DE102013211283A1 - Playback of audio data using distributed electroacoustic transducers in networked mobile devices - Google Patents
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Abstract
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Wiedergabe eines von einer virtuellen Quelle ausgehenden Schallfelds unter Verwendung mehrerer mobiler Endgeräte mit jeweils mindestens einem elektroakustischen Wandler in einem lokalen Raum bereitgestellt, wobei die Endgeräte durch ein Datennetz verbunden werden. Die jeweiligen Positionen der Endgeräte in dem lokalen Raum werden bestimmt, auf der Basis eines über das Datennetz gesendeten Signals werden Ansteuerungsfunktionen für die elektroakustischen Wandler zur Wiedergabe des Schallfelds in Abhängigkeit der Position der virtuellen Quelle und der ermittelten Positionen der Endgeräte in dem lokalen Raum bestimmt und unter Verwendung der so ermittelten Ansteuerungsfunktionen wird das Schallfelds durch die elektroakustischen Wandler in den Endgeräten wiedergegeben. Die Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zur Vollduplex-Kommunikation und eine Vorrichtung zur Durchführung dieser Verfahren bereit.The present invention provides a method of reproducing a sound field emanating from a virtual source using a plurality of mobile terminals each having at least one electroacoustic transducer in a local space, the terminals being connected by a data network. The respective positions of the terminals in the local space are determined, on the basis of a signal transmitted via the data network, driving functions for the electroacoustic transducers for reproducing the sound field are determined depending on the position of the virtual source and the determined positions of the terminals in the local space using the thus determined driving functions, the sound field is reproduced by the electroacoustic transducers in the terminals. The invention further provides a method for full duplex communication and an apparatus for performing these methods.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Synthese eines Schallfeldes für die räumliche Audiowiedergabe mittels mehrerer vernetzter Endgeräte, die mit Lautsprechern und vorzugsweise auch Mikrofonen ausgestattet sind, und insbesondere deren Einsatz in der räumlichen Vollduplex-Freisprechkommunikation.The present invention relates to the synthesis of a sound field for spatial audio reproduction by means of several networked terminals, which are equipped with speakers and preferably microphones, and in particular their use in the full-duplex, hands-free communication.
Allgemein werden bei mehrkanaliger Audiowiedergabe die Lautsprecher derart angesteuert, dass ein räumlicher Höreindruck in einem vordefinierten Bereich erzeugt wird. Hierbei sind zahlreiche Verfahren zur Audiowiedergabe oder zur physikalischen Synthese eines Schallfeldes bekannt. Beispielhaft sollen hier die Stereophonie, die Wellenfeldsynthese (siehe z. B.
Verfahren zur Echounterdrückung bzw. Echokompensation und zur Signalverbesserung insbesondere in der Vollduplexkommunikation unter Verwendung von Freisprecheinrichtungen sind beispielsweise in
Mit der vorliegenden Erfindung werden ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Wiedergabe eines Schallfelds bereitgestellt, die vorteilhaft insbesondere in der Vollduplexkommunikation eingesetzt werden können. Gemäß der Erfindung werden zur Schallfeldsynthese mehrere mobile, miteinander vernetzte Endgeräte, insbesondere Smartphones, verwendet.The present invention provides an improved method and a device for reproducing a sound field, which can advantageously be used in particular in full-duplex communication. According to the invention, a plurality of mobile, networked terminals, in particular smartphones, are used for sound field synthesis.
Die vorliegende Erfindung wird durch die unabhängigen Ansprüche definiert. Die abhängigen Ansprüche definieren Ausführungsformen der Erfindung.The present invention is defined by the independent claims. The dependent claims define embodiments of the invention.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Wiedergabe eines von einer virtuellen Quelle ausgehenden Schallfelds unter Verwendung mehrerer mobiler Endgeräte mit jeweils einem elektroakustischen Wandler in einem lokalen Raum bereitgestellt, wobei die Endgeräte durch ein Datennetz verbunden werden. Zunächst werden die jeweiligen Positionen der Endgeräte in dem lokalen Raum bestimmt. Auf der Basis eines über das Datennetz gesendeten Signals werden Ansteuerungsfunktionen für die elektroakustischen Wandler zur Wiedergabe des Schallfelds in Abhängigkeit der Position der virtuellen Quelle und der ermittelten Positionen der Endgeräte in dem lokalen Raum bestimmt. Unter Verwendung der so ermittelten Ansteuerungsfunktionen wird das Schallfelds durch die elektroakustischen Wandler in den Endgeräten wiedergegeben.The present invention provides a method of reproducing a sound field emanating from a virtual source using a plurality of mobile terminals each having an electroacoustic transducer in a local space, the terminals being connected by a data network. First, the respective positions of the terminals in the local space are determined. On the basis of a signal transmitted over the data network, driving functions for the electroacoustic transducers for reproducing the sound field are determined as a function of the position of the virtual source and the determined positions of the terminals in the local space. Using the thus determined driving functions, the sound field is reproduced by the electro-acoustic transducers in the terminals.
Die Endgeräte können durch ein sternförmiges Netzwerk mit einem externen oder einem lokalen Server, oder durch ein vollvermaschtes Netzwerk untereinander verbunden sein. Vorzugsweise ist das Netzwerk ein Funknetzwerk, insbesondere ein Mobilfunknetz wie GSM, GPRS, UMTS oder LTE, WLAN oder Bluetooth.The terminals may be interconnected by a star-shaped network with an external or a local server, or by a fully meshed network. The network is preferably a radio network, in particular a mobile radio network such as GSM, GPRS, UMTS or LTE, WLAN or Bluetooth.
Zur Bestimmung der Position der Endgeräte kann ein Ortungsverfahren verwendet werden, beispielsweise ein videobasiertes Ortungsverfahren, ein audiobasiertes Ortungsverfahren und/oder ein Ortungsverfahren unter Benutzung von GPS. Zusätzlich oder alternativ kann die Position der Endgeräte auch durch manuelle Eingabe durch den Benutzer bestimmt wird.To determine the position of the terminals, a location method may be used, for example a video-based location method, an audio-based location method and / or a location method using GPS. Additionally or alternatively, the position of the terminals may also be determined by manual input by the user.
Zur Kompensierung der durch die Übertragung des Signals verursachte Verzögerung wird vorzugsweise die Wiedergabe durch die einzelnen Endgeräte synchronisiert.To compensate for the delay caused by the transmission of the signal, playback is preferably synchronized by the individual terminals.
Der Inhalt des wiederzugebenden Schallfeld kann durch eines der Endgeräte ausgewählt werden. Dieser Inhalt kann insbesondere durch das über das Datennetz gesendete Signal dargestellt sein. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Inhalt des wiederzugebenden Schallfelds der Inhalt eines Audiosignals aus einem fernen Raum ist, beispielsweise des Audiosignals bei einem Telefonat (z. B. mittels GSM oder VoIP). Andererseits kann auch ein Inhalt wiedergegeben werden, der in allen Endgeräten vorhanden ist, beispielsweise in Form einer gespeicherten Audiodatei. Dann kann ein Zeitzeiger auf die Audiodatei über das Datennetz gesendet werden.The content of the sound field to be reproduced can be selected by one of the terminals. This content can be represented in particular by the signal transmitted via the data network. This is the case in particular if the content of the sound field to be reproduced is the content of an audio signal from a distant room, for example the audio signal during a telephone call (eg by means of GSM or VoIP). On the other hand, a content that is present in all terminals, for example in the form of a stored audio file, can also be reproduced. Then a time hand can be sent to the audio file over the data network.
Für das erfindungsgemäße Verfahren zur Vollduplex-Kommunikation zwischen einem fernen Raum und einem lokalen Raum wird zur Wiedergabe des Audiosignals in Form eines von einer virtuellen Quelle ausgehenden Schallfelds das oben beschriebene Verfahren verwendet. Weiterhin wird durch die mehreren mobiler Endgeräte das aus dem lokalen Raum in den fernen Raum zu übertragende akustischen Signals aufgenommen. Vorzugsweise weisen der lokale Server, der externe Server und/oder die einzelnen mobilen Endgeräte eine Vorrichtung zur Echokompensation auf.For the inventive method for full-duplex communication between a remote room and a local room, the method described above is used to reproduce the audio signal in the form of a sound field emanating from a virtual source. Furthermore, the plurality of mobile terminals record the acoustic signal to be transmitted from the local room to the distant room. The local server, the external server and / or the individual mobile terminals preferably have a device for echo compensation.
Durch die Erfindung wird weiterhin eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens bereit gestellt, wobei die Vorrichtung mehrere mobile Endgeräte, beispielsweise Smartphones, mit jeweils einem elektroakustischen Wandler aufweist, die über ein Datennetz verbunden sind. The invention further provides an apparatus for carrying out the method according to the invention, wherein the apparatus comprises a plurality of mobile terminals, for example smartphones, each having an electro-acoustic converter, which are connected via a data network.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Verweis auf die beigefügten Figuren näher beschrieben.The invention will be described in more detail below with reference to embodiments with reference to the accompanying figures.
Die Audiowiedergabe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden ausführlich anhand des Ablaufs einer typischen Sitzung beschrieben, wobei eine Sitzung beispielsweise eine Telefonkonferenz oder die Wiedergabe einer vorbestimmten, über das Netzwerk übertragenen oder auf allen verwendeten Endgeräten (Smartphones) gespeicherten Audiodatei sein kann Beim Starten einer solchen Sitzung geht das Verfahren prinzipiell von zwei Netzwerktopologien aus, wobei sich eine Topologie je nach Serverort in zwei Arten unterteilen lässt:
- 1A. Ein sternförmiges Netzwerk, worin alle lokalen Teilnehmer über Ihre Smartphones über einen zentralen Hauptknoten verbunden sind. Der Verbindungsaufbau zum Server erfolgt über Einwählen in einen zentralen Dienst (siehe
1a ). - 1B. Ein sternförmiges Netzwerk, worin alle lokalen Teilnehmer über Ihre Smartphones über einen lokalen Hauptknoten verbunden sind. Hier dient beispielsweise eines der Smartphone als Hotspot (siehe
1b ). - 2. Ein vollvermaschtes Netzwerk, in dem alle lokalen Teilnehmer miteinander über ein lokales bidirektionales Netzwerk, beispielsweise über ein Bluetooth-Netzwerk verbunden sind (siehe
1c ).
- 1A. A star-shaped network where all local subscribers are connected via their smartphones via a central hub. The connection to the server is made by dialing into a central service (see
1a ). - 1B. A star-shaped network where all local subscribers are connected via their smartphones via a local master node. For example, one of the smartphones serves as a hotspot here (see
1b ). - 2. A fully meshed network in which all local participants are connected to each other via a local bi-directional network, for example via a Bluetooth network (see
1c ).
Eine Sitzung kann von jedem Endgerät aus gestartet werden. Zur Anmeldung an einer Sitzung wird jedem Teilnehmer eine erkennbare Identifikationsnummer (ID) zugeordnet. Nach der Anmeldung übermitteln die Teilnehmer ihre aktuellen Positionen, die sie über übliche Lokalisierungsperipherie (z. B. GPS) berechnen können. Die Positionierung kann auch manuell erfolgen bzw. korrigiert werden, indem die Nutzer sequentiell ihre relativen Positionen annähernd eingeben. Zur manuellen Positionierung kann beispielsweise den Nutzern auf dem Display eine leere Karte von benachbarten Zellen gezeigt werden, worin die Nutzer ihre Zelle wählen, in der sie sich befinden.A session can be started from any terminal. To register at a meeting, each participant is assigned a recognizable identification number (ID). After logging in, the participants submit their current positions, which they can calculate using common localization peripherals (eg GPS). The positioning can also be done manually or corrected by the users sequentially entering their relative positions. For manual positioning, for example, the users on the display may be shown a blank map of neighboring cells in which the users select their cell in which they are located.
Eine andere Art der Lokalisierung kann erfolgen, indem alle Nutzer ihre Smartphones mit dem Display nach oben auf einer Oberfläche (beispielweise einem Besprechungsraumtisch) legen bis auf einen Nutzer, der dann die Kalibrierungsfunktion aufruft. In der Kalibrierungsfunktion werden auf den Displays der Smartphones der Teilnehmer verschiedene Muster und/oder Farben ausgegeben, die von der Kamera des Nutzers, der die Kalibrierungsfunktion gestartet hat, erfasst und ausgewertet werden. Mittels Standardverfahren der Mustererkennung werden somit die Positionen der teilnehmenden Smartphones ermittelt und zentral an alle Teilnehmer gesendet.Another type of localization can be done by all users placing their smartphones with the display facing up on a surface (for example, a meeting room table), except for a user who then calls the calibration function. In the calibration function, the subscribers' displays display various patterns and / or colors that are captured and evaluated by the user's camera that started the calibration function. By means of standard pattern recognition methods, the positions of the participating smartphones are thus determined and sent centrally to all subscribers.
Neben dieser Möglichkeit der videobasierten Lokalisierung kann auch eine auf Audiodaten basierte Lokalisierung durchgeführt werden. Dazu werden die Endgeräte der Teilnehmer aufgefordert, vordefinierte unterschiedliche Tonsequenzen abzuspielen. Diese werden mit den Mikrofonen des Endgeräts, worauf die Kalibrierfunktion durchgeführt wird, aufgenommen und mittels Standardverfahren der Audiolokalisierung lokal oder auf einem externen Server verarbeitet. Ein hierfür geeignetes Verfahren ist beispielsweise in
Zur Verbesserung der Positionsbestimmung kann auch eine Kombination der vorgestellten Lokalisierungsverfahren angewendet werden.To improve the position determination, a combination of the presented localization methods can also be used.
Während einer Sitzung wird eine aktive Karte mit den Teilnehmern angezeigt, wie es schematisch in
Zur Wiedergabe durch Synthese des gewünschten Schallfeldes werden folgende Schritte durchgeführt:
- – Bestimmung der Ansteuerungsfunktion der Lautsprecher in Abhängigkeit von der gewünschten Position der virtuellen Quelle und der ermittelten geometrischen Anordnung. Es wird vorzugsweise zu jeder Quelle ein Satz von Lautsprechen (Smartphones) selektiert, die bei der Wiedergabe dieser virtuellen Quelle aktiv werden sollen.
- – Für die oben genannten zwei Fälle der Wiedergabe ist Folgendes zu beachten: – Inhalt nur an einem Gerät gespeichert: In diesem Fall wird jedem Teilnehmer, der entsprechend der Selektion bei der Wiedergabe einer bestimmten Quelle aktiv sein soll, der Inhalt zugesandt. – Alle Teilnehmer verfügen über den gesamten (musikalischen) wiederzugebenden Inhalt: Hier wird lediglich der Zeitzeiger auf die aktive Datei ermittelt.
- – Synchronisierung der Endgeräte. Es muss sichergestellt werden, dass die durch die Funkübertragung verursachte Verzögerung der Daten kompensiert wird.
- – Schnelle Faltung des wiederzugebenden Inhalts mit den eigenen Ansteuerungsfunktionen.
- - Determining the driving function of the speakers depending on the desired position of the virtual source and the determined geometric arrangement. Preferably, a set of voices (smartphones) are selected for each source to be active when playing this virtual source.
- - For the above mentioned two cases of playback, the following should be noted: - Content stored on one device only: In this case, the content will be sent to each participant that is to be active according to the selection when playing a particular source. - All participants have the entire (musical) content to be played back: here only the time hand is determined on the active file.
- - Synchronization of the terminals. It must be ensured that the data delay caused by the radio transmission is compensated.
- - Fast convolution of the content to be played with its own control functions.
Für eine Konferenzschaltung zur Vollduplexkommunikation wird im Folgenden zwischen der Wiedergabe- und Aufnahmetechnik unterschieden:
Für die Wiedergabe wird – wieder in Abhängigkeit von der Netzwerktopologie – zwischen drei Fällen unterschieden:
- 1A. Die lokalen Teilnehmer können einen Teilnehmer in einem fernen Ende über den externen Hauptknoten anwählen. In diesem Fall wird vorzugsweise auf dem Server ein Echokompensator (engl. Acoustic Echo Canceler, AEC – siehe beispielsweise
E. Hänsler, G. Schmidt, Topics in acoustic echo and noise control: selected methods for the cancellation of acoustical echoes, the reduction of background noise, and speech processing, Springer-Verlag, Berlin 2006 H. Buchner, J. Benesty, und W. Kellermann, Generalized multichannel frequency-domain adaptive filtering: efficient realization and application to hands-free speech communication, Signal Processing, Bd. 85, Nr. 3, S. 549–570, 2005 C. Faller and C. Tournery, Stereo acoustic echo control using a simplified echo path model, in Proc. IWAENC, 2006 EP 1 715 669 A1 - 1B. Nur der Teilnehmer, dessen Smartphone oder Endgerät als Server dient, kann einen Teilnehmer im fernen Ende anrufen. Dann wird der Echounterdrücker (bzw. -kompensator) vorzugsweise auf diesem Gerät implementiert sein.
- 2. Jeder Teilnehmer kann selbst über den eigenen Mobilfunkanbieter einen Teilnehmer in einem fernen Ende anrufen und das Sprachsignal dieses im nahen Ende je nach gewünschter Position der virtuellen Quelle über dem lokalen Netzwerk weiterreichen (ausstrahlen). In diesem Szenario sollte der Echounterdrücker (bzw. -kompensator) auf jedem der beteiligten Endgeräte implementiert sein.
Again, depending on the network topology, a distinction is made between three cases:
- 1A. The local subscribers can dial a subscriber in a far end via the external main node. In this case, preferably on the server an echo canceller (Acoustic Echo Canceler, AEC - see, for example
E. Hänsler, G. Schmidt, Topics in acoustic echo and noise control: selected methods for the cancellation of acoustical echoes, the reduction of background noise, and speech processing, Springer-Verlag, Berlin 2006 H. Buchner, J. Benesty, and W. Kellermann, Generalized multichannel frequency-domain adaptive filtering: efficient realization and application to hands-free speech communication, Signal Processing, Vol. 85, No. 3, pp. 549-570, 2005 C. Faller and C. Tournery, Stereo acoustic echo control using a simplified echo path model, in Proc. IWAENC, 2006 EP 1 715 669 A1 - 1B. Only the subscriber whose smartphone or terminal serves as a server can call a subscriber in the far end. Then, the echo canceller (or compensator) will preferably be implemented on this device.
- 2. Each subscriber can even call a subscriber in a far end via their own mobile service provider and pass on the voice signal in the near end depending on the desired position of the virtual source on the local network (broadcast). In this scenario, the echo suppressor (or compensator) should be implemented on each of the participating terminals.
Genau wie auf der Wiedergabeseite stehen auch auf der Aufnahmeseite mehrere elektroakustische Wandler aufgrund der im lokalen Raum verteilten Endgeräte zur Verfügung. Grundsätzlich kann die mehrkanalige Aufnahme ebenfalls für eine räumliche Verarbeitung genutzt werden, insbesondere für die Unterdrückung von Störsignalen. Bei der Aufnahme sieht die Erfindung deshalb die Anwendung von bereits bekannten mehrkanaligen adaptiven Verfahren zur blinden Quellentrennung (siehe z. B.
Die Erfindung sieht auch eine eventuelle Kombination der genannten Verfahren zur Signalverbesserung vor. So kann beispielsweise ein hierarchischer Ansatz verfolgt werden, in dem zunächst ein Cluster von Teilnehmern durch einfache Selektion gebildet werden kann und dann eine blinde Quellentrennung in diesem Cluster durchgeführt wird.The invention also provides for a possible combination of said signal enhancement methods. Thus, for example, a hierarchical approach can be followed, in which initially a cluster of participants can be formed by simple selection and then a blind source separation is performed in this cluster.
Bei der Verarbeitung der Audiodaten wird wegen der möglichen Vielzahl von Kanälen aus Komplexitätsgründen vorzugsweise eine Parallelisierungsstrategie auf der als Server dienendem Rechner oder Endgerät verfolgt. So kann beispielsweist eine Verarbeitung im Transformationsbereich (siehe
Obwohl die Erfindung mittels der Figuren und der zugehörigen Beschreibung dargestellt und detailliert beschrieben ist, sind diese Darstellung und diese detaillierte Beschreibung illustrativ und beispielhaft zu verstehen und nicht als die Erfindung einschränkend. Es versteht sich, dass Fachleute Änderungen und Abwandlungen machen können, ohne den Umfang der folgenden Ansprüche zu verlassen. Insbesondere umfasst die Erfindung ebenfalls Ausführungsformen mit jeglicher Kombination von Merkmalen, die vorstehend zu verschiedenen Aspekten und/oder Ausführungsformen genannt oder gezeigt sind.While the invention has been illustrated and described in detail by the figures and the accompanying description, this description and detailed description are to be considered illustrative and exemplary and not limiting as to the invention. It is understood that those skilled in the art can make changes and modifications without departing from the scope of the following claims. In particular, the invention also includes embodiments with any combination of features that are mentioned or shown above in various aspects and / or embodiments.
Die Erfindung umfasst ebenfalls einzelne Merkmale in den Figuren auch wenn sie dort im Zusammenhang mit anderen Merkmalen gezeigt sind und/oder vorstehend nicht genannt sind.The invention also includes individual features in the figures, even if they are shown there in connection with other features and / or not mentioned above.
Weiterhin schließt der Ausdruck „umfassen” und Ableitungen davon andere Elemente oder Schritte nicht aus. Ebenfalls schließt der unbestimmte Artikel „ein” bzw. „eine” und Ableitungen davon eine Vielzahl nicht aus. Die Funktionen mehrerer in den Ansprüchen aufgeführter Merkmale können durch eine Einheit erfüllt sein. Die Begriffe „im Wesentlichen”, „etwa”, „ungefähr” und dergleichen in Verbindung mit einer Eigenschaft beziehungsweise einem Wert definieren insbesondere auch genau die Eigenschaft beziehungsweise genau den Wert.Furthermore, the term "comprising" and derivatives thereof does not exclude other elements or steps. Also, the indefinite article "a" and "derivatives" and derivatives thereof do not exclude a variety. The functions of several features listed in the claims may be fulfilled by one unit. The terms "substantially", "approximately", "approximately" and the like in connection with a property or a value in particular also define precisely the property or exactly the value.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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