CEDIA/CTA-RP22沉浸式音頻設計推薦規范要點分析2

從嚴格意思上,家庭影院系統構建是一項相當復雜的工程項目,想要最終獲得超越頂級商業影院的音視頻效果,就必須遵守國內外的專業構建標準。在行業推薦規范方面,作為權威的美國CEDIA定制安裝協會針對全宅影音智能行業的特點,推出了多個不同領域的推薦規范指南。其中在家用領域就包含了音頻技術推薦規范、視頻技術推薦規范以及項目施工推薦規范等。其中在沉浸式音頻設計領域,CEDIA協會終于在2023下半年正式推出CEDIA/CTA-RP22沉浸式音頻設計推薦規范,將近幾年影音定制影院所關心的沉浸式音效系統的構建進行了非常詳細的分析與定義,并且帶來了眾多建議、規范以及標準。我們在上一期已經就CEDIA/CTA-RP22推薦規范當中的Performance Level selection性能等級、Seating layout座位布局項目為大家進行了關鍵要點的介紹。本期,我們就繼續講解CEDIA/CTA-RP22推薦規范當中非常關鍵的Speaker layout揚聲器布局方面的部分核心要點,包括分析目前4大沉浸式音效格式、構建統一揚聲器布局設計方法、前置揚聲器擺位技巧、環繞揚聲器擺位技巧等方面。當中,特別就環繞聲揚聲器布局與設置方面容易遇到的問題進行了深入的分析,為每一位影音從業人員與影音愛好者列出了重要的參考建議與性能指標。

RP22沉浸式音頻設計推薦規范要點分析2:

●  揚聲器布局

1. Dolby Atmos杜比全景聲

2. AURO-3D

3. DTS:X

4. MPEG-H 3D Audio

● 沉浸式音效系統中各個位置獨立揚聲器通道的具體標識

● 構建統一揚聲器布局的設計方法

● 空間分辨率的性能要求

● 屏幕揚聲器擺位建議

● 屏幕揚聲器的數量

● 屏幕揚聲器的垂直對齊

● 中置揚聲器的垂直位置

● 環繞揚聲器擺位建議

● 環繞揚聲器擺位區域建議

● 調整聆聽區域內的揚聲器數量

● 通過處理最大化揚聲器的利用率

RP22沉浸式音頻設計推薦規范

揚聲器布局

揚聲器布局是RP22推薦規范當中最為重要的核心部分。沉浸式音效目前正在向一個統一的揚聲器布局方向邁進。根據目前各大沉浸式音效格式的揚聲器推薦布局要求,可以看出不同格式在聽眾層或地面層5個或7個揚聲器布局是基本上一致的,但是在上層或高度、頂部層揚聲器布局方面就沒能達成共識,還是有一定的差異性。

現階段針對家用環繞聲重放的沉浸式音效格式包括Dolby Atmos杜比全景聲、Auro-3D、DTS:X(包括IMAX Enhanced)、MPEG-H 3D Audio。這幾種沉浸式音效格式的開發者對于RSP參考座椅位置與上層揚聲器之間的位置關系,還并不是完全一致的,包括水平和垂直角度等。然而,這并不代表我們無法建立一個相互兼容的統一沉浸式音效揚聲器系統,只要揚聲器布局適宜,相同的揚聲器系統布局,就能滿足所有沉浸式音效格式的重放要求。這里需求注意的一點,揚聲器布局最好是相對于單一位置進行放置,也就是針對RSP參考座椅位置。如果聽眾分布區域較大,就可能存在一定的潛在問題,要實現每個座位都能擁有同樣出色的音效體驗并不容易實現。

各種沉浸式音效格式的最佳揚聲器布局還需要考慮其他眾多因素,包括房間的大小比例、屏幕大小和寬高比、聆聽區域的大小的形狀、座椅的類型等眾多方面。

Dolby Atmos杜比全景聲

首先是Dolby Atmos,在家用領域的杜比全景聲揚聲器布局推薦上,杜比建議根據不同系統的規模,應該有相應不同的揚聲器系統布局設置,包括5個(3.1.2)到34個(24.1.10)獨立揚聲器通道布局(當中包含LFE通道)。其中,目前應用面最廣的是9通道的5.1.4和11通道的7.1.4系統。我們可以在杜比官方網站上找到具體的揚聲器安裝布局指引。需要留意的一點,杜比全景聲允許在地面層揚聲器垂直平面高度位置上放置向上發聲的揚聲器,以替代上層揚聲器。

在商業影院中,杜比全景聲可以通過最大為7.1.2的聲床和最多118個聲音對象構建64個獨立揚聲器通道的大型揚聲器布局。

最小的杜比全景聲3.1.2揚聲器布局,僅有3個前置揚聲器與2個上層/頭頂揚聲器

杜比全景聲7.1.4揚聲器布局,包括4個與前置左右揚聲器處于同一垂直平面的上層/頭頂揚聲器

杜比全景聲11.1.8揚聲器布局,其中包括了8個地面層的側環繞和后環繞揚聲器、4個高度層的高度揚聲器、4個頭頂層的上層/頭頂揚聲器

AURO-3D

接下來是AURO-3D。Auro-3D能提供最多13個獨立揚聲器通道加上LFE通道的沉浸式音效系統布局。Auro-3D主要是通過傳統5.1或7.1地面聽眾層的揚聲器來實現前后、左右水平層的環繞聲效果,再加入至少4個高度揚聲器,與相應的地面層揚聲器垂直對齊,以實現上方聲場的效果。Auro Technologies將9.1配置,相當于其他格式中的5.1.4系統,作為獲得Auro-3D體驗的最低系統配置要求。而最佳的揚聲器布局配置則是13.1,相當于7.1.6系統,其中包括一個位于地面層正上方中央單個頂部揚聲器,也就是俗稱的“上帝之聲”。

Auro-3D能夠在聆聽者的四周與上方營造球頂形狀,包裹整個座椅位置的聲場,從而實現全方位垂直方向的立體聲場效果。需要注意的一點,這就意味著地面層與上層揚聲器的仰角關系變得非常重要,應該始終保持在在25°到40°之間,最佳目標是30°。Auro-3D 2層結構的9.1(5.1.4)揚聲器布局是最低的推薦配置

Auro-3D 3層結構的13.1(7.1.6)揚聲器布局才能帶來完整的體驗

DTS:X

DTS:X是另外一個備受關注的沉浸式音效格式。DTS:X可以實現11個獨立揚聲器配置的環繞聲系統,對應7.1.4布局。DTS對于上層揚聲器擺放的角度,也就是從聆聽位置向上的仰角還是相對靈活的,最低為20°,也就是在兩側的墻面上,最高可到45°,也就是安裝在天花上,朝向聽眾。RP22推薦規范建議采用更高的仰角。當上層揚聲器放置在聲場球頂與天花相交之處,并且每個揚聲器與RSP等距離的時候,可以獲得最佳的沉浸感。

相較而言,DTS:X Pro可以實現多達30個獨立揚聲器通道配置的環繞聲系統,包括地面層與上層環繞聲揚聲器,以構建一個更傾向于球頂聲場,并實現更加均勻的聲場分辨率。

DTS:X標準下的7.1.4揚聲器布局

DTS:X標準下的13.1.10揚聲器布局,當中采用了30個獨立揚聲器配置

MPEG-H 3D Audio

最后是MPEG-H 3D Audio沉浸式音效格式。相對前面幾種而言,MPEG-H 3D是一種相對較少提及到的,靈活適用于各種揚聲器布局的音頻編碼開放標準,主要是參考ITU-R BS.2051-3用于節目制作的高級音響系統推薦規范。主要有四種關鍵的沉浸式揚聲器布局方式,具體如下:

• “音響系統C” 與Dolby Atmos 5.1.2一致 • “音響系統D” 與Dolby Atmos 5.1.4一致

• “音響系統G” 近似于Dolby Atmos 9.1.4 • “音響系統H” 與NHK 22.2日本超高清電視系統一致

我們需要注意的是,前面3種沉浸式音效格式主要應用在藍光碟片與網絡流媒體服務之中,但是MPEG-H 3D Audio則主要是應用在DVB數字視頻廣播與ATSC 3.0電視系統之中,同時也與流媒體服務有一定的兼容性。不過,RP22推薦規范的主要任務是要實現Dolby Atmos、DTS:X和Auro-3D揚聲器布局的統一,同樣也包括了MPEG-H 3D Audio格式。MPEG-H 3D Audio關于高級音響系統的揚聲器布局,具體包括3層,分別是較低層(包括LFE揚聲器)、中層(與聆聽者同一層)、高層(包括頭頂揚聲器)

音響系統C的揚聲器配置(2+5+0)

音響系統D的揚聲器配置(4+5+0)

音響系統G的揚聲器配置(4+9+0)

音響系統H的揚聲器配置(9+10+3)

沉浸式音效系統中各個位置獨立揚聲器通道的具體標識

這是RP22推薦規范對于各個位置獨立揚聲器的具體標識,其中藍色代表聽眾層-標準,綠色代表聽眾層-擴展,紅色代表頭頂層-上層,橙色代表高度層-上層

構建統一揚聲器布局的設計方法

沉浸式音效揚聲器系統的目標是營造一個三維聲場,通過所有揚聲器共同創造出獨特的沉浸式音效體驗。然而,沉浸式系統并非只有音頻系統,也包括了視頻系統。沉浸式音效系統所產生的聲音是為了面向屏幕的觀眾提供相應的屏幕聲音的支持。因此,觀眾所能夠聽到的來自各個不同方向的聲音并不相同。

不同揚聲器系統針對不同位置的揚聲器有著不同的功能定義,它們的位置需要進行專門的位置優化,包括前置(屏幕與前寬),環繞以及上方(高度與頂部)揚聲器。

設計沉浸式音效揚聲器布局的推薦方法如下:

• 第一步:設置屏幕揚聲器以匹配觀看視角,以保持聲音與圖像的一致性。

• 第二步:根據聆聽區域和房間,以決定環繞揚聲器的數量和位置。

• 第三步:擺放前置寬揚聲器,以連接屏幕和環繞揚聲器。

• 第四步:根據天花高度和聆聽區域,以決定上層揚聲器的數量和位置。

空間分辨率的性能要求

RP22推薦規范對于沉浸式音效系統聲像空間分辨率的性能要求如圖,等級1需要配備5個獨立揚聲器,也就是3.1.2;等級2需要配置11個獨立揚聲器,也就是7.1.4;等級3和等級4為13或15個獨立揚聲器,其中Auro-3D系統為13通道,其余格式則至少需要15通道

屏幕揚聲器擺位建議

各種不同的沉浸式音效格式分別推出了關于屏幕揚聲器水平角度的推薦范圍,左右揚聲器與RSP之間的夾角介于44°到60°之間。這個范圍與SMPTE美國電影電視工程師協會關于電影投影推薦視角(43°)、UHD 4K數字視頻的推薦最大視角(61°)以及2聲道音樂重現的最佳角度(60°)非常接近。

最重要的是,前左(FL)和前右(FR)揚聲器之間的角度應該與屏幕的視角相匹配,以實現聲音到圖像的一致性。沉浸式音效格式能夠實現更準確的聲音定位和微妙的混音處理,這就意味著聲音與圖像之間的一致性比以往任何時候都更為關鍵。聲音到圖像的一致性是ITU-R BS.1909推薦的要求。有關如何正確調整屏幕尺寸以實現聲畫一致性的指引,請參閱CTA/CEDIA-CEB23-B家庭影院視頻設計推薦規范。

前左(FL)和前右(FR)揚聲器應盡可能靠近屏幕的邊緣放置。如果整個影音娛樂空間主要是采用前置投影的方式播放電影,前左(FL)和前右(FR)揚聲器應該放置在透聲幕的后方。在這種情況下,前左到前右的夾角應該略窄于觀看角。此時,還可以將揚聲器放置在屏幕的兩側之外,盡管這種做法較少見,會導致水平音頻夾角略寬于觀看角。實際情況,可以根據特定條件做出決策,例如落地揚聲器、屏幕后面的空間減小,屏幕結構或遮蔽系統可能阻擋揚聲器的情況下。聲音和視覺角度之間的輕微不匹配不是問題,因為“腹語效應”,也就是人類的感覺會將聲音與可能的而非實際的來源相關聯,將有助于聆聽者的大腦將聲音與屏幕上的畫面聯系在一起。

如果系統主要用于音樂再現,建議將FL和FR揚聲器與RSP位置之間的夾角設定為60°。如果揚聲器不在屏幕后面,將會減輕由透聲幕而導致的高頻聲音衰減的問題。然而,請注意,將FL和FR揚聲器靠近側墻會增加適當的被動聲學處理的需求。屏幕揚聲器的數量:3或者5個

部分沉浸式音效格式可以利用位于前中(FC)和前左右(FL/FR)揚聲器之間的空間來增添額外的“中置”揚聲器,并分別稱之為前中左(FCL)和前中右(FCR)。需要注意的是,這只有在環繞聲處理能夠以獨立方式輸出相應聲道信息時,才能夠使用這兩個新增的揚聲器位置。

屏幕揚聲器數量取決于從RSP位置的水平視角寬度:

• 如果水平視角小于或等于40°(從中心偏離±20°,表示窄屏),則3個屏幕揚聲器就已足夠,而系統中的其他揚聲器數量不受影響。

• 如果視角大于或等于70°(±35°,寬屏),建議使用5個揚聲器,而系統中的其他揚聲器數量不受影響。建議將額外的FCL/FCR揚聲器放置在前中和FL/FR揚聲器之間的半角或半距離位置。揚聲器在屏幕間的均勻分布的角度確保聲源在圖像上平滑、均勻的移動。

• 如果視角在40°到70°之間(大多數情況下),可能適用以下指南:

o 如果環繞揚聲器數量小于或等于8,則建議使用3個屏幕揚聲器。

o 如果環繞揚聲器數量大于或等于10,則建議使用5個屏幕揚聲器。

當水平視角小于或等于40°(左圖)時,采用3個屏幕揚聲器,當水平視角大于或等于70°(右圖)時,采用5個屏幕揚聲器

隨著圖像顯示分辨率的不斷增加,趨勢是使用具有垂直視角約在18°到34°之間相對面積更大的屏幕。有關屏幕尺寸和位置的建議,請參閱CTA/CEDIA-CEB23-B。

為了保持聲音到圖像的一致性,建議保持屏幕揚聲器的聲學中心在屏幕高度的中間三分之一內。這主要是為了提高聽眾的主觀聽覺舒適度,增強了垂直高度方面的效果,同時保持了中央聲道音頻與圖像的良好垂直一致性。

屏幕揚聲器垂直視角的的建議范圍

中置揚聲器的垂直位置

當前中聲道揚聲器無法放置在與前左/前右揚聲器相同的水平面上時,建議將其盡可能靠近屏幕的頂部或底部。頂部或底部的選擇受以下因素的影響:

1.中置音箱與房間墻面的距離。建議中置揚聲器放置在遠離墻面和家具的位置,避免出現強烈的早期反射聲影響。

2.保持聽眾的聲音通路暢通(無遮擋)。

3.屏幕的大小和位置。

4.屏幕揚聲器的散布和覆蓋范圍。

屏幕揚聲器的性能指標,包括屏幕揚聲器之間的聲壓級差異,以及座位間屏幕揚聲器的頻響差異性等

環繞揚聲器擺位建議

各種沉浸式音效格式對聽眾層,也就是地面層的環繞揚聲器布局有著近似的建議,都建議在聆聽區域的側面和后方均勻相間地放置環繞揚聲器。這些建議基本適用于單個座位的情況,但需要根據家庭影院空間多座位的情況進行相應的調整。隨著聽眾遠離RSP位置,環繞聲像將會產生變化,而聆聽區域內的各個座位與眾多環繞揚聲器的距離無疑是不同的。然而,通過根據聆聽區域和房間調整環繞揚聲器的數量和位置,可以在聆聽區域內實現最佳的環繞性能,以確保所有聽眾都能夠獲得最小聲像失真。

環繞揚聲器擺位區域建議

沉浸式音效的其中一個基本目標是確保所有聽眾都能獲得同樣出色的聲音體驗。換言之,當一個聲像出現在一側時,每位聽眾都應該從那一側感知到它的變化。同樣,當一個聲像出現在房間后方時,每位聽眾都應該感知它來自后方。

自從引入7.1多聲道的環繞聲技術以來,環繞揚聲器通常被傳統地分成兩個子組:側環繞揚聲器和后環繞揚聲器。在基于對象的沉浸式音效格式中,由于聲音對象位置帶有相應的坐標定位,側面和后方環繞效果的這種區分方式在以多個座位構成的聆聽區域中仍然是有效的。因此,在多座位的家庭影院之中,當所有環繞揚聲器都取得良好調校的前提下,就能確保所有座位都能取得良好的音效。

側環繞揚聲器應該分別位于空間的每一側,避免直接放置于聽眾區域后方的區域,以確保所有聽眾的正確左右方向。在某些情況下,左右兩側放置區域可以向前延伸到前排座位50cm的位置,例如放置環左1/環右1揚聲器,或者為了減輕長而狹窄的空間中前左/前右和環左1/環右1之間可能產生的聲像間隙。

如果構建一個沒有后環繞揚聲器的5.1系統,通常會使用更大的角度將環左/環右放置在更后方。根據空間的大小和形狀,這可能會延伸到后墻,但不會直接位于聽眾區域后方。

后環繞揚聲器應該全部位于聽眾區域的后方。這一規則確保沒有聽眾能夠從他們前方感知到后方揚聲器的存在。

側環繞(左)與后環繞(右)揚聲器放置區域的建議

調整聆聽區域內的揚聲器數量

有關環繞揚聲器數量的建議如下:

1. 聆聽區域的大小。一般來說,更大的空間,墻面更大,邏輯上需要更多的揚聲器。

2. 聆聽區域到房間墻面的距離。當聽眾靠近墻面時,他們可能會距離一個揚聲器太近,而相對RSP位置而言,距離其他揚聲器就變得更遠。采用更多的環繞揚聲器將減小單一近距離揚聲器的主導作用,通過減小揚聲器距離和角度之間的差異,提高所有聽眾的空間感和沉浸感。

3. 座位行數。如果房間中存在多行座位,但每側墻面只有一個揚聲器(例如7.1系統),定位感將在每一行都會產生相應的變化。例如,如果側面揚聲器與中間行對齊,則坐在那里的聽眾會聽到聲音從他們旁邊傳來,而前排會聽到聲音稍微從后方傳來,后排會聽到聲音稍微從前方傳來。整個聲音體驗在聽眾區域內是不一致的。座位越靠近揚聲器,這一點就越發明顯。

因此,增加環繞揚聲器的數量可以提高聽眾區域的一致性和獲得更高的聲像空間分辨率。

增加側環繞的數量(右圖)將能在座位間獲得更高的聲像空間分辨率

通過處理最大化揚聲器的利用率

我們可以根據家庭影院的空間大小、座位數和座位行數,實現超出標準4個環繞位置的揚聲器數量。更高的揚聲器數量可以提高基于對象的沉浸式音效格式的聲像空間分辨率,但在與5.1或7.1基于聲道的節目源時,可能只會看到有限數量的揚聲器參與,并不會所有揚聲器都發聲。

在實際使用過程中,我們可以使用環繞聲處理器中的上混功能,將基于通道的內容擴展到更多揚聲器上。上混處理不限于環繞聲,根據環繞聲處理器的能力,可以實現在所有揚聲器位置上使用。

此外,如果房間中放置了多排座位,側環繞揚聲器(SL/SR)可以通過“陣列”方式擺放在兩側墻面,以保持各行座位之間的聲像一致性。揚聲器陣列是通過將相同的信號饋送到多個環繞揚聲器來實現的,因此整個揚聲器陣列只有單一通道的揚聲器音效再現。

物理陣列是通過共享的處理器輸出來創建的。一個陣列中的所有揚聲器將在聲場中再現相同的內容;它們不能被單獨輸出不同通道的聲音內容。這種技術通常在商業電影院房間中使用,將2或4個環繞聲道,擴展到沿側面和后墻分布的多個揚聲器,以實現更廣的環繞聲覆蓋。物理陣列減少了基于對象內容的定位,因此不建議使用。

軟件陣列由支持處理器管理,使其配置依賴于內容,并同時為每個揚聲器提供單獨的控制(如音量和延遲)。例如,環繞聲處理器可以對Dolby Atmos內容通過獨立通道輸出至多個側環繞揚聲器,但在Dolby Digital 7.1內容中更改為共享輸出,以更有效地建立側環繞陣列。

無論沉浸式音效系統,還是上混和軟件陣列的組合,揚聲器數量都不應超過處理器上的獨立揚聲器輸出通道的數量(除了低音炮和LFE)。獨立環繞揚聲器通道配置(左)對比陣列側環繞揚聲器(右)

環繞聲揚聲器的性能指標,包括最大可允許的相互間的水平角度以及相互間的聲壓級差異

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