多声道环绕声的发展及构建方法

目前多声道环绕声在家庭用户中已经越来越普及，人们利用它观赏DVD影
碟、玩PC游戏或者收听环绕声格式（比如DVD-Audio或者SONY的
SACD格式）的音乐。不过，对于一般的家庭用户来说，构建一个多声道回放系统仍然不是一件简单的任务，光是看到大量的专业名称和缩写就足以让你眼花缭
乱、不知所措了，更何况对于如何回放出更理想的音质也存在不少相互矛盾的说法。在本文中，我们将带你回顾一下多声道环绕声的发展历史，然后再简单讲述一下
几种不同的多声道音频格式以及如何在Windows
PC上构建一个环绕声系统。最后，你可以躺在沙发上，舒服地翘起你的双脚，惬意地聆听来自周围的天籁之音。
　　
　　声音再现的简史
　　
　　人们很早就学会利用简单的扬声器来完成声音的再现，早期的扬声器功能比较简陋，它所再现的声音根本谈不上逼真，无法给听众以身临其境的感受。随着能够实现电子录音和回放的设备的出现，人们对于完美声音再现的追求也不断上升到新的高度。
　　
　
　动圈式扬声器的概念是由两位美国人—Rice和Kellogg在1924年发明的，不过也有迹象表明一位英国工程师Paul
Voigt可能在更早些时候就应用了这一概念。有意思的是，尽管已经过去了80年，但基本的扬声器技术并没有太多的变化，我们现在使用的扬声器仍然是基于
动圈技术。最大的变革要算是立体声概念的出现，它能够通过两个扬声器表现出声音的方向和深度，从而让听众获得更真实的声场感受。
　　
　　美国无线电公司（RCA）于1957年第一次将立体声唱片引
入商业应用领域，开始是采用双音轨的磁带作为存储介质，后来又采用黑胶唱片进行存储。大多数唱片公司在20世纪60年代逐步放弃单声道而转向立体声技术。
尽管立体声的效果无疑要大大好于单声道，但它还不算特别理想，比如它无法根据听众的位置变化而提供一个稳定的声场效果。
　　
　　电影院的音响效果
　　
　
　声音的录制和再现技术在很大程度上是由电影工业所推动的，今天的环绕声系统就是一个典型的例子。早在1939年，由迪斯尼公司投拍的动画片《幻想曲》
（Fantasia）就率先采用了多音轨录制和多声道回放技术，当时这种技术也被迪斯尼公司称为Fantasound。不幸的是，随后爆发的第二次世界大
战使得该技术的发展延误了很多年。
　　
　　最早的电影采用同步播放唱片的方式来回放声音，但很快就被另一种更方便的声音播放技术所代替，这种技术可以利用电影胶片的边缘部分来保存声音信号，从而能够与影像同步播放。由于这一技术可以实现多音轨录制，并且还能利用数字化的镶嵌技术扩展到可支持多种音频格式，因此该技术一直沿用到今天。
　　
　
　最初在电影胶片上保存音轨时采用的是单声道系统。随着立体声的普及，电影胶片上的音轨很快就扩展到双音轨，并且逐步发展到多音轨（一般通过同时播放多卷
胶片的方式来实现）。有些电影拷贝在制作时会在胶片旁边附带磁性片基用于保存音轨，这种音轨可以获得更好的声音效果，但价格要昂贵很多，而且使用起来也不
如光学片基的音轨方便。
　　
　　1975年，Dolby实验室针对电影音轨发明了Dolby立体声技术。Dolby立体声仍然属于模拟信号系统，它的大致原理是通过矩阵编码的方式在两条光学音轨上保存四条音轨的信息（可参见图1）。这四条音轨的效果比双声道立体声要好，因为它不仅在电影荧幕后面放置了左、中、右三组扬声器，还可以在剧场的旁边和后边放置若干组扬声器来实现环绕声。这一系统就是目前流行的Dolby 5.1标准的前身。

　　在DTS影院系统中，电影胶片上只需要通过光学方式印上一条简单的时序轨迹。然后通过一个廉价的读取头就能从影院放映机中读出这一时序信号，再根据这一信号同步播放来自一台或多台光驱中的数字音频文件。

　　环绕声格式
　　
　　 多声道环绕声最让人迷惑不解的地方之一就是存在很多种不同的格式。下面我们将对最常见的几种环绕声标准进行一下简单的技术描述。

　　Dolby AC-3（Dolby Digital）标准
　　
　　Dolby Audio Code
3（简称AC-3，但更为流行的叫法为Dolby
Digital）是针对HDTV（高清晰电视）应用而开发的一种音频编码格式，它将5个全频段（3Hz-20000Hz）的音轨和一个低频段（3Hz-
120Hz）的音轨通过有损压缩的方式编码为一个数据流。
　　
　　 它所采用的压缩算法会将人耳不易听到的部分声音细节信息删除，从而能够实现10:1的压缩比。Dolby Digital标准在电影工业中得到了非常广泛的应用，在大多数DVD影碟中都能看到它的身影，而且目前几乎所有的DVD机都能支持这一标准。
　　
　　
　　Dolby Pro Logic II
　　
　
　Dolby Pro
Logic（杜比定向逻辑技术）是一种矩阵解码技术，它能够将VHS录影带及TV节目中已编码在立体声音轨上的杜比环绕声的节目解码还原为四声道输出的环
绕声节目。而Dolby Pro Logic
II（第二代杜比定向逻辑技术）要更为先进一些，它能从任何立体声节目源分离出五个独立声道的环绕声（左、中置、右，左环绕及右环绕），即便原来的节目没
有经过杜比环绕声的编码处理也能实现。对于经过杜比环绕声编码的节目的回放，如电影音轨，其声音效果可与Dolby Digital
5.1媲美；对于未编码的立体声节目，如立体声CD唱片，节目回放的效果可营造出更宽广的、更有包围感的声场环境。与第一代技术相比，第二代杜比定向逻辑的另一项改善之处在于它提供了全频段的两个独立的环绕声道，而第一代技术只有单一的、频段有限的环绕声道。
　　
　　
　　Digital Theater Sound（DTS）
　　
　
　与Dolby Digital编码格式类似，Digital Theater
Sound也是一种有损音频编码技术。在电影中DTS的压缩比例通常在2.9:1到4.3:1之间。它所采用的压缩算法并不是基于人耳的听觉，而是基于数
据的冗余度。由于采用了带有线形预测和自适应功能的小波编码方式，它能够非常有效地减少数据冗余度并进行压缩。
　　
　　开发DTS系统的
宗旨是想建立一个适用于所有影院的统一的数字音频标准，而不仅仅针对音响演示厅。它并不主张把音频数据直接保存到电影胶片上，而是试图通过其他媒介来实现
更简便、更廉价、更稳定、更灵活同时具有更高音质的电影声音回放。由于DTS致力于把声音播放与电影胶片分离开来，这也成为它与其他影院声音系统最大的不
同，比如它最主要的竞争对手—Dolby Digital系统。
　　
　　不过如果我们仅仅讨论在家庭中观看DVD影碟的话，这两种环绕声系统之间并没有特别明显的差异，它们都需要硬件或者软件的解码器将数据分解为6个声道（5.1）。这是因为制作DVD影碟时，Dolby的音轨就不用再保存在电影胶片的边缘了。
　　
　　在DTS影院系统中，电影胶片上只需要通过光学方式印上一条简单的时序轨迹。然后通过一个廉价的读取头就能从影院放映机中读出这一时序信号，再根据这一信号同步播放来自一台或多台光驱中的数字音频文件。
　　
　　在DTS系统中，声音是采用数字音频文件的格式保存在CD-ROM上的（而不是采用CD音轨方式），这主要是为了更好地进行错误校正。通过多个光驱组成的光驱链就能扩展出若干条环绕声音轨，对于那些需要提供外语配音的电影拷贝，只需要配上另外的光盘即可，相当灵活。
　　
　
　DTS系统的原型于1992年问世。在接下来的几年中，这一技术受到美国好莱坞大导演斯皮尔伯格（Steven
Spielberg）及环球电影公司的高度重视，并在大型科幻电影“侏罗纪公园”中首次采用了DTS技术（1993年6月）。斯皮尔伯格和环球电影公司甚
至和该技术的发明人德利贝尔格共同合作成立了DTS公司。随后，支持DTS的影院如雨后春笋般普及开来。
　　
　　DTS公司还开发了一些
其他的音频格式，包括DTS-ES（DTS 5.1声道的增强版，使用一个额外的背环绕中置扬声器来实现6.1回放）、DTS 96/24（采用96
kHz、24-bit采样率的5.1环绕声）、DTS Neo 6（将老电影中的两声道音源扩展成5.1环绕声，类似于Dolby Pro Logic
II）。
　　
　　Dolby Digital还是DTS？
　　
　　对消费者而言，他们似乎并不太关心一部DVD影碟究竟采用的是Dolby Digital还是DTS声音系统，这些事情往往是影碟发行商需要cao心的。大多数的家庭影院系统都能够同时支持Dolby Digital和DTS环绕声，而且很多影碟本身就在一张DVD光盘上同时提供了Dolby Digital和DTS编码方式。
　　
　　这两种声音编码系统都能提供高质量的5.1数字音频，而且用同一套功率放大器和扬声器就能播放。对于同时提供两种声音编码的影碟来说，用户可以在声音子菜单中选择Dolby Digital或者DTS环绕声。
　　
　　对于同一张影碟，究竟Dolby Digital还是DTS的声音更好，往往会存在一些争议。而实际上这些争议的产生并不是由编码方式本身的因素造成的，而是由于在不同地点和不同时间进行Dolby或者DTS编码而产生的差异。
　　
　　不过，按照DTS公司的说法，在所谓的“盲听”测试中，大多数听众会更偏爱DTS环绕声。
　　
　　SACD和DVD-Audio
　　
　　与前面阐述的一些音频格式不同，Sony公司的SACD（Super Audio Compact Disc）的创意并不是来自电影院，而是由原来生产CD唱片的厂商来推动的。SACD能够在一张4.7GB的光盘上同时提供双声道的立体声音轨和6声道的环绕声音轨。
　　
　
　SACD采用了一种叫做DSD（Direct Stream
Digital）的技术，这种技术被SACD的支持者Sony和Philips公司称为“PCM杀手”，它采用采样频率高达2.8224MHz的1bit
Delta
Sigma方式。其还原声音的频宽可达100KHZ，在可听声频段的动态范围达到了120dB。DSD可以更严密地跟踪音乐的原始波形，它以极高速的采样
频率对原始模拟信号进行采样，量化为1bit数字信号，当它还原为模拟信号时，与原始的模拟信号波形几乎一模一样。因此，SACD声音的清晰度、信噪比、
动态范围和频响都远高于现行CD标准。
　　
　　在采用高采样频率的同时，SACD还使用无损的直接传输方式来压缩环绕声数据，从而比采用有损音频压缩方式的DVD-Video更为精确。
　　
　
　DVD-Audio则是来自DVD论坛的另一种音频格式，它是SACD的强有力的竞争者。它采用了名为MLP（Meridian Lossless
Processing）的无损压缩算法，可以在一张4.7GB的光盘上提供两小时的6声道24bit、96KHz的音乐或者两小时24bit、
192KHz的高清晰度立体声音乐，它的动态范围可以达到144 dB。很多DVD-Audio光盘都同时包含了Dolby Digital
5.1音轨，这样你就可以用普通的DVD机来进行播放了。

环绕声的播放
　　
　　如果你想在PC上实现环绕声的播放，你的电脑需要具备下面的条件（通常新买的PC会满足其中的绝大部分）：
　　
　　● 一款DVD光驱;
　　● 一款带有环绕声输出的普通声卡（最好带有S/PDIF输出以连接外置的解码器）或者一款带有6路输出的专用多声道声卡;
　　● 一组有源5.1扬声器或者一款6声道功率放大器加上一组无源扬声器;
　　● 能够支持Dolby Digital和DTS解码的DVD播放软件或者采用外置的Dolby Digital、DTS解码器;
　　● 一组扬声器线缆，如果采用外置的功率放大器或解码器，还需要配备相应的音频线缆。
　　
　　某些声卡可能需要使用S/PDIF线缆来连接外置的解码器，这类解码器有时被集成于高档有源扬声器或者家庭影院的功放单元。
　　
　
　Dolby
Digital和DTS对5.1扬声器摆放位置的要求是一致的，而DVD-Audio和SACD则稍有不同，它们要求后置扬声器要与人耳位于同一水平线。
不过，理想的环绕声扬声器摆放位置（如图2所示）在实际家庭中很难实现。人们往往会为了摆放方便把扬声器放在房间的角落或者挂在墙上，而这些都会影响环绕
声场的效果或者破坏扬声器音量的相对平衡关系，比如把扬声器挂在墙上会对低频段声音产生6dB的增益。
　　
　　低音炮的摆放位置也很有讲究，如果摆放在角落，可以能带来18dB的增益。而稍微不太对称的低音炮摆放位置可能会有助于消除驻波或共振的情况。
　　
　　 尽管合理的扬声器摆放位置对于产生准确的环绕声声场是至关重要的，但人们往往更关心这些扬声器在房间里怎么摆放起来更方便。这正是造成很多家庭影院效果不佳的主要原因，如果你对扬声器摆放位置有更多的兴趣，可以参考www.dolby.com.cn中的有关说明。

理想的环绕声扬声器摆放位置

Windows中的环绕声设置
　　
　　如果你想用PC来进行环绕声播放，还需要有一些注意事项。如果你的PC之前被设置为双声道立体声，你需要到控制面板的“声音和音频设备”中去更改一下设置。
　　
　　 选择“音量”选项卡的“扬声器设置”中的“高级”按钮，然后在“扬声器设置”下拉列表中选择你的扬声器类型，如5.1或7.1环场扬声器。以上的cao作步骤是针对Windows XP的，不过对其他版本的Windows来说也基本类似。
　　
　　 对于双声道立体声来说，如果不小心接反了连接线也无关紧要，你肯定能听到正常的声音（只是左右声道反了而已）。而对于6声道的5.1环绕声来说，连接错误的概率显然要大了很多。
　　
　　 如果你使用的是普通的声卡，不同的端口往往会用不同的颜色和文字标识出来，这会让连接过程变得更简单一些，而那些专用的多声道声卡却只用数字标明了端口号，反而更容易让人迷惑。
　　
　　 更为复杂的是，这些专用的多声道声卡通常都允许控制软件改变输出端口的映射关系。由于Windowscao作系统限制端口映射必须成对改变，因此我们建议你不要轻易改变原来的缺省设置。
　　
　
　类似WinDVD这样的应用软件往往会提供一个环绕声测试模式。在环绕声测试模式下，软件会让一个声音依次从每个扬声器发出，从而让你了解是否正确连接
了每个扬声器。Windows Media
9的安装过程也会使用WM9格式的测试文件来测试环绕声，你可以到Microsoft公司的网站www.microsoft.com去下载。
　　

未来之路
　　
　
　声音再现技术在未来会有怎样的发展？目前几乎可以肯定的一点是，用来保存声音数据的介质容量肯定会越来越大，目前已经问世的蓝光DVD和HD-DVD已
经分别达到了27GB和15GB的容量。配合这样的高容量光盘，会有哪些新技术出现？会出现更多的声道和扬声器还是会运用更贴近人类听觉心理的声音处理技
术？抑或会出现扬声器阵列或者通过神经直接进行控制的界面？
　　
　　也许所有这些新技术都会问世，不过这些都似乎并不是问题的关键。因为
在实际的普通家庭环境下，似乎永远达不到能够完全发挥现有技术的条件。也许下一代声音技术应该能实时地对听音环境的情况进行分析，然后利用回声和共振来尽
可能达到理想的声场效果。这样的系统还应该能够感知听众的位置，并对声音平衡状况进行相应的优化。
　　
　　 迄今为止，电影工业一直是音频新技术的不懈推动力量。电影工业本身在过去的数十年中也经历了起起伏伏，如果电影工业本身处于低谷，那么音频技术的发展也会相对停滞不前。
　　
　　附录
　　
　　立体声的双重含义
　　
　　 通常意义上来说，“立体声”是指双声道（左、右各一个声道）的音频系统，但实际上这个词汇最初开始流行的时候，是指能够再现3D声音的多声道系统（一般应该在4声道以上，通常还应包括一个共用的低音声道）。
　　
　
　事实上，最早期的所谓立体声电影的声音系统就是指多声道系统或者环绕声系统。早期立体声电影的声音系统采用一种矩阵方式把四声道的声音数据编码为两个音
轨，在播放时再把其还原为四个声道。当3D音频逐渐在家庭中普及之后，出于成本和简便性的考虑，也就不再采用矩阵模式，而是演变成真正的双声道系统，这时
立体声就开始被用来表示双声道系统了。
　　
　　到了上个世纪80年代，四声道的家庭音响系统开始出现，它被称为“quadraphonic system”，它采用了前面提到的矩阵编码方式把四声道编码为两个声道然后录制在黑胶唱片上，但这一尝试被证明为在错误的时间运用了错误的技术。
　　
　　5.1中的LFE声道
　　
　
　通常人们认为LFE（low-frequency
effects）声道专门用于音乐录制和播放中的低频声音段。但实际上，这个声道是专为电影中某些特殊的低频声音设计的，比如地震或爆炸声。在影院系统
中，LFE声道会推动一个或一个以上的低音炮来制造这些特殊的声音效果。而其他5个声道的扬声器都能够再现一般的低音，比如人声或背景音乐中的低音部分。
　　
　
　出于对扬声器体积和成本方面的考虑，家庭影院播放系统的设计中会进行一些省略。它会把小体积的中高音扬声器用于5个声道，而这5个声道再共用一个单独的
低音扬声器。在音乐录制过程中其实很少用到LFE声道，而家庭影院系统的通用低音扬声器不仅能够处理电影中的LFE声道，还会同时处理来自其他5个声道的
低音部分。
　　
　　 关于如何处理环绕声系统中的低音部分，甚至产生了一个专有的名词，叫作“低音管理”（bass management）。