專利名稱：環繞聲的實現方法及環繞聲碟片的制作方法
技術領域：
本發明涉及聲音的重放，特別是具有環繞聲效果的立體聲的重放。
傳統音響的雙聲道立體聲技術，只能再現前方左、右兩個音箱之間的二維聲場分布，無法營造使人產生臨場感和空間感的環繞聲，因此其音響效果與實際演出的現場效果相差甚遠。例如，當我們去音樂廳欣賞一場音樂會，除了能聽到來自前方舞臺上聲源的直達聲以外，還能聽到從四面八方傳來的環繞聲，比如由演出現場的墻壁、廳頂等阻礙建筑物產生的反射聲和混響聲。電影院、教堂和體育館等環境中也是如此。這就是說聽音環境都是被局限在某一特定的建筑空間當中，由于環境聲的加入，不僅使直達聲變得圓潤和豐滿，令人倍感音質親切，而且還使聆聽者產生被聲場包圍的感覺，感受到演出現場的宏大氣氛。而傳統音響的雙聲道立體聲技術卻無法做到這一點。
為了再現實際聲場的3D空間特性，使聆聽者產生親臨現場的感覺，同時還要與現有的雙聲道立體聲系統兼容，DOLBY(杜比)實驗室在70年代開發出了4-2-4編碼的DOLBY環繞聲技術，并于1987年首次用于電影《星球大戰》，其逼真的3D環繞聲音響效果促使這部科幻電影大獲成功。“DOLBY環繞聲”一時間成為家庭影院的“標準配置”，但是它在實際應用中還存在一些問題。
其一、必須依賴采用DOLBY編碼的音像制品。目前市場上所能見到的大多數節目源為普通雙聲道立體聲，DOLBY環繞聲系統無法從這些音源中解出3D環繞立體聲場；其二、DOLBY環繞聲系統只能采用多通道重放系統來再現各個聲道的信號，并利用擺放在聆聽者四周的多只音箱來笨拙地模擬實際聲場，讓人覺得聲音明顯地來自五只音箱，給人以聲場平面化的感覺；其三、DOLBY環繞聲系統對室內環境的聲學特性和音箱擺放位置的要求較高；其四、DOLBY環繞聲系統需要復雜的DOLBY環繞解碼系統及相應的多路功放和多只音箱，因而在系統調試方面比較復雜；其五、DOLBY環繞聲的最佳位置聆聽范圍較小，最佳位置僅容一個人聆聽，這就是音響界常說的皇帝位置。
90年代以來，隨著家庭影院的迅猛發展，出現了多種利用雙聲道立體聲系統重現聲場的三維空間特性的全新音響技術3D立體聲技術。3D立體聲僅用兩只音箱就能真正表現出實際3D聲場的空間寬度、深度、層次及臨場感，較之傳統的HI-Fi音響系統和多聲道DOLBY家庭影院具有更強的藝術感染力。
各種各樣的3D技術不僅用于HI-FI音響，而且在多媒體電腦中得到了廣泛有應用，著名電腦公司AST在1994年2月就給多媒體電腦增加3D環繞立體聲，Apple公司和NEC公司在其多媒體電腦中也采用了3D技術。為了使多媒體電腦具有環繞立體聲功能，眾多的計算機廠商紛紛在聲卡、MPEG解壓卡或多媒體有源音箱上增加3D功能。為了充分利用廣大計算機用戶已有的聲卡、MPEG解壓卡和有源音箱，美國Nicole(麗歌)公司向國內市場推出了一種外置式3D環繞聲處理器。用戶只需將普通聲卡的音頻輸出接到3D環繞聲處理器的輸入端，再將3D處理器的輸出接到有源音箱的輸入，就可給多媒體電腦增加3D功能。用戶無論是聽音樂、看電影或是玩游戲，都可感受到空間感很強的3D環繞聲。這種外置式3D環繞聲處理器用于HI-FI音響也能起到同樣的效果。
美國《Home Theater(家庭影院)》雜志在1995年4月曾經報道了專業人員對幾種3D系統和Dolby Pro-Logic系統進行比較試聽的結果。試聽時使用了完全相同的兩個主音箱，并利用開關對兩個系統進行切換。試聽結果表明，3D環繞聲與Dolby環繞聲的區別不大，3D環繞聲僅用兩只音箱，其聲源充滿了整個空間；而Dolby環繞聲的聲音來自五只音箱，給人以聲場院平面化的感覺。
Spatializer音頻實驗室于96年年底開發出了虛擬Dolby環繞聲技術，虛擬Dolby環繞聲是一種利用兩只音箱來重現多通道環繞聲的全新3D立體聲技術。虛擬Dolby環繞聲根據Dolby Pro-logic或DolbyAC-3解碼器提供的空間方向信息，利用雙耳效應和耳庭效應原理精確計算在兩耳處產生的合成聲波狀態(時間差ITD、強度差IID和頻譜變化)，在重放時只用兩只音箱就能實現以往用五只音箱才能獲得的、并且符合Dolby認證的環繞立體聲音響效果。
ChromsticResearch公司在96年11月舉行的COMDEX展覽會上，演示了采用TruSurround技術的多媒體電腦。Mpact media處理器首先對DVD-ROM輸出數字音頻信號進行AC-3解碼，將6個聲道音頻信號分離出來。Trusurround算法根據HRTF和6聲道音頻信號提供的空間信息，實時計算出一個包含有原始AC-3的全部6聲道聲音信息的雙聲道信號。用該信號驅動兩只音箱，就可精確再現DolbyAC-3的全部6聲道聲音，由于避免了多只音箱的室內反射聲和混響聲干擾，TrSuurround能夠營造6只音箱也望塵莫及的3D空間聲場。
在COMDEX 96展覽會上，美國的CompCore多媒體公司推出了一處基于Intel MMX的MREG-2和AC-3解碼軟件SoftDVD。在MMX電腦上，只需運行SortDVD軟解壓程序，就可欣賞DVD的高畫質畫面和DolbyAC-3環繞聲。SoftDVD軟件采用了Spatializer音頻實驗室的N-2-2算法，使用兩只音箱就可播放DolbyAC-3的全部6聲道聲音。
以上幾種環繞聲技術各說各是，各有千秋，至今還沒有一個明確的標準，由此可見3D立體聲技術的定義并不十分嚴格，它包括了從簡單的立體聲擴展電路到以DSP為基礎的虛擬杜比(DOLBY VIRTUAL)系統。3D立體聲技術的基本原理是根據人類聽覺系統的聲音傳遞函數HRTF對雙聲道立體聲信號進行處理，然后再通過雙聲道立體聲系統來重現3D聲場的聲學和空間特性，使人產生被聲場院包圍的強烈感覺。自八十年代以來，已相繼出現了許多3D立體聲技術，如SRS,Qsound,Spatiaizer,Holphonics,Sensaura和虛擬Dolby環繞聲等，現在這些技術在多媒體計算機和音響領域均獲得了廣泛的應用，有些已作為基礎理論編在教科書內。
以國內來看，家庭影院已成為現代消費的一種時尚，也是目前一大消費型家電。家庭影院的音響系統目前大多數是杜比Dolby Pro-logic解碼多聲道環繞系統即在聽者周圍擺放前置、中置、后置和超重低音五、六個音箱來模擬實際聲場。這樣的多聲道由于前面所述的原因，目前還難以進入尋常百姓的家門。
3D立體聲技術揭開了家庭影院新的一頁。由于播放時只有兩個聲道，減少了笨重音箱的數量，它很可能成為新一代家庭影院音響的主流。但是，由于它需要多聲道的節目源(碟片，或稱光盤)，而且需要增加環繞聲解碼器，它的普及化也并非易事。
本發明的目的就是為了解決以上問題，提供一種環繞聲的實現方法及環繞聲碟片，使消費者在普通音響設備上，利用低成本的碟片即可欣賞到環繞聲效果。
本發明實現上述目的的方案是一種環繞聲的實現方法，利用具有兩個立體聲聲道R、L的碟片，其特征是用周圍環境音信號對每個聲道R、L上的主信號進行修正，使每個聲道R、L上的總信號成為直接包含環境音的信號，然后制作在碟片上。
本發明的方案還包括一種環繞聲碟片，包括兩個立體聲聲道R、L，其特征是每個聲道R、L上的總信號是直接包含環境音修正的信號。
由于采用了以上的方案，用周圍環境音信號對每個聲道R、L上的主信號進行修正，使每個聲道R、L上的總信號成為直接包含環境音的信號，即使用普通雙聲道放音裝置播放就可以將環境音信號復現，從而達到環繞聲效果。現有技術中形形色色的3D立體聲技術能用兩個聲道播放出環繞聲效果的事實說明，用兩個聲道來存儲環繞聲信息也是完全可以的。現在之所以用多個聲道來存儲信息，然后又用特殊的環繞聲解碼器將其還改為兩聲道播出，完全是由于受到現有技術的束縛及產業鏈的限制而造成的。本發明突破舊有框架，變復雜為簡單，是一種獨樹一幟的新一代3D立體聲技術。同時，這種環繞聲碟片的制作成本幾乎不增加，從而不必增加售價，使消費者容易獲得充足的片源。
下面通過具體的實施例對本發明作進一步詳細的描述。
以下各例中的環繞聲實現方法，都是利用具有兩個立體聲聲道R、L的碟片，分別用不同的方法，用周圍環境音信號對每個聲道R、L上的主信號進行修正，使每個聲道R、L上的總信號成為直接包含環境音的信號，然后制作在碟片上。
實施例一用具有耳廓形狀的麥克風進行原聲制作，從而使錄得的兩個立體聲聲道R、L上的聲音信號中包含了環境音的修正。具體做法可以是在錄音時采用兩只人耳模型麥克風，結合一般的雙聲道擴展技術，再通過MPEG1、MPEG2或MP3等壓縮技術壓制成環繞光碟碟片就是環繞VCD/DVD碟片，不經過壓縮直接壓制的可以做成CD/LD環繞碟片。
本實施例的提出是基于如下發現當聲音從前方來時，耳庭將很多頻率元素從耳道中反射了出去，而側面來的聲音的反射與之不同，這樣側面聲音的強度和到達時間與前部不同，于是耳朵就將這些信息傳到大腦。由耳庭傳播的這些空間信息被稱為與腦相關的傳播功能。由于它們取決于聲音的音量和方向，所以從耳庭和耳道中反射出的聲波傳播一直在改變之中。之所以它們一直在改變是由于它們捕捉到的聲音一直在改變。這個傳播的信息提供給你的大腦所必須的詳細細節，使你知道你正在聽什么以及你從什么方向聽到它。可以作一個有趣的試驗。當你在前額處摩擦手指，然后慢慢地把手指移向頭的一側，使手指與前額和耳朵等距離，你會注意到有一些音量升高，其中、高頻更強一些。在此試驗中，摩擦手指等同于產生一個穩定的音量和頻率的聲源，你的耳朵對相同的音源的聽覺以及對大腦的指示是不同的。這取決于聲音來自前方還是側面。從側面來的聲音比較響，音頻也較高，這是由于耳庭-耳朵外部的肉質部分造成的。這一發現可以稱為“耳庭效應”。
由此可見，普通雙聲道立體聲系統不能營造3D立體聲音場的根本原因并不是由于只使用了兩個通道或兩只音箱，而是因為錄音時使用的麥克風沒有類似于人類的耳庭特性，所以通過麥克風錄音時對側面來的聲音頻率總是作出錯誤的“解釋”，無論你用多少個麥克風也無濟于事。只能以同一頻率響應將所有空間方向的聲音信號記錄下。這樣一來，原始的環境聲和動感效果就會被掩蓋甚至衰失。由于錄音信號中沒有大腦識別聲音方向時所需要的頻譜信息，因此在重放時不可能使人產生三維空間感。本實施例中的方法考慮到耳庭效應，能夠恢復直接和非直接聲波的正確頻率及百分比，使聆聽者聽到的臨場感、空間感效果與原始演奏效果會更接近。
實施例二用現有的3D立體聲系統輸出端產生的兩個聲道R、L上的聲音信號，數字量化后直接制作在碟片上。即把采用諸如SRS系統或者其它3D立體聲技術播放出的雙聲道環繞聲，收回重新進行數字量化，直接或采用壓縮技術再壓縮成CD/LD/MD/VCD/SVCD/DVD/光碟，這樣就制作成了環繞聲光碟碟片。
本實施例實際上是對現有3D立體聲技術的重新整合。在現有3D立體聲體系中，普通用戶需要配備環繞聲解碼設備和多聲道碟片，而本實施例則只需節目制作商(軟件商)配備這些設施，在節目制作時，將現有3D立體聲系統放出的具有環繞聲信號修正的雙路聲音信號收回，制作到普通的雙聲道的碟片上，這樣，普通用戶用常規的立體聲放音設備即可實現環繞聲效果。這種方法制作的碟片幾乎不增加成本，也未改變其兼容性，卻使廣大用戶節省了環繞聲解碼器這樣一個硬件設備。
實施例三預先分別將節目信號制作成主信號，將環繞聲聲制作成環境音信號，然后將二者疊加，制作在碟片上。
節目制作商在錄制節目時也許傾向于將主信號和環境音信號分別錄制，但最終的效果是一樣的，即每個聲道R、L上的總信號是經過環境音修正的信號。
實施例四將含有環境音的兩個聲道R、L信號進行如下編碼將R和L相加產生和信號R+L，相減產生兩個差分信號R-L和L-R；播放時再將其還原成兩個聲道R、L信號。
上述各例中的環繞聲碟片，都包括兩個立體聲聲道R、L，每個聲道R、L上的總信號是直接包含環境音修正的信號。
使用本發明所公開的方法以及本發明所述的碟片，可以做到不用任何環繞聲處理器就能同樣實現相同質量的環繞聲場，它對于今后家庭影院等的音響系統的影響是不可估量的。另外，也可以應用該碟在省市廣播電視臺、縣鄉廣播站、群眾錄像廳，不用添加任何設備，使無線電廣播和一切播放雙聲道聲音的設備立即升級為3D環繞立體聲。
除光碟碟片外，本發明還可以擴展至其他聲音載體，如磁碟、磁帶等，都應屬于本發明所要求保護的范圍。
權利要求
1．一種環繞聲的實現方法，利用具有兩個立體聲聲道R、L的碟片，其特征是用周圍環境音信號對每個聲道R、L上的主信號進行修正，使每個聲道R、L上的總信號成為直接包含環境音的信號，然后制作在碟片上。
2．如權利要求1所述的方法，其特征是用具有耳廓形狀的麥克風進行原聲制作，從而使錄得的兩個立體聲聲道R、L上的聲音信號中包含了環境音的修正。
3．如權利要求1所述的方法，其特征是用現有的3D立體聲系統輸出端產生的兩個聲道R、L上的聲音信號，數字量化后直接制作在碟片上。
4．如權利要求1所述的方法，其特征是預先分別將節目信號制作成主信號，將環繞聲制作成環境音信號，然后將二者疊加，制作在碟片上。
5．如權利要求1或2或3所述的方法，其特征是將含有環境音的兩個聲道R、L信號進行如下編碼將R和L相加產生和信號R+L，相減產生兩個差分信號R-L和L-R；播放時再將其還原成兩個聲道R、L信號。
6．一種環繞聲碟片，包括兩個立體聲聲道R、L，其特征是每個聲道R、L上的總信號是直接包含環境音修正的信號。
全文摘要
本發明公開一種環繞聲的實現方法及一種環繞聲碟片。所述方法是:用周圍環境音信號對每個聲道R、L上的主信號進行修正,使每個聲道R、L上的總信號成為直接包含環境音的信號,然后制作在碟片上。所述環繞聲碟片包括兩個立體聲聲道R、L,其中每個聲道R、L上的總信號是直接包含環境音修正的信號。本發明使雙聲道碟片上節目中聲音信號直接包含環繞聲,從而可在普通的立體聲播放機上實現環繞聲。
文檔編號H04S1/00GK1234718SQ9910422
公開日1999年11月10日 申請日期1999年3月19日 優先權日1999年3月19日
發明者孟超, 彭麗玲 申請人:孟超, 彭麗玲