CEDIA/CTA-RP22沉浸式音频设计推荐规范要点分析2

从严格意思上，家庭影院系统构建是一项相当复杂的工程项目，想要最终获得超越顶级商业影院的音视频效果，就必须遵守国内外的专业构建标准。在行业推荐规范方面，作为权威的美国CEDIA定制安装协会针对全宅影音智能行业的特点，推出了多个不同领域的推荐规范指南。其中在家用领域就包含了音频技术推荐规范、视频技术推荐规范以及项目施工推荐规范等。其中在沉浸式音频设计领域，CEDIA协会终于在2023下半年正式推出CEDIA/CTA-RP22沉浸式音频设计推荐规范，将近几年影音定制影院所关心的沉浸式音效系统的构建进行了非常详细的分析与定义，并且带来了众多建议、规范以及标准。我们在上一期已经就CEDIA/CTA-RP22推荐规范当中的Performance Level selection性能等级、Seating layout座位布局项目为大家进行了关键要点的介绍。本期，我们就继续讲解CEDIA/CTA-RP22推荐规范当中非常关键的Speaker layout扬声器布局方面的部分核心要点，包括分析目前4大沉浸式音效格式、构建统一扬声器布局设计方法、前置扬声器摆位技巧、环绕扬声器摆位技巧等方面。当中，特别就环绕声扬声器布局与设置方面容易遇到的问题进行了深入的分析，为每一位影音从业人员与影音爱好者列出了重要的参考建议与性能指标。

RP22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独立扬声器通道的具体标识

● 构建统一扬声器布局的设计方法

● 空间分辨率的性能要求

● 屏幕扬声器摆位建议

● 屏幕扬声器的数量

● 屏幕扬声器的垂直对齐

● 中置扬声器的垂直位置

● 环绕扬声器摆位建议

● 环绕扬声器摆位区域建议

● 调整聆听区域内的扬声器数量

● 通过处理最大化扬声器的利用率

RP22沉浸式音频设计推荐规范

扬声器布局

扬声器布局是RP22推荐规范当中最为重要的核心部分。沉浸式音效目前正在向一个统一的扬声器布局方向迈进。根据目前各大沉浸式音效格式的扬声器推荐布局要求，可以看出不同格式在听众层或地面层5个或7个扬声器布局是基本上一致的，但是在上层或高度、顶部层扬声器布局方面就没能达成共识，还是有一定的差异性。

现阶段针对家用环绕声重放的沉浸式音效格式包括Dolby Atmos杜比全景声、Auro-3D、DTS:X(包括IMAX Enhanced)、MPEG-H 3D Audio。这几种沉浸式音效格式的开发者对于RSP参考座椅位置与上层扬声器之间的位置关系，还并不是完全一致的，包括水平和垂直角度等。然而，这并不代表我们无法建立一个相互兼容的统一沉浸式音效扬声器系统，只要扬声器布局适宜，相同的扬声器系统布局，就能满足所有沉浸式音效格式的重放要求。这里需求注意的一点，扬声器布局最好是相对于单一位置进行放置，也就是针对RSP参考座椅位置。如果听众分布区域较大，就可能存在一定的潜在问题，要实现每个座位都能拥有同样出色的音效体验并不容易实现。

各种沉浸式音效格式的最佳扬声器布局还需要考虑其他众多因素，包括房间的大小比例、屏幕大小和宽高比、聆听区域的大小的形状、座椅的类型等众多方面。

Dolby Atmos杜比全景声

首先是Dolby Atmos，在家用领域的杜比全景声扬声器布局推荐上，杜比建议根据不同系统的规模，应该有相应不同的扬声器系统布局设置，包括5个(3.1.2)到34个(24.1.10)独立扬声器通道布局(当中包含LFE通道)。其中，目前应用面最广的是9通道的5.1.4和11通道的7.1.4系统。我们可以在杜比官方网站上找到具体的扬声器安装布局指引。需要留意的一点，杜比全景声允许在地面层扬声器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，杜比全景声可以通过最大为7.1.2的声床和最多118个声音对象构建64个独立扬声器通道的大型扬声器布局。

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

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

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

接下来是AURO-3D。Auro-3D能提供最多13个独立扬声器通道加上LFE通道的沉浸式音效系统布局。Auro-3D主要是通过传统5.1或7.1地面听众层的扬声器来实现前后、左右水平层的环绕声效果，再加入至少4个高度扬声器，与相应的地面层扬声器垂直对齐，以实现上方声场的效果。Auro Technologies将9.1配置，相当于其他格式中的5.1.4系统，作为获得Auro-3D体验的最低系统配置要求。而最佳的扬声器布局配置则是13.1，相当于7.1.6系统，其中包括一个位于地面层正上方中央单个顶部扬声器，也就是俗称的“上帝之声”。

Auro-3D能够在聆听者的四周与上方营造球顶形状，包裹整个座椅位置的声场，从而实现全方位垂直方向的立体声场效果。需要注意的一点，这就意味着地面层与上层扬声器的仰角关系变得非常重要，应该始终保持在在25°到40°之间，最佳目标是30°。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

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

DTS:X是另外一个备受关注的沉浸式音效格式。DTS:X可以实现11个独立扬声器配置的环绕声系统，对应7.1.4布局。DTS对于上层扬声器摆放的角度，也就是从聆听位置向上的仰角还是相对灵活的，最低为20°，也就是在两侧的墙面上，最高可到45°，也就是安装在天花上，朝向听众。RP22推荐规范建议采用更高的仰角。当上层扬声器放置在声场球顶与天花相交之处，并且每个扬声器与RSP等距离的时候，可以获得最佳的沉浸感。

相较而言，DTS:X Pro可以实现多达30个独立扬声器通道配置的环绕声系统，包括地面层与上层环绕声扬声器，以构建一个更倾向于球顶声场，并实现更加均匀的声场分辨率。

DTS:X标准下的7.1.4扬声器布局

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

最后是MPEG-H 3D Audio沉浸式音效格式。相对前面几种而言，MPEG-H 3D是一种相对较少提及到的，灵活适用于各种扬声器布局的音频编码开放标准，主要是参考ITU-R BS.2051-3用于节目制作的高级音响系统推荐规范。主要有四种关键的沉浸式扬声器布局方式，具体如下：

• “音响系统C” 与Dolby Atmos 5.1.2一致 • “音响系统D” 与Dolby Atmos 5.1.4一致

• “音响系统G” 近似于Dolby Atmos 9.1.4 • “音响系统H” 与NHK 22.2日本超高清电视系统一致

我们需要注意的是，前面3种沉浸式音效格式主要应用在蓝光碟片与网络流媒体服务之中，但是MPEG-H 3D Audio则主要是应用在DVB数字视频广播与ATSC 3.0电视系统之中，同时也与流媒体服务有一定的兼容性。不过，RP22推荐规范的主要任务是要实现Dolby Atmos、DTS:X和Auro-3D扬声器布局的统一，同样也包括了MPEG-H 3D Audio格式。MPEG-H 3D Audio关于高级音响系统的扬声器布局，具体包括3层，分别是较低层(包括LFE扬声器)、中层(与聆听者同一层)、高层(包括头顶扬声器)

音响系统C的扬声器配置(2+5+0)

音响系统D的扬声器配置(4+5+0)

音响系统G的扬声器配置(4+9+0)

音响系统H的扬声器配置(9+10+3)

沉浸式音效系统中各个位置独立扬声器通道的具体标识

这是RP22推荐规范对于各个位置独立扬声器的具体标识，其中蓝色代表听众层-标准，绿色代表听众层-扩展，红色代表头顶层-上层，橙色代表高度层-上层

构建统一扬声器布局的设计方法

沉浸式音效扬声器系统的目标是营造一个三维声场，通过所有扬声器共同创造出独特的沉浸式音效体验。然而，沉浸式系统并非只有音频系统，也包括了视频系统。沉浸式音效系统所产生的声音是为了面向屏幕的观众提供相应的屏幕声音的支持。因此，观众所能够听到的来自各个不同方向的声音并不相同。

不同扬声器系统针对不同位置的扬声器有着不同的功能定义，它们的位置需要进行专门的位置优化，包括前置(屏幕与前宽)，环绕以及上方(高度与顶部)扬声器。

设计沉浸式音效扬声器布局的推荐方法如下：

• 第一步：设置屏幕扬声器以匹配观看视角，以保持声音与图像的一致性。

• 第二步：根据聆听区域和房间，以决定环绕扬声器的数量和位置。

• 第三步：摆放前置宽扬声器，以连接屏幕和环绕扬声器。

• 第四步：根据天花高度和聆听区域，以决定上层扬声器的数量和位置。

空间分辨率的性能要求

RP22推荐规范对于沉浸式音效系统声像空间分辨率的性能要求如图，等级1需要配备5个独立扬声器，也就是3.1.2；等级2需要配置11个独立扬声器，也就是7.1.4；等级3和等级4为13或15个独立扬声器，其中Auro-3D系统为13通道，其余格式则至少需要15通道

屏幕扬声器摆位建议

各种不同的沉浸式音效格式分别推出了关于屏幕扬声器水平角度的推荐范围，左右扬声器与RSP之间的夹角介于44°到60°之间。这个范围与SMPTE美国电影电视工程师协会关于电影投影推荐视角(43°)、UHD 4K数字视频的推荐最大视角(61°)以及2声道音乐重现的最佳角度(60°)非常接近。

最重要的是，前左(FL)和前右(FR)扬声器之间的角度应该与屏幕的视角相匹配，以实现声音到图像的一致性。沉浸式音效格式能够实现更准确的声音定位和微妙的混音处理，这就意味着声音与图像之间的一致性比以往任何时候都更为关键。声音到图像的一致性是ITU-R BS.1909推荐的要求。有关如何正确调整屏幕尺寸以实现声画一致性的指引，请参阅CTA/CEDIA-CEB23-B家庭影院视频设计推荐规范。

前左(FL)和前右(FR)扬声器应尽可能靠近屏幕的边缘放置。如果整个影音娱乐空间主要是采用前置投影的方式播放电影，前左(FL)和前右(FR)扬声器应该放置在透声幕的后方。在这种情况下，前左到前右的夹角应该略窄于观看角。此时，还可以将扬声器放置在屏幕的两侧之外，尽管这种做法较少见，会导致水平音频夹角略宽于观看角。实际情况，可以根据特定条件做出决策，例如落地扬声器、屏幕后面的空间减小，屏幕结构或遮蔽系统可能阻挡扬声器的情况下。声音和视觉角度之间的轻微不匹配不是问题，因为“腹语效应”，也就是人类的感觉会将声音与可能的而非实际的来源相关联，将有助于聆听者的大脑将声音与屏幕上的画面联系在一起。

如果系统主要用于音乐再现，建议将FL和FR扬声器与RSP位置之间的夹角设定为60°。如果扬声器不在屏幕后面，将会减轻由透声幕而导致的高频声音衰减的问题。然而，请注意，将FL和FR扬声器靠近侧墙会增加适当的被动声学处理的需求。屏幕扬声器的数量：3或者5个

部分沉浸式音效格式可以利用位于前中(FC)和前左右(FL/FR)扬声器之间的空间来增添额外的“中置”扬声器，并分别称之为前中左(FCL)和前中右(FCR)。需要注意的是，这只有在环绕声处理能够以独立方式输出相应声道信息时，才能够使用这两个新增的扬声器位置。

屏幕扬声器数量取决于从RSP位置的水平视角宽度：

• 如果水平视角小于或等于40°（从中心偏离±20°，表示窄屏），则3个屏幕扬声器就已足够，而系统中的其他扬声器数量不受影响。

• 如果视角大于或等于70°（±35°，宽屏），建议使用5个扬声器，而系统中的其他扬声器数量不受影响。建议将额外的FCL/FCR扬声器放置在前中和FL/FR扬声器之间的半角或半距离位置。扬声器在屏幕间的均匀分布的角度确保声源在图像上平滑、均匀的移动。

• 如果视角在40°到70°之间（大多数情况下），可能适用以下指南：

o 如果环绕扬声器数量小于或等于8，则建议使用3个屏幕扬声器。

o 如果环绕扬声器数量大于或等于10，则建议使用5个屏幕扬声器。

当水平视角小于或等于40°(左图)时，采用3个屏幕扬声器，当水平视角大于或等于70°(右图)时，采用5个屏幕扬声器

随着图像显示分辨率的不断增加，趋势是使用具有垂直视角约在18°到34°之间相对面积更大的屏幕。有关屏幕尺寸和位置的建议，请参阅CTA/CEDIA-CEB23-B。

为了保持声音到图像的一致性，建议保持屏幕扬声器的声学中心在屏幕高度的中间三分之一内。这主要是为了提高听众的主观听觉舒适度，增强了垂直高度方面的效果，同时保持了中央声道音频与图像的良好垂直一致性。

屏幕扬声器垂直视角的的建议范围

中置扬声器的垂直位置

当前中声道扬声器无法放置在与前左/前右扬声器相同的水平面上时，建议将其尽可能靠近屏幕的顶部或底部。顶部或底部的选择受以下因素的影响：

1.中置音箱与房间墙面的距离。建议中置扬声器放置在远离墙面和家具的位置，避免出现强烈的早期反射声影响。

2.保持听众的声音通路畅通（无遮挡）。

3.屏幕的大小和位置。

4.屏幕扬声器的散布和覆盖范围。

屏幕扬声器的性能指标，包括屏幕扬声器之间的声压级差异，以及座位间屏幕扬声器的频响差异性等

环绕扬声器摆位建议

各种沉浸式音效格式对听众层，也就是地面层的环绕扬声器布局有着近似的建议，都建议在聆听区域的侧面和后方均匀相间地放置环绕扬声器。这些建议基本适用于单个座位的情况，但需要根据家庭影院空间多座位的情况进行相应的调整。随着听众远离RSP位置，环绕声像将会产生变化，而聆听区域内的各个座位与众多环绕扬声器的距离无疑是不同的。然而，通过根据聆听区域和房间调整环绕扬声器的数量和位置，可以在聆听区域内实现最佳的环绕性能，以确保所有听众都能够获得最小声像失真。

环绕扬声器摆位区域建议

沉浸式音效的其中一个基本目标是确保所有听众都能获得同样出色的声音体验。换言之，当一个声像出现在一侧时，每位听众都应该从那一侧感知到它的变化。同样，当一个声像出现在房间后方时，每位听众都应该感知它来自后方。

自从引入7.1多声道的环绕声技术以来，环绕扬声器通常被传统地分成两个子组：侧环绕扬声器和后环绕扬声器。在基于对象的沉浸式音效格式中，由于声音对象位置带有相应的坐标定位，侧面和后方环绕效果的这种区分方式在以多个座位构成的聆听区域中仍然是有效的。因此，在多座位的家庭影院之中，当所有环绕扬声器都取得良好调校的前提下，就能确保所有座位都能取得良好的音效。

侧环绕扬声器应该分别位于空间的每一侧，避免直接放置于听众区域后方的区域，以确保所有听众的正确左右方向。在某些情况下，左右两侧放置区域可以向前延伸到前排座位50cm的位置，例如放置环左1/环右1扬声器，或者为了减轻长而狭窄的空间中前左/前右和环左1/环右1之间可能产生的声像间隙。

如果构建一个没有后环绕扬声器的5.1系统，通常会使用更大的角度将环左/环右放置在更后方。根据空间的大小和形状，这可能会延伸到后墙，但不会直接位于听众区域后方。

后环绕扬声器应该全部位于听众区域的后方。这一规则确保没有听众能够从他们前方感知到后方扬声器的存在。

侧环绕(左)与后环绕(右)扬声器放置区域的建议

调整聆听区域内的扬声器数量

有关环绕扬声器数量的建议如下：

1. 聆听区域的大小。一般来说，更大的空间，墙面更大，逻辑上需要更多的扬声器。

2. 聆听区域到房间墙面的距离。当听众靠近墙面时，他们可能会距离一个扬声器太近，而相对RSP位置而言，距离其他扬声器就变得更远。采用更多的环绕扬声器将减小单一近距离扬声器的主导作用，通过减小扬声器距离和角度之间的差异，提高所有听众的空间感和沉浸感。

3. 座位行数。如果房间中存在多行座位，但每侧墙面只有一个扬声器（例如7.1系统），定位感将在每一行都会产生相应的变化。例如，如果侧面扬声器与中间行对齐，则坐在那里的听众会听到声音从他们旁边传来，而前排会听到声音稍微从后方传来，后排会听到声音稍微从前方传来。整个声音体验在听众区域内是不一致的。座位越靠近扬声器，这一点就越发明显。

因此，增加环绕扬声器的数量可以提高听众区域的一致性和获得更高的声像空间分辨率。

增加侧环绕的数量(右图)将能在座位间获得更高的声像空间分辨率