還原真實音場的3D環繞音效晶片技術 智慧應用 影音
TERADYNE
ADI

還原真實音場的3D環繞音效晶片技術

  • DIGITIMES企劃

針對Ultrabook、平板、PMP、智慧手機等可攜式裝置以及耳戴耳機所推出的環繞7.1聲道音效晶片(Conexant)
針對Ultrabook、平板、PMP、智慧手機等可攜式裝置以及耳戴耳機所推出的環繞7.1聲道音效晶片(Conexant)

由於平板、智慧手機等僅具備單音或立體聲雙喇叭情況下,廠商憑藉著複雜專利的演算法技術,以可攜式裝置的CPU/DSP輔以軟體或硬體加速輔助方式,在一般立體聲喇叭╱耳機,並搭配遊戲的支援來呈現模擬出家庭劇院級的5.1?7.1聲道的環場音效;同時也設計出可連接手機、平板的外接式音效模組,提供行動裝置的3D環繞音場的效果….

環繞音效技術源自電影 由杜比與DTS雙雄爭霸

廠商開發出能將既有2/5.1/7.1聲道的音訊來源編碼、模擬出9.1甚至11.1聲道的3D環場音效技術 (DTS)

廠商開發出能將既有2/5.1/7.1聲道的音訊來源編碼、模擬出9.1甚至11.1聲道的3D環場音效技術 (DTS)

經杜比耳機認證,可從雙耳聆聽7.1聲道環繞音效的Sharkoon X-Tatic 3D環繞音效耳機(Sharkoon)

經杜比耳機認證,可從雙耳聆聽7.1聲道環繞音效的Sharkoon X-Tatic 3D環繞音效耳機(Sharkoon)

音效是電影工業中呈現戲劇張力的精髓。1965年由雷.杜比創辦的杜比實驗室(Dolby Lab)鑽研電影音效技術,在1987年推出數位化的Dolby Digital杜比數位音效技術;而1991年由大導演史提芬.史匹伯(Steven Allan Spielberg)所創立的DTS Inc(Digital Theater Systems),也加入數位電影音效的角逐。最早的Dolby Digital 5.1(AC-3)與DTS 5.1標準聲道系統,由左前(LF)、右前(RF)方兩個前置立體聲道,加上左後(LR)、右後(RR)兩個後置立體聲道,結合正前方獨立中央聲道(Center)與一組20~120Hz重低音聲道(Woofer)五個不同的喇叭所組成。

邁入藍光(Blu-ray)影碟時代,除了影碟內容解析度提高到FullHD(1920x1080p)之外,音效編碼格式也進化到7.1甚至8聲道(96Khz),也就是在正左(L)與正右方(R)各追加一組喇叭輸出,而演進成為現今最新的Dolby Digital Plus 7.1(E-AC3)和DTS ES Discrete 7.1規格,甚至更進一步導入無失真壓縮的Dolby TrueHD與DTS-HD Master編碼規格。只要搭配支援7.1聲道的播放軟體、放大機與喇叭組合,就能觀賞7.1聲道的藍光影碟,享受浸潤式的3D環場音效。

目前在家用劇院的市場主流,甚至是桌上型電腦,仍以7.1聲道環繞音效技術為主。Dolby與DTS這兩大音效處理技術╱編碼規格迥異,但各自都具備向下相容的播放能力,也就是採7.1聲道錄製編碼的Dolby Digital Plus/Dolby Surround 7.1、Dobly TrueHD的影碟,或DTS-EX/DTS HD Master Audio 7.1影碟,即便在舊的5.1聲道放大機╱喇叭上,仍可順利解碼並呈現5.1聲道播出。在以往DVD時代,大多數影碟的音效技術╱編碼格式大部分採用Dolby Digital;而在藍光影碟時代,DTS-HD的藍光影碟佔有率較高。

許多放大機也會支援Dolby或DTS兩家音效編碼技術。而相關技術與驗證標準,也從大螢幕也逐漸下放到家庭劇院,成為各音響放大機、等化器、喇叭組、DVD與藍光(Blu-ray)影碟編解碼播放的標準,近年來更擴大到桌上型電腦、筆記型電腦、平板電腦、智慧手機與可攜式裝置的音效技術的市場爭奪。兩大劇院音效廠商,也正積極開發更多聲道的環繞音效技術。像是DTS Dolby Pro LogicⅡ,首度將音效處理技術提升到9.1聲道,而DTS的NEO:X則增加了Front Height與Wide共四支喇叭,可將2.0/5.1/6.1/7.1聲道的LPCM音訊轉換為9.1甚至11.1聲道,而且針對不同使用情境提供Cinema、Music、Game操作模式。

運用HRTF技術的3D環繞音效技術

受限於一般桌上型電腦、筆記型電腦平台,以及平板電腦、智慧手機等可攜式行動平台的空間擺設或平台體積限制,不可能去設計或外接出5.1?7.1個喇叭來呈現3D環場效果。廠商利用所謂Head Related Transfer Function;HRTF),利用人類位於3D立體空間中,各種聲波以幾千?幾萬分之一秒的差距先後傳達到耳朵,由大腦可以分辨出那些細微的聲波型態並差換算成聲音在空間裡的位置來源。因此藉由軟體演算法則,以消耗桌上型╱筆記型器電腦CPU或可攜式裝置的CPU/DSP的方式,計算各種聲波發音來源,累加各種聲波並組合轉換成能以單音或立體聲喇叭呈現出來的訊號;也就是當用戶戴上耳機或者只能外接一組立體聲喇叭情況下,也能藉由HRTF的3D環繞音效合成技術,模擬出具備5.1甚至7.1聲道的3D環場音效的效果。

在1980年初期,由美國休斯飛機公司(Hugh Aircraft)旗下研究機艙內通訊技術的實驗部門SRS Lab,開始將軍用通訊╱音效技術轉移到民間。SRS Lab擁有多項環場音效的專利技術與處理晶片,且在1990年代授權給像是SONY、RCA等電視公司應於於電視機。相同時期另一家競爭的公司像QSound Labs,也開發出像是Q3D等類比音效晶片。他們的特質是無須內容來源、軟體格式上的支持,透過後端將音源訊號的部份訊號分離、強化處理,來達成環場音效的效果。威盛也獲得QSoundLabs授權,應用於其Vinyl音效晶片,並具備8聲道環場音效。

1995年Aureal Semiconductor針對PC個人電腦,開發出運用HRTF技術開發出Aureal3D(A3D)技術的Vortex環繞音效晶片,採用美國國家航空及太空總署(NASA)開發的聲波追蹤(Wavetracing algorithms)演算法,利用障礙物對聲波的反射(Reflection)、混響(Reverb)、阻塞(Occlusion)等自然界現象,精確呈現出擬真的的環境音效。Aureal也開放自己的A3D API給遊戲開發商,來開發出具備3D環繞音效的遊戲。Diamond Multimedia公司曾推出採用Aureal Vortex音效晶片、PCI界面的Monster Sound音效卡。PC音效卡龍頭新加坡創新科技(Creative Labs)也以子公司E-mu為好萊塢開發的音效技術為基礎的環境音效延伸(Environment Audio eXtension,EAX)來應戰。

經過一番專利訴訟與併購過程,Creative於2000年9月併購並取得A3D技術。QSound Labs於2010年賣掉其圖形處理部門後,轉型成演算法IP智財授權公司,專供Android智慧手機的音效技術授權。DTS則於2012年7月購併SRS實驗室,擁有1,000多項音源前置╱後製╱環場音效等專利IP智財。

針對平板╱手機行動裝置的3D環繞音效晶片

Dobly、DTS雙雄分別針對OEM、ODM廠商,無晶圓廠IC設計公司授權,針對桌機、筆電、平板、手機等採雙喇叭應用環境,分別推出Dolby Digital Plus─Mobile╱DTS Ultra Mobile技術。像科勝訊(Conexant)開發針對Ultrabook、平板、多媒體播放器、智慧手機等可攜式裝置的杜比環繞7.1聲道音效晶片,提供Class-D喇叭與Class-G耳機訊號放大器;同時針對發燒遊戲玩家的耳戴式耳機,推出CX20873 DSP數位訊號處理器的音效晶片。

台灣驊訊電子(C-Media) CMI8768+/8770音效晶片分別支援Dolby、DTS 5.1聲道技術,CMI8788則同時支援Dolby Digital Live 5.1聲道、Dobly Master Audio與DTS Connect╱DTS Neo:PC的7.1聲道轉雙聲道輸出;以及像CMI6620A/6632A等 7.1聲道USB Audio晶片,開發商可開發出連接USB/Micro-USB接口的USB音效週邊╱外接盒。至於高通(QualComm)則是DTS前置處理技術應用於MSM8960、QDSP6晶片,DTS-HD 7.1解碼技術則應用於MSM8974晶片。

Dolby/DTS雙雄同時授權耳機廠商,運用Dolby HeadPhone╱DTS HeadPhone技術,將5.1或7.1聲道虛擬轉換成以既有立體雙通道輸出的能力,也可以對多聲道影音或遊戲內容解碼並提供真實的多聲道環場音效。這類型環場音效耳機,多半設計成透過USB傳輸線,或支援WiFi無線傳輸的方式,避免一般藍牙傳輸耳機因為傳輸頻寬的限制,而無法傳送複雜的7.1聲道合成運算的音效訊號。

超微(AMD)最新發表的AMD Radeon R9 290X╱280X╱270X獨立繪圖卡系列,除了提供強悍的2D/3D繪圖加速╱顯示效能以外,並採用GenAudio公司的Astound Surround 3D音效技術,提供7.1聲道模擬24聲道,以及立體雙聲道模擬7.1聲道的環場音效技術,在處理convolution reverb室內空間殘響效果時,無須耗用CPU運算資源,提供遊戲玩家真實3D浸潤式環場音效,且針對遊戲進行過程的敵方角色位置的移動,做即時而精準的快速反應。