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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Audiowiedergabesysteme und insbesondere auf für die Praxis
geeignete Audiowiedergabesysteme für Wiedergaberäume variabler
Größe, wie
beispielsweise Kinos, wobei die Audiowiedergabesysteme auf der Wellenfeldsynthese
basieren.
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Es besteht ein steigender Bedarf
an neuen Technologien und innovativen Produkten im Bereich der Unterhaltungselektronik.
Dabei ist es eine wichtige Voraussetzung für den Erfolg neuer multimedialer Systeme,
optimale Funktionalitäten
bzw. Fähigkeiten anzubieten.
Erreicht wird das durch den Einsatz digitaler Technologien und insbesondere
der Computertechnik. Beispiele hierfür sind die Applikationen, die einen
verbesserten realitätsnahen
audiovisuellen Eindruck bieten. Bei bisherigen Audiosystemen liegt ein
wesentlicher Schwachpunkt in der Qualität der räumlichen Schallwiedergabe von
natürlichen,
aber auch von virtuellen Umgebungen.
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Verfahren zur mehrkanaligen Lautsprecherwiedergabe
von Audiosignalen sind seit vielen Jahren bekannt und standardisiert.
Alle üblichen
Techniken besitzen den Nachteil, daß sowohl der Aufstellungsort
der Lautsprecher als auch die Position des Hörers dem Übertragungsformat bereits eingeprägt sind.
Bei falscher Anordnung der Lautsprecher im Bezug auf den Hörer leidet
die Audioqualität
deutlich. Ein optimaler Klang ist nur in einem kleinen Bereich des
Wiedergaberaums, dem so genannten Sweet Spot, möglich.
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Ein besserer natürlicher Raumeindruck sowie
eine stärkere
Einhüllung
bei der Audiowiedergabe kann mit Hilfe einer neuen Technologie erreicht werden.
Die Grundlagen dieser Technologie, die so genannte Wellenfeldsynthese
(WFS; WFS = Wave-Field Synthesis), wurden an der TU Delft erforscht
und erstmals in den späten
80er-Jahren vorgestellt (Berkhout, A.J.; de Vries, D.; Vogel, P.: Acoustic
control by Wavefield Synthesis. JASA 93, 1993).
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Infolge der enormen Anforderungen
dieser Methode an Rechnerleistung und Übertragungsraten wurde die
Wellenfeldsynthese bis jetzt nur selten in der Praxis angewendet.
Erst die Fortschritte in den Bereichen der Mikroprozessortechnik
und der Audiocodierung gestatten heute den Einsatz dieser Technologie
in konkreten Anwendungen. Erste Produkte im professionellen Bereich
werden nächstes
Jahr erwartet. In wenigen Jahren sollen auch erste Wellenfeldsynthese-Anwendungen für den Konsumerbereich
auf den Markt kommen.
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Die Grundidee von WFS basiert auf
der Anwendung des Huygens'schen
Prinzips der Wellentheorie: Jeder Punkt, der von einer Welle erfaßt wird, ist
Ausgangspunkt einer Elementarwelle, die sich kugelförmig bzw.
kreisförmig
ausbreitet.
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Angewandt auf die Akustik kann durch
eine große
Anzahl von Lautsprechern, die nebeneinander angeordnet sind (einem
so genannten Lautsprecherarray), jede beliebige Form einer einlaufenden
Wellenfront nachgebildet werden. Im einfachsten Fall, einer einzelnen
wiederzugebenden Punktquelle und einer linearen Anordnung der Lautsprecher,
müssen die
Audiosignale eines jeden Lautsprechers mit einer Zeitverzögerung und
Amplitudenskalierung so gespeist werden, daß sich die abgestrahlten Klangfelder
der einzelnen Lautsprecher richtig überlagern. Bei mehreren Schallquellen
wird für
jede Quelle der Beitrag zu jedem Lautsprecher getrennt berechnet und
die resultierenden Signale addiert. Befinden sich die wiederzugebenden
Quellen in einem Raum mit reflektierenden Wänden, dann müssen auch
Reflexionen als zusätzliche
Quellen über
das Lautsprecherarray wiedergegeben werden. Der Aufwand bei der Berechnung
hängt daher
stark von der Anzahl der Schallquellen, den Reflexionseigenschaften
des Aufnahmeraums und der Anzahl der Lautsprecher ab.
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Der Vorteil dieser Technik liegt
im Besonderen darin, daß ein
natürlicher
räumlicher
Klangeindruck über
einen großen
Bereich des Wiedergaberaums möglich
ist. Im Gegensatz zu den bekannten Techniken werden Richtung und
Entfernung von Schallquellen sehr exakt wiedergegeben. In beschränktem Maße können virtuelle
Schallquellen sogar zwischen dem realen Lautsprecherarray und dem
Hörer positioniert
werden.
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Obgleich die Wellenfeldsynthese für Umgebungen
gut funktioniert, deren Beschaffenheiten bekannt sind, treten doch
Unregelmäßigkeiten
auf, wenn sich die Beschaffenheit ändert bzw. wenn die Wellenfeldsynthese
auf der Basis einer Umgebungsbeschaffenheit ausgeführt wird,
die nicht mit der tatsächlichen
Beschaffenheit der Umgebung übereinstimmt.
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Eine Umgebungsbeschaffenheit kann
durch die Impulsantwort der Umgebung beschrieben werden.
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Dies wird anhand des nachfolgenden
Beispiels näher
dargelegt. Es wird davon ausgegangen, daß ein Lautsprecher ein Schallsignal
gegen eine Wand aussendet, deren Reflexion unerwünscht ist. Für dieses
einfache Beispiel würde
die Raumkompensation unter Verwendung der Wellenfeldsynthese darin
bestehen, daß zunächst die
Reflexion dieser Wand bestimmt wird, um zu ermitteln, wann ein Schallsignal,
das von der Wand reflektiert worden ist, wieder beim Lautsprecher
ankommt, und welche Amplitude dieses reflektierte Schallsignal hat.
Wenn die Reflexion von dieser Wand unerwünscht ist, so besteht mit der
Wellenfeldsynthese die Möglichkeit,
die Reflexion von dieser Wand zu eliminieren, indem dem Lautsprecher
ein zu dem Reflexionssignal gegenphasiges Signal mit entsprechender
Amplitude zusätzlich
zum ursprünglichen
Audiosignal eingeprägt
wird, so daß die
hinlaufende Kompensationswelle die Reflexionswelle auslöscht, derart,
daß die Reflexion
von dieser Wand in der Umgebung, die be trachtet wird, eliminiert
ist. Dies kann dadurch geschehen, daß zunächst die Impulsantwort der
Umgebung berechnet wird und auf der Basis der Impulsantwort dieser
Umgebung die Beschaffenheit und Position der Wand bestimmt wird,
wobei die Wand als Spiegelquelle interpretiert wird, also als Schallquelle,
die einen einfallenden Schall reflektiert.
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Wird zunächst die Impulsantwort dieser
Umgebung gemessen und wird dann das Kompensationssignal berechnet,
das dem Audiosignal überlagert dem
Lautsprecher eingeprägt
werden muß,
so wird eine Aufhebung der Reflexion von dieser Wand stattfinden,
derart, daß ein
Hörer in
dieser Umgebung schallmäßig den
Eindruck hat, daß diese
Wand überhaupt
nicht existiert.
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Entscheidend für eine optimale Kompensation
der reflektierten Welle ist jedoch, daß die Impulsantwort des Raums
genau bestimmt wird, damit keine Über- oder Unterkompensation
auftritt.
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Die Wellenfeldsynthese ermöglicht somit eine
korrekte Abbildung von virtuellen Schallquellen über einen großen Wiedergabebereich.
Gleichzeitig bietet sie dem Tonmeister und Toningenieur neues technisches
und kreatives Potential bei der Erstellung auch komplexer Klanglandschaften.
Die Wellenfeldsynthese (WFS oder auch Schallfeldsynthese), wie sie
Ende der 80-er Jahre an der TU Delft entwickelt wurde, stellt einen
holographischen Ansatz der Schallwiedergabe dar. Als Grundlage hierfür dient das
Kirchhoff-Helmholtz-Integral.
Dieses besagt, daß beliebige
Schallfelder innerhalb eines geschlossenen Volumens mittels einer
Verteilung von Monopol- und Dipolschallquellen (Lautsprecherarrays)
auf der Oberfläche
dieses Volumens erzeugt werden können.
Details hierzu finden sich in M.M. Boone, E.N.G. Verheijen, P.F.
v. Tol, „Spatial
Sound-Field Reproduction by Wave-Field
Synthesis", Delft
University of Technology Laboratory of Seismics and Acoustics, Journal
of J. Audio Eng. Soc., Bd. 43, Nr. 12, Dezember 1995 und Diemer
de Vries, „Sound Reinforcement
by Wavefield Synthesis: Adaption of the Synthesis Operator to the
Loudspeaker Directivity Characteristics", Delft University of Technology Laboratory
of Seismics and Acoustics, Journal of J. Audio Eng. Soc., Bd. 44,
Nr. 12, Dezember 1996.
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Bei der Wellenfeldsynthese wird aus
einem Audiosignal, das eine virtuelle Quelle an einer virtuellen
Position aussendet, eine Synthesesignal für jeden Lautsprecher des Lautsprecherarrays
berechnet, wobei die Synthesesignale derart hinsichtlich Amplitude
und Phase gestaltet sind, daß eine
Welle, die sich aus der Überlagerung
der einzelnen durch die im Lautsprecherarray vorhandenen Lautsprecher ausgegebenen
Schallwelle ergibt, der Welle entspricht, die von der virtuellen
Quelle an der virtuellen Position herrühren würde, wenn diese virtuelle Quelle
an der virtuellen Position eine reale Quelle mit einer realen Position
wäre.
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Typischerweise sind mehrere virtuelle
Quellen an verschiedenen virtuellen Positionen vorhanden. Die Berechnung
der Synthesesignale wird für jede
virtuelle Quelle an jeder virtuellen Position durchgeführt, so
daß typischerweise
eine virtuelle Quelle in Synthesesignalen für mehrere Lautsprecher resultiert.
Von einem Lautsprecher aus betrachtet empfängt dieser Lautsprecher somit
mehrere Synthesesignale, die auf verschiedene virtuelle Quellen
zurückgehen.
Eine Überlagerung
dieser Quellen, die aufgrund des linearen Superpositionsprinzips möglich ist,
ergibt dann das von dem Lautsprecher tatsächlich ausgesendete Wiedergabesignal.
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Die Möglichkeiten der Wellenfeldsynthese können um
so besser ausgeschöpft
werden, je größer die
Lautsprecherarrays sind, d. h. um so mehr einzelne Lautsprecher
bereitgestellt werden. Damit steigt jedoch auch die Rechenleistung,
die eine Wellenfeldsyntheseeinheit vollbringen muß, da typischerweise
auch Kanalinformationen berücksichtigt werden
müssen.
Dies bedeutet im einzelnen, daß von
jeder virtuellen Quelle zu jedem Lautsprecher prinzipiell ein eigener Übertragungskanal
vorhanden ist, und daß prinzipiell
der Fall vorhanden sein kann, daß jede virtuelle Quelle zu
einem Synthesesignal für jeden
Lautsprecher führt,
bzw. daß jeder
Lautsprecher eine Anzahl von Synthesesignalen erhält, die gleich
der Anzahl von virtuellen Quellen ist.
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Wenn insbesondere bei Kinoanwendungen die
Möglichkeiten
der Wellenfeldsynthese dahingehend ausgeschöpft werden sollen, daß die virtuellen Quellen
auch beweglich sein können,
so ist zu erkennen, daß aufgrund
der Berechnung der Synthesesignale, der Berechnung der Kanalinformationen
und der Erzeugung der Wiedergabesignale durch Kombination der Kanalinformationen
und der Synthesesignale ganz erhebliche Rechenleistungen zu bewältigen sind.
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Darüber hinaus sei an dieser Stelle
angemerkt, daß die
Qualität
der Audiowiedergabe mit der Anzahl der zur Verfügung gestellten Lautsprecher steigt.
Dies bedeutet, daß die
Audiowiedergabequalität
um so besser und realistischer wird, um so mehr Lautsprecher in
dem bzw. den Lautsprecherarrays vorhanden sind.
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Im obigen Szenario könnten die
fertig gerenderten und Analog-Digital-gewandelten Wiedergabesignale
für die
einzelnen Lautsprecher beispielsweise über Zweidrahtleitungen von
der Wellenfeldsynthese-Zentraleinheit zu den einzelnen Lautsprechern übertragen
werden. Dies hätte
zwar den Vorteil, daß nahezu
sichergestellt ist, daß alle
Lautsprecher synchron arbeiten, so daß hier zu Synchronisationszwecken
keine weiteren Maßnahmen
erforderlich wären. Andererseits
könnte
die Wellenfeldsynthese-Zentraleinheit immer nur für einen
speziellen Wiedergaberaum bzw. für
eine Wiedergabe mit einer festgelegten Anzahl von Lautsprechern
hergestellt werden. Dies bedeutet, daß für jeden Wiedergaberaum eine eigene
Wellenfeldsynthese-Zentraleinheit gefertigt werden müßte, die
ein erhebliches Maß an
Rechenleistung zu vollbringen hat, da die Berechnung der Audiowiedergabesignale
insbesondere im Hinblick auf viele Lautsprecher bzw. viele virtuelle
Quellen zumindest teilweise parallel und in Echtzeit erfolgen muß.
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Insbesondere im Hinblick auf Audiowiedergabesysteme,
die für
Kinos gedacht sind, existiert jedoch das Problem, daß die Wiedergaberäume in Kinos
hinsichtlich ihrer Größe erheblich
variieren. So haben Kinos manchmal einen sehr großen Kinosaal und/oder
gleichzeitig mehrere kleine Kinosäle für Filme, die nicht einen derart
hohen Zuschauerandrang erleben als Filme, die in großen Kinosälen gespielt werden
sollen. So haben jedoch auch unterschiedliche Kinos unterschiedlich
große
Wiedergaberäume, die
insbesondere dann, wenn an eine Audiowiedergabe nicht nur in Kinos
sondern z. B. in Konzertsälen gedacht
wird, möglicherweise
bis zu einem Faktor 100 variieren können.
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Um derart verschieden Audiowiedergaberäume mit
einem Audiowiedergabesystem auf der Basis der Wellenfeldsynthese
auszustatten, müßte z. B.
für jeden
Wiedergaberaum eine eigene Wellenfeldsynthese-Zentraleinheit gebaut
werden, was aufgrund der Einzelproduktion im Hinblick auf den Preis nicht
akzeptabel ist.
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Andererseits könnte eine maximal ausgestattete
Wellenfeldsynthese-Zentraleinheit aufgebaut werden, die im Hinblick
auf die anschließbaren
Lautsprecher, also im Hinblick auf die Anzahl von Analogsignalausgängen steuerbar
ist, jedoch intern Rechenprozessoren umfaßt, die für die maximale Anzahl von Analogausgängen, also
verbindbaren Lautsprechern, ausgelegt ist.
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Ein solches System würde dazu
führen,
daß auch
Audiowiedergabesysteme für
kleinere Wiedergaberäume
nahezu denselben Preis mit sich bringen wie Audiowiedergabesysteme
für sehr
große
Wiedergaberäume,
was für
die Betreiber von kleinen Wiedergaberäumen nicht akzeptabel sein
dürfte.
Insbesondere die mittleren bis kleinen Wiedergaberäume sind
für Anbieter
von Audiowiedergabesystemen interessant, wobei an dieser Stelle
auch die „kleinsten" Wiedergaberäume erwähnt werden
sollen, die z. B. häusliche
Wohnzimmer oder kleinere Gaststätten darstellen.
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Die vorstehend beschriebenen Möglichkeiten
sind daher dahingehend nachteilhaft, daß eine durchgreifende Marktakzeptanz
nicht unmittelbar zu erwarten ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht darin, ein Audiowiedergabekonzept zu schaffen, das eine
höhere
Marktakzeptanz aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Audiowiedergabesystem
nach Patentanspruch 1, ein Verfahren zum Wiedergeben eines Audiosignals
nach Patentanspruch 19 oder ein Computer-Programm nach Patentanspruch
20 gelöst.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Erkenntnis zugrunde, daß Audiowiedergabesysteme,
die eine Marktakzeptanz erreichen sollen, skalierbar sein müssen. Die
Skalierbarkeit darf jedoch nicht nur hinsichtlich der zur Verfügung gestellten
Rechenleistung stattfinden, sondern muß sich auch in dem Preis des Audiowiedergabesystems
auswirken. Dies bedeutet in anderen Worten, daß ein Audiowiedergabesystem für einen
großen
Wiedergaberaum mehr kosten darf als ein Audiowiedergabesystem für einen
kleinen Wiedergaberaum. In anderen Worten ausgedrückt muß ein Audiowiedergabesystem
für einen
kleinen Wiedergaberaum erheblich weniger kosten als ein Audiowiedergabesystem
für einen
großen
Wiedergaberaum.
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Bei vorstehend beschriebenen denkbaren Konzepten
waren die Preisunterschiede unerheblich, da Preisunterschiede lediglich
durch die Anzahl von einzelnen Lautsprechern bedingt waren, die
jedoch aufgrund der Tatsache, daß sehr viele Lautsprecher bereitgestellt
werden, und aufgrund neuartiger Integrationskonzepte in das Bauwerk,
das den Wiedergaberaum beinhaltet, preisgünstig angeboten werden können.
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Erfindungsgemäß wird das Audiowiedergabesystem
in ein zentrales Wellenfeldsynthesemodul und in viele dezentral
mit dem zentralen Wellenfeldsynthesemodul verbundene einzelne Lautsprechermodule
aufgeteilt. Das zentrale Wellenfeldsynthesemodul empfängt ein
Audiosignal mit einer Mehrzahl von Audiospuren und berechnet einerseits
die Synthesesignale und andererseits die Kanalinformationen für die Kanäle von den
virtuellen Positionen zu den realen Lautsprecherpositionen.
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Das zentrale Wellenfeldsynthesemodul
ist ferner ausgebildet, um jedem Lautsprecher eines oder mehrere
Synthesesignale zuzuführen,
die von dem betroffenen Lautsprecher wiederzugeben sind, sowie Kanalinformationen
für die
Audiokanäle
von den virtuellen Positionen der virtuellen Quellen, von denen
das eine oder die mehreren Synthesesignale stammen, zu dem betroffenen
Lautsprecher zu liefern. Hierbei kann bereits eine erhebliche Datenratenübertragungseinschränkung erreicht
werden, da die Erfahrung zeigt, daß sehr selten der Fall eintritt, daß jeder
Lautsprecher Synthesesignale erhält,
deren Energieinhalt größer als
ein bestimmter Schwellwert ist. Das erfindungsgemäße zentrale
Wellenfeldsynthesemodul hat somit bereits die Option, einem dezentralen
Lautsprechermodul nur die Synthesesignale und ferner nur die Kanalinformationen
für die Synthesesignale
zuzuführen,
die für
den einzelnen Lautsprecher bedeutsam sind.
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Die erfindungsgemäßen Lautsprechermodule sind
dezentral ausgeführt
und mit dem Lautsprecher unmittelbar gekoppelt bzw. vorzugsweise
in räumlicher
Nähe zum
Lautsprecher angeordnet. Jedes Lautsprechermodul umfaßt einen
Empfänger zum
Empfangen des einen oder der mehreren Synthesesignale für den betroffenen
Lautsprecher sowie der den Synthesesignalen zugeordneten Kanalinformationen.
Ferner umfaßt
jedes Lautsprechermodul eine Rendering-Einrichtung zum Berechnen
eines Wiedergabesignals für
den Lautsprecher unter Verwendung der Synthesesignale und der Kanalinformationen
für die
zu geführten
Synthesesignale. Schließlich
umfaßt
jedes Lautsprechermodul noch eine Signalverarbeitungseinrichtung
mit möglicherweise
einem digitalen Verstärker,
einer weiteren digitalen Signalverarbeitungseinrichtung sowie schließlich einem
Digital-Analog-Wandler zum Erzeugen eines analogen Lautsprechersignals,
das dem betroffenen Lautsprecher zuzuführen ist, aufgrund des Wiedergabesignals.
Zur Verbindung des zentralen Wellenfeldsynthesemoduls und der dezentralen
Lautsprechermodule ist eine Mehrzahl von Übertragungsstrecken vorgesehen,
wobei sich eine Übertragungsstrecke
jeweils von dem zentralen Wellenfeldsynthesemodul zu dem einzelnen
Lautsprecher erstreckt.
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Sehr rechenaufwendig ist die Operation
des Renderings, die im Hinblick auf die erforderliche Schaltungshardware
in Form eines beispielsweise DSP oder einer fest verdrahteten Schaltung
erheblich zu den Kosten beiträgt,
insbesondere wenn an den Multiplikator gedacht wird, der für jeden
einzelnen Lautsprecher vorgesehen ist. Vorzugsweise arbeitet die
Rendering-Einrichtung unter Verwendung von Kanalimpulsantworten
als Kanalinformationen und führt
somit eine rechenzeitintensive Faltung durch, die entweder im Zeitbereich
direkt ausführbar ist,
oder im Frequenzbereich durchgeführt
wird, wobei hierfür
Transformationen in den Frequenzbereich und Transformationen aus
dem Frequenzbereich erforderlich sind, die zusammen mit der eigentlichen Multiplikationsoperation
im Frequenzbereich zu einem erheblichen Aufwand führen. Hierbei
sei insbesondere daran gedacht, daß eine Rendering-Einheit nicht
nur ein einziges Synthesesignal rendern muß, sondern immer eine große Anzahl
von Synthese-Signalen, die normalerweise mit der Anzahl von virtuellen
Quellen korrespondiert.
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Das erfindungsgemäße Konzept führt dazu, daß dezentral
durchführbare
Operationen aus dem zentralen Wellenfeldsynthesemodul heraus in
die dezentralen Lautsprechermodule verlagert werden, derart, daß im besten
Fall nur noch die Operationen in dem zentralen Wellenfeldsynthesemodul
ausge führt
werden, die für
alle Lautsprecher gleichermaßen
bedeutend sind, während
sämtliche
Operationen, die nur einen Lautsprecher betreffen, oder mehrere
Lautsprecher, die an ein Lautsprechermodul angeschlossen sind, auch
dezentral in dem Lautsprechermodul ausgeführt werden.
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Damit können die Kosten für das zentrale Wellensynthesemodul
erheblich verringert werden, jedoch auf Kosten der Lautsprechermodule,
deren Preis nunmehr nicht mehr vernachlässigbar ist, aufgrund der in
den Lautsprechermodulen hauptsächlich
durchgeführten
Operation des Audio-Renderings.
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Das erfindungsgemäße Audiowiedergabesystem ist
nun jedoch sowohl hinsichtlich der Leistung als auch des Preises
skalierbar. Es eröffnet
sich die Möglichkeit,
ein zentrales Wellenfeldsynthesemodul für eine große Anzahl von Wiedergaberäumen zu einem
reduzierten Preis anzubieten, derart, daß die Kosten für das Gesamtsystem,
die sich aus den Kosten für
die Zentraleinheit und die dezentralen Lautsprechermodule ergeben,
nunmehr stark mit der Anzahl von eingerichteten Lautsprechern und
damit der Größe des Wiedergaberaums
korrespondieren.
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In anderen Worten ausgedrückt wird
ein Betreiber eines großen
Wiedergaberaums nach wie vor einen bestimmten Preis für ein Wiedergabesystem für seinen
großen
Wiedergaberaum entrichten müssen.
Andererseits wird jedoch ein Betreiber eines kleineren Wiedergaberaums
ein Audiowiedergabesystem zu einem erheblich geringeren Preis erstehen können, da
die Anzahl von Lautsprechern und damit die Anzahl von aufwendigen
und kostenintensiven Lautsprechermodulen im Vergleich zum großen Wiedergaberaum
erheblich reduziert ist.
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Das erfindungsgemäße Audiowiedergabesystem ermöglicht es
somit, Audiowiedergabesysteme für
kleinere Wiedergaberäume
zu erheblich reduzierten Preisen im Vergleich zu großen Wiedergaberäumen anzubieten,
so daß aufgrund
des reduzier ten Preises auf dem sehr wettbewerbsintensiven Markt der
Audio/Video-Komponenten eine Marktakzeptanz erhofft wird.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist die zentrale Wellenfeldsyntheseeinheit
ausgebildet, um im herkömmlichen
Audioformat für
Kinofilme aufgezeichnete Kinofilme verarbeiten zu können, wobei übliche Aufnahmeformate
beispielsweise das 5.1-Surround-Format oder 7.1.-Format oder 10.2-Format
sind. Ein solcher Kinofilm umfaßt
am Beispiel des 5.1-Formats sechs Audiospuren, also Audiospuren
für den
Kanal "links hinten", "rechts hinten", "vorne links", "vorne rechts" und "vorne mitte", sowie den Baßkanal (Subwoofer-Kanal).
Eine Wiedergabe eines solchen im Hinblick auf die Audiotechnik herkömmlichen
Kinofilms in dem erfindungsgemäßen Audiowiedergabesystem kann
dadurch erreicht werden, daß die
Audiospuren als virtuelle Quellen an virtuellen Positionen plaziert werden,
die je nach Belieben des Tonmeisters bzw. des Betreibers des Wiedergaberaums
gewählt
werden können.
Die Möglichkeit
der kompatiblen Wiedergabe für
ein Audiowiedergabesystem mit skalierbarem Preis liefert daher einen
Beitrag, daß sich
Audiowiedergabesysteme auf der Basis der Wellenfeldsynthese bereits
zu einem Zeitpunkt verbreiten, zu dem noch wenig Kino/Video-Filme
mit vollständig Wellenfeldsynthesegeeigneten
Audiospuren zusammen mit den entsprechend nötigen Metainformationen über das
Aufnahme-Setting vorliegen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden
Zeichnungen detailliert erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Konzeptionsdiagramm des erfindungsgemäßen Audiowiedergabesystems;
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2 ein
Blockschaltbild des erfindungsgemäßen zentralen Wellenfeldsynthesemoduls;
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3 ein
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen dezentralen Lautsprechermoduls;
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4 ein
Blockschaltbild einer bevorzugten Ausgestaltung der Audio-Renderingeinheit
in einem dezentralen Lautsprechermodul;
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5 eine
Prinzipdarstellung einer kompatiblen Wiedergabe mit großem Sweet
Spot;
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6 eine
Prinzipskizze für
das Zustandekommen von mehreren Synthesesignalen für einen Lautsprecher,
die jeweils mit Kanalinformationen zu beaufschlagen sind, um das
Wiedergabesignal für den
Lautsprecher LSi zu erhalten; und
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7 eine
Prinzipdarstellung eines Kanals von einer virtuellen Quelle zu einem
realen Lautsprecher mit Darstellung der Größen, die einen Einfluß auf den
Kanal haben können.
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Das erfindungsgemäße Audiowiedergabesystem gliedert
sich, wie es in 1 dargestellt
ist, grundsätzlich
in zwei Teile. Ein Teil ist das zentrale Wellenfeldsynthesemodul 10.
Der andere Teil setzt sich aus einzelnen Lautsprechermodulen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e zusammen,
die mit tatsächlichen
physikalischen Lautsprechern 14a, 14b, 14c, 14d, 14e derart
verbunden sind, wie es in 1 gezeigt
ist. Es sei darauf hingewiesen, daß die Anzahl der Lautsprecher 14a-14e bei
typischen Anwendungen im Bereich über 50 und typischerweise sogar
deutlich über 100
liegt. Wird jedem Lautsprecher ein eigenes Lautsprechermodul zugeordnet,
so wird auch die entsprechende Anzahl von Lautsprecher-Modulen benötigt. Je
nach Anwendung wird es jedoch bevorzugt, von einem Lautsprecher-Modul
aus eine kleine Gruppe von nebeneinander liegenden Lautsprechern
anzusprechen. In diesem Zusammenhang ist es beliebig, ob ein Lautsprecher-Modul,
das mit vier Lautsprechern beispielsweise verbunden ist, die vier Lautsprecher
mit demselben Wiedergabesignal speist, oder ob für die vier Lautsprecher entsprechende
unterschiedliche Synthesesignale berechnet werden, so daß ein solches
Lautsprecher-Modul eigentlich aus mehreren einzelnen Lautsprecher-Modulen
besteht, die jedoch physikalisch in einer Einheit zusammengefaßt sind.
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Zwischen dem Wellenfeldsynthesemodul 10 und
jedem einzelnen Lautsprecher-Modul 12a-12e befindet sich
eine eigene Übertragungsstrecke 16a-16e,
wobei jede Übertragungsstrecke
mit dem zentralen Wellenfeldsynthesemodul und einem eigenen Lautsprecher-Modul
gekoppelt ist.
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Als Datenübertragungsmodus zum Übertragen
von Daten von dem Wellenfeldsynthesemodul zu einem Lautsprecher-Modul
wird ein serielles Übertragungsformat
bevorzugt, das eine hohe Datenrate liefert, wie beispielsweise ein
sogenanntes Firewire-Übertragungsformat
oder ein USB-Datenformat. Datenübertragungsraten
von über
100 Megabit pro Sekunde sind vorteilhaft.
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Der Datenstrom, der von dem Wellenfeldsynthesemodul 10 zu
einem Lautsprecher-Modul übertragen
wird, wird somit je nach gewähltem
Datenformat in dem Wellenfeldsynthesemodul entsprechend formatiert
und mit einer Synchronisationsinformation versehen, die in üblichen
seriellen Datenformaten vorgesehen ist. Diese Synchronisationsinformation wird
von den einzelnen Lautsprecher-Modulen aus dem Datenstrom extrahiert
und verwendet, um die einzelnen Lautsprecher-Module im Hinblick auf ihre Wiedergabe,
also letztendlich auf die Analog-Digital-Wandlung zum Erhalten des
analogen Lautsprechersignals und die dafür vorgesehene Abtastung (resampling)
zu synchronisieren. Es wird bevorzugt, daß das zentrale Wellenfeldsynthesemodul
als Master arbeitet, und daß alle
Lautsprecher-Module als Clients arbeiten, wobei die einzelnen Datenströme über die
verschiedenen Übertragungsstrecken 16a-16e alle
dieselben Synchronisationsinformationen von dem Zentralmodul 10 erhalten.
Dies stellt si cher, daß alle
Lautsprecher-Module synchron, und zwar synchronisiert von dem Master 10,
arbeiten, was für
das vorliegende Audiowiedergabesystem wichtig ist, um keinen Verlust
an Audioqualität
zu erleiden, damit die vom Wellenfeldsynthesemodul berechneten Synthesesignale
nicht zeitversetzt von den einzelnen Lautsprechern nach entsprechendem Audio-Rendering
abgestrahlt werden. Vorteilhaft an diesem Konzept ist, daß die einzelnen
Lautsprecher-Module nicht untereinander synchronisiert werden müssen. Sie
sind automatisch untereinander synchronisiert, da sie alle synchron
zum Master laufen. Eine Verbindung der einzelnen Lautsprecher-Module
untereinander wird für
die vorliegende Erfindung ungünstig
sein, da das modulare Konzept der Skalierbarkeit mit den Lautsprecher-Modulen
hinsichtlich der Wiedergaberaum-Größe ein einfaches Hinzufügen von
Modulen erfordert, ohne daß entsprechende
Verdrahtungen unter den Modulen erreicht werden müssen.
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2 zeigt
ein Blockschaltbild eines zentralen Wellenfeldsynthesemoduls gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Das zentrale Wellenfeldsynthesemodul
umfaßt zunächst eine
Eingabe-Einrichtung 20, die grundsätzlich ausgebildet ist, um
ein Audiosignal an einem Eingang zu empfangen, wobei das Audiosignal
eine Mehrzahl von Audiospuren aufweist, wobei jeder Audiospur eine
Audioquellenposition zugeordnet ist.
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Je nach Anwendung ist die Audioquellenposition
eine Angabe über
die Position eines Lautsprechers bezüglich eines Zuhörers im
Wiedergaberaum gemäß einem
standardisierten Audio-Format,
wie z. B. 5.1, um eine kompatible Wiedergabe zu erreichen. In diesem
Fall hätte
das Audiosignal 5+1=6 Audiospuren. Alternativ kann das Audiosignal
eine größere Anzahl
von Audiospuren haben, die bereits als Wellenfeldsynthesegeeignete
Signale vorliegen und Audioquellen bzw. Audioobjekte in einer realen
Aufzeichnungsposition darstellen, die im Hinblick auf die Audiosignalwiedergabe
als virtuelle Quellen im Wiedergaberaum unter Verwendung der Wellenfeldsynthese
abgebildet werden.
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Die Eingabeeinrichtung 20 wird
ferner bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung als Hauptsteuerungseinheit verwendet, die vorteilhafterweise
weitere Funktionalitäten hat.
Insbesondere hat sie die Funktionalität eines Decodiermoduls, wie
es üblicherweise
in Kinos verwendet wird. Alternativ oder zusätzlich ist die Eingabeeinrichtung 20 auch
als DVD-Decoder ausgebildet, der die separaten Audiokanäle bzw.
Audiospuren liefert.
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Alternativ ist die Wiedergabeeinrichtung 20 auch
als MPEG-4-Decodiermodul
ausgebildet, das bereits für
eine Wellenfeldsynthese gedachte Audiospuren 21 und entsprechende
Audioquelleninformationen 22 liefert. Insbesondere beziehen
sich die Audiospuren 21 jeweils auf Audiosignale von Audioobjekten
in einem Aufnahme-Setting, auf die Position der Audioobjekte in
dem Aufnahme-Setting, auf Eigenschaften von Audioobjekten, insbesondere
hinsichtlich der Größe des Audioobjekts
oder der Dichte im Hinblick auf die akustischen Eigenschaften des Audioobjekts.
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Ferner wird es bevorzugt, auch Eigenschaften
des Aufzeichnungsraums bzw. der Aufzeichnungsumgebung zusätzlich zu
den Audiospuren 21 zu übertragen,
um diese bei der Wellenfeldsynthese gegebenenfalls berücksichtigen
zu können.
Die Informationen über
den Aufzeichnungsraum bzw. die Aufzeichnungsumgebung sollen dafür dienen,
daß dem Zuhörer nicht
nur ein visueller sondern auch ein audiomäßiger Eindruck der Aufnahmesituation
gegeben wird. So soll der Besucher auch an dem wiedergegebenen Ton
merken, ob sich eine Aufnahmeszene eines Kinofilms unter freiem
Himmel beispielsweise abspielt oder z. B. in einem kleinen Raum,
wie beispielsweise einem U-Boot. Während ein Aufnahmeszenario
unter freiem Himmel relativ „trockene" Audiosignale liefert,
da die Aufnahmeumgebung kaum bzw. keine Reflexionen zeigt, wird
diese Situation in einem U-Boot beispielsweise kom plett anders sein. Hier
ist das Aufnahme-Setting durch einen sehr reflexionsreichen Raum
bzw. eine sehr reflexionsreiche Audioumgebung dargestellt. In diesem
Fall wird es bevorzugt, die Audiospuren möglichst trocken, also ohne
die Raumakustik im Aufnahmeraum einzuspielen und die Raumakustik
hinsichtlich ihrer Eigenschaften durch zusätzliche Metainformationen zu
beschreiben, wie sie gemäß dem Standard
MPEG 4 im standardisierten Datenstrom übertragen werden können.
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Das zentrale Wellenfeldsynthesemodul
umfaßt
ferner eine Einrichtung 24 zum Bestimmen von Kanalinformationen
einerseits und Wellenfeld-Synthesesignalen andererseits für die einzelnen
Lautsprecher. Hierzu ist ferner eine Einrichtung 25 zum Umsetzen
der Audioquellenpositionen 22 in virtuelle Positionen für die Wellenfeldsynthese
vorgesehen.
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Im einzelnen ist die Einrichtung 24 ausgebildet,
um Audiokanalinformationen für
jeden Audiokanal von einer virtuellen Position zu einer Lautsprecherposition
zu bestimmen, wobei die virtuelle Position von der Audioquellenposition,
die der Audiospur zugeordnet ist, abhängt (Einrichtung 25),
so daß für jeden
Kanal von jeder virtuellen Position zu jedem Lautsprecher Audiokanalinformationen
vorliegen. Ferner ist die Einrichtung 24 ausgebildet, um
unter Verwendung der Prinzipien der Wellenfeldsynthese, wie sie
eingangs dargestellt und bekannt sind, Synthesesignale von den virtuellen
Positionen für
die Lautsprecher zu berechnen.
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Das zentrale Wellenfeldsynthesemodul
in 2 umfaßt ferner
eine Einrichtung 26 zum Liefern von Synthesesignalen zu einem oder
mehreren Lautsprechern. Die Einrichtung 26 ist ferner ausgebildet, um
Kanalinformationen für
die übertragenen
Syntheseinformationen von dem zentralen Wellenfeldsynthesemodul über die
entsprechenden Übertragungsstrecken
zu den einzelnen Lautsprechermodulen zu übertragen, damit dort ein Audio-Rendering
stattfinden kann. Je nach Ausführungsform
wird es bevorzugt, zu jedem Synthesesignal, das sich auf einen Kanal
von einer virtuellen Position zu einem konkreten Lautsprecher bezieht,
weitere Kanalinformationen für
diesen Kanal zu übertragen.
Dies bedeutet, daß bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung die Einrichtung 24 für jedes Synthesesignal
auch Kanalinformationen liefert bzw. aus berechneten Kanalinformationen
interpoliert und der Einrichtung 26 zur Verfügung stellt,
damit dieselbe eine Übertragung
zu den einzelnen Lautsprechermodulen initiieren kann. Vorzugsweise
ist die Einrichtung 26 ausgebildet, um nicht-signifikante
Synthesesignale herauszufiltern und damit weder die nichtsignifikanten
Synthesesignale noch die dazugehörigen Kanalinformationen
zu übertragen,
um Datenübertragungskapazitäten einzusparen.
So tritt oft der Fall auf, daß eine
virtuelle Quelle zu signifikanten Synthesesignalen nur für einige
Lautsprecher führt,
während
für alle
anderen Lautsprecher im Lautsprecherarray zwar aufgrund der Theorie
der Wellenfeldsynthese ebenfalls Synthesesignale berechnet werden können, die
jedoch z. B. hinsichtlich ihrer Leistung in einem bestimmten Zeitabschnitt
relativ klein sind und daher im Hinblick auf eine reduzierte Datenübertragungsmenge
vernachlässigt
werden können.
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Im einzelnen umfaßt die Einrichtung 24 Funktionalitäten, um
dazu verwendet zu werden, um die Audiosignale vorzuverarbeiten.
Darüber
hinaus steuert die Einrichtung 24 die einzelnen Lautsprechermodule
insbesondere auch dahingehend, daß sie entweder unmittelbar
oder in Verbindung mit der Einrichtung 26 Synchronisationsinformationen
in die zu den einzelnen Lautsprechermodulen übertragenen Datenströme einbringt
und somit eine Zentralsynchronisation aller Lautsprechermodule auf
das zentrale Wellenfeldsynthesemodul erreicht.
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Insbesondere ist das zentrale Wellenfeldsynthesemodul
ausgebildet, um sämtliche
Verarbeitungsoperationen durchzuführen, die für alle Reproduktionskanäle gleich
sind, während
gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept
die Verarbeitungsopera tionen dezentral durchgeführt werden, die für die einzelnen
Lautsprecher bzw. die einzelnen Reproduktionskanäle unterschiedlich sind.
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Die Einrichtung 24 ist ferner
ausgebildet, um eine Simulation von Wellenfeldsynthese-Informationen
für Stereo-Signale, 5.1-Signale,
7.2-Signale, 10.2-Signale etc. im Hinblick auf eine kompatible Wiedergabe
durchzuführen.
Hierzu werden als Audioquellenpositionen die Normpositionen von
Lautsprechern bezüglich
eines Wiedergaberaums für
das genormte Audioformat verwendet.
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In dieser Hinsicht wird nachfolgend
auf 5 Bezug genommen. 5 zeigt einen Wiedergaberaum 50,
ein Lautsprecherarray 52, das sich um den Wiedergaberaum
erstreckt, sowie eine Vielzahl von virtuellen Quellen 53a-53e,
die, wie es aus 5 ersichtlich
ist, an virtuellen Positionen positioniert sind, die sich außerhalb
des Wiedergaberaums 50 befinden. Die Einrichtung 24 ist
in Verbindung mit der Einrichtung 25 von 1 ausgebildet, um aus den Audioquelleninformationen,
also den Norm-Positionsangaben für
ein solches beispielsweise 5.1-Signal, virtuelle Positionen zu berechnen,
die manuell steuerbar sind. Je nach Ausführungsform wird es bevorzugt,
die virtuellen Positionen z. B. ins Unendliche zu verschieben, so
daß das
Lautsprecherarray 52 den Wiedergaberaum 50 mit
ebenen Wellen beschallt. Dies führt
dazu, daß der
sogenannte Sweet-Spot, also der Bereich in einem Wiedergaberaum,
in dem ein optimaler Klangeindruck erhalten wird, im Vergleich zu
einer üblichen
Situation, bei der reale 5.1-Lautsprecher im Wiedergaberaum plaziert sind,
erheblich vergrößert wird.
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Alternativ können die virtuellen Quellen
auch an finiten virtuellen Positionen plaziert werden und als Punktquellen
modelliert werden, wobei diese Option den Vorteil hat, daß der Klangeindruck
auf den Kino-Zuschauer/Zuhörer
angenehmer wirkt. Ebene Wellen haben die Eigenschaft, daß der Zuhörer den Eindruck
hat, daß er
in einem sehr großen
Raum sitzt, was insbesondere zu einer unangenehmen Sinneswahrnehmung
führt,
wenn auf der Leinwand beispielsweise gerade eine U-Boot-Szene stattfindet.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß übliche Kinofilme
mit beispielsweise 5.1-Audiospuren keife
Informationen über
akustische Eigenschaften des Aufnahme-Settings umfassen. Daher wird
es in einem solchen Fall bevorzugt, einen Kompromiß zwischen
den ebenen Wellen, also den virtuellen Quellen an unendlicher Position
oder den virtuellen Quellen an einer finiten Position zu finden.
In diesem Zusammenhang liefert das erfindungsgemäße Audiowiedergabesystem ferner
die Möglichkeit,
je nach Filmszene die virtuellen Positionen der virtuellen Lautsprecher 53a-53e zu
variieren. Findet beispielsweise eine Szene unter freiem Himmel
statt, so können
die Lautsprecher ins Unendliche positioniert werden. Findet dagegen
eine Szene in einem kleinen Raum statt, so können die Lautsprecher näher an den
Wiedergaberaum 50 hin positioniert werden.
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Im Zusammenhang mit der kompatiblen
Wiedergabe ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung die Eingabeeinrichtung 20 ausgebildet, um die
Audiospuren, die dem Videosignal zugeordnet sind, um eine bestimmte Zeit-„Verzögerung" vor den Videosignalen
abzutasten, derart, daß nach
der Verarbeitung im Wellenfeldsynthesemodul in den einzelnen Lautsprechermodulen
der zu einem Zeitpunkt gehörige
Ton gleichzeitig mit dem zu einem Zeitpunkt gehörigen Videosignal abgetastet
wird. Die negative „Verzögerung" muß zumindest
derart bemessen sein, daß in
dem erfindungsgemäßen Audiowiedergabesystem
Ton und Bild zueinander gehörig
ausgestrahlt werden. Wird die negative Verzögerung etwas größer bemessen, so
können
die Signale bereits fertig berechnet werden und beispielsweise durch
ein entsprechendes Synchronisationssignal, das Synchronität von Bild und
Ton sicherstellt, von den Lautsprechermodulen zu den Lautsprechern
ausgegeben werden.
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Sowohl im Fall der kompatibel Wiedergabe als
auch im Fall, in dem das eingegebene Audiosignal bereits vorbereitete Wellenfeldsynthese-Informationen über Schallquellen
im Aufnahme-Setting umfaßt,
wird es bevorzugt, Informationen über den Wiedergaberaum über eine
Leitung 27 der Kanalinformationsberechnungseinrichtung 24 zuzuführen, so
daß die
Synthesesignale unter Verwendung der Informationen über den
Wiedergaberaum aufbereitet werden können, um z. B. eine Elimination
der akustischen Eigenschaften des Wiedergaberaums zu erreichen.
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Informationen über den Wiedergaberaum können entweder
aufgrund der geometrischen Beschaffenheit des Wiedergaberaums ermittelt
werden, oder im Wiedergaberaum unter Verwendung der Lautsprecher
und spezieller Mikrophonarrays gemessen werden, wobei eine Ansteuerung
und Auswertung hierfür über ein
Adaptionsmodul 28 für
den Wiedergaberaum stattfinden kann. So wird es bei einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung bevorzugt, während der Wiedergabe die akustischen Eigenschaften
des Wiedergaberaums zu bestimmen und entsprechend die Informationen über den
Wiedergaberaum nachzustellen, so daß auch für ein beispielsweise gefülltes Kino
eine optimale Unterdrückung
der Kinoakustik stattfindet. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen,
daß sich
insbesondere bei kleineren, vollgefüllten Wiedergaberäumen die
akustischen Eigenschaften des Wiedergaberaums deutlich von denen
unterscheiden, wenn keine Personen in dem Wiedergaberaum vorhanden
sind.
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Das Adaptionsmodul 28 für den Wiedergaberaum
umfaßt
ferner ein Mikrophonarray, das zur Messung der Eigenschaften der
Wiedergabe eingesetzt werden kann. Ferner umfaßt das Adaptionsmodul 28 für den Wiedergaberaum
Algorithmen, um die Position von Lautsprecherarrays in dem Reproduktionsraum
zu finden. Ferner wird hier eine Vorverarbeitung von Meßergebnissen
durchgeführt,
um eine optimale Invertierung der Raum- und der Lautsprechereigenschaften
durchzuführen,
wobei das Adaptionsmodul 28 hierzu vorzugsweise von der
Einrichtung 24 angesteuert wird.
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Je nach Ausführungsform wird das Adaptionsmodul 28 für den Wiedergaberaum
lediglich zum Systemaufbau benötigt.
Wenn aber eine durchgehende Adaption an eine veränderte Situation im Wiedergaberaum
gewünscht
ist, kann das Adaptionsmodul 28 auch im Betrieb dauernd
eingesetzt werden.
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Wenn die Kanalinformationsberechnungseinrichtung 24 zum
Verarbeiten von in die Einrichtung 20 eingegebenen WFSspezifischen
Signalen eingesetzt wird, werden die zusätzlichen WFS-Informationen,
also die Eigenschaften beispielsweise der Audioobjekte und die Eigenschaften
des Aufnahmeraums, aus dem eingegebenen Audiosignal extrahiert und über eine
WFS-Informationsleitung 29 der Einrichtung 24 zugeführt, damit
diese Informationen bei der Kanalinformationsberechnung berücksichtigt werden
können.
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In diesem Fall ist das zentrale WFS-Modul ferner
ausgebildet, um eine Vorverarbeitung der WFS-aufbereiteten Audiosignale
durchzuführen.
Ferner ist die Einrichtung 24 und/oder die Einrichtung 26 dafür vorgesehen,
die Synchronisation zwischen Bild und Ton zu erreichen, wobei hierfür, wie es
ausgeführt
worden ist, in den vorzugsweise seriellen Datenströmen zu den
einzelnen Lautsprechermodulen Zeitcodes eingebracht werden. Schließlich ist
die Kanalinformationsberechnungseinrichtung 24, wie es bereits
ausgeführt
worden ist, auch dafür
verantwortlich, um das Adaptionsmodul 28 anzusteuern, um
die Messung der akustischen Eigenschaften des Reproduktionsraums,
wenn dies gewünscht
ist, entweder vor der Wiedergabe oder während der Wiedergabe zu steuern.
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Die Multiplexer/Sendestufe 26 ist
ausgebildet, um Synchronisationsinformationen, die entweder von
der Einrichtung 24, von der Steuereinrichtung 20 oder
in der Einrichtung 26 selbst erzeugt werden, in die Datenströme zu den
Lautsprechermodulen einzufügen,
denen ferner die für
die einzelnen Lautsprecher erforderlichen Synthesesignale und nötige Kanalinformationen
zugeführt
werden.
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An dieser Stelle sei ferner darauf
hingewiesen, daß der
Einrichtung 24 zur Berechnung der Kanalinformationen und
zur Berechnung der Synthesesignale ferner die Lautsprecherorte in
dem speziellen Wiedergaberaum zur Verfügung gestellt werden müssen, um
die einzelnen Synthesesignale und die einzelnen Kanalinformationen
für die
einzelnen Lautsprecher zu berechnen. Dies ist in 2 durch eine Leitung 30 symbolisch
dargestellt.
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Nachfolgend wird Bezug nehmend auf 3 auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
für ein
Lautsprechermodul eingegangen. Das Lautsprechermodul umfaßt zunächst einen
Empfänger/Decodiererblock 31,
um den Datenstrom von der Selektionseinrichtung zu empfangen, und
aus demselben Synthesesignale 31a, zugeordnete Kanalinformationen 31b sowie
Synchronisationsinformationen 31c zu extrahieren. Das Lautsprechermodul,
das in 3 dargestellt
ist, umfaßt
ferner als zentrale Einheit eine Audio-Rendering-Einrichtung 32 zum
Berechnen eines Wiedergabesignals für den Lautsprecher unter Verwendung
der einen oder der mehreren Synthesesignale und unter Verwendung
der Kanalinformationen, die den Synthesesignalen zugeordnet sind.
Schließlich
umfaßt
ein Lautsprechermodul eine Signalverarbeitungseinrichtung 33 mit
einem Digital/Analog-Wandler zum Erzeugen eines analogen Lautsprecher-Signals,
das dem betroffenen Lautsprecher LSi 34 zugeführt wird,
um ein Schallsignal zu erzeugen. Die Signalverarbeitungseinrichtung 33 und
insbesondere der Resampler, der mit dem Digital/Analog-Wandler zusammenarbeitet,
wird über
die vom Empfänger 31 aus
dem Datenstrom extrahierten Synchronisationsinformationen (31c)
versorgt, um synchron zum zentralen Wellenfeldsynthesemodul und
damit synchron zu allen anderen Lautsprechermodulen die von der
Einrichtung 24 von 1 berechneten
an den Lautsprechern überlagerten
und mit Kanalinformationen beaufschlagten Synthesesignale zeitrichtig
abzustrahlen.
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Das in 3 gezeigte
Lautsprechermodul zeichnet sich somit durch die Kombination eines
digitalen Empfängers,
einer weiteren Signalverarbeitungseinrichtung und eines Digital-Analog-Wandlers aus,
wobei in der Signalverarbeitungseinrichtung 33 insbesondere
auch ein digitaler Verstärker
vorgesehen sein kann. Alternativ kann das Signal jedoch auch nach
der Digital/Analog-Wandlung verstärkt werden, obgleich die digitale
Verstärkung
aufgrund der genaueren Möglichkeit
der Synchronisation bevorzugt wird. Ferner wird es bevorzugt, den
Lautsprecher 34 über
eine kurze Analogleitung mit der Signalverarbeitungseinrichtung 33 zu
koppeln. Ist es jedoch nicht möglich,
daß die
Leitung von der Signalverarbeitungseinrichtung 33 zum Lautsprecher 34 kurz
ist, so wird es bevorzugt, daß die
entsprechenden Leitungen aller Lautsprecher dieselbe Länge haben bzw.
Längenunterschiede
haben, die in einer vorbestimmten Toleranzgrenze liegen, da die
Synchronisation vorzugsweise auf digitaler Seite durchgeführt wird,
so daß bei
stark unterschiedlichen Leitungslängen zwischen den Lautsprechermodulen
und dem Lautsprecher eine Desynchronisation auftreten könnte, die
bereits zu hörbaren
Artefakten bzw. zu einem Verlust des Klangeindrucks, der durch die
Wellenfeldsynthese geschaffen werden soll, führen könnten.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung werden als Kanalinformationen Kanalimpulsantworten
im Zeitbereich oder im Frequenzbereich übertragen. In diesem Fall ist
die Audio-Renderingeinrichtung 32 ausgeführt, um
eine Faltung der einzelnen Synthesesignale mit den den Synthesesignalen
zugeordneten Kanalinformationen durchzuführen. Diese Faltung kann tatsächlich im Zeitbereich
als Faltung implementiert werden, oder kann je nach Bedarf im Frequenzbereich
durch Multiplikation des Analysesignals im Frequenzbereich mit der
Kanalübertragungsfunktion
durchgeführt
werden. Eine im Hinblick auf den Verarbeitungsaufwand optimierte
Ausgestaltung ist in 4 dargestellt. 4 zeigt eine bevorzugte
Ausführungsform
der Audio-Renderingeinrichtung 32 und umfaßt für jedes Synthesesignals
sji(t) einen Zeit-Frequenz-Umsetzungsblock 34a, 34b, 34c,
sowie für
jeden Zweig einen Multiplizierer 35a,
35b, 35c zum
Multiplizieren der Transformierten eines Synthesesignals mit der Transformierten
einer Kanalimpulsantwort Hji(f), einen Summierer 36 sowie
eine abschließende
Frequenz-Zeit-Umsetzungseinrichtung 37, die derart verschaltet
sind, wie es in 4 gezeigt
ist. Die in 4 gezeigte
Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß sie im Hinblick auf den Verarbeitungsaufwand
reduziert ist, indem die Summation der Synthesesignale, die bereits
mit den entsprechenden Kanalübertragungsfunktionen
beaufschlagt sind, im Frequenzbereich stattfindet, so daß für jedes
Lautsprechermodul unabhängig
von der Anzahl der Synthesesignale nur eine einzige Frequenz-Zeit-Umsetzungseinrichtung
vorhanden ist. Je nach Ausführungsform kann
die Zeit-Frequenz-Transformation
der Synthesesignale sji vollständig parallel
ausgeführt
werden, oder, wenn ausreichend Zeit vorhanden ist, auch seriell/parallel
oder komplett seriell.
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Wie es ausgeführt worden ist, zeichnet sich die
in 4 gezeigte bevorzugte
Audio-Rendering-Einrichtung 32 dadurch aus, daß sie unabhängig von
der Anzahl von Synthesesignalen, die einem Lautsprechermodul zugeführt werden,
lediglich eine einzige Frequenz-Zeit-Umsetzungseinrichtung 37 aufweist,
die vorzugsweise als inverse FFT implementiert ist, wobei in diesem
Fall die Einrichtungen 34a, 34b, 34c als
FFT (FFT = schnelle Fourier-Transformation) implementiert sind.
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Die in 3 gezeigte
Audio-Rendering-Einrichtung 32 ist ferner ausgebildet,
um spezielle Programminformationen von dem zentralen Wellenfeldsynthesemodul,
das in 2 gezeigt ist,
zu erhalten. Hierzu umfaßt
die Multiplexer/Sendestufe 26 einen speziellen Ausgang, um die Programminformationen zu
den Lautsprecher-Modulen zu liefern. Je nach Anwendungsfall können die
Programminformationen auch in den Datenstrom mit Synthesesignalen
und Kanalinformationen gemultiplext sein, obgleich dies nicht zwingend
erforderlich ist.
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Nachfolgend wird ein Beispiel für die Übertragung
von Programminformationen zu einem Lautsprecher-Modul dargestellt.
Werden die Kanalinformationen als Kanalimpulsantworten beschrieben
und zu den einzelnen Lautsprechermodulen übertragen, so wird es bevorzugt,
im Sinne einer Datenrateneinsparung, nicht die gesamte Impulsantwort
zu übertragen,
sondern lediglich Abtastwerte der Impulsantwort, die in einem vorderen
Bereich der Impulsantwort liegen, dessen Einhüllende noch einen Betrag über einen
Schwellenwert hat. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß Impulsantworten
typischerweise zu kleinen Zeitpunkten große Werte haben und nach und
nach kleinere Werte annehmen und schließlich einen sogenannten „Nachhallschwanz" haben, der für den Klangeindruck
zwar wichtig ist, dessen Abtastwerte jedoch nicht mehr besonders
groß sind,
und dessen spezielle Phasenverhältnisse
vom Ohr nicht mehr stark wahrgenommen werden. In diesem Fall wird
es bevorzugt, den Nachhallschwanz, dessen Einhüllende unterhalb des Schwellenwerts
liegt, nicht mehr anhand seiner Abtastwerte zu übertragen, sondern lediglich
noch Stützwerte
für die
Einhüllende
zu übertragen.
Abtastwerte für
den Nachhallschwanz, die von der Audio-Rendering-Einrichtung 32 benötigt werden,
werden dann erfindungsgemäß dadurch
erzeugt, daß die Audio-Rendering-Einrichtung
eine zufällige
Folge von Nullen und Einsen erzeugt, deren Amplitude mit den übertragenen
Stützwerten
für die
Einhüllende gewichtet
werden. Zur weiteren Datenreduktion wird es bevorzugt, nur einige
wenige Stützwerte
zu übertragen
und zwischen den Stützwerten
zu interpolieren, und die interpolierte Einhüllende dann zur Gewichtung
der Zufalls-0/1-Folge
zu verwenden.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die Zufalls-0/1-Folge
vorzugsweise durch positive Spannungswerte für eine „1" und negative Spannungswerte für eine „0" realisiert wird.
Die Information darüber, daß die Audio-Rendering-Einrichtung
Kanalinformationen empfängt,
die bis zu einem bestimmten Wert tatsächliche Samples sind und dann
lediglich Stützwerte
für die
Einhüllende
sind, wird über
den Programminforma tioneneingang, der in 3 gezeigt ist, übertragen, oder ist fest vereinbart.
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Das erfindungsgemäße Wellenfeldsynthesemodul
umfaßt
ferner eine in 2 nicht
gezeigte WFS-Mixingkonsole, die ein Autorensystem umfaßt, um WFS-Tonbeschreibungen
zu erzeugen.
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Nachfolgend wird Bezug nehmend auf 6 auf die der Erzeugung
von Synthesesignalen zugrundeliegende Vorgehensweise eingegangen.
Betrachtet wird ein System mit drei virtuellen Quellen an drei virtuellen
Positionen 60, 61, 62 sowie einem Lautsprecher
LSi 63 an einer realen Lautsprecherposition, die dem zentralen
WFS-Modul bekannt ist. Ferner sind die virtuellen Positionen der
virtuellen Quellen 60, 61, 62 dem zentralen
Wellenfeldsynthesemodul entweder daraus bekannt, daß sie in
einem WFS-aufbereiteten Eingabesignal zugeführt werden, oder daß sie unter
Verwendung von Audioquellenpositionen durch die Einrichtung 25 zur
Berechnung der virtuellen Positionen abgeleitet werden. Die Synthesesignale
s2i, s2i und s3i sind die Signale, die der Lautsprecher 63 abstrahlen
muß, und
die auf die jeweiligen virtuellen Positionen 60, 61, 62 zurückgehen. Daraus
wird ersichtlich, daß,
wie es ausgeführt
worden ist, jeder Lautsprecher die Überlagerung von mehreren Synthesesignalen
abstrahlen wird.
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Zwischen jeder virtuellen Position
und jedem Lautsprecher wird ferner ein Kanal ji definiert,
der beispielsweise durch eine Impulsantwort, eine Übertragungsfunktion
oder irgendeine andere Kanalinformation beschrieben werden kann,
wie es anhand von 7 dargestellt
ist. In die Kanalbeschreibung können
sämtliche
gewünschte
Eigenschaften verpackt werden, um dann die Synthesesignale, die
von dem Wellenfeldsynthesemodul berechnet werden, mit den Kanalinformationen
für den
entsprechenden einem Synthesesignal zugeordneten Kanal zu beaufschlagen.
Ist die Kanalinformation in Form einer Impulsantwort gegeben, die
den Kanal beschreibt, so ist die Beaufschlagung eine Faltung. Liegen die
Signale im Frequenzbereich vor, so ist die Beaufschlagung eine Multiplikation.
Alternative Kanalinformationen können
ebenfalls je nach Ausführungsform
eingesetzt werden.
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Im nachfolgenden wird anhand von 7 dargestellt, durch welche
Informationen ein Kanal 70 von einer virtuellen Quelle 71 zu
einem realen Lautsprecher 72 beeinflußt werden kann. Zunächst geht in
die Kanalinformation, also beispielsweise die Kanalimpulsantwort
die virtuelle Position der virtuellen Quelle 71 ein. Ferner
gehen Eigenschaften der virtuellen Quelle ein, wie z. B. Größe, Dichte,
etc. So wird z. B. ein kleines Triangel anders beschrieben und modelliert
werden müssen,
als eine große
Pauke. Ferner gehen, wie es in 7 gezeigt
ist, die Eigenschaften des Aufnahmeraums in die Kanalübertragungsfunktion
ein. Weitere Einflußkomponenten
sind eine Systemverzerrung des gesamten Audiowiedergabesystems,
in dem beispielsweise Lautsprecherverzerrungen bzw. Nichtidealitäten der
Lautsprecher enthalten sind. In die Kanalinformationen gehen ferner
Informationen über
den Wiedergaberaum ein, um eine Kompensation der akustischen Eigenschaften des
Wiedergaberaums zu erreichen. Wenn von dem Wiedergaberaum beispielsweise
bekannt ist, daß er eine
frontal einem Lautsprecher gegenüberliegende Wand
aufweist, die reflektiert, und deren Reflexion jedoch unterdrückt werden
soll, so wird der entsprechende Lautsprecher unter Berücksichtigung
dieser Informationen derart angesteuert, daß er ein Signal enthält, das
zu dem reflektierten Signal um 180 Grad phasenverschoben ist und
eine entsprechende Amplitude hat, so daß eine auslöschende Reflexion auftritt
und die Wand akustisch transparent wird, d. h. für einen Zuhörer nicht mehr aufgrund der
Reflexionen identifizierbar ist.
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Schließlich kann die Kanalinformation
auch dazu verwendet werden, um eine bestimmte Zielwiedergabeakustik
einzustellen. Hierzu wird es bevorzugt, zunächst die Akustik des Wiedergaberaums
zu unterdrücken
in Form einer Wiedergaberaumkompensation, um dann Kanalinformationen
zu erzeugen und dem Wellenfeldsynthesemodul zuzuführen, so daß in einem
Wiedergaberaum eine Akustik eines beliebigen anderen Wiedergaberaums
simuliert werden kann.
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Abhängig von den Gegebenheiten
kann das erfindungsgemäße Verfahren
zum Wiedergeben eines Audiosignals 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 Verfahren
ausgeführt
wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computer-Programm-Produkt
mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichertem 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.