专利名称：环绕声的实现方法及环绕声碟片的制作方法
技术领域：
本发明涉及声音的重放，特别是具有环绕声效果的立体声的重放。
传统音响的双声道立体声技术，只能再现前方左、右两个音箱之间的二维声场分布，无法营造使人产生临场感和空间感的环绕声，因此其音响效果与实际演出的现场效果相差甚远。例如，当我们去音乐厅欣赏一场音乐会，除了能听到来自前方舞台上声源的直达声以外，还能听到从四面八方传来的环绕声，比如由演出现场的墙壁、厅顶等阻碍建筑物产生的反射声和混响声。电影院、教堂和体育馆等环境中也是如此。这就是说听音环境都是被局限在某一特定的建筑空间当中，由于环境声的加入，不仅使直达声变得圆润和丰满，令人倍感音质亲切，而且还使聆听者产生被声场包围的感觉，感受到演出现场的宏大气氛。而传统音响的双声道立体声技术却无法做到这一点。
为了再现实际声场的3D空间特性，使聆听者产生亲临现场的感觉，同时还要与现有的双声道立体声系统兼容，DOLBY(杜比)实验室在70年代开发出了4-2-4编码的DOLBY环绕声技术，并于1987年首次用于电影《星球大战》，其逼真的3D环绕声音响效果促使这部科幻电影大获成功。“DOLBY环绕声”一时间成为家庭影院的“标准配置”，但是它在实际应用中还存在一些问题。
其一、必须依赖采用DOLBY编码的音像制品。目前市场上所能见到的大多数节目源为普通双声道立体声，DOLBY环绕声系统无法从这些音源中解出3D环绕立体声场；其二、DOLBY环绕声系统只能采用多通道重放系统来再现各个声道的信号，并利用摆放在聆听者四周的多只音箱来笨拙地模拟实际声场，让人觉得声音明显地来自五只音箱，给人以声场平面化的感觉；其三、DOLBY环绕声系统对室内环境的声学特性和音箱摆放位置的要求较高；其四、DOLBY环绕声系统需要复杂的DOLBY环绕解码系统及相应的多路功放和多只音箱，因而在系统调试方面比较复杂；其五、DOLBY环绕声的最佳位置聆听范围较小，最佳位置仅容一个人聆听，这就是音响界常说的皇帝位置。
90年代以来，随着家庭影院的迅猛发展，出现了多种利用双声道立体声系统重现声场的三维空间特性的全新音响技术3D立体声技术。3D立体声仅用两只音箱就能真正表现出实际3D声场的空间宽度、深度、层次及临场感，较之传统的HI-Fi音响系统和多声道DOLBY家庭影院具有更强的艺术感染力。
各种各样的3D技术不仅用于HI-FI音响，而且在多媒体电脑中得到了广泛有应用，著名电脑公司AST在1994年2月就给多媒体电脑增加3D环绕立体声，Apple公司和NEC公司在其多媒体电脑中也采用了3D技术。为了使多媒体电脑具有环绕立体声功能，众多的计算机厂商纷纷在声卡、MPEG解压卡或多媒体有源音箱上增加3D功能。为了充分利用广大计算机用户已有的声卡、MPEG解压卡和有源音箱，美国Nicole(丽歌)公司向国内市场推出了一种外置式3D环绕声处理器。用户只需将普通声卡的音频输出接到3D环绕声处理器的输入端，再将3D处理器的输出接到有源音箱的输入，就可给多媒体电脑增加3D功能。用户无论是听音乐、看电影或是玩游戏，都可感受到空间感很强的3D环绕声。这种外置式3D环绕声处理器用于HI-FI音响也能起到同样的效果。
美国《Home Theater(家庭影院)》杂志在1995年4月曾经报道了专业人员对几种3D系统和Dolby Pro-Logic系统进行比较试听的结果。试听时使用了完全相同的两个主音箱，并利用开关对两个系统进行切换。试听结果表明，3D环绕声与Dolby环绕声的区别不大，3D环绕声仅用两只音箱，其声源充满了整个空间；而Dolby环绕声的声音来自五只音箱，给人以声场院平面化的感觉。
Spatializer音频实验室于96年年底开发出了虚拟Dolby环绕声技术，虚拟Dolby环绕声是一种利用两只音箱来重现多通道环绕声的全新3D立体声技术。虚拟Dolby环绕声根据Dolby Pro-logic或DolbyAC-3解码器提供的空间方向信息，利用双耳效应和耳庭效应原理精确计算在两耳处产生的合成声波状态(时间差ITD、强度差IID和频谱变化)，在重放时只用两只音箱就能实现以往用五只音箱才能获得的、并且符合Dolby认证的环绕立体声音响效果。
ChromsticResearch公司在96年11月举行的COMDEX展览会上，演示了采用TruSurround技术的多媒体电脑。Mpact media处理器首先对DVD-ROM输出数字音频信号进行AC-3解码，将6个声道音频信号分离出来。Trusurround算法根据HRTF和6声道音频信号提供的空间信息，实时计算出一个包含有原始AC-3的全部6声道声音信息的双声道信号。用该信号驱动两只音箱，就可精确再现DolbyAC-3的全部6声道声音，由于避免了多只音箱的室内反射声和混响声干扰，TrSuurround能够营造6只音箱也望尘莫及的3D空间声场。
在COMDEX 96展览会上，美国的CompCore多媒体公司推出了一处基于Intel MMX的MREG-2和AC-3解码软件SoftDVD。在MMX电脑上，只需运行SortDVD软解压程序，就可欣赏DVD的高画质画面和DolbyAC-3环绕声。SoftDVD软件采用了Spatializer音频实验室的N-2-2算法，使用两只音箱就可播放DolbyAC-3的全部6声道声音。
以上几种环绕声技术各说各是，各有千秋，至今还没有一个明确的标准，由此可见3D立体声技术的定义并不十分严格，它包括了从简单的立体声扩展电路到以DSP为基础的虚拟杜比(DOLBY VIRTUAL)系统。3D立体声技术的基本原理是根据人类听觉系统的声音传递函数HRTF对双声道立体声信号进行处理，然后再通过双声道立体声系统来重现3D声场的声学和空间特性，使人产生被声场院包围的强烈感觉。自八十年代以来，已相继出现了许多3D立体声技术，如SRS,Qsound,Spatiaizer,Holphonics,Sensaura和虚拟Dolby环绕声等，现在这些技术在多媒体计算机和音响领域均获得了广泛的应用，有些已作为基础理论编在教科书内。
以国内来看，家庭影院已成为现代消费的一种时尚，也是目前一大消费型家电。家庭影院的音响系统目前大多数是杜比Dolby Pro-logic解码多声道环绕系统即在听者周围摆放前置、中置、后置和超重低音五、六个音箱来模拟实际声场。这样的多声道由于前面所述的原因，目前还难以进入寻常百姓的家门。
3D立体声技术揭开了家庭影院新的一页。由于播放时只有两个声道，减少了笨重音箱的数量，它很可能成为新一代家庭影院音响的主流。但是，由于它需要多声道的节目源(碟片，或称光盘)，而且需要增加环绕声解码器，它的普及化也并非易事。
本发明的目的就是为了解决以上问题，提供一种环绕声的实现方法及环绕声碟片，使消费者在普通音响设备上，利用低成本的碟片即可欣赏到环绕声效果。
本发明实现上述目的的方案是一种环绕声的实现方法，利用具有两个立体声声道R、L的碟片，其特征是用周围环境音信号对每个声道R、L上的主信号进行修正，使每个声道R、L上的总信号成为直接包含环境音的信号，然后制作在碟片上。
本发明的方案还包括一种环绕声碟片，包括两个立体声声道R、L，其特征是每个声道R、L上的总信号是直接包含环境音修正的信号。
由于采用了以上的方案，用周围环境音信号对每个声道R、L上的主信号进行修正，使每个声道R、L上的总信号成为直接包含环境音的信号，即使用普通双声道放音装置播放就可以将环境音信号复现，从而达到环绕声效果。现有技术中形形色色的3D立体声技术能用两个声道播放出环绕声效果的事实说明，用两个声道来存储环绕声信息也是完全可以的。现在之所以用多个声道来存储信息，然后又用特殊的环绕声解码器将其还改为两声道播出，完全是由于受到现有技术的束缚及产业链的限制而造成的。本发明突破旧有框架，变复杂为简单，是一种独树一帜的新一代3D立体声技术。同时，这种环绕声碟片的制作成本几乎不增加，从而不必增加售价，使消费者容易获得充足的片源。
下面通过具体的实施例对本发明作进一步详细的描述。
以下各例中的环绕声实现方法，都是利用具有两个立体声声道R、L的碟片，分别用不同的方法，用周围环境音信号对每个声道R、L上的主信号进行修正，使每个声道R、L上的总信号成为直接包含环境音的信号，然后制作在碟片上。
实施例一用具有耳廓形状的麦克风进行原声制作，从而使录得的两个立体声声道R、L上的声音信号中包含了环境音的修正。具体做法可以是在录音时采用两只人耳模型麦克风，结合一般的双声道扩展技术，再通过MPEG1、MPEG2或MP3等压缩技术压制成环绕光碟碟片就是环绕VCD/DVD碟片，不经过压缩直接压制的可以做成CD/LD环绕碟片。
本实施例的提出是基于如下发现当声音从前方来时，耳庭将很多频率元素从耳道中反射了出去，而侧面来的声音的反射与之不同，这样侧面声音的强度和到达时间与前部不同，于是耳朵就将这些信息传到大脑。由耳庭传播的这些空间信息被称为与脑相关的传播功能。由于它们取决于声音的音量和方向，所以从耳庭和耳道中反射出的声波传播一直在改变之中。之所以它们一直在改变是由于它们捕捉到的声音一直在改变。这个传播的信息提供给你的大脑所必须的详细细节，使你知道你正在听什么以及你从什么方向听到它。可以作一个有趣的试验。当你在前额处摩擦手指，然后慢慢地把手指移向头的一侧，使手指与前额和耳朵等距离，你会注意到有一些音量升高，其中、高频更强一些。在此试验中，摩擦手指等同于产生一个稳定的音量和频率的声源，你的耳朵对相同的音源的听觉以及对大脑的指示是不同的。这取决于声音来自前方还是侧面。从侧面来的声音比较响，音频也较高，这是由于耳庭-耳朵外部的肉质部分造成的。这一发现可以称为“耳庭效应”。
由此可见，普通双声道立体声系统不能营造3D立体声音场的根本原因并不是由于只使用了两个通道或两只音箱，而是因为录音时使用的麦克风没有类似于人类的耳庭特性，所以通过麦克风录音时对侧面来的声音频率总是作出错误的“解释”，无论你用多少个麦克风也无济于事。只能以同一频率响应将所有空间方向的声音信号记录下。这样一来，原始的环境声和动感效果就会被掩盖甚至衰失。由于录音信号中没有大脑识别声音方向时所需要的频谱信息，因此在重放时不可能使人产生三维空间感。本实施例中的方法考虑到耳庭效应，能够恢复直接和非直接声波的正确频率及百分比，使聆听者听到的临场感、空间感效果与原始演奏效果会更接近。
实施例二用现有的3D立体声系统输出端产生的两个声道R、L上的声音信号，数字量化后直接制作在碟片上。即把采用诸如SRS系统或者其它3D立体声技术播放出的双声道环绕声，收回重新进行数字量化，直接或采用压缩技术再压缩成CD/LD/MD/VCD/SVCD/DVD/光碟，这样就制作成了环绕声光碟碟片。
本实施例实际上是对现有3D立体声技术的重新整合。在现有3D立体声体系中，普通用户需要配备环绕声解码设备和多声道碟片，而本实施例则只需节目制作商(软件商)配备这些设施，在节目制作时，将现有3D立体声系统放出的具有环绕声信号修正的双路声音信号收回，制作到普通的双声道的碟片上，这样，普通用户用常规的立体声放音设备即可实现环绕声效果。这种方法制作的碟片几乎不增加成本，也未改变其兼容性，却使广大用户节省了环绕声解码器这样一个硬件设备。
实施例三预先分别将节目信号制作成主信号，将环绕声声制作成环境音信号，然后将二者叠加，制作在碟片上。
节目制作商在录制节目时也许倾向于将主信号和环境音信号分别录制，但最终的效果是一样的，即每个声道R、L上的总信号是经过环境音修正的信号。
实施例四将含有环境音的两个声道R、L信号进行如下编码将R和L相加产生和信号R+L，相减产生两个差分信号R-L和L-R；播放时再将其还原成两个声道R、L信号。
上述各例中的环绕声碟片，都包括两个立体声声道R、L，每个声道R、L上的总信号是直接包含环境音修正的信号。
使用本发明所公开的方法以及本发明所述的碟片，可以做到不用任何环绕声处理器就能同样实现相同质量的环绕声场，它对于今后家庭影院等的音响系统的影响是不可估量的。另外，也可以应用该碟在省市广播电视台、县乡广播站、群众录像厅，不用添加任何设备，使无线电广播和一切播放双声道声音的设备立即升级为3D环绕立体声。
除光碟碟片外，本发明还可以扩展至其他声音载体，如磁碟、磁带等，都应属于本发明所要求保护的范围。
权利要求
1．一种环绕声的实现方法，利用具有两个立体声声道R、L的碟片，其特征是用周围环境音信号对每个声道R、L上的主信号进行修正，使每个声道R、L上的总信号成为直接包含环境音的信号，然后制作在碟片上。
2．如权利要求1所述的方法，其特征是用具有耳廓形状的麦克风进行原声制作，从而使录得的两个立体声声道R、L上的声音信号中包含了环境音的修正。
3．如权利要求1所述的方法，其特征是用现有的3D立体声系统输出端产生的两个声道R、L上的声音信号，数字量化后直接制作在碟片上。
4．如权利要求1所述的方法，其特征是预先分别将节目信号制作成主信号，将环绕声制作成环境音信号，然后将二者叠加，制作在碟片上。
5．如权利要求1或2或3所述的方法，其特征是将含有环境音的两个声道R、L信号进行如下编码将R和L相加产生和信号R+L，相减产生两个差分信号R-L和L-R；播放时再将其还原成两个声道R、L信号。
6．一种环绕声碟片，包括两个立体声声道R、L，其特征是每个声道R、L上的总信号是直接包含环境音修正的信号。
全文摘要
本发明公开一种环绕声的实现方法及一种环绕声碟片。所述方法是:用周围环境音信号对每个声道R、L上的主信号进行修正,使每个声道R、L上的总信号成为直接包含环境音的信号,然后制作在碟片上。所述环绕声碟片包括两个立体声声道R、L,其中每个声道R、L上的总信号是直接包含环境音修正的信号。本发明使双声道碟片上节目中声音信号直接包含环绕声,从而可在普通的立体声播放机上实现环绕声。
文档编号H04S1/00GK1234718SQ9910422
公开日1999年11月10日 申请日期1999年3月19日 优先权日1999年3月19日
发明者孟超, 彭丽玲 申请人:孟超, 彭丽玲