前陣子在討論文案的時候，就聊到多聲道音響系統的一些內容。十多年前，歐拉夫的學長擁有一套5.1聲道的音響系統，當時在學長那看電影玩遊戲感受到身歷其境的震憾，可是讓我們一群囊中羞澀的後輩們羨慕不已。
早期多聲道的環繞音效一般人幾乎只能在電影院享受，上世紀90年代，盧卡斯影業就訂定出了THX（Tomlinson Holman Experiment）認證來標示電影院或是家庭影音的設備符合Dolby Digital Surround EX或是DTS-ES的音響效果。
1965年美國工程師Ray Milton Dolby在英國成立了杜比實驗室，致力於降噪以及聲音壓縮編碼的技術開發。其發展的杜比數位（Dolby Digital），或稱AC-3，幾乎成為現在影視聲音數位檔案的基礎定義，而杜比數位環繞EX（Dolby Digital Surround EX）直至最近的杜比全景聲（Dolby Atmos）也深刻影響了各式各樣電子娛樂設備的面貌。
我們如何聽出方向?
人耳，是複雜又強大的感知器官，而我們那與生俱來「聽聲辨位」的能力，與其他動物一樣，主要是靠著大腦進行極其高速又縝密的運算後獲得的結果。人類的聽覺系統可以辨識出兩耳接收到訊號千分之三秒（3毫秒）的時間差，經過大腦瞬間進行人工計算會天荒地老的三角函數邏輯，我們馬上就能感知到聲音源頭的方向以及距離，而不是感覺到聲音不同時間發生。
但是如果聲音時間差超過30毫秒至50毫秒，我們就會聽出兩次聲響。超過50毫秒的兩次聲響，經過我們的雙耳，就能辨識兩響的方向差異，這就是所謂的哈斯效應（Haas Effect），因此在現場演唱演奏會時，場域結構或是外場揚聲器的位置擺放等都需要考量哈斯效應產生的聽覺疑惑。真希望以前讀書考試的時候，可以直接調動那些不可控的腦迴路去幫助我們。
除了兩耳的時間差，我們還依賴耳廓與頭顱等自身對於音波造成的干擾，來判斷聲音的方向。這部分有專門的聲學研究，對於固定位置的人耳進行一系列全方向性的頻響測試，最後推導出一套音效定位演算法，稱為頭部相關傳輸函數HRTF（Head Related Transfer Functions）
經過耳廓干擾後的聲音對於我們判別方向非常有用，主要源於兩側耳廓是鏡像對稱，單一個耳廓本身並沒有軸向或是點對稱，因此任何方向來的聲波經過干擾後產生的頻響是不相同的。下圖是藉由被稱作KEMAR的G.R.A.S仿生人耳人頭錄音測試設備，測得的右耳水平軸向改變所接收到的頻率響應音壓差異。
藉由這些不同的頻率響應，我們的大腦就能快速根據頻響的特性來判別出聲源的方向，而響度的衰減程度可以令我們大致判斷聲源的距離是遠是近。然而響度與距離的關係必須仰賴於生活經驗，從未接觸過的發聲源，在未知狀態下其實不是很能確定距離到底多遠。譬如台灣南部鄉下地區，夏天雨後常聽見外來種亞洲錦蛙的叫聲，聲大如牛，沒親眼見過，會很難判斷發聲的蛙距離自己多遠。
立體空間的模擬
一開始提到的杜比、DTS等公司在音效環繞下的功夫，一開始是集中於，利用實際在不同方向的揚聲器播送該方向相關的聲音。利用不同揚聲器間大小音量比例的關係，良好的揚聲器擺放，能夠帶來十足的環繞效果。以往劇院和家庭設備都在平面上下功夫，後來有了9.1.4等多了4顆天空聲道的系統設計，使得我們除了前後左右之外，能夠感受到上方帶來的音響效果，進一步完善了整個三維笛卡爾坐標系的聽覺包圍。
過去，實體多聲道音響系統一直是環繞音效的正統解法。不過，並不是所有想要享受環繞音效的使用者都擁有足夠的空間來擺放這麼多設備。而城市居住人口相較於過去更是逐年攀升，人與人的私有空間進一步被縮減。個人電子影音娛樂越來越多元，不再只有DVD影碟帶有環繞音效的聲音檔案，考慮到盡可能減少對比鄰的影響，擁有實體多聲道環繞的耳機也應運而生。
實體多聲道的耳機其實十分仰賴器材的支援，勢必需要更優秀的類比放大電路來控制大小不同特性各異的數個單體，不過這樣的器材在早期不是家庭電影視聽者優先選項。
真正推動市場的還是電子遊戲
雖然電腦主機板上的集成音效卡很早就支援多聲道的環繞輸出，包含近20年前的瑞昱半導體Realtek就支援杜比的音效，十多年前也有SRS Labs加入主機板音效晶片的環繞效果支援。但其早在90年代，那3D遊戲還處萌芽階段，就有支援4.1實體聲道的經典聲霸卡Sound Blaster Live!，之後的升級版本Sound Blaster Live! Volue開始支援5.1實體聲道。但是主要還是給多媒體喇叭使用，要找到可以連接多個聲道的多單體耳機也是罕見。
不過，無論耳機裡塞了再多的單體，也無法解決發聲源過於接近耳朵的問題，甚至使用入耳式耳機，更直接跳過了耳廓而使聲源的方向更難以辨識。直接以不同位置的單體來呈現環繞效果，對比老老實實的環繞音響來說，還是差太多。因此，隨著3D電子遊戲的起頭，也有跟主隨DirectSound3D的EAX，或是埋頭鑽研上述HRTF聲學技術的A3D，這類豐富了當年電腦玩家們環繞聆聽體驗的公司。
尤其HRTF對於僅靠兩聲道耳機就能帶來十足空間感的方式，完全造福了廣大的電子遊戲玩家。這表示，相同的成本下，能夠繞過實體多單體的硬體設備，盡可能投入在做好一對單體的聆聽體驗。在耳機系統上，兩聲道在現今已是相當優秀的解決方案。如果各位看官不相信，底下的影片是距今已經超過20年，來自於1998年的Aureal Vortex 2 音效卡播放A3D 2.0環繞音效示範軟體，請使用您手上任何兩聲道耳機，耳罩到入耳式都行。
雖然因為一些商業競爭的原因，A3D技術並沒有在電子遊戲界被持續傳承下來，甚至EAX也在Windows Vista時期走入末路。經過了一段被硬派玩家們戲稱為電子遊戲3D音效的黑暗時期後，近年逐漸有不少音效引擎重新崛起並且改善。
除了不少大作級遊戲會搭載優秀且相容度高的音效系統，甚至手機也放入杜比全景聲以或是DTS的環繞效果，電子遊戲的3D空間音效，正在快速復甦。電競周邊產業也在環繞音效的硬體支援或是軟體設計上更加多元，CMSS-3D、SBX Pro Studio Surround 、Razer Surround、Out Of Your Head、Flux HEar V3、OpenAL HRTF甚至是Sennheiser都有生產自己的外接式環繞音效卡GSX Binaural 7.1等等諸多選擇。少數看官們可能不清楚現在Windows 10的版本除了本身有耳機用的Windows Sonic，也能直接試用且購買Dolby Atmos for Headphones以及DTS Headphone:X的環繞效果，針對有杜比或是DTS音源的電影以及電子遊戲。
現在科技進步飛快，對於人耳與聲學的探究，持續應用在最新銳的科技而問世。一只音質優秀的耳機已經不只能徜徉在優美的音樂聲中，更能享受電影以及電子遊戲的震撼音效包圍之中。現代人居住空間有限，想要擁有身歷其境的環繞音效，已經不只是多聲道音響系統的專利，現在的學生族群大概也不太會跟我當年一樣，在學長家望著那些器材流口水了。
最後就用Dolby官方的全景聲示範影片來做這篇文章的結束吧。請大家同樣使用現有的兩聲道耳機來聆聽，當然如果您擁有實體多聲道的電競耳機，也可以比較看看。我是歐拉夫，我們下次見。