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透声投影幕

历史与技术 I

 

原作：安东尼·格利马尼

 

翻译：李媛

 

引言

 

电影是一种虚幻的现实。它调动我们的视觉和听觉，让我们进入脱体的旅行、体验、思考和生活状态。值得注意的是，能够打动我们视听体验竟然如此丰富！为达到让剧场“消失”的幻象，诸多要素必不可少：故事、表演、剧本、导演、摄影、特技、声效设计、配乐、震撼的音效、明锐的显示系统、清晰的音响系统、经过声学处理的房间、主题氛围的营造等等。破坏其中任一环节，最终效果就会彻底崩溃。在一套声音含糊得听不清对白的音响系统面前，再伟大的表演也无济于事。归根到底，我们的眼睛和耳朵必须看到和听到现实画面和声音的理想复制品，否则大脑就不会把它们信以为真，让我们尽情享受电影的迷人魅力。要达到这种效果，一个相当重要的因素是研发出一种能透过声音的幕布，这样音箱就可以放在幕布之后，从而实现声音和画面的位置统一，就像现实生活中的经验一样。许多发明家已经注意到这个问题，并且致力于解决银幕对声音和画面品质的互相矛盾的需求。本文可视为对他们研究的一个纵览，以及对当前最顶级高清透声幕的考察。

 

透声幕与影院体验

 

自1895年12月28日卢米埃尔兄弟利用一架莱昂·波利放映机进行首次商业化电影放映以来，人们对此进行了许多的研究。显示画面从早期35mm黑白胶片发展到投射在巨型银幕上亮丽鲜活的高清晰数字视频。音响系统也从钢琴或风琴伴奏发展到动态范围超过现实世界的7.1声道超高音质环绕声格式。

 

制片厂、技术研发公司，甚至小企业家都为技术革新与技术革命提供资助。像电影与电视工程师协会（SMPTE）这样的组织为技术思想交流与标准化提供了各种论坛，影视作品的视听效果因而日新月异。

 

多年以来，出现过各种各样的电影画面格式和音频格式。有些因为技术缺陷或商业因素而失败。有些获得了成功，并演变成今天我们熟知的电影制作与放映的标准。某些情况下，标准会变成国际认可的文件，如SMPTE 202M或ISO 2969规范（这是同一标准在两个不同体系中的编号，名称为《电影—电影录音控制室和室内影院B环电-声响应—规范和测量》——译者注）。

 

商业影院中一个基本并至关重要的信条是，前方扬声器要放在透声幕布材料之后，这样声音听上去就是直接从画面而来。这样的声-画关系对形成电影效果的真实感非常重要。自1927年厄尔·斯波那布尔（Earl Sponable）对穿孔幕的研究开始，人们采取在幕料上打孔的方法，让来自扬声器的声波穿过这些小孔到达观众的耳朵。平心而论，穿孔法并不能实现理想的透声效果，而且高频响应和信号纯度也存在某些失真。

 

穿孔银幕的透声特性好像一个机械式低通滤波器。在低频几乎没有损耗。一部分声音从穿孔透过，另一部分声音则来自幕布的二次辐射。在中频，声音主要通过穿孔传输。在高频，声波的流阻升高。它们被穿孔间的未穿孔区域反射回音箱、号筒表面和剧院前方墙壁。减弱的高频穿过银幕，与前后高频反射波耦合，导致保真度的损失和可信度的降低。

 

以THX闻名的汤姆林森·霍尔曼（Tomlinson Holman）发现，将音箱嵌入墙面，并以吸声材料覆盖墙面可显著降低高频失真，还可以使用正确的均衡器校正方法来恢复声轨中原有的频谱平衡度。但即便这些措施行之有效，在某些语音及音乐片段中仍能听出残余谐振——如唇齿音托尾和某些乐器的窄带谐振。这类声频失真大多由银幕和号筒表面的反射导致，它们无法消除。最终我们必须学会容忍这种效应。电影混音师在制作声轨时会听到这类失真，并会采取一些措施来降低声污染的可闻度，大体上，一般电影观众不会对此有任何投诉。

 

把影院效果带回家

 

家庭电影放映多年来走过了一条漫长的道路：从早期以16mm电视电影机直播的黑白电视和从一个控制箱中发声的单一纸锥盆扬声器，到今天以高亮度投影的高清光盘和包围着听众的9只以上的音箱。

 

在早期小型电视荧屏时代，在画面上方、下方或两侧设置音箱的方法被普遍接受，音箱偏角很小，没有人会注意到声音实际并不是来自画面后方。但是，随着越来越多的人用前投影机组建家庭影院，银幕尺寸越来越大，声/画位置偏差开始变得明显起来，对影院效果的真实感大有妨害。大多数家庭影院用户被迫将中置音箱置于画面上方或下方，将左右声道音箱置于两侧。声音和画面在听感上当然不能匹配，但同时还会产生其它声学问题。中置音箱通常不得不靠近地板或天花，从而引发来自这些反射面的强烈反射。这些反射通过强烈的梳状滤波效应将降低了声音的纯度和可闻度。多排座位也有问题。前排座位会阻挡低位中置音箱到达后排听众的声波。

 

 

 

对策之一：双中置音箱

人类的创造力是无穷的。面对有损影院效果的声像偏离，一些人试图用两个置于银幕对侧的中置音箱来复原正确的声/画关系。这一潮流兴起又消退，最终被用进废退的法则淘汰，因为它根本不起作用。只有位于银幕两侧音箱正中央位置的听众能够偶尔感受到幻象中置的效果。其他听众只能感觉到声像向他们所在的那一侧银幕移动。

 

有些人甚至尝试将音箱置于银幕上下两边，希望以此取得幻象中置。如果听众是躺着的，这或许能奏效，否则他们得在脑袋上下方长出一双新的耳朵才行。

 

对策之二：穿孔银幕

在双中置音箱方案失败后，人们很自然地想到让声音位置与画面位置匹配的理想方法，是采用在电影工业中已行之多年的穿孔银幕。不幸的是，他们发现置于典型家庭影院音箱之前的标准穿孔电影幕会引发多种问题。在通常3.7m左右的座位距离上很容易看到穿孔，而高频衰减更是不堪忍受。简单地用高音音调调节进行补偿并不能很好地解决问题。来自银幕背面反射声的综合梳状滤波效应，还有将2倍甚至4倍功率馈入高音单元导致的可靠性下降也是不能接受的。

 

如何透声

还是在1992年，汤姆林森·霍尔曼和我开始着手解决是否有可能获得更好的声性能这个问题。我们找到一份由泰德·舒尔茨（Ted Schultz）发表，工业穿孔机协会分发的关于穿孔材料的研究论文。论文对声波通过穿孔材料的过程进行了概述，指出每个穿孔相当于允许声波通过的一段小管。论文同时说明，开放区域达到10%的表面，只要孔径足够小并足够靠近，就能使透声频率超过16kHz。我们最终设计了一个在25.8m2圆形区域内打上直径0.38mm穿孔的幕布，并寻找能够制造这么一个庞然大物的银幕制造商。THX认证对任何能制造透声范围超过16kHz，同时具有良好视频投射性能（增益约1.0、自然的白光反射率、良好的均匀度等等）幕布的人提供奖励。

 

首次尝试

第一个接受这个挑战的是一个名叫UniScreen的小公司。他们用激光打孔技术来形成小孔。激光打孔工艺会在乙烯幕布材料上形成烧灼痕迹：必须再进行一次白色喷漆以恢复正确的光反射特性。不幸的是，小孔又被漆堵住，不得不把空弄得更大。UniScreen最终解决了孔径和喷漆工艺，并制造出了少量符合要求的银幕。因为工艺成本太高，在公司被卖给一个更大的公司后这个项目就下马了。

 

微孔技术（Microperf）

最后，视图尔特（Stewart）公司首先通过了THX的认证。在微孔技术首次发表后的那些年里，他们执着地、不知疲倦地向市场灌输透声幕的优点。几年以后，我们终于学会了如何用微孔技术取得专业影院透声幕般的效果。

 

微孔透声幕需要解决的一个问题，是高频梳状滤波效应引起的高频透声率下降。这个问题源自幕布和音箱之间声波的来回反射。听觉上表现为高频模糊，并且中置音箱与位于幕布外侧的左右声道音箱音色不匹配。梳状滤波作用频率范围取决于幕布与音箱表面间的距离：距离越长，频率越低。只要距离足够长，梳状滤波作用频率就会落在幕布高频衰减点以下并消失。微孔幕的“神奇距离”在15cm左右，所以微孔幕的正确安装方法是幕面与音箱间的空间至少要有15cm。

 

有一个进一步降低高频失真的方法是在音箱表面及音箱附近区域包覆2.5cm厚的中密度吸声材料。这能消除幕布和音箱表面间的来回反射。穿孔材料具有10%的开放区域意味着会有10%的光线穿过幕面。幕布后的反光面会在观众眼中形成闪烁点。幕布后的浅色表面会籍由光散射而降低画面对比度。对比度损失的情况在微孔幕和普通幕上基本相同，传统上用背面涂黑来缓解。对于穿孔幕，幕布背后表面需要全部涂黑或覆盖上一层很薄的黑色平纹织物。如果不能采用涂黑方法，用喇叭布效果也不错。

 

因为照顾到了所有细节，视图尔特的微孔幕能取得非常接近专业影院的效果，具有正确的声画关联的新一代家庭影院设计因而成为可能。

 

20世纪90年代后期出现了一个新的挑战，固定像素投影器材出现并迅速普及。当幕布穿孔间的距离大致等于投影机像素间隙的距离时，画面上会出现摩尔纹，看上去好像存在射频干扰一样。LCD投影机具有最大的像素间隙，因此这种情况特别严重。DLP投影机间隙较小，所以就轻微得多，而LCoS投影机是最轻微的。较小的幕布，因为像素明显小于穿孔间距，摩尔纹基本上会消失。非常大的幕布情况与此类似，因为像素又比孔距大。但是，产生严重摩尔纹问题的幕布尺寸有一个范围。对于早期采用1280×720TI芯片的DLP投影机，87”到99”（对角线）的幕布比较容易发生问题。1920×1080的投影机在90”至120”之间会遇到问题。

 

解决摩尔纹的一个方法是让投影机略微失焦，这样像素间隙锐度降低，干扰会较不明显。在大多数情况下，这并不会让画面看起来更模糊，因为像素比间隙大太多，画面分辨率比失焦后的镜头分辨率还是要低得多。视图尔特最新的对策是改变微孔材料安装角来降低干涉纹的可见度。据说将幕布顺时针转动16°效果就非常好。在一些演示中，仍然可以看到一种不同但轻微许多的干涉纹，但对于大多数观众是可接受的。穿孔的方式没有任何变化，所以前述声学问题也是同样存在。

 

高清视频也凸显了微孔幕的另一局限。分辨率的提升以及1920×1080投影机更小的像素尺寸意味着像素的一部分会被现有微孔材料上的穿孔“吃掉”。在播放测试图和投影画面时可以看到这一现象，所以有些著名的视频专家在作1920×1080画面评鉴的场合反对采用微孔幕。所幸的是，幕布超过100”后分辨率损失就会大大降低，不会成为一个严重的问题。不管怎么说， 1920×1080分辨率在小屏幕上又有什么意义呢？

 

下一代透声幕

微孔幕在1995年问世后被大量生产。但是，随处可见的视图尔特的设计也因为无压缩音频、先进的视频压缩和1920×1080投影的普及而面临更多的挑战。其他制造商也开始响应更高透声度和更低解析度损失的市场需求。Screen Research是第二家生产THX认证透声幕的公司，他们重新回到采用编织材料代替整体穿孔材料的思路。他们的ClearPix多层编织材料使用包裹乙烯的玻纤线。其编织花纹允许声波穿过重叠的线层，而不是泰德·舒尔茨在他研究论文中指出的穿过一系列小管。

 

ClearPix的另一优点是近乎完全密不透风画面，没有导致视频分辨率损失的微孔。编织工艺让幕布表面不像乙烯材料幕那样光滑，但唯一能让编织纹变得明显的画面是像素间隙。在带宽为1920×1080的分辨率测试图上看不出任何性能损失。

 

当然，ClearPix也不是没有自己的短处。制造编织材料的成本比乙烯布贵得多，安装也稍稍复杂一点。如同穿孔幕一样，ClearPix的反面需要全黑，不能有反射光，以获取最大对比度。或许ClearPix的最大挑战是幕的增益，只有0.9.对于大多数投影机只要采用较小的画面就可轻易解决这个问题，更大的幕就需要投资更加昂贵的高亮度投影机。如果能看到某种回归型或反射型的ClearPix材料就好了。现如今，只有磨砂白、亚光灰两种选择。

 

理想境界实现了吗？

简而言之，已经非常接近了。微孔幕曾是一种极好的产品，并会一直在许多场合大量应用。 ClearPix幕是一个显著的进步，特别是在透声度和画质方面。也许它们和对声音和画面完全无影响的平整表面理想幕布之间还存在小小的差距，但缺陷实在很小。你必须非常用心才能看出或听出音画损失（比如高频衰减只有小小的1dB），你可察觉出的任何差异都可完全归入吹毛求疵的范畴。

 

 

 

 

 

 

 

结论

 

让我们面对音乐，必须承认如下事实：对于真正影院化的家庭影院效果，你真正需要的是（1）一套前投影系统加上（2）一块透声幕加上（3）直接放在幕布后的中置音箱。声画关系对形成电影真实感起着奇妙的作用，最终可以与电影导演的意图和他所见的画面相提并论。如果你关心透声幕对音质和画质有何影响，只需回答下列问题：

 

声音和画面有多少劣化？

 

劣化能否被大多数人察觉？

 

真正影院效果所带来的好处是否大于声画的劣化？

 

标准影院穿孔幕绝对会引起太多的声画劣化，比不正确的声/画关系更能让人分心。微孔幕比标准穿孔幕有了巨大的进步，但仍有可以被测量出来并且可以被察觉的声画劣化。但是，只要对音频和视频系统进行认真的设置，微孔幕能极大地提升家庭影院的效果。ClearPix这样的编织幕向正确的方向更进了一步。它们的画质劣化更少，而且音质几乎没有失真。所以，它们的设置更加简单直接。

 

透声幕带来的影院效果迄今无可替代，在高性能家庭影院中的应用值得高度推荐。