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[技术教程] CEDIA/CTA-RP22沉浸式音频设计规范:家家庭影院音频系统

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发表于 2023年12月26日 08:02 1370 0 来源:家庭影院> 技术教程 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |

笙歌未散 帖主

2023-12-26 08:02

家庭影院系统构建是个挺复杂的工程,要想实现比商业影院还要赞的音频视频效果,就必须遵守国内外的专业构建标准。CEDIA定制安装协会是个权威的机构,他们制定了许多推荐规范指南,涉及音频技术、视频技术和项目施工等方面。最近,他们推出了CEDIA/CTA-RP22沉浸式音频设计推荐规范,讲解了沉浸式音效系统的构建,给出了建议和标准。

我之前已经跟大家介绍了CEDIA/CTA-RP22规范中关键的性能等级选择和座位布局项目。这次,我们继续讲解规范中非常重要的扬声器布局部分,包括对目前4种沉浸式音效格式的分析、统一扬声器布局设计方法、前置扬声器和环绕扬声器的摆放技巧等。尤其是对环绕声扬声器布局和设置容易遇到的问题进行了深入分析,给出了重要参考建议和性能指标。
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沉浸式音频设计推荐规范要点分析2:

●  扬声器布局
1. Dolby Atmos杜比全景声
2. AURO-3D
3. DTS:X
4. MPEG-H 3D Audio

● 沉浸式音效系统中各个位置扬声器通道的标识
● 统一扬声器布局设计方法
● 空间分辨率的性能要求
● 屏幕扬声器摆放建议
● 屏幕扬声器数量
● 屏幕扬声器的垂直对齐
● 中置扬声器的垂直位置
● 环绕扬声器的摆放建议
● 环绕扬声器区域的建议
● 根据聆听区域调整扬声器数量
● 最大化扬声器利用率的处理方法

在CEDIA/CTA-RP22规范中,扬声器布局是最关键的部分。
目前,沉浸式音效正朝着一个统一的扬声器布局方向发展。根据各个沉浸式音效格式的推荐布局要求,我们可以看到听众层或地面层的5个或7个扬声器布局基本一致,但在上层或顶部层的扬声器布局方面仍存在一定的差异。

目前的家庭环绕声沉浸式音效格式包括Dolby Atmos杜比全景声、Auro-3D、DTS:X和MPEG-H 3D Audio。这些格式的开发者在参考座椅位置和上层扬声器之间的位置关系等方面并没有完全达成一致,包括水平和垂直角度等方面存在差异。然而,我们仍然可以建立一个兼容各个沉浸式音效格式的统一扬声器系统,只要扬声器布局合适,相同的扬声器系统布局就能满足所有沉浸式音效格式的要求。需要注意的是,最好根据参考座椅位置进行扬声器布置,特别是对于较大的听众区域来说,要实现每个座位都能有出色的音效体验并不容易。

各种沉浸式音效格式的最佳扬声器布局还需要考虑其他因素,如房间大小比例、屏幕大小和宽高比、聆听区域的形状和大小、座椅类型等。


让我们来讨论一下Dolby Atmos杜比全景声和AURO-3D这两种沉浸式音效系统的扬声器布局。

Dolby Atmos
首先我们来看Dolby Atmos杜比全景声。在家庭环绕声方案中,Dolby Atmos推荐根据系统规模选择相应的扬声器布局,从5个(3.1.2)到34个(24.1.10)独立扬声器通道的布局都有。目前最常见的是9通道的5.1.4和11通道的7.1.4系统。你可以在Dolby官网上找到具体的扬声器安装布局指南。需要注意的是,Dolby Atmos允许在地面层的扬声器的垂直平面高度位置上放置向上发声的扬声器,以替代上层扬声器。

在商业影院中,Dolby Atmos可以通过最多为7.1.2的声床和最多118个声音对象构建最多64个独立扬声器通道的大型扬声器布局。
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最小的杜比全景声3.1.2扬声器布局,仅有3个前置扬声器与2个上层/头顶扬声器

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杜比全景声7.1.4扬声器布局,包括4个与前置左右扬声器处于同一垂直平面的上层/头顶扬声器

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杜比全景声11.1.8扬声器布局,其中包括了8个地面层的侧环绕和后环绕扬声器、4个高度层的高度扬声器、4个头顶层的上层/头顶扬声器


AURO-3D

AURO-3D能够通过在地面层的扬声器上实现前后、左右环绕声效果,并添加至少4个垂直对齐的高度扬声器来营造上方声场。Auro Technologies推荐的最低系统配置是9.1,相当于其他格式中的5.1.4系统。而最佳的扬声器布局配置则是13.1,相当于7.1.6系统。这种配置包括一个位于地面层正上方的中央单个顶部扬声器,也被称为“上帝之声”。

AURO-3D能够在聆听者周围和上方形成球形声场,将整个座椅位置包裹其中,营造出全方位的立体声场效果。非常重要的一点是地面层扬声器与上层扬声器的仰角关系,应始终保持在25°到40°之间,最佳目标是30°。

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Auro-3D 2层结构的9.1(5.1.4)扬声器布局是最低的推荐配置

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Auro-3D 3层结构的13.1(7.1.6)扬声器布局才能带来完整的体验

DTS:X
让我给您介绍一下备受关注的DTS:X,这是一种令人兴奋的沉浸式音效格式。DTS:X具备11个独立扬声器配置的环绕声系统,对应于7.1.4布局。而且,DTS:X对于上层扬声器的摆放角度也非常灵活,可以从20°到45°不等。最佳效果是将上层扬声器放置在与天花板相交处,与听众的位置等距离,这样沉浸感会达到最佳状态。

而DTS:X Pro更加厉害,它可以实现多达30个独立扬声器通道的环绕声系统,包括地面层和上层环绕声扬声器。这种布局更强调球顶声场,让声音更加均匀且分辨率更高。
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DTS:X标准下的7.1.4扬声器布局

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DTS:X标准下的13.1.10扬声器布局,当中采用了30个独立扬声器配置


MPEG-H 3D Audio
然后我们来说说相对较少提及的MPEG-H 3D Audio沉浸式音效格式。MPEG-H 3D Audio是一种非常灵活的音频编码开放标准,适用于各种扬声器布局。它主要参考了ITU-R BS.2051-3的推荐规范,用于节目制作的高级音响系统。它有四种关键的沉浸式扬声器布局方式,分别是:
• "音响系统C",与Dolby Atmos的5.1.2布局相同
• "音响系统D",类似于Dolby Atmos的5.1.4布局
• "音响系统G",接近Dolby Atmos的9.1.4布局
• "音响系统H",与日本NHK的22.2超高清电视系统一致

需要注意的是,前三种沉浸式音效格式主要适用于蓝光碟片和网络流媒体服务,而MPEG-H 3D Audio主要应用于DVB数字视频广播和ATSC 3.0电视系统,并且也与流媒体服务兼容。不过,RP22推荐规范的主要目标是统一实现Dolby Atmos、DTS:X和Auro-3D的扬声器布局,也包括MPEG-H 3D Audio格式。

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MPEG-H 3D Audio对于高级音响系统的扬声器布局非常详细,总共包括三个层次:较低层、中层和高层。让我逐一为您介绍:
1、较低层包括了LFE扬声器,用来增强低频效果。在音响系统C中,我们有2个较低层的扬声器。
2、中层与聆听者同一层,是我们常用的扬声器配置。在音响系统C中,我们有5个中层扬声器。
3、高层则包括了头顶扬声器,用来创造更加沉浸式的音效体验。在音响系统C中,并没有头顶扬声器。

接下来是音响系统D,它具有4个较低层扬声器、5个中层扬声器和没有头顶扬声器。
音响系统G则更为复杂一些,包括4个较低层扬声器、9个中层扬声器以及没有头顶扬声器。
而音响系统H则是最复杂的配置,有9个较低层扬声器、10个中层扬声器以及3个头顶扬声器。
我知道这些数字可能有些晦涩难懂,所以还是让图片来帮助我们更好地理解吧!

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音响系统C的扬声器配置,包括2个较低层扬声器和5个中层扬声器。

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音响系统D的扬声器配置,包括4个较低层扬声器和5个中层扬声器。

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音响系统G的扬声器配置,包括4个较低层扬声器和9个中层扬声器。

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音响系统H的扬声器配置,包括9个较低层扬声器、10个中层扬声器和3个头顶扬声器。
希望这些图例能够帮助您更好地理解MPEG-H 3D Audio在高级音响系统中的扬声器布局!

扬声器声道位置及对应标识

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在沉浸式音效系统中,各个位置独立扬声器通道具有特定的标识,这是根据RP22推荐规范所确定的。以下是具体标识的示意:
  • 蓝色:代表听众层的标准扬声器位置。
  • 绿色:代表听众层的扩展扬声器位置。
  • 红色:代表头顶层的上层扬声器位置。
  • 橙色:代表高度层的上层扬声器位置。


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设计扬声器位置方法
通过这些不同位置的扬声器,我们可以构建一个统一的扬声器布局。这将有助于创造出一个三维声场,为观众提供身临其境的沉浸式音效体验。
同时,在设计沉浸式音效扬声器布局时,需要考虑以下推荐方法:
  • 设置屏幕扬声器以匹配观看角度,以保持声音和图像的一致性。
  • 根据聆听区域和房间布局,确定环绕扬声器的数量及位置。
  • 安置前置宽扬声器,以连接屏幕和环绕扬声器。
  • 根据天花板的高度及聆听区域,确定上层扬声器的数量及位置。


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这些步骤可以确保沉浸式音效扬声器系统的设计能够最大程度地提供音效的沉浸感。
另外,沉浸式音效系统的声像空间分辨率也有特定的性能要求。根据RP22规范,性能要求如下:
  • 等级1:需要至少5个独立扬声器,即3.1.2配置。
  • 等级2:需要至少11个独立扬声器,即7.1.4配置。
  • 等级3和等级4:需要至少13或15个独立扬声器,其中Auro-3D系统为13通道,其他格式要求至少15通道。
这些性能要求将确保沉浸式音效系统能够提供更为逼真、立体的声音体验。




有关屏幕扬声器摆放位置的建议
根据不同的沉浸式音效格式,推荐的屏幕扬声器水平角度的范围一般在44°到60°之间。这个范围与其他一些推荐视角非常接近,例如美国电影电视工程师协会关于电影投影的推荐视角和UHD 4K数字视频的推荐最大视角。确保前左和前右扬声器的角度与屏幕的视角相匹配非常重要,以确保声音与图像的一致性。沉浸式音效技术让声音定位更准确,混音处理更微妙,因此声音与图像之间的一致性变得比以往更加关键。
如果您希望实现最佳声音与图像的一致性,可以参考ITU-R BS.1909的推荐要求。此外,CTA/CEDIA-CEB23-B家庭影院视频设计推荐规范也提供了关于如何调整屏幕尺寸以实现声画一致性的指引。
建议将前左和前右扬声器尽可能靠近屏幕边缘放置。如果您使用前置投影的方式播放电影,可以将扬声器放置在透声幕的后方。在这种情况下,前左到前右扬声器的夹角可以略窄于观看角度。不过,如果屏幕结构或遮蔽系统可能阻挡扬声器,您也可以将扬声器放置在屏幕两侧之外,尽管这种情况较少见并且会导致水平音频夹角略宽于观看角。实际情况会因特定条件而有所不同,如落地扬声器或屏幕后面的空间有限。但是,请不用太担心轻微的声音和视觉角度不匹配,因为我们的大脑具有“腹语效应”,可以将声音与可能的而非实际的来源关联起来,这有助于我们将声音与屏幕上的画面联系在一起。
如果您的系统主要用于音乐播放,建议将前左和前右扬声器与RSP的夹角设定为60°。这样做可以减轻透声幕对高频声音衰减的影响。不过请注意,如果您将扬声器靠近侧墙,可能需要进行适当的被动声学处理。




当考虑屏幕扬声器的数量时,一般可以选择3个或者5个扬声器
对于一些沉浸式音效格式而言,可以在前中(FC)和前左右(FL/FR)扬声器之间增加额外的“中置”扬声器,分别为前中左(FCL)和前中右(FCR)。但需要注意的是,只有在环绕声处理可以独立输出相应声道信息的情况下,才能使用这两个额外的扬声器位置。
屏幕扬声器数量的选择取决于从RSP的位置所看到的水平视角宽度:
  • 如果水平视角小于或等于40°(从中心偏离±20°,即窄屏),使用3个屏幕扬声器已经足够,而系统中的其他扬声器数量不会受到影响。
  • 如果视角大于或等于70°(±35°,即宽屏),建议使用5个扬声器,而系统中的其他扬声器数量不会受到影响。额外的FCL/FCR扬声器建议放置在前中和FL/FR扬声器之间的半角或半距离位置,以确保扬声器在屏幕上的均匀分布,声源在图像上移动时平滑连贯。
如果视角在40°到70°之间(大多数情况下),可以参考以下指南:
  • 如果环绕扬声器数量小于或等于8个,则建议使用3个屏幕扬声器。
  • 如果环绕扬声器数量大于或等于10个,则建议使用5个屏幕扬声器。

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屏幕扬声器的垂直对齐
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放置侧环绕扬声器(左)和后环绕扬声器(右)的建议

听音位置区域的音箱数量
为了获得更好的音频体验,我们建议根据以下几点来调整聆听区域内的扬声器数量和位置:
  • 聆听区域的大小:一般来说,如果你有一个较大的空间,墙面也较大,那么理论上你需要更多的扬声器来环绕音效。就像是在大的房间里,你可以感受到音乐从四面八方包围着你,仿佛置身于一个奇妙的音乐海洋之中。
  • 聆听区域与房间墙面之间的距离:当听众靠近墙面时,他们可能会离一个扬声器太近,而与其他扬声器的距离相对较远。这样的话会导致某个扬声器的声音过于强势,破坏了整体音效的均衡感。为了让所有听众都能享受到一致的音效和沉浸感,增加环绕扬声器的数量是明智的选择。
  • 座位行数:如果你的房间有多行座位,但每侧墙面只有一个扬声器(比如7.1系统),那么定位感会在不同的座位行产生变化。比如,如果侧面的扬声器与中间的座位行对齐,那么坐在这些座位上的听众会感觉音源来自他们的旁边,而前排听众会感觉音源稍稍偏后,后排听众则会感觉音源稍稍偏前。这样会导致整个听众区域内的音频体验不一致。特别是对靠近扬声器的座位来说,这种差异尤为明显。

因此,增加侧环绕扬声器的数量可以提升声音的分辨率和空间感,让每个座位都能获得更广阔、更真实的声像效果。

增加侧方环绕音箱的数量(右图)即可以在座位间获得更高的声像空间分辨率效果

为了最大化扬声器的利用率,我们可以采取以下方法:
首先,我们需要考虑家庭影院的空间大小、座位数和座位行数。根据这些因素,我们可以超越标准的4个环绕声位置,并增加更多的扬声器。这样做可以提高基于对象的沉浸式音效格式的声像空间分辨率。然而,需要注意的是,当我们观看基于声道的5.1或7.1节目时,并不是所有的扬声器都会发声,只会有一部分扬声器参与。
为了解决这个问题,我们可以利用环绕声处理器中的上混功能。上混处理可以将基于通道的内容扩展到更多的扬声器上。这样一来,不仅可以增加参与发声的扬声器数量,还可以提升整体音效的沉浸感。实际上,上混处理不仅适用于环绕声,还可以根据环绕声处理器的能力,在所有的扬声器位置上实现音效的全方位输出。
此外,如果您的家庭影院中有多排座位,我们可以采用扬声器阵列的方式,将侧环绕扬声器(SL/SR)以阵列的方式放置在两侧墙壁上。这样做可以确保各行座位之间的声像一致性。扬声器阵列通过将相同的信号馈送到多个环绕扬声器上来实现,因此整个扬声器阵列只会有单一通道的音效再现。这种技术通常在商业电影院房间中应用,可以将2或4个环绕声道扩展到沿侧面和后墙分布的多个扬声器,以实现更广泛的环绕声覆盖。但需要注意的是,这种物理阵列会减少基于对象内容的定位效果,所以我们不推荐在家庭影院中使用。
相比之下,软件阵列则由支持处理器进行管理,根据内容的需要进行配置,并为每个扬声器提供独立的控制(例如音量和延迟)。举个例子,环绕声处理器可以为Dolby Atmos内容提供单独通道的输出,以输出给多个侧环绕扬声器;而在Dolby Digital 7.1内容中,可以通过共享输出方式,更有效地构建侧环绕阵列。
无论是选择沉浸式音效系统,还是采用上混处理和软件阵列的组合,我们需要注意的是,扬声器的数量不应超过处理器上的独立扬声器输出通道的数量(除了低音炮和LFE)。这样才能确保每个扬声器都能够获得适当的音频信号和控制,以达到最佳的音效效果。
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独立环绕扬声器通道配置(左)对比阵列侧环绕扬声器(右)
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环绕声扬声器的性能指标包括最大可允许的相互间的水平角度和相互间的声压级差异。这些指标是确保家庭影院中环绕声效果的一致性和平衡性的重要因素。在一个多扬声器环绕声系统中,扬声器之间的角度关系会影响到声音的分布和定位效果。通常情况下,相邻扬声器之间的水平角度应保持在大约120度以内,这样可以确保声音在听众周围均匀分布。如果相邻扬声器之间的角度过大,可能会导致声音的不连贯和分辨率的降低;相反,如果角度过小,可能会导致声音集中在某个区域,影响到环绕声的沉浸感。所以,要选择一个合适的角度来安装扬声器,以获得最佳的环绕声效果。


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