【導讀】隨著菁彩聲、杜比全景聲、VR/AR沉浸式內(nèi)容產(chǎn)業(yè)快速崛起，具備空間方位、距離、混響信息的三維聲場錄制，已經(jīng)成為影視制作、音樂創(chuàng)作、現(xiàn)場演出、沉浸式文旅等領域的核心剛需。傳統(tǒng)錄音設備僅能拾取基礎聲音電平，無法完整還原空間聲學細節(jié)，且大規(guī)模多通道麥克風陣列存在時序同步差、通道不均衡、系統(tǒng)復雜、迭代困難等工程痛點，大幅拉高了專業(yè)三維聲內(nèi)容的制作門檻。針對行業(yè)技術短板，XMOS XCORE憑借獨創(chuàng)的多核實時并行處理架構(gòu)，憑借高確定性、可軟硬件迭代、高集成度的核心優(yōu)勢，成功適配從小型消費級麥陣到32通道專業(yè)球形麥克風陣列的全場景應用。依托該平臺，中廣電數(shù)智打造的MH32U高階Ambisonics麥克風，徹底簡化了傳統(tǒng)復雜的三維聲錄制系統(tǒng)，實現(xiàn)高精度、低成本、易部署的三維聲場采集，為沉浸式音頻產(chǎn)業(yè)落地提供了成熟的硬件技術支撐。
XMOS推出的XCORE邊緣智能處理器采用了具有高確定性和高實時性的并行處理架構(gòu)，同時該芯片將DSP、AI、MCU和可編程I/O集成在一顆芯片上，因而一直被音頻行業(yè)用來支持各種多麥克風陣列應用，例如支持雙麥、四麥陣列完美地完成語音拾取、聲源定位、環(huán)境噪聲消除和波束成形等應用，被全球領先廠商廣泛應用于滿足語音交互、會議拾音這類場景需求。
面向影視、VR、現(xiàn)場演出這類專業(yè)沉浸式音頻場景，四麥克風陣列收錄的多維度聲音信息顯然不夠豐富。想要完整捕獲聲源高度、距離以及現(xiàn)場環(huán)境混響，就必須采用規(guī)模更大的麥克風陣列，中廣電數(shù)智（北京）影視科技有限公司（以下簡稱：中廣電數(shù)智公司）基于XMOS XCORE處理器，打造了“數(shù)智維聲?”MH32U球形高階Ambisonics麥克風，為各類高質(zhì)量三維聲場應用提供了便捷化的、高性價比的32通道專業(yè)音頻采集方案。
中廣電數(shù)智公司產(chǎn)品事業(yè)部研發(fā)負責人徐子凡介紹到：“傳統(tǒng)拾音設備大多只做聲音電平拾取，很難完整記錄聲源方位、距離、空間混響信息，后期制作時需要人工重構(gòu)空間感，制作效率低，真實聲場還原度有限。在復雜現(xiàn)場環(huán)境下，多通道同步、低延遲處理存在難度，現(xiàn)場演出、大空間錄制場景，設備多通道時鐘不同步會直接破壞空間音頻效果；同時環(huán)境噪聲、回聲、混響干擾，傳統(tǒng)設備很難兼顧遠距離拾音與空間信息保留。”
高階三維聲場帶來的工程挑戰(zhàn)與應對方案
當收音通道陣列擴大至32路之后，工程挑戰(zhàn)也隨之成倍放大：多麥克風采樣相位誤差需要控制在100ns以內(nèi)，同時要完成幾十路通道的增益均衡、高帶寬音頻實時輸出。傳統(tǒng)MCU與通用DSP依靠RTOS軟件調(diào)度，會產(chǎn)生不可消除的任務抖動，很難兼顧嚴格同步；同時傳統(tǒng)方案軟硬件深度綁定，產(chǎn)品量產(chǎn)之后音頻算法迭代升級困難，制約了麥克風陣列在其產(chǎn)品生命周期中通過軟件工具產(chǎn)生更多的價值。
針對大規(guī)模多麥克風陣列的痛點，XMOS XCORE采用硬件事件驅(qū)動的多核無操作系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)納秒級確定性響應，多個內(nèi)核完全并行獨立處理任務，不存在軟件調(diào)度搶占帶來的時延抖動，為從小型語音陣列到32通道專業(yè)球形麥克風提供統(tǒng)一的硬件底座。平臺具備四大核心能力，每一項都對應實際工程收益：
1.硬件級時序與同步管控：依靠硬件時間戳統(tǒng)一全部麥克風采樣基準，并行處理多路PDM音頻流，從底層抑制采樣漂移，把相位誤差控制在規(guī)格范圍之內(nèi)，避免聲場錯位失真；
2.固件層多通道音頻均衡處理：獨立調(diào)節(jié)每一路通道增益，自動抹平MEMS音頭靈敏度離散差異，輸出音量高度一致的原始音頻，減少后期軟件修正工作量，保障批量產(chǎn)品一致性；
3.片內(nèi)集成高速外設：原生集成USB2.0、PDM、I2S控制器，無需外掛USB橋接芯片，減少外圍器件引入的信號抖動，穩(wěn)定輸出高帶寬多路音頻數(shù)據(jù)流，簡化整機BOM設計；
4.硬件可編程，平臺可跨規(guī)模復用：硬件I/O與處理邏輯支持軟件重定義，產(chǎn)品上市后仍然可以通過固件持續(xù)優(yōu)化音頻算法；同一套硬件與工具鏈，既適配雙麥、四麥中小規(guī)模陣列，也可以支撐32通道高階專業(yè)設備。
MH32U實現(xiàn)了多種創(chuàng)新
“數(shù)智維聲?”MH32U是一款基于高階Ambisonics技術的專業(yè)級32音頭球形陣列麥克風。該產(chǎn)品創(chuàng)新性地將傳統(tǒng)多支話筒的復雜拾音系統(tǒng)集成于單支設備，能夠360°×360°全空間、高精度捕獲聲音的方位、高度、距離及空間氛圍信息。該產(chǎn)品也是XMOS XCORE在專業(yè)高階三維聲賽道的成功應用，已在影視與聲音設計、專業(yè)音樂錄制、VR/AR沉浸式內(nèi)容創(chuàng)作、現(xiàn)場演出與廣播、沉浸式文旅項目等場景中得到應用。
在MH32U產(chǎn)品定義和研發(fā)階段，中廣電數(shù)智公司的研發(fā)團隊廣泛評估多款處理器平臺后發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)方案很難同時滿足32路嚴格同步、通道均衡、高速USB輸出、固件可迭代的綜合要求，同時多芯片系統(tǒng)也帶來了空間、功耗和散熱等物理制約因素，再加上XCORE已在多麥克風陣列以及音頻解決方案等領域有豐富的資源和經(jīng)驗，因而最終選定XMOS XCORE作為整機系統(tǒng)的核心處理單元。
中廣電數(shù)智公司產(chǎn)品事業(yè)部負責人徐立表示：“在專業(yè)空間音頻賽道，我們是國產(chǎn)三維聲硬件與算法一體化解決方案提供商，很高興與XMOS達成合作，依托XCORE的架構(gòu)優(yōu)勢和產(chǎn)品特性與算力，結(jié)合我們的空間聲學算法、陣列硬件設計到產(chǎn)品落地的全鏈條自研能力，與廣電、文旅、演出行業(yè)實際工程場景和應用經(jīng)驗，不只是輸出標準化硬件，還能提供場景化調(diào)試、定制化算法迭代服務。”
在MH32U設備內(nèi)部，XCORE承擔著信號預處理的核心工作：多個內(nèi)核并行處理全部32路PDM音頻流，依靠硬件時間戳完成采樣時序?qū)R，滿足小于100ns相位誤差指標；固件層對每一路麥克風做獨立增益調(diào)節(jié)，補償器件靈敏度差異，輸出均衡的原始A-Format音頻信號；再通過片內(nèi)硬件USB 2.0穩(wěn)定輸出32-channel/24bit /48kHz音頻數(shù)據(jù)流至DAW工作站。這套方案替代了傳統(tǒng)多話筒組合搭建模式，大幅降低現(xiàn)場外拍的布線與調(diào)試復雜度。
完整工作鏈路中，經(jīng)過XCORE時序校準、音量均衡后的原始音頻流輸入工作站，由上位機VST編碼插件生成標準4階HOA B-Format信號，后期可靈活解碼為5.1.4、7.1.4、雙耳binaural等各類三維聲輸出格式。整機達到30Hz-20kHz頻響、104dB動態(tài)范圍；結(jié)合出廠聲學校準以及XCORE穩(wěn)定的同步與均衡能力，保障大批量設備性能統(tǒng)一，有效降低音頻后期制作的調(diào)試成本。
XCORE讓音頻系統(tǒng)開發(fā)成為價值創(chuàng)造過程
從雙麥、四麥消費級語音陣列，到MH32U 32通道高階Ambisonics專業(yè)采集設備，XMOS XCORE重新定義了多麥克風音頻產(chǎn)品的開發(fā)路徑。它將時序同步、通道音量均衡、高速數(shù)據(jù)流傳輸、固件可迭代這些高難度底層工程問題下沉到芯片-固件層面。音頻廠商不再需要消耗大量研發(fā)資源攻堅底層調(diào)試難題，可以把重心集中在聲學結(jié)構(gòu)、上層音頻算法以及整機產(chǎn)品化上，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。
例如在消費與開發(fā)者音頻生態(tài)中，Seeed Studio的ReSpeaker系列是XMOS XCORE頗具代表性的多麥克風落地實踐。該系列從雙麥迭代到成熟的四麥陣列，依托XCORE硬件并行處理能力，完成多路麥克風的時鐘同步、通道音量均衡，在此基礎上實現(xiàn)波束成形、聲源定位、回聲消除、遠場拾音等語音算法。在專業(yè)音頻領域，中廣電數(shù)智公司聚焦三維聲技術和產(chǎn)品的研發(fā)與應用，面向多個行業(yè)和廣泛的應用場景，提供從空間音頻采集、算法處理到硬件終端、內(nèi)容生產(chǎn)工具的完整技術方案與硬件產(chǎn)品。
XMOS亞太區(qū)市場營銷負責人牟濤表示：“XMOS很高興能與中廣電數(shù)智公司合作開發(fā)MH32U這樣的高通道數(shù)麥克風陣列產(chǎn)品，該公司是高新視頻-沉浸式視頻白皮書、標準體系和沉浸式視頻通用技術規(guī)范的起草單位、廣播電視與網(wǎng)絡視聽中長期科技計劃中三維聲拾音設備相關課題的研發(fā)攻關和標準制定單位，在場景與設備的技術參數(shù)與定義方面具有深厚積淀和豐富經(jīng)驗；我們XCORE的高實時性并行計算架構(gòu)支持該公司打通了三維聲采集端-制作端-播放端的技術鏈路，可助力其客戶快速完成三維聲內(nèi)容生產(chǎn)，降低沉浸式音頻項目落地門檻，將過去依賴設備體積大的外接PC主機，并因布線復雜而使現(xiàn)場部署調(diào)試成本高的模式，進化成可用于外拍、移動錄制場景的便攜設備。”
由于XCORE具有硬件I/O可編程的特性，也支持產(chǎn)品上市后持續(xù)通過固件迭代優(yōu)化音頻效果。該系列被大量應用于語音原型開發(fā)、會議拾音、AI語音實驗，充分驗證了XCORE在中小規(guī)模麥克風陣列場景下穩(wěn)定可靠的工程能力，也體現(xiàn)出平臺向下適配消費級語音硬件、向上支撐專業(yè)大規(guī)模空間音頻設備的強大伸縮性。
在智能音頻和沉浸式音頻快速發(fā)展的大背景下，XMOS XCORE提供一套可擴展性極強的實時并行處理硬件平臺和多樣化的音頻解決方案，覆蓋從消費性音頻、邊緣AI人機交互、會議設備到高階專業(yè)錄音裝備，不僅支持開發(fā)者去實現(xiàn)更好的音頻收錄功能和用戶體驗，而且讓復雜的三維聲硬件實現(xiàn)了多項技術突破與量產(chǎn)落地，從而讓新一代音頻系統(tǒng)產(chǎn)品走進更多的應用場景。
結(jié)論
在沉浸式音頻技術快速普及的當下，多通道、高精度、低時延的空間聲采集能力，是行業(yè)升級的核心關鍵。XMOS XCORE跳出了傳統(tǒng)MCU、DSP軟件調(diào)度的技術局限，依靠硬件級多核并行、納秒級確定性響應，從底層解決了大規(guī)模麥克風陣列的時序漂移、相位誤差、通道失衡等核心難題。同時，芯片高集成、可編程、可固件迭代的特性，不僅簡化了整機硬件結(jié)構(gòu)、降低BOM成本與量產(chǎn)難度，更讓音頻設備擺脫了上市即定型的弊端，可長期通過算法優(yōu)化持續(xù)提升產(chǎn)品性能。
