DE19911507A1

DE19911507A1 - Verfahren zur Verbesserung dreidimensionaler Klangwiedergabe

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Publication number: DE19911507A1
Application number: DE19911507A
Authority: DE
Inventors: Alastair Sibbald; Richard David Clemow; Fawad Nackvi
Original assignee: Central Research Laboratories Ltd
Current assignee: Central Research Laboratories Ltd
Priority date: 1998-03-17
Filing date: 1999-03-16
Publication date: 1999-09-23
Also published as: NL1011579C2; US7197151B1; NL1011579A1; FR2776461B1; GB2335581A; GB2335581B; FR2776461A1; GB9905872D0; GB9805534D0

Abstract

Verfahren zur Verbesserung dreidimensionaler Klangwiedergabe. Es wird ein Verfahren zur Verbesserung dreidimensionaler (3D) Klangwiedergabe beschrieben. Hinter einem Hörer 10 zu positionierende virtuelle Klangquellen werden mittels eines HF-Dämpfungsfilters gefiltert, um ablenkende, durch unvollständige Aufhebung transauralen Übersprechens bewirkte hochfrequente Anteile zu entfernen. In der rückwärtigen Halbkugel der Referenzkugel 30 angeordnete Klangquellen werden mit einem von der Position der Klangquelle abhängigen Maß gefiltert, um einen glatten Übergang zwischen den gefilterten und ungefilterten Halbkugeln zu erreichen. Die HF-Dämpfungsfilterung ist maximal, wenn die Klangquelle direkt hinter dem Hörer plaziert ist und wird mit zunehmender Annäherung an die vordere Halbkugel progressiv vermindert. Die Erfindung ist derart vorteilhaft, daß virtuelle Klangbilder effizienter hinter dem Hörer angeordnet werden können, wobei ein verbesserter Realismus von 3D-Effekten erzielt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung dreidimen sionaler (3D) Klangwiedergabe.

Die Aufbereitung binauraler (Zweikanal- oder Stereo-) Audiosi gnale zur Erlangung hochrealistischer 3D-Klangbilder ist gut be kannt und beschrieben z. B. in der internationalen Patentanmel dung Nr. WO 94/22278. Die binaurale Technologie basiert auf Auf zeichnungen, die mittels eines sogenannten "Kunstkopf"- Mikrophonsystems gemacht werden, wobei die Aufzeichnungen nach träglich digital aufbereitet werden. Die Verwendung des Kunst kopfs stellt sicher, daß die natürlichen Merkmale dreidimensio nalen Klanges - mit deren Hilfe das Gehirn die Position von Klangquellen im dreidimensionalen Raum erkennt - in die Stereo aufzeichnungen mit eingebracht werden.

Die 3D-Klangmerkmale (Cues) werden natürlicherweise vom Kopf und den Ohren aufgenommen, wenn wir im täglichen Leben Klänge hören, und sie beinhalten die folgenden Merkmale: interaurale (zwischen den Ohren) Amplitudendifferenz (IAD), interaurale Zeitdifferenz (ITD) und Spektralformung durch das Außenohr. Zum Einstellen der Position einem virtuellen Klangquelle werden diese Merkmale durch separate Audiofilter für die linken und rechten Kanäle des Audiosignals hinzugefügt, und zwar je nach der gewünschten Posi tion des Klangs. Die Merkmale selbst werden ermittelt durch Mes sung der kopfbezogenen Transferfunktion (HRTF). Die HRTF charak terisiert die Veränderungen, denen ein Audiosignal auf seinem Wege von einem Punkt im Raum bei einer definierten Richtung und einem definierten Abstand von einem Hörer in zu den Trommelfel len des Hörers unterzogen wird.

Wird ein derartige 3D-Klangmerkmale beinhaltendes Paar Audiosi gnale effizient den Ohren des Hörers zugeführt, etwa durch Kopf hörer, so nimmt der Hörer eine virtuelle Klangquelle wahr, die sich an der zugehörigen Position im dreidimensionalen Raum be findet. Werden dagegen die aufbereiteten Signale nicht direkt und effektiv in die Ohren des Hörers eingebracht, so wird der volle 3D-Effekt nicht wahrgenommen. Hört man beispielsweise Klänge über herkömmliche Stereo-Lautsprecher ab, so hört das linke Ohr ein wenig von dem rechten Lautsprechersignal und umge kehrt; dieses Phänomen wird als transaurales Übersprechen be zeichnet. Durch Aufhebung transauralen Übersprechens kann man auch über vom Hörer entfernte Lautsprecher in den Genuß des vol len 3D-Effekts kommen. Transaurales Übersprechen von jedem der Lautsprecher kann aufgehoben werden, indem entsprechende Über sprech-Aufhebungssignale von dem gegenüberliegenden Lautsprecher erzeugt werden. übersprech-Aufhebungssignale sind identisch in der Amplitude und invertiert (von entgegengesetzter Polarität) im Verhältnis zu den transauralen Übersprechsignalen.

Die akustischen Effekte transauralen Übersprechens lassen sich anhand eines durch Fig. 1 illustrierten praktischen Beispiels erläutern. Es sei angenommen, daß eine Tonaufzeichnung mit einem Paar von Mikrophonen mit einem Abstand von einer Kopfbreite (un gefähr 15 cm) gemacht wird. Nun wird eine Klangquelle 16 unmit telbar zur linken (Azimut -90°) der Mikrophonkonfiguration pla ziert. Gibt die Klangquelle 16 einen Tonimpuls ab, so trifft der Impuls zuerst auf das linke Mikrophon und wird derart von dem linken Mikrophon aufgezeichnet, bevor er von dem rechten Mikro phon aufgezeichnet wird. Die relative Verzögerung in der An kunftszeit des Klangimpulses, t_w, beim Eintreffen auf das rechte Mikrophon beträgt ungefähr 437 µs und entspricht der Strecke des Abstands (15 cm) geteilt durch die Schallgeschwindigkeit in der Luft (ungefähr 343 ms^-1). Obgleich die Ohren nur eine Kopfbreite voneinander entfernt sind, haben die Klangwellen in der Praxis um den Umfang des Kopfes herumzulaufen; die effektive Wegstrecke ist daher länger; sie kann ungefähr wiedergegeben werden durch den Ausdruck: (θ/360)2πr + r.sinθ, wobei r der Radius des Kopfes und θ der Azimutwinkel der Klangquelle ist.

Es sei weiterhin angenommen, daß diese Aufzeichnung auf einem Audiosystem mit zwei Lautsprechern wiedergegeben wird und daß ein Hörer 10 auf der in Fig. 1 gezeigten Position sitzt. Unter diesen Umständen, mit den Lautsprechern 12 und 14 positioniert an Winkeln von ungefähr ± 30° im Verhältnis zum Hörer, beträgt die interaurale Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen von Signa len an den linken und rechten Ohren, t_e, ungefähr 250 µs. Wird die Aufzeichnung des Impulses abgespielt, wird er erst vom lin ken Lautsprecher 12 abgestrahlt und danach von dem rechten Laut sprecher 14 nach der aufgezeichneten Verzögerung von 437 µs.

Bezug nehmend auf Fig. 1 hört zuerst das linke Öhr den Primär klang W von dem linken Lautsprecher 12, woraufhin dann jedoch das Übersprechen X von dem linken Lautsprecher nur 250 µs (t_e) danach am rechten Ohr eintrifft. Da dieses Übersprechsignal von der gleichen, wirklichen Klangquelle stammt, empfängt das Gehirn ein Paar hochgradig korrelierter Links und Rechts-Klangsignale, welche es, unverzüglich dazu benutzt, zu erkennen, wo die aufge zeichnete Klangquelle offenbar positioniert ist. Das Gehirn emp fängt daher einen ITD von nur 250 µs (anstatt von 437 µs), was der tatsächlichen Position des linken Lautsprechers bei -30° Azimut entspricht. Entsprechend lokalisiert das Gehirn die Klangquelle unzutreffend bei -30°, anstatt an seiner korrekten Position von -90° Azimut. Das transaurale übersprechen hat ef fektiv die in die Aufzeichnung eingebaute Zeitbereichsinformati on außer Funktion gesetzt.

Wird eine Aufhebung transauralen Übersprechens korrekt durchge führt und werden HRTF-Quelldaten von hoher Qualität benutzt, so kann die Wirkung beim Hörer recht bemerkenswert sein. Zum Bei spiel ist es möglich, eine virtuelle Klangquelle kreisförmig ganz um den Hörer herum zu bewegen, beginnend vorn (0° Azimut), zur rechten Seite des Hörers (+90° Azimut) herüber, dann hinter den Hörer (± 180° Azimut) und- schließlich hinten herum nach links (-90° Azimut) und wieder nach vorn. Es ist auch möglich, den Eindruck zu erzeugen, die virtuelle Klangquelle bewege sich in einem vertikalen Kreis um den Hörer; in der Tat kann man den Klang von jeder gewünschten Position im Raum her erscheinen las sen.

Allerdings sind manche Positionen schwieriger zu synthetisieren als andere. Zum Beispiel ist die Effektivität, des Bewegens einer virtuellen Klangquelle direkt nach oben oder unten an den Seiten des Hörers (+90° Azimut) größer als direkt vor dem Hörer (0° Azimut). Dies liegt wohl daran, daß hier mehr links-rechts Dif ferenzierungsinformationen vorliegen, mit denen das Gehirn ar beiten kann. Es ist gleichfalls schwierig, zwischen einer Klangquelle direkt vor dem Hörer (0° Azimut) und, einer Quelle direkt hinter dem Hörer (± 180° Azimut) zu differenzieren. Dies liegt daran, daß dem Gehirn keine Zeitbereichsinformationen zur Verfügung stehen (also die ITD = 0) und die an deren dem Gehirn zur Verfügung stehenden Positionsinformationen, Spektraldaten, bei beiden diesen Positionen ähnlich sind.

In der Praxis empfindet man mehr hochfrequente Energie, wenn sich die Klangquelle vor dem Hörer befindet. Dies liegt daran, daß die hohen Frequenzen von vorn liegenden Quellen in den Ge hörkanal von der Rückwand der Concha reflektiert werden, wohin gegen bei einer rückwärtigen Quelle, hohe Frequenzen nicht aus reichend um die Pinna herum wandern können (Fig. 12).

Eines der ersten praktischen Systeme zur Aufhebung von Überspre chen wurde beschrieben in dem US-Patent von Atal und Schroeder (US 3,236,949) und detaillierter erläutert in Schroeder's Publi kation von 1975 mit dem Titel "Models of Hearing" (Hörmodelle) (Proc. IEEE, September 1975, 63 (9); S. 1332-1350). Ein Block diagramm dieses Verfahrens ist in Fig. 2 gezeigt.

Bezug nehmend auf Fig. 2 gibt es dort binaurale Klangquellen 18 (links) und 20 (rechts), welche durch Querspeisungs-Filter 21 und 32 gefiltert werden, um Lautsprecher-Ansteuersignale 22 bzw. 24 zu erzeugen. Die Filter 21 und 23 repräsentieren die Kombina tion zweier Grundfunktionen: erstens der Transferfunktion, S, zwischen einem ersten Lautsprecher eines Lautsprecher-Paares und dem Ohr eines Hörers 10, welches dem Lautsprecher am nächsten liegt, und zweitens eine Funktion, A, welche die Transferfunkti on von demselben ersten Lautsprecher zu dem entfernteren Ohr des Hörers repräsentiert. Wäre kein transaurales Übersprechen vor handen, so wäre die Transferfunktion von der rechten Klangquelle 20 zum rechten Ohr (und von der linken Quelle 18 zu dem linken Ohr) einfach S. Das Vorhandensein von transauralem Übersprechen macht es allerdings erforderlich, daß der andere Lautsprecher ein Aufhebungssignal liefert.

Man betrachte z. B. den Prozeß des Übertragens des rechten Ka nalsignals 20 nur in das rechte Ohr. Die Übertragung von dem rechten Lautsprecher 14 zu dem rechten Ohr erfolgt über die "gleichseitige" Funktion S. Das Übersprechen von dem rechten Lautsprecher trifft an dem linken Ohr mit Transferfunktion A ein. Um es also aufzuheben, muß von dem linken Lautsprecher 12 ein (-A)-Signal zum linken Ohr geliefert werden. Man weiß je doch, daß die Transferfunktion von dem linken Lautsprecher zu dem linken Ohr S ist, und so muß das insgesamte Übersprech- Aufhebungssignal vom rechten zum linken Kanal (-A/S) sein. Dies würde das korrekte Übersprech-Aufhebungssignal ordnungsgemäß zum linken Ohr liefern. Nach diesen Erkenntnissen muß also die Quer speisungsfunktion C, gleichgesetzt werden mit (-A/S). S und A können durch direkte Messung ermittelt werden, idealerweise von einem Kunstkopf mit den physikalischen Eigenschaften und Dimen sionen eines durchschnittlichen menschlichen Kopfes.

Ein perfektes System zur Aufhebung von übersprechen wird nur er reicht, wenn der Kopf eines Hörers, vollständig unbewegt und fi xiert ist in der absoluten Mitte der bevorzugten Position (d. h. dem "sweet spot", wo die, Ohren in exakter Übereinstimmung mit den betreffenden Klangwellen-Aufhebungsknoten sind). Dies liegt daran, daß Klangwellen-Aufhebungseffekte von der exakten Über einstimmung gleicher und entgegengesetzter Signale abhängen, weshalb die Wellen-Aufhebung unvollständig ist, wenn eine Welle relativ verschoben ist.

Würde sich z. B. der Kopf eines Hörers seitlich bewegen, derart, daß das linke Ohr 5 cm näher an dem linken Lautsprecher (und 5 cm weiter entfernt von dem rechten Lautsprecher) wäre, so wäre das ungewünschte Primärsignal zum linken Ohr (von dem rechten Lautsprecher), welches aufgehoben werden muß, relativ um 10 cm in bezug auf seine beabsichtigte Aufhebungswelle von dem linken Lautsprecher verschoben. Die Aufhebung des transauralen Über sprechens wäre daher unvollständig. Mit steigender Frequenz des Audiosignals tritt dieser Effekt bereits bei kleineren relativen seitlichen Bewegungen auf, da die Knoten und Antiknoten zuneh mend näher beieinander liegen.

Aus dem US-Patent 4,975,954 (Cooper und Bauck) ist ein bestimm tes Aufhebungs-Schema für transaurales Übersprechen bekannt, welches in Fig. 3 gezeigt ist. Das System besitzt ein Paar Hoch frequenz-(HF)-Dämpfungs-(< 8 kHz)-Filter 26 und 28. Bei diesem Verfahren werden die den Übersprech-Aufhebungsmitteln zugeführ ten hochfrequenten Signale durch Tiefpaßfilter 26 und 28 ge dämpft, die in dem Querspeisungs-Filterweg 8 von dem linken zu dem rechten Kanal (und umgekehrt) angeordnet sind. Es wird daher davon ausgegangen, daß unvollständige Übersprech-Aufhebung bei hohen Frequenzen aufgrund von Bewegungen des Kopfes von der be vorzugten Positionsweg reduziert werden, da solche hohen Fre quenzen keiner Aufhebung transauralen Übersprechens unterliegen.

Dieses Verfahren ist jedoch ineffektiv für eine rückwärtige Pla zierung virtueller Klangquellen, da die hochfrequenten Komponen ten in den Quellsignalen 18 und 20 direkt, ohne Übersprech- Aufhebung, zu den Lautsprechern selbst übertragen werden. Die wahrgenommenen Quellen der Hochfrequenzklänge sind daher die Lautsprecher selbst und nicht eine oder mehrere virtuelle Klangquellen. Daraus folgt, daß der hochfrequente Klang von den virtuellen Klangbildern entkoppelt erscheint und eine frontale räumliche Ablenkung erzeugt. Soll das virtuelle Klangbild vor dem Hörer positioniert werden, so führt dieses System zum Ver schmieren der örtlichen Position des Klangbildes, doch wenn das virtuelle Klangbild hinter dem Hörer positioniert werden soll, so bewirkt der Effekt eine Hemmung und Verhinderung der Bildung eines rückwärtigen Bildes. Statt dessen wird das Bild vor dem Hö rer reflektiert.

Bei anderen Konzepten zur Übersprech-Aufhebung, wie etwa demje nigen von Atal und Schroeder, kann in der Praxis nicht garan tiert werden, daß der Kopf eines Hörers in der bevorzugten Posi tion verbleibt, und, wenn er sich von dieser bevorzugten Positi on weg bewegt, ist die Aufhebung transauralen Übersprechens nicht vollständig. Der Effekt unvollständiger Übersprech- Aufhebung bei den höheren Frequenzen ist, daß diese scheinbar aus den Lautsprechern selbst stammen und nicht von der erforder lichen Position kommen, an der die virtuelle Klangquelle mittels der HRTL wie oben beschrieben plaziert wurde. Dies macht es we sentlich schwieriger zu erreichen, daß eine virtuelle Klangquel le hinter dem Hörer lokalisiert wird, da, wie bereits festge stellt, es die höherfrequente Klanginformation ist, welche einen frontalen Hinweis bietet und es dem Hörer ermöglicht, zwischen Klängen von vorn und Klängen von hinten zu unterscheiden. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die Erzeugung effekti ver Übersprech-Aufhebung nicht so schwierig ist, wie es zunächst erscheint. Dies liegt an den natürlichen akustischen Eigenschaf ten des Kopfes und der Ohren selbst. Kurz gesagt wirkt der Kopf mit steigender Frequenz eines Signals zunehmend effektiver als eine Schallwand, die Übersprechen bei höheren Frequenzen natür lich unterdrückt. Bei hohen Frequenzen ist daher wenig Überspre chen aufzuheben, und das Verfahren nach Cooper und Bauck bietet in der Praxis keinen signifikanten Vorteil gegenüber dem Verfah ren nach Atal und Schroeder.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine effektivere 3D-Klangverarbeitung zu bieten, indem ablenkende hochfrequente Kom ponenten einer hinter einem Hörer positionierten virtuellen Klangquelle vermindert werden, vorzugsweise mittels einer pro gressiven Hochfrequenz-Dämpfungsfilterung.

Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Verarbeitung eines einkanaligen Audiosignals vorgesehen, wie in Ansprüchen 1 bis 10 beschrieben.

Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens vorgesehen, wie in Anspruch 11 an gegeben.

Nach einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Audiosignal vorgesehen, wie in Anspruch 13 beschrieben.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerpro gramm zur Implementierung des Verfahrens vorgesehen, wie in An spruch 12 beschrieben.

Eine Anzahl von Ausführungsformen der Erfindung wird nachstehend nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die anliegenden, Figuren beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 die Aufzeichnung eines Ereignisses mit von einander beabstandeten Mikrophonen;

Fig. 2 und 3 die Konzepte von Schroeder bzw. Cooper und Bauck (Stand der Technik) zur Aufhebung transauralen Übersprechens;

Fig. 4 den Kopf eines Hörers innerhalb einer ima ginären Referenzkugel und eines Koordina tensystems;

Fig. 5 einen erfindungsgemäß durch einen imaginä ren Kegel definierten Filterungs-Locus;

Fig. 6a, 6b und 6c die Ansicht von vorn, von der Sei te sowie die Draufsicht von Fig. 5 gemäß der Erfindung;

Fig. 7a, 7b und 7c die Ansicht von vorn und der Seite sowie die Draufsicht eines Systems imaginä rer Kegel zur erfindungsgemäßen Filterinde xierung;

Fig. 8 die Transformation von sphärischen Koordi naten zum Indexierungskegel gemäß der Er findung,

Fig. 9 die Transformation von sphärischen Koordi naten zur Indexierungs-Kegeltransformation gemäß der Erfindung;

Fig. 10 und 11 die Oberfläche der Transformanden von Gleichungen (1) bzw. (2) gemäß der Erfin dung; sowie

Fig. 12 die Struktur des äußeren Ohres.

Wie die Erfinder durch umfangreiche Experimente feststellen konnten, müssen zur Ermöglichung einer effektiven Plazierung ei ner virtuellen Klangquelle hinter einem Hörer von einem Paar konventioneller Lautsprecher hochfrequente (HF)-Komponenten der virtuellen Klangquelle, die nicht bezüglich ihres Übersprechens aufgehoben (oder deren Übersprechen nur inadäquat aufgehoben) wird, auf geeignete Weise vermindert oder eliminiert werden. Diese HF-Komponenten werden so empfunden, als gingen sie von vornliegenden Positionen aus und, stellen für den Hörer eine Ab lenkung dar.

Wie bereits oben gesagt, liegt ein weiterer Grund zur Verminde rung der HF-Komponenten virtueller Klangquellen, die hinter dem Hörer anzuordnen sind, darin, daß in der Praxis derartige Kompo nenten einer rückwärtigen Klangquelle am Erreichen des Gehörka nals durch die Pinna gehindert werden, und ihre Größe ist daher bei rückwärtigen Klangquellen vermindert. Eine Möglichkeit der Verminderung von HF-Komponenten besteht darin, eine globale Hochfrequenz (HF)-Verminderung auf die gesamte Audiokette in An wendung zu bringen. Dies wäre jedoch keine Lösung, da dies die Differential-Spektraldaten nicht verändern würde, welche es dem Hörer ermöglichen, zwischen vorn und hinten liegenden Quellen zu unterscheiden.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung vermindert HF-Komponenten durch Verwendung eines HF-Dämpfungsfilters für alle virtuellen Klangquellen, welche hinter dem Hörer plaziert werden sollen. Zur Erzeugung eines nahtlosen Übergangs von nicht gefil terten virtuellen Klangquellen vor dem Hörer zu den gefilterten virtuellen Klangquellen hinter dem Hörer wird für virtuelle Klänge, die hinter der bevorzugten Position des Hörers plaziert werden, eine HF-Dämpfung progressiv eingebracht, wobei der Fil terungseffekt umso mehr erhöht wird, je näher man sich an einen Azimut von ± 180° (d. h. direkt hinter dem Hörer) annähert. Dieses Verfahren arbeitet progressiv und sanft in drei Dimensionen, nicht nur in der Horizontalebene. Hinzu kommt, daß man es auf einen simplen Algorithmus reduzieren kann, welcher in der Form einer "Nachschlage"-Tabelle implementiert werden kann, anstatt mathematischer Gleichungen mit Transzendentalfunktionen, da die letztgenannten einen erheblichen Rechenaufwand erfordern.

Diese Anforderungen werden durch die vorliegende Erfindung er füllt, die nachstehend beschrieben wird und welche eine Indexie rungsanordnung zum Auswählen des geeigneten HF-Dämpfungsfilters in Abhängigkeit von den Werten für Azimut und Höhe der gewählten virtuellen Klangquelle vorsieht. Zuerst wird ein örtliches Refe renzsystem in Bezug zu dem Hörer definiert, wie in Fig. 4 ge zeigt. Fig. 4 zeigt den Kopf und die Schultern eines Hörers 10, umgeben von einer imaginären Referenzkugel 30. Die die Kugel 30 schneidende Horizontalebene wird durch den schraffierten Bereich dargestellt, und es sind Horizontalachsen P-P' und Q-Q' gezeigt. P-P' ist die Achse vorne-hinten und Q-Q' ist die Lateralachse, wobei beide durch den Kopf des Hörers hindurch verlaufen.

Die hier gewählte Konvention zur Bezeichnung von Azimutwinkeln ist, daß diese von dem vorderen Pol P zum rückwärtigen Pol P' gemessen werden, wobei positive Azimutwerte auf der rechten Sei te des Hörers 10 und negative Werte auf der linken Seite liegen. Der rückwärtige Pol P' liegt an einem Azimut von ± 180° (und -180°). Die mittlere Ebene ist diejenige, welche den Kopf des Hörers vertikal in Richtung von vorn hach hinten schneidet (entlang der Achse P-P'). Höhenwinkel werden direkt nach oben (oder nach unten für negative Winkel) von der Horizontalebene gemessen.

Fig. 5 zeigt einen Indexierkegel 32 nach der vorliegenden Erfin dung, welcher verwendet wird, die imaginäre Kugel 30 fiktiv zu teilen. Der Indexierkegel 32 ragt von dem Ursprung (der Mitte des Kopfes des Hörers) in den Raum hinter dem Hörer 10 hinein, wobei sie sich in axialer Ausrichtung entlang Achse P-P' befin det. Der Kegel 32 schneidet die Referenzkugel 30, wodurch ein Schnittkreis gebildet wird, welcher hier als der Rand des Kegels bezeichnet wird. Entweder dieser Rand oder aber der Kegel selbst kann einen Locus von Punkten zur Indexierung der HF-Dämpfungsfilterung bilden, d. h.: alle Punkte auf dem imaginären Kegel werden identisch gefiltert. Soll die virtuelle Klangquelle auf der Oberfläche der Halbkugel (d. h. an einem gegebenen Ab-, stand von der bevorzugten Position des Hörers) plaziert werden, so werden alle Punkte auf dem Rand des Kegels (wie oben defi niert) identisch gefiltert. Man sieht daher, daß der Wert der HF-Dämpfungsfilterung für an Positionen hinter dem Hörer pla zierte virtuelle Klangquellen, welche gleiche Abstände von dem Punkt P' (± 180° Azimut, 0° Höhe) auf der rückwärtigen Halbkugel aufweisen, identisch ist.

Fig. 6 zeigt einen typischen, erfindungsgemäßen Indexierkegel 32. Genauer gesagt, zeigt Fig. 6a die Vorderansicht, Fig. 6b die Seitenansicht und Fig. 6c die Draufsicht auf einen Indexierkegel 32. Der Kegel 32 wird durch die Winkelhalbierende a des Kegels, wie in Fig. 6b gezeigt, definiert. Je größer die Kegelwinkelhal bierende, desto "flacher" ist der Kegel.

Fig. 7 zeigt verschiedene typische erfindungsgemäße Indexierke gel, einschließlich der beiden endwertigen Bedingungen: a=0° und a=90°. Ist a=90°, so ist der Kegel näherungsweise eine Platten ebene, die lateral entlang der Achse Q-Q' verläuft und von der imaginären Referenzkugel begrenzt wird. Dies wird in Fig. 7 als Kegel A dargestellt. Für a=0° ist der Kegelrand ein singularer Punkt, wobei Achse P-P' die imaginäre Referenzkugel in der rück wärtigen Halbkugel schneidet. Dies entspricht Kegel D in Fig. 7.

Die Indexierkegel werden auffolgende Weise benutzt zuerst wird für die extremste rückwärtige Position (Kegel D in Fig. 7b und 7c) ein HF-Dämpfungsfilter für die "Pol-Position" ausgewählt. Dies tut man vorzugsweise, indem man sich das 3D-Klangsynthesesystem anhört und Schritt für Schritt eine geeigne te HF-Dämpfungsfilterung hinzufügt, bis die rückwärtige Plazie rung einer virtuellen Klangquelle bei Azimut 180° für die erfor derlichen seitlichen Bewegungen des Kopfes des Hörers im "sweet spot" voll wirksam ist. Es kann z. B. sein, daß die Charakteri stik des HF-Dämpfungsfilters der Pol-Position linear ab 5 kHz zu dämpfen beginnt, derart, daß die HF-Dämpfung bei 10 kHz 30 dB beträgt. Die Charakteristik des HF-Dämpfungsfilters der Pol- Position wird dann fiktiv durch einen geeigneten Faktor (N) di vidiert, um so eine Reihe von N HF-Dämpfungsfiltern zu erhalten. Hier wurde ein Faktor von 3,0 gewählt, da die Punkte auf der ima ginären Kugel von einem Azimut von 180° bis zu 90° aus prakti schen Gründen für die Signalverarbeitung quantisiert sind, übli cherweise in Schritten von 3°. So dämpft der Filter Nr. 30 also bei 10 kHz um 30 dB und entspricht der maximalen HF-Dämpfungsfilterung, Filter Nr. 29 dämpft bei 10 kHz um 29 dB usw. bis hinunter zu Filter Nr. 1, welcher bei 10 kHz um 1 dB dämpft und der minimalen HF-Dämpfungsfilterung entspricht. In der Praxis wird ein einziger HF-Dämpfungsfilter mit einstellba ren Koeffizienten, entsprechend der Charakteristik der oben be schriebenen Reihe von HF-Dämpfungsfiltern, verwendet.

Soll eine virtuelle Klangquelle in der rückwärtigen Halbkugel positioniert werden, so werden die Koordinaten seiner Position verwendet, den nächstliegenden der (in diesem Fall) 30 Kegelrän der zu ermitteln. Dann nimmt man die Indexnummer des Kegels, um den passenden HF-Dämpfungsfilter auszuwählen. Bezug nehmend im Moment nur auf in der Horizontalebene zu plazierende virtuelle Klangquellen, weist eine Klangquelle an der rückwärtigen Pol- Position P' einen Azimut von 180° auf und würde daher die maxi male HF-Dämpfungsfilterung erfordern. Daher würde man Filter Nr. 30 verwenden, welcher eine Dämpfung von 30 dB bewirkt. Betrach tet man nun einen Punkt mit einem Azimut von 177°, so würde man Filter Nr. 29 verwenden usw. bis zum Minimalfilter 1, welcher bei 93° verwendet wird. Dieses Filter-Adressierverfahren für die Horizontalebene ist in Tabelle 1 summarisch dargestellt.

Tabelle 1

Beispiel typischer Horizontalebenen-Arrangements

Bei Punkten in der Horizontalebene besteht ein einfaches Ver hältnis zwischen der Kegel-Winkelhalbierenden, a, und dem Azi mutwinkel: sie sind Komplementärwinkel, deren Summe immer 180° beträgt. Für virtuelle Klangquellen in Positionen außerhalb der Horizontalebene ist der Indexierkegel allerdings nicht nur bezo gen auf den Azimutwinkel, sondern auch auf den Höhenwinkel.

Nimmt man z. B. einen Azimutwinkel von 180° in der Ebene, so ist die Indexnummer 30. Wäre jedoch der Azimutwinkel 180°, aber der Höhenwinkel 90°, so wäre die örtliche Position direkt über dem Hörer, und die Indexnummer wäre daher 0, es würde also keine Filterung benötigt. Zur Darstellung der sphärischen Koordinaten der Kegel-Winkelhalbierenden muß eine geeignete Funktion verwen det werden. Diese Funktion wird nachstehend beschrieben. Fig. 8a und 8b zeigen einen Punkt B in der rückwärtigen Hälfte der ima ginären Referenzkugel 30, welcher die Position repräsentiert, an der eine virtuelle Klangquelle zu plazieren ist. Fig. 8a zeigt den Azimutwinkel von B, und seine Beziehung zu dem Komplementär winkel (180°-Azimutwinkel). Fig. 8b zeigt den Höhenwinkel von B, gemessen in Bezug zur Horizontalebene.

Bezug nehmend nun auf Fig. 9, zieht man von B eine Senkrechte herunter, die die Horizontalebene bei Punkt C schneidet. Von C wird eine Linie gezogen, die am Punkt D auf die Achse P-P' trifft, derart, daß die Linie CD parallel zur Achse Q-Q' liegt. Damit werden vier Dreiecke gebildet: ABC, DBC, ABD und ACD. Win kel CAB ist der Höhenwinkel, Winkel CAD ist der 180°-Komplementärwinkel des Azimutwinkels, und Winkel DAB ist die Ke gel-Winkelhalbierende.

Indem man die Beziehungen zwischen den Rändern der Dreiecke be trachtet, kann man zeigen, daß zwischen der Kegel- Winkelhalbierenden a, dem Azimutwinkel θ und dem-Höhenwinkel ϕ die folgende Beziehung besteht:

Wendet man die obige Funktion auf die Werte von Azimut und Höhe in der rückwärtigen Halbkugel an, so läßt sich mit ihrer Hilfe die Kegel-Winkelhalbierende a ermitteln. Der Wert von a kann ge rundet werden auf z. B. den nächstliegenden 3°-Schritt, wodurch man den nächstliegenden Indexierkegel ermittelt. Der Index des zu benutzenden Filters für die räumliche Position von Punkt B kann also wie in Tabelle 2 gezeigt bestimmt werden.

Tabelle 2

Beispiel typischer Indexierarrangements

Ein dreidimensionaler Oberflächen-Graph von Gleichung (1) ist in Fig. 10 gezeigt.

Die Gleichung (1) beschreibt eine lineare Abhängigkeit zwi schen der HF-Dämpfung (in dB) und der Kegel-Winkelhalbierenden, aber es ist ebenso gut möglich, eine nicht-lineare Funktion, z. B. eine logarithmische Funktion oder eine Potenzreihen- Expansion zu definieren. Die Verwendung einer nicht-linearen Funktion erlaubt die Optimierung der räumlichen Eigenschaften des Verfahrens zum Beispiel ist am Eingangspunkt (also an der Position, wo in der rückwärtigen Halbkugel die Filterung be ginnt) und, auch an der Pol-Position (180° Azimut) eine Verlang samung in der Rate der Veränderung der HF-Dämpfung sinnvoll, um an einen glatteren Übergangseffekt zu liefern, wenn die virtuel le Klangquelle durch diese Positionen bewegt wird. Dies erreicht man beispielsweise durch die Verwendung sinnvoll skalierter und verschobener Sinus- und Cosinus-Funktionen. Insbesondere:

Hierbei ist θ der Azimutwinkel, wobei -90° < θ < +90°, und ϕ ist der Höhenwinkel, der zwischen 0° und ± 90° liegt. Wiederum ist der Grad der HF-Dämpfungsfilterung direkt mit dem Indexwert ver knüpft. Der Indexwert liegt zwischen 0 (keine Filterung) und +1 (maximale Filterung) und kann z. B. von 1 bis 30 skaliert werden, um den geeigneten Direkt-Index für die Filterauswahl zu erlan gen. Ein dreidimensionaler Graph der Oberfläche von Gleichung (2) ist in Fig. 11 gezeigt.

Dieses Verfahren läßt sich auch auf für die Verwendung mit Kopfhörern aufbereitete Audiosignale anwenden, wo keine Über sprech-Aufhebung erforderlich ist. Die Entfernung hoher Frequen zen von rückwärtigen Klangquellen kann die räumliche vorne- hinten-Kompression rückwärtiger Perspektiven vermindern, die auftritt, wenn man mit Kopfhörer hört. Die Gründe für eine der artige Kompression stehen im Zusammenhang mit der Tatsache, daß Klangquellen mit reichhaltiger hochfrequenter Information vom Gehirn so empfunden werden, als seien sie sehr nahe den Ohren. Dies liegt daran, daß hochfrequente Klänge bei ihrer Übertragung durch die Luft stärker absorbiert werden als tieferfrequente Klänge. Werden Lautsprecher zum Hören benutzt, so sind diese üb licherweise einen Meter oder mehr vom Ohr entfernt, wohingegen bei Benutzung von Kopfhörern ihre Ansteuer-Einheiten in unmit telbarem Kontakt mit dem Ohr sind und daher der HF-Gehalt unna türlich hoch ist. Dieser erkennbar erhöhte HF-Gehalt entspricht nahen Klangquellen, weshalb das resultierende Klangbild über Kopfhörer im Sinne einer Nähe zum Kopf beschränkt ist und nicht als von korrektem Abstand stammend wahrgenommen wird.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen können zum Beispiel implementiert werden entweder: (1) durch einen seriellen HF-Dämpfungsfilter, der mit dem Standard HRTF-Set arbeitet; (2) ein modifizierter HRTF-Filter-Set kann erzeugt werden, indem alle HRTF-Filter einer Faltung unterzogen werden, um mit ihrem ent sprechenden HF-Dämpfungsfilter virtuelle Klänge in der rückwär tigen Halbkugel zu plazieren; oder (3) individuelle modifizierte HRTF-Paare können allein verwendet werden, z. B. in der Simulati on eines Mehrkanal-Surround-Sound-Systems, wie z. B. AC-3 5.1.

Die Ausführungsformen der Erfindung können in einem Compu terprogramm implementiert werden.

Claims

1. Verfahren zur Aufbereitung eines einkanaligen Audiosignals zur Erlangung eines Audiosignals mit linken und rechten Ka nälen entsprechend einer virtuellen Klangquelle in einer ge gebenen Richtung im Raum relativ zu einer bevorzugten Posi tion eines Hörers im Betrieb, wobei der Raum eine vordere Halbkugel und eine rückwärtige Halbkugel relativ zu der be vorzugten Position umfaßt, die Informationen in den Kanälen Merkmale (cues) für die Empfindung der Richtung des genann ten einkanaligen Audiosignals von der bevorzugten Position aus enthalten, wobei das Verfahren folgende Schritte bein haltet: i) Zurverfügungstellen eines zweikanaligen Signals mit demselben einkanaligen Signal in den beiden Kanälen; ii) Modifizieren der beiden Kanalsignale durch Modifizieren bei der Kanäle mittels einer einer Mehrzahl von kopfbezogenen Transferfunktionen, um ein Rechts-Signal in einem Kanal für das rechte Ohr eines Hörers und ein Links-Signal in dem an deren Kanal für das linke Ohr der Hörers zu erzeugen; iii) Einbringen einer Zeitverzögerung zwischen den Kanälen ent sprechend der interauralen Zeitdifferenz für ein aus der ge wählten Richtung kommendes Signal, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren weiterhin beinhaltet, daß das Signal in beiden Kanälen mittels Hochfrequenz-(HF)- Dämpfungsfiltermitteln gefiltert wird, wobei die Filtercha rakteristik der HF-Dämpfungsfiltermittel entsprechend der gegebenen Richtung der virtuellen Klangquelle einstellbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Maß der HF-Dämpfungsfilterung bei direkt hinter der bevorzugten Posi tion des Hörers, also in der Richtung eines Azimuts ± 180° und Höhe 0° relativ zur bevorzugten Position des Hörers, angeordneten virtuellen Klangquellen maximal ist und das Maß der HF-Dämpfungsfilterung mit zunehmender Annäherung an die vordere Halbkugel progressiv vermindert wird.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei bei in Richtung eines Azimuts zwischen 0° und ± 90° relativ zur bevorzugten Position des Hörers angeordneten virtuellen Klangquellen keine HF-Dämpfungsfilterung durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Links- und Rechts- Kanalsignale durch Mittel zur Aufhebung transauralen Über sprechens behandelt werden, um lautsprecherkompatible Signale zu erhalten.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Koeffizienten der HF-Dämpfungsfiltermittel in Abhängigkeit des Azimutwinkels und des Höhenwinkels der virtuellen Klangquelle eingestellt werden.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Maß der HF-Dämpfungsfilterung für an Positionen auf der rückwärtigen Halbkugel angeordnete virtuelle Klangquellen, welche gleiche Abstände von Azimut ± 180° und Höhe 0° rela tiv zur bevorzugten Position des Hörers aufweisen, im we sentlichen identisch ist.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Koeffizienten der HF-Dämpfungsfiltermittel über eine "Nach schlage"-Tabelle eingestellt werden.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die HF-Dämpfungsfiltermittel in Reihe mit einer HRTF verwendet werden.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine HRTF einer Faltung mit einem HF-Dämpfungsfiltermittel unterzogen wird, um eine modifizierte HRTF zu erhalten.

10. Verfahren zur Aufbereitung eines Audiosignals wie im we sentlichen beschrieben in bezug auf Fig. 4 bis 11.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, enthaltend Signalverarbeitungsmit tel, HRTF-Filtermittel, HF-Dämpfungsfiltermittel und ein Mittel zum Bestimmen von HF-Dämpfungsfilter-Koeffizienten in Abhängigkeit der Richtung der virtuellen Klangquelle.

12. Computerprogramm zur Implementierung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10.

13. Audiosignal, aufbereitet mittels eines Verfahrens nach ei nem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10.