簡介：
本文簡單介紹了環繞聲基礎知識，還介紹了各種雙聲道虛擬環繞聲（多聲道）的技術。最近突然對虛擬環繞聲感興趣，整理了一下相關知識。
- 何爲環繞聲
普通的立體聲只能分清左右兩個方向的聲音，而環繞聲還能讓人聲音的前後左右各個方位，更有空間感彷彿置身於現場。常見的環繞聲主要有 5.1 聲道與 7.1 聲道兩種，要重現環繞聲也相應的需要 6 個或者 8 個音箱。
電影中最常見的環繞聲格式是杜比數字和 DTS，兩者是競爭對手關係，電影 DVD 中一般包含有其中一種或者兩種音軌都有。此外，這兩種格式也有多個不同的版本，這裏就不作詳細介紹。
除了這兩種格式之外，部分藍光光盤也提供 LPCM 格式的音軌，這是一種未經壓縮的音頻格式，體積最大。壓縮後的音頻解碼成 PCM 格式才能播放，所以這種格式無需解碼。理論上 LPCM 格式無壓縮音質好，無需解碼，是最理想的格式，但由於光盤容量是有限的，音頻體積大會擠佔視頻的空間。可以計算 96kHz 採樣率，24 位採樣精度，7.1 聲道的 LPCM 音軌每秒數據量是
96k * (24 / 8) * 8 = 2.3MB
那麼一部 90 分鐘的電影僅音頻就佔用了約 12.4 GB 空間，而單面藍光光盤才 25GB。折中辦法是無損壓縮，類似於 zip 文件解壓後可以 100% 還原成壓縮前的文件，杜比和 DTS 都推出了相應的音頻格式，分別叫杜比 TrueHD 和 DTS-HD Master Audio。這兩種格式除了需要解碼之外，和 LPCM 音質沒有區別。
說到無損壓縮我們常見的音樂中還有 APE 和 FLAC。APE 不支持多聲道，FLAC 可以支持，理論上也可以用於電影光盤，但是沒有商業化產品支持，所以沒有得到應用。FLAC 是免費、開源的音頻格式，但目前還沒有電影公司採用，沒有播放器、解碼器以及音響設備支持。網上已有字幕組使用 FLAC 製作多聲道的電影文件，目前只能在電腦上軟件解碼。
回放環繞聲的方法：
多聲道音箱。需要多個音箱，而且擺位要正確，但效果最好。
多單元耳機。多個揚聲器單元放在一個耳機上，產品很少。
虛擬環繞聲。經過算法處理成立體聲，用普通耳機回放，下面將詳細介紹。
2. 虛擬環繞聲
這裏只討論把多聲道音頻經過算法處理變成立體聲的虛擬環繞聲，還有一類是把立體聲音頻經過算法處理使其具有空間感（很多音效宣傳具有此功能）的技術，個人覺得後者無意義只能算是一種音效。
虛擬環繞聲都是基於 HRTF（Head Related Transfer Functions）頭部相關傳輸函數來實現的，只是各家的算法以及測量數據有差異，效果也就各不相同。關於 HRTF 引用數碼多上的簡單介紹：人耳在接收到音源發出的聲音時，人的耳廓、耳道、頭蓋骨、肩部等對聲波的折射、繞射和衍射以及鼓膜接收到的信息會被大腦所接受，大腦通過經驗來對聲音的方位進行判斷。根據這一原理，通過信號處理的數學方法，我們構建了 HRTF（Head Related Transfer Functions）頭部相關傳輸函數，根據多組的濾波器來虛擬實現人耳接收到的“位置信息”。關於 HRTF 的詳細原理，數碼多上同樣有一篇文章 HRTF音頻3D定位技術綜述。有了這個基礎知識，我們就可以分析各種各樣的虛擬環繞聲相關技術。
2.1 人頭錄音（Dummy head recording）
一般錄製環繞聲音頻需要使用多個麥克風，例如 5.1 聲道至少需要 5 個麥克風，而一般音樂是雙聲道兩個麥克風。人頭錄音也是使用兩個麥克風錄音，但是模擬了人頭聽音的效果，相當於把兩個麥克風放在人的耳朵裏面。因爲就算是多聲道的音箱，人最終都是靠兩個耳朵來聽，所以在最理想的情況下人頭錄音是可以達到真實環繞聲效果的。但是現實都是不完美的，首先人頭錄音要求回放時必須使用耳機（錄音時麥克風也是放在耳朵裏），保證聲音沒有串擾；其次每個人身體有差異，大腦對聲音的判斷也不同，錄音不可能按照每個人去完美適配。這就造成了人頭錄音，包括下面提到的虛擬環繞聲技術，效果都不如多聲道音箱理想。
2.2 遊戲 3D 音效
很多遊戲也有 3D 音效，計算遊戲場景中多個音源（腳步聲、遠處動物等等）與環境相互作用的效果（反射、阻礙等等）得出遊戲中玩家所在位置的全方位聲音，這個聲音可以認爲是環繞聲的，然後這個聲音經過 HRTF 處理得到立體聲輸出，當然也可以直接編碼成杜比或 DTS 輸出到外部多聲道音箱。創新的 EAX 以及以前的 Aureal 3D 音效就是屬於這一類。
2.3 虛擬環繞聲回放
很多廠家有類似的技術，例如 Dolby Headphone、DTS Surround Sensation、索尼 Virtualphones Technology 等等，都是把多聲道的各種格式音頻（杜比/DTS/LPCM等）解碼並經過自家的基於 HRTF 的處理技術轉換成立體聲，然後用戶可以使用耳機回放。下面簡單介紹一下兩種常見場景：
視頻播放器集成 HRTF 插件。就是視頻播放器解碼完多聲道音頻後，再經過 HRTF 處理成立體聲輸出。例如 PotPlayer 裏面有一個音頻輸出選項叫“虛擬環繞（HRTF）”，PowerDVD 也帶有 Dolby Headphone 插件。
外部解碼器。杜比/DTS/LPCM 等多聲道音軌通過光纖或 HDMI 輸出到帶有虛擬環繞聲處理功能的解碼器播放，然後輸出到耳機。例如搭載有 Dolby Headphone 的遊戲耳機，索尼的 MDR-DS 系列搭載有 Virtualphones Technology 技術的耳機。
3. 總結
總的來說，靠譜的虛擬環繞聲技術都是通過把原始多聲道音頻經過 HRTF 處理得到的，比直接 downmix 到雙聲道空間感要強，但感覺還是不太自然，效果最好的還是多聲道音箱。如果想體驗 Dolby Headphone 的效果，這篇文章裏面提供有在線試聽 5.1 channel audio through ordinary headphones using MPC-HC。
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