裸眼3D全息技术 让声音触手可及

•图片说明:世界首部3D歌剧去年在德国首演。整台演出最特别的是没有乐队在现场伴奏，伴奏音乐是事先录制好的，经由后期合成之后，通过三维全息技术把伴奏定位到观众席的座位之间。
 


    中国内首个3D全息音频实验室日前落户虹口区的广中路，其主要任务，就是研究与开发3D全息声音技术。这是目前世界上最具革命性的声音还原技术，同类实验室在全球范围内也不多见。日前，记者实地走访了这家实验室—— 三维全息技术 让声音触手可及因为电影，3D全景影像技术如今已经是家喻户晓。不过，你知道什么是3D全息声音技术吗？

    不同于以往的立体声、环绕声概念，所谓3D全息声音技术，就是通过音箱排列而成的阵列来对声音进行还原，重现最自然、最真实的声场环境。举个最简单的例子：在3D电影里，常常会出现物体从银幕飞到观众眼前的镜头，但与此同时，物体飞行时发出的声音却没能跟着一起“飞”过来。而3D全息声音技术要做到的，就是当物体飞到你眼前甚至砸在你脸上时，声音也同时在最近处响起——就像生活中的真实场景一样。这是目前世界上最为先进与成熟的声音还原技术。

    把灯关掉之后，只听得音乐声——不，准确说来，是一般听觉无法达到的那种对声音、甚至对极微的细语之声的还原。这种技术可以让大喊或细语围在你的身边一圈圈打转，可以迅速贴近你的耳边，然后可以感觉到飘远的距离感。

    记者走进这间位于五楼的实验室。大约35平方米大小的房间里，排列着94个蛋形音箱——看上去很像理发店里烫头发用的罩子。这些音箱分成上、中、下三层分布在房间四周，目的是确保空间中上下、前后和左右三个维度里的所有声像位置都能得到准确呈现。

工程师为记者现场播放了几首用3D全息声音技术制作与合成的音乐作品。第一首叫《鬼魂》，把灯关掉之后，只听得音乐声——不，准确说来，是如鬼魅般或大喊或细语的声音围在记者身边一圈圈打转，然后迅速贴近记者的右耳边，耳语几声之后又突然飘远。接下来是一段名为《热带雨林》的作品，鼓点声先在实验室门外响起，然后由远及近，从门缝中传进来，连带着土著人的喊叫声一起慢慢靠近记者身边，仿佛只要睁开眼睛，就能看见土著人在眼前舞蹈。

    另一首作品，则是一段合唱表演。实验室瞬间消失，记者仿佛真的置身于剧场当中，甚至不是坐在观众席上，而是坐在舞台上，与合唱演员只有几步之遥——这种感觉与音量大小无关，而是一种逼真的距离感。

  基于惠更斯理论基础上的波场合成，是3D全息声音的核心技术，这也是一种全新的声音回放技术。

   关于3D全息声音技术，有一个问题不能不提：作为一种最新的声音还原技术，它和原来的立体声、环绕声技术有什么区别？

    首先，从环绕声的效果来看，3D全息声音技术实现的是真正的3D环绕声。理论上说，只有用无数多的声道和音箱才能真实还原现场环境声的声场和声像定位；但在实际应用中，要做到“无数多”是不可能的。所以从上世纪70年代开始，人们发明出了从4声道到11声道等数量不等的环绕声制式。它们有一个共同特点：无论声道数量是多少，所有音箱的位置都处于同一个水平面上，也就是说，它们只能表现出前后和左右这两个维度的声像位置。而SWD-IOSONO实验室里的94声道环绕声，是目前为止最接近理想的环绕声格式——94只音箱由下至上分3层排列在听众席周围，因此可以表现空间三个维度的声像位置和移动效果，称得上是真正的3D环绕声制式。这也是目前世界上其他一些同类实验室采用的环绕声格式。

    不过，如果以为3D全息声音技术和立体声、环绕声的区别只是音箱数量，那就错了。相比于立体声和环绕声，3D全息声音技术对声音的还原范围更广，可以说实现了全覆盖。大自然中，存在着三种最基本的声波传播方式：球面波、平面波和柱面波。某个声源点——比如房间里的一个人——发出的声音，是以球面波传播的，声音有具体的来源，传播距离比较近；当声音传播距离比较远时，就产生了平面波，这时对于同处于一个区域里的人来说，只能辨别声音的方向，而无法分辨出具体的位置；至于柱形波，则是物体在快速运动时形成的声波，比如高铁、赛车以及火箭。无论是立体声还是环绕声，都只能对以球面波传播的声音进行还原，无法表现出声音的速度感和距离感，而3D全息声音技术能够把三种不同声波传播的声音全部还原出来，不仅能够将每一个的声像点在听众的周围重现，而且能够在房间内，房间外和头顶的任意方向，将声音对象准确地定位在三维空间中，让声音触手可及。

    为什么3D全息声音技术能做到这一点？在回答这个问题之前，不妨先认识一个人：惠更斯。这个荷兰人是历史上最著名的物理学家之一，早在17世纪，他就提出了著名的惠更斯理论：在波的传播过程中，总可以找到同位相各点的几何位置，这些点的轨迹是一个等位相面，叫做波面；惠更斯用次波的假设来阐述波的传播现象，提出任何时刻波面上的每一点都可作为次波的波源，各自发出球面次波；在以后的任何时刻，所有这些次波面的包络面形成整个波在该时刻的新波面。

虽然惠更斯很早就提出了这一理论，但直到近十年来，随着电脑计算能力的大幅度提高，以该理论为基础的3D全息声音才得以真正出现。3D全息声音的核心技术叫做波场合成，是一种全新的声音回放技术。声波在空间的分布状态称为波场，波场合成使用音箱（扬声器）阵列，通过一系列电脑的复杂计算，可以合成出任意时刻和任意地点的波场。这就好像三维电影，是把画面分成一层一层之后，利用三维技术重新进行合成和呈现一样，三维声音也可以看做是把声音细分成很多波段，然后分配给不同的音箱来合成与呈现。比如简单的一个“哈——”，就可能被分解成“呵”和“啊”，由不同的音箱来组合之后依次传递。音箱越多，音箱的阵列越密集，声音定位越精确，比如利用3D全息声音技术，可以非常细腻地还原出蚊子在耳边嗡嗡叫的声音。也就是说，通过波场合成进行声音的回放，整个声场的分布是精确真实地合成出来的。

    定位，是3D全息声音技术中一个非常突出的特点。使用立体声和环绕声设备，人们听到的声音不会离开音箱，也就是说，声音源的位置不会发生改变，所以就有剧场里的“黄金座位”一说；但3D全息声音技术依靠波场合成原理，就可以让声音出现在空间里的任何地方——就拿飞机声来说，立体声和环绕声只能还原出飞机绕行的声音，但利用波场合成原理，3D全息声音技术可以做到让飞机的声音出现在空间里的任何地方——也就是说，可以让飞机的声音真正随着其飞行轨迹而动。再进一步说，3D全息声音技术甚至可以把声音准确地定位在并排而坐的两个人中间，以至于一个人会感到声音出现在自己左边，而另一个人听到的声音出现在自己右边。这种效果显然更加逼近真实，因为生活的真实空间就是一个全息的空间，一个人处在真实空间里的不同位置，他听到的声音方向就是不一样的。

    随着3D技术在表演领域的广泛应用，音乐的创作必将因此受到影响，带来作曲方式上的改变。除了构思旋律之外，艺术家需要在前期创作中就考虑到空间关系。

    可以说，3D全息声音技术跨越了从双声道到立体环绕声的所有经验，为声音的塑造和还原开辟了新的空间，也因此被很多业内人士视为今后声音发展的方向。也正因为如此，如何更好地将这一技术投入到实际应用中，成为业内关注的话题。

    在很多人看来，影视作品应该是此项技术应用的热门领域。从效果上看，3D全息声音技术能够最大限度地还原生活中真实的空间环境；从操作上看，目前电影声轨制作普遍采用多音轨录音再后期合成的方式，只要用原始的分轨素材，就能重新制作出具有3D环绕音效的电影声轨，不仅技术上没有障碍，转换成本也不高。SWD-IOSONO实验室的工程师也告诉记者，将3D全息声音与3D全景影像相结合，的确是实验室下一步的研究方向；3D声音技术的准确定位功能，可以弥补3D影像在画外内容上的缺失：在现在的3D电影中，声音无法超越整个银幕的范围，但3D声音可以做到。比如在3D声画合一的电影里，表现一架飞机从画外飞进来时，观众就可能先听到声音在观众席后方响起，越过观众的头顶，飞向银幕，然后再看到飞机出现在银幕上，从而强烈感受到身临其境的意境。

    尽管如此，此项技术要真正应用到影视领域却还为时尚早——和当年的IMAX一样，涉及到影院的设备改造和升级换代，代价不菲。《阿凡达》给IMAX带来了春天，3D全息声音技术在电影院的长驱直入，也要仰仗某一部神作的出现；而相比于对视觉效果的倚重，电影界对于声音效果目前还满足于环绕声阶段。

    更加现实的应用是在剧场。比如在一些大型露天演出场所，声音在传播时会发生损失，混响效果几乎没有，导致坐在前排的人和坐在后排的人在收听效果上有很大差异。通过3D全息技术进行扩声，就可以减少音质的损失，让观众不管坐在什么位置，都能听到比较好的声音效果。这方面的应用在国外已有先例——去年6月底，悉尼歌剧院就举行过一场名为《死亡之城》的歌剧演出。与一般歌剧演出不同的是，乐队被转移到了音乐厅外的一个房间里，腾出乐池来安放3D音响设备，同时在观众席周围也布置了同样的音响设备。乐队的实时演奏经由电脑系统和音响设备进行处理和还原，真正把观众席上每一个座位都变成了“黄金座位”。

     比现场扩声更进一步的应用则是量身打造。同样是去年，在德国，诞生了世界上第一部3D歌剧《Neither》。女高音歌唱家站在舞台当中，观众则在舞台四周围坐一圈，在观众外围是一圈与3D全息声音技术相配套的音箱，大概有60个。整台演出最特别的是没有乐队在现场伴奏，伴奏音乐是事先录制好的，经由后期合成之后，通过三维全息技术把伴奏定位到观众席的座位之间，观众可以感到小提琴的琴声就在自己身前身后响起，造成一种被音乐完全包围的沉浸感。在完成德国的首演之后，去年11月，这部歌剧在香港举行了两场演出。