Page 69 - 《应用声学》2024年第1期

第 43 卷 第 1 期 张驰等： 多通路空间声的前方四扬声器局域 Ambisonics 信号馈给法
0 引言
为了适应高质量视频、声频重放的要求，目前
家用多通声正在从水平环绕声向空间环绕声发展，
由面向通路的系统结构向面向目标的系统结构发
展。空间环绕声增加了垂直方向的声音信息，改善
了空间感知效果。而面向目标的系统结构相当灵活，
可采用多种不同的扬声器布置和信号馈给进行重
放，适应于不同的实际应用。国际标准化委员会和
国际电工委员会 (ISO/IEC) 已经制定了面向目标
[1]
的空间声标准MPEG-H3D ，推荐了一些参考的扬
声器布置，如 9.1 通路、11.1 通路、22.2 通路布置，也
推荐了一些信号馈给法，如基于振幅矢量的信号馈
给法 (Vector base amplitude panning, VBAP)、全
局Ambisonics馈给法等。
多通路声的重放声场和感知效果是由扬声器
布置与信号馈给所决定的(对非消声室的重放环境，
还和听音室 (重放房间) 的声学特性有关，但本文略
去这问题)。因而多通路空间环绕声的扬声器布置
和信号馈给的设计取决于期望的重放声场和听觉
感知效果。目前的多通路空间环绕声主要是用于伴
随视频的重放，并且听觉的空间分辨率也是非均匀
的。因而大多数多通路空间环绕声 (包括国际标准
的推荐) 都采用了前方相对密集，侧向、后方和上方
相对稀疏的扬声器布置。特别是多通路空间环绕声
的重要目标之一是产生与视频配合的前方水平与
垂直方向的听觉定位效果，因而大多数的扬声器布
置 (如 9.1 通路布置) 包括了水平面 (或略低于水平
面) 的左前、右前，以及高仰角的左前上、右前上的
扬声器 [2] ，该4个扬声器布置在投影幕的周边。
为了在投影幕范围内产生不同的水平和垂直
方向的虚拟源，可以利用上述 4 个扬声器设计各种
的信号馈给法。分立 -对是最简单的信号馈给法
它将信号馈给一对相邻的扬声器，通过改变两扬
声器信号的相对幅度 (通路声级差) 而产生扬声器
之间的虚拟源，但不能产生 4 个扬声器所包围的中
间区域的虚拟源。VBAP 是分立 -信号馈给法的推
广 [4] 。它是根据目标虚拟源的方向，在 4 个扬声器
中选用其中的 3 个组成包围目标方向的球面三角
形，并采用矢量合成的法则得到扬声器信号的振幅。
VBAP 信号馈给相对简单，但不能同时精确产生合
成定位所需的双耳时间差 (Interaural time differ-
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ence, ITD) 及其随头部转动的动态变化因素 [3] 。只
有在扬声器之间的张角较小的情况下，VBAP 才能
近似产生适当的合成定位因素，在扬声器布置的范
围内得到较好的定位效果。
全局 Ambisonics 是另一种常用的信号馈给
法 [5−6] 。它采用声场空间谐波展开的方法 (在三
维空间就是球谐函数展开)，逐阶逼近目标重放声
场。全局 Ambisonics 的优点是可以根据需要，灵活
地选取合适的重放阶数与扬声器数量，其重放效果
和复杂性都随阶数而增加。根据 Shannon-Nyquest
空间采样理论 [3] ，空间全局 L 阶的 Ambisonics需要
(L + 1) 个独立信号通路，以及 M > (L + 1) 个扬
2
2
声器重放。全局 Ambisonics 对空间不同方向的声
音信号按等同的精度处理，因而更适合于空间均匀
的扬声器布置。当应用于空间非均匀的扬声器布置
时，很容易引起信号馈给的稳定性问题。
最近研究也提出了一种局域 Ambisonics 的信
号馈给法 [7] ，它也是采用声场空间谐波展开的方法，
但只将信号馈给目标虚拟源方向附近空间区域的
扬声器而不是所有扬声器重放。例如，利用布置在
前方中垂面的 3 个扬声器和局域 Ambisonics 的信
号馈给法即可产生扬声器之间的虚拟源。
当然，也可以采用头相关传输函数 (Head re-
lated transfer function, HRTF) 和虚拟听觉传输信
号处理的方法，利用上述 4 个扬声器布置产生前空
间范围的虚拟源 [8] 。但受其物理原理的限制，这种
方法的听音区域较窄，主要适用于多媒体计算机的
声音重放。
由于在相关的标准中，空间环绕声的信号馈给
是灵活和开放的。本文将研究一种利用上述前方四
扬声器产生投影幕范围内水平和垂直虚拟源的局
域Ambisonics信号馈给方法，以改善伴随视频的多
通路空间环绕声的重放效果。
[3] 。
1 四扬声器局域Ambisonics信号馈给
本文采用以头中心为坐标原点的逆时针坐标
系统。空间中的任意一点可用 (r, θ, ϕ) 表示，其
中，0 6 r < +∞ 表示到原点 (头中心) 的距离；
−180 < θ 6 180 和 −90 6 ϕ 6 90 分别表示方
◦
◦
◦
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位角和仰角。ϕ为−90 、0 、90 分别表示正下方、水
◦
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平面和正上方；在水平面 θ 为−90 、0 、90 、180 分
◦
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◦
别表示右方、前方、左方和后方。