制播域中音频可视化监测的原理和应用

制播域中音频可视化监测的原理和应用

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可视化监测的必要性

信号监测的一个重要作用就是将信号归一量化，让本来千变万化，看似没有关联的信号能够进行客观的比较和对照。电视节目信号由视频与音频两部分组成，对于视频信号，客观指标的监测主要依赖于示波器里面的波形图、矢量图、眼图等各项工具，不同品牌的示波器还有其专门的工具辅助监测（如泰克的钻石图、利达的5BAR功能图），丰富多样的监测部件能让工程师以最客观最便捷的方式来判断信号质量的优劣，发现并修正制播环节中存在的问题。

对于音频信号，工程师对其的感受往往不如视频来得直观，因此利用好音频监测工具显得尤为重要。首先，它能帮助制作人员更精确地调整制作中的音频内容，创建所需的音频作品。其次，即使是经验丰富的音频工程师，长时间地监听音频信号，耳朵也必然会进入疲劳状态，听觉的判断能力会下降。此时可视化监测就突显其价值，它让音频工程师用视觉来弥补听觉上的短暂“失聪”，这种可视化监测手段可以帮助音频工程师更快地发现并隔离信号中的问题。

可见，可视化监测在制播领域中无论对视频技术人员还是音频技术人员来说都是一个必不可少的工具，它极大地提高了工程师的工作效率并最大限度地保证了制作信号的质量。

传统音频可视化监测工具

多声道音频技术的发展和应用推动了音频可视化监测解决方案的需求，为了描述传统的音频可视化监测工具，我们首先要回顾一下音频制作相关的一些原理和术语。

我们知道，单一频率的音频信号，用于描述它的关键参数是幅度及频率，信号的幅度让我们分辨声音的强弱，频率让我们感受声音的音色；假如是一对立体声信号，还要考虑左右声道间的相位（抵达听音点的时间差）关系。立体声重放系统之所以能够模拟我们日常生活中声场环境，正是依靠对信号的幅度、频率以及相位的调整来实现的。

对音频信号幅度的监测，一般是通过电平表来实现的，这包括模拟时代的VU表，数字时代的峰值表(PPM - Peak Programme Meter)以及如今的真峰值表(TPM - True Peak Meter)。而对音频信号频率的监测，一般是通过实时频谱分析(RTA - Real Time Analyzer）来实现的，实现该功能的关键技术是快速傅里叶变换（FFT - Fast Fourier Transform），它将时域信号转换为频域信号，给出信号的频率分布以及对应的幅度，让音频工程师能够快速得知一个音频信号的基本组成“元素”，在分析器乐类信号时尤为有用。

相关性刻度表及音频矢量图

正如前文所述，立体声信号要考虑左右声道之间的相位关系，立体声信号的相位差异会让听音者产生不同的听感。大脑将同相的信号解读为左右音箱之间的某个确定位置存在一发声源，该位置与左右声道信号的各个参数有关。对于具有一定相位差φ（0°＜φ≤90°）的立体声信号，大脑将其解读为来自一宽泛区域的声音，而不是某个特定的位置，这是因为人耳的听觉响应特性造成的。若相位差φ大到一定程度（90°＜φ＜180°），大脑则很难确定虚拟声源的位置，立体声的定位在听感上出现左右晃动的感觉，在音频制作过程中可以用相关性刻度表来量化并监测上述现象。

图1  带相位差角度显示的相关性刻度表

对立体声信号来说，当左右声道为频率一致的同相信号时相关性刻度表的值为+1，表示该信号会建立一个精确定位的虚拟声源；当左右声道的信号频率相近且0°＜φ≤90°时，其值在0到1之间，听感上该信号的定位不是聚焦在单一点上，声场具有一定的宽度；当左右声道的信号频率成分差异很大或者具有90度相位差时，其值为0。用这信号驱动立体声重放系统的音箱则其听感上是一个声场范围很大的信号。当左右声道的信号继续向完全反相的方向变化时，相关性表为负值。这些信号会干扰破坏左右声道的关系，听感上整个立体声声场的定位将在左右音箱之间来回跳动，低频成分会出现明显的减弱。当左右声道的信号频率一致且180°完全反相时，相关性表的值为－1。一般来说，声像定位明显且具一定声场宽度的信号其相关性值处于0.5至0.7之间；汇聚感较弱，声场范围较宽的观效信号其相关性值处于－0.3至0.2之间；当相关性值低于－0.3时则表示信号很可能存在相位问题。

除了相关性刻度表这种数值量化监测方式，我们还可以利用音频矢量图监测工具，即李萨如图。我们将立体声左右声道的信号分别输入到示波器的X轴和Y轴，左声道为南北向，右声道为东西向即可产生李萨如图。一般地，我们都将李萨如图逆时针旋转45度，以更为贴合左右声道显示逻辑关系的方式让工程师使用。

为了简化讨论，下面以单一频率信号来解析李萨如图的形成原理，这里我们给定右声道音频信号幅度为A，频率为图片的余弦信号，即图片；

a.当左声道信号与右声道信号幅度、频率及相位都相同时，即图片，可知图片，此时李萨如图为一条垂直直线（Y=X的函数曲线且逆时针旋转45度）；

b.当左声道信号与右声道信号幅度、频率相同但相位相差90度时，即图片，可知图片，此时李萨如图为圆形；

c.当左声道信号与右声道信号幅度、频率相同但相位相差180度时，即图片，可知图片，此时李萨如图为一条水平直线（Y=－X的函数曲线且逆时针旋转45度）；

d.当左声道信号与右声道信号频率、相位相同，但幅度不同时，即图片，可知图片，此时李萨如图为一条斜线，若左声道幅度比右声道大，斜线往左边倾斜，反之亦然；

e.当左声道信号与右声道信号频率相同，相位相差90度且幅度不同时，即图片，可知图片，此时李萨如图为椭圆。若左声道信号幅度比右声道大，该椭圆的长轴为Y轴，反之亦然；

f.另外，当输入的立体声信号幅度过大时，李萨如图会呈现出正方形的边界，说明信号被削波，出现失真。

上述各项情况可用数字调音台内部的信号发生器进行模拟，具体的李萨如图如下表：

出现削波失真

运用李萨如图我们可以迅速地确认立体声信号的情况，若李萨如图的面积较小且集中在中线时，说明立体声信号高度相关，立体声的效果不明显；若李萨如图长时间显得扁平并且集中在水平线附近时，说明立体声信号接近反相，立体声的声像定位不稳定，还会影响其单声道下变换信号的效果。这时工程师应按信号流程逐步排错，因为信源、物理接线、信号路由以及通道处理上的反相和延时功能都有可能导致这类问题。上述各类情况的李萨如图如下表：

左右声道信号高度相关的立体声信号

一般立体声音乐信号

接近完全反相的立体声信号

环绕声音频可视化监测

在立体声音频可视化监测的基础上，不同品牌的音频仪表厂商针对环绕声音频制作的特点各自生产了其专有的监控部件（如DK-Technologies的海星图，RTW的屋形图）以帮助音频工程师快速获取环绕声信号的全貌概况，检查环绕声信号中各个声道的幅度状态及它们之间的相位关系。下面以RTW的环绕声分析仪（SSA - Surround Sound Analyzer，又称屋形图）为例具体说明如何利用这类工具监测环绕声音频信号。

首先，分析仪的刻度表可采用峰值-dBFS、声压级-dB SPL或响度-LKFS（K计权，基于ITU BS.1770建议书）或LUFS等单位来显示。当该设备和音频回放系统正确校准时，它能准确显示当前信号的声压级或响度。

图形界面从中心向四个角落延伸出四个刻度尺，分别表示L、R、Ls和Rs的信号幅度，除此之外还包括中置声道C的信号幅度。假如采用LUFS为刻度单位（参照EBU R128响度标准），则图中的刻度间隔为10LUFS，四个顶点表示－13LUFS，红色的刻度代表目标响度值－23LUFS，中心处表示－68LUFS。

以青色线条将各个声道幅度值顶点连接构成的多边形称为总音量指示（TVI - Total Volume Indicator），用于显示整个环绕声信号的幅度平衡和各通道间的相位情况，TVI的面积直接反映了信号的总体响度。两个邻近声道之间（例如L与Ls）的幅度值会形成连线，当其相关性为+1时，该连线会向外突出，突出的顶点表示两个声道形成了明显的声像定位。当其相关性为﹣1时，该连线会向中心凹陷，表示两个声道信号反相，导致整体响度被削弱。当其相关性为0时，该连线为一直线，表明两个信号之间没有关联。

由于中置声道的特殊性，将其与左右声道的幅度值顶点以黄色线条连接形成中置音量指示（CVI - Center Volume Indicator），CVI用于反映中置信号在整个环绕声信号中的主导程度。

图2 RTW环绕声分析仪TVI示意图

而在多边形的外面有幻象声源指示（PSI - Phantom Source Indicators）帮助我们定位各对声道（L/R、L/Ls、R/Rs和Ls/Rs）间形成的虚拟声像位置。PSI中间的白点称为幻象声源指针，它表示虚拟声源的位置。当两个邻近声道的幅度大小一样时，该点处于中间位置。当一对邻近声道中某一声道信号幅度偏大时，该点会偏向幅度较大的声道。幻象声源指针往两边延伸的直线长度表示该虚拟声源的声场宽度，当相关性值为0.9以上时，该直线很短，表明虚拟声源的汇聚感很强，定位较为精准。当该值为0.9以下时，该直线线随着相关性的下降往两边延长，表示虚拟声源的声场变宽，汇聚感降低。

直线的颜色则表示邻近声道的相关性情况。当信号相关性为正值时，该直线为绿色；当信号相关性为0时，该直线为黄色；当信号相关性为负值时，该直线为红色。此外，当两声道的相位差大于90度时，PSI延长线的最外端还会有一条45度的红色斜线标记；当相位差往180度靠近时，这条斜线会逐渐变长，提示相位存在问题。

在PSI的外面有各个声道之间的相关性刻度表，它的颜色变化与PSI类似。根据环绕声各个声道的组合效果，屋形图中部会形成主声像标记（白色十字光标）以显示整个信号的声像定位，音频工程师可利用这个标记来快速解读整个信号的声像情况。

图3 RTW环绕声分析仪PSI示意图

只要我们理解了环绕声信号分析仪中的各项指标后，我们便能够通过该图像快速获取各个声道的幅度大小、相互之间相位关系的情况，让工程师十分直观快捷地监控全局信号。特别地，在需要同时监控多路环绕声信号信号的应用场景中，例如信号调度中心、播控机房，这类可视化监控工具的可用性、适应性及延展性具有很大的优势，给相关人员的判断提供了可靠的技术手段作为支撑。

三维声音频可视化监测

如今电视制播领域正迈入超高清时代，沉浸式音频将成为新的技术应用趋势，电视的下一代音频标准将以5.1+4的三维声制作为主。在此基础上音频的可视化监测亦相应地升级换代，其中DK-Technologies 的T7系列就有监测三维声信号的软件包可供用户选择，杜比基于对象的全景声直播和后期制作亦有相应软硬件来监测各音频对象的空间声像位置状态。然而，这类可视化监测工具因其对使用场景的硬指标要求较高，所以还没有做到大范围的普及推广。相信随着三维声应用的铺开，各个厂家今后必定会推出信息更丰富，功能更完善、整合度更高的软硬件仪表供技术人员在制播过程中使用。

图4 DK-Technologies T7 16声道超级海星图和7.1+4三维声回放系统图

图5 杜比全景声渲染器音频对象的显示界面

总结

不难发现，即使图像质量没有改变，但如果伴随图像的声音质量变差，观众对内容评价亦会随之降低。为了尽可能地提升节目质量，在音频信号技术质量监测中应充分运用可视化工具来协助技术人员评判观众将要体验的信号质量，减少技术人员主观因素的影响。再好的主观体验感受也离不开客观技术指标的支撑，充分掌握这类设备的原理及应用方法才能在制播流程中以科学分析指导实践，做到有理可依，有据可寻。

RTW是目前市场上唯一可以提供沉浸式三维声相位显示以及响度测量的表头，同时还提供了丰富的网络接口，满足 AES67 和 SMPTE-2110 的标准，在各种国际体育赛事和重大转播中都起到了不可替代的作用，广受好评。相关文章可阅读《沉浸式音频的表头监测》、《东京奥运会上沉浸式音频直播的监测》。

参考文献：

Tektronix:《Monitoring Surround-Sound Audio》

Dk-Technologies:《User’s Manual The Atmos And Madi Software》