從今年12月13日開始，美國的電視運營商們需要為過響的商業(yè)廣告付出代價了。CALM Act（商業(yè)廣告響度緩和法案）將從這一天開始，正式在FCC的監(jiān)督下施行。今后，美國觀眾可以不僅僅是在調整遙控器音量按鈕時抱怨幾句，他們的投訴將有可能讓電視臺面臨罰款，甚至是吊銷執(zhí)照的風險。將電視伴音響度寫入凌駕于廣電行業(yè)規(guī)范之上的法律文本中，可見響度問題之嚴重。
自2006年ITU頒布了ITU-R BS.1770響度測量標準以及ITU-R BS.1771響度表標準以來，美國，歐洲，日本以及中國大陸的制播機構都迅速跟進，探討基于新的電視伴音響度和電平計量標準之下的制作以及傳輸規(guī)范。已經成型的制播規(guī)范包括美國的ATSC A/85（確立和保持數字電視音頻響度的技術），歐洲的EBU R-128（音頻信號響度歸一化及最大允許電平）標準及豐富其可操作性的4個制播建議文本3341（響度表），3342（響度范圍），3343（制作）和3344（傳輸）。在我國，響度問題也得到了空前的重視。雖然尚未有標準出臺，然各臺以及網絡公司已在著手探索解決方案，一方面是源于觀眾投訴，另一方面也是為將來標準出臺做好準備。
筆者在工作過程中發(fā)現，雖然業(yè)內十分關注如何使用“基于ITU-R BS.1770算法的響度處理器”來解決伴音響度浮動過大的問題，但對BS.1770標準本身卻依然有諸多疑惑。而并不廣為人知的是，這個標準，到今天為止，已歷經了三個版本的演進，而最新的BS.1770-2依然不能說是最終版。
背景
要了解標準，先讓我們簡單了解一下標準出臺的背景。長期以來，人們對聲音響度這一主觀感知量的測量一直是以純音為基礎的基本定義，分別通過對不同聲壓級和不同頻率的對比測量而得到。傳統的響度單位(非國際單位)“Sone”和“Phon”就是根據人對穩(wěn)態(tài)1kHz純音聲壓級的主觀感知來定義的。而大家熟知的等響曲線（見圖1）也是對穩(wěn)態(tài)的純音利用對比試聽的心理聲學的研究方式獲得的。等響曲線表明了主觀感知的響度與聲壓級以及頻率之間的關系。但現實生活中的聲音大多數時候是由復合音構成的，是瞬態(tài)的。同時，影響聲音的響度感知的其它因素，如持續(xù)時間則無法從這張圖上直接讀到。
圖1
雖然基于聲壓級和頻率的測量，能夠反映出客觀量和主觀之間的關系，但對音頻節(jié)目的制作幫助有限。由于音頻節(jié)目是以電信號的方式存在和傳輸的，制作人員只能通過對電信號的測量來預測節(jié)目的響度。與聲信號的聲壓級，頻率和持續(xù)時間相對應的電信號參數分別是：電平，頻率和積分時間（啟動時間）。
VU（Volume Unit）表，由于其指針的上升時間（當饋入一個0dB信號時，VU表讀數從負無窮到0dB所需的時間）為300ms，大于人耳感知響度所需的積分時間（100-200ms），于是，VU表能夠比較好的幫助制作人員判斷節(jié)目響度變化，至今仍然有非常廣泛的應用。但VU表本身的設計中并沒有采用任何與主觀響度感知相關的頻率加權技術。
PPM（Peak Program Meter）峰值表是另一種電平測量工具，與VU不同，它的啟動時間很短（10ms），也稱為近峰值表（QPPM）。進入數字音頻時代后，由于量化精度的限制（0dBFS），需要更精確地指示數字樣值信號峰值，進而出現了采樣峰值表（SPPM）。峰值表幫助制作人員更好地判斷信號的最大值，保護信號不被削波。但由于積分時間太短，不足以達到人感知響度所需時長，依靠峰值表基本無法判斷節(jié)目的響度。使用峰值電平作為節(jié)目信號的標準化依據，也在一定程度上導致了今天我們所熱議的“響度競爭（Loudness War）”。
為了能在數字音頻時代更準確地指示節(jié)目的響度和峰值，在全球范圍內形成統一的節(jié)目交換標準，一個基于數字音頻信號的響度和峰值測量的國際標準，勢在必行，
ITU-R BS.1770
ITU在2006年頒布了ITU-R BS.1770標準，全名是“音頻節(jié)目響度和真實峰值的測量算法”。請各位讀者注意，標準出臺伊始，便明確指出了該標準為測量算法，非處理算法（關于這方面的誤區(qū)，由于字數所限，將另文闡釋）。這一版本也為后續(xù)確立了響度測量的框架（見圖2）。標準的另一部分，是關于真實峰值的測量，本文暫不做介紹。
圖2
這個算法以非常簡潔的方式，兼容了從單聲道到5.0在內不同格式伴音的響度測量，由兩級濾波器（模擬人頭效應的pre-filter以及響度主觀感受的計權的RLB filter），積分以及聲道加權（環(huán)繞聲道的權重比前方聲道多1.5dB）組成整個計權網絡。
測量算法的核心，便是RLB濾波器，也稱RLB計權曲線（見圖3）。這是將客觀可測量的電平值與人主觀感知的響度之間實施對應的關鍵一環(huán)。
圖3
據ITU委托加拿大通訊研究中心（CRC）的實驗結果，在單聲道測試條件下，Leq(RLB)，即基于RLB曲線計權的平均化計算的結果與人的主觀響度判斷（基于實際的節(jié)目，而非純音）達到了98.2%的吻合率。 有趣的是，CRC同時發(fā)現，如果僅是測試單聲道節(jié)目伴音，單純的能量平均化（Leq）也能達到和帶計權的Leq（RLB）幾乎相同的準確率。在對一組由單聲道，立體聲和環(huán)繞聲的混合素材的測試過程中，CRC發(fā)現Leq（RLB）響度測量結果與主觀判斷的吻合度達到98%。
ITU-R BS.1770-1
2007年，ITU發(fā)布了BS.1770的第一個修改版BS.1770-1。雖然這一修改版并未對算法進行改動，但定義了經由BS.1770算法測量得出的滿刻度響度單位LKFS，取代了上一版中的dB。明確了響度和電平在單位上的差異。標準還給出了在1kHz時，數字電平與響度的對應關系：即向左，中，右中任意一個聲道輸入0dBFS的千周信號時，輸出的響度值為-3.10LKFS。這個單位沿用了與dBFS相同的計量方式，響度上1LKFS的變化和信號電平1dB的變化是等效的。[page]
ITU-R BS.1770-2
2010年春天，ITU將EBU提出的”Gating”方案加入響度算法。那什么是“Gating”呢？
簡而言之，在BS.1770-2中，Gating就是要將節(jié)目中不需要納入響度計算的部分排除出去。那為什么需要排除這些部分呢？我們知道，電視節(jié)目的伴音并不是僅僅由單一的聲音要素構成，比如紀錄片，伴音里就有解說，環(huán)境聲和背景音樂，甚至是無聲的片段。我們的大腦在判斷聲音的響度時，并不是將這些不同的聲音元素或內容“一鍋端”，而是先要取舍。由于了兩級“Gating”，計權網絡也相應作出了調整：
Gating分為兩級，分別使用絕對門限和相對門限。
第一級：絕對門限(Absolute Threshold)
在先前的算法中，BS.1770的積分模式是從節(jié)目的開始到結尾的時間全長范圍內所有采集和計算的樣點實行積分和平均化運算。這其中，不可避免地也納入了靜音或響度極弱的部分。舉例來說，在播音員播音的過程中，字與字，句與句之間有中斷。雖然，中斷并不影響我們播音員語聲響度的主觀判斷，但如果這個中斷部分被納入BS.1770的響度（積分平均化）計算，將使最終得出的響度值低于語聲的響度值，實際上降低了響度測量的準確性。所以，這一版標準中規(guī)定，節(jié)目中所有低于-70LKFS的部分將不納入最終的響度計算。
圖4
從圖上我們能夠看到，Gating發(fā)生在整個響度處理的最末級，也就是積分之后。那么Gating所排除或舍棄的部分自然也是經過積分的，那么應該如何來實現呢？EBU的工程師提出了“塊”的概念。以400ms為一個單位積分時間，也就是整個節(jié)目將被切成若干個以400ms為長度的“塊”，為了讓測量的準確性更高，相鄰的“塊”間有75%的時間重疊。在絕對門限的Gating計算中，所有響度低于-70LKFS的塊將被舍棄。
第二級： 相對門限（Relative Threshold）
科研人員很早就發(fā)現，人對響度的判斷，與其注意力有關。心理聲學中的“雞尾酒會效應”也是一種例證。杜比公司在其研究中發(fā)現，由于電視節(jié)目伴音的主要內容為語言，或稱對白，觀眾對節(jié)目整體響度的判斷也主要基于對白的響度，這也是前文中提到的對聲音元素“取舍”。杜比公司提出了對白智能（Dialog Intelligence）的技術，分離節(jié)目中的對白成分，并對其單獨實施響度測量，以此作為對節(jié)目響度實行歸一化的依據。這一做法得到了ATSC的支持，ATSC在其A/85文檔中將節(jié)目伴音中可作為響度歸一化依據的元素稱之為錨元素（Anchor Element），并多次提到，對白是最重要的一種錨元素。
而EBU的專家在R128中則提出了另一種分離“錨元素”的方式，即利用前景聲（吸引觀眾注意力的部分）和背景聲（對觀眾響度判斷沒有影響的部分）之間的響度差對二者實行分離。其計算方法是，第一階段，經過第一級絕對門限的排除之后，對剩余的塊實施平均計算，得出一個平均響度值。第二階段，對經過第一階段排除后剩余的塊進行篩選，再舍棄響度低于該平均響度值-8dB的塊。然后再對最終剩余的塊的響度實行平均計算，得到輸出的響度值。
在ITU對BS.1770-2的討論中，采納了EBU提出的以相對門限的方式分離“錨元素”的算法，但將相對門限由-8dB修改為-10dB。
結語
BS.1770-2算法甫一推出，爭議不斷。雖然離頒布時間已過去一年，美國尚未采納BS.1770-2，A/85中依然沿用BS.1770-1。 而日本ARIB在去年頒布的TR-B32標準中，采納了BS.1770-2。
由于篇幅所限，無法對本文中所提及的概念進行深入探討?？v觀整個響度測量標準，目前對環(huán)繞聲響度的主觀驗證性測試結果尚未十分成熟，LFE對響度的影響也在討論中，真峰值測量的算法尚存爭議，這些都決定了ITU-R BS.1770還將繼續(xù)前行，讓我們拭目以待。B&P