获得了格莱美奖古典音乐类别的多项提名。它是目前坚持采用DSD录音技术进行录音，是目前少数发行Auro-3D格式蓝光光盘的唱片公司。另外，2L有与众不同的音响美学概念，认为多声道技术可以打破原有舞台表演观众与表演者之间的传统位置关系，因此其制作的大量唱片所追求的是一种将听众置身于乐团的中间，即听众被所有乐器包围的新奇的声音体验。笔者将2L录音的基本原则总结为如下三点：选择最佳的录音场地，使用最简单的传声器设置，通过改变乐队摆位获得理想的平衡和奇妙的声音体验。

2L公司的拾音技术从Decca Tree和Mercury Tree中汲取了部分灵感，它的3D拾音技术也是从其他的平面环绕声拾音技术发展而来的。它的平面环绕声拾音技术一般采用5支或7支传声器组成的拾音阵列。以专辑《Remote Galaxy》（如图3）的录制方式为例，其平面环绕声的录制，采用7支传声器组成环绕声阵列置于环形布局的乐队中心，如图4所示，使用传声器一般都为DPA全指向传声器，相邻传声器的间距不超过1 m。5支传声器的阵列可以理解为模仿5.1重放系统的L、C、R、Ls、Rs 5只扬声器；而7支传声器的阵列是从5支传声器阵列发展而来的，增加的2支传声器位于L和Ls、R和Rs之间，用于确保L、R和Ls、Rs之间的声音过渡得平衡、自然，多用于中大型乐队拾音。在此基础上，2L公司增加了上方的4支全指向传声器来实现Auro 3D格式的录音，这4支传声器分别位于L、R、Ls和Rs声道传声器的正上方，向下的俯角略小于下层传声器，上层升高的高度等于下层L、R传声器的间距，如图5所示，录制中传声器阵列与乐队的位置如图6所示。上下两层传声器基本上组成了一个立方体，而立方体的尺寸根据乐队规模在120 cm～40 cm[6]之间变化。传声器方面，2L的录音多选择全指向传声器，只是有时根据音乐和乐器的特点在小振膜传声器DPA4003和大振膜传声器DPA4041（传声器主轴方向的调整更为严格）之间进行选择。

图2 Galaxy Studio 3D音乐录音方案实例

图4 《Remote Galaxy》环绕声录制中乐队摆位和拾音位置

图3 Remote Galaxy 专辑封面

图5 《Remote Galaxy》3D录制中采用的拾音传声器阵列

图6 《Remote Galaxy》3D录制中乐队与传声器阵列的位置

与Galaxy Studio的录音方案一样，2L公司的3D音乐节目拾音技术来源于它的平面环绕声阵列拾音技术，其同样具备完美的向下兼容性。依据2L公司的音响美学原则，该系统的传声器使用十分经济，除主传声器阵列之外几乎不使用任何辅助传声器（只是偶尔给独奏乐器架设辅助传声器），因此，这种录音对厅堂声学环境、乐队的位置布局和乐队本身的音响平衡有极其严苛的要求。

图7 Zielinsky Cube 的传声器位置关系

图9 MKH800twin传声器

3.2.3 Zielinsky Cube 3D拾音方案

Zielinsky Cube是以德国著名录音师和制作人Gregor Zielinsky的名字命名的3D音乐录音制式。1989年，Gregor Zielinsky曾凭借录制伯恩斯坦指挥的音乐剧《老实人》斩获格莱美最佳古典音乐录音奖项。他从2010年开始介入Galaxy Studios公司的Auro 3D研发工作，进行了大量音乐的3D录音和制作实验，音乐类型涵盖了古典音乐、爵士乐、摇滚乐等多种音乐风格。

经过多年3D音乐录音实践，Zielinsky总结出了一套独特的3D主传声器拾音布局方式，称之为Zielinsky Cube。该系统由8支传声器组成，传声器的位置正好处于一个虚拟立方体（长方体）的8个顶角，如图7、图8所示。如图7所示，下层L、R传声器的间距约等于上层HL和下层L间距离的2倍，其余上层传声器的高度均可以此类推，这种传声器布局方式与Auro 3D系统的扬声器摆放标准完全吻合。下层L、R和LS、RS传声器组可以理解为常规的大AB加左后右后两支环绕声传声器，L与R传声器的间距一般在1.5 m～2 m之间，有时甚至更大，传声器型号多选择Sennheiser的MKH800twin②（如图9所示）。进行3D录音时，条件允许的情况下，上下层8支传声器都使用该型号传声器，有时上层也有选择其他心形或宽心形指向传声器的情况。HL、HR传声器主轴指向正前方，而HLS和HRS传声器则多指向斜后上方。

根据上述传声器布局方案可以发现，Zielinsky一般不使用Auro 3D系统的前方中间声道，他认为中间扬声器的使用对于音乐录音没有很重要的作用，使用它会使声音从左到右的过渡变得不自然。甚至有时即使根据乐队编制和厅堂特性需要在左右传声器中间增加一支中央传声器C，重放进行声道分配时也只将这路信号同时分配给左右扬声器而不向中间扬声器分配。同时，Zielinsky还提出了上下两层传声器拾取信号的相关性问题，他认为上下两层传声器所拾取信号的内容必须具备一定的相关性，即上层传声器也要拾取一定量的声源直达声，只有这样才能保证垂直方向的重放声场最为自然，并且能体现出声源本身的高度信息。如果上方传声器只拾取上方反射声，会导致整个声场被分割为上下两部分，使声场整体性、融合性差。

图8 Zielinsky Cube 传声器与乐队的位置关系

4 总结与展望

3D声音系统可以有效地提高重放声音的音质；同时其独一无二的沉浸式声音体验超过以往所有的声音重放系统，可以塑造出逼真的音乐声场；三维空间定位能力则突破了传统的声音重放空间，拓展了音乐创作的机会和表现力。

目前，Barco公司联合Auro Technology公司和德国的IOSONO Sound公司（已被Barco收购）发布立了Auro 3D的升级版本Auro Max。Auro Max已经放弃了传统基于声道的方式转而运用基于对象的技术（借鉴了IOSONO-3D的元数据技术）。因此，基于“对象”的声像重放方式由于其精确的声像定位能力和对基于声道方式的兼容性，必将成为3D声音技术的主流。

随着3D声音技术的广泛应用及该技术的不断进步发展，在电影声音领域、音乐领域、游戏领域等将具有广阔的应用空间和发展前景。现在，现场音乐会、多媒体“秀”的3D声音扩声已经成为3D声音技术国内外研究和尝试的新热点，2013年10月昆曲水磨新调3D全息音乐会和2015年8月的“声立方”电子音乐全息声音乐秀在上海举行，两场音乐会的扩声系统均采用了波长合成技术（WFS）重放3D声场，为听众带来更美妙、新奇的听觉体验。

注：本文属于“国家科技支撑计划项目：2012BAH38F03-03听觉呈现系统效果测试与评价”研究成果。

注释：

①波场合成技术（WFS）是在已知原始声源位置定位信息的前提下，通过波场合成算法求出各二次声源的驱动信号，利用连续分布的二次声源实现对原始声源所在声场的精确重建。理论上该技术通过数学算法所获得的重放声场与真实的听音空间完全一致，而且重放信号的声像定位不会随听众在听音区域内位移而改变。

②MKH800 twin是一种可以在监听时自由调节传声器指向性的双电容传声器。它与其他双电容传声器（如Neumann U87）的最大区别是两组电容产生信号不进行混合而是分别输出，即1支传声器具有2个XLR输出接口，录音师可以根据实际监听的情况自由调节2个输出的比例关系，从而改变传声器的指向性。

[1] Günther Theile,Helmut Wittek. Principle in Surround Recording with Height[J]. AES Journal, May 13, 2011.

[2] Kimio Hamasaki. 22.2Multichannel Audio Format Standardization Activity[Z]. NHK Broadcast Technology No.45，2011.

[3] Bert Van Daele,Wilfried Van Baelen. Auro-3D Workflow Presentation[Z]. 2012-02-28.

[4] 周天枞. 全新的3D声音体验_DolbyAtmos与Auro_3D[J]. 演艺科技,2015(2):19-22,65.

[5] 庄元. 余音绕梁如闻天籁_3D环绕声技术发展述评[J]. 演艺科技,2015(3):14-20.

[6] Morten Lindberg. 3D recording with"2L-cube". VDT Magazin,2015(3).

[7] Robert Bleidt,Arne Borsum,Harald Fuchs,S. Merrill Weiss. Object-Based Audio: Opportunities for Improved Listening Experience and Increased Listener Involvement[J]. SMPTE Journal,2015.

[8] Brian Claypool,Wilfried Van Baelen,Bert Van Daele. Auro 11.1 versus object-based sound in 3D[Z].

[9] Dobly Labbratories. 杜比全景声影院扬声器位置设计指南[Z].

[10] Dobly Laboratories. Dolby Atmos Cinema Technical Guidelines[Z].

曹勐，2002年毕业于中国传媒大学录音艺术学院，硕士。参与了中国音乐学院音乐科技系的筹建，现为中国音乐学院音乐科技系录音与扩声专业讲师，中国传媒大学艺术学部创作导师，首都师范大学音乐学院外聘专家，北京传统音乐节音响设计。擅长中国民族音乐和西方古典音乐的录音制作，具有从立体声节目制作到多声道环绕声节目制作等多种类型与形式音乐节目的录制经验。

（编辑 杜 青）

Discussion on the 3D Sound Technology and the Application in the Practice of Music Program Recording

CAO Meng
(Music Department of Science and Technology, China Conservatory of Music, Beijing 100101, China)

Based on the basic concepts and features of 3D sound, the writer introduces the principle of 3D sound technology based on "sound track" and "object", analyzes the 3D sound recording scheme of music programs, and predicts that the 3D sound production will become a hot research topic.

3D sound technology; immersed sound; 3D music recording

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.12.004