为了更好地了解最新的多声道环绕声处理技术,有必要知道环绕声的发展历程。最早出现的多声道环绕声重放理念,来自1933年美国贝尔实验室工程师在进行音乐会实况现场传送过程中所提出的三声道立体声系统,他们发现利用前方左、中、右三声道扬声器能够重现接近于无数声道前方扬声器的声场效果。随后,华特•迪斯尼曾尝试在古典音乐动画电影《幻想曲》中加入环绕声的元素,尽管没能成功,却发明了类似于目前5声道环绕声系统的录制模式,后期更研发出多轨录音法、声像定位法与多轨叠录法,并在将环绕声带入剧场时带来了环绕扬声器列阵,这正是环绕声诞生的标志。

多轨与多声道是完全不同的两种概念。多声道是指声音系统中有多于两个扬声器通路的结构,而多轨则是指录音系统中具备很多条声轨,多条声轨可以输出多声道,也可以为单声道。

Cinerama立体声宽银幕电影

20th Century Fox早期推出的Cinemascope立体声宽银幕电影

在20世纪50年代,一种名为Cinerama的立体声宽银幕电影开始出现,并开发出7声道的音频系统,7个声道主要由银幕前方的5个声道(当中包括前置声道和左右两个环绕声道)与2个环绕声道。非常特别的一点,就是放映员在放映过程中能对两个环绕声轨进行实时分配切换,使它在不同的环绕声道中转换。随后,20th Century Fox带来了发行范围更广的Cinemascope立体声宽银幕电影,它的特别之处是所使用的35mm发行拷贝的边缘涂上了4轨录音磁条。Cinemascope电影拥有四声道的环绕声系统,包括前方的3个前置声道和1个环绕声道。1955年,迈克尔•托德父子与美国光学公司共同开发了Todd AO格式的宽银幕摄影技术,采用两倍宽度即70mm宽度的胶片。该系统由6个声道组成,包括5个前方声道和1个环绕声道。

胶片电影的制造过程基本上包括拍摄负片、翻正片、剪辑到翻底片,最后印制正片,也就是术语中的电影拷贝。电影拷贝即指电影放映时用到的胶片。

值得一提的是,随后由于电影录制成本较高抑制了电影多声道的发展,从20世纪50年代中期到70年代中期,两声道立体声作为影院环绕声的简化方式进入了家庭。同时这一阶段也出现了四方声,但是由于这种正方形排列的扬声器组合在心理声学方面过于复杂,简单地说就是四方声并非简单的4组立体声系统,对于声源的定位是综合多种因素共同完成的,导致不少谬论的出现,并最终让四方声退出了历史的舞台。但是四方声在某个程度上也带动了电影多声道环绕声的发展。1977年,杜比实验室在四方声振幅相位矩阵编解码系统(Peter Scheiber振幅相位系统)的基础上开发出Dolby Stereo杜比立体声多声道环绕系统,将压扩降噪系统和4︰2︰4矩阵编解码系统相结合,获得了更宽的动态与频响范围。简单来说,就是将4个声道的信息通过矩阵编码方式保存在两条音轨上,但后方单一声道是由两路后置环绕声共同播放。

《星球大战》电影的出现使得多声道环绕声系统进一步向5.1与7.1声道发展

著名电影《星球大战》(Star Wars)就应用了这一电影多声道环绕声系统,并且在发行其70mm拷贝的时候制片人与杜比相关的工作人员开始意识到,当时许多电影院中的环绕声音响系统的低频峰值储备无法体现出影片中关于太空战争的能量感。为此,他们对原来6声道Todd AO格式的70mm电影拷贝的声轨进行了重新安排,使用了3个前置声道,1个环绕声声道与一个“Baby Boom”声道。“Baby Boom”声道的加入无疑是环绕声多声道技术的重要之举,它其实是一个仅包含低频信号的声道,采用了独立的电平调节,让它可以拥有比其他声道更高的能量储备。之后的几年,单一的环绕声声道开始分离成两个环绕声声道,后面发行的为数不多的70mm拷贝均是采用3个前方声道、2个环绕声道与1个低频声道的格式。

增加独立的低频声道是非常重要的,因为人的听觉在聆听低频声音的时候需要获得更多的能量才能得到与中频信号相同的响度。这个0.1声道实际上是一个低频峰值储备的声道,可以通过一只或多只超低音音箱来反映。而新一代环绕声处理技术则大幅度提升了低频峰值储备能力,并将其称之为0.2声道,让用户可以使用更多的超低音音箱,以改善低频驻波的问题,获得更佳的频响曲线

1987年,SMPTE电影电视工程师协会的一个小组委员会制定了分离式5.1声道数字音频系统,推荐采样率为48kHz、量化精度为18bit的LPCM编码的5.1声道信号,引导了随后多年的电影多声道环绕声的发展。不过由于当时的载体,包括电影拷贝与CD光盘都没有足够的空间来储存这种LPCM信号,于是就陆续出现了3个主流的多声道编码系统,分别是Dolby Digital杜比数字系统、DTS数字影院系统和SDDS索尼动态数字声系统。这三种系统都采用了各自的方式来降低比特率编码以减低对储存空间的要求。而这些降低比特率的多声道编码器的出现加速了电影数字声的发展,经过众多测试后,确定了杜比新一代AC-3编码方式为主流,而杜比则继续用杜比数字来表示这种技术。

杜比数字系统采用5.1声道的规格,DTS系统最高可以支持8声道,而SDDS系统则可以支持7.1声道的规格(中置声道分为中左与中右两个声道)

杜比环绕EX影院系统

在20世纪90年代,5.1分离声道的低码率编码环绕声数字音频已成为绝大部分电影院所采用的规格,在1999年,伴随着《星球大战》系列影片的上映,杜比环绕EX系统出现了,将两个环绕声道分为左、后、右3个环绕声道。而DTS也同时推出了类似的6.1分离声道的DTS ES系统。

如今,电影开始进入数字影院时代,多声道音频信号存储在服务器上,拥有更多的空间来储存更高品质的多声道音频信号。2010年的数字影院音频标准就要求采用48kHz采样,或最高96kHz采样,24bit LPCM编码,最大16个通道。2011年10月,Barco带来了11.1声道的Auro 11.1多声道环绕声电影音频规格。2012年4月,杜比实验室推出了杜比全景声Dolby Atmos,进一步推动多声道的发展。

为了让大家更好地理解电影中的多声道技术,这里我们先简单介绍电影制作过程中与录音相关的技术。电影录音主要包括3个部分,分别是同期录音、前期录音与后期录音。同期录音主要是在电影拍摄的同时将声音记录下来。这部分的声音多是对白与某些环境声效。前期录音是指某些声音要事先记录下来,然后在拍摄画面时播放出来,以配合演员的表演。后期录音则是在画面完成后再加上去的声音信息。无论是哪一种录音,到了最后都需要影录音师将其与电影混合在一起,并进行多声道的处理,形成最终的电影声效。

需要注意的是,在三种录音之中,同期录音是最为重要的部分,当其拥有极高质量的时候,就能减低后期混音的工作压力,并提高整个电影声效的质量。但是如果想要在电影制作中使用5.1方式进行现场录音是具有相当大难度的。由于只有5.1的话筒与摄像机始终保持在同一位置和视角上,声音的空间位置感才能与画面所匹配。换句话来说,当一个镜头要用到不同的机位拍摄时,就要使用3台以上的摄像机同时拍摄,而每个摄像机都有自己的视角,就需要为它们都配上5.1的话筒进行录音,以保持空间方向性的一致。可是,由于过于接近摄像机,会不经意地将摄像机发出的噪声以及工作人员的声音录下而影响到最终的效果,因此这在电影制作中是非常困难的。当然,如果你用多台固定机位的摄像机拍摄音乐会实况或舞台剧等,利用5.1现场录音将会取得非常不错的效果。这已经在国内外的不少电视节目的录音中出现,相信不少的影音爱好者已经感受到5.1声道环绕声所带来的生动声效。

而在家用领域,现在已经进入了蓝光光盘的时代,多声道音频方面主要是采用最高7.1声道的LPCM与Dolby TrueHD、DTS-HD Master Audio高清无损压缩音频。Dolby TrueHD属于一种多声道无损音频压缩技术,最高支持7.1声道24bit/96kHz或5.1声道24bit/192kHz的音频信号,传输音频码流最高可达到18Mbps,支持对白归一化(dialnorm)与动态音域控制(Dynamic range control)。DTS-HD Master Audio同样也是多声道无损音频压缩技术,传输音频码流最高可达到27Mbps,最高支持7.1声道24bit/96kHz或5.1声道24bit/192kHz的音频信号,向下兼容DTS Digital Surround音频解码。此后,为了增强家庭影院中的环绕声效果,杜比实验室在2009年推出了9.1声道的Dolby Pro Logic Ⅱz音频处理技术,而Audyssey实验室则在同期带来最高支持11.1声道的Audyssey DSX技术,以及DTS带来同样支持11.1声道扩展的Neo:X技术。

SRS实验室推出的MDA多维音频技术规范1.0,推进了多声道混音技术的发展

Fraunhofer Institute研究的Losono波场合成系统通过200个扬声器来重现声场

目前世界各地都有不同的机构加入到多声道环绕声的研发之中,当中包括SRS实验室在2012年的CES展会推出的MDA多维音频技术规范1.0,日本放送协会NHK所研究并推广的22.2声道系统,以及欧洲弗劳恩霍夫学院Fraunhofer Institute研究的Losono波场合成系统,通过200个扬声器来重现声场。这些均代表着未来多声道环绕声技术发展的重要方向。