CH708803A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Faltung von Klangsignalen mit kopfbezogenen Impulsantworten. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Klangsignalen. Mehrere Klangsignale s j (t) (1) werden jeweils mit zwei parallel arbeitenden Verzögerungselementen (2) verzögert, so dass die Differenz der Verzögerung einem gewünschten Wert entspricht, und mit Kerbfiltern (3) gefiltert, so dass die in den Spektren der dabei entstehenden Signale (3a) gewünschte Kerben entstehen, die für die Wahrnehmung von kopfbezogenen Impulsantworten wichtig sind. Um die durch die Anwendung der Kerbfilter entstehende Klangverfärbung der Signale (3a) auszugleichen und/oder den Signalen weitere gewünschte spektrale Eigenschaften hinzuzufügen, werden weitere Filter (4) angewendet. Die dabei entstehenden Signale werden, separat für das linke bzw. das rechte Ohr, addiert und ergeben so das linke Ausgangssignal (9) bzw. das rechte Ausgangssignal (10).

Description

Beschreibung

[0001 ] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung von Klangsignalen gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zum Verarbeiten von Klangsignalen gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 13.

[0002] Binaurale Klangsignale sind zweispurige Klangsignale, bestehend aus einem Signal für das linke Ohr und einem Signal für das rechte Ohr. Werden binaurale Klangsignale mit Kopfhörern abgespielt, ergibt sich beim Hörer ein räumlicher Klangeindruck. Binaurale Klangsignale können z.B. mit einem Kunstkopf mit Mikrophonen in den Ohren aufgenommen werden. Sie können aber auch synthetisch erzeugt werden, indem (Nachhall-freie) Klangsignale mit Impulsantworten, welche die Ausbreitung von Schall von einer Klangquelle zu den beiden Ohren des Hörers simulieren, gefaltet werden. Falls die Ausbreitung von Schall in einer reflexionsfreien Umgebung simuliert wird, wird die Impulsantwort als «kopfbezogene Impulsantwort» bezeichnet (auch «head related impulse response», HRIR, oder «head related transfer Funktion», HRTF, genannt).

[0003] Im Fall, dass eine akustische Umgebung mit Reflexionen (z.B. ein Konzertsaal) simuliert werden soll, werden mehrere kopfbezogene Impulsantworten benötigt (eine pro simulierte Reflexion und eine weitere für den Direktschall).

[0004] Für praktische Anwendungen von künstlich erzeugten binauralen Klangsignalen (z.B. in Computerspielen oder Telekonferenzanwendungen) besteht also ein Bedarf, mit geringem Rechenaufwand mehrere Signale mit mehreren, im allgemeinen Fall unterschiedlichen, kopfbezogenen Impulsantworten falten zu können.

[0005] Aktuelle Verfahren wenden kopfbezogene Impulsantworten direkt als Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR-Filter) an, oder nehmen die Faltung mittels einer Fouriertransformation vor. Es gibt auch die Möglichkeit, die Impulsantworten als Minimum-Phase-Filter zu implementieren, d.h. als FIR-Filter, die kürzer als real gemessene kopfbezogene Impulsantworten sind.

[0006] Verfahren, welche auf FIR-Filtern basieren, verursachen einen beträchtlichen Rechenaufwand und Verfahren, welche Fourier-Transformationen benutzen sind in ihrer Flexibilität eingeschränkt und der zusätzliche Rechenaufwand für die Fouriertransformationen ist nicht vernachlässigbar.

[0007] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, das es erlaubt, mehrere Signale effizient mit unterschiedlichen kopfbezogenen Impulsantworten zu falten und dabei einen für die Wahrnehmung von kopfbezogenen Impulsantworten zentralen Aspekt, namentlich die Position und Tiefe von Kerben (engl. «Notches») im Spektrum der entsprechenden Transferfunktion, speziell zu berücksichtigen.

[0008] Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0009] Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, bei gleichem Rechenaufwand (oder gleichem Stromverbrauch), mehr Klangsignale gleichzeitig mit kopfbezogenen Impulsantworten gefaltet werden können, und im Vergleich zu anderen hochgradig optimierten Verfahren, wie z.B. dem in der Schweiz unter Nummer 00890/12 zum Patent angemeldeten Verfahren, die für die Wahrnehmung äusserst wichtigen Kerben im Spektrum präzis kontrolliert werden können.

[0010] Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, welches in den Zeichnungen dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 : ein Signalflussdiagram einer Klangsignalverarbeitungsvorrichtung

Fig. 2: ein Signalflussdiagram einer Klangsignalverarbeitungsvorrichtung

Fig. 3: ein Signalflussdiagram eines Kerbfilters

Fig. 4: schematisch den Aufbau einer Klangsignalverarbeitungsvorrichtung

[0011 ] Fig. 1 zeigt ein Signalflussdiagramm einer Klangsignalverarbeitungsvorrichtung mit dem Zweck, mehrere Klangsignale (1 ) mit unterschiedlichen kopfbezogenen Impulsantworten zu falten. Dabei wird jedes Eingangssignal Sj(t) (1 ) jeweils mit zwei parallel arbeitenden Verzögerungselementen (2) um TL,j bzw. TRijverzögert, so dass die Differenz der Verzögerungen dem «Interaural Time Delay», d.h. der Verzögerung zwischen dem Signal des linken Ohrs und dem Signal des rechten Ohrs, einer gemessenen kopfbezogen Impulsantwort entspricht, und mit jeweils einem Kerbfilter (3) nLijbzw. nRijbearbeitet, damit die für die Wahrnehmung wichtigen Kerben im Spektrum entstehen.

[0012] Die so entstehenden Signale (3a), genannt Si_,j(t) und sR,j(t) (wobei Si_,j(t) letztlich dem linken Ohr zugeführt wird und sRj(t) dem rechten Ohr), werden jeweils mit einem Filter (4) cL,jbzw. cRijzur Kompensation der durch die Anwendung der Kerbfilter entstehenden Klangverfärbung und/ oder zum Hinzufügen weiterer gewünschter spektraler Eigenschaften bearbeitet. Alle so entstandenen Signale für das linke Ohr werden addiert und bilden das linke Ausgangssignal (9), während die Signale für das rechte Ohr addiert werden und so das rechte Ausgangssignal (10) bilden.

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Claims (13)

1. [0013] Fig. 2 zeigt ein Signalflussdiagramm eines FIR-Filters vierter Ordnung, bestehend aus vier Verzögerungselementen (3b), fünf Multiplikationselementen (3c), sowie vier Additionselementen (3d), der als Kerbfilter eingesetzt werden kann. Die Ordnung geteilt durch zwei bestimmt die Anzahl Frequenzen an denen Kerben im Spektrum platziert werden können. Dementsprechend ist der gezeigte Filter in der Lage, an zwei unterschiedlichen Frequenzen im Spektrum Kerben zu platzieren. [0014] Fig. 3 zeigt ein Signalflussdiagramm einer Klangsignalverarbeitungsvorrichtung mit dem Zweck, mehrere Klangsignale (1 ) mit unterschiedlichen kopfbezogenen Impulsantworten zu falten. Im Vergleich zu Fig. 1 werden die einzelnen Filter (4) zur Bearbeitung des Spektrums durch ein effizienteres Verfahren ersetzt. [0015] Wie schon in Fig. 1 wir jedes Eingangssignal Sj(t) (1 ) jeweils mit zwei parallel arbeitenden Verzögerungselementen (2) um Tg bzw. TRijverzögert, so dass die Differenz der Verzögerungen dem «Interaural Time Delay», d.h. der Verzögerung zwischen dem Signal des linken Ohrs und dem Signal des rechten Ohrs, einer gemessenen kopfbezogen Impulsantwort entspricht, und mit jeweils einem Kerbfilter (3) nLijbzw. nRijbearbeitet, damit die für die Wahrnehmung wichtigen Kerben im Spektrum entstehen. [0016] Anders als in Fig. 1 werden die so entstehenden Signale (3a), genannt sL,j(t) und sR>j(t) (wobei sL,j(t) letztlich dem linken Ohr zugeführt wird und sR>j(t) dem rechten Ohr), jeweils parallel mit N unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren Agjbzw. Aij(5) verstärkt, und durch Additionsoperationen (6) werden für jedes Ohr N Signale (6b), genannt siL(t) bis sN,L(t) bzw. si,R(t) bis sN,R(t), gebildet, die jeweils von jedem Eingangssignal eine verzögerte, gefilterte und verstärkte Version enthalten. [0017] Die so entstandenen Signale (6b) werden mit im Audio-Frequenzbereich arbeitenden Filtern hLibis hLiN(7) bzw. hRii bis hRiNgefiltert, und für das linke und das rechte Ohr werden jeweils die Summen (8) der gefilterten Signale gebildet, welche als linkes (9) bzw. rechtes (10) Ausgangssignal verwendet werden. [0018] Fig. 4 zeigt schematisch eine Klangsignalverarbeitungsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein Datenverarbeitungssystem mit einem Mikroprozessor oder einem Digitalen Signalprozessor (DSP) (1 1), Speicher (18) und Schnittstellen (13), welche alle über einen gemeinsamen Datenbus (12) Informationen austauschen. [0019] Die erforderlichen Parameter TL,j, TR,j, AL,i,j, ARg, sowie die Parameter der Filter nL,i, nR>i, hL,i und hR|iwerden über die Schnittstelle (13) der Klangsignalverarbeitungsvorrichtung übergeben. Die Schnittstellen (13) für Parameter und für die Eingangssignale (14) und die Ausgangssignale (15) können entweder als Hardware (z.B. I2C-BUS, D/A-Wandler, A/DWandler) oder als Software ausgeführt sein (z.B. durch Funktionsaufrufe auf dem Prozessor (1 1 )). Die Ausgangssignale (15) können direkt einem Kopfhörer (16) zugeführt werden. [0020] Die in Fig. 1 , Fig. 2, sowie Fig. 3 gezeigten Berechnungen werden durch den Prozessor (1 1 ) ausgeführt. Patentansprüche 1. Verfahren zur Verarbeitung von mehreren Klangsignalen Sj(t) (j in (1 ,..., K}), umfassend die Schritte: - Erzeugung oder Wahl von Verzögerungszeiten TL,jund TRj(j in (1 ,..., K}) - Erzeugung oder Wahl von Filtern nLijund nRij(i in (1 ,..., K}) - Erzeugung der Signale sL,j(t) und sR>j(t) (3b) durch Verzögerung (2) der Eingangssignale Sj(t) (1) um TLjbeziehungsweise TRjsowie Filterung (3) durch die Filter nLijbzw. nRij(j in (1 ,..., K}). - Filterung (4) der Signale sL,j(t) und sR|j(t) (3b) durch die Filter cL,jbzw. cR,j(j in (1 ,..., K}). - Summierung der Ausgangssignale der Filter cg zur Erzeugung des linken Ausgangssignals (9) sowie Summierung der Ausgangssignale der Filter cR|jzur Erzeugung des rechten Ausgangssignals (10).
2. 2. Verfahren zur Verarbeitung von Klangsignalen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Filter (3) nLijund nRijals FIR-Filter zweiter, vierter, sechster, oder achter Ordnung ausgestaltet sind.
3. 3. Verfahren zur Verarbeitung von Klangsignalen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Filter (4) cg und cRjals IIR-Filter ausgestaltet sind.
4. 4. Verfahren zur Verarbeitung von Klangsignalen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Filter (4) cg und cR,jsowie die Erzeugung der linken (9) und rechten (10) Ausgangssignale ausgestaltet sind nach einem Verfahren umfassend die Schritte: - Erzeugung oder Wahl von Verstärkungsfaktoren Agjund ARg (i in (1 ,..., N} und j in (1 ,..., K}) - Erzeugung oder Wahl von Filtern hg und hR|i(i in (1 ,..., N}) - Erzeugung der Signale siiL(t) und si|R(t) (6b) als gewichtete Summen (5), (6), AiisL,i(t)+ ... + AgiKSg<(t) bzw. AR,i,iSR,i(t)+ ... +ARijii<sR,K(t) (i in{1 N}) - Filterung der Signale Si,i_(t) und Si,R(t) (6b) mit den Filtern (7) hg bzw. hR|i(i in (1 ,..., N}) - Summierung (8) der Ausgangssignale der Filter hg sowie der Ausgangssignale der Filter hR|izur Erzeugung des linken Ausgangssignals (9) sowie des rechten Ausgangssignals (10).
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Filter hg und hR|iIIR-Bandpassfilter sind. 3
6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Klangsignal Sj(t) die Verzögerungszeiten TL,jund TR|j, sowie die Filter (3) nL,jund nRijveränderbar sind.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Klangsignal Sj(t) die Verzögerungszeiten T und TR,j, die Filter (3) n und nR|jsowie die Verstärkungsfaktoren A ,j und AR|i|j veränderbar sind.
8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl Eingangssignale verändert werden kann.
9. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Klangsignal Sj(t) die Verzögerungszeiten Tg und TR|j, die Filter ng und nRijsowie die Filter cg und cR|jso gewählt werden, dass die Impulsantwort, mit der Sj(t) gefaltet wird, eine real gemessene kopfbezogene Impulsantwort imitiert.
10. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangssignale zeitdiskret vorliegen und die Ausgangssignale in zeitdiskreten Schritten berechnet werden.
11. 1 1. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangssignale Sample für Sample gelesen und Ausgangssignale Sample für Sample berechnet werden.
12. 12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangs- und Ausgangssignale blockweise gelesen bzw. berechnet werden.
13. 13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Rechner (1 1 ), Software (17) welche, wenn auf dem Rechner betrieben, den Rechner dazu veranlasst, alle Schritte dieses Verfahrens durchzuführen, sowie Ein- und Ausgabemittel (13), mit welchen zumindest ein elektroakustischer Wandler zur Eingabe von Klangsignalen (14) und ein elektroakustischer Wandler zur akustischen Ausgabe des binauralen Klangsignals (15) signalübertragend verbindbar ist. 4