研發故事：Holoplot X1 Matrix Array的設計和開發

2023年10月12日讀畢需時 11 分鐘

2022年9月21日，18:35

過去幾年對於專業音響行業的多數來說，都是充滿挫折的創新時光。全球的音響產業中，許多產品設計師和製造商都在硬體、軟體和互操作性上取得了巨大的進步，但由於現場活動的中斷，他們基本上沒有展示這些成果的機會。隨著2022年行業展覽的回歸，專業音響領域的許多創新終於得以露面，其中Holoplot的X1 Matrix Array音響系統脫穎而出。這是一篇關於Holoplot團隊如何挑戰專業音響領域可能性的內部報導。

位於柏林Tempelhof的Holoplot公司，肩負著改變音響行業的使命。2021年，它推出了X1 Matrix Array — 這是一項引入了全新類型音響系統的產品。Matrix Array是專業音響中兩個已有的標誌性創新——線陣列和電子導向electronic beamsteering ——的邏輯延續，並透過揚聲器驅動器的矩陣來控制水平和垂直軸上的聲音。

傳統的高性能線陣列現在已是我們行業中的一種商品，但對於導向揚聲器來說，高性能在歷史上一直難以達到。行業中普遍的先入為主的觀念是，導向揚聲器在全頻應用中不能表現得很好——或者它們非常昂貴，且設計和製造都非常複雜。有了X1，Holoplot及我們的團隊致力於證明這些說法是錯誤的。

X1產品系列包括兩個音頻模組。Modul 96 (MD96)是一個雙向音頻模組，整合了96個驅動器的雙層矩陣設計。Modul 80-S (MD80-S)是一個三向音頻模組，在其前兩個矩陣層中有80個驅動器，第三層則是一個感應器控制的低音揚聲器驅動器。這種大小不一的揚聲器驅動器的矩陣排列——在獨特的多層配置中——使其能夠控制大頻率範圍內的聲音傳播，同時提供所需的SPL和高性能音響再現的質量。

憑藉此配置，X1提供了一系列先前無法獲得的聲音控制功能。每個模組都可以創建多達12個各自獨立的光束，能夠同時再現不同的內容。只需一個中央矩陣陣列，聲音傳播就可以定製，以覆蓋觀眾區域並精確地瞄準一個或多個區域。

X1的概念並不是在某種“雅典娜的誕生”般的時刻完全成形的。相反，X1的概念和創建是多位專家不懈努力的結果，他們來自音樂和電腦技術、消費電子和專業音響領域。

Holoplot的X1系列擁有Modul 96，這是一個雙向矩陣模組，以及Modul 80-S，這是一個三向矩陣模組，整合了一個感應器控制的次低音揚聲器。MD96和MD80-S可以橫向和縱向排列，創建不同大小的X1矩陣陣列。矩陣陣列的配置是根據所需的光束形成能力（例如需要均勻覆蓋的區域和對低頻的期望控制）、次頻率整合和最大SPL要求來定義的。

全息音方法 The Holophonic Approach

從2011年開始，直到2016年，Holoplot主要是由Tonmeister Helmut Oellers和DSP工程師Adrián Lara Moreno運營的研究公司。矩陣陣列格式的揚聲器的原始構想來自Helmut - 他的最初想法仍然在www.syntheticwave.de上發布和公開訪問。Helmut長期以來一直在嘗試了解現有的音頻再現方法及其存在的缺陷，例如幻影源(phantom sources)的限制或錄音中存在的房間聲學與重現錄音的空間的房間聲學之間的聲學重疊。為了克服這些方法的限制，Helmut提出了他稱之為“全息音”的方法。他的全息音方法涉及使用波場合成和二維揚聲器陣列，這是他在2004年的第一項專利的基礎。從這項專利中，Holoplot誕生，將這一理論視野轉化為現實。

研究矩陣陣列概念是Helmut和Adrián在最初幾年的主要目標。2016年Holoplot CEO Roman Sick的到來使他們能夠將概念和原型轉化為一種能夠滿足專業音頻市場需求的商業上可行的產品。

Roman Sick回憶說：“當我遇到Holoplot團隊時，他們只是四個人在柏林郊外的車庫工作，但我很快就意識到了他們所試圖做的事情的改變遊戲規則的潛力。當有機會領導這家公司時，我決定承諾並與原始工程師簽約。擴大團隊，在柏林設立總部並商業化產品是一段激烈但極為激動人心的時光。我被其潛力所吸引，也被開發一項徹底新的技術的挑戰所吸引，我相信這將改變世界。”

他補充說：“X1是一個強大的工具集，適用於多種用途，包括多功能體育館、音樂廳、沉浸式場地、會議、宗教場所等。X1可以達到的前所未有的聲音控制使我們可以最大程度地減少建築和房間的聲學對其的影響，而該系統聽起來簡直是出奇制勝。”

X1的前身是Holoplot的原始Orion系統。Orion不是設計成為多種應用的全面解決方案，而是作為一種產品，可以展示3D音頻光束成型和波場合成（WFS）組合的基本理念。它是為與“標準”音頻技術不可服務的利基應用而設計的，包括Io音頻模組和Eta Core處理器。利用從超過六年的研究中獲得的知識，Orion系統能夠生成多個高效音頻波前，從球形到圓柱形和平面，並可以在垂直和水平軸上精確地控制它們。

Roman Sick（中）於 2016 年加入 Holoplot 擔任首席執行官，以擴大 Tonmeister Helmut Oellers（右）和 DSP 工程師 Adrián Lara Moreno（左）的努力。

正如Holoplot的研究主管Adrián Lara Moreno所解釋的，“Orion是X1的起源，但即使在那時，它已經是多年研究成果轉化為專為專業音頻領域中的特定用途設計的產品的高峰。當我們從Orion過渡到X1時，我們保留了過去的知識和經驗，並加入了來自著名行業專家的新觀點和寶貴意見，以繼續這次旅程。”

在Holoplot設有專用生產地點之前，首個X1的beta原型在我們的辦公室組裝。這第一個beta原型是由塑料銑削而成的，並在2018年12月首次播放。

Adrián Lara Moreno表示：“最初對Orion的設計標準非常寬鬆，但Helmut和我都同意它必須是一個可擴展的二維系統。基本上Orion結合了揚聲器陣列技術和電子波束控制方式，這是之前沒有人嘗試過的。Holoplot對波場合成的方法與傳統方法有所不同 — 大多數人將信號處理與傳統的點源揚聲器相結合，並需要安裝那些揚聲器在聽眾周圍以創建一個沉浸式效果。Holoplot的專有揚聲器和處理技術允許我們以全新且更精細的方式控制波的傳播。例如，我們能夠通過室內反射創建虛擬聲源 — 這意味著首次可能擴展傳統的WFS，並使用單一的矩陣陣列創建一個完全沉浸式的音頻體驗。”

憑藉Orion系統，Holoplot完成了許多重要的測試和項目。該公司成功部署了維也納愛樂樂團的集中式WFS沉浸式音景，並創建了損失最小的SPL音響增強系統，覆蓋了數百米。

Orion還在2019年於加利福尼亞州洛杉磯的電子娛樂博覽會上為任天堂提供了沉浸式音頻內容。這家知名的遊戲公司呼籲Holoplot利用Holoplot的多個內容分區功能提供定向聲音效果，這是為了標記其動作冒險遊戲Luigi’s Mansion 3的發布而設置的貿易展遊戲安裝。

Orion的另一亮點是在火車站月台上記錄了一些最高的語言傳輸指數（STI）測量值。它們如此之高，以至於聲學顧問懷疑他的測量裝置是否故障，並重新運行了測試 — 與之前一樣得到了令人難以置信的0.61 STI，距離180m的結果。作為參考，0.5的STI值將已經代表該站相比於其安裝的系統的巨大改進。

Moreno補充說：“Orion給了我們開發、體驗和迭代波場合成和3D音頻波束成型的機會。我們認為這些技術的組合是先前行業進步的自然結果：現有技術的自然演進 — 但它在潛在應用中是一場革命，與1990年代在專業音頻世界中引入的Line Array相當。”

X1計劃

Holoplot作為一家公司，是從渴望徹底改變我們如何操縱和利用聲音的願望中誕生的。該公司針對專業音響行業中的主要短板進行了行動 — 自線型陣列引入以來，音響系統的部署方式並未發生太大變化。Holoplot團隊決心創建一種新的、無與倫比的揚聲器解決方案，開啟聲音再現和控制可能性的新篇章。

2018 年 8 月：Phillipe Robineau 檢查 X1 MD80-S 的第一個 alpha 原型。它由木頭製成，由外部現成的電子設備驅動。

X1的創建是為了滿足這十年中最具野心的AV場地項目的特定要求而加速的，這一項目旨在重新定義現場娛樂行業內的觀眾體驗標準。這成為Holoplot以一個數量級進化其技術的催化劑，真正實現音樂會級的性能要求。

本質上，Holoplot意識到需要開發一款新產品，而且必須更大、更響亮。為了實現這一目標，該公司擴大了其工程團隊，由Michael Hlatky擔任工程方面的開發主管，Philippe Robineau擔任聲學主管，Evert Start擔任DSP主管。

現在是Holoplot的工程總監的Michael Hlatky詳細說明：“Philippe `Bob’ Robineau在2018年接近我們，非常謙虛地建議他可能知道一兩件關於設計揚聲器的事情，他認為他可能會有所幫助。他起初是作為Nexo的首席工程師開始他的職業生涯，後來在Turbosound、Focal、Tannoy和Adam Audio領導研發，我們無法希望有更好的人選來參與X1的電聲學設計。Philippe在創建多層矩陣陣列配置中起到了關鍵作用，使其能夠控制聲音在大頻率範圍內的傳播，同時提供所需的SPL和高性能聲音再現的質量。X1是Philippe在專業音響行業設計揚聲器的經驗的高潮，橫跨50多年的職業生涯。”

“Philippe建議擴大團隊，找來Evert Start，當他在2019年加入Holoplot時，他帶來了寶貴的專業音響經驗。他自大學時代以來就一直在研究波場合成，後來成為Duran Audio（被Harman收購）的研究工程師。他為Intellivox揚聲器陣列帶來了世界上第一個波束成形算法，這標誌著波束導向柱型揚聲器在專業音響行業內的成功採納的起點。”

打造X1絕對不是一個簡單的過程，也不是一個自然的過程。Holoplot在將這項技術實現中面臨的問題很多。例如，X1使用了前所未有的大量驅動器，每一個都經過獨立的驅動和信號處理，實時通過8700個數位控制的濾波器計算。

為了實現這一點所需的放大器通道數量不可避免地導致了大量的熱量需要管理，而且似乎有不可逾越的大量DSP需要實時計算。為了使這一點更具體化，一個相對較小的3×3 X1矩陣陣列通常比傳統揚聲器系統的最大安裝都有更多的放大器通道。

Michael Hlatky詳細說明了該項目是如何發展的：“我於2018年5月加入Holoplot，負責管理X1的開發。在那時，三層矩陣陣列的一般概念已經存在，基於這一點，已經選擇了一個現成的驅動器和放大器，用於非常初步的聲學原型。”

2019 年 7 月：在柏林新 Holoplot 工廠組裝首個整合 X1 原型。

“我們最初的開發團隊規模很小，只包括一名電氣工程師、一名機械工程師、兩名軟件開發者和一名DSP開發者。我們的任務是在短短四個月內建立一個X1的聲學原型，以便我們可以驗證某個大型項目的設計提案的可行性，這個項目是我們被要求參與的。多虧了X1獨特且無與倫比的音頻功能，我們成功地完成了他們的要求，並為被選為該項目的獨家音頻供應商而感到非常自豪。”

2019年10月：首次進行完整集成的X1陣列的大規模測試，該陣列包含20個MD96模塊。Holoplot在波茨坦的Marlene Dietrich Halle度過了四周，收集測量數據以驗證硬件和軟件。

“在展示了那第一個聲學原型後，我們獲得了項目執行者的信心，並繼續開發X1，以製造有史以來性能最高的音樂會級揚聲器。

“設計X1的主要挑戰之一是將非常高層次的項目要求分解為產品設計和系統概念，這不僅聲音和效果出色，而且還可以在一定的成本範圍內大量製造。在項目的建設時間表設定的時間範圍內實現這一目標意味著我們在我們可以做的某些方面受到了限制，這是極大的挑戰。為了能夠做到這一點，我們在短短一年的時間內將開發團隊從最初的五人增加到超過40人，這是一項艱鉅的挑戰。”

除了創建一個全新類別的音響系統，迅速增加一支能夠執行目標的專家團隊也代表了Holoplot的另一項偉大成就，並顯示了其使命和技術概念從一開始就是多麼有影響力和令人信服。”

使用Holoplot的3D音頻波束成形技術，每個陣列都能夠產生一個或多個可以在空間中垂直和水平方向移動的音波，並且可以形成目標聽眾區域的幾何形狀。因此，它們只將聲音投射到所需的地方，同時避免不想要的反射和可聽的回音。

進一步拓展

隨著X1的開發，Holoplot打破了有關指向性音響產品不能“大聲”的錯誤觀念。Holoplot可以做到大而響，同時對聲音傳播進行絕妙的控制，並仍然提供出色的音響質量。

任何陣列技術的主要原理都是波干涉。由多個來源發射的聲波彼此互相作用。當單獨的聲波互相加強時，會發生建設性干涉 —— 形成振幅更大的波。當波浪相互反對時，會發生破壞性干涉。對於既不完全同相也不完全反相的波，會發生部分增強或取消。

“通過將多個揚聲器驅動器組合成一個陣列，聲音可以在特定方向上得到加強，同時在其他方向上得到減弱。類似於頻率過濾器在頻譜上增強或減弱信號的某些部分，波束成形允許我們在空間上‘過濾’聲音。指向音頻的常規方法是機械地瞄準和彎曲揚聲器陣列。顯然，這並沒有太多的靈活性。如果需要更改觀眾的聲音覆蓋範圍，則需要修改機械陣列配置。” Holoplot的資深研究工程師Evert Start詳細說明。

德國柏林的"Dark Matter"裝置是一套互動和沉浸式的裝置。圖像展示了GRID動力裝置，被定義為“電腦生成的動態表面的有形體現”。Holoplot的大型空間音響系統橫跨整個房間。Robert Henke的作曲中的每一個聲音和音樂元素都直接與雕塑的動畫相對應地重現。

除此之外，許多場地中，建築上整合彎曲和傾斜的數組相當具有挑戰性。使用3D音頻波束形成技術，可以克服這些問題。"通過單獨處理傳送到每個驅動器的信號，數組的輻射模式可以被'塑造'成任何所需的形狀，從而提供了更多關於系統集成的靈活性 - 這對室內和室外應用都有明顯的優勢。"

"當我們開發一個波束導向產品時，面臨的最大挑戰是數組大小和驅動器間距。在低頻時，我們需要一個大數組以獲得足夠的指向性控制。在高頻下，一個小數組就可以了，但需要非常密集的驅動器分佈，以避免空間混疊。滿足所有這些物理要求在實際上非常具有挑戰性，" Evert Start補充說。

"過去，曾經多次嘗試滿足這些標準。根據所選的方法，要麼使用由稀疏間距的高方向性波導組成的機械彎曲的陣列，要麼使用由密集間距的寬角驅動器組成的柱狀揚聲器。前者由於機械設置的陣列曲率而相當不靈活，且不提供指向不同方向的多個光束的選項，這些光束可能播放不同的音頻內容。後者可以提供這種靈活性，但由於在高頻時陣列效率低，因此受到最大SPL的限制。"

基於波場合成 (Wave Field Synthesis) 和最佳化波束形成 (Beamforming) 的原理，出現了一種新而獨特的技術，最好的描述為“反向波前塑形 Inverse Wavefront Shaping”。通過非常有效、超高通道的數值陣列優化，可以從虛擬點、線或最佳彎曲的平面源創建任何聲場或波束。這確保了最佳覆蓋範圍、高陣列效率和大型觀眾區域的光譜一致性，無論形狀和大小如何，或者相反，允許將音頻內容緊密聚焦於小組人群上，甚至降低到單個觀眾成員。通過這種方式，單一矩陣陣列可以同時生成多個聲場，每個聲場都有自己的內容。

X1 是由軟件驅動的硬件。這兩個元素是密不可分和相互依賴的。硬件要求很高，Holoplot認為業界只有很少的其他公司生產具有類似性能和質量標準的產品。

Holoplot 在拉斯維加斯 InfoComm 2022 上推出了適用於 X1 矩陣陣列系統的完整索具解決方案。

可能可以這麼說，Holoplot 的軟件現在是主要的創新驅動力，我們目前的努力集中在通過更好的信號處理算法和更好的工作流程創建更好的聲音。為此，我們在軟件工程部門主管 Bram de Jong 的領導下不斷擴大我們的軟件工程團隊，重點關注信號處理、分佈式系統和現代 C++ 的世界級人才。

高性能娛樂是 Holoplot 目前的運營領域，最好的例子目前可以在柏林的 Dark Matter 光與聲音展覽中體驗，或者在 Illuminarium Atlanta 和 Las Vegas —— 這是引導遊客通過多感官之旅的沉浸式娛樂體驗，穿越非洲野生動物保護區的核心，探索太空或深入探索這個世界上看似不可思議的動力聲光雕塑。

在 2023 年，遊客可以在位於拉斯維加斯的壯觀的 MSG Sphere at The Venetian 這一新的大型娛樂場所體驗到世界上最大的沉浸式 LED 屏幕（580,000 平方英尺的全可編程 LED 面板）和世界上最大的音響系統，可容納多達 20,000 名觀眾（其中 17,500 名有座位）。拉斯維加斯的 MSG Sphere 只是第一個，MSG Entertainment 計劃在倫敦和世界各地開設其他 Sphere。所有這些場所都將配備 Holoplot 音響系統。圖片由 MSG Entertainment 提供。

Holoplot 目前在空間和沉浸式功能方面已經位居世界領先地位，如通過虛擬來源和三維放置音頻對象實現內容的真實再現，但其技術絕對不僅限於“沉浸式”空間。

X1 的 3D 音頻波束形成和分區功能不僅使其成為創意的推動者，而且還是一款高品質的音頻產品，能夠解決復雜的聲學問題。

X1 矩陣陣列可以創建精確的聲場或區域，將聲音保持在所需的地方，而不會過度激發空間音。結果是對於語音、音樂或其他內容的清晰、無妥協的音頻，使音頻系統在聲學上變得隱形。

Holoplot 希望聲音世界的所有部門都能從其取得的技術飛躍中受益，並正在為系統設計師、內容創作者和整合者制定一種和諧的、集成的、無縫的工作流程，這將使其更容易成為他們首選的解決方案，用於各種用途。為此，X1 只是一個開始。

該軟件工具包，連同 Holoplot 剛在 2022 年拉斯維加斯的 InfoComm 展覽上首次展示的 X1 吊裝系統，將作為公司上市的加速器，進一步賦予用戶實現其創意願景的能力——無論規模大小。

本文最初發表於 audioXpress，2022 年 9 月。

關於作者

Michael Kastner 是 Holoplot 的產品總監。自2019年加入以來，Michael 在將 X1 矩陣數組帶入生活並投放市場方面發揮了關鍵作用。在此之前，他在 Bragi 擔任產品職位，Bragi 是世界上首款真正無線且智能耳機的創造者。他後來領導了 Bragi 的下一代可聽產品平台的商業化和開發，為其基於軟件的 B2B 業務奠定了基礎。