在影院看電影的時候，我們能感受到聲音從我們的左邊、右邊、後邊甚至是頭頂傳進我們的耳朵，進而給我們帶來更好的聽覺體驗。這種能夠使聲音具有空間方向感的技術被稱為環繞聲技術，它能讓聽衆體驗到與現場幾乎一緻的聲場。
那麼，如何才能實作這種環繞聲技術呢？顯然，最簡單的思路是，在我們的耳朵四周放盡可能多的揚聲器，這樣不同的揚聲器重放的聲音能夠讓人耳感應到聲音來自不同的位置，這也是電影院空間音頻的設計思路。
但是，對于個人來說，這樣會增大我們的裝置成本。與具有複雜音響裝置的電影院不一樣，我們的耳機隻用左右兩個揚聲器也可以實作這種效果。這種用兩個入耳式耳機發出空間中任意方向聲音的技術被稱為虛拟環繞聲技術，也被稱為沉浸式空間音頻技術，是我們接下來要關注的重點。
圖檔來源：WWDC 2020
空間音頻的目的是為了讓人耳對重放的聲音有更真實的空間感。是以，要深入了解空間音頻技術，首先需要我們思考一個問題——人類是如何判斷聲音方向的呢？
人類雙耳如何判斷聲音方向
大家都知道，我們可以憑借一隻耳朵來感受聲音的響度、音調和音色。但是，如果想辨識出聲音的方向，就要依靠兩隻耳朵了。原因在于兩隻耳朵才可以聽出時間差和聲級差。時間差是指聲音抵達兩隻耳朵時間的前後差别，聲級差則是兩隻耳朵聽到聲音能量的大小差别。
比如在下圖場景中，聲源在我們的右邊時，我們的右耳會先聽到聲音，之後聲音才會到達左耳。聲波在空氣中的傳播距離越長，能量會越來越小，是以右耳聽到的聲音能量要大于左耳。
圖檔來源：Google I/O
那麼僅僅依靠時間差和聲級差這兩個因素，就可以實作聲源在三維空間中的定位嗎？
别着急，先看看下面這個場景。
如下圖場景，當聲音從我們的正前方和正後方發出的時候，到達雙耳的時間差和能量差都是零。也就是說，當聲音到達兩耳的時間差和能量差都是零時，我們無法區分聲音是從正前方來的，還是正後方來的。
那麼，問題又來了，雙耳怎麼辨識聲音的前後方向？事實上，聲音從發出到被我們的耳朵聽到，經曆了三個過程——傳播過程、生理過程和心理過程[1]。由于生理過程和心理過程幾乎不可操控，在這裡我們僅僅關注傳播過程。
傳播過程也稱為實體過程，是指聲源發出的聲波經由媒體到達耳廓，再通過耳道傳遞到鼓膜并引起其振動的過程。這是一個極其複雜的過程，人耳廓構造的不同會使聲波經由耳廓影響後形成的波形不盡相同。
顯然，正前方聲源的傳播過程和正後方聲源的傳播過程是不一樣的！因為我們的耳朵并不是前後對稱的。來自正前方的聲音經過耳廓反射，可以直接進入耳道；而正後方的聲音則需要繞過耳廓才能進入耳道。也正是由于這種不同，我們才可以分辨出聲音來源的前後。
耳廓相當于一個給聲音進行“加密”的裝置，而我們的大腦經過長時間的學習，已經完全掌握了這門“解密技術”，是以，可以輕而易舉地聽出聲源的前後方位。
現在，我們終于有了答案，雙耳定位三維空間中聲源的方向依賴于耳廓的“加密”[2,3]。
耳機的虛拟環繞聲
更加科學地講，加密聲音的不僅僅是耳廓，還有頭部輪廓和肩膀等身體部位。由于這一系列的影響都與頭部有關，是以這種加密方法也被研究人員稱為：頭相關函數（Head Related Transfer Function）[4,5]。
頭相關函數可以了解成我們頭部對于聲音的加密方法，這種加密是針對不同方位的。也正因為頭部對于各個方向上的聲音加密方式不一樣，我們的大腦才可以解密出聲音的方向。
為了解密不同聲源方位的加密方式，研究人員可以通過測量或者計算得到不同方向的頭相關函數[4,6]，然後組成一個資料庫。
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我們戴上耳機之後，聲音便直接經由耳道，被鼓膜接收了。失去了頭部加密的過程，耳機内的聲音聽起來也就沒有了方向感。
但是，随着聲信号處理技術的發展，我們可以通過在耳機内部置入電子裝置，來模拟頭部的加密過程。如果我們的電子裝置與頭相關函數的加密方法一緻，那麼經過電子裝置加密之後的聲音就可以被大腦解密出方位資訊，成功地“欺騙”大腦。
正是基于這樣的思路，工程師們開發了基于頭相關函數資料庫的空間音頻方法。他們用數字電路來模拟整個的頭相關函數資料庫，然後對耳機内的聲音進行特定方向上的加密，這樣，就能夠讓耳機内的聲音聽起來具有特定的方向感。
圖檔來源：百度百科
舉例來說，在一場真實的音樂會上，小提琴在聽衆的左邊45°，鋼琴在聽衆的右邊45°，無論是小提琴的聲音，還是鋼琴的聲音，都能夠經過聽衆的頭部進行加密，現場聲音聽起來就有很好的方向感。
如果線上的觀衆也想通過耳機獲得身臨其境的體驗，那麼耳機内部的數字電路可以選擇左邊45°的頭相關函數來加密小提琴的聲音，右邊45°的頭相關函數加密鋼琴的聲音，這樣就能夠“欺騙”大腦，讓耳機内的聲音聽起來也有很好的方向感。
由于這種聲音不是從真實的空間中發出來，而是通過信号處理這樣一種虛拟的方式“加密”出來的，是以被稱為虛拟環繞聲。
近些年，随着耳機等可穿戴裝置的應用越來越多，虛拟環繞聲技術得到了大量的應用，也被科技公司稱為沉浸式空間音頻技術。
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來源：中國科普博覽
編輯：荔枝果凍