DE102008004674A1 - Signal recording with variable directional characteristics - Google Patents
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Abstract
Ein Signalprozessor dient zum Erzeugen eines Substitutionssignals (10) mit vorbestimmter räumlicher Richtcharakteristik unter Verwendung eines ersten Signals (8a) mit bekannter räumlicher Richtcharakteristik und eines zweiten Signals (8b) mit bekannter räumlicher Richtcharakteristik. Das erste Signal und das zweite Signal werden in eine spektrale Darstellung umgesetzt. Im Signalprozessor werden die spektralen Darstellungen des ersten Signals und des zweiten Signals gemäß einer Kombinationsregel kombiniert, um Amplitudenparameter einer spektralen Darstellung des Substitutionssignals mit vorbestimmter Richtcharakteristik (10) zu erhalten. Gemäß der Kombinationsregel werden die Absolutbeträge von Amplitudenparametern der spektralen Darstellungen des ersten Signals und des zweiten Signals kombiniert, sodass die vorbestimmte Richtcharakteristik sich von der Richtcharakteristik des ersten (8a) und des zweiten (8b) Signals unterscheidet.A signal processor is used to generate a substitution signal (10) having a predetermined spatial directional characteristic using a first signal (8a) having a known spatial directional characteristic and a second signal (8b) having a known spatial directional characteristic. The first signal and the second signal are converted into a spectral representation. In the signal processor, the spectral representations of the first signal and the second signal are combined according to a combination rule to obtain amplitude parameters of a spectral representation of the substitution signal having a predetermined directivity (10). According to the combination rule, the absolute amounts of amplitude parameters of the spectral representations of the first signal and the second signal are combined so that the predetermined directivity differs from the directivity of the first (8a) and second (8b) signals.
Description
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Aufnahme von Signalen, wie beispielsweise Audiosignalen, und insbesondere damit, wie aus mit bekannter Richtcharakteristik aufgezeichneten Signalen ein Substitutionssignal abgeleitet werden kann, das eine davon abweichende Richtcharakteristik aufweist, um eine räumliche Charakteristik eines den Raum ausfüllenden Signals beschreiben zu können.The The present invention is concerned with the recording of signals, such as audio signals, and more particularly how, out With known directional characteristics recorded signals a substitution signal can be derived, which deviates from a directional characteristic has a spatial characteristic of the space to be able to describe the filling signal.
Bei Vielkanalaudio-Reproduktionssystemen ist ein Zuhörer von einer Mehrzahl von Lautsprechern umgeben. Das einfachste Mehrkanal-Wiedergabesystem ist ein Stereo-Setup mit zwei Lautsprechern. Ohne zusätzliche künstliche Beeinflussungen des wiederzugebenden Klangs kann ein Stereo-System lediglich solche Tonquellen mit richtiger Ortbarkeit wiedergeben, die sich auf der Linie befinden, die die beiden Lautsprecher des Stereo-Setups verbindet. Klang bzw. ein Signal, das aus anderen Raumrichtungen kommt, kann nicht korrekt wiedergegeben werden, sofern es die räumliche Orientierung anbelangt. Werden mehrere Lautsprecher verwendet, die um den Zuhörer angeordnet sind, können mehrere Raumrichtungen korrekt wiedergegeben werden, woraus sich ein natürlicherer räumlicher Klangeindruck für den Zuhörer ergeben kann. Das bekannteste solcher Mehrkanal-Lautsprechersysteme bzw. Layouts ist das standardisierte 5.1-Wiedergabe-Setup (ITU-R 7754-1), das aus fünf Lautsprechern besteht, die in Winkeln von 0°, +30° und + 110° relativ zur Abhörposition angeordnet sind. Darüber hinaus wurden eine Reihe weiterer Wiedergabe-Setups mit unterschiedlichen Anzahlen von Lautsprechern an unterschiedlichen Positionen vorgeschlagen bzw. verwendet.at Multi-channel audio reproduction systems is a listener of surrounded by a plurality of speakers. The simplest multi-channel playback system is a stereo setup with two speakers. Without additional artificial influences on the sound to be reproduced a stereo system can only provide such sound sources with proper Reproduce locators that are on the line that the connects two speakers of the stereo setup. Sound or a Signal coming from other directions may not be correct provided that it is the spatial orientation As. Are multiple speakers used around the listener are arranged, several spatial directions can be correct be reproduced, resulting in a more natural spatial Sound impression for the listener may result. The best known of such multi-channel speaker systems or layouts the standardized 5.1 playback setup (ITU-R 7754-1) that out consists of five loudspeakers operating at angles of 0 °, + 30 ° and + 110 ° relative to the listening position are arranged. In addition, a number of others Playback setups with different numbers of speakers proposed or used at different positions.
Um Klang räumlich richtig verteilt wiedergeben zu können, ist es zunächst erforderlich, den Klang so aufzunehmen, dass die Raumrichtung der einzelnen Klangquellen erhalten bleibt bzw. reproduziert werden kann. Dies kann zum einen dadurch geschehen, dass bereits nach oder während der Aufnahme die aufgenommenen Signale so abgemischt werden, dass für jeden der fünf Wiedergabelautsprecher des ITU-Systems ein Audiokanal erzeugt wird, der bei der Wiedergabe dem entsprechenden Lautsprecher zugeordnet wird.Around To be able to reproduce sound spatially correctly distributed, It is first necessary to record the sound so that the spatial direction of the individual sound sources is maintained or can be reproduced. This can be done by that already after or during the recording the recorded Signals are mixed so that for each of the five Playback speaker of the ITU system an audio channel is generated assigned to the corresponding speaker during playback becomes.
In
jüngerer Vergangenheit wurde eine andere, effiziente Art
des Aufnehmens von räumlichen Audiosignalen vorgeschlagen,
mit der es ermöglicht wird, den räumlichen Eindruck,
der bei der Aufnahme vorherrschte, mit unterschiedlichen Lautsprechersystemen,
deren relative geometrische Ausrichtung a priori nicht bekannt sein
muss, wiederzugeben. Dieses Verfahren wird als DirAC (
In dem DirAC-Szenario wird das Audiosignal mit einem omnidirektionalen Mikrofon (W) und mit einem Satz von Mikrofonen aufgezeichnet, die es ermöglichen, sowohl einen Intensitätsvektor des Klangfeldes zu bestimmen als auch die Diffusität („diffuseness") desselben.In The DirAC scenario is the audio signal with an omnidirectional Microphone (W) and recorded with a set of microphones that allow both an intensity vector to determine the sound field as well as the diffuse ("diffuseness") thereof.
Der
Intensitätsvektor bezeichnet dabei die Richtung, aus der
der aufgenommene Klang mit maximaler Energie zum aufgenommenen Signal
beiträgt. Die Diffusität beschreibt in Form eines
Parameters die Gleichmäßigkeit des räumlichen
Klang eindrucks. Wird der Klang mit identischer Intensität
aus allen Richtungen wahrgenommen, ist ein Fall maximaler Diffusität
erreicht. Minimale Diffusität herrscht hingegen, wenn der Klang
lediglich von einer einzigen Schallquelle aus einer genau definierten
Richtung wahrgenommen bzw. aufgezeichnet wird. Nach der DirAC-Analyse
zeigt auch der Intensitätsvektor in diese Richtung. Eine
Möglichkeit ein Signal so aufzuzeichnen besteht darin,
drei Mikrofone (X, Y, Z) mit „hanteiförmiger"
Richtcharakteristik zu verwenden, die so ausgerichtet sind, dass
deren maximale Richtwirkung parallel zu den Achsen eines kartesischen
Koordinatensystems verläuft (siehe beispielsweise: Craven
G. and Gerzon M. „Coincident microphone simulation covering
three dimensional space and yielding various directional outputs".
Eine Möglichkeit, die Signale W, X, Y und Z zu erhalten, ist, ein sogenanntes „Soundfield"-Mikrofon zu verwenden, das unmittelbar sämtliche dieser Signale erzeugt. Die Signale W, X, Y und Z können alternativ auch mit einer Mehrzahl von omnidirektionalen Mikrofonen bestimmt werden, die an unterschiedlichen Orten im 3-dimensionalen Raum angeordnet sind, wie beispielsweise an den Ecken eines Oktaeders. Aus zwei räumlich voneinander getrennten omnidirektionalen Mikrofonen kann ein virtuelles Mikrofon mit einer Richtcharakteristik, deren Maximum in Richtung der Verbindungslinie zwischen den beiden omnidirektionalen Mikrofonen zeigt, gebildet werden, indem die Signale der beiden Mikrofone voneinander subtrahiert werden.One way to obtain the signals W, X, Y and Z is to use a so-called "soundfield" microphone use that directly generates all of these signals. The signals W, X, Y and Z may alternatively be determined with a plurality of omnidirectional microphones located at different locations in 3-dimensional space, such as at the corners of an octahedron. From two spatially separated omnidirectional microphones, a virtual microphone with a directional characteristic, the maximum points in the direction of the connecting line between the two omnidirectional microphones, are formed by the signals of the two microphones are subtracted from each other.
Es gibt jedoch eine Vielzahl von Anwendungen, in denen es nicht möglich ist, die Mikrofone in drei Dimensionen im Raum anzuordnen. Beispielsweise kann es lediglich möglich sein, die Mikrofone in vorbestimmter Orientierung auf der Oberfläche einer Ebene anzuordnen. Ferner kann es zur Kostenreduktion erforderlich sein, die Anzahl der Mikrofone, die zur Aufnahme eines räumlichen Signals verwendet werden, zu reduzieren. Dies kann dazu führen, dass die Anzahl der Mikrofone geringer ist als dies eigentlich für die Aufnahme eines Signals mit den Komponenten W, X, Y und Z erforderlich wäre. Soll in einem solchen Szenario ein virtuelles Tonsignal erzeugt werden, das eine vorbestimmte Richtcharakteristik hat, die nicht durch physikalisch vorhandene Mikrofone erzeugt wird, muss das Signal durch geeignete Kombination der Signale existierender Mikrofone erzeugt werden.It However, there are a variety of applications where it is not possible is to arrange the microphones in three dimensions in space. For example it may only be possible, the microphones in a predetermined Orientation on the surface of a plane to arrange. Furthermore, it may be necessary to reduce costs, the number of the microphones used to record a spatial signal used to reduce. This can cause that the number of microphones is lower than that actually for the inclusion of a signal with the components W, X, Y and Z required would. Should be in such a scenario, a virtual sound signal be generated, which has a predetermined directional characteristic, the is not generated by physically existing microphones must the signal by appropriate combination of existing signals Microphones are generated.
Werden auf diese Art und Weise für sämtliche relevanten fehlenden Raumrichtungen Signale mit einer in die entsprechende Raumrichtung zeigende Richtcharakteristik erzeugt, kann beispielsweise der DirAC Algorithmus weiterhin erfolgreich angewendet werden, um ein räumliches Audiosignal aufzuzeichnen. Als Beispiel für die Klangaufnahme mag dabei eine normalerweise relative flache Tischmikrophonanordnung dienen. Verallgemeinernd kann dies mit einem Fall gleichgesetzt werden, in dem die Anordnung von Mikrofonen auf eine Ebene beschränkt ist. Werden omnidirektionale Mikrofone verwendet, können in einer solchen Anordnung lediglich Mikrofonsignale mit Richtcharakteristik in x- und in y-Richtung innerhalb der Ebene durch Messung erzeugt werden. Ein weiteres Mikrofon mag beispielsweise im Zentrum einer rechteckigen Anordnung von omnidirektionalen Signalen angeordnet sein, um ein omnidirektionales Signal W aufzuzeichnen. Um aus den aufgezeichneten Signalen beispielsweise einen Sprecher, der in senkrechter Richtung vor dem Display sitzt bzw. vor der Ebene befindlich ist, lokalisieren zu können bzw. das Signal des Sprechers geeignet verstärken zu können, ist es erforderlich, ein Signal zu er zeugen, das eine Richtwirkung in z-Richtung besitzt, dessen maximale Signalenergie also aus der z-Richtung kommt. Um ein solches Signal zu erzeugen, können lediglich die Signale der übrigen vier bzw. fünf Mikrofone verwendet werden. Die Subtraktion zweier Mikrofonsignale, analog zur Erzeugung der x- bzw. y-gerichteten virtuellen Mikrofonsignale kommt nicht in Betracht, da sich alle verwendeten Mikrofone bezüglich ihrer Z-Koordinate nicht unterscheiden.Become in this way for all relevant missing spatial directions signals with one in the corresponding Directional direction showing directionally generated, for example The DirAC algorithm continues to be successfully applied to to record a spatial audio signal. As an an example for the sound recording like a normally relative flat table microphone arrangement serve. Generalizing this can be be equated with a case in which the arrangement of microphones is limited to one level. Become omnidirectional Microphones used in such an arrangement can only Directional microphone signals in the x and y directions generated within the plane by measurement. Another microphone For example, in the center of a rectangular array of omnidirectional Signals are arranged to record an omnidirectional signal W. For example, from the recorded signals a speaker, which sits in the vertical direction in front of the display or in front of the plane is located to be able to locate or the signal to amplify the speaker appropriately is it is necessary to produce a signal that has a directivity in Z direction has its maximum signal energy thus from the z direction comes. To generate such a signal, only the signals of the remaining four or five microphones be used. The subtraction of two microphone signals, analogous to Generation of the x- or y-directed virtual microphone signals comes not considered, since all microphones used with respect their Z coordinate does not differ.
Mittels
bekannten „beam forming"-Techniken kann bei Verwendung
eines planaren Mikrofon-Arrays bzw. einer in einer Ebene angeordneten
Mikrofon-Matrix ein Signal mit einer Richtcharakteristik erzeugt
werden, welche ein Maximum in z-Richtung hat. Beam-forming wird
unter anderem auch bei WLAN Antennen verwendet. Dabei werden beispielsweise
sogenannte „Filter-and-sum-beam-former" (siehe beispielsweise:
Mittels dieser Verfahren ist es jedoch nicht möglich, ein Signal mit einer Richtcharakteristik eines Dipols in z-Richtung zu erzeugen, wenn als signalgebende Mikrofone bzw. Detektoren ein Mikrofon-Array in der x- und y-Ebene zur Verfügung steht. Für Verfahren wie den DirAC Algorithmus, die darauf angewiesen sind, dass die Eingangssignale dipol artige Richtcharakteristika aufweisen, sind diese bekannten Beam-Forming-Verfahren also nicht anwendbar.through However, this method does not allow a signal with a directional characteristic of a dipole in the z-direction, if as a signaling microphones or detectors a microphone array in the x and y plane is available. For Methods such as the DirAC algorithm that rely on that the input signals have dipole-like directional characteristics, So these known beam-forming methods are not applicable.
Ferner sind einfache Beam-Forming-Verfahren, bei denen Signale unterschiedlicher Detektoren bzw. Mikrofone mit einer raumrichtungsabhängigen Phasenverschiebung aufaddiert werden, nicht geeignet, eine Richtcharakteristik für Signale zu erzeugen, deren Bandbreite so groß ist, dass der Phasenunterschied für unterschiedliche Frequenzen des aufzunehmenden bzw. zu detektierenden Signals allein aufgrund der unterschiedlichen Wellenlänge und des geometrischen Abstands der verwendeten Detektoren bzw. Mikrofone innerhalb der zu detektierenden Bandbreite mehr als 360° beträgt. Würde ein Verfahren konstanter phasenverschobener Überlagerung auf ein solches Signal angewendet werden, käme es unweigerlich innerhalb der aufzunehmenden Bandbreite zu Verstärkungen und auch zu Auslöschungen. Von einer einheitlichen Richtcharakteristik für den Detektor kann dann nicht mehr gesprochen werden. Bei WLAN-Frequenzen von beispielsweise 5,15 GHz bis 5,725 GHz ergibt sich diese Problematik nicht, da aufgrund der vergleichsweise geringen Bandbreite der einzelnen Kanäle (für WLAN 802.11a beispielsweise 0,03 GHz) bei konstanter Phasenverschiebung für sämtliche nachzuweisenden Frequenzen eine konstruktive Interferenz erreicht werden kann. Werden jedoch breitbandige HF-Signale oder Audio-Signale aufgenommen, ist das Anwenden einer konstanten Phasenverschiebung mit Summation der Signale nicht mehr praktikabel. Sollen Audisignale von 20 Hz bis 20 kHz aufgenommen werden, ändern sich die Wellenlängen von etwa 15 m bis zu 1,5 cm, so dass bei üblichen geometrischen Dimensionen (beispielsweise bei einem Abstand von benachbarten Mikrofonen von einigen cm) von einer konstanten Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Mikrofonen für alle nachzuweisenden Frequenzen nicht mehr die Rede sein kann.Furthermore, simple beam-forming methods in which signals of different detectors or microphones are added with a spatially directional phase shift, not suitable to produce a directional characteristic for signals whose bandwidth is so large that the phase difference for different frequencies of the male or signal to be detected is more than 360 ° only due to the different wavelength and the geometric distance of the detectors or microphones used within the bandwidth to be detected. If a method of constant phase-shifted superimposition were applied to such a signal, it would inevitably be within increasing bandwidth to reinforcements and also to extinctions. From a uniform directional characteristic for the detector can then no longer be spoken. For WLAN frequencies of, for example, 5.15 GHz to 5.725 GHz, this problem does not arise because due to the comparatively small bandwidth of the individual channels (for WLAN 802.11a, for example 0.03 GHz) with constant phase shift for all frequencies to be detected reaches a constructive interference can be. However, when recording broadband RF signals or audio signals, applying a constant phase shift with summation of the signals is no longer feasible. If audio signals from 20 Hz to 20 kHz are to be recorded, the wavelengths change from about 15 m to 1.5 cm, so that with usual geometric dimensions (for example, with a distance of adjacent microphones of a few cm) from a constant phase shift between the single microphones for all detected frequencies can no longer be talked about.
Ähnliche Überlegungen lassen sich im zwei-dimensionalen Fall anstellen, wie er beispielsweise in Telekommunikations-Anwendungen auftreten kann. Dort kann es ausreichend sein, die akustische Umgebung lediglich innerhalb einer 2-dimensionalen Ebene zu modellieren bzw. zu erfassen. Dies kann ausreichend sein, wenn lediglich eine ebene Lautsprecherkonfiguration zur Wiedergabe verwendet werden soll. Nimmt man an, dass die Ebene durch die X- und die Y-Achse aufgespannt wird, ist es ausreichend, ein omnidirektionales Signal W, das X- und das Y-Signal aufzuzeichnen, was beispielsweise mittels eines Mikrofon-Arrays von vier Mikrofonen, die an jeweils den Ecken eines Quadrats angeordnet sind, erreicht werden kann.Similar considerations can be done in a two-dimensional case, as he, for example can occur in telecommunications applications. It may be sufficient there the acoustic environment only within a 2-dimensional Level to model or capture. This may be enough if only a level speaker configuration used for playback shall be. Assuming that the plane is through the X and Y axes it is sufficient, an omnidirectional signal W, the X and the Y signal record, which for example by means of a microphone array of four microphones, each at the corners a square arranged can be achieved.
Jedoch ist es in der Praxis oft nicht einmal möglich, Mikrofone in zwei Dimensionen anzubringen, beispielsweise wenn die Mikrofone auf dem oberen Rahmen eines Laptop-Displays angeordnet werden sollen. In diesem Fall können lediglich lineare Mikrofon-Arrays verwendet werden, d. h. alle Mikrofone sind auf einer Geraden angeordnet. Wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit diese Gerade als X-Richtung innerhalb einer XY-Ebene definiert, können folglich lediglich das omnidirektionale Signal W und das Dipol-Signal X direkt aufgezeichnet werden. Ein typisches Setup könnte aus drei Mikrofonen bestehen, wobei zwei voneinander beabstandete omnidirektionale Mikrofone verwendet werden, um das X-Signal (Dipol-Richtcharakteristik) zu messen und wobei ein zusätzliches, im Zentrum der beiden X-Mikrofone angeordnetes omnidirektionales Mikrofon dazu verwendet wird, das omnidirektionale Signal W zu messen. Selbst wenn es ausreichend sein sollte, die Klanganalyse lediglich in der XY-Ebene durchzuführen, ist es in einem solchen Szenario erforderlich, ein Signal mit Richtcharakteristik in Y-Richtung zu bestimmen bzw. zu errechnen. Im Fall einer darauffolgenden DirAC-Analyse muss dieses Signal darüber hinaus die vorausgesetzte Dipol-Richtcharakteristik aufweisen. Ebenso wie im Vorhergehenden 3-dimensionalen Fall diskutiert, kann ein Signal mit einer Richtcharakteristik in V-Richtung mittels herkömmlichen Beam-Forming-Techniken erzeugt werden. Mittels der drei im Vorhergehenden diskutier ten Mikrofone kann jedoch eine solche Richtcharakteristik mit Dipol-Form nicht erzielt werden.however In practice it is often not even possible to use microphones in two dimensions, for example when the microphones to be placed on the top frame of a laptop display. In this case, only linear microphone arrays can be used be used, d. H. All microphones are arranged on a straight line. Without restriction of generality, this line is called Consequently, X-direction defined within an XY plane can only the omnidirectional signal W and the dipole signal X directly to be recorded. A typical setup could be three Microphones consist of two spaced apart omnidirectional Microphones can be used to control the X signal (dipole polar pattern) to measure and being an additional, in the center of the two X-microphones arranged omnidirectional microphone used is to measure the omnidirectional signal W. Even if it is sufficient should be to perform the sound analysis only in the XY plane, In such a scenario, it is necessary to have a signal with directional characteristics in Y-direction to determine or calculate. In the case of a following In addition, DirAC analysis must provide this signal the presupposed Have dipole directional characteristic. As in the previous 3-dimensional case, a signal with a directional characteristic in V-direction using conventional beam-forming techniques be generated. By means of the three discussed above However, microphones can have such a directional characteristic with dipole shape can not be achieved.
Auch
eine unlängst vorgeschlagene Erweiterung des „Filter-and-Sum-Beam-Formings"
(
Durch diese Art der Anpassung der Richtwirkung (Beam-Forming) wird nicht etwa eine vorbestimmte Richtwirkung mit einer in einem großen Raumbereich nicht verschwindenden Verstärkung erzielt, sondern die Richtwirkung wird lediglich so verändert beziehungsweise nachgeführt, dass die Richtung minimaler Empfindlichkeit des Mikrofonarrays der Richtung der aktiven Tonquellen entspricht. Die Erweiterung des Beam-Forming-Algorithmus erlaubt es daher, die Richtung einer Mehrzahl von aktiven Tonquellen abzuschätzen, wohingegen keine Aussage über die Herkunft der maximalen Signalenergie des Audiosignals, also der Intensität des Signals oder der Diffusität des Signals abgeleitet werden kann.By this type of adjustment of the directivity (beam-forming) will not about a predetermined directivity with one in a large Room area does not vanish, but the directivity is merely changed or tracked that the direction of minimum sensitivity of the microphone array corresponds to the direction of the active sound sources. The extension of the beam-forming algorithm therefore allows the Estimate the direction of a plurality of active sound sources, whereas no statement about the origin of the maximum Signal energy of the audio signal, that is the intensity of the signal or the diffusivity of the signal can be derived.
Es ist daher erforderlich, Signale vorbestimmter Richtcharakteristik als Substitutionssignale erzeugen zu können.It is therefore required signals of predetermined directivity to be able to generate as substitution signals.
Diese Aufgabe wird durch einen Signalprozessor gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren gemäß Patentanspruch 19 und ein Computerprogramm gemäß Patentanspruch 20 gelöst.This object is achieved by a signal processor according to claim 1, a method according to Pa tentanspruch 19 and a computer program according to claim 20 solved.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird ein Signal vorbestimmter räumlicher Richtcharakteristik aus einem ersten Signal bekannter räumlicher Richtcharakteristik und einem zweiten Signal bekannter räumlicher Richtcharakteristik erzeugt, indem zunächst das erste und das zweite Signal von einer zeitlichen in eine spektrale Darstellung umgesetzt werden. Die spektralen Darstellungen des ersten Signals und des zweiten Signals werden gemäß einer Kombinationsregel, die von den bekannten Richtcharakteristiken des ersten und des zweiten Signals abhängt, so kombiniert, dass eine spektrale Darstellung eines Signals mit der vorbestimmten räumlichen Richtcharakteristik erhalten wird, welche sich sowohl von der Richtcharakteristik des ersten Signals als auch von der des zweiten Signals unterscheidet. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Richtcharakteristik für alle Spektralbereiche des erzeugten Signals identisch.at In some embodiments of the invention, a signal is generated predetermined spatial directional characteristic of a first signal of known spatial directional characteristic and a second signal of known spatial directional characteristic generated by first the first and the second signal be converted from a temporal into a spectral representation. The spectral representations of the first signal and the second Signals are processed according to a combination rule, that of the known directional characteristics of the first and second Signal depends, so combined that a spectral representation a signal having the predetermined spatial directional characteristic is obtained, which differ both from the directional characteristic of the first signal as well as the second signal. In some embodiments, the directional characteristic is identical for all spectral ranges of the generated signal.
Bei einigen Ausführungsbeispielen werden insbesondere die Amplitudenbeträge der spektralen Darstellungen der Eingangssignale gebildet, bevor diese kombiniert werden, um Amplitudenwerte für das erzeugte Substitutionssignal zu erzeugen.at In some embodiments, in particular, the amplitude amounts the spectral representations of the input signals formed before these are combined to give amplitude values for the substitution signal generated to create.
Die spektrale Darstellung des durch die Kombination erhaltenen Signals kann somit eine Richtcharakteristik aufweisen, die sich von der Richtcharakteristik der aufgenommenen ersten und zweiten Signale unterscheidet, insbesondere eine Richtcharakteristik, deren maximaler Verstärkungsfaktor in eine Raumrichtung weist, die sich von der Raumrichtung der maximalen Sensitivität der Signale bekannter Richtcharakteristik unterscheidet. Durch die Kombination der Signale in deren spektraler Repräsentation kann erreicht werden, dass die Richtcharakteristik für das gesamte resultierende Sig nal in einem identischen Raumbereich gleich ist. Das heißt insbesondere, dass sich für unterschiedliche Frequenzkomponenten des detektieren beziehungsweise zu erzeugenden Signals das Maximum der Sensitivität beziehungsweise der maximale Verstärkungsfaktor der Richtcharakteristik in der selben Raumrichtung befindet. Dies ist selbst dann der Fall, wenn die Bandbreite der aufgenommenen Signale beziehungsweise des zu erzeugenden Signals so groß ist, dass eine Überlagerung der Signale in der zeitlichen Darstellung mit konstanter Phasenverschiebung dazu führen würde, dass sich die maximale Richtwirkung beziehungsweise das Maximum der Richtcharakteristik räumlich innerhalb des Spektralbereichs beziehungsweise der Bandbreite des zu erzeugenden Signal signifikant verändern würde. Durch die Kombination der spektralen Darstellung kann hingegen erreicht werden, dass eine Richtcharakteristik erzeugt wird, die für sämtliche Signalanteile eines breitbandigen Signals im selben Raumbereich beziehungsweise in derselben Raumrichtung ähnlich oder identisch ist.The Spectral representation of the signal obtained by the combination can thus have a directional characteristic, which differs from the Directional characteristic of the recorded first and second signals differs, in particular a directional characteristic whose maximum Amplification factor points in a spatial direction, which is from the spatial direction of the maximum sensitivity of the signals known directivity differs. By the combination the signals in their spectral representation can be achieved be that the directional characteristic for the entire resulting Sig nal in an identical space area is the same. This means in particular, that is different for different frequency components the signal to be detected or generated is the maximum the sensitivity or the maximum amplification factor the directional characteristic is in the same spatial direction. This is even the case when the bandwidth of the recorded Signals or the signal to be generated is so large that a superposition of the signals in the temporal representation with a constant phase shift would cause that is the maximum directivity or the maximum the directional characteristic spatially within the spectral range or the bandwidth of the signal to be generated significantly would change. By combining the spectral Representation can be achieved, however, that a directional characteristic is generated for all signal components a broadband signal in the same space area or is similar or identical in the same spatial direction.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird die spektrale Darstellung des erzeugten Signals direkt von einem Signalprozessor ausgegeben beziehungsweise zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt. Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung wird die spektrale Darstellung des erzeugten Signals wieder in die zeitliche Darstellung umgesetzt, um eine zeitliche Repräsentation des Signals mit der vorbestimmten Richtcharakteristik zu erhalten.at In some embodiments of the invention, the spectral Representation of the generated signal directly from a signal processor issued or available for further processing posed. In further embodiments of the invention the spectral representation of the generated signal is returned to the temporal representation implemented to a temporal representation of the signal having the predetermined directivity.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung werden Audio-Signale beziehungsweise Audioaufnahme von Musikstücken beziehungsweise Umgebungsgeräuschen oder Sprechern verarbeitet, die mittels eines 2-dimensionalen oder 1-dimensionalen Mikrofon-Arrays gewonnen werden. Folglich werden auch Informationen über die Ortung beziehungsweise die Position der Schallquellen in einer bezüglich der Anordnung der Mikrofone orthogonalen Richtung gewonnen. Bei weiteren Ausführungsbeispielen werden Hochfrequenz-Signale großer Bandbreite beziehungsweise beliebige andere Signale so verarbeitet, dass ein Signal erzeugt wird, dessen maximaler Beitrag zur Signalamplitude aus einer vorbestimmten Raumrichtung kommt, das also in anderen Worten eine vorbestimmte räumliche Richtcharakteristik aufweist. In diesem Sinne ist ein Signal mit Richtcharakteristik als ein Signal mit richtungsabhängig gewichteten Signalanteilen zu verstehen, so dass es eine oder mehrere Raumrichtungen gibt, aus denen Signalanteile mit maximaler Verstärkung beziehungsweise Amplitude aufgezeichnet beziehungsweise rekonstruiert werden, wohingegen andere Raumrichtungen existieren, in denen die Signalanteile gedämpft oder vollständig unterdrückt werden.at Some embodiments of the invention will be audio signals or audio recording of pieces of music or Environmental sounds or speakers processed by means of won a 2-dimensional or 1-dimensional microphone array become. Consequently, also information about the location or the position of the sound sources in a respect the arrangement of the microphones orthogonal direction gained. at In other embodiments, high-frequency signals become larger Bandwidth or any other signals processed that a signal is generated whose maximum contribution to the signal amplitude comes from a predetermined spatial direction, that is in other Words a predetermined spatial directional characteristic having. In this sense, a signal with directional characteristics as a signal with directionally weighted signal components to understand so that there are one or more spatial directions, from which signal components with maximum gain or amplitude recorded or reconstructed, whereas others Spaces exist where the signal components are damped or completely suppressed.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird zur Umsetzung in die spektrale Darstellung eine Kurzzeit-Frequenztransformation verwendet, bei der die zu transformierenden beziehungsweise umzusetzenden Signale blockweise verarbeitet werden. Dazu kann beispielsweise eine Filterbank oder eine Frequenztransformation verwendet werden, bei der jedem Signalteil vorbestimmter Länge, der beispielsweise aus einer Sequenz einer vorgegebenen Anzahl von Signalsamples bestehen kann, eine Mehrzahl von Amplituden- und Phasenwerten zugeordnet wird, wie es beispielsweise bei der Kurzzeit-Fourier-Transformation (SFT) der Fall ist. Ein kontinuierliches Signal in einer Zeitdarstellung wird in eine Sequenz von Amplituden- und Phasenfaktoren transformiert beziehungsweise als eine Sequenz dieser Faktoren dargestellt, wobei jedem Signalteil, also jedem unabhängig prozessierten Zeitintervall eine Mehrzahl von Amplitudenwerten P(k, n) zugeordnet ist, (Der Index k gibt das analysierte Frequenzband an). Bei der Kombination der spektralen Darstellungen der transformierten Signale werden lediglich die Beträge der Amplituden kombiniert, um das Signal mit vorbestimmter Richtcharakteristik zu erhalten. Dadurch wird sichergestellt, dass die resultierende Richtcharakteristik für alle Frequenzen des auszuzeichnenden Frequenzbandes identisch sein kann. Dies kann selbst dann der Fall sein, wenn die Orte, an denen die Signale bekannter Richtcharakteristik aufgezeichnet wurden, nicht exakt bekannt sind. Das Maximum der Sensitivität kann somit auf einfache und mathematisch unaufwendige Weise für alle Frequenzen in derselben Raumrichtung erhalten werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das so erhaltene Signal vorbestimmter räumlicher Richtcharakteristik in seiner spektralen Darstellung unmittelbar weiter verwendet werden, um abzuschätzen, aus welcher Raumrichtung in dem beobachteten Frequenzband die maximale Schall- beziehungsweise Signalenergie kommt.In some embodiments of the invention, a short-term frequency transformation is used for conversion into the spectral representation, in which the signals to be transformed or converted are processed in blocks. For this purpose, for example, a filter bank or a frequency transformation can be used, in which each signal part of predetermined length, which may for example consist of a sequence of a predetermined number of signal samples, is assigned a plurality of amplitude and phase values, as described, for example, in the short-term Fourier Transformation (SFT) is the case. A continuous signal in time representation is transformed into a sequence of amplitude and phase factors or represented as a sequence of these factors, each signal portion, ie each independently processed time interval is assigned a plurality of amplitude values P (k, n) (the index k indicates the analyzed frequency band). In the combination of the spectral representations of the transformed signals, only the magnitudes of the amplitudes are combined to obtain the signal having a predetermined directivity. This ensures that the resulting directional characteristic can be identical for all frequencies of the frequency band to be distinguished. This may be the case even if the locations where the signals of known directional characteristics were recorded are not known exactly. The maximum of the sensitivity can thus be obtained in a simple and mathematically uncomplicated manner for all frequencies in the same spatial direction. In some embodiments of the present invention, the signal of predetermined spatial directional characteristics thus obtained may be immediately further used in its spectral representation to estimate from which spatial direction in the observed frequency band the maximum sound or signal energy is coming.
Bei einigen Ausführungsbeispielen wird die spektrale Darstellung des erzeugten Signals mit der vorbestimmten Richtcharakteristik dazu verwendet, mittels eines DirAC-Analysators bzw. eines DirAC-Algorithmus die DirAC-Parametrisierung in zwei Dimensionen oder drei Dimensionen direkt zu erhalten. Dabei substituiert oder ersetzt das erzeugte Signal ein Signal, das der direkten Messung nicht zugänglich ist. In diesem Sinne ist das mittels des Signalprozessors erzeugte Signal auch als Substitutionssignal zu bezeichnen. Im folgenden werden daher die Begriffe „Substitutionssignal" und Signal mit vorbestimmter Richtcharakteristik synonym verwendet. Bei Verwendung von Ausführungsbeispielen von Signalprozessoren mit DirAc-Analysatoren ergibt sich somit der große Vorteil, das eine vollständige DirAC-Analyse und somit eine Parametrisierung des räumlichen Klangeindrucks möglich wird, ohne eine aufwendige Aufzeichnung von drei unabhängigen Signalen mit jeweils paarweise aufeinander senkrecht stehender Richtcharakteristik durchführen zu müssen.at In some embodiments, the spectral representation the generated signal having the predetermined directivity used by means of a DirAC analyzer or a DirAC algorithm the DirAC parameterization in two dimensions or three dimensions to receive directly. In doing so substitutes or replaces the generated one Signal a signal that is inaccessible to direct measurement is. In this sense, this is generated by the signal processor Signal also to be called a substitution signal. Hereinafter Therefore, the terms "substitution signal" and signal used synonymously with a predetermined directional characteristic. Using of embodiments of signal processors with DirAc analyzers Thus, the great advantage that a complete DirAC analysis and thus a parametrization of the spatial Sound impression is possible without a complex recording of three independent signals, each in pairs vertical directional characteristic to perform have to.
Bei Vorliegen der Information, in welcher Intensität das Signal aus den drei Raumrichtungen aufgezeichnet wird, kann darüber hinaus eine Aussage getroffen werden, wie diffus das aufgenommene Signal ist. Der Intensitätsvektor gibt hierbei die Energieflussdichte an. In einem dreidimensionalen Raum hat der Intensitätsvektor drei orthogonale Kompo nenten (z. B. x, y, z), die zusammen die Richtung des Energieflusses ergeben.at Presenting the information, in what intensity the signal can be recorded from the three spatial directions, about it a statement is made as to how diffuse the recorded Signal is. The intensity vector gives the energy flux density at. In a three-dimensional space has the intensity vector three orthogonal components (eg x, y, z), which together form the direction of the energy flow.
Sind in allen drei Raumrichtungen die Komponenten des Intensitätsvektors gleich oder fast Null, so kann davon ausgegangen werden, dass das Signal beziehungsweise der Ton oder Klang den Messraum gleichmäßig ausfüllt, da in dem untersuchten Frequenzintervall aus sämtlichen Raumrichtungen kleine oder bei Null liegende Komponenten des Intensitätsvektors vorliegen.are in all three spatial directions the components of the intensity vector equal or almost zero, it can be assumed that the Signal or the sound or sound the measuring space evenly fills, since in the frequency interval studied out all spatial directions small or zero Components of the intensity vector are present.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung wird die spektrale Darstellung des erzeugten Signals vorbestimmter Richtcharakteristik in eine zeitliche Darstellung umgesetzt, so dass näherungsweise ein Signal erhalten wird, wie es von einem virtuellen Mikrofon mit vorbestimmter Richtcharakteristik aufgezeichnet worden wäre. Dabei können die Phasenfaktoren der Umsetzung in den Frequenzbereich von einem beliebigen der (Eingangs-) Signale vorbestimmter Richtcharakteristik verwendet werden, um zwischen den einzelnen Frequenzbereichen eine möglichst realistische Phasenbeziehung zu erhalten. Dies kann dazu führen, dass, obwohl bei der Implementierung der Richtungsabhängigkeit lediglich die Amplituden berücksichtigt wurden, ein Signal erzeugt wird, dessen hörbare Artefakte aufgrund der teilweise nicht berücksichtigten Phaseninformationen kaum wahrnehmbar sind.at Further embodiments of the invention, the spectral Representation of the generated signal predetermined directional characteristic converted into a temporal representation, so that approximately a signal is received, as seen from a virtual microphone predetermined directivity would have been recorded. In this case, the phase factors of the implementation in the frequency domain from any of (input) signals of predetermined directivity used to distinguish between the individual frequency ranges To obtain as realistic as possible a phase relationship. This can cause that, though in the implementation the directional dependence takes into account only the amplitudes were generated, a signal whose audible artifacts due to the partially ignored phase information are barely perceptible.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend, bezugnehmend auf die beigefügten Figuren, detailliert erläutert. Es zeigen:preferred Embodiments of the present invention will be with reference to the attached figures, explained in detail. Show it:
Der
Signalkombinierer
Bei
den Ausführungsbeispielen, die mehr als zwei Signale bekannter
Richtcharakteristik als Eingangssignale verwenden, ist es ebenso
erforderlich, dass für jedes Eingangssignal die Richtcharakteristik
bekannt ist, um ein Signal zu erzeugen, dessen Richtcharakteristik
der vorbestimmten beziehungsweise gewünschten Richtcharakteristik
entspricht. Der in
Im Folgenden wird kurz der allgemeine Fall des Erzeugens des Signals vorbestimmter Richtcharakteristik aus einer beliebigen Anzahl L > 2 von Signalen bekannter Richtcharakteristik beschrieben, bevor das der Erfindung zugrundeliegende Konzept anhand von zwei spezifischen Ausführungsbeispielen noch einmal vertiefend dargestellt wird.in the The following briefly becomes the general case of generating the signal predetermined directional characteristic of any number L> 2 of signals known Directional described before the invention of the underlying Concept based on two specific embodiments is shown again in more detail.
Dabei werden die erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele anhand von Audio-Signalen diskutiert, obwohl das Konzept auch auf beliebige andere Signale, wie beispielsweise Hochfrequenzsignale oder Radiosignale anwendbar ist. Ausgangspunkt für die Verarbeitung der Signale durch Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Signalprozessoren sind L > 2 Signale bekannter Richtcharakteristik. Diese Signale können entweder direkt mit der bekannten Richtcharakteristik gemessene (omnidirektionale oder gerichtete) Mikrofonsignale sein beziehungsweise Signale sein, die von einem Richtcharakteristik-Ausgang eines Mikrofonarrays abgegriffen werden. Wie die Richtcharakteristik erzeugt wurde, ist dabei unwesentlich, solange diese bekannt ist.there become the embodiments of the invention discussed on the basis of audio signals, although the concept too any other signals, such as high frequency signals or radio signals is applicable. Starting point for the Processing of the signals by embodiments of Signal processors according to the invention are known L> 2 signals Directivity. These signals can either be direct Measured with the known directional characteristic (omnidirectional or directed) microphone signals or be signals, taken from a directional characteristic output of a microphone array become. How the directional characteristic was generated is immaterial, as long as this is known.
Jedes
der Eingangssignale wird in eine Folge diskreter Zeitabschnitte
beziehungsweise Signalteile (Signal-Blöcke) unterteilt.
Die Signalblöcke werden in eine spektrale Darstellung umgesetzt,
beispielsweise in die Kurzzeitfrequenzdomäne. Im Folgenden
bezeichnet Pi(k, n) das 1-te Eingangssignal
im Frequenzband. Der Index n bezeichnet die Anzahl beziehungsweise
die Nummer des gerade betrachteten Signalblocks aus der Reihe von
Signalblöcken, in die das Eingangssignal zerlegt wurde.
Nach der Frequenzumsetzung lässt sich in jedem interessierenden
Frequenzband das Signal als Amplitude beziehungsweise Betrag Pi(k, n) und als Phase Φ(k, n) darstellen,
so dass gilt: wobei j die imaginäre
Einheit bezeichnet. Von dem Signalkombinierer des Signalprozessors
werden die Beträge P1(k, n) dieser
Eingangssignale unter Verwendung einer Kombinationsregel derart
kombiniert, dass ein durch die Kombination resultierender Betrag
|D(k, n)| einer Spektraldarstellung des zu erzeugenden Signals zugeordnet
ist. Dies korrespondiert zu einem Mikrofonsignal, das die vorbestimmte
räumliche Richtcharakteristik aufweist. Dabei ist es insbesondere
möglich, die Richtcharakteristik innerhalb eines breiten
Raumbereichs und eines großen Frequenzbereichs konstant
oder ähnlich zu halten. Allgemein kann die Kombination der
Beträge durch folgende Formel beschrieben werden:
Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird als Phaseninformation des erzeugten Signals D(k, n) eine der Phasen der Eingangssignale verwendet. Wird beispielsweise als Signal, dessen Phase verwendet wird, das erste Signal von dem Signalkombinierer ausgewählt, kann die Kombinationsregel wie folgt definiert werden: In some embodiments of the invention, one of the phases of the input signals is used as the phase information of the generated signal D (k, n). For example, if the first signal from the signal combiner is selected as the signal whose phase is used, the combination rule can be defined as follows:
Ein
Signalkombinierer
Durch
Anwendung einer geeigneten, von der Richtcharakteristik der Eingangssignale
abhängigen Kombinationsregel g kann ein Signal mit vorbestimmter
räumlicher Richtcharakteristik erzeugt werden, welches
insbesondere eine Richtcharakteristik aufweist, die sich von derjenigen
der Eingangssignale unterscheidet. Von dem in
Dabei ist es insbesondere möglich, eine vorbestimmte Richtcharakteristik in einem großen Raum- und Frequenzbereich zu erzeugen, ohne Annahmen über die Statistik der verwendeten Eingangssignale machen zu müssen. Solche Annahmen über die Signalstatistik, wie beispielsweise über das stationäre Verhalten, die unterschiedlichen spektralen Eigenschaften oder die räumliche Kohärenz zwischen mehreren Signalen werden typischerweise bei nicht-linearen Filtertechniken getroffen, wie sie zur Reduzierung des Hintergrundrauschens bei Sprachverbesserungssystemen verwendet werden (auch bekannt als spektrale Subtraktion oder Wiener-Filterung).there In particular, it is possible to have a predetermined directional characteristic in a large space and frequency range, without assumptions about the statistics of the input signals used to have to do. Such assumptions about the signal statistics, such as stationary behavior, the different spectral properties or the spatial Coherence between multiple signals typically becomes taken in non-linear filter techniques as they reduce background noise used in speech enhancement systems (also known as spectral subtraction or Wiener filtering).
Ausführungsbeispiele von Signalkombinierern benötigen dagegen lediglich die Kenntnis der Richtcharakteristik der zur Aufzeichnung der Eingangssignale verwendeten Mikrofone beziehungsweise Mikrofonarrays und treffen a priori keine Annahmen über die Statistik der Eingangssignale beziehungsweise über die Statistik deren spektraler Zusammensetzungen. Dadurch wird es auf effiziente, auf einfachen Algorithmen basierende Art und Weise möglich, mit Eingangssignalen bekannter Richtcharakteristik ein Signal mit vorbestimmter räumlicher Richtcharakteristik zu erzeugen.embodiments By contrast, signal combiners require only the Knowledge of the directional characteristic of the recording of the input signals used microphones or microphone arrays and meet a priori, no assumptions about the statistics of the input signals or via the statistics of their spectral compositions. This makes it efficient, based on simple algorithms Way possible, with input signals of known directional characteristics a signal with a predetermined spatial directional characteristic to create.
Die
Beschreibung des folgenden Ausführungsbeispiels, bei dem
ein Signal mit vorbestimmter räumlicher Richtcharakteristik
erzeugt wird, auf dessen Grundlage beispielsweise eine DirAC-Parametrisierung
des räumlichen Audiosignals durchgeführt werden
kann, geht dabei davon aus, dass als Eingangssignal ein omnidirektionales
Signal W, ein Signal mit dipolartiger Richtcharakteristik X in X-Richtung
und ein Signal Y mit Richtcharakteristik in Y-Richtung zur Verfügung
stehen, wie sie beispielsweise mittels des in
Wie bereits erwähnt, wird dabei angenommen, dass die Richtung maximaler Sensitivität des Signals X(k, n) die X-Richtung und des Signals Y(k, n) die Y-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems ist. Ferner sollen die Signale W, X und Y bereits in einer spektralen Darstellung vorliegen, das heißt, für jeden Frequenzbereich und Zeitblock beziehungsweise Signalteil der Signale existiert ein Amplitudenparameter und ein Phasenparameter, wie in den vorhergehenden Abschnitten beschrieben wurde. Um das Klangfeld hinreichend genau 3-dimensional beschreiben zu können, ist erforderlich, dass ein Signal mit einer Richtcharakteristik erzeugt wird, deren Maximum eine Komponente in Z-Richtung aufweist. Wird eine DirAC-Parametrisierung angestrebt, ist es insbesondere erforderlich, ein Signal zu erzeugen, welches eine dipolartige Richtcharakteristik mit einem Maximum beziehungsweise mit maximaler Sensitivität in Z-Richtung besitzt.As already mentioned, it is assumed that the direction maximum sensitivity of the signal X (k, n) the X direction and the signal Y (k, n) the Y direction of a Cartesian coordinate system is. Furthermore, the signals W, X and Y are already in a spectral Present representation, that is, for each frequency range and time block or signal part of the signals exists Amplitude parameter and a phase parameter, as in the preceding Sections has been described. To the sound field with sufficient accuracy 3-dimensional description is required that a signal with a directional characteristic is generated, whose Maximum has a component in the Z direction. Becomes a DirAC parameterization in particular, it is necessary to generate a signal which has a dipole-like directional characteristic with a maximum or with maximum sensitivity in the Z direction.
Durch obige Beziehung wird also ein Signal vorbestimmter räumlicher Richtcharakteristik (eines in Z-Richtung ausgerichteten Dipols) erzeugt, sofern die Richtcharakteristiken der Eingangssignale X, Y und W bekannt sind.By The above relationship thus becomes a signal of predetermined spatial Directional characteristic (Z-directional dipole) provided the directional characteristics of the input signals X, Y and W are known.
Aus der Kombinationsregel ergibt sich somit der Betrag des erzeugten Signals in dem betreffenden Frequenzbereich direkt.Out The combination rule thus results in the amount of generated Directly in the relevant frequency range.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Phase ϕw(k, n) der Phase des omnidirektionalen Signals W(k, n) entsprechend gewählt werden, sodass das um eine Phaseninformation erweiterte erzeugte Signal folgende Form besitzt: In one embodiment of the invention, the phase φ w (k, n) of the phase of the omnidirectional signal W (k, n) can be chosen accordingly, so that the signal generated by a phase information has the form:
Wie
es in
Die
Wie
es in
Anhand
von
Im Folgenden wird der Einfachheit halber davon ausgegangen, dass eine Transformation in den Spektralbereich für die betreffenden Signale bereits erfolgt ist, so dass Indizes k jeweils den betrachteten Spektralbereich angeben, wohingegen der Index n den betrachteten Signalteil bzw. Signalblock der hier beispielhaft verwendeten blockweisen Frequenzanalyse (z. B. Kurzzeit-Fourier-Transformation SET) beschreibt.in the For the sake of simplicity, it is assumed below that a Transformation into the spectral range for the concerned Signals already occurred, so that indices k each considered the Specify the spectral range, whereas the index n the considered Signal part or signal block of the blocks used here by way of example Frequency analysis (eg short-time Fourier transform SET) describes.
Für
die DirAC-Analyse wird zunächst ein Intensitätsvektor
errechnet, dessen X-Komponente sich aus folgender Beziehung ergibt:
Es
versteht sich von selbst, dass für die Y- und die Z-Komponente
des Intensitätsvektors die äquivalenten Beziehungen
gelten, obwohl obige Formel lediglich die X-Komponente beschreibt.
Würden, wie im in
Bei
obigen Gleichungen bezeichnet der Winkel φ den Azimut
Ist,
wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel eingehend diskutiert,
ein Mikrofonsignal mit Richtcharakteristik in Z-Richtung nicht verfügbar,
kann mittels eines Ausführungsbeispiels eines Signalprozessors
das Signal Z ~(k, n) erzeugt werden wie im Vorhergehenden beschrieben.
Dieses Signal weist dabei die anhand der
Folglich
kann auch in dem Fall, in dem kein generisch aufgenommenes Signal
mit Richtwirkung in Z-Richtung existiert, eine Elevationswinkel
Wie
bereits oben erwähnt, kann durch die Tatsache, dass die
Phaseninformation, bei der die Kombinationsregel nicht berücksichtigt
wird, die Richtcharakteristik des erzeugten Signals der eines homophasischen
Dipols entsprechen. Daher ist eine eindeutige Zuordnung der Position
der Klangquelle
Eine
DirAC-Analyse ist auch möglich, wenn man lediglich an der
2-dimensionalen Analyse des Klangfeldes interessiert ist. In diesem
Fall kann beispielsweise auf das omnidirektionale Mikrofon
Zunächst wird als Substitutionssignal vorbestimmter Richtcharakteristik ein Signal WT(k, n) gebildet, welches eine Torus-förmige Richtcharakteristik aufweist, wie bereits weiter oben beschrieben wurde. Das Signal WT(k, n) lässt sich wie folgt aus den Signalen X und Y darstellen: First, as a substitution signal of predetermined directivity, a signal W T (k, n) is formed, which has a toroidal directivity, as already described above. The signal W T (k, n) can be represented as follows from the signals X and Y:
Der
Phasenparameter ist dabei optional. Die „2-dimensionale-Intensität
lässt sich wie folgt bilden:
Aus
den X- und Y-Intensitäten kann der Azimut-Winkel
Unter Verwendung des Substitutionssignals WT, das mittels eines Ausführungsbeispiels eines Signalprozessors erzeugt wurde, lässt sich somit auch im 2-dimensionalen Fall der Diffuseness-Parameter ψ gemäß folgender Formel errechnen: Using the substitution signal W T , which was generated by means of an embodiment of a signal processor, the diffuseness parameter ψ can thus also be calculated in the 2-dimensional case according to the following formula:
Wie obige Ausführungsbeispiele ergeben haben, ist es durch die Verwendung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Signalprozessors möglich, Mikrofone einzusparen bzw. geometrische Randbedingungen, die eine ideale Platzierung von Mikrofonen nicht ermöglichen, zu kompensieren und trotzdem eine vollständige DirAC-Analyse eines räumlichen Signals durchzuführen.As above embodiments have given, it is by the use of an embodiment of an inventive Signal processor possible to save microphones or geometric Boundary conditions that are not an ideal placement of microphones allow to compensate and still complete Perform DirAC analysis of a spatial signal.
Bei dem im Folgenden diskutierten weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird davon ausgegangen, dass als Signallieferanten, also als Signalquellen für die Eingangssignale des Signalprozessors lediglich ein lineares Mikrofon-Array zur Verfügung steht. Dies hat unmittelbar zur Folge, dass ein Signal mit einer Richtcharakteristik lediglich in der Richtung, die durch die Verbindungsgerade zwischen den Mikrofonen definiert wird, zur Verfügung steht. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sei diese Richtung im Folgenden als X-Richtung bezeichnet. Folglich kann lediglich ein omnidirektionales Signal W(k, n) und ein Signal X(k, n) als Eingangssignal für den Signalprozessor zur Verfügung gestellt werden. Dennoch kann eine akustische Analyse zumindest innerhalb der X-Y-Ebene beispielsweise mit der DirAC-Parametrisierung erfolgen, da, wie im Folgenden beschrieben wird, ein Signal Y(k, n) mit vorbestimmter, dipolartiger Richtcharakteristik aus den Signalen W und X erzeugt werden kann. Analog zu obigen Überlegungen kann die folgende Kombinationsregel abgewandelt werden, um die Be tragswerte des zu erzeugenden Signals gemäß folgender Beziehung zu bestimmen: In the further embodiment of the present invention discussed below, it is assumed that only one linear microphone array is available as signal suppliers, ie as signal sources for the input signals of the signal processor. This has the immediate result that a signal with a directional characteristic only in the direction that is defined by the connecting line between the microphones, is available. Without limiting generality, this direction is referred to below as the X direction. Consequently, only one omnidirectional signal W (k, n) and one signal X (k, n) can be provided as an input to the signal processor. Nevertheless, an acoustic analysis can at least take place within the XY plane, for example with the DirAC parameterization, since, as will be described below, a signal Y (k, n) with a predetermined, dipole-like directional characteristic can be generated from the signals W and X. Analogous to the above considerations, the following combination rule can be modified to determine the values of the signal to be generated according to the following relationship:
Die Richtcharakteristik des so erzeugten Signals entspricht obigen Überlegungen folgend einem Torus, dessen Rotationsachse die X-Achse ist. Dies bedeutet insbesondere bei einer 2-dimensionalen Betrachtung innerhalb der X-Y-Ebene, dass die Richtcharakteristik des Signals Y ^ innerhalb der X-Y-Ebene einem Dipol entspricht, dessen maximaler Wichtungsfaktor auf der Y-Achse liegt und dessen Richtcharakteristik symmetrisch zur Y-Achse ist. Die so erzeugte Richtcharakteristik erfüllt also die Voraussetzungen für eine darauffolgende DirAC-Analyse.The directional characteristic of the signal thus generated corresponds to the above considerations following a torus whose axis of rotation is the X-axis. This means especially for a 2-dimensional view tion within the XY plane that the directional characteristic of the signal Y ^ within the XY plane corresponds to a dipole whose maximum weighting factor lies on the Y-axis and whose directional characteristic is symmetrical to the Y-axis. The directional characteristic thus generated fulfills the conditions for a subsequent DirAC analysis.
Ein optionaler Phasenfaktor kann dem Phasenfaktor des omnidirektionalen Signals W(k, n) entsprechen, so dass, wenn eine Phaseninformation gewünscht ist, die Kombinationsregel erweitert werden kann, um das erzeugte Signal so zu bilden, dass es gemäß folgender Formel beschrieben werden kann: An optional phase factor may correspond to the phase factor of the omnidirectional signal W (k, n), so that if phase information is desired, the combination rule may be extended to form the generated signal such that it can be described according to the following formula:
Das so erzeugte Signal Y ^(k, n) hat eine Richtcharakteristik entsprechend eines homophasischen Dipols innerhalb der X-Y-Ebene. Somit wird eine darauffolgende DirAC-Analyse zu einer korrekten Bestimmung des Intensitätsvektors innerhalb der Halbebene der X-Y-Ebene führen, die die positive Y-Achse umfasst. Folglich kann auch im Falle eines 1-dimensionalen Mikrofonarrays eine DirAC-Analyse durchgeführt werden, die eine hochflexible Weiterverarbeitung des analysierten Signalsermöglicht, wenn Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Signalprozessoren verwendet werden können, um ein zusätzliches Signal mit vorbestimmter räumlicher Richtcharakteristik zu erzeugen.The thus generated signal Y ^ (k, n) has a directional characteristic accordingly a homophasic dipole within the X-Y plane. Thus, will a subsequent DirAC analysis on a correct determination of the Intensity vector within the half-plane of the X-Y plane lead, which includes the positive Y-axis. Consequently, can also in the case of a 1-dimensional microphone array a DirAC analysis be carried out, which is a highly flexible processing of the analyzed signal, if embodiments used according to the invention signal processors can be used to provide an additional signal to generate predetermined spatial directional characteristic.
Die folgenden Überlegung zeigen, wie mittels des oben erzeugten Signals Y ^(k, n) auch im Fall eines linearen Mikrofonarrays eine darauffolgende DirAC-Analyse (2-dimensionaler Fall) durchgeführt werden kann. Der Intensitäts-Vektor für die DirAC-Analyse berechnet sich für die X-Komponente wie im normalen Fall, da diese Komponente zusammen mit einem omnidirektionalen Signal unmittelbar zur Verfügung steht.The following consideration, as generated by means of the above Signal Y ^ (k, n) also in the case of a linear microphone array a subsequent DirAC analysis (2-dimensional case) can. The intensity vector for the DirAC analysis is calculated for the X component as in the normal case, because this component together with an omnidirectional signal immediately available.
Für
die Bestimmung der Y-Komponente wird das erzeugte Substitutionssignal
vorbestimmter Richtcharakteristik Y ^(k, n) verwendet, so dass gilt:
Zur
Bestimmung des Azimuth-Winkels kann dann die so erzeugte Intensität I ~2D,Y und die gemessene Intensität
I2D,x verwendet werden. Auch im Fall eines
linearen Mikrofonarrays lässt sich aus den folgenden Beziehungen
ein Diffuseness-Parameter ψ2D herleiten,
auch wenn lediglich Mikrofone verwendet werden können, die
in einer Raumrichtung linear hintereinander angeordnet sind:
Wie oben beschrieben, kann also auch dann eine Aussage über die räumliche Zusammensetzung des Signals getroffen werden, wenn dies lediglich mit einem 1-dimensionalen Empfängerarray aufgezeichnet werden kann.As described above, so can also make a statement about the spatial composition of the signal are taken if only with a 1-dimensional receiver array can be recorded.
Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung führen also folgende Schritte aus:
- – Bereitstellen einer Mehrzahl von Signalen mit bekannter Richtcharakteristik (entweder direkt mit dieser Richtcharakteristik gemessen oder durch Beam-Forming mittels eines Mikrofon-Arrays errechnet).
- – Transformieren jedes Eingangssignals in die Kurzzeitfrequenzdomäne.
- – Für jeden zu berücksichtigenden Frequenzbereich: Bestimmen des Betrags und einer Phaseninformation jedes Eingangssignals.
- – Für jeden interessierenden Frequenzbereich: Bestimmen des Betrags des zu erzeugenden Signals, indem die Beträge der Eingangssignale gemäß einer Kombinationsregel miteinander kombiniert werden.
- – Sofern eine Phaseninformation gewünscht wird, Kombinieren des Betrags des erzeugten Signals mit einem der Phasenfaktoren der spektralen Darstellungen einer der Eingangssignale.
- - Providing a plurality of signals having a known directional characteristic (either measured directly with this directional characteristic or calculated by beam-forming using a microphone array).
- - Transform each input signal into the short-time frequency domain.
- For each frequency range to be considered, determine the magnitude and phase information of each input signal.
- For each frequency range of interest: determining the magnitude of the signal to be generated by combining the magnitudes of the input signals according to a combination rule.
- If phase information is desired, combining the magnitude of the generated signal with one of the phase factors of the spectral representations of one of the input signals.
Wie bereits oben erwähnt, ermöglicht die Anwendung erfindungsgemäßer Signalprozessoren die flexiblere Anwendung von Mikrofonen beziehungsweise Mikrofon-Arrays im Hinblick auf die Bestimmung von Parametern zur räumlichen Rekonstruktion einer aufzunehmenden Klangkulisse bzw. eines aufgenommenen Signals.As already mentioned above, allows the application Signal processors according to the invention the more flexible Application of microphones or microphone arrays with regard to on the determination of parameters for spatial reconstruction a recorded soundscape or a recorded signal.
Es wird ermöglicht, Signale einer vorbestimmten räumlichen Richtcharakteristik zu erzeugen (wie beispielsweise eine Dipol-Charakteristik).It is allowed to receive signals of a predetermined spatial Directivity to produce (such as a dipole characteristic).
Darüber hinaus ist es möglich, bei Verwendung erfindungsgemäßer Signalprozessoren die räumliche Selektivität von Mikrofon-Arrays zu verbessern, indem beispielsweise der räumliche Bereich, indem der richtungsabhängige Gewichtungsfaktor groß ist, beschränkt werden kann. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem die Ausgangssignale der Mikrofon-Arrays bekannter Richtcharakteristik mittels Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Signalprozessoren bearbeitet werden.About that In addition, it is possible using inventive Signal processors the spatial selectivity of Improve microphone arrays by, for example, the spatial Range by the directional weighting factor is big, can be limited. This can be, for example be achieved by the output signals of the microphone arrays known Directional characteristic by means of embodiments according to the invention Signal processors are processed.
In
einem optionalen Rücktransformationsschritt
In
einem alternativen Analyseschritt
Abhängig von den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen eines Signals mit vorbestimmter räumlicher Richtcharakteristik in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementation kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen eines Signals mit vorbestimmter räumlicher Richtcharakteristik ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computer-Programm-Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computer-Programm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft.Dependent from the circumstances, the inventive Method for generating a signal with predetermined spatial Directional characteristic can be implemented in hardware or in software. The implementation may be on a digital storage medium, in particular a floppy disk or CD with electronically readable control signals done so interact with a programmable computer system can that process of the invention for generating a signal having a predetermined spatial Directional characteristic is executed. Generally exists the invention thus also in a computer program product with a stored on a machine-readable carrier Program code for carrying out the inventive Procedure if the computer program product on a machine expires. In other words, the Invention thus as a computer program with a program code to implement the method, if the computer program runs on a computer.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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