-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur binauralen Versorgung
eines menschlichen Gehörs
mithilfe einer binauralen Hörvorrichtung.
Darüber
hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechende Hörvorrichtung
zur binauralen Versorgung. Unter einer Hörvorrichtung wird hier insbesondere
ein Hörgerät bzw. mehrere
Hörgeräte sowie ein
Headset oder Kopfhörer
verstanden.
-
Hörgeräte sind
tragbare Hörvorrichtungen, die
zur Versorgung von Schwerhörenden
dienen. Um den zahlreichen individuellen Bedürfnissen entgegenzukommen,
werden unterschiedliche Bauformen von Hörgeräten wie Hinter-dem-Ohr-Hörgeräte (HdO)
und In-dem-Ohr-Hörgeräte (IdO),
z. B. auch Concha-Hörgeräte oder
Kanal-Hörgeräte (CIC),
bereitgestellt. Die beispielhaft aufgeführten Hörgeräte werden am Außenohr oder
im Gehörgang
getragen. Darüber
hinaus stehen auf dem Markt aber auch Knochenleitungshörhilfen,
implantierbare oder vibrotaktile Hörhilfen zur Verfügung. Dabei
erfolgt die Stimulation des geschädigten Gehörs entweder mechanisch oder
elektrisch.
-
Hörgeräte besitzen
prinzipiell als wesentliche Komponenten einen Eingangswandler, einen Verstärker und
einen Ausgangswandler. Der Eingangswandler ist in der Regel ein
Schallempfänger, z.
B. ein Mikrofon, und/oder ein elektromagnetischer Empfänger, z.
B. eine Induktionsspule. Als Signaleingang kommt aber beispielsweise
auch ein Audioschuh in Betracht, so dass z. B. Signale von einer Stereoanlage
empfangen werden können.
Der Ausgangswandler ist meist als elektroakustischer Wandler, z.
B. Miniaturlautsprecher, oder als elektromechanischer Wandler, z.
B. Knochenleitungshörer,
realisiert. Der Verstärker
ist üblicherweise
in eine Signalverarbeitungseinheit integriert. Letztere stellt in
der Regel eine Raumklangabmischung für ein Freifeld her, wodurch
das in einem Raum natürlich
entstehende Räumlichkeitsempfinden
zerstört
wird. Dieser prinzipielle Aufbau ist in 1 am Beispiel
eines Hinter-dem-Ohr-Hörgeräts dargestellt.
In ein Hörgerätegehäuse 1 zum
Tragen hinter dem Ohr sind ein oder mehrere Mikrofone 2 zur
Aufnahme des Schalls aus der Umgebung eingebaut. Eine Signalverarbeitungseinheit 3,
die ebenfalls in das Hörgerätegehäuse 1 integriert
ist, verarbeitet die Mikrofonsignale und verstärkt sie. Das Ausgangssignal
der Signalverarbeitungseinheit 3 wird an einen Lautsprecher
bzw. Hörer 4 übertragen,
der ein akustisches Signal ausgibt. Der Schall wird gegebenenfalls über einen
Schallschlauch, der mit einer Otoplastik im Gehörgang fixiert ist, zum Trommelfell
des Geräteträgers übertragen.
Die Stromversorgung des Hörgeräts und insbesondere
die der Signalverarbeitungseinheit 3 erfolgt durch eine
ebenfalls ins Hörgerätegehäuse 1 integrierte
Batterie 5.
-
Durch
traditionelle Hörgerätesignalverarbeitung
und die Akustik bei Hörgeräten wird
der natürliche
Raumklang verändert
bzw. die räumliche
Wahrnehmung reduziert. Die Klangqualität leidet hierunter. Auch die
Störgeräuschempfindung
ist hiervon betroffen. Das Gehirn ist nämlich in der Lage, räumlich unterschiedlich
wahrgenommene Quellen leichter zu trennen.
-
Auf
die Aspekte der räumlichen
Wahrnehmung wird heute bei Hörgeräten kaum
eingegangen. Es ist lediglich bekannt, dass Richtmikrofone Einfluss auf
die räumliche Übertragungsfunktion
nehmen und die Qualität
des Signals hinsichtlich der natürlichen Wahrnehmung
verschlechtern. Somit kann durch eine Reduzierung der Wirkung eines
Richtmikrofons die räumliche
Wahrnehmung verbessert werden, was aber gerade dem Einsatzzweck
eines Richtmikrofons widerspricht.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren
und eine entsprechende Hörvorrichtung
vorzuschlagen, mit denen eine verbesserte räumliche Wahrnehmung möglich ist.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
ein Verfahren zur binauralen Versorgung eines menschlichen Gehörs mit Hilfe
einer binauralen Hörvorrichtung
durch Aufnehmen eines Eingangssignals der Hörvorrichtung, Verarbeiten des
Eingangssignals zu einem Ausgangssignal, das zu einer räumlichen Wahrnehmung
führt,
und Steuern mindestens einer Größe des auf
dem Eingangssignal basierenden Ausgangssignals der Hörvorrichtung
derart, dass die räumliche
Wahrnehmung verändert
wird.
-
Darüber hinaus
ist erfindungsgemäß vorgesehen
eine Hörvorrichtung
zur binauralen Versorgung eines menschlichen Gehörs mit einer Aufnahmeeinrichtung
zum Aufnehmen eines Eingangssignals der Hörvorrichtung, einer Verarbeitungseinrichtung
zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das zu einer räumlichen
Wahrnehmung führt,
auf der Basis des Eingangssignals und einer Steuereinrichtung zum
Steuern der Verarbeitungseinrichtung bezüglich mindestens einer Größe des Ausgangssignals
der Hörvorrichtung
derart, dass die räumliche
Wahrnehmung verändert
wird.
-
In
vorteilhafter Weise ist es somit möglich, Teile einer „zerstörten Räumlichkeit" wiederherzustellen
bzw. nachzubilden. Durch gezielte Verwendung von virtueller, räumlicher
Abbildung kann das Gehirn unterstützt werden, verschiedene Quellen
zu trennen, ohne dass diese unterdrückt werden müssten. Vielmehr
kann beispielsweise durch Einbringung von Verarbeitungsblöcken in
den Signalpfad der räumliche
Eindruck wiederhergestellt oder gewünschte räumliche Effekte erzielt werden.
-
Vorzugsweise
wird das oder die Eingangssignale analysiert und/oder klassifiziert,
und das Steuern erfolgt entsprechend dem Klassifikationsergebnis.
Dadurch kann die räumliche
Wahrnehmung in Abhängigkeit
bestimmter Typen oder Arten von Eingangssignalen beeinflusst werden.
-
Das
Analysieren des oder der Eingangssignale kann auch ein Bestimmen
der Halligkeit des Eingangssignals umfassen. Das Steuern erfolgt
dann entsprechend der Halligkeit. Damit kann die Steuerung beispielsweise
in Abhängigkeit
der akustischen Situation eines Raums erfolgen.
-
Weiterhin
kann das Analysieren ein Separieren von Schallquellen umfassen,
und das Steuern entsprechend den separierten Schallquellen erfolgen.
Speziell kann das Separieren durch ein Richtmikrofon und/oder einen
Blinde-Quellentrennung-Algorithmus
erfolgen. Hierdurch lässt
sich die räumliche Wiedergabe
in Abhängigkeit
bestimmter Nutzschallquellen oder Störschallquellen steuern.
-
Das
Analysieren kann ferner eine Störgeräuschdetektion
umfassen, und das Steuern entsprechend dem Störgeräuschanteil erfolgen. Damit
kann die räumliche
Wiedergabe unabhängig
von konkreten Schallquellen pauschal in Abhängigkeit von Störgeräuschanteilen
beeinflusst werden.
-
Bei
dem Analysieren kann außerdem
ein Pegel des Eingangssignals ermittelt werden, so dass sich das
Steuern der räumlichen
Wiedergabe in Abhängigkeit
von dem ermittelten Pegel durchführen lässt. Dadurch
ist auf einfache Weise in Abhängigkeit der
Lautstärke
eine gewünschte
räumliche
Wahrnehmung erzielbar.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
durch die Hörvorrichtung
mindestens ein z. B. über
einen Audioschuh extern eingespeistes Signal gegebenenfalls neben
einem Mikrofonsignal festgestellt werden, und das Steuern entsprechend
den festgestellten Signalen erfolgen. Damit lässt sich durch spezifische
räumliche
Wiedergabe beispielsweise bei induktiv eingespeisten Signalen in
großen Hörsälen oder
Kirchen ein anderer räumlicher
Eindruck erzielen als bei üblichen
Mikrofonsignalen.
-
Die
die räumliche
Wahrnehmung beeinflussenden Größen können eine
Distanz einer Quelle von der Hörvorrichtung,
eine Raumrichtung einer Quelle bezüglich einer vorgegebenen Null-Grad- Richtung der Hörvorrichtung,
ein Quellenort und/oder eine Eigenschaft des Raumhalls sein. Diese
Parameter beeinflussen die räumliche
Wiedergabe wesentlich.
-
Die
vorliegende Erfindung ist anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in
denen zeigen:
-
1 den
prinzipiellen Aufbau eines Hörgeräts mit seinen
wesentlichen Komponenten;
-
2 ein
Blockschaltdiagramm eines erfindungsgemäßen Hörgeräts;
-
3 ein
Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Hörgeräts mit FIR-Filter;
-
4 ein
Schaltbild eines FIR-Filters (finite impulse response) und
-
5 Realisierungsformen
des Verarbeitungsblocks für,
räumliche
Wahrnehmung.
-
Die
nachfolgend näher
geschilderten Ausführungsbeispiele
stellen bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar.
-
Die
vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass es zahlreiche
Eigenschaften binaural präsentierter
Audiosignale gibt, welche die räumliche Wahrnehmung
beeinflussen. Aus der Audiotechnik sind verschiedene Verfahren bekannt,
die bei vorhandenem Stereosignal diese Eigenschaften so beeinflussen,
dass eine gewünschte
Wahrnehmung erzielt wird. Zielvariablen dabei sind unter anderem:
- – die
Distanz der Quelle (n) vom Hörer;
sie beeinflusst unter anderem das Verhältnis zwischen Direktschall
und Reflexionen sowie die Ausprägung der
ersten Wellenfront.
- – die
wahrgenommene Stereobreite; diese entspricht dem Raumwinkel, über den
die Schallquellen verteilt sind.
- – die
Lokalisation der Quelle (n); dies entspricht der genauen Ortsbestimmung
einer Quelle anhand von Winkel und Abstand.
- – die
Eigenschaften des Raumhalls; so lässt sich beispielsweise leiser
Nachhall aus dem Signal entfernen.
-
Für die Erfindung
ist es jedoch nicht zwingend Voraussetzung, dass Stereosignale vorliegen. Vielmehr
kann die Erfindung auch auf Verfahren angewandt werden, welche die
kopfbezogene, räumliche Übertragungsfunktion
nachbilden. Die Hörgeräte können auch
exakt die gleichen Signale (z. B. Monosignale) bekommen.
-
Ausgangspunkt
der Verbesserung der räumlichen
Wiedergabe ist, dass es durch die in einem Hörgerät vorhandenen Algorithmen (z.
B. Störgeräuschbefreiung)
und die Mikrofonpositionen dazu kommen kann, dass der natürlicherweise
wahrgenommene Klang verfremdet wird. Weiterhin können die Quellen sehr nahe
am Kopf oder gar im Kopf wahrgenommen werden, was eine Trennung
der Quellen beim Hören
schwierig macht. Speziell bei der Verwendung von Richtmikrofonen
kann eine Verbesserung der räumlichen
Wiedergabe notwendig sein, denn ein Richtmikrofon ermöglicht es
zwar, Störsignale
auszublenden, aber die Räumlichkeitsempfindung
wird dadurch in der Regel auch stark negativ beeinflusst.
-
Zur
verbesserten räumlichen
Wiedergabe ist erfindungsgemäß daher
vorgesehen, einen oder mehrere Signalverarbeitungsblöcke in den
Signalpfad, gegebenenfalls auch in unterschiedlichen Kanälen oder
räumlichen
Signalteilen, einzubeziehen, welche einen oder mehrere der oben
genannten Zielvariablen beeinflusst. Ziel ist es dabei entweder
ein natürliches
Klangbild zu restaurieren oder bestimmte virtuelle Wahrnehmungen
zu erzielen.
-
Ein
Beispiel eines generellen Aufbaus eines Hörgeräts mit einem derartigen Signalverarbeitungsblock
zur Verbesserung der räumlichen
Wahrnehmung ist in 2 schematisch wiedergegeben.
Wie in dem Beispiel von 1 sind eines oder mehrere Mikrofone 2 an
eine Signalverarbeitungseinheit 3 angeschlossen. Letztere
dient hier praktisch als Verarbeitungs- und Steuereinrichtung. Als
Analyseeinrichtung besitzt die Verarbeitungseinheit 3 einen
Klassifikator 6, der ein entsprechendes Klassifikationssignal als
Ausgangssignal bereitstellt. Neben den Mikrofoneingangssignalen
kann die Signalverarbeitungseinheit 3 gegebenenfalls weitere
Eingänge
besitzen. So kann beispielsweise ein Signal H2 von einem Hörgerät auf der
anderen Seite des Kopfes als Eingangssignal genutzt werden. Weiterhin
lässt sich
ein Signal EQ von einer externen Quelle als Eingangssignal nutzen.
So kann beispielsweise ein Signal einer Stereoanlage über einen
Audioschuh in das Hörgerät eingekoppelt
werden. Die Ausgabe von Signalen der Verarbeitungseinheit 3 erfolgt
gegebenenfalls getrennt nach Stör-
und Nutzsignalen.
-
In
dem Beispiel von 2 ist der Signalverarbeitungseinheit 3 eine
Richtmikrofonie- bzw. BSS-Einheit 7 nachgeschaltet. Hierdurch
werden unter Umständen
eine gewünschte
Anzahl von Richtmikrofonen bzw. Richtmikrofoneinstellungen bereitgestellt.
Optional erfolgt hier eine Trennung der Signale durch so genannte „blinde
Quellentrennung" (Blind Source
Separation; BSS). Die Richtmikrofonie- bzw. BSS-Einheit 7 kann
auch zwischen den Mikrofonen 2 und der Signalverarbeitungseinheit 3 angeordnet sein.
Dann werden die Mikrofonsignale bzw. die Signale der externen Quellen
und Signale der anderen Seite in die Richtmikrofonie eingespeist.
Eine Richtmikrofon/BSS-Verarbeitung
ist für
die vorliegende Erfindung jedoch nicht zwingend, so dass gegebenenfalls
auf eine entsprechende Verarbeitungseinheit verzichtet werden kann.
-
In
dem Beispiel von 2 ist der BSS-Einheit 7 ein
Verarbeitungsblock 8 für
die räumliche
Verarbeitung nachgeschaltet. Dieser Block kann neben einer FIR-Filterung
auch zahlreiche andere Funktionen besitzen, wie dies anhand von 5 näher erläutert werden
wird. Ziel ist jeweils die Beeinflussung der interauralen Kreuzkorrelation,
eventuell der interauralen Zeitdifferenz für die Richtungswahrnehmung oder
eine geeignete Frequenzgangformung. Die Verarbeitung der Signale
erfolgt in diesem Block 8 stets so, dass zusammengehörige Signale
der linken und rechten Seite in ihrem räumlichen Eindruck verändert werden.
-
Die
Ausgangssignale des Blocks 8 für die räumliche Verarbeitung werden
in einer anschließenden
Mischeinheit 9 mit entsprechenden Gewichten gemischt. Gesteuert
wird das Mischen wie auch die räumliche
Verarbeitung durch die Steuer- bzw. Signalverarbeitungseinheit 3 bzw.
deren Klassifikator 6. Das Ausgangssignal der Mischeinheit 9 wird
dem Lautsprecher bzw. Hörer 4 zugeführt.
-
Ergänzend wird
darauf hingewiesen, dass die Verwendung einer Steuereinheit 3,
wie sie in dem Beispiel von 2 vorgesehen
ist, nicht zwingend ist. Die Parameter für die Mischung und die räumliche Verarbeitung
sind dann fest vorgegeben. Weiterhin kann eine sehr einfache Realisierungsform
auch darin bestehen, dass nur je ein Signal von links und rechts
verarbeitet wird und die Mischung entfällt.
-
So
kann es beispielsweise günstig
sein, in Abhängigkeit
des Signaltyps eine Distanzerhöhung vorzunehmen.
Dies gelingt bei einem Hörgerät erfindungsgemäß beispielsweise
durch den in 2 schematisch wiedergegebenen
Aufbau. Das Hörgerät besitzt
am Signaleingang ein Mikrofon 10. Nachgeschaltet ist eine
Signalverarbeitung 11, die einen Klassifikator 12 besitzt.
Daneben dient die Signalverarbeitung 11 für die übliche Verstärkung. Das
Ausgangssignal der Signalverarbeitung 11 wird zu zwei Filtern
oder Richtmikrofonen 13, 14 verzweigt. In dem einen
Zweig ist weiterhin ein FIR-Filter 15 (finite impulse response)
mit konstantem Amplitudengang (Allpass) vorgesehen. Es sorgt für eine bestimmte Phasenverschiebung
des Signals. Die Signale beider Zweige werden in einem Mi scher 16 gemischt
und einem Lautsprecher 17 zugeführt. Der Klassifikator 12 beeinflusst
die Phasenverschiebung des FIR-Filters 15 und/oder
das Mischungsverhältnis
in dem Mischer 16.
-
Das
FIR-Filter 15 ist in 4 konkret
dargestellt. Ein digitales Eingangssignal ES wird in fest vorgegebenen
Zeitverzögerungsstufen
(z–1)
mit unterschiedlichen Koeffizienten K1, K2, K3 und K4 multipliziert.
Die Summe der Einzelsignale führt
zu einem Ausgangssignal AS. Je nach Wahl der Koeffizienten ergibt
sich eine entsprechende Phasen- bzw. Zeitverschiebung des Signals.
Wenn die Verschiebung des Signals am linken Ohr anders ist als am
rechten, führt dies
zu einer anderen Räumlichkeitswahrnehmung. Dabei
kann z. B. die Richtungs- und/oder Distanzwahrnehmung beeinflusst
werden.
-
Im
Folgenden wird anhand mehrerer Beispiele dargestellt, wie die räumliche
Wiedergabe in Abhängigkeit
von bestimmten Parametern der Hörvorrichtung
bzw. des Hörgeräts verbessert
werden kann. Dazu wird der entsprechende Parameter dargestellt und
jeweils angegeben, wie sich die räumliche Wiedergabe, durch Verändern einer
der oben genannten Zielvariablen verändern lässt:
-
1. Klassifikation des Eingangssignals
-
- a) Einstellung der Verfahren mittels eines
Klassifikators
i) Distanzerhöhung in Abhängigkeit des Signaltyps (z.
B. Musik oder Sprache); sie lässt
sich mithilfe des Aufbaus von 2 erzielen,
wie dies oben bereits geschildert wurde.
ii) Stereobreitenerhöhung in
Abhängigkeit
des Signaltyps (z. B. Musik oder Sprache); sie lässt sich bei binauraler Versorgung
durch entsprechend unterschiedlichen Versatz des linken und rechten Signals
erreichen.
iii) Zumischen von Hall in Abhängigkeit der Klasse; das Mischen
und Steuern mithilfe des Klassifi kators lässt sich ähnlich dem Prinzip von 2 durchführen.
- b) Hallabängigkeit
(Feststellung mit dem Klassifikator oder einer anderen geeigneten
Analyseeinheit)
i) Distanzerhöhung in Abhängigkeit der Verhalltheit des
Signals (z. B. wenn das Signal verhallt ist, soll die Distanzerweiterung
geringer ausfallen);
ii) Stereobreitenerhöhung in Abhängigkeit der Verhalltheit des
Signals (z. B. wenn das Signal verhallt ist, soll die Stereoverbreitung
geringer ausfallen);
iii) Zumischung von Hall in Abhängigkeit
des im Signal detektierten Hallanteils
- c) Virtuelles auditorisches Display
i) Klassenabhängige Verschiebung
eines Signals in eine Raumrichtung (z. B. Verschiebung eines Störgeräuschs nach
hinten);
ii) Beliebige Kombination des Verfahrens 1.c.i mit einem
oder mehreren Verfahren von 1.a und/oder 1.b
-
2. Richtmikrofon oder separierte Signale
-
- a) Richtungsfilterung mittels eines Richtmikrofons und
darauf folgende Veränderung
der Quellendistanz je nach Richtung statt einer reinen Unterdrückung (mehrere
Richtcharakteristiken müssten parallel
gerechnet werden).
- b) Veränderung
der Quellendistanz von Signalen, welche mithilfe eines Blinde-Quellentrennung-Algorithmus
(blind source separation: BSS) gewonnen wurden, unter Umständen in
Abhängigkeit der
Quellenrichtung und/oder Distanz.
- c) Kombination der Verfahren von 2.a und/oder 2.b mit einem
oder mehreren der Verfahren aus 1.
-
3. Extern eingespeiste Signale
-
Neben
dem bzw. den Mikrofonsignalen können
auch andere Signale beispielsweise elektromagnetisch in die Hörvorrichtung/das
Hörgerät eingekoppelt
werden. Eine unterschiedliche Behandlung der Mikrofonsignale und
der elektrisch eingespeisten Signale kann zu einer Verbesserung
der räumlichen Wiedergabe
führen.
So könnten
beispielsweise die Mikrofonsignale weiter entfernt oder nach hinten
geblendet werden, wenn ein extern eingespeistes Signal (Telefon,
Stereoanlage, FM-Anlage, etc.) vorliegt.
-
4. Störanteil
der Geräuschbefreiung
-
Statt
den Störanteil
zu unterdrücken,
kann er in einer einstellbaren Distanz bzw. Richtung dem Signal
wieder zugemischt werden. Auch dies kann mit einer ähnlichen
Schaltungsstruktur erfolgen, wie sie in 2 dargestellt
ist.
-
5. Pegelabhängigkeit
-
Entsprechend
einer weiteren zusätzlichen oder
alternativen Option wird die Stärke
der Wirksamkeit der Verfahren in Abhängigkeit des Signalpegels eingestellt.
Dies lässt
sich einfach durch einen entsprechenden Pegelmesser realisieren,
der in der Regel ohnehin vorhanden ist.
-
6. Benutzersteuerung
-
Entsprechend
einer weiteren Option kann vorgesehen sein, dass der Benutzer die
Wirksamkeit der Algorithmen beispielsweise mithilfe einer Fernbedienung
manuell steuert. Damit wäre
eine manuelle oder halbautomatische Steuerung möglich.
-
7. Binaurale Verfahren
-
Die
Parameter der Verfahren werden nach einer Analyse der Signale für das rechte
und das linke Ohr eingestellt. Hierzu ist beispielsweise eine drahtlose
Kopplung von Hörgeräten notwendig.
-
Der
Verarbeitungsblock 8 für
die räumliche Verarbeitung
(vergleiche 2) kann entsprechend dem Beispiel
von 5 auf unterschiedliche Weise realisiert werden.
So kann dieser Block eines oder mehrere der folgenden Elemente aufweisen:
- a) ein FIR-Filter 81 (finite impulse
response) wie in dem Beispiel der 3 und 4;
- b) ein IIR-Filter 82 (infinite impulse response), das rekursiv
ausgebildet ist;
- c) eine Kreuzgliedstruktur 83, wodurch zwei Signale
R, L durch kreuzweises Verknüpfen
mit den Gewichten G1, G2, G12 und G21 zu Ausgangssignalen Rout und Lout werden;
- d) ein zeitvariantes Filter 84, wodurch eine Zeitverschiebung
des Signals erfolgt und
- e) einen stochastischen Dekorrelator 85 zur Trennung
von Störgeräuschen.
-
Die
oben dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren
zur Verbesserung der räumlichen
Wahrnehmbarkeit bzw. die entsprechenden Hörvorrichtungen/Hörgeräte führen also
beispielsweise zu einer verbesserten Klangwahrnehmung. So kann beispielsweise
Musik lebendiger klingen. Insbesondere wird das Gehirn durch die
bewusst gesteuerte unterschiedliche Lokalisation der Quellen dahingehend unterstützt, die „konkurrierenden" Quellen besser trennen
zu können.