3D音效深度探究

1、3d音效深度探究随着电脑的家用市场和游戏市场逐渐为人们所重视，“多媒体”这个词儿乎在一夜间传遍了人街小巷，这 时的pc已经不再只有简单的主机、显示器、鼠标键盘三人:件了，音箱也成了它绘显著的标，忐。一、音效技术的发展早期，出于对电子乐器彼此交换信息的需要,midi生产商协会（midi manufacturers association）制 订了音色及打击乐器排列表的屯子乐器数字化接口，简称为midl从80年代开始许多计算机就己经拥有 了这些接口，不过那时计算机所扮演的角色只是音序器而已，声卡的最主要用途便基于此了。幸运的是，在电脑游戏的刺激下，声音产生的技术得到了进一步的发展。到了九十年代，y

2、amaha公 司开始让频率调制（fm）技术出现在当时的电脑上，虽然其效果无法和今天的三维音效相比，但同pc小 喇叭提供的效果相较不知要好多少倍。不过人们并没冇就此满足，90年代小期，波表介成的方式开始崭谿头角。它的原理是预先对乐器声音 进行取样，并将z保存下來，重放时靠声卡上的微处理器或pc系统内的cpu经过处理來发声。根据处理 方式的不同主要乂分为软波表和硬波表两种。这时的声卡已经开始走向成熟。fm合成和波表合成技术；内建可控制外部的电子乐器、甚至还身兼 二职捉供游戏操纵杆功能的midi接口、cd音频连接线、线路输入、话筒输入等等都成为比较固定的模式。 不过为了建立临场的真实感人们开始了更深

3、层次的寻求。戢初大家的注意力都集中在如何更好地再现音场 的方向上，下血我们就来看看这些现在己经普遍使用的方法。1. 单声道（mono）所谓的单声道就是声音由一只音箱产生的效果，听众可以很明显地听出声音的来源就是音箱所摆放的 位置，其本身的表现力较为平淡。（图1）2. 立体声（stereo）立体声系统需要一对音箱來完成任务，它通过调整系统中两只音箱发出声音的人小，让我们误认为声 源來自两只音箱2间直线段中的任意位置。特别是当使用耳机的时候，由于左右两边的声音出音情况很少 发生，所以声音的定位比较准确；再加上比较真实的音场感觉，使它能够带给我们比单声道真实许多的表 现力。（图2）3. 増强立体声（

4、extended stereo ）这种技术是对传统立体声的一种延续,通过某种算法对两只音箱系统小的声音进行处理后，过去只能 反映两只音箱连线间的声源位置被扩展到了其延长线上。这对于当两支音箱放置相距较近的情况有很人帮 助。（图3）4. 四声道（quadniphonics）实际上这也是对基本的立体声概念进行的扩展，它需要的音箱数目是四只。这样的安排可以表达在四 个音箱摆布所构成的矩形边上的声源位置。虽然这已经很类似我们需要的定位音场的需要，不过实际上这 和真e的3d声音效果是有区别的。（图4）5. 环绕立体声（surroundsound）还是基于立体声的概念，它在标准的四声道系统中在听众正面增加

5、一只音箱來覆盖四只卫星音箱所包 围的范围内的声音定位。这就是5声道系统，甚至为了有更好的低音域表现力,还有人单独再放置一个低 音单元，也就是俗称的5.1系统。（图5）如果需要更加精确定位声音的通路，你甚至可以在听众的上方、下方來放置音箱，得到从上而和f而 传来声音的效果。这些所有的效果很大程度上都是通过实际音箱的摆放位置来实现的。不过以上的音箱设置方式只让我们觉得置身其中，却没有办法找出准确方位來。于是3d音效闪亮登 场了。二、3d音效的理论1. 进入双声道技术（binaural）在单个音箱系统中，声音的來源总是一个位置，我们一下子就能确定它的位置，而过去的多音箱系统, 则靠同时从不同位置产生

6、声音，欺骗人脑对声音位置的辨识。现在双声道系统则通过两个不同的信号來处 理声音，让两只耳朵分別接受，并误当作它就是从同一个位置发來的到达两个耳朵的不同信号，从而确定 出声音的位置。显然这和立体声是有木质区别的。（图6）和立体声不同，当两个外部音箱被用来传送双声道效果的时 候，声音必须分别传送到特定的耳朵里,而不是像立体声那样让两只音箱的声音都同时到两个耳朵。这之 间的差界就是两者间声音定位准确与否的关键因素。（图7）由两只音箱來产生一个真3d音效是非常困难的。首先，这样的位置效果容易因听众位置的不同而大 打折扣；其次，听众探明两支音箱的准确位置后，会对两般声音流所产生的位置识别感产生抵触情绪。

7、最成功的从外部声源传送能够准确表达声音方位的系统是采川4只音箱的配置，但很不幸即使采用了 4只音箱，也很少有系统是真的在用4路3d声音，并h采用4路串音消除技术。绝大多数系统都是使用两 路独立的双声道设计，然后用立体声來混介前置和后置音箱的发声状况。更冇共者是貝在前置音箱采用了 真3d音效，而其他部分都用传统4声道或环绕立体声加以混合。2. 我们的大脑是如何判断声源方位的呢？当一个声音位于听众身体一侧的时候，距离更近这-边的耳朵能够听到更大的声音，而且可以提前一 点听到。这种差别在声学方面有两个术语iad （inter aural amplitude difference ）和itd （int

8、er aural time difference）來加以说明。大脑就是依靠这两个细微的差别來确定声音的位置。（图8）耳朵的固冇形状实际上会增强或削弱不同的声音频率。依靠声音位置的不同，外耳首先负责解决前后 方向的不同，因为耳朵都是朝前的，自然前面的声音会大些，而后而的就会小些了。而且由于外耳的形状 上下也不对称，还可以借此来确定声音的高度。（图9）声音在环境方面的效果不但对我们确定所处环境类熨有很重要的捉示，而且反射效果也帮助我们的大 脑來判断声音的距离。另外，声音被环境中建筑物等的反射和吸收，比如像墙、门等等也提供给大脑一个 重要的位置信息，所冇这些因素都需要被考虑，如果我们要完整地再现一个

9、3d audio效果。不过耍明白， 这些效果有的是由人自己的结构所产生而另外的则由外部结构和环境所产生呢。（1）由人体自身结构产生的效果在1927年，一个叫做wbartlett jones的人利用一个带有麦克风以及内耳通道的人头部模熨來录音。 当这个头被使用的时候，它的结构影响到了声音，用这种简单的方法，人自身的结构对声音的影响被纪录 了下來。靠这种方法，当声音后來冋放时，经由耳机让听众体验到非常逼真的3d声效。虽然现在已经看不到这种技术的使用，但用人造头部模型来从事人对声音的反应方面的研究却依然在 延续。除去了前面我们所说的iad和itd,我们要接触到的最核心的判断声音方位的技术是hrtf,

10、简单说 这就是个头部反应传送函数（head response transfer function）c要具体点呢，町以分成几个主要的步骤 来描述其功用。第一步：制作一个头部模型并安装一支麦克风到耳膜的位置；第二步：从固定的位置发出一些声音；笫三步：分析从麦克风中得到声音并得出被模型所改变的具体数据；第四步：设计一个音频过滤器來模仿那个效果；第五步：当你需要模仿某个位置所发出的声音的时候就使用上述过滤器來模仿即可。hrtf这个概念确实为我们实现对声音的定位带來了无限的好处，们实际生活中这个数据是变化多端 的，毕竞毎个人的头部和耳朵的大小形状都不完全相同。事实上，ii前成功地设置hrtf都是一种提供

11、给 大多数人的近似值。这也就是为什么这里有这么多不同的技术來实现它的原因了。（2）靠外部环境产生的效果当一个声音被产生，听众首先听到玄接传送过來的声波，很短的时间间隔以后，一些经过折射或反射 的声波会乂传入听众的耳膜。根据时间两者z间的响度差别等等数据给了我们关丁声源距离的线索。当反 射次数过多，大脑会把后到的信号和前面的处理信号当成两个不同的信号，这就是我们常遇到的回声效果 了。（图 10）这里冇4种不同的方法可以混合冋响成双声道效果。第-种方法是对每一个反射声源位置单独使用 hrtf技术。比较不幸，这种效果的实现需要相当人的代价。第二种是平均多个位置的反射，然后得出一 个相对位置，从这里应

12、川hrtf技术。第三种方法是把反射放在一边不处理转而使用标准立体声或四声道 混合技术来处理。第四种方法和前面的做法差不多，但只使用一个被平均的反射声源。现在应用最多的方 法是第二种，这时候只使用在在两支音箱或耳机的系统中，而第三种则配介4声道或环绕立体声的状况。3. 总结3d音效定位的核心技术是hrtf,而itd以及iad等现象是我们能体会出声音方位感产生的原因。 而环境效果比如反射、阻塞等也有重要的作用。在实际处理中，我们都需要在hrtf的基础上加入各种各 样的环境处理过程來更真实体现实际效杲。三、主流3d音效api就像3d图形技术一样，任何上述过程被执行都需要硕件和软件或软件和软件配合來共

13、同完成任务。 这就需要一些约定俗成的语言用于执行相应的功能，也就是应用程序接口： apio世人皆知的api是directx,从3.0开始directx加入了 3d音效方面的效果。不过真正的硕件加速方 面的功能是从5.0才开始的。我们也可以把他叫做directsound3d,这不单是一种已经标准化的接口技术， 而且还整合了软件仿真等技术。虽然directsound3d已经被开发者广泛采用，但到目前为止他并不是我们的唯一选择。aureal也提供 了他们自己的api,名字叫做a3d。另一个标准的环境是i3dl2规范。这个标准被设计出来允许开发者开发出相互兼容的环境音效产品。 从directsound

14、3d扩展出來的creative eax则和他关系密切。下面我们还是來详细看看。1. creative 的技术creative公司在1997年展示了他们的环境音效技术，并很快配合directsound3d推出了 1.0版。最初 的环境音效只能做很少的事情。但随厉而來的2.0版整合了阻塞、闭塞等特效以及通过提供单独的控制来 改善了回响模型，以及反射、削弱等等。之后eax 3.0问吐，回响的模塑被进一步完善，现在可以单独控 制毎个特殊來源的反射，而且在环境变化时，效果显得更加平滑了。创新的eax3.0技术通过他们自己的 emu 1 oki soundblaster live音频处理器捉供硕件加速功能

15、，因为eax是从dircctsound3d api ±扩展出 去而得的，任何开发者都能在兼容他们的前提下提供出自己的技术。2. aureal的技术aureal是近来pc音效技术发展的主要贡献者。从1995年他们的第一代产品问世，aureal 3d音效技术 已经发布了三代产品。aureal 1和aureal 2被分别整合在他们自己的vortex 1和vortex2芯片里。他 们z间冇什么不同呢？当微软在1996年发布directx3的时候，他们希望开发者能够满足使用软件执行的3d音效被藥合到 api中。但jt实当时真正做的事情实在太少了。就因为这个原因，aureal抓住这个机会在199

16、7年开发了 vortex 1芯片来锁件加速3d音效。当微软最终决定开始使川硕件加速功能并在5.0中整合他的时候，aureal 已经抢占了很多市场，和dx5.0屮附带的directsound 3d相比要好多了，加了资源管理器和高频衰减控制 功能（比如在水下发声的效果）。另外aureal-1还冇墙闭塞和发声材料等特殊效果。1998年aureal发布了他们的vortex2芯片,api主要采用他们自己的a3d2.0,主要增强了:加速的 3d声源被从8位提升到了 16位，取样频率从22khz提高到48khz,声波追踪技术。前两项主要是加强而最后一项则属于创新。aureal声波追踪技术用于跟踪声音从起源地

17、到收听者的各 种途径，比如反射、阻塞、墙面阻描等环境。（图11）新引入的a3d 3.0比过去较低版本的a3d技术冇更为准确的儿何反射功能，同时考虑到每个人的耳朵 都是独一无二的，由此听到的同样一种声音也会不一样，这款声卡可以通过软件來设置不同的“耳朵”，一 般情况aureal是按照最普遍的耳朵來设置的，但如果你不满意，也可以选别的。3. sensaura 的技术sensaura现在是一个公司的名字，但最初让我们接触到这个名字的还是同名的一种音频技术。这个由 emi (百代唱片公司)的子公司crl开发的技术，已经稳固地发展了近10年，h前支持他的厂商主耍有 yamaha > cirrus

18、logic 和 essosensaura主要有以下的关键性技术：通过sensaura自己设计的数字耳提供hrtf技术，多驱动技术 (multidrivc)> macrofx 技术，环境的 fx 技术。sensaura使用1111个hrtf点來覆盖一个完幣的半球和特别的淡入淡出技术讣过滤器从一个转换成下 一个。这是sensaura非常独特地获得hrtf的方法。aureal和sensaura在他们的一对音箱系统中采用了串音取消技术，同时都提供4音箱安排方案。sensaura 能通过他们的multidrive技术來让有前置和后置音箱提供基于hrtf的3d音效，这最早被采用ess的 canyon

19、3d芯片所采用。整合过滤器的hrtf技术讣声音的方位判断变得容易，但距离方而的感觉目前主要是通过环境效果， 比如回响和声强改变來做到。这些技术一些和directx是结合在起的。sensaura的macro-fx技术可以 把directx产生的恒定强度的声音进一步细分成3个区域。(图12)另外sensaura在dsp数字信号处理方面也非常强,而且他们也兼容directsound3d api和a3d 1.x。4. qsound的技术qsound labs公司成立于1988年，致力于研发pc系统的音效技术。目前他们最新的技术是能够进行 音源定位的q3d。和a3d和sensaura的技术类似，q3d也

20、能够尬位出场景中从不同位置发出的多个声音, 比传统的立体声强了很多。另外q3d也有自己的环境模型和回响引擎同创新的eax兼容。qxpander也是过去应用较多的产品，它主要对立体声的功能捉供了不少扩展。它通过一个经过优化的 运算法则可以处理任何立体声信号。另外qmdv能够解码矩阵环绕立体声，q123能够把单声道的效果扩 展到立体声的效果。qsurround产生环绕声，通过多通道输出和规则的双通道设备，把声道的数目增加到了 5通道甚至六通道的范围。而qmss则用于管理多音箱的运算法则。四、声卡芯片介绍1. creative 系列说到声卡，恐怕没人不知道这一行的泰山北斗reativeo(1) cr

21、eative 137x 系列(es-137x)这一系列由ensoniq公司研发并推出，故而原本芯片代号的前缀为“es”。此系列中绘先问忧的是 es-1370,后来乂有1371和1373推出。从录放音和midi方面看es-i37x系列效杲还不错。三维音效 方面1370可以硬件加速ds3d、软件模拟a3d 1.0和eax,可以模拟支持4音箱输出。推出时间较早，比 较明显的缺陷是不支持多音频流回放。(2) emu 10k1emu 10k1拥有1000mips的数据运算能力，可以提供强大的音效处理能力。由于它率先采用了 8点 内插运算功能，所以音质极佳，达到了 dsp数据转换的一个高峰。在三维音效处理

22、方面，emu 10k1虽然 大家公认环境和音场效果很不错，但因为似乎没有采用hrtf技术，声音方位感上稍有落后。midi合成能 力与yamaha. roland等软波表还冇稍许差距。2. aureal 系列aureal公司是美国老牌的音频处理芯片的研发生产厂家，ii前在市场上的主流产品包括 vortex 1 au8820和vortex - 2 au8830两个芯片系列，性能非常出众，声音定位方面的效果公认是最好的。(1) vortex au8820vortex au8820是aureal公司推向市场的第一款音频处理芯片，就是通帘叫的vortex 1，它是第一款 真正支持a3d 1.0标准的声卡

23、芯片。midi方而它提供了一个最人64复音的4mb gm> gs音色库和两种 特殊效果处理器。说到缺点，似乎此芯片在处理各类声音时的cpu占用率较髙。在国内市场上最为常见的 采用vortex au8820芯片的声卡是帝盟s90。(2) vortex - 2 au8830vortex - 2 au883o是aureal的第二代芯片。包括杜比数字硬件解码、播音室质量的回声效果、专业的 576种声音合成器、支持反射和其他效果(合唱、延迟、扭曲等)。支持a3d1.0、2.0、3.0加速，支持 directsound 和 direcisound3d 加速，兼容 eax 和 sound blaste

24、r pro。捉供了一个硬件处理的1()波段eq均衡器，4mb或8mb专业波表。市场屮的diamond mx3(m)使 用的正是这款vortex-2 au8830芯片。3. ess系列ess公司在声卡芯片领域非常出名，长久以來，它都以物美价廉、兼容性较好而著称。(1) ess maestro-1 (1948)1948是ess最早推出的pci声卡芯片，midi方面采用了全新的dls技术，提供了一个64复音的波 表介成器。在三维音效上它采用spatializar 3d技术，叮以捉供硕件加速direct sound和direct sound 3d的 功能，软件支持a3d 1.0标准。(2) ess m

25、aestro- ii (1968)ess maestro- ii是ess公司的第二代pci声卡芯片,性能上比1948有较大的提升。首先1968芯 片采用了先进的32位线程处理技术，这样的好处是大大降低了声卡放音时的cpu占用率。其次它还采用 了数据缓存技术(wavccachc),充分发挥了 pci总线大容量数据传输的优点，使得总体成本得以进一步下 降。同时还提供了两路立体声音频输出的支持。在三维音效方面它釆用了 sensaum技术。在同价位的产品 中看，maestro- 11许多方而的功能都比较优秀。良好的音质和较低的cpu占用率很值得称道。(3) ess canyon3d (maestro-

26、2e 1978)canyon3d是ess公司的新作，它是款4.1的系统。利用sensaura multidrive技术(为4声道进行了优 化)处理三维音效，件加速ds3d,软件兼容a3d 1.0和eax等api。继承前作的优点，它的音质和cpu 占川率依然出众。h midi合成方面还是需要改进。4. yamaha 系列基于yamaha芯片的声卡的长处是midi处理很有特色。(1) ymf-7xxymf-724是yamaha比较成功的一款芯片，主要特色在于它比较优异的midi合成能力。独特的 soundius-xg物理模型合成技术，使其乐器的音色非常逼真。724支持最人6mb音色库和192复音的

27、合 成器,芯片信噪比在85db左右。并且采用sensaura技术实现三维音效，支持ds、ds3d、dsm和a3d1.0、 eax l.oo支持sb link功能，所以dos发音毫无问题。对于入门级的声卡也是不错的选择。目前新近问 世的ymf-744芯片，加入了 4声道和dvd软件支持，三维环绕效呆有较大提高。而且在保留spdif out 后还加入了 spdif in功能。(2) yss912绘新yamaha推出了 yss912声音处理器，支持杜比数码技术、dts和dolby pro逻辑。可解码 dolby digitak dolby pro logic 和 dts；支持 6 通道或 ac97

28、4 通道声音：24-bit dac 信噪比大于 105db： 数字音频接收；兼容于a3d 1.0和dircctsound3dapi。一般也配备uss912音频dsp芯片。虽然它不支持 aureal和turtle beach带有的数字耳朵技术,但它的dsp支持多达七种环境效果:教堂、爵士乐、礼堂、 迪斯科舞厅、实况转播、运动场和剧场等，实在品质非凡。五、声卡的选购就一款声卡而言，音频处理芯片的地位是不言而喻的。选声卡首先要选择音频处理芯片。一般说创新 的产品在环境音场的效果上比较突出；aureal的则是声音位置感强：而yamaha在midi方面很冇一套。从整体上考虑，声卡性能主要有四个因素：音频

29、品质，wav通道的处理能力，包括回放音质和录音效 果两个方面；midi以及波表合成的效果；三维效果，声卡对各种三维音效api的支持和体现；兼容能力， 包括音频软件和dos兼容性。价格方面一般800元以上的卡就比较贵了，低档的也就100200元。对普通用户，了解声卡的做工也 很重要，最简单易行的是看电路板的外观。一般來说，元件排列幣齐、焊点t净、板子厚实的，做工不会 差到哪里去。另外看金手指也人致可以看得出：好的卡金手指镀的是真金，金色很纯，亮品晶的；不点好 的卡金手指往往颜色比较淡，色泽也不好。六、关于音箱音箱的摆放对系统的效果很重要。在只冇两只音箱的借况下，最佳位置是让音箱放在显示器的两侧，

30、 离显示器的距离相等，而且最好能和你的耳朵保持水平或指向耳部。确保和声卡的连接部分是“line in”， 这样可避免使用声卡内部放人线路，对音质的还原和噪音的降低冇很多好处。另外在音箱的前方最好不要 有其他东西，阻碍到声波的传送。摆放好z后,你可以试着播放cd,如果放置位置正确，你应该感觉得出 声音应该在两支音箱之间主要是显示器的方位产生。4音箱的摆放方法,前置两支的摆放方法没有变化, 而后面则和前面两支一起构成矩形，让听众位于其屮部。也许你还需要让后面的音箱离你远一点，增强距 离感。当然他们最好也和耳朵在一个水平面上，如果不能至少要指向耳朵。5声道的系统中，中置音箱最 好摆放在显示器的顶部。

31、而独立的低音单元只要放在接近你的角落就可以了。一般低音单元不要开得a人 声，只耍效果足够就行。然后呢,你需要进入设置面板,打开多媒体选项。确保你的声卡在音频栏中作为首选设备使用,并在 “仅使用首选设备”前打上钩。在冋放的一项的高级属性里面设置正确的扬声器配置。让破件加速功能全 部打开，采样率在机器性能允许的情况下也使用最好。（图另外需要在“添加/删除程序”里面的“windows 安装程序”上确认安装了音频压缩。当然一般默认的安装方式，这个部件一定是安装了的。对于音量控制, 像soundblaster live会有环绕音箱的控制项目。注意调节音量的时候不要贪图大声，一般好的系统更注意 动态效果，而不是弄得人存存沉沉的音量。七、声卡发展的趋势真正