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透聲投影幕

歷史與技術 I

 

原作：安東尼·格利馬尼

 

翻譯：李媛

 

引言

 

電影是一種虛幻的現實。它調動我們的視覺和聽覺，讓我們進入脫體的旅行、體驗、思考和生活狀態。值得注意的是，能夠打動我們視聽體驗竟然如此豐富！為達到讓劇場“消失”的幻象，諸多要素必不可少：故事、表演、劇本、導演、攝影、特技、聲效設計、配樂、震撼的音效、明銳的顯示系統、清晰的音響系統、經過聲學處理的房間、主題氛圍的營造等等。破壞其中任一環節，最終效果就會徹底崩潰。在一套聲音含糊得聽不清對白的音響系統面前，再偉大的表演也無濟于事。歸根到底，我們的眼睛和耳朵必須看到和聽到現實畫面和聲音的理想復制品，否則大腦就不會把它們信以為真，讓我們盡情享受電影的迷人魅力。要達到這種效果，一個相當重要的因素是研發出一種能透過聲音的幕布，這樣音箱就可以放在幕布之后，從而實現聲音和畫面的位置統一，就像現實生活中的經驗一樣。許多發明家已經注意到這個問題，并且致力于解決銀幕對聲音和畫面品質的互相矛盾的需求。本文可視為對他們研究的一個縱覽，以及對當前最頂級高清透聲幕的考察。

 

透聲幕與影院體驗

 

自1895年12月28日盧米埃爾兄弟利用一架萊昂·波利放映機進行首次商業化電影放映以來，人們對此進行了許多的研究。顯示畫面從早期35mm黑白膠片發展到投射在巨型銀幕上亮麗鮮活的高清晰數字視頻。音響系統也從鋼琴或風琴伴奏發展到動態范圍超過現實世界的7.1聲道超高音質環繞聲格式。

 

制片廠、技術研發公司，甚至小企業家都為技術革新與技術革命提供資助。像電影與電視工程師協會（SMPTE）這樣的組織為技術思想交流與標準化提供了各種論壇，影視作品的視聽效果因而日新月異。

 

多年以來，出現過各種各樣的電影畫面格式和音頻格式。有些因為技術缺陷或商業因素而失敗。有些獲得了成功，并演變成今天我們熟知的電影制作與放映的標準。某些情況下，標準會變成國際認可的文件，如SMPTE 202M或ISO 2969規范（這是同一標準在兩個不同體系中的編號，名稱為《電影—電影錄音控制室和室內影院B環電-聲響應—規范和測量》——譯者注）。

 

商業影院中一個基本并至關重要的信條是，前方揚聲器要放在透聲幕布材料之后，這樣聲音聽上去就是直接從畫面而來。這樣的聲-畫關系對形成電影效果的真實感非常重要。自1927年厄爾·斯波那布爾（Earl Sponable）對穿孔幕的研究開始，人們采取在幕料上打孔的方法，讓來自揚聲器的聲波穿過這些小孔到達觀眾的耳朵。平心而論，穿孔法并不能實現理想的透聲效果，而且高頻響應和信號純度也存在某些失真。

 

穿孔銀幕的透聲特性好像一個機械式低通濾波器。在低頻幾乎沒有損耗。一部分聲音從穿孔透過，另一部分聲音則來自幕布的二次輻射。在中頻，聲音主要通過穿孔傳輸。在高頻，聲波的流阻升高。它們被穿孔間的未穿孔區域反射回音箱、號筒表面和劇院前方墻壁。減弱的高頻穿過銀幕，與前后高頻反射波耦合，導致保真度的損失和可信度的降低。

 

以THX聞名的湯姆林森·霍爾曼（Tomlinson Holman）發現，將音箱嵌入墻面，并以吸聲材料覆蓋墻面可顯著降低高頻失真，還可以使用正確的均衡器校正方法來恢復聲軌中原有的頻譜平衡度。但即便這些措施行之有效，在某些語音及音樂片段中仍能聽出殘余諧振——如唇齒音托尾和某些樂器的窄帶諧振。這類聲頻失真大多由銀幕和號筒表面的反射導致，它們無法消除。最終我們必須學會容忍這種效應。電影混音師在制作聲軌時會聽到這類失真，并會采取一些措施來降低聲污染的可聞度，大體上，一般電影觀眾不會對此有任何投訴。

 

把影院效果帶回家

 

家庭電影放映多年來走過了一條漫長的道路：從早期以16mm電視電影機直播的黑白電視和從一個控制箱中發聲的單一紙錐盆揚聲器，到今天以高亮度投影的高清光盤和包圍著聽眾的9只以上的音箱。

 

在早期小型電視熒屏時代，在畫面上方、下方或兩側設置音箱的方法被普遍接受，音箱偏角很小，沒有人會注意到聲音實際并不是來自畫面后方。但是，隨著越來越多的人用前投影機組建家庭影院，銀幕尺寸越來越大，聲/畫位置偏差開始變得明顯起來，對影院效果的真實感大有妨害。大多數家庭影院用戶被迫將中置音箱置于畫面上方或下方，將左右聲道音箱置于兩側。聲音和畫面在聽感上當然不能匹配，但同時還會產生其它聲學問題。中置音箱通常不得不靠近地板或天花，從而引發來自這些反射面的強烈反射。這些反射通過強烈的梳狀濾波效應將降低了聲音的純度和可聞度。多排座位也有問題。前排座位會阻擋低位中置音箱到達后排聽眾的聲波。

 

 

 

對策之一：雙中置音箱

人類的創造力是無窮的。面對有損影院效果的聲像偏離，一些人試圖用兩個置于銀幕對側的中置音箱來復原正確的聲/畫關系。這一潮流興起又消退，最終被用進廢退的法則淘汰，因為它根本不起作用。只有位于銀幕兩側音箱正中央位置的聽眾能夠偶爾感受到幻象中置的效果。其他聽眾只能感覺到聲像向他們所在的那一側銀幕移動。

 

有些人甚至嘗試將音箱置于銀幕上下兩邊，希望以此取得幻象中置。如果聽眾是躺著的，這或許能奏效，否則他們得在腦袋上下方長出一雙新的耳朵才行。

 

對策之二：穿孔銀幕

在雙中置音箱方案失敗后，人們很自然地想到讓聲音位置與畫面位置匹配的理想方法，是采用在電影工業中已行之多年的穿孔銀幕。不幸的是，他們發現置于典型家庭影院音箱之前的標準穿孔電影幕會引發多種問題。在通常3.7m左右的座位距離上很容易看到穿孔，而高頻衰減更是不堪忍受。簡單地用高音音調調節進行補償并不能很好地解決問題。來自銀幕背面反射聲的綜合梳狀濾波效應，還有將2倍甚至4倍功率饋入高音單元導致的可靠性下降也是不能接受的。

 

如何透聲

還是在1992年，湯姆林森·霍爾曼和我開始著手解決是否有可能獲得更好的聲性能這個問題。我們找到一份由泰德·舒爾茨（Ted Schultz）發表，工業穿孔機協會分發的關于穿孔材料的研究論文。論文對聲波通過穿孔材料的過程進行了概述，指出每個穿孔相當于允許聲波通過的一段小管。論文同時說明，開放區域達到10%的表面，只要孔徑足夠小并足夠靠近，就能使透聲頻率超過16kHz。我們最終設計了一個在25.8m2圓形區域內打上直徑0.38mm穿孔的幕布，并尋找能夠制造這么一個龐然大物的銀幕制造商。THX認證對任何能制造透聲范圍超過16kHz，同時具有良好視頻投射性能（增益約1.0、自然的白光反射率、良好的均勻度等等）幕布的人提供獎勵。

 

首次嘗試

第一個接受這個挑戰的是一個名叫UniScreen的小公司。他們用激光打孔技術來形成小孔。激光打孔工藝會在乙烯幕布材料上形成燒灼痕跡：必須再進行一次白色噴漆以恢復正確的光反射特性。不幸的是，小孔又被漆堵住，不得不把空弄得更大。UniScreen最終解決了孔徑和噴漆工藝，并制造出了少量符合要求的銀幕。因為工藝成本太高，在公司被賣給一個更大的公司后這個項目就下馬了。

 

微孔技術（Microperf）

最后，視圖爾特（Stewart）公司首先通過了THX的認證。在微孔技術首次發表后的那些年里，他們執著地、不知疲倦地向市場灌輸透聲幕的優點。幾年以后，我們終于學會了如何用微孔技術取得專業影院透聲幕般的效果。

 

微孔透聲幕需要解決的一個問題，是高頻梳狀濾波效應引起的高頻透聲率下降。這個問題源自幕布和音箱之間聲波的來回反射。聽覺上表現為高頻模糊，并且中置音箱與位于幕布外側的左右聲道音箱音色不匹配。梳狀濾波作用頻率范圍取決于幕布與音箱表面間的距離：距離越長，頻率越低。只要距離足夠長，梳狀濾波作用頻率就會落在幕布高頻衰減點以下并消失。微孔幕的“神奇距離”在15cm左右，所以微孔幕的正確安裝方法是幕面與音箱間的空間至少要有15cm。

 

有一個進一步降低高頻失真的方法是在音箱表面及音箱附近區域包覆2.5cm厚的中密度吸聲材料。這能消除幕布和音箱表面間的來回反射。穿孔材料具有10%的開放區域意味著會有10%的光線穿過幕面。幕布后的反光面會在觀眾眼中形成閃爍點。幕布后的淺色表面會籍由光散射而降低畫面對比度。對比度損失的情況在微孔幕和普通幕上基本相同，傳統上用背面涂黑來緩解。對于穿孔幕，幕布背后表面需要全部涂黑或覆蓋上一層很薄的黑色平紋織物。如果不能采用涂黑方法，用喇叭布效果也不錯。

 

因為照顧到了所有細節，視圖爾特的微孔幕能取得非常接近專業影院的效果，具有正確的聲畫關聯的新一代家庭影院設計因而成為可能。

 

20世紀90年代后期出現了一個新的挑戰，固定像素投影器材出現并迅速普及。當幕布穿孔間的距離大致等于投影機像素間隙的距離時，畫面上會出現摩爾紋，看上去好像存在射頻干擾一樣。LCD投影機具有最大的像素間隙，因此這種情況特別嚴重。DLP投影機間隙較小，所以就輕微得多，而LCoS投影機是最輕微的。較小的幕布，因為像素明顯小于穿孔間距，摩爾紋基本上會消失。非常大的幕布情況與此類似，因為像素又比孔距大。但是，產生嚴重摩爾紋問題的幕布尺寸有一個范圍。對于早期采用1280×720TI芯片的DLP投影機，87”到99”（對角線）的幕布比較容易發生問題。1920×1080的投影機在90”至120”之間會遇到問題。

 

解決摩爾紋的一個方法是讓投影機略微失焦，這樣像素間隙銳度降低，干擾會較不明顯。在大多數情況下，這并不會讓畫面看起來更模糊，因為像素比間隙大太多，畫面分辨率比失焦后的鏡頭分辨率還是要低得多。視圖爾特最新的對策是改變微孔材料安裝角來降低干涉紋的可見度。據說將幕布順時針轉動16°效果就非常好。在一些演示中，仍然可以看到一種不同但輕微許多的干涉紋，但對于大多數觀眾是可接受的。穿孔的方式沒有任何變化，所以前述聲學問題也是同樣存在。

 

高清視頻也凸顯了微孔幕的另一局限。分辨率的提升以及1920×1080投影機更小的像素尺寸意味著像素的一部分會被現有微孔材料上的穿孔“吃掉”。在播放測試圖和投影畫面時可以看到這一現象，所以有些著名的視頻專家在作1920×1080畫面評鑒的場合反對采用微孔幕。所幸的是，幕布超過100”后分辨率損失就會大大降低，不會成為一個嚴重的問題。不管怎么說， 1920×1080分辨率在小屏幕上又有什么意義呢？

 

下一代透聲幕

微孔幕在1995年問世后被大量生產。但是，隨處可見的視圖爾特的設計也因為無壓縮音頻、先進的視頻壓縮和1920×1080投影的普及而面臨更多的挑戰。其他制造商也開始響應更高透聲度和更低解析度損失的市場需求。Screen Research是第二家生產THX認證透聲幕的公司，他們重新回到采用編織材料代替整體穿孔材料的思路。他們的ClearPix多層編織材料使用包裹乙烯的玻纖線。其編織花紋允許聲波穿過重疊的線層，而不是泰德·舒爾茨在他研究論文中指出的穿過一系列小管。

 

ClearPix的另一優點是近乎完全密不透風畫面，沒有導致視頻分辨率損失的微孔。編織工藝讓幕布表面不像乙烯材料幕那樣光滑，但唯一能讓編織紋變得明顯的畫面是像素間隙。在帶寬為1920×1080的分辨率測試圖上看不出任何性能損失。

 

當然，ClearPix也不是沒有自己的短處。制造編織材料的成本比乙烯布貴得多，安裝也稍稍復雜一點。如同穿孔幕一樣，ClearPix的反面需要全黑，不能有反射光，以獲取最大對比度。或許ClearPix的最大挑戰是幕的增益，只有0.9.對于大多數投影機只要采用較小的畫面就可輕易解決這個問題，更大的幕就需要投資更加昂貴的高亮度投影機。如果能看到某種回歸型或反射型的ClearPix材料就好了。現如今，只有磨砂白、亞光灰兩種選擇。

 

理想境界實現了嗎？

簡而言之，已經非常接近了。微孔幕曾是一種極好的產品，并會一直在許多場合大量應用。 ClearPix幕是一個顯著的進步，特別是在透聲度和畫質方面。也許它們和對聲音和畫面完全無影響的平整表面理想幕布之間還存在小小的差距，但缺陷實在很小。你必須非常用心才能看出或聽出音畫損失（比如高頻衰減只有小小的1dB），你可察覺出的任何差異都可完全歸入吹毛求疵的范疇。

 

 

 

 

 

 

 

結論

 

讓我們面對音樂，必須承認如下事實：對于真正影院化的家庭影院效果，你真正需要的是（1）一套前投影系統加上（2）一塊透聲幕加上（3）直接放在幕布后的中置音箱。聲畫關系對形成電影真實感起著奇妙的作用，最終可以與電影導演的意圖和他所見的畫面相提并論。如果你關心透聲幕對音質和畫質有何影響，只需回答下列問題：

 

聲音和畫面有多少劣化？

 

劣化能否被大多數人察覺？

 

真正影院效果所帶來的好處是否大于聲畫的劣化？

 

標準影院穿孔幕絕對會引起太多的聲畫劣化，比不正確的聲/畫關系更能讓人分心。微孔幕比標準穿孔幕有了巨大的進步，但仍有可以被測量出來并且可以被察覺的聲畫劣化。但是，只要對音頻和視頻系統進行認真的設置，微孔幕能極大地提升家庭影院的效果。ClearPix這樣的編織幕向正確的方向更進了一步。它們的畫質劣化更少，而且音質幾乎沒有失真。所以，它們的設置更加簡單直接。

 

透聲幕帶來的影院效果迄今無可替代，在高性能家庭影院中的應用值得高度推薦。