3D电影给用户带来了逼真的视频刺激,虚拟现实意图为用户带来真实的感受,然而,音频定位与视觉上的位置感知不一致,无法为用户提供身临其境般的享受。MPEG启动的3D音频标准化工作,极大的刺激了 3D音频的研究与发展。三维音频回放系统可以为听音者带来水平、高度和距离三个维度的感知,以及三维空间音效的包围感和沉浸感,是虚拟现实和多媒体领域不可或缺的重要组成部分。近年来,众多国内外著名高校、研究机构和标准化组织均投入大量资源开展三维音频的科学研究、系统开发和标准化工作,三维音频技术已成为多媒体领域的研究热点。日本广播协会设计了 22.2多声道3D音频系统,是日本家庭环境中超高保真视频标准对应的3D音频伴音标准,ISO/MPEG标准化组织启动了 MPEG-H 3D Audio标准的制定,以22.2多声道系统为参考3D音频系统,同时建立了相应的编解码框架。尽管在产业届和学术届对3D音频均十分重视,但是3D音频的发展仍存在一些挑战。声源空间方位感知的三个要求:水平方向（方位角）、垂直方向（高度角）和距离,方位角和高度角的恢复比较准确,而距离恢复误差很大,22.2多声道3D音频系统中对距离信息无法做到良好的恢复,距离信息感知无失真恢复亟待解决;精确重建声场的计算复杂度高、对环境和扬声器配置要求严格,如22.2系统对扬声器数量和布置提出了明确要求,如各扬声器的高度、距离、与水平面的夹角等等都有规定,家庭环境难以满足。针对上述需求和挑战,本文研究3D音频系统距离信息恢复理论与技术、任意扬声器布置下的3D音频恢复技术,以及音频声场重建的高效计算方法,提升听音者对声源3D空间的感知,推进3D音频技术的普及。（1）基于粒子速度的幅度平移三维音频系统幅度平移技术在杜比、DTS公司的回放系统以及MPEG-H 3D Audio标准、日本超高清电视伴音标准得到了广泛应用,然而,经典的幅度平移技术要求扬声器位于同一球面上,听音者位于球面中心,实际应用难以满足。粒子速度的方向与声源的方向具有一致性,且粒子速度的大小会影响声音能量的大小,进而影响声源距离的感知。本文提出基于粒子速度的幅度平移技术,在声音重建系统中,建立听音点处多个扬声器叠加的粒子速度与声源在听音点处粒子速度之间的等价模型,求解此模型进而得到重建系统中扬声器信号的分配,实现声源方向信息和距离信息的感知恢复。（2）三维音频系统中距离信息恢复技术三维音频系统因扬声器数量较多,无法适应普通的家庭环境,多声道系统精简技术应运而生,然而,精简过程中能量出现明显误差导致距离信息恢复不精确。本文首先从理论上证明当前精简系统信号分配过程中接收点处接收到的声音能量不守恒,进而提出声源方向信息和距离信息同时恢复的三维音频重建模型,在扬声器选择、模型建立、模型求解等重建过程中的各个环节做出理论分析,证明了恢复三维音频所需的扬声器数量的边界,给出模型的解析解,以及不满足边界条件时的最优解。通过客观实验和主观实验验证了所提技术恢复3D音频的能力:均方误差小于对比算法,对单频音和复合音,所提算法对声源的距离恢复和空间感知均优于最新的研究成果。（3）基于逐步回归的三维音频信号恢复经典的三维音频重建理论如WFS、Ambisonics计算复杂性高,扬声器配置要求严格,需要一种高效的、灵活的声场恢复理论与技术以促进三维音频的普及。本文分析声场重建的过程和目标、分析机器学习理论与声场恢复理论之间的共性,进而提出逐步回归的音频信号恢复模型,建立理论上的声压数据库,在此库上进行训练得到模型后,基于模型进行声场重建,从MSE、RMSE、SSE、原始残差、皮尔森残差、标准化残差和T化残差等训练指标观测模型的精度。利用建立的模型恢复少量理想声压和大量理想声压,误差均接近零。所提算法对扬声器配置没有要求,影院、家庭、车内等需要做3D声场恢复的封闭空间,均可建立逐步回归模型训练声场重建模块进而进行3D声音恢复。