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《現代電影技術》|沉浸式球幕影院中沉浸聲系統的應用

來源:中國電影科技        編輯:ZZZ    2024-02-21 10:09:33     加入收藏

沉浸式球幕影院除了要實現視覺的沉浸感,還應該實現聲音的沉浸感

  沉浸式球幕影院是沉浸式視頻主要呈現形態之一。根據觀看方式的不同,沉浸式球幕影院又可以分為穹頂式、傾斜式和垂直式。近年來,將球幕和動感座椅、飛行平臺結合的飛行影院越來越受歡迎,它以強烈的視覺沉浸感、聲音包圍感給觀眾留下了深刻的印象。沉浸式球幕影院除了要實現視覺的沉浸感,還應該實現聲音的沉浸感。本文梳理了沉浸聲的概念及其技術路線,調研總結了20多家應用了沉浸聲系統的球幕影院,闡述了沉浸聲系統設計的主要內容,初步回答了如何在沉浸式球幕影院中實現聲音的沉浸感這一技術問題。

  關鍵詞

  沉浸式視頻  球幕影院  飛行影院  沉浸聲  三維聲  全景聲

  1 概述

  2020年8月,國家廣播電視總局提出了“高新視頻”的概念,旨在推動5G環境下“更高技術格式、更新應用場景、更美視聽體驗”的新業態,沉浸式視頻是高新視頻的重要組成部分。在《5G高新視頻-沉浸式視頻技術白皮書(2020)》中提到,球幕、環幕、沉浸式CAVE是沉浸式視頻最主要的呈現形態,而其中球幕是最符合人眼曲面透視規律的一種呈現形式[1] 。沉浸式球幕影院本是特種影院的一種,多見于天文館、科技館等科普場館。近年來,將球幕和動感座椅、飛行平臺結合的飛行影院越來越受到觀眾的歡迎,它以強烈的視覺沉浸感、聲音包圍感給觀眾留下了深刻的印象,懸空的推出式座椅和震動、墜落、吹風、噴水、撓癢等多種特效,配合影片動作情節可以產生豐富多樣的體感,為觀眾帶來前所未有的沉浸式觀影體驗。

  沉浸式球幕影院坐落在一個鋼結構球體內,觀眾置身其中,被半球形銀幕或切掉部分的碗形幕所包圍。根據觀看方式的不同,球幕又可以分為穹頂式、傾斜式和垂直式:穹頂式球幕,觀眾一般仰躺著觀看,如天文館星象廳里的球幕;傾斜式球幕,觀眾一般坐在階梯座椅上觀看,如IMAX球幕影院;垂直式球幕,觀眾一般坐在懸掛座椅上或站立在觀景平臺上觀看,如飛行影院[1] 。

  沉浸式球幕影院的視頻系統通過一臺或多臺投影機,在球形銀幕上投影出完整連續的畫面,表現出高分辨率、廣視角范圍的顯示效果,帶來強烈的沉浸感與真實感。目前新建的球幕影院,畫面分辨率達到8K,對于180°水平視場角的球幕而言,7200的水平分辨率對應的最小像素夾角為1.5弧分,符合國際天文館協會(IPS)對球幕“精確辨別”的建議[1] [2] 。此外,由于曲面透視的原理,球幕本身可以較好地實現裸眼立體的效果,還有的球幕影院加入了3D立體效果,如夢幻長城球幕影院和“720穿越飛船”項目。因此從視場角、分辨率、立體效果等幾個方面來看,沉浸式球幕影院的視覺沉浸感已經實現得比較成熟,那聽覺的沉浸感如何實現呢?本文旨在探討在沉浸式球幕影院中實現聲音沉浸感的必要性和方法。

  2 沉浸聲系統的概念

  盡管從立體聲發展到了5.1/7.1聲道,實現了音響空間上的巨大進步,但傳統的聲音系統距離真實的聲場仍然有不小的距離。因為傳統的立體聲和5.1/7.1環繞聲,只能重放水平方向來的聲音信息,例如5.1是通過在人耳高度上的5只揚聲器實現水平方向上360°包圍的效果,但是不能實現垂直方向上的覆蓋。而真實世界的聲音來自四面八方,人耳可以通過聲波的時間差、強度差、相位差、頻率差等辨別聲音的方位。為了再現一個更接近真實世界聽覺感受的聲學環境,或者創造一種僅在虛擬空間出現的、經過增強的現實世界體驗,可以通過聲音的捕捉、合成和渲染得到沉浸式聲場,再通過沉浸式聲音重放系統進行再現[3] 。

  關于沉浸聲的概念,目前有很多相關名詞,如電影領域里說的全景聲(特指杜比全景聲)、多維聲(特指中國多維聲),廣播電視領域里說的三維聲、3D Audio以及VR和游戲領域里說的空間音頻,這些名詞都是指的沉浸聲系統。沉浸聲的技術主要有三大類:基于聲道的音頻(Channel-based Audio,CBA)、基于對象的音頻(Object-based Audio,OBA)和基于場景的音頻(Scene-based Audio,SBA)?;诼暤赖募夹g制式主要有THX 10.2(2+8+0的揚聲器布局,即2只上層揚聲器、8只中層揚聲器、0只下層揚聲器)、Auro 3D(5+5+1的揚聲器布局)和NHK 22.2(9+10+3的揚聲器布局)三類?;趯ο蟮募夹g是目前主流的沉浸聲技術,如電影領域的杜比全景聲、DTS∶X、AuroMAX、HoloSound(國產)、Wanos全景聲(國產)等,以及在廣播電視領域的MPEG-H、AVS2-P3(國產)等?;趫鼍暗募夹g則主要用于游戲和VR領域,其核心的底層算法是Ambisonics。用于劇場劇院和演出行業的沉浸聲系統,有的也使用高階Ambisonics(簡稱HOA)技術作為底層技術,如L-ISA、Spat Revolution、音王(國產);還有的使用波場合成WFS技術,如IOSONO、HOLOPHONIX、Astro Spatial Audio等。

  3 球幕影院聲音系統現狀

  經調研發現,現有的沉浸式影院大多還是傳統的5.1聲道環繞聲系統,并沒有使用沉浸聲系統。最近幾年新建或改建的沉浸式影院,有一些運用了沉浸聲系統,但是聲道的數量和揚聲器布局并沒有統一的標準,筆者對目前國內的沉浸式球幕影院做了調研和統計,列出了使用沉浸聲系統的球幕影院(含飛行影院)項目情況,詳見表1。

表1  沉浸式球幕影院(含飛行影院)應用沉浸聲系統的情況列表      

  此處,筆者想澄清幾個容易被混淆的概念:節目的聲道數、還音系統的聲道數和音箱數量是三個不同的概念。往往宣傳中說該項目擁有20聲道的聲音系統,最后核實下來其實就是一個5.1系統,之所以會相差懸殊,除了吸引眼球而故意宣傳的情況外,對上述三個概念不清晰是影院建設方或者運營方常有的問題。節目的聲道數是指節目制作和母版輸出的聲音信號數量;還音系統的聲道數是指系統能單獨接收信號的通道數量;而音箱數量是指使用揚聲器的數量。這三個數字往往是一個比一個大,還音系統的聲道數可能大于節目的聲道數,而音箱數量往往又大于系統聲道數。例如,某球幕影院的還音系統支持8個聲道的輸出,卻總共用了19只揚聲器,分別是銀幕揚聲器3只(對應3個聲道)、超低揚聲器4只(對應1個聲道)、環繞揚聲器12只(對應4個聲道),這么看該影院是可以支持7.1聲道節目還音的(8個聲道),但是實際上,該影院只有5.1聲道的節目源,因此只能說該影院的聲音系統是5.1聲道。

  表1中有一些球幕影院,如北京天文館、內蒙古科技館使用了基于通道的技術,比如7.1聲道,是在傳統5.1聲道的基礎上增加2個頂部聲道構成的沉浸聲系統?;诼暤赖姆绞皆诹Ⅲw聲以及環繞聲的音頻制作中被廣泛使用,但是它對揚聲器布局絕對依賴,聽眾只有在很小的區域內(即通常所說的“皇帝位”)才能聽到最佳的聲音效果,而且要求制作與重放的揚聲器布局及聲學環境一致,因此靈活性不高。從表1中統計的結果來看,絕大多數沉浸式影院的沉浸聲系統使用了基于對象的音頻技術,如夢幻長城球幕影院、融創飛行影院系列、首望“720穿越飛船”項目等?;趯ο蟮囊纛l技術的核心組成部分是元數據,它記錄聲音的位置、擴展度、運動特性,把這些元數據存儲并傳輸到終端,渲染后再進行重放。和基于聲道的實現方式不同,基于對象的音頻技術不受還音條件(諸如音箱數量和布局)的限制,渲染器可以讀取音頻對象的元數據信息,使得同一母版能夠適配各種空間的各類還音系統,但前提是制作端和重放端使用相同格式(至少是兼容)的渲染器或渲染模塊。

  4 沉浸式球幕影院的沉浸聲系統設計

  如何在沉浸式的球幕影院中實現沉浸式的聽覺效果呢?首先要從沉浸聲系統設計開始。

  對于沉浸式球幕影院而言,除了沉浸聲系統的設計之外,還有聲學設計、視頻系統設計和建筑設計等環節。這些設計環環相扣,相互影響。要想獲得極致的沉浸式視聽體驗,沉浸聲系統設計需要建立在良好的建筑聲學環境和視覺環境基礎上,還要精心設計揚聲器的布局,對揚聲器進行嚴格選型,同時還要考慮銀幕的位置、畫面中心區域、觀眾區位置、俯仰角、視線、最佳視點等因素之間的關系,設計難度較大,且缺少相關的標準和實施指南。根據以往參與實施的多個大型沉浸式影院項目的設計和建設經驗,在此分享一些沉浸式球幕影院中沉浸聲系統設計的主要內容。

  4.1  聲音制式及聲道數量

  沉浸聲系統設計首先要確定沉浸聲制式和聲道數量。沉浸聲制式可以根據項目規模、建筑情況、投資情況等來確定。推薦使用基于對象的沉浸聲技術,杜比全景聲、DTS∶X、AuroMax、HoloSound、Wanos這些沉浸聲制式都在標準電影院中成功商用了,其中最成功的是杜比全景聲。不過杜比全景聲多用于標準影院(方形房間),較少用于球幕影院,其制定的設計流程和施工標準都是針對標準影院。雖然家庭版全景聲考慮了圓形布局,但是并不適用于球幕影院這樣的大空間。DTS∶X、AuroMax和HoloSound制式支持球形空間的揚聲器布局和聲場渲染,但是從調研結果來看,應用的案例都不多。目前關于球幕影院的沉浸聲方面還沒有相關的標準出臺,球幕影院的節目也基本上以本地播放為主,未來若想要接入超高清電視節目、全景VR直播的沉浸式影院,在選擇的時候就要考慮沉浸聲系統是否支持信號傳輸的要求,最好選擇具有編解碼方案的沉浸聲系統。

  對于聲道數量,國際巨幕協會出臺的數字沉浸式大銀幕規范DIGSS V2.0對球幕影院聲道的建議為5、6、7或12,而對于更高需求的沉浸聲系統見表2最右一列全景式,至少需要配置12個聲道[4] 。根據《5G高新視頻-沉浸式視頻技術白皮書2020》中的規定,沉浸聲系統推薦不低于為5.1.4聲道,即10個聲道的多聲道還音能力,推薦使用更多聲道及帶有對象和場景信息的各類三維聲還音系統配置[1] 。對于要求較高的項目,想要實現極致的沉浸聲效果,根據實際經驗,一般16個聲道方案是能滿足多數項目需求的。尺寸較大的特效影院,32個聲道已足夠[5] 。

表2  DIGSS V2.0中對平面影院和

球幕影院音頻指標的規定

  4.2  揚聲器布局

  確定了沉浸聲制式和聲道數量后,需要根據建筑本身的情況確定揚聲器具體的布局。對于沉浸式球幕影院,揚聲器的布局需要根據球幕的傾角、觀眾位置和主畫面的位置來確定。

圖1  德國漢堡天文館現場照片,

采用60.4聲道沉浸聲系統[6]

  在穹頂式的球幕中,觀眾一般仰躺著觀看節目,揚聲器可以按照3~4個高度不同的圓環來設置。最低一層的圓環位于最接近觀眾的水平面上,間隔一定高度再設置一層圓環,以此類推。穹頂的最上方極點處一般會設置一個專門的聲道,叫做上帝聲道[6] 。揚聲器均勻分布在各層圓環上,一般最下面一層環繞聲道的數量最多,上層環繞聲道的數量較少。

表3  德國漢堡天文館60.4聲道

沉浸聲系統的揚聲器布局[6]

  傾斜的球幕影院,例如IMAX球幕影院,觀眾一般是坐在階梯座椅上觀看節目,揚聲器一般分主聲道和環繞聲道。主聲道一般應包含至少5個前方聲道(左、左中、中、右中、右),高度位于最佳視點的附近,一般是主畫面的2/3垂直高度,環繞聲道一般分布在中層(觀眾同高)和上層(也稱為頂部)。

圖2  夢幻長城球幕影院的揚聲器布局(東方佳聯提供)

  立式的球幕影院,例如飛行影院和碗幕等(圖3),觀眾一般是坐在動感座椅上或者是站立著朝正前方觀看,揚聲器可以按照4~6個高度不同的半圓環來設置,均勻覆蓋畫面所在的整個半球體,觀眾所在區域的側面和后部,也應配置1~2圈揚聲器作為環繞聲道的呈現,球體的底部和頂部(如有)應設置相應的揚聲器。

圖3  某飛行影院的揚聲器布局(萬達提供)

  4.3  沉浸聲制作系統

  沉浸聲系統要想展示出較好的沉浸感,還得有精心制作的沉浸聲節目?;诼暤赖某两暪澞慨斎痪褪嵌嗦暤赖囊纛l文件;基于對象的沉浸聲節目除了有多聲道文件(稱之為聲床)之外,還有多個音頻對象的素材元數據文件;而基于場景的沉浸聲節目就是一個打包好的聲場。那么用什么工具來制作沉浸聲呢?沉浸聲制作系統一般包括音頻工作站(含軟件及插件)、視頻工作站、音頻接口、調音臺、沉浸聲渲染設備、預混監聽(制作棚)、終混監聽(影院本地)等設備。

  沉浸聲節目的制作可以使用Pro Tools、Pyramix、Logic、Nuendo、Reaper等常用的音頻工作站,再配合支持沉浸式聲音制式的渲染引擎和制作插件,如杜比全景聲、HoloSound、Wanos等制式都有沉浸聲制作的渲染引擎和制作插件。需要注意的是,有些沉浸聲引擎或插件并不能適配所有的工作站,例如IOSONO的格式只能使用Nuendo來進行聲音制作,而不支持Pro Tools工作站。此外,音頻工作站還需要原生支持沉浸式的Panner,或者支持安裝3D Panner插件,用于控制聲音在三維空間中的運動軌跡。

  對于小型沉浸聲制作系統而言,一般由音頻接口與音頻工作站配套使用,連接音頻渲染器、音頻處理器等設備,滿足相應的輸出通道給監聽系統。音頻接口可選模擬或數字音頻接口,目前較多采用MADI協議的數字音頻接口,每個MADI接口可以同時傳輸64通道高質量的音頻信號。

  大型的影片制作系統需要多臺音頻工作站(放機、錄機)和視頻工作站聯動協同工作,系統的連接方式可借鑒電影混錄棚的系統設計。同時,還需要配備大型的調音臺,供混音師精細調整聲音的均衡、音量、延時、混響等參數。因為需要同時控制多軌聲音的各個參數,所以聲音制作的調音臺至少要有32個推子,大型影片則要配備帶有64個或更多推子的調音臺。

  沉浸聲渲染引擎是沉浸聲系統的核心設備,它將聲音對象在三維空間中的元數據進行編輯和記錄,并將所有的分軌聲音合成為一個聲音母版文件,在還音時再由解碼器將聲音渲染還原。一般每個沉浸聲制式會有自己專用的渲染引擎,有的基于Windows操作系統,有的基于macOS,還有的基于Linux。渲染引擎最核心的模塊是算法,功能強大的引擎可以支持多種算法,如聲像定位的算法VBAP(基于矢量的振幅定位)、DBAP(基于距離的振幅定位),如渲染的算法HOA(高階Ambisonics)、Binaural(雙耳化)以及去相關的算法等。強大的算法是最終呈現聲音效果的關鍵,也是渲染引擎軟件能力的體現,同時穩定性、運算速度和精度、接口的多樣性是渲染引擎硬件能力的體現。

  預混監聽(制作棚)一般為小型混音環境,對聲音進行編輯制作和預混合。預混監聽環境可以按照ITU-R BS.2051-1以及GY/T 316-2018中的要求來設置,例如5.1.4聲道對應10個聲道。沉浸聲的監聽也可以使用雙耳化技術來實現,通過虛擬三維耳機仿真模擬人耳在沉浸聲影院里的聽覺感受,但是目前其聲場還原的準確度和真實感還有待提高。

  終混監聽(影院本地)應該在目標影院的環境中來完成,一般由影院還音系統來播放音頻工作站中的分軌文件,在這個環境中對影片的音樂、音效、語言進行最終精細調整。

  4.4  音頻播放系統

  音頻播放系統包括媒體服務器、音頻解碼器和音頻處理器。目前球幕影院常用的媒體服務器一般可以支持5.1和7.1聲道的音頻輸出,但是不支持沉浸式聲音的解碼輸出,因此需要有專門的音頻解碼器來負責聲音的播放。音頻解碼器一般需要和制作時的渲染設備相匹配,以確保將打包好的音頻母版文件進行正確的解碼處理,再按照目標影院的揚聲器設置進行渲染,讓還音系統能正常地回放出制作時的聲音感覺。音頻處理器負責揚聲器的信號調校處理,有的音頻解碼器本身就具有揚聲器信號處理的功能,音頻處理器可以省略。

  4.5  還音系統

  還音系統包括功放及揚聲器,其設備選型需結合項目情況確定。根據國內數字影院技術標準和國際巨幕協會對沉浸式數字影院做出的規定,沉浸式影廳各聲道的基準聲壓級確定為 85dBC, 主揚聲器的峰值聲壓級為 105dBC(參考電平為-20dBFS),次低頻揚聲器的峰值聲壓級為 110dBC。選擇功放揚聲器的時候要滿足上述聲壓級,且功放的額定輸出功率≥1.5倍所對應的揚聲器額定功率(或滿足所對應的揚聲器工廠推薦的功率)。

  頻響可參考國內數字影院技術標準和國際巨幕協會對巨幕影廳和球幕影廳的指標要求,規定主揚聲器的頻率響應需滿足 30~16kHz (+3/-6dB),環繞揚聲器的頻率響應需滿足 40~16kHz (+3/-6dB),次低頻揚聲器的頻率響應需滿足25~120Hz。

  沉浸聲系統中每個揚聲器包括環繞揚聲器都扮演著很重要的角色,因為聲像定位和移動往往需要多只揚聲器共同發聲來實現,因此揚聲器能夠覆蓋的觀眾區域就變得比較關鍵了。在揚聲器的選型中,一般需要盡可能地選擇水平和垂直覆蓋角度大于100°的揚聲器。

  4.6  其他因素

  (1)建筑聲學:球幕影院由于使用球形銀幕,對聲音或多或少會有反射作用,很容易造成聲聚焦的問題,因此要特別小心。為了獲得良好的室內音質,需要對混響時間、混響時間頻率特性和聲場均勻性進行控制,還要控制回聲、 顫動回聲、 聲聚焦、諧振等聲缺陷[7] 。

  (2)房間均衡和校正:校正揚聲器的頻響和時延對沉浸式球幕影院而言尤為重要,因為房間的反射會影響觀眾最終聽到的聲像定位、空間感和音色,未校正過的還音系統可能導致聲音發悶、變薄等。

  沉浸式影院的聲音系統設計往往要和建筑、結構、暖通、電氣、弱電、裝修等多個專業配合,以確保整個空間功能實用且合理,裝飾美觀且安全,觀眾體驗舒適而又充滿驚喜。

  5 結語

  事實上,由于服務場所、用途、規模、投資和主要呈現內容的不同,各個沉浸式球幕影院之間配套的沉浸聲系統往往具有很強的獨立性和定制性,在設計階段就需要和使用方、節目制作方及項目實施方進行充分的討論溝通,平衡節目制作、實施難度、還放效果和資金投入等多方面的因素,最終選擇最適合的沉浸聲方案。無論選擇哪種沉浸聲實現方案,都將是對設計、制造、施工、最終體驗等環節的全方位考核。

  在國家大力推進沉浸式視頻發展的大環境下,原來簡單以“特種電影”身份出現的各類沉浸式球幕影院,將迎來一場快速的市場爆發和技術的更新迭代,并最終以其無與倫比的沉浸式節目內容和強大的沉浸式視聽體驗征服觀眾。根據沉浸式視頻的發展規劃,在未來3~5年內,將實現沉浸式視頻進社區、進家庭的暢想,彼時也許可以實現足不出戶就體驗到或真實或奇幻的另一個世界。其中,沉浸聲系統所營造的聽覺沉浸感一定是必不可少的因素,且將建立在更加靈活便捷的揚聲器系統和更小型甚至芯片化的渲染設備基礎上。目前,沉浸聲系統的應用規模和數量還有很大的提升空間,沉浸聲項目的設計和內容的制作、相關技術和產品的研發也還需要實現新的突破,而這需要技術人員的共同努力,才能讓這個行業發展越來越好。

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