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3 }% {8 C8 ^( a1 v c 原标题：声声声声临其境，一起坠入阿里云超音感空间
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大众对沉浸体验的追求，不再仅局限于“视觉”。声之切，境尤升。
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随着硬件技术的升级、软件内容的丰富以及5G网络环境的优化，推动几经浮沉的VR产业走向正循环。 ( r! G t( C P0 }1 D
就在去年，「Roblox上市」、「Facebook更名为Meta」、「微软收购暴雪」等将元宇宙相关产业推向风口，而Oculus Quest 2（VR一体机）出货量破千万台的成绩，更是一件将沉浸式VR从概念落地场景实践的标志性事件。
2 n6 T; N( d! X4 U' O$ D 在本次云栖大会阿里云视频云的8K VR视频技术展台，体验者通过佩戴Pico VR头显，感受清晰度高达8K的360度VR视频，实时捕捉超高清细节。 ; P* r& `& z6 ~2 r/ M; o. j3 s9 R* ]" O
不仅如此，体验者还能以“声”临其境，感受令人惊艳的全景声技术带来的沉浸式视听体验。 / E6 j* z$ U, A. w
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01“视”之外的沉浸之“声”7 \& {% T7 [' W: U
「沉浸式视听体验」一词已多次出现在大众视野，究竟什么是沉浸式视听体验呢？
9 s0 K% D, o( N' { E1 }, c “沉浸式视听体验”是指通过视频、音频及特效系统，构建大视角、高画质、三维声特性，从而具备画面包围和声音环绕的主观感受特征，观众在所处位置就能获得周围多方位的视觉、听觉信息，带来身临其境之感。
( T& G w" t9 Z# h5 _ 听觉作为仅次于视觉的重要感官通道，对沉浸式的视听体验至关重要。随着用户对视听体验的极致追求，在“视”之外，沉浸之“声”技术应运而生。 + t, A5 K, N! x
「沉浸式音频」是指能够呈现空间的还音系统的声辐射，至少能覆盖观众的前、后、左、右、上五个方位。除此之外，还能真实地营造出声场的水平纵深和垂直高度，即从听者角度能精准地定位声音的方向和位置。
/ y# q: X9 D' A 从技术角度是如何实现呢？ " e( ^7 @5 A" I: j* e
其实，真实世界的声音来自环境的四面八方，人耳往往可以通过声波的时间差、强度差、相位差、频率差等辨别声音的方位。
+ X9 E8 a9 A+ q4 m 但现有的立体声和5.1环绕声只能呈现部分方向传来的声音信息，若想获得声音带来的沉浸感，需要尽可能全方位再现真实世界的声音，也需要一种沉浸式音频技术来实现。 9 T8 o+ Q5 h$ V7 S+ d7 Q* ~
 图片来源于网络
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02一个「球面」的声场？
- w! ~. @/ }* o) y, m$ X% T 沉浸式音频主要技术有三大类: 基于声道 Channel Based Audio（CBA）、基于对象Object Based Audio （OBA）、基于场景 Scene Based Audio（SBA）。
! Z* o J2 R" w, z ❖ 基于声道技术（CBA）：在传统 5.1 环绕声的基础上，增加了 4 个顶部声道，通过增加声道的方式来补充空间中的声音信息，但只能呈现部分方向来的声音信息。 4 E+ Y: G0 \& b3 J$ n$ U
❖ 基于对象的技术（OBA）：是目前主流技术，并在电影领域已广泛应用，如 Dolby Atmos 全景声。该技术会产生大量的数据和运算，除了声道的音频外，还有关于声源的元数据Metadata，即：声源（位置/大小/速度/形状等属性）、声源所在的环境（混响Reverb/回声Reflection/衰减Attenuate/几何形态等），该技术在VR领域只适合主机VR上的大型游戏，对于普通移动端的硬件设备来讲，算力及带宽承载具有较大压力。 7 U0 k9 z4 j/ c( D
❖ 基于场景的技术（SBA）：用来描述场景的声场，其核心的底层算法是Ambisonics 技术,可被映射到任意扬声器布局中。Ambisonics技术的特点是：声源贴在提前渲染好的全景球上，即所有声源将被压缩在了这个球上。
8 e' x5 k/ t; w1 @& U5 g  图片来源于网络
1 a8 d9 Z' g2 b+ D7 }. k5 ` 本文的音频体验展示便采用了Ambisonics的录制格式（文末体验DEMO）。
8 y; ?2 F P( b( R: ~ Ambisonics作为全景声的一种录取格式，在上世纪70年代就已经问世，但一直没有获得商业上的成功。 & S) w8 [6 C6 V) D! Q# P
随着近几年VR，AR等相关领域的兴起，Ambisonics开始逐渐被讨论。与其它多声道环绕声格式不同，Ambisonics传输通道不带扬声器信号，允许音频工作者根据声源方向而不是扬声器的位置来思考设计，并且为听众提供了用于播放扬声器的布局和数量，因此，大大增加了灵活性。 6 x$ `/ o0 ^, `* _
Ambisonics音频格式可以解码任何扬声器阵列，并且可以完整地、不间断地还原音源而不受任何特定编解码播放系统的限制。
+ E+ C0 \. W% u& k Z5 S 下图是一个一阶的Ambisonics结构，4个MIC垂直部署在一个四面体上，播放效果与Dolby Atmos类似，但和Dolby Atmos不同的地方是：Dolby Atmos 只解决了半球的声场。
# G* j) X' M% |( X4 C 而Ambisonics除了水平环绕声音，还可以支持拾音位置或者听众上下的声源，即整个球面的声场。 # j+ t( g* m+ D$ D) z
, ]( L2 X; \- B  图片来源于网络
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03实现声声入耳的引擎：AliBiAudio
3 |2 J3 W7 t' p \% J* k 全景声不仅仅是增加几个声道那么简单，而是把整个声音系统架构都颠覆了，从之前基于声道来混音的技术上升为基于对象的音频处理技术，使人在环境中的听觉感受与现场实际声音一致。
! k" L& m6 z; T; J 将全景声音频重建成用户可测听的形式有两种途径，一种是多扬声器重建，即电影院或家庭影院中的音响系统，其本质是将全景声音频转换到5.1.4或7.1.4格式；另一种是耳机重建，即将全景声音频通过双耳渲染技术转换为双声道音频，并保留其全部空间信息。
0 Q& R# g: V' c2 [, m 相对于多扬声器重建，耳机重建成本低、易部署、效果好。
5 S3 K+ k8 N- D! r6 u" {- ` 不言而喻，耳机重建全景声音频，需要一个双耳渲染的过程，以此来通过两个立体声通道创建空间和维度的听觉感知效果。 # E, @! _7 E+ z: Y3 W
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AliBiAudio 就是一个阿里自研的双耳实时渲染引擎，结合头部跟踪坐标，可以达到人转动，声源位置不动的效果。当前双耳渲染引擎，具有支持全平台、多场景、易部署等特性。该引擎既可以部署在移动端，也可以部署在云端，并支持三大场景的渲染。 2 {8 o% M% T% @/ ]
❖ 单声道输入：用于虚拟会议场景，可将不同位置的人，渲染在不同的角度发声，通常部署在服务端。
+ e' K$ s6 l e5 ^2 `% L ❖ 5.1/7.1 输入：用于影视剧渲染，得到更逼真的环绕声，类似优酷中的“帧享”音效。既可以部署在端上（如：Apple Music 空间音频），也可以部署在服务器上（如：作为媒体处理，将多声道数据下混成2路数据）。
$ i2 B2 G% B# ^( Q- {6 k. j ❖ Ambisonics输入：对Ambisonics格式进行渲染，用于VR直播，VR点播，当前部署在Aliplay中。
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$ i4 }/ ~7 n! ~ 04如何让声音跟随脑袋一起摇摆
( j& r$ G. K1 y) F ❖ HRTF X2 ` ?2 n4 y+ m+ Z1 I f& h
双耳渲染引擎的核心模块是人头传递函数HRTF（ Head-related Transfer Function ）。
* p G) T3 S7 V# L3 m1 K! ?- [' d 每一方向都有两个HRTF，分别代表音源到左右耳的房间冲击响应，通过720度扫描可以得到一个球形的HRTF库，如下图是一个ARI HRTF 数据库的分布。
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' e& n! [2 ~$ J; Y% ?# F$ s, W, w- w% k) r ARI HRTF 数据库
) X" ], m2 t) ^: S0 y1 j. `; `# J 在渲染时，通过输入的角度信息，先从数据库中选出当前角度的HRTF对。然后再将输入数据分别和HRTF对进行卷积得到左右耳信号。为了得到更逼真效果，还可以添加一定量的房间混响如下图所示： ; C/ \, J. @ m- b7 h) E8 w3 t
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本项目对大量HRTF库进行筛选，获取到一个最优的数据库。 ! ?4 m1 B7 g5 b
❖ Ambisonics数据格式
" a5 i r- L0 I, D: y! M# Q* K% }" U Ambisonics 的基础功能是让来自不同方向点声源，作为360度的球面来处理，这个中心点，就是麦克风放的位置。当前广泛用于VR 和 360 度全景视频的Ambisonics 格式，是一个叫做Ambisonics B-format的4声道（还有另一种格式叫A-format）。由W, X, Y and Z组成。对应着360度球面的，中心，左右，前后，上下。 3 _+ g& l, T, r( N$ d9 {; V
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W 是一个全向3 E/ R `1 @% {. }- y! B
X 是一个双极 8 字指向，代表前后- @ L, u) e0 O+ V
Y 是一个双极 8 字指向，代表左右, X" Y" C" j& |: D5 @
Z 是一个双极 8 字指向，代表上下4 Q* ^/ `/ g ?# O; e8 l2 r
* o) I! g$ s/ o9 x0 r B-format 有两种格式分别是ambix 和fuma（它们只是排列顺序不同），而A-format 代表4个mic 采集的原始数据。B-format和A-format的关系如下：
c! P+ P+ h) ^: }: b! h" s8 I  图片来源于网络
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❖ 头部跟踪 - K1 |$ A$ T' E0 s! s( W
该技术利用了某些特定款式耳机中的传感器信息，如：加速度计和陀螺仪，从而更好地跟踪头部运动，并做出相应的音频调整。 3 V9 ?& V8 B) o8 ^7 X( [. Z
Apple已经从 iOS 15 开始通过兼容耳机带来支持头部跟踪的空间音频功能，目前Android 13的发布预览版已完全支持在兼容设备上使用头部跟踪的空间音频。本次云栖大会的展台体验便主要利用了Pico头显设备中陀螺仪的信息。 8 X$ w# d3 R" L7 M. K/ v
 图片来源于网络
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05一起「声」临其境3 G3 j7 O6 x8 O4 z& r7 b% I8 M; I
「佩戴耳机」体验全景声，效果更好哦！ % u% I- i9 Y( M* i
现场体验中，声音的变化会随着头部的转动而转动，本次线上DEMO体验将依靠手动界面移动来模拟头部转动。
- N/ a! P p" C 01听：无人机掠过头顶 2 L1 L; R8 j) Q" r
" K$ |/ y, m; S: n4 ~ 无人机逐渐升起从头顶掠过，当视角跟随（模拟）无人机时，声音相应地实时变化。
8 ~% o4 K0 g2 ~ 02听：滴答滴答
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聆听水滴的同时，发现左方有无人机的声音，视角随声而转，一路跟随，感受无人机由近及远的变化。
- J- U' b" K) g( A- \3 F 03听：沉浸游园 5 p( { B. N2 {: @1 C
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主持人在介绍园区时，用户向四周左右观看（模拟），在此过程中，主持人的声音呈现与他在你视角的位置始终保持对应。 4 v) k! {) G# |7 i+ w5 M; \ p5 K
04听：PING PANG之声 - J2 T, w& E* R* ~" u& e+ t2 _
& e) S6 g7 ?" ~# W. ^8 ? 沉浸式场景怎能少了运动！一转头，乒乓之声已被“抛之脑后”。
, G, T% ?: H! h7 d. N& \2 F/ \ 06音频的未来，炫到无法想象
% A2 _, C. U, c6 q( ` 除此之外，全景声双耳渲染技术还可运用于多个场景，带来沉浸视听的无限想象力。
5 O5 D1 N' ]: ] ❖ VR演唱会 $ b5 V) X2 I- s6 X' c
现场混合360度视频和全景声音频， 同时将数据传输到相应的移动平台，并进行实时直播。让观众可以达到“不在现场，胜似现场”的感觉。 3 {, r( [/ o; u6 D. m9 R
. z8 H; _' y9 Y ❖ 沉浸式影院 3 d6 i8 p+ S& C# q, E
也可以称之为沉浸式投影，是一种成熟的高度沉浸式虚拟现实系统。它将高分辨率的立体投影技术、三维计算机图形技术和音响技术等有机地结合在一起，产生一个完全沉浸式的虚拟环境，大大增加观影的沉浸感。 5 B; w5 u: c, f! S; k% ^0 C& C
❖ 智慧教育
* ^" y8 k" j$ w6 E3 l* Y 沉浸式教学模式逐渐受到教育界的关注。例如，IBM研究院和伦斯勒理工学院联合开发的“认知沉浸室 ”，它能让学生置身于中国的餐馆、商场、园林等虚拟场景，与AI机器人练习汉语对话，大大提升了学生的学习兴趣和专注力。 ) B; R% U) ^0 T" a( H4 i
❖ 虚拟会议
. I" Q2 ?* t# V0 }5 \6 G5 R9 Z$ f 以Facebook基于VR开发的虚拟会议为例。而为了更贴近现实，Workrooms还加入了沉浸音频功能，让用户交谈时，声音的发出的方向跟他们所处的房间位置一致，从而进一步增加参会者的沉浸感。 4 F+ I# w( G) i
图片来源于网络
( B1 U, N" ]. \8 L! X, T 未来的沉浸音频技术将如何发展？
/ Q- v/ x* u2 N4 X 以双耳渲染引擎的核心模块HRTF为例来说，当前的HRTF模型，是一个固定模型，无法适应不同人的声音感知差异，尤其在正前方的外化能力还不够好。若想得到更逼真的声音效果，需对HRTF进行进一步优化，使其适应每个人的个体差异性。 . K6 }2 T" M2 f8 \
比如：根据每个人的人头大小，耳廓信息以及肩膀的形状独立建模。在国外HRTF的建模与个性化发展已经成为趋势： # z% j. z9 N8 N& e' h: A; Z
3月开始，杜比支持个性化HRTF的定制。
) e& W* w9 B4 J* }* j8 c; m& P 图片来源于网络 9 I% X0 P5 u, f! R' V: b! a, t
9月开始，iPhone升级了ios16，通过人脸扫描，可以定制自己的HRTF。 2 M& Y& K9 B7 H5 ]5 p- u' `/ M q4 q$ {
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4 `- [+ E; @9 O# P* }# [- G7 _3 j 此外，用机器学习的方法，将面部，耳部图片，转化成HRTF也在火热研究中。 8 z$ P& v6 N! l0 o4 p+ T
未来，阿里云视频云将继续探索基于深度学习与信号处理的的音频技术，为VR超高清视频直播带来以「声」临其境的超沉浸之感。 , S) X5 b4 ~5 `' V7 H; N
参考文献：
5 K; P/ f% N W [1] 5G 高新视频—沉浸式视频技术白皮书
0 N8 K) p" y2 ^# {/ }1 b3 e [2] https://m.fx361.com/news/2018/0326/3298705.html
+ ^ S& R" r# R+ ~) m+ Q [3] https://3g.163.com/dy/article/ELBCI2OG053290QL.html?clickfrom=subscribe - f! Q4 v5 A W
[4] https://www.birtv.com/Magazine/content/?246.html
; Z: F8 z `! k+ K) v [5] https://m.midifan.com/article_body.php?id=6201 % F; m8 ]3 S$ h0 l# Y6 L
[6] https://sound.media.mit.edu/resources/KEMAR.html ; Z/ r) j, z6 G6 E
[7] https://juiwang.com/assets/projects/hrtf_nn_bem/hrtf_nn_bem.pdf - P# a2 F7 \+ o, L
[8] https://www.tvoao.com/a/208656.aspx返回搜狐，查看更多
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