空間音效是什麼？
空間音效指的是一種能夠增強聲音在三維空間中定位感的音頻技術。這項技術讓聽眾能夠更清楚地辨識聲音來源的方向與距離，從而營造出更具沉浸感的聽覺體驗。
傳統的立體聲音效僅限於左右兩個聲道，但空間音效運用先進的技術，能創造出更真實的聲場。無論是觀看電視節目、玩遊戲、觀賞電影或其他娛樂內容，空間音效都能帶來身臨其境的感受。這種技術可以透過多種方式實現，包括雙耳音效（Binaural Audio）、多聲道音響系統，以及各類演算法處理技術，我們將在本文中進一步探討這些技術的應用。
隨著消費者對沉浸式體驗的需求不斷提升，對提供空間音效技術的需求也持續增加。此外，在專業音頻製作中，空間音效同樣扮演著關鍵角色。音訊工程師可以利用這項技術在三維空間中調整各種音頻元素，從而達到更優秀的混音與後期製作效果。
若想深入了解市場趨勢，請參閱我們之前的文章：次世代無線音響！音訊技術的前沿突破 – Jazz Hipster
JAZZ HIPSTER 在空間音效領域的專業性
在 JAZZ HIPSTER，我們作為空間音效技術領域的專業公司，具備豐富的經驗，能有效掌握空間音效設計及整合中的複雜性挑戰。我們深知這項技術在產品開發過程中的技術難題，並已經開發出一系列主動式解決方案，以應對整個產品生命週期中的各種挑戰。
我們的 ODM 能力使我們能夠幫助音頻品牌順利過渡到空間音效技術的領域。我們曾與領先的業界巨頭如聯發科技和杜比展開合作，協助他們開發創新的產品，充分利用空間音效技術。我們與這些知名科技公司的合作，進一步鞏固了我們在提供完整音頻解決方案上的承諾，以滿足不斷變化的消費者音頻市場需求。
多年來，我們成功開發並量產了多款融合空間音效技術的產品。這些產品不僅在聲音定位上有顯著提升，還採用了精密的生產工藝，確保不同型號產品之間的一致品質。我們不僅在設計上追求卓越，更在製造過程中注重細節，為消費者帶來最頂尖的音效體驗。
透過我們的專業技術與不斷創新，我們致力於為音頻行業帶來下一代的聲音革命。
透過空間音效技術為品牌賦能
身為一家專業的ODM音響製造商，整合空間音效技術對提升產品競爭力與在音頻市場中脫穎而出至關重要。透過採用先進的聲音解決方案，品牌不僅能顯著提升產品品質，更能滿足消費者對沉浸式聆聽體驗的渴望。
這不僅是開拓市場潛力的契機，更能顯著提升產品的附加價值，因為導入空間音效技術可拓展新的消費族群、提升市場佔有率。
3D音效技術
投入3D音效技術能讓音響品牌提供豐富且沉浸式的聆聽體驗，模擬真實世界中的聲音環境。
在主流應用領域如家庭娛樂系統、便攜式音響設備及個人音頻裝置中，3D音效的導入成為吸引用戶的重要元素，透過讓揚聲器能夠從多個方向發聲，不論是觀看電影、聆聽音樂還是進行遊戲，這種額外的空間音效維度都成為產品吸引消費者的賣點，讓喜愛沉浸式娛樂體驗的用戶無論在家中還是外出，都能享受到頂尖的聽覺效果。
沉浸式與互動性體驗
市場對沉浸式體驗的需求不斷增長，這促使空間音效技術被廣泛應用於不同的情境中，例如演唱會、電影以及公共活動等。例如，在現場演唱會中，空間音效技術能營造出包圍聽眾的聲景，讓觀眾彷彿置身於音樂的每個角落之中。這不僅能提升整體演唱會的體驗，更能促使觀眾再次參加，從而增強品牌忠誠度。
在電影及電視製作中，空間音效是導演用以強化故事的強大工具。透過整合像Dolby Atmos這類技術，電影製作人能創造出多維度的聲音場景，讓觀眾完全融入故事情境之中，彷彿親身參與其中。
此外，在遊戲等各類以消費者體驗為核心的場景中，具備高品質音效的設備能打造更身歷其境的遊戲環境，提升遊戲的刺激感受。藉由重現真實的環境音效，品牌能顯著提升使用者的滿意度，並促進長期的使用黏著度。
雙耳音效技術
雙耳音效技術利用兩個模擬人耳位置的麥克風來捕捉環繞聲音特性，進而透過耳機呈現逼真的聽覺體驗。這項技術正在各個領域中逐漸普及，包括串流媒體平台、教育內容及行動應用程式。
對於音響品牌來說，提供支援高品質雙耳音效的產品能顯著提升產品系列的吸引力。不論是放鬆音樂、播客，還是身臨其境的內容，雙耳錄音都能營造出貼近聽眾的體驗，帶來更深層次的共鳴。隨著個人化聆聽體驗的需求不斷上升，導入雙耳音效技術將吸引更廣泛的消費群體。
此外，隨著虛擬實境（VR）和擴增實境（AR）應用的普及，對高品質雙耳音效的需求也將不斷增加，通過提供能滿足這些新興需求的音頻解決方案，音響品牌可以進一步在競爭激烈的音頻產業中鞏固其市場地位。
空間音訊技術基礎介紹
在進入複雜的技術細節之前，我們希望先為讀者提供關於空間音效原理的基礎知識，這樣的理解能幫助大家更清楚地掌握我們所運用的技術背景。需要強調的是，這些空間音效技術的成功實現很大程度上依賴於每個公司在硬體與軟體技術上的能力。因此，我們鼓勵有興趣了解具體產品應用的客戶直接與我們聯繫，我們將根據不同需求提供詳細的方案與實例。
空間音效的基本原理
雙耳時間差（Interaural Time Difference, ITD）
雙耳時間差 (ITD) 是空間音效中的一個關鍵現象，指的是聲音到達雙耳之間的微小時間差異。這種時間差主要是由於雙耳之間的距離所引起，一般成人的耳間距約為20公分。當聲音來自聽者一側時，較接近聲源的耳朵會比另一側的耳朵稍早接收到聲音訊號，這種時間延遲可以小至數微秒，但對於大腦來說，它提供了重要的空間定位線索，使其能夠辨別聲音的方向。
ITD 對於低頻聲音尤其有效，因為一般來說，由於人類頭部和耳朵的結構特徵，使得大腦在處理低頻聲音的延遲方面更為敏感。
雙耳音量差（Interaural Level Difference, ILD）
雙耳音量差 (ILD) 是對 ITD 的另一技術支援，側重於雙耳之間的聲音強度差異。當聲音來自聽者的一側時，頭部會對較遠側的耳朵產生遮蔽效應，導致該耳接收到的聲音強度減弱，從而形成可測量的強度差異。
ILD 對於高頻聲音尤為明顯，因為高頻聲波的波長較短，更容易被頭部阻擋而造成衰減。通過結合 ITD 和 ILD 這兩種聽覺線索，大腦能夠精確地在水平方向上定位聲音來源，從而為聽者提供對周圍環境的完整空間感知。
核心技術解析
聲學頭部關係轉移函數
定義與原理
聲學頭部關係轉移函數（Head-Related Transfer Function, HRTF）描述了聲音在到達耳朵之前，聲音如何因為人類身體結構而被修飾，這項技術在模擬聽者對特定空間位置聲音的感知過程中至關重要。
HRTF 是由多種因素共同作用的結果，包括頭部形狀、耳廓（外耳）形態及軀幹結構等，它們會影響聲波的傳播並改變頻率響應。由於每個人這些解剖特徵的差異，使得個性化的 HRTF 對於準確模擬聲音定位尤為重要。
HRTF 的作用原理在於依據聲音來自不同方向時，在耳中產生的可聽頻率響應來進行映射。例如，高頻聲音會因耳廓的形狀及頭部的遮蔽效應而產生更明顯的濾波效果，而低頻聲音波長較長，較不受此類濾波效應的影響。
HRTF 的測量過程
HRTF 的測量對於捕捉個體獨特的聽覺特徵至關重要。傳統測量方法涉及將頭與軀幹模擬器（Head and Torso Simulator, HATS）或真實受試者置於無響室中進行測試。
- 聲源設置：在聽者周圍擺放一系列揚聲器，通常以球形配置排列。這些揚聲器以不同角度發射寬頻噪音或特定頻率的聲音信號，常見的測量角度為水平面與垂直面的15度間隔（但具體的角度分辨率可根據精度需求選擇，如5度至30度不等）。
- 麥克風佈置：在 HATS 或受試者的耳道內放置高保真度麥克風。這些麥克風用來捕捉來自不同角度的聲源在雙耳產生的脈衝響應（Impulse Response, IR）。
- 數據採集：透過專業軟體對接收到的聲音數據進行記錄與處理，最終計算出 HRTF。這些 HRTF 可以作為遞移函數（Transfer Function）存儲，並用於後續的聽覺模擬。
- 個性化應用：一旦完成測量，這些 HRTF 可以被應用於沉浸式音響系統及設備中，確保渲染的空間音效能夠準確反映真實聲場，並根據使用者的獨特解剖結構進行量身定製。
頭相關脈衝響應 (HRIR)
HRTF (頭相關傳輸函數) 利用脈衝響應 (IR) 來創造空間音效體驗。這些脈衝響應記錄了聲音在空間中傳播並與物體（包括聽者的頭部和耳朵）互動時的變化。
- 卷積處理流程：在音頻處理中，卷積是一種將音頻信號與 HRTF 進行卷積的操作，以模擬聲音從特定方向傳來的效果。此過程會改變音頻信號，使其在耳機或揚聲器播放時，能重現出在真實環境中應有的空間特徵。
- 構建聲音環境：例如，當音效工程師為電影或遊戲製作音軌時，會使用 HRTF 精準地放置虛擬聲音提示，這樣可讓觀眾感受到聲音從特定方向傳來的效果，從而提升沉浸感，實現更具臨場感的聆聽體驗。
混淆錐區（Cone of Confusion）
混淆錐區是一種幾何模型，用來表示聲音來源在某些區域內可能被錯誤定位的現象。在這個區域中，不同來源的聲音可能被聽者感知為來自相似的角度。
- 空間感知挑戰：在音頻播放過程中，當聲音位於這個“混淆錐區”中時，聽者可能很難準確地判斷聲源的實際位置，這會導致沉浸式環境中的聽覺體驗不夠真實。
- 運用頭相關線索：為了減少混淆錐體效應對聲音定位的影響，研究人員和開發者通常會引入額外的聽覺線索，透過先進的訊號處理技術來增強聲源定位效果，確保聽者能夠更準確地感知聲音在三維空間中的位置。
相關性消除（Decorrelation）
相關性消除的概念
在空間音效中，相關性消除指的是將單聲道信號轉換為立體聲輸出的技術，以創造更具空間感和深度的聲場效果。這一技術在構建多聲道音效系統時尤其重要，有助於營造出沉浸式、擴散性的環境聲音場景。相關性消除的主要目標是透過模擬真實環境中的聲學特性，提供更加自然且逼真的聆聽體驗。
對聲音感知的影響
有效實施相關性消除技術能顯著提升聽者所感受到的空間感和沉浸感。使用相關性消除的信號能減少聲音在特定位置的定位特性，從而產生包圍感更強的聽覺體驗。這在電影院、虛擬實境以及多聲道環境中尤其有利。
然而，若相關性消除的實現不當，可能引入聲音的音色偏移或其他失真問題，因此在處理過程中保持平衡至關重要。最終的聲音效果應盡量保持與原始信號的相似性，同時又能呈現其獨特的空間特徵。
此外，雖然相關性消除技術能增強聲音的空間感，但也可能對原始信號造成一定的影響。在某些情況下，過度的相關性消除會引起細微的音色變化或產生可聽見的聲音失真。因此，當應用相關性消除技術時，需要在提升空間感知與保持原始音頻完整性之間取得平衡。透過精確調整相關性消除的參數，確保最終效果既能增強空間感，又不明顯改變原始聲音特徵。
構建擴散聲場
要構建擴散的聲場，需要對信號相關性進行精心處理，在環繞聲或3D音效設置中，要實現高品質的環境聲音體驗，必須透過足夠數量的揚聲器來播放適當的相關性消除信號。
如果某對揚聲器接收到高度相關的信號，它們可能無意中生成一個可被聽者定位的“虛擬聲源”，從而破壞擴散性的聲場效果。因此，必須謹慎設計相關性消除的響應模式，以確保環境聲音信號的互通相關係數（Interaural Cross-Correlation, ICC）保持較低，同時與原始輸入信號的相似度仍然很高。
聲像距離與寬度（Image Distance and Width）
聲像距離與寬度的操控可以通過相關性消除技術來實現。聲像距離指的是聽者感知到的聲源與自己之間的距離，而聲像寬度描述的是聲音在聲場中被感知到的橫向擴展程度。
透過引入多個相關性消除的環境信號，可以增強聽者對聲音距離與寬度的感知。對相關性消除過程的精確調整能提升聲音的空間感，使其聽起來像是來自不同方向的聲源，從而在聆聽體驗中營造出更加豐富的空間效果。
外化的挑戰（Externalization）
儘管相關性消除技術能在營造沉浸式音效體驗上發揮顯著作用，但要實現真正的聲音外化仍是一大技術挑戰。所謂的外化是指聽者能感覺聲音來自環境中，而非僅在耳朵內部回響。
為了增強外化，必須對相關性消除技術進行精細的調整，特別是在頻率域中。相關性消除應該在不同頻率範圍中進行選擇性操作，過度消除低頻或高頻的相關性可能會引發聲音失真，進而破壞整體聽覺體驗。因此，在設置相關性消除濾波器時，必須充分考慮這些因素，以實現自然、連貫的聽覺效果。
混響器（Reverberator）
目的與功能
混響器的主要目的是模擬各種聲學環境中的自然混響效應。混響指的是聲音源停止後，聲音在空間中持續回響的現象。混響器可以透過為原本乾燥的聲音信號加入環境音效，增添音色的豐富性，使聲音聽起來更飽滿、更具吸引力。
在平衡良好的音效混音中，混響能有效融合各種音效元素，提供空間定位線索，從而增強距離感與方向感的感知。這在音樂製作、電影音效設計以及虛擬環境中尤為重要，因為這些領域對沉浸感有較高的需求。透過適當應用混響效果，可以引入一種空間感，使聽眾彷彿置身於音樂廳、演唱會場地或任何其他環境中。
脈衝響應（IR）的組成部分
脈衝響應是模擬混響效果的核心要素，描述了特定聲學環境對瞬時聲音的反應。它通常由以下三個主要部分組成：
- 直達聲（Direct Path）：直達聲是聲音從聲源直接傳達到聽者耳朵的初始聲波，沒有經過任何反射或回聲。直達聲對於聲音的清晰度與可理解度至關重要，因為它為聽者提供了基礎的聲音訊息。
- 早期反射音（Early Reflections）：早期反射音是直達聲之後的第一次反射，通常來自於附近的表面（如牆壁、地板和天花板）並到達聽者耳朵。這些反射顯著影響聽者對空間聲學的感知，提供了有關空間大小與材料特性的線索。
- 混響（Reverberation）：混響是指聲音經過多次表面反射後產生的長時間延遲的回聲效應。混響使聲音聽起來更為豐滿，因為這些延遲回聲相互疊加，最終形成環繞感與包覆感。
這三個部分共同組成了完整的脈衝響應，決定了應用於音頻信號上的混響特徵。
常見的混響器設計
為了實現人工混響效果，業界已經開發了多種演算法與技術來模擬真實環境中的聲音反射行為。
全通濾波器（All-pass Filters）
全通濾波器經常被用於混響演算法中，用來調整訊號的相位而不改變其振幅。透過改變輸入信號中各頻率成分的相位關係，全通濾波器能夠創造出回聲效果，而不引入明顯的音色變化。這項特性允許在維持音調完整性的同時，實現所需的混響效果。
全通濾波器的設計通常相對簡單，能以較低的運算量在數位訊號處理中進行實現，因此在實時音頻應用中非常實用。
梳狀濾波器（Comb Filters）
梳狀濾波器是另一種常見的混響生成方法。其名稱源自於其頻率響應圖形類似於梳子齒狀的外觀，因為在頻譜中會出現一系列的峰值和谷值。梳狀濾波器透過將延遲處理過的輸入信號進行混合來產生這些周期性的頻率響應變化，從而營造出一種迴響感。
儘管梳狀濾波器可能會對混響效果引入特定的音色變化，但它們也為音效設計師提供了靈活的工具來塑造混響尾音。然而，由於其顯著的音色特徵並不適用於所有應用場景，因此在選擇與應用這些技術時需要格外謹慎。
混響時間與尾音特徵
混響時間（Reverberation Time）及 RT60 是評估聲音在停止發聲後消散時間的重要參數。RT60 具體衡量的是聲音停止後反射聲波的強度下降60dB所需的時間，這是定義不同聲學環境特性的關鍵指標。此測量值通常用於模擬特定的聲學場景，例如在混音中調整不同空間的聲音效果。
其他尾音特徵，如混響的擴散度（Diffusion）和密度（Density），也可以被操控以創造所需的聽覺體驗。例如，具有快速衰減的緊湊型混響能營造出更私密的氛圍，而長時間、擴散性更強的混響則可以表現出宏偉開闊的空間感。
聲道串音消除
聲道串音消除的原理
聲道串音消除（CTC）是一種先進的音頻處理技術，旨在減少立體聲和多聲道音響系統中常見的聲道串音現象。聲道串音是指來自左聲道的聲音被右耳聽到，或來自右聲道的聲音被左耳聽到的現象。
CTC 利用訊號處理演算法來設計濾波器，以消除這些串音訊號，同時保留每個聲道中預期的原始訊號。這通常是透過引入適當的時間延遲來實現的。透過確保每個耳朵只能接收到預定的聲音訊號，CTC 增強了聲源的空間感知，使其顯得更加清晰且具辨識度。
在立體聲揚聲器系統中的應用
在立體聲系統中，CTC 的價值尤為顯著，因為它能夠保持左、右聲道之間的清晰分離。當揚聲器位置較靠近聽者時，串音現象會變得特別明顯。這是因為來自某個聲道的聲波可能會傳到另一側耳朵，導致立體聲圖像變得模糊不清。
透過引入 CTC，每個聲道的信號都會被處理，包含延遲與相位的調整，以達到有效抵消另一聲道傳遞過來的聲音效果。這樣可以在左右揚聲器之間建立更穩定的“虛擬聲像”（phantom image），帶來更清晰且更具沉浸感的聽覺體驗。
反向濾波技術在 CTC 中的應用
反向濾波（Inverse Filtering）是 CTC 系統中的一項基礎技術。其原理是根據聽者的聽覺系統特徵以及環境聲學特性來構建一個反向濾波器。透過利用聲學設置中獲得的脈衝響應，音頻處理器能夠產生抵消信號，從而有效消除來自另一聲道的不需要的聲音干擾。
儘管反向濾波技術非常強大，但在實際應用中仍面臨一些挑戰。首先，系統穩定性容易受到影響，特別是在應對複雜或變動中的聲學環境時。其次，反向濾波對環境變化十分敏感，即使聽者位置稍微移動，也可能顯著影響其效果。
對空間音效的優勢
引入 CTC 技術後，空間音效表現能夠獲得以下幾個顯著優勢：
- 增強聲音定位能力：透過降低串音現象並保持各聲道訊號的完整性，CTC 幫助建立更清晰的聲源定位線索，讓聽者能夠更準確地感知聲音在聽覺場景中的位置。
- 改善聲音品質：CTC 減少了不同聲道信號的混合，從而提升了整體聲音品質，使聽覺體驗更加清晰且富有層次感。
- 擴展最佳聆聽區域：CTC 能夠擴大最佳的“甜蜜點”，讓多位聽眾能夠同時享受到相同的空間音效特性，而不會因為位置的不同而影響聽覺效果。
結論
空間音效技術的總結
在本文中，我們深入探討了空間音效的複雜世界，從其基本原理到在各行業中的多元應用。我們解釋了一些基礎概念，為讀者提供了我們如何在三維空間中感知聲音的知識。
然而，必須強調的是，本文所涉及的內容僅僅是冰山一角，這個領域背後還有豐富的研究與創新不斷進行。
對於那些對空間音效的潛力感到興趣並希望進一步瞭解具體應用或深入技術見解的讀者，我們鼓勵大家繼續探索。深入了解空間音效的旅程充滿了創新的可能性，能夠創造出更加引人入勝、沉浸感十足且真實感倍增的聽覺體驗。
JAZZ HIPSTER 的空間音效解決方案
展望未來，空間音效的發展前景無比令人期待！從家庭娛樂到遊戲以及現場活動，對沉浸式體驗的需求不斷增長，這為音頻品牌帶來了巨大的市場機會。透過整合先進的空間音效解決方案，品牌能夠顯著提升其產品價值，創造出獨特的市場主張，以滿足消費者對於更具互動性與真實感的聲音體驗的渴望。
JAZZ HIPSTER 致力於透過我們在空間音效技術方面的專業知識來為品牌賦能。我們與聯發科技和杜比等業界領導品牌的合作，讓我們得以開發創新的產品，充分發揮空間音效技術的潛力。通過持續投資於研究、開發及策略夥伴關係，我們將引領空間音效的未來發展，為聽眾創造身臨其境的聲音場景，重塑人們與周遭聲音世界的互動方式。
空間音效的時代才剛剛開始，而 JAZZ HIPSTER 很榮幸能夠站在前沿，引領整個音頻行業朝向音效技術的新篇章邁進。
References
- [1] Report – Recent Advances in the Spatially Oriented Format for Acoustics
- [2] Report – Spatially Oriented Format for Acoustics 2.1：Introduction and Recent Advances
- [3] Report – Stereo Signal Decomposition and Upmixing to Surround and 3D Audio
