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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Simulation einer Kopfhörerwiedergabe
von Audiosignalen durch mehrere Lautsprecher, insbesondere zum Wiedergeben
von binauralen Signalen (Kunstkopfsignalen), gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Beim
räumlichen Hören wertet das Gehör Ohrsignalmerkmale
aus, die sich aus der Wirkung der Außenohrübertragungsfunktionen
(Head Related Transfer Functions, HRTFs) auf die Ohreingangssignale
ergeben. Eine Schallquelle außerhalb der Medianebene erzeugt
grundsätzlich zwei unterschiedliche Ohreingangssignale,
gekennzeichnet durch die HRTF für das zugewandte Ohr und
die HRTF für das abgewandte Ohr. Für den Schalleinfall
aus der Medianebene sind die Ohreingangssignale an den Trommelfellen
im Prinzip identisch, da für beide Ohren dieselben HRTFs
wirksam sind. Die Richtungswahrnehmung basiert im Wesentlichen auf
dem spontanen Vergleich der zwei Ohreingangssignale hinsichtlich ihrer
zeitlichen und spektralen HRTF-bedingten Eigenschaften. Um diese
Auswertung binauraler Merkmale auch für Kunstkopfsignale
fehlerfrei zu ermöglichen, müssen die Übertragungsfunktionen zwischen Kunstkopfausgang
und Ohrsignaleingang für beide Ohren den Wert 1 annehmen.
Dies geschieht normalerweise mit Hilfe eines Kopfhörers,
wobei eine Diffusfeldentzerrung des Kopfhörers gemäß Recommendation
ITU-R BS.708 sowie die entsprechende Diffusfeldentzerrung des Kunstkopfes
die geforderten linearen Übertragungsfunktionen zwischen Kunstkopfausgängen
und Ohrsignaleingängen gewährleisten. Nähere
Erläuterungen dazu findet man z. B. in [
Theile,
G.: „Zur Theorie der optimalen Wiedergabe von Stereofonen
Signalen über Lautsprecher und Kopfhörer". Rundfunktechn.
Mitteilungen. 25, 1981, S. 67–73], [
Theile,
G.: „Study an the standardisation of studio headphones".
EBU Review-Technical No 197, 1983, S. 3–11], [
Schröter,
J.; Spikofski, G.; Theile, G.: „Messung des Diffusfeldübertragungsmaßes
von Kopfhörern am Kunstkopf". Acustica Vol. 60, 1986, S.
105–116], [
Spikofski, G.: „The
diffuse-field probe transfer function of studio-quality headphones
". EBU Review-Technical No 229, 1988, S. 3–16]
oder Patentschrift
DE
31 31 347 C1 .
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Aus
verschiedenen praktischen Gründen ist jedoch oft eine Kopfhörerwiedergabe
unerwünscht. Für eine adäquate Wiedergabe
mittels Lautsprecher sind diverse so genannte „Crosstalk-Cancelling"-Verfahren
bekannt, wobei mindesten je ein Lautsprecher in der linken bzw.
rechten Hemisphäre des Hörers eingesetzt ist,
beispielsweise [Schroeder, M. R. und Atal, B. S.: "Computer
Simulation of Sound Transmission in Rooms". IEEE Conv. Rec., pt.
7, 1963, S. 150–155], [Damaske, P. und
Mellert„ V.: "Ein Verfahren zur richtungstreuen Schallabbildung
des oberen Halbraumes über zwei Lautsprecher". Acustica,
Vol. 22, 1969/1970, S. 153–162] oder [Bauck,
J., Cooper, D. H.: „Generalized Transaural Stereo and Applications
". Journal of the AES, Vo1.44/9, 1996], Die Lautsprecher
auf der rechten Seite geben das rechte binaurale Signal wieder,
die Lautsprecher auf der linken Seite das linke binaurale Signal.
Um zu vermeiden, dass Anteile des linken binauralen Signals das
rechte Ohr erreichen und umgekehrt, werden den Lautsprechern „Crosstalk
Cancellation" (bekannt auch als „Transaural") Filter vorgeschaltet,
welche das Übersprechen an den beiden Ohren kompensieren.
Die bekannten Vorfilterungen sollen bewirken, dass die bei der Überlagerung
der Lautsprechersignale an den Ohren des Hörers entstehenden Übersprechanteile
möglichst gut unterdrückt werden und auf der jeweils
zugewandten Seite ein möglichst linearer Frequenzgang zu
messen ist.
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Die
Anzahl und Position der beteiligten Lautsprecher beeinflusst die
Qualität der Übersprechkompensation. Das grundlegende
Verfahren verwendet eine gewöhnliche 2/0-Stereo-Lautsprecheranordnung.
Durch das Hinzufügen von Lautsprechern im hinteren Bereich
lässt sich jedoch die Qualität und vor allem Stabilität
der Übersprechkompensation erhöhen, bekannt z.
B. durch [Kürer, R.; Plenge, G.; Wilkens, H.: "Wiedergabe
von Kunstkopfsignalen über Lautsprecher", Radio Mentor,
Heft 11 1973] oder [Hokari, H., Furumi, Y., Shimada,
S. „A Study an Loudspeaker Arrangement in Multi-Channel
Transaural System for Sound Image Localization ". Proceedings of
the ABS 19 th Int. Conference, 2002].
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Die
Berechnung dieser Kompensationssignale hängt in erster
Linie von der Geometrie zwischen den Lautsprechern und den Ohren
des Zuhörers ab. Die Filter, welche die Kompensationssignale erzeugen,
sind also bei einer gegebenen Lautsprecher-Konstellation immer nur
für eine bestimmte Kopfposition und Kopfausrichtung gültig.
Soll sich der Hörer in diesem Umfeld bewegen können,
müssen die momentane Kopfposition und die momentane Kopfausrichtung
ermittelt und die Filter dementsprechend angepasst werden. Wiedergabesysteme
mit dynamisch veränderbaren Filtern sind bekannt, beispielsweise
[
Gardner, W. G.: "3-D Audio Using Loudspeakers ". PhD-thesis,
Massachusetts Institute of Technology, 1997], [
Georgiou,
G.; Mouchtaris, A.; Roumeliotis, S.; Kyriakakis,
C.: "Immersive Sound Rendering Using Laser-Based Tracking ". 109
th ABS Convention, 2000, Preprint No. 5227] oder [
Algazi, V.;
Duda, R.; Thompson, D.: "Motion-Tracked Binaural Sound". 116 th
AES Convention, 2004, Preprint No. 6015]. Das Grundprinzip
ist in den
1A und
1B dargestellt.
1A zeigt
in der Draufsicht auf einen Kopf eines Hörers die Situation
für einen still gehaltenen und nach vorne ausgerichteten
Kopf (Drehwinkel 0°),
1B zeigt
die Situation für den um den Drehwinkel nach rechts gedrehten
Kopf. Das als Block dargestellte HRTF-Invers-Filter bewirkt die gewünschte
Aufhebung der Wirkung der einzelnen Außenohrübertragungsfunktionen
H zwischen den Ausgängen der beiden symbolhaft dargestellten Lautsprecher
und den Eingängen der Ohren des Kopfes. Die vier verschiedenen
Außenohrübertragungsfunktionen H
L1,
H
L2, H
R1 und H
R2 sind für die beiden Drehwinkel
0° (
1A) und (
1B) durch
gestrichelte Linien angedeutet. Schon bei kleinen Kopfdrehungen
arbeitet das 0°-HRTF-Invers-Filter nach
1A nicht
mehr korrekt. Aus diesem Grund wird gemäß
1B die
Kopfdrehung mit Hilfe eines nicht gezeigten Systems zur Kopfverfolgung
(„Headtacker") erfasst und als Signal „Headtracker-Daten" dem
HRTF-Invers-Filter zugeführt. Durch diese Nachführung
wird die HRTF-Invers-Filterung dynamisch, also als Funktion f()
der Kopfdrehung, angepasst; es erfolgt auf diese Weise eine dynamische Übersprechkompensation.
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Der
Bereich der möglichen Kopfdrehrichtungen bzw. Kopfbewegungen,
in dem eine dynamische Übersprechkompensation gelingt,
ist indessen begrenzt. Wird z. B. ein gewöhnliches 2/0-Stereo-Setup verwendet,
ist eine Kopfdrehung über den Bereich der Lautsprecherbasis
hinaus (d. h. +/– 30°) nicht möglich.
In [Lentz, T.; Renner, C.: "A Four-channel Dynamit Cross-talk
Cancellation System ". Tagungsband DAGA 2004, Strasbourg,
2004] wird diesem Problem damit begegnet, dass für
unterschiedliche Kopfdrehrichtungen unterschiedliche Lautsprecherpaare
verwendet werden.
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Will
man die dynamische Vorfilterung mit dem Ziel einer ausreichend präzisen
Realisierung der geforderten linearen Übertragungsfunktionen
des „virtuellen Kopfhörers" mit Hilfe einer dynamischen HRTF-Invers-Filterung
gewährleisten, so gibt es auch bei Einsatz mehrerer Lautsprecher
verschiedene technische Schwierigkeiten, welche insbesondere bei
Kopfbewegungen zu wahrnehmbaren Beeinträchtigungen der
Qualität des virtuellen Kopfhörers hinsichtlich
Abbildungsschärfe und Klangfarbe führen. Diese
technischen Schwierigkeiten sind beispielsweise in der Druckschrift
DE 10 2005 003 431 näher
erläutert. Das dort beschriebene Verfahren löst dieses
Problem, indem die Lautsprecher unter Verwendung einer Schallfeldsynthese
mit Hilfe eines Lautsprecherarrays durch so genannte „fokussierte Schallquellen"
(Fokusquellen) ersetzt werden. Die Position der fokussierten Schallquellen
wird dabei in Abhängigkeit von der ermittelten Kopfdrehung
des Hörers dynamisch nachgeführt, derart, dass
ihre relative Position für jede Kopfdrehung konstant ist
und für alle Kopfrichtungen eine statische und deshalb genaue
HRTF-Invers-Filterung benutzt werden kann. Fokussierte Schallquellen
lassen sich mit Hilfe der Wellenfeldsynthese (WFS) durch Bündelung
der Schallwellen an einem bestimmten Punkt (Fokuspunkt) zwischen
Lautsprecherarray und Hörer erzeugen.
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Das
Verfahren ist beispielsweise in [Menzel, D.; Wittek H.;
Fastl H.; Theile. G.: „Binaurale Raumsynthese mittels Wellenfeldsynthese – Realisierung und
Evaluierung ". Tagungsband DAGA 2006] beschrieben. Das
System ist in der Lage, 2 bis n fokussierte Schallquellen in der
Nähe des Kopfes zu generieren und mittels Anpassung der
Wellenfeldsynthese-(WFS)-Filter zu bewegen. Das Grundkonzept der WFS-basierten
Erzeugung von fokussierten Schallquellen zeigen die Beispiele von 2A und 2B, wo
zwei fokussierte Schallquellen (als graue und schwarze dicke Punkte
gezeichnet) dargestellt sind. Das durch eine Vielzahl von Lautsprechersymbolen angedeutete
Lautsprecherarray ist vor dem Kopf des Hörers in einem
Abstand angebracht. Das nicht gezeigte Headtracking System liest
den momentanen Drehwinkel des Kopfes als Parameter aus, der als
Signal „Headtracker-Daten" dem Block „WFS basierte Generierung
von fokussierten Quellen" zugeführt wird und in die Echtzeitberechnung
des nachgeordneten 0°-HRTF-Invers-Filters eingeht. Der
Block „WFS basierte Generierung von fokussierten Quellen"
und das 0°-HRTF-Invers-Filter bilden ein Wellenfeld-Synthese-Filter.
Der virtuelle Kopfhörer wird also nicht durch die dynamische
Nachführung f() einer HRTF-Invers-Filterung wie in 1B realisiert,
sondern mittels einer statischen 0°-HRTF-Invers-Filterung
und entsprechender Nachführung von WFS-generierten fokussierten
Schallquellen.
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Das
grundsätzliche Prinzip der HRTF-Invers-Filterung zur Realisierung
des virtuellen Kopfhörers zeigt das Blockschaltbild von 3.
Die dargestellte Struktur der Filterung kompensiert die Wirkung der
betreffenden Außenohrübertragungsfunktionen einschließlich
der Verkopplung der Übertragungswege zwischen den fokussierten
Schallquellen und dem Gehöreingängen (an den Trommelfellen).
Die Struktur weist einen ersten Block „HRTF-Invers-Filterung" mit
den Filtern HL1 –1, –HL2, HR1 –1 und –HR2 auf, welchem die Kopfhörereingänge
für das Linkssignal L und das Rechtssignal R zugeführt
werden. Die Filter HL1 –1, –HL2, HR1 –1 und –HR2 sind in der gezeigten Weise zwischen den
zwei Eingängen und den zwei Ausgängen des Blocks „HRTF-Invers-Filterung” geschaltet,
wodurch sich die Filterfunktion (HL1; HL2; HR1; HR2)–1 für
die beiden Eingangssignale L und R ergibt. Mit den beiden Ausgangssignalen
des Blocks „HRTF-Invers-Filterung" werden die beiden WFS-generierten fokussierten
Quellen in 2A und 2B (graue und
schwarze dicke Punkte) betrieben. Die Außenohrübertragungsfunktionen
HL1, HL2, HR1 und HR2, die in
dem Block „HRTFs" als Filter gezeigt sind, transformieren
die Signale der fokussierten Quellen mit der Filterfunktion (HL1; HL2; HR1; HR2) in die Gehöreingangssignale
L' und R'. Die Gesamt-Übertragungsfunktion der beiden Blöcke
ist gleich 1(L' = L und R' = R).
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Die
allgemeine Theorie der inversen Filterung ist seit langem bekannt
und beispielsweise beschrieben in [Engel, W. „Eine
neue Methode zur Entkopplung mehrfachgeregelter Systeme". Diss.
TH München, 1966]; sie behandelt die Berechnung
einer inversen Filterung für komplexe Netzwerke. Hieraus lässt
sich der Entwurf einer HRTF-Invers-Filterung auch für mehr
als zwei fokussierte Schallquellen ableiten.
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Um
für jede Kopfdrehung günstige Vorraussetzungen
für die Generierung kopfnaher fokussierter Schallquellen
zu gewährleisten, ist das in der Druckschrift
DE 10 2005 003 431 beschriebene
Lautsprecher-Array kreisförmig und in einer Weise über dem
Kopf des Hörers angebracht, dass die Mittelsenkrechte der
Kreisfläche den Kopf des Hörers schneidet. Ein
gravierender Nachteil des beschriebenen Verfahrens ist hier jedoch
die noch geringe Toleranz gegenüber Positionsänderungen
des Kopfes, da bisher keine konkreten Maßnahmen zur bereits vorgeschlagenen
Berücksichtigung der Kopfposition bekannt sind. Der Kopf
des Hörers muss sich zur Gewährleistung optimaler
Abbildungs-Eigenschaften des virtuellen Kopfhörers wenige Zentimeter
genau auf der Mittelsenkrechten des Kreis-Arrays und in einem definierten
vertikalen Abstand zur Ebene des WFS-Lautsprecherarrays befinden.
Die Qualität und Position der fokussierten Schallquellen
relativ zu den Ohren kann bei einer Querbewegung (Translation) des
Kopfes nicht mehr konstant gehalten werden, wodurch die Präzision
der HRTF-Invers-Filterung ab einer Abweichung von etwa 5 cm aus
dem Bezugspunkt bereits so weit beeinträchtigt ist, dass
die typischen Eigenschaften eines hochwertigen Kopfhörers verschwinden.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs
erwähnten Art zur Darstellung eines virtuellen Kopfhörers
dahingehend zu verbessern, dass die Toleranz gegenüber
Positionsänderungen des Kopfes erweitert wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Verfahrens sowie Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung beruht auf der Überlegung, in Abhängigkeit
von der ermittelten Position und Ausrichtung des Kopfes einen Datensatz über
die geometrischen Beziehungen zwischen Lautsprechern, fokussierten
Schallquellen und Ohren des Hörers in allen 6 Freiheitsgraden
(Translation und Rotation) dynamisch zu berechnen und in Abhängigkeit
dieses Datensatzes Parameter der Lautsprechersignale für das
Lautsprecherarray zu steuern. Auf diese Weise gelingt es für
einen wesentlich größeren Bewegungsradius des
Kopfes unterhalb des Lautsprecherarrays, die Eigenschaften der WFS-generierten
fokussierten Schallquellen konstant zu halten, so dass die HRTF-Invers-Filterung
in diesen Grenzen unbeeinträchtigt bleibt.
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Die
Erfindung wird mit ihren Einzelheiten und Vorteilen anhand eines
Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigt:
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1A ein
schematisches Schaltbild zur Simulation einer Kopfhörerwiedergabe
von Audiosignalen mittels zweier Lautsprecher unter Verwendung eines
statischen Crosstalk-Cancelling-Verfahrens (HRTF-Invers-Filterung);
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1B ein ähnliches
Schaltbild wie in 1A, jedoch mit dynamisch angepasster HRTF-Invers-Filterung
unter Verwendung eines Headtrackers;
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2A ein
schematisches Schaltbild zur Simulation einer Kopfhörerwiedergabe
von Audiosignalen mittels zweier fokussierten Quellen, welche mit Hilfe
der Wellenfeldsynthese (WFS) generiert werden;
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2B die
gleiche Anordnung wie in 2A, jedoch
ist eine Kopfdrehung mit der entsprechenden Positionssteuerung der
WFS-generierten fokussierten Quellen dargestellt, welche unter Verwendung
eines Headtrackers erfolgt;
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3 das
grundsätzliche Prinzip der HRTF-Invers-Filterung zur Realisierung
des virtuellen Kopfhörers;
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4A beispielhaft
eine mit Lautsprechern bestückte Fläche mit den
situationsabhängig aktivierten Lautsprechern eines Kreisarrays
zur Generierung der fokussierten Quellen;
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4B die
gleiche Anordnung wie in 4A, jedoch
mit geänderter Kopfposition und Kopfdrehung und entsprechend
angepasster Auswahl der aktivierten Array-Lautsprecher;
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4C die
gleiche Anordnung wie in 4B, jedoch
mit nochmals geänderter Kopfposition und Kopfdrehung und
entsprechend angepasster Auswahl der aktivierten Array-Lautsprecher;
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5A beispielhaft
ein ähnliches Flächenarray wie in 4A,
jedoch erfolgt die Auswahl der aktivierten Array-Lautsprecher zur
Generierung der fokussierten Quellen nach Maßgabe zusätzlicher
Parameter;
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5B die
gleiche Anordnung wie in 5A, jedoch
in Frontalansicht, wobei die Auswahl der aktivierten Array-Lautsprecher
so erfolgt, dass sich die fokussierten Quellen weitgehend in einer
geraden Linie zwischen Lautsprechern und Ohren befinden;
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5C die
gleiche Anordnung wie in 5B, jedoch
mit geändertem Abstand zwischen Kopf und Arrayfläche;
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5D die
gleiche Anordnung wie in 5B, jedoch
mit seitlicher Kopfneigung;
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6A ein
kreisförmiges Lautsprecher-Array mit konzentrischer Kopfposition,
so dass die Positionen aller Fokusquellen auf einem Kreis liegen. Die
kreisförmigen Balken markieren den Bereich der aktivierten
Lautsprecher (Taperingwinkel), die Sättigung deutet die
Abschwächung des Signalpegels an den Rändern der
Taperingbereiche an;
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6B die
gleiche Anordnung wie in 6A in
Frontalansicht dar und zeigt, dass sich die Fokuspunkte für
jeden Drehwinkel annähernd in einer Linie zwischen Lautsprecher-Array
und Ohreingang befinden (=);
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7A das
gleiche Lautsprecher-Array wie in 6A, jedoch
mit exzentrischer Kopfposition, so dass bei Kopfdrehungen die Fokusquellen-Positionen
auf einem exzentrischen Kreis liegen;
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7B die
gleiche Anordnung wie in 7A in
Frontalansicht dar und zeigt, dass die Maßgabe = prinzipiell
nicht exakt eingehalten werden kann;
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8A das
gleiche Lautsprecher-Array und die gleiche Auslegung des Taperingbereichs
wie in 6A, welche bei exzentrischer
Anordnung ungünstig ist;
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8B die
gleiche Anordnung wie in 8A, jedoch
mit dynamisch angepasster Auslegung des Taperingbereichs.
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Beschreibung der Lösung
und Ausgestaltungen
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren werden von einem
Headtracker die Position und die Ausrichtung des Kopfes im Raum
vollständig erfasst. Es ist zweckmäßig,
hierfür ein geeignetes Koordinatensystem zu definieren,
in dem die drei Freiheitsgrade der Translation (bezeichnet als x-,
y- und z-Koordinaten) und die drei Freiheitsgrade der Rotation (bezeichnet
als Azimut, Elevation und Roll) ermittelt werden. Dazu kann jede
beliebige Head-Tracking-Technologie eingesetzt werden, sofern sie
die Headtracker-Daten in ausreichender Genauigkeit und Schnelligkeit
liefert. Die Auswertung des kompletten Datensatzes der Headtracker-Daten
ermöglicht es, die fokussierten Schallquellen bei sämtlichen
Kopfbewegungen – nicht nur bei Kopfdrehungen – hinreichend
konstant zu halten, sowohl in Bezug auf die Positionen relativ zu
den Ohren des Hörers als auch hinsichtlicht ihrer Eigenschaften
(Fokussiertheit, Verzögerung („delay"), Schallpegel,
Frequenzgang). Wie auch aus 3 unmittelbar
ersichtlich wird, kann die HRTF-Invers-Filterung das theoretisch
gewünschte Ergebnis der Gesamt-Übertragungsfunktion
gleich 1(L' = L und R' = R) nur unter der Vorraussetzung liefern,
dass die anstelle von realen Lautsprechern eingesetzten fokussierten
Schallquellen für alle Ausrichtungen und Positionen des
Kopfes den Übertragungsfaktor 1 beibehalten. Notwendig
sind deshalb die folgenden Maßnahmen:
- 1)
Berechnung der momentanen Soll-Position für jede beteiligte
fokussierte Quelle (Fokuspunkt) aufgrund der Headtracker-Daten.
- 2) Basierend auf 1) Berechnung der geometrischen Beziehungen
zwischen Fokuspunkt und den einzelnen an der Bildung der fokussierten Quelle
beteiligten Lautsprechern des Lautsprecherarrays (für alle
fokussierten Schallquellen)
- 3) Basierend auf 2) Berechnung der Abstände und entsprechende
Steuerung der individuellen Verzögerungen für
jedes einzelne Lautsprechersignal des Lautsprecherarrays, so dass
die Schallwellen aus allen Lautsprechern gleichzeitig am jeweiligen
Fokuspunkt eintreffen und dort die fokussierte Quelle ausbilden.
Bei schnellen Bewegungen können durch die Anpassung der
Verzögerungszeiten sprunghafte Änderungen in den
Lautsprechersignalen entstehen, die zu hörbaren Artefakten
(Knacken) führen. Daher wird bei jeder Neuberechnung der
Verzögerungswerte für die Lautsprechersignale
die Differenz zwischen alter und neuer Verzögerung berücksichtigt
und gegebenenfalls eine schrittweise Anpassung vorgenommen. So wird
die Bildung von hörbaren Artefakten vermieden
- 4) Basierend auf 2) Anpassung der individuellen Pegel für
jedes einzelne Lautsprechersignal des Lautsprecherarrays, dahingehend,
dass berücksichtigt wird, dass der Schalldruckpegel mit
steigender Entfernung zwischen Lautsprecher-Array und fokussierter
Quelle abnimmt.
- 5) Basierend auf 2) Entzerrung der individuellen Frequenzgangs
für jeden einzelnen Lautsprecher des Lautsprecherarrays,
dahingehend, dass die Fokuspunkt-spezifische Wirkung der Abstrahlcharakteristik
jedes Lautsprechers ausgeglichen wird. Dazu wird beispielsweise
für jeden einzelnen Array-Lautsprecher die Richtcharakteristik
im relevanten Abstrahlwinkelbereich gemessen und als Datensatz abgelegt.
Für die Entzerrung wird daraus die für den aktuellen
Fokuspunkt passende Frequenzgangkorrektur gewonnen.
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Diese
Anpassungen gewährleisten nicht nur einen erweiterten Bewegungsradius
des Hörers in der Horizontalebene, sondern auch in vertikaler
Richtung. Die Höhe des Kopfes ist in bestimmten Grenzen
beliebig, und das Lautsprecherarray kann in einem wählbaren
Abstand oberhalb des Kopfes angebracht werden (Anspruch 6). Ferner
ergibt sich ein erhöhter Freiheitsgrad bei der Konstruktion
des Lautsprecher-Arrays. Die für die Wellenfeldsynthese
benötigten Lautsprecher müssen nicht möglichst
symmetrisch zur Kopfachse oberhalb des Kopfes angeordnet sein, sondern
können sich auch längs einer oder mehrerer, gerader
oder gekrümmter, offener oder geschlossener Linien befinden,
sowie in ebenen oder gekrümmten Flächen (Ansprüche
7 und 8). Die Wahl der Array-Geometrie kann beispielsweise in Hinblick
auf Minimierung des Anpassungsaufwands erfolgen und/oder in Hinblick
auf Rahmenbedingen, die durch die Anwendung gegeben sind.
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Um
die Genauigkeit der Anpassungen zu erhöhen bzw. den Echtzeit-Rechenaufwand
zu begrenzen, können fertige Filtersätze an verschiedenen Positionen
(„Stützstellen") innerhalb des gewünschten
Bewegungsbereiches eingemessen und vorberechnet werden. Anhand der
Headtracker-Daten wird der passende Filtersatz einer dieser Stützstellen
ausgewählt. Bei Bedarf kann eine zu große Abweichung von
dieser Stützstelle mit geeigneter Interpolation der Daten
benachbarter Stützstellen ausgeglichen werden. Dies bietet
sich vor allem bei einer Vergrößerung des Lautsprecherarrays
und dementsprechend einer Erweiterung des Bewegungsbereiches an.
Es bleibt natürlich immer die Möglichkeit, genügend Stützstellen
mit einer entsprechend feinen Rasterung zu berechnen, so dass eine
Interpolation unnötig wird.
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Eine
alternative Ausgestaltung der Erfindung vermeidet die komplexe Anpassung
der Wellenfeldsynthese-Filter an Positionsänderungen des
Kopfes und nutzt die Vorteile einer kopfsymmetrischen Anordnung
der Array-Lautsprecher. Die für die Generierung der fokussierten
Schallquellen zur Verfügung stehenden Lautsprecher oberhalb
des Hörers sind nicht linienförmig angeordnet,
sondern in einer ebenen oder gekrümmten Fläche
verteilt, wobei abhängig vom aktuell gewünschten
Ort der fokussierten Quelle eine Gruppe von Array-Lautsprecher so
ausgewählt wird, dass die geometrischen Verhältnisse zwischen
Fokusquelle und Array-Lautsprechern bei Kopfdrehungen oder horizontalen
Positionsänderungen näherungsweise unverändert
bleiben und die oben beschriebenen Anpassungsmaßnahmen
3) bis 5) entfallen können. Die Headtracker-Daten steuern im
Prinzip also weder die HRTF-Invers-Filterung (1B)
noch die Wellenfeldsynthese-Filter (2A und 2B)
(beide Filtersätze sind statisch (0°) und können
zur Verringerung des baulichen Aufwandes zusammengefasst werden),
sondern steuern eine weich schaltende dynamische Lautsprecher-Auswahl-Matrix.
Die 4A, 4B und 4C zeigen beispielhaft
in der Draufsicht eine mit einer Vielzahl von Array-Lautsprechern
bestückte Fläche, wobei die Array-Lautsprecher
situationsabhängig von einer nicht gezeigten Lautsprecher-Auswahl-Matrix
aktiviert werden. Die für die linke (grau dargestellte)
fokussierte Schallquelle aktivierten Lautsprecher sind grau markiert
und entsprechende schwarze Lautsprecher-Markierungen befinden sich
für die rechte fokussierte Schallquelle bzw. Kopfseite.
Man erkennt in den 4A, 4B und 4C,
dass die aktivierten Lautsprecher des Lautsprecherarrays nahezu stets
auf einem eingezeichneten Kreis liegen und symmetrisch zum Kopf
des Hörers angeordnet sind.
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Die
freie Wahl der Geometrie der Array-Lautsprecher erlaubt es darüber
hinaus, dass die Lautsprecher vorteilhaft hinsichtlich optimaler
Generierung der fokussierten Schallquellen aktiviert werden können. 5A zeigt
beispielhaft in der Draufsicht auf das Lautsprecherfeld zwei aktivierte,
flächige Lautsprecherarrays, und zwar eines für
die linke (grau dargestellte) und eines für die rechte
(schwarz dargestellte) fokussierte Schallquelle. Diese geometrischen
Verhältnisse relativ zu den Fokusorten können
bei Kopfdrehungen und horizontalen Positionsänderungen
ausreichend stabil gehalten werden, wenn die Lautsprecherabstände
entsprechend klein sind. Hinsichtlich Änderungen der Höhe
(Abstände zwischen Fokuspunkten und Array-Ebene) sind die Verhältnisse
in 5B, C, D dargestellt. Gefordert ist einerseits
die Einhaltung der Elevation einer fokussierten Quelle relativ zur
gestrichelte eingezeichneten Ebene der Ohreingänge, andererseits
muss sich jede fokussierte Schallquelle näherungsweise
in gerader Linie zwischen dem Lautsprecher-Array und dem zugeordneten
Ohreingang befinden. Dies lässt sich hinreichend genau
einhalten, indem in geeigneter Weise die Verzögerungen
in den Lautsprecher-Signalwegen gesteuert und die jeweils aktivierten
Lautsprecher ausgewählt werden. 5C zeigt
die Verhältnisse bei vertikaler Positionsänderung
des Kopfes (Pfeil) von einer oberen gestrichelten Ohrebene zu einer
tiefer liegenden Ohrebene, 5D bei schräg
gehaltenem Kopf. Die freie Wahl der Geometrie des Lautsprecherarrays
verbessert die Möglichkeiten, den Abstrahlwinkel der Lautsprecher
mit dem Elevationswinkel der fokussierten Schallquellen in Übereinstimmung
zu bringen. Die weitgehend konstanten Abstrahlwinkel bewirken zudem,
dass Einflüsse der Richtcharakteristiken der Lautsprecher vernachlässigbar
und Anpassungen des Frequenzgangs und Pegels nicht notwendig sind.
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Wie
bereits oben deutlich gemacht, betreffen die Anpassungen im Prinzip
allein die Nachführung der fokussierten Schallquellen,
dergestalt, dass bei allen Kopfbewegungen ihre Positionen relativ
zu den Ohren des Hörers ebenso wie ihre Eigenschaften hinsichtlich
Fokussiertheit, Delay, Schallpegel und Frequenzgang konstant bleiben.
Etwaige Abweichungen würden bewirken, dass für
die Kopfhörer-Übertragungsfunktion gemäß 3 der
Wert 1(L = L' und R = R') nur entsprechend ungenau eingehalten werden
kann. Die kompensierende Wirkung der eingesetzten HRTF-Invers-Filterung
wird beeinträchtigt und dementsprechend die notwendigen Übersprechdämpfungen
und die geforderten linearen Übertragungsmaße
des virtuellen Kopfhörers (Diffusfeldentzerrung gemäß Recommendation
ITU-R BS.708). Die Einhaltung des linearen Diffusfeldübertragungsmaßes
lässt sich problemlos überprüfen, indem
anstelle des Hörers ein diffusfeldentzerrter Kunstkopf
eingesetzt wird, wobei dessen Headtracker-Daten über Ausrichtung
und Position erfindungsgemäß ausgewertet werden.
Die Grundlagen dazu sind zu finden in [Schröter,
J.; Spikofski, G.; Theile, G.: „Messung des Diffusfeldübertragungsmaßes
von Kopfhörern am Kunstkopf". Acustica Vol. 60, 1986, S.
105–116]; allerdings spielen hier in vorteilhafter
Weise die Probleme einer akustisch korrekten Ankopplung von Kopfhörer
und Messkunstkopf keine Rolle.
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Ausführungsbeispiel
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Nähere
Erlauterungen der Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen sollen
anhand von Ausführungsbeispielen nach den 6A, 6B, 7A, 7B, 8A und 8B mit
jeweils einem kreisförmigem Array aus 22 Lautsprechern
erfolgen. Dieses kreisförmige Lautsprecherarray ist, wie
die 6B und 7B zeigen,
in einem wählbaren Abstand oberhalb des Hörers
angeordnet.
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Die
HRTF-Invers-Filter (1A und 1B) und
die Wellenfeldsynthese-Filter (2A und 2B)
mit ihren WFS-Driving-Funktionen werden in einem Filtersatz baulich
zusammengefasst und nachfolgend „Array-Filter" genannt.
Die statische 0°-HRTF-Invers-Filterung gemäß 3 geschieht auf
der Grundlage von acht fokussierten Schallquellen (verteilt auf
einem Kreis in Kopfnähe) und der Maßgabe, dass
die Gesamtübertragungsfunktionen für beide Ohren
den Wert 1(L = L' und R = R') annehmen. Die Filtersätze
der WFS-Driving-Funktionen (sie legen für jeden Array-Lautsprecher
die benötigte Signalverzögerung und Signalpegel-Anpassung
fest) werden in 1°-Schritten für jede der 8 Fokusquellen berechnet,
basierend auf den geometrischen Daten.
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Die 6A und 6B zeigen
die zugrunde gelegten geometrischen Verhältnisse zunächst
nur für den Fall, dass Drehungen des Kopfes unterhalb des
Mittelpunktes des kreisförmigen Lautsprecherarrys ohne
seitliche Positionsänderungen des Kopfes angenommen werden.
Die Positionen aller fokussierten Schallquellen (dick eingezeichnete
Punkte) liegen auf einem Kreis (gestrichelt in 6A angedeutet
für zwei eingetragene fokussierte Schallquellen). Für
jede der acht fokussierten Schallquellen wird die Position (im Array-Koordinatensystem)
für eine 360°-Drehung des Kopfes in 1°-Schritten
berechnet. Nach Maßgabe eines definierten „Taperingwinkels" wird
festgelegt, welche Array-Lautsprecher in Abhängigkeit vom
Drehwinkel jeweils für die Synthese der fokussierten Schallquelle
aktiviert werden. Die Sättigung der Lautsprechersymbole
in dem rechten, grauen und des linken, schwarzen kreissegmentförmigen Balken
von 6A deutet die Abschwächung des Signalpegels
an den Rändern der Taperingzonen an; Lautsprecher außerhalb
dieses Winkelbereichs leisten keinen Beitrag zur Synthese der individuellen
fokussierten Schallquelle. Die Maßgabe, dass sich die Positionen
der fokussierten Schallquellen annähernd auf einer Linie
zwischen dem Lautsprecher-Array und dem betreffenden Ohreingang
befinden, ist hinsichtlich der Elevation für jeden Drehwinkel
erfüllt (6B, =).
-
Um
auch translatorische Bewegungen des Kopfes zu ermöglichen,
müssen die Parameter für die Steuerung der Filtersätze
der WFS-Driving-Funktionen an die geometrischen Veränderungen
angepasst werden. 7A zeigt eine translatorische
Bewegung des Kopfes längs der x-Achse, welche entsprechende Änderungen
aller geometrischen Parameter zur Folge hat. 7B zeigt,
dass besonders die fokussierten Schallquellen am Rande der Hörzone
sich nicht mehr auf einer gedachten Linie zwischen dem Lautsprecherarray
und dem betreffenden Ohreingang befinden, da die Stabilität
der Fokusquellenpositionen relativ zum Kopf eingehalten werden soll
(= konstant). Die daraus resultierenden Fehler manifestieren sich
in leichten Verschiebungen der Aliasfrequenz, können aber
zugunsten der Stabilität der Positionen der fokussierten
Schalquellen bis zu einem bestimmten Grade in Kauf genommen werden.
Aus dieser Abschätzung resultiert der maximale Radius der
Hörzone, d. h., der Zone, in der sich der Kopf befinden
muss.
-
Bei
translatorischen Bewegungen in der Horizontalebene geht der Vorteil
einer kreissymmetrischen Anordnung verloren; die geometrischen Verhältnisse
hinsichtlich Elevation, Azimut und Entfernung der Array-Lautsprecher
zu den Fokuspunkten bleiben bei Drehungen nicht mehr unverändert.
Bei der Anpassung der Positionen der fokussierten Schallquellen
wird daher eine komplette dynamische Neuberechnung der Delays und
Pegelanpassungen für jeden Lautsprecher durchgeführt,
ebenso der Auslegung der Taperingbereiche. 8 zeigt
den Unterschied zwischen Beibehaltung (8A) und Neuberechnung
(8B) des Taperings anhand des Schwärzungsgrades
der linken und rechten kreissegmentförmigen Balken; eingetragen
sind auch die Hörzonen. Durch eine Neuberechnung ist eine
veränderte Anzahl von Lautsprechern an der Synthese der
im Beispiel eingezeichneten fokussierten Schallquellen beteiligt,
woraus sich eine Veränderung der Richtcharakteristik der
fokussierten Schallquelle ergibt.
-
Zur
Realisierung der dynamischen Nachführung der fokussierten
Schallquellen werden auf Grundlage der Headtracker-Daten in Echtzeit
zunächst die resultierenden Positionen der fokussierten Schallquellen
ermittelt und anschließend die Parameter für die
Signalverarbeitung (Delay, Pegel und Entzerrung) für alle
Lautsprecher pro fokussierter Schallquelle berechnet. Dies setzt
eine hohe Prozessorleistung voraus, bei 22 Array-Lautsprechern und
8 fokussierten Schallquellen werden 22 × 8 = 176 Audiosignale
gleichzeitig verarbeitet.
-
Um
die hohe notwendige Prozessorleistung zu reduzieren, können
alle erforderlichen WFS-Driving-Funktionen für diskrete
Stützstellen vorberechnet und abgespeichert werden, derart,
dass die Filtersätze alle zu berücksichtigenden
Parameter für die Lautsprechersignalbearbeitung beinhalten,
wobei allerdings die Auflösung der Diskretisierung ausreichend
hoch sein muss. Bei einer Rasterung mit 1°/1 cm entstehen
bei einer Hörzone mit 30 cm Radius 2827 Stützstellen
für die 2827 × 360 = 1 017 720 Filtersätze,
die berechnet werden müssen. Der Vorteil ist, dass das
Eingangsignal mit einem einzigen Filtersatz verarbeitet wird und
am Ende (im betrachteten Beispielsfall von 22 Array-Lautsprechern)
22 Audiosignale ausgegeben werden, wodurch die erforderliche Prozessorleistung
wesentlich kleiner ist als bei Echtzeit-Filterberechnung. Der Nachteil
liegt hier offensichtlich in der hohen Datenmenge die im Arbeitsspeicher
dieses Ausführungsbeispiels zur Verfügung stehen
muss. Er lässt sich reduzieren, indem eine kleinere Auflösung
der Diskretisierung gewählt und in einer geeigneten Weise
interpoliert wird.
-
Eine
geeignete Kombination der beiden Ausführungsformen ermöglicht
praktikable Anforderungen an Prozessor und Arbeitsspeicher.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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