DE60119911T2

DE60119911T2 - System und verfahren zur optimierung von dreidimensionalem audiosignal

Info

Publication number: DE60119911T2
Application number: DE60119911T
Authority: DE
Inventors: Yuval Cohen; Amir Bar On; Giora Naveh
Original assignee: BE4 Ltd
Current assignee: BE4 Ltd
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2001-03-07
Publication date: 2007-01-18
Anticipated expiration: 2021-03-08
Also published as: CN1233201C; ATE327649T1; DE60119911D1; DK1266541T3; AU3951601A; WO2001067814A3; EP1266541B1; US7123731B2; WO2001067814A2; CA2401986A1; CN1440629A; JP2003526300A; IL134979A0; IL134979A; ES2265420T3; US20030031333A1; AU2001239516B2; EP1266541A2; KR20030003694A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zur Personalisierung und Optimierung von dreidimensionalem Tonhören. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren, um einen Hörsweetspot innerhalb eines Hörraumes zu etablieren, in dem bereits Lautsprecher angeordnet sind.
Hintergrund der Erfindung
Es ist eine Tatsache, dass Surround- und Mehrkanaltonspuren allmählich Stereo als den bevorzugten Standard für Musikaufnahme ersetzen. Heute sind viele neue Audiogeräte mit Surroundfähigkeiten versehen. Die meisten heute neu verkauften Musiksysteme sind Mehrkanalsysteme, die mit einer Vielzahl von Lautsprechern und einem Surroundsounddecoder versehen sind. Tatsächlich haben viele Unternehmen Algorithmen entwickelt, die alte Stereoaufnahmen derart modifizieren, dass sie so klingen, als ob sie in Surround aufgenommen worden wären. Andere Unternehmen haben Algorithmen entwickelt, die alte Stereoanlagen derart nachrüsten, dass sie einen Surround ähnlichen Klang unter Verwendung von nur zwei Lautsprechern erzeugen. Stereoexpansionsalgorithmen, wie z.B. die der SRS-Labs und der Spatializer Audio Laboratories vergrößern die wahrgenommene Stimmung; viele Resonanzböden und Lautsprechersysteme enthalten die Schaltkreise, welche notwendig sind, um den erweiterten Stereosound zu erzeugen.
Dreidimensionale Positionierungsalgorithmen führen die Entwicklung einen Schritt weiter, wobei sie danach streben, die Töne in bestimmten Bereichen um den Zuhörer herum anzuordnen, d.h. links oder rechts von ihm über oder unter ihm, jeweils mit Bezug auf das dargestellte Bild. Diese Algorythmen basieren darauf, psychoakustische Markierungen zu simulieren, die die Art, wie Töne wirklich in einem 360° Raum gehört werden, replizieren und die häufig eine kopfbezogene Transferfunktion (HRTF Head-Related-Transfer-Function) verwenden, um den Ton, der an den Ohren des Zuhörers gehört wird, relativ zu den räumlichen Koordinaten der Tonquelle zu berechnen. Beispielsweise wird ein Ton, der von einer Quelle, die auf der linken Seite angeordnet ist, zuerst von dem linken Ohr empfangen und nur einen Bruchteil einer Sekunde später von dem rechten Ohr. Die relative Amplitude von verschiedenen Frequenzen variiert ebenfalls aufgrund von Bündelung und der Behinderung durch den eigenen Kopf des Zuhörers. Die Simulation ist im allgemeinen gut, wenn der Zuhörer in dem „Sweetspot" zwischen den Lautsprechern sitzt.
Auf dem Konsumeraudiomarkt werden Stereoanlagen durch Heimkinosysteme ersetzt, bei denen im allgemeinen sechs Lautsprecher verwendet werden. Inspiriert durch kommerzielle Kinos verwenden Heimkinos 5.1-Wiedergabekanäle, die fünf Hauptlautsprecher und einen Subwoofer aufweisen. Zwei konkurrierende Technologien, Dolby Digital und DTS, verwenden 5.1-Kanalverarbeitung. Beide Technologien sind Verbesserungen älterer Surroundstandards wie z.B. Dolby Pro Logic, bei denen die Kanaltrennung begrenzt war und die hinteren Kanäle monaural waren.
Obwohl 5.1-Wiedergabekanäle den Realismus verbessern, kann die Anordnung von sechs Lautsprechern in einem gewöhnlichen Wohnzimmer problematisch sein. Daher haben eine Zahl von Surround-Herstellungsfirmen spezielle Algorithmen entwickelt, um Mehrkanalformate wie z.B. Dolby Digital über zwei Lautsprecher wiederzugeben, in dem virtuelle Lautsprecher erzeugt werden, die die korrekte räumliche Empfindung erzeugen. Diese Mehrkanal-Virtualisierungsverarbeitung ist ähnlich zu dem, was für Surrounderzeugung entwickelt wurde. Obwohl die Zwei-Lautsprecher-Surroundsysteme erst noch die Leistung von Fünf-Lautsprechersystemen erreichen müssen, können virtuelle Lautsprecher eine gute Tonlokalisierung um den Zuhörer herum ermöglichen.
Alle oben beschriebenen virtuellen Surroundtechnologien stellen eine Surroundsimulation nur in einem festgelegten Bereich innerhalb eines Raums, der als ein „Sweetspot" bezeichnet wird, bereit. Der Sweetspot ist ein Bereich, der innerhalb der Hörumgebung angeordnet ist, dessen Größe und Position von der Position und der Ausrichtung der Lautsprecher abhängt. Die Hersteller von Audioequipment stellen spezielle Installationsanweisungen für die Lautsprecher bereit. Wenn nicht alle diese Anweisungen voll ständig umgesetzt werden, sind die Surroundsimulationen nicht genau. Die Größe des Sweetspots in einem Zwei-Lautsprecher-Surroundsystem ist signifikant kleiner als die eines Vielkanalsystems. Tatsächlich ist sie in den meisten Fällen für nicht mehr als einen Zuhörer geeignet.
Ein weiteres übliches Problem sowohl mit Mehrkanal- als auch mit zwei-Lautsprecher-Soundsystemen ist das physikalische Begrenzungen, wie z.B. der Grundriss eines Raums, Möbel etc., den Zuhörer daran hindern, den Anordnungsanweisungen genau zu folgen.
Zusätzlich sind die Position und die Gestalt des Sweetspots durch die akustischen Eigenschaften der Hörumgebung beeinflusst. Die meisten Anwender haben weder die Mittel, noch das Wissen, die akustischen Probleme zu identifizieren und zu lösen.
Ein weiteres übliches Problem, das mit Audioreproduktion verbunden ist, ist die Tatsache, dass Objekte und Oberflächen in dem Raum bei bestimmten Frequenzen schwingen können. Diese schwingenden Objekte erzeugen ein störendes Brummen oder Dröhnen.
Systeme zur Optimierung des Tonhörens sind bekannt, die ein Abspielgerät für Medien und eine Mehrzahl von Lautsprechern, die innerhalb eines Hörraums angeordnet sind, aufweisen. Beispiele für derartige Systeme sind in den US-Patenten Nr. 5,386,478 und 5,255,326 beschrieben. Der artige Systeme sehen allerdings keine Mehrzahl von Wandlern, die auf einem Sensor angeordnet sind, um die Anordnung jedes Lautsprechers sowohl in der horizontalen Ebene als auch in der Höhe bezüglich des Lautsprechers zu bestimmen, vor.
Es ist daher erstrebenswert, ein System und ein Verfahren bereit zu stellen, welches die beste Tonsimulation gewährleistet, wobei die Position des Zuhörers innerhalb der Tonumgebung und die akustischen Eigenschaften des Raums unerheblich sind. Ein derartiges System sollte eine optimale Leistung automatisch bereit stellen, ohne dass eine Veränderung der Hörumgebung notwendig ist.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zur Lokalisierung der Position des Zuhörers und der Position der Lautsprecher innerhalb einer Hörumgebung bereit zu stellen. Zusätzlich stellt die Erfindung ein System und ein Verfahren zur Verarbeitung von Ton bereit, um die mit derartigen Positionen verbundenen Probleme zu lösen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher ein System zur Optimierung von dreidimensionalem Tonhören bereit gestellt, das ein Abspielgerät für Medien und eine Vielzahl von Lautsprechern aufweist, die innerhalb eines Hörraums angeordnet sind, wobei das System einen portablen Sensor für den Empfang von Testsignalen von den Lautsprechern und für die Übertragung der Signale an einen Prozessor aufweist, welcher derart mit dem System verbunden werden kann, dass er Mehrkanalaudiosignale von dem Abspielgerät für Medien empfangen und an die Vielzahl von Lautsprechern übertragen kann; wobei der Prozessor beinhaltet:
(a) Mittel zum Initiieren der Übertragung von Testsignalen an jeden der Lautsprecher und zum Empfang der Testsignalen von den Lautsprechern, die zur Bestimmung der Lage jedes Lautsprechers relativ zu einem Hörort innerhalb des Raums, der durch die Plazierung des Sensors bestimmt ist, verarbeitet werden; (b) eine Vorrichtung, um jede Tonspur des Mehrkanalaudiosignals bezüglich Intensität, Phase und/oder der Abgleichung entsprechend der relativen Lage jedes Lautsprechers zu bearbeiten, um virtuelle Tonquellen an den gewünschten Positionen zu erzeugen, und (c) eine Vorrichtung für die Kommunikation zwischen dem Sensor und Prozessor;
dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Vielzahl von Wandlern aufweist, die derart darauf plaziert sind, dass sie die Anordnung jedes Lautsprechers sowohl in der horizontalen Ebene als auch in der Höhe bezüglich der Lage des Sensors bestimmen können.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zur Optimierung dreidimensionalen Tonhörens bereit, bei dem ein System verwendet wird, das ein Abspielgerät für Medien, eine Vielzahl von Lautsprechern, die in einem Hörraum ange ordnet sind, und einen Prozessor aufweist, wobei das Verfahren umfasst: das Auswählen eines Sweetspots innerhalb des Hörraums, und das Betreiben der Lautsprecher bezüglich Intensität, Phase und/oder der Abgleichung in Übereinstimmung mit deren Position relativ zu dem Sweetspot, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor bereit gestellt wird, der eine Vielzahl von Wandlern aufweist, die darauf plaziert sind, um die Anordnung jedes Lautsprechers sowohl in der horizontalen Ebene als auch in der Höhe bezüglich der Lage des Sensors zu bestimmen.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung misst die Eigenschaften der Hörumgebung, beinhaltend die Effekte der Raumakustiken. Das Audiosignal wird dann so verarbeitet, dass dessen Reproduktion über die Lautsprecher den Zuhörer dazu bringen, dass er sich so fühlt, als ob er sich genau innerhalb des Sweetspots befinden würde. Das System der vorliegenden Erfindung verschiebt virtuell den Sweetspot, damit er den Hörer umgibt, anstelle dessen, dass der Zuhörer dazu gezwungen wird, sich in den Sweetspot zu bewegen. Alle Anpassungen und die Verarbeitung, die durch das System bereit gestellt werden, machen die bestmögliche Hörerfahrung des Zuhörers möglich.
Das System der vorliegenden Erfindung zeigt die folgenden Vorteiles

(1) der simulierte Surroundeffekt ist immer der beste;
(2) der Zuhörer ist weniger eingeschränkt, wenn er die Lautsprecher anordnet;
(3) der Zuhörer kann sich frei innerhalb der Hörumgebung bewegen, wobei die Hörerfahrung optimal bleibt;
(4) es gibt eine signifikante Reduktion von Summen und Brummen, das durch schwingende Objekte erzeugt wird;
(5) die Anzahl von akustischen Problemen, die durch die Hörumgebung erzeugt werden, ist signifikant verringert, und
(6) Lautsprecher, die mehr als eine Vorstufe aufweisen, könnten einer punktförmigen Tonquelle ähneln.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun in Verbindung mit bestimmten bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die nachfolgenden illustrierenden Zeichnungen beschrieben, so dass sie genauer verstanden werden kann.
Mit spezifischem Bezug auf die Zeichnungen im Detail wird betont, dass die gezeigten Besonderheiten nur als Beispiel dienen und zum Zwecke der illustrierenden Diskussion der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dienen und gezeigt werden, um das bereit zu stellen, von dem angenommen wird, dass es die nützlichste und am einfachsten zu verstehende Beschreibung der Prinzipien der konzeptionellen Aspekte der Erfindung ist. In diesem Zusammenhang wird kein Versuch unternommen, strukturelle Details der Erfindung detaillierter zu zeigen, als dies für ein fundamentales Verständnis der Erfindung notwendig ist, wobei die Beschreibung zusammen genommen mit den Zeichnungen es für den Fachmann offensichtlich macht, wie mehrere Formen der Erfindung in der Praxis ausgeführt werden können.
In den Zeichnungen:
1 ist ein schematisches Diagramm einer idealen Anordnung der Lautsprecher relativ zu der Sitzposition des Hörers;
2 ist ein schematisches Diagramm, das den Ort und die Größe des Sweetspots in der Tonumgebung zeigt;
3 ist ein schematisches Diagramm des Sweetspots und eines Zuhörers, der außerhalb von diesem sitzt;
4 ist ein schematisches Diagramm eines deformierten Sweetspots, was durch die Fehlanordnung der Lautsprecher verursacht wird;
5 ist ein schematisches Diagramm eines deformierten Sweetspots, was durch eine Fehlanordnung der Lautsprecher verursacht wird, wobei ein Zuhörer außerhalb des deformierten Sweetspots sitzt;
6 ist ein schematisches Diagramm eines PC-Anwenders, der außerhalb eines deformierten Sweetspots lokalisiert ist, was durch die Fehlanordnung der PC-Lautsprecher verursacht wird;
7 ist eine schematisches Diagramm eines Zuhörers der sich außerhalb des original Sweetspots befindet und eines Fernsensors, der den Sweetspot dazu veranlasst, sich in Richtung des Hörers zu bewegen;
8 ist ein schematisches Diagramm, das einen Fernsensor illustriert;
9a ist ein schematisches Diagramm, das die Verzögerung von akustischen Wellen, die von den Mikrofonen des Fernsensors wahrgenommen werden, zeigt;
9b ist ein Zeitmessdiagramm von Signalen, die von dem Sensor empfangen werden;
10 ist ein schematisches Diagramm, das die Anordnung der Lautsprecher mit Bezug auf den Fernsensor zeigt;
11 ist ein schematisches Diagramm, das den Fernsensor, die Lautsprecher und die Audioausrüstung zeigt;
12 ist ein Blockdiagramm der Verarbeitungseinheit des Systems und des Sensors, und
13 ist ein Fließdiagramm, das die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung illustriert.
Detaillierte Beschreibung
1 illustriert eine ideale Anordnung eines Zuhörers und der Lautsprecher, wobei sie einen Zuhörer 11 innerhalb eines typischen Surroundsystems zeigt, welches fünf Lautsprecher umfasst: einen vorderen linken Lautsprecher 12, einen mittleren Lautsprecher 13, einen vorderen rechten Lautsprecher 14, einen hinteren linken Lautsprecher 15 und einen hinteren rechten Lautsprecher 16. Um den besten Surroundeffekt zu erzielen wird empfohlen, einen Winkel 17 von 60° zwischen dem vorderen linken Lautsprecher 12 und dem vorderen rechten Lautsprecher 14 einzuhalten. Ein identischer Winkel 18 wird für die hinteren Lautsprecher 15 und 16 empfohlen. Der Zuhörer sollte sich dem mittleren Lautsprecher 13 mit einem Abstand 2L von den vorderen Lautsprechern 12, 13, 14 und einem Abstand L von den hinteren Lautsprechern 15, 16 zuwenden. Es muss angemerkt werden, dass jede Abweichung von der empfohlenen Position die Surrounderfahrung beeinträchtigt.
es muss angemerkt werden, daß die empfohlene Position der Lautsprecher gemäß dem gewählten Surroundprotokoll und dem Hersteller der Lautsprecher abweichen kann.
2 illustriert die Anordnung von 1, wobei ein Kreis 21 den Sweetspot darstellt. Der Kreis 21 ist das Gebiet, in dem der Surroundeffekt am besten simuliert wird. Der Sweetspot ist symmetrisch geformt, da die Lautsprecher an den empfohlenen Orten angeordnet sind.
3 beschreibt eine typische Situation in der der Zuhörer 11 auf einer Linie mit den hinteren Lautsprechern 15 und 16 ist. Der Zuhörer 11 befindet sich außerhalb des Sweetspots 22 und wird sich deshalb nicht des bestmöglichen Surroundeffektes erfreuen. Ein Ton, der hinter ihm entstehen sollte, wird auf seiner linken oder rechten Seite lokalisiert erscheinen. Zusätzlich sitzt der Zuhörer zu nah an dem hinteren Lautsprecher und wird deshalb unausgeglichene Lautstärken erfahren.
4 illustriert die Fehlanordnung der hinteren Lautsprecher 15, 16, was zu einer Deformation des Sweetspots 22 führt. Ein Zuhörer, der sich in dem deformierten Sweetspot befindet, wird unausgeglichene Lautstärken und eine Fehlanordnung des Klangfeldes erleben. Der Zuhörer 11 in 4 sitzt außerhalb des deformierten Sweetspots.
In 5 ist ein typischer Surroundraum gezeigt. Die Lautsprecher 12, 14, 15 und 16 sind fehlangeordnet, was dazu führt, dass der Sweetspot 22 deformiert ist. Der Zuhörer 11 sitzt außerhalb des Sweetspots 22 und ist zu nah an dem linken hinteren Lautsprecher 15. Eine derartige Anordnung führt zu einer großen Verschlechterung des Surroundeffektes. Keiner der Sitze 23 ist innerhalb des Sweetspots 22 angeordnet.
In 6 ist eine typische PC-Umgebung gezeigt. Der Zuhörer 11 verwendet ein Zwei-Lautsprecher-Surroundsystem für einen PC 24. Die PC-Lautsprecher 25 und 26 sind fehlangeordnet, was dazu führt, dass der Sweetspot 22 deformiert ist, und der Zuhörer sitzt außerhalb des Sweetspots 22.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 7 illustriert. Die Position der Lautsprecher 12, 13, 14, 15, 16 und der Sweetspot sind identisch mit denen, welche mit Bezug auf 5 beschrieben wurden. Der Unterschied ist, dass der Zuhörer 11 einen Fernpositionssensor 27 hält, der akkurat die Position des Zuhörers mit Bezug auf die Lautsprecher misst. Sobald die Messung vollständig ist, bearbeitet das System die Tonspur jedes Lautsprechers, wodurch der Sweetspot dazu veranlaßt wird, sich von seiner ursprünglichen Position in Richtung der Hörposition zu bewegen. Die Klangbearbeitung bringt den Sweetspot wieder in seine ursprüngliche Form und stellt die optimale Hörerfahrung wieder her. Der Zuhörer muss einer derartige Kalibrierung nur dann noch einmal durchführen, nachdem er die Sitzposition gewechselt oder die Lautsprecher verschoben hat.
Der Fernpositionssensor 27 kann außerdem dafür verwendet werden, die Position eines schwingenden Objektes zu bestimmen. Indem der Sensor in der Nähe des schwingenden Objektes positioniert wird, können Positionsinformationen erhalten werden, die später verwendet werden können, um die Menge an Energie, die bei dem Objekt ankommt, zu reduzieren. Die Verarbeitungseinheit kann die Gesamtenergie oder die Energie bei spezifischen Frequenzen, bei denen das Objekt schwingt, reduzieren.
Der Fernsensor 27 kann auch die Impulsantwort von jedem Lautsprecher messen und sowohl die Übertragungsfunktion von jedem Lautsprecher als auch die akustischen Eigenschaften des Raums analysieren. Die Information kann dann von der Verarbeitungseinheit verwendet werden, um die Hörerfahrung zu verbessern, indem die Nichtlinearität der Lautsprecher kompensiert wird und unerwünschte Echos und/oder Nachhall reduziert werden.
In 8 ist der Fernpositionssensor 27 zu sehen, der eine Anordnung von Mikrofonen oder Wandlern 28, 29, 30, 31 aufweist. Die Anzahl und die Anordnung der Mikrofone kann gemäß der Entscheidung des Entwicklers variieren.
Das Messverfahren für einen der Lautsprecher ist in 9a dargestellt. Um die Position zu messen, wird das System in den Messmodus geschaltet. In diesem Modus wird ein kurzer Ton („ging") von einem der Lautsprecher erzeugt. Die Schallwellen 32 breiten sich durch die Luft mit Schallgeschwindigkeit aus. Der Ton wird von den Mikrofonen 28, 29, 30 und 31 empfangen. Die Entfernung und der Winkel des Lautsprechers bestimmen die Reihenfolge und die Zeitmessung des Empfangs des Tons.
9b illustriert ein „ping", wie dies von den Mikrofonen empfangen wird. Die Messung kann während der normalen Wiedergabe ohne Störung der Musik durchgeführt werden. Dies wird dadurch ermöglicht, indem eine „ping"-Frequenz verwendet wird, die höher als der menschliche Hörbereich ist (d.h. bei 20.000 Hz). Die Mikrofone und die Elektronik sind allerdings empfindlich für die „ping"-Frequenz. Das System kann mehrere „pings" mit verschiedenen Frequenzen von jedem der Lautsprecher initiieren (z.B. ein „ping" im Bereich des Tieftonlautsprechers und eines in dem Bereich des Hochtonlautsprechers). Diese Methode ermöglicht es, die Position des Hochtonlautsprechers oder des Tieftonlautsprechers bezüglich der Position des Zuhörers zu bestimmen, wodurch dem System ermöglicht wird, die Lautstärken der Lautsprecherkomponenten anzupassen und eine noch bessere Anpassung der Hörumgebung zu ermöglichen. Sobald die Information gesammelt ist, verwendet das System dieselbe Methode, um die Entfernung und die Position der anderen Lautsprecher in dem Raum zu messen. An dem Ende des Verfahrens schaltet das System wieder zurück auf Wiedergabe.
Es muss angemerkt werden, dass aus Gründen der Einfachheit des Verständnisses die beschriebene Ausführungsform die Position eines Lautsprechers zu einer bestimmten zeit misst. Allerdings ist das System in der Lage dazu, die Position von mehreren Lautsprechern gleichzeitig zu messen. Eine bevorzugte Ausführungsform überträgt gleichzeitig mehrfach-„pings" von jedem der Mehrzahl von Lautsprechern, jeweils mit einer einzigartigen Frequenz, Phase oder Amplitude. Die Verarbeitungseinheit ist in der Lage, jedes der mehrfach „pings" zu identifizieren und gleichzeitig die Position jedes Lautsprechers zu bestimmen.
Eine weitere Analyse des empfangenen Signals kann Informationen über die Raumakustik, reflektierende Oberflächen etc. liefern.
Für ein besseres Verständnis bezieht sich die Beschreibung auf speziell erzeugte „pings", wobei angemerkt werden muss, dass die benötigte Information mit Bezug auf die Entfernung und Position von jedem der Lautsprecher relativ zu dem gewählten Sweetspot ebenfalls gesammelt werden kann, indem die gespielte Musik analysiert wird.
Nun mit Bezug auf 10 werden die verschiedenen von dem System gemessenen Parameter demonstriert. Die Mikrofone 29, 30, 31 definieren eine horizontale Ebene HP, wo bei die Mikrofone 28 und 30 den Nordpol (NP) des Systems definieren. Die Position irgendeines Lautsprechers 33 im Raum kann durch drei Koordinaten angegeben werden: R ist die Distanz des Lautsprechers, [α] α ist der Azimuth bezüglich des NP und ε ist der Winkel oder die Höhenkoordinate über der horizontalen Oberfläche (HP).
11 ist ein allgemeines Blockdiagramm des Systems. Das an sich bekannte Abspielgerät für Medien 34 erzeugt eine Mehrkanaltonspur. Der Prozessor 35 und der Fernpositionssensor 27 führen die Messungen durch. Der Prozessor 35 bearbeitet die Mehrkanaltonspur gemäß den Messergebnissen, wobei HRTF-Parameter mit Bezug auf Intensität, Phase und/oder der Abgleichung zusammen mit Signalverarbeitungsalgorithmen des Standes der Technik verwendet werden. Die bearbeitete Mehrkanaltonspur wird unter Verwendung eines Verstärkers 36 verstärkt. Jeder verstärkte Kanal der Mehrkanaltonspur wird zu dem jeweiligen Lautsprecher 12 bis 16 geleitet. Der Fernpositionssensor 27 und der Prozessor 36 kommunizieren vorteilhafterweise unter Verwendung eines drahtlosen Kanals. Die Art des Kommunikationskanals kann von einem geschickten Entwerfer des Systems bestimmt werden und kann drahtlos oder drahtgebunden sein. Die drahtlose Kommunikation kann ausgeführt werden, indem Infrarot, Radio, Ultraschall oder irgendeine andere Methode verwendet wird. Der Kommunikationskanal kann entweder bi-direktional oder uni-direktional sein.
12 zeigt ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des Prozessors 35 und des Fernpositionssensors 27. Der Eingang des Prozessors ist eine Mehrkanaltonspur 37. Der Matrixschalter 38 kann „pings" gemäß den Anweisungen der zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) 39 zu jedem der Kanäle hinzufügen. Der Filter und Verzöger 40 wendet HRTF-Algorithmen an, um jede Tonspur gemäß den Befehlen der CPU 39 zu bearbeiten. Die Ausgabe des Systems ist eine Mehrkanaltonspur.
Ein Signalgenerator 42 erzeugt die „pings" mit den gewünschten Eigenschaften. Die drahtlosen Einheiten 43, 44 sorgen für die Kommunikation zwischen der Verarbeitungseinheit 35 und dem Fernpositionssensor 27. Die Zeitmesseinheit 45 misst die Zeit, die zwischen der Abstrahlung des „pings" von dem Lautsprecher und seines Empfangs durch die Mikrofonanordnung 46 vergeht. Die Zeitmessungen werden von der CPU 39 analysiert, die die Koordinaten von jedem Lautsprecher (10) berechnet.
Aufgrund der Tatsache, dass die Raumakustik die Eigenschaften von Ton, der von den Lautsprechern herrührt, verändert, werden die Testtöne („pings") ebenfalls durch die Akustik beeinflusst. Die Mikrofonanordnung 46 und der Fernpositionssensor 27 können derartige Einflüsse messen und verarbeiten, wobei sie die CPU 39 verwenden. Derartige Informationen können dann verwendet werden, um die Hörerfahrung weiter zu verbessern. Diese Information kann verwendet werden, um die Rauschpegel zu reduzieren, eine bessere Kontrolle über Echos zu erzielen, eine automatische Abgleichung zu ermöglichen etc.
Die Anzahl der Ausgaben 41 von Mehrkanälen kann von der Anzahl der Eingabekanäle der Tonspur 37 abweichen. Das System kann beispielsweise Mehrkanalausgaben und eine Mono- oder Stereoeingabe haben, wobei in diesem Fall ein interner Surroundprozessor zusätzliche räumliche Informationen gemäß vorher festgelegten Instruktionen erzeugt. Das System kann auch eine Kompositsurroundkanaleingabe (z.B. Dolby AC-3, Dolby Pro-Logic, DTS, THX, etc.) verwenden, wobei in diesem Fall ein Surroundsounddecoder benötigt wird.
Die Ausgabe 41 des Systems kann eine Mehrkanaltonspur oder ein Kompositsurroundkanal sein. Zusätzlich kann das 2-Lautsprecher-Surroundsystem derart entworfen sein, nur zwei Ausgabekanäle für die Reproduktion des Surroundsounds über zwei Lautsprecher zu verwenden.
Ein Positionsinformationsinterface 47 erlaubt es dem Prozessor 35 Positionsinformationen mit externer Ausrüstung, wie z.B. einem Fernseher, einem Lichtdimmer, einem PC, einer Klimaanlage, etc. zu teilen.
Eine externe Vorrichtung, die das Positionsinterface 47 verwendet, kann auch den Prozessor steuern. Eine derartige Kontrolle könnte wünschenswert für PC-Programmierer oder Filmregisseure sein. Sie wären in der Lage, die vir tuelle Position der Lautsprecher gemäß den künstlerischen Anforderungen der Szene zu verändern.
13 illustriert ein typisches Operationsfließdiagramm. Bei dem Systemstart bei 48 stellt das System die vorgegebenen HRTF-Parameter 49 wieder her. Diese Parameter sind die letzten Parameter, die von dem System gemessen wurden, oder die Parameter, die von dem Hersteller in dem Speicher des Systems abgelegt wurden. wenn das System eingeschaltet wird, d.h. wenn Musik gespielt wird, verwendet das System seine aktuellen HRTF-Parameter 50. Wenn das System in den Kalibrierungsmodus 51 geschaltet wird, überprüft es, ob das Kalibrierungsverfahren bei 52 abgeschlossen ist. Wenn das Kalibrierungsverfahren abgeschlossen ist, berechnet das System dann die neuen HRTF-Parameter 53 und ersetzt sie durch die vorgegebenen Parameter 49. Dies kann sogar während der Wiedergabe getan werden. Das Ergebnis ist natürlich ein Verschieben des Sweetspots in Richtung der Position des Zuhörers und demzufolge eine Korrektur des deformierten Klangbildes. Wenn das Kalibrierungsverfahren nicht abgeschlossen ist, sendet das System ein „ping"-Signal an einen der Lautsprecher 54 und setzt gleichzeitig alle vier Zeitmesser 55 zurück. Unter Verwendung dieser Zeitmesser berechnet das System bei 56 die Ankunftszeit des „ping" und berechnet gemäß dieser die exakte Position des Lautsprechers mit Bezug auf die Position des Zuhörers. Nachdem die Messung eines Lautsprechers beendet ist, macht das System mit dem nächsten 57 weiter. Nachdem das Verfahren für alle Laut sprecher abgeschlossen ist, berechnet das System die kalibrierten HRTF-Parameter und ersetzt die vorgegebenen Parameter durch die kalibrierten.
Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass die Erfindung nicht auf die Details der zuvor illustrierten Ausführungsformen begrenzt ist und dass die vorliegende Erfindung in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden kann. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher in jeglicher Hinsicht als illustrierend und nicht einschränkend zu betrachten, wobei der Umfang der Erfindung durch die angehängten Ansprüche besser als durch die vorhergehende Beschreibung angegeben wird, und wobei alle Unterschiede, die sich innerhalb der Bedeutung des Bereichs der Äquivalenz der Ansprüche ergeben daher als mit umfasst gelten sollen.

Claims

System für die Optimierung dreidimensionalen Tonhörens mit einem Abspielgerät für Medien (34) und einer Vielzahl von Lautsprechern (12, 13, 14, 15, 16), die in einem Hörraum angeordnet sind, wobei das System aufweist: einen portablen Sensor (27) für den Empfang von Testsignalen von den Lautsprechern und für die Übertragung der Signale an einen Prozessor (35), der derart mit dem System verbunden werden kann, dass er Mehrkanalaudiosignale von dem Abspielgerät für Medien (34) empfangen und an die Vielzahl von Lautsprechern (12, 13, 14, 15, 16) übertragen kann, wobei der Prozessor (35) aufweist: a) Mittel zum Initiieren der Übertragung von Testsignalen an jeden der Lautsprecher und zum Empfangen der Testsignale von den Lautsprechern, die zur Bestimmung der Lage jedes Lautsprechers relativ zu einem Hörort innerhalb des Raums, der durch die Plazierung des Sensors bestimmt ist, verarbeitet werden; b) eine Vorrichtung, um jede Tonspur des Mehrkanalaudiosignals bezüglich Intensität, Phase und/oder der Abgleichung entsprechend der relativen Lage jedes Lautsprechers zu bearbeiten, um virtuelle Tonquellen an den gewünschten Positionen zu erzeugen, und c) eine Vorrichtung für die Kommunikation (43) zwischen dem Sensor und dem Prozessor; dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (27) eine Vielzahl von Wandlern (28, 29, 30, 31) aufweist, die derart darauf plaziert sind, dass sie die Anordnung jedes Lautsprechers (12, 13, 14, 15, 16) sowohl in der horizontalen Ebene als auch in der Höhe bezüglich der Lage des Sensors (27) bestimmen können.
System nach Anspruch 1, bei dem die Testsignale, die von dem Sensor empfangen und von dem Prozessor übertragen werden, bei Frequenzen liegen, die höher als der menschliche Hörbereich sind.
System nach Anspruch 1, bei dem der Sensor eine Zeitmesseinrichtung (45) für die Messung der Zeit, die zwischen der Initiierung der Testsignale an jeden der Lautsprecher (12, 13, 14, 15, 16) und der Zeit, zu der die Signale von den Wandlern (28, 29, 30, 31) empfangen werden, vergeht, aufweist.
System nach Anspruch 1, bei dem die Kommunikation zwischen dem Sensor und dem Prozessor drahtlos (43) ist.
Verfahren für die Optimierung dreidimensionalen Tonhörens, bei dem ein System verwendet wird, das ein Abspielgerät für Medien (34), eine Vielzahl von Lautsprechern (12, 13, 14, 15, 16), die in einem Hörraum angeordnet sind, und einen Prozessor (35) aufweist, wobei das Verfahren umfaßt: das Auswählen eines Sweetspots (22) innerhalb des Hörraums, und das Betreiben der Lautsprecher (12, 13, 14, 15, 16) bezüglich Intensität, Phase und/oder der Abgleichung in Übereinstimmung mit deren Position relativ zu dem Sweetspot (22), dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (27) bereitgestellt wird, der eine Vielzahl von Wandlern (28, 29, 30, 31) aufweist, die darauf plaziert sind, um die Anordnung jedes Lautsprechers (12, 13, 14, 15, 16) sowohl in der horizontalen Ebene als auch in der Höhe bezüglich der Lage des Sensors (27) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Entfernung zwischen dem Sweetspot (22) und jedem Lautsprecher (12, 13, 14, 15, 16) bestimmt wird, indem Testsignale an die Lautsprecher übertragen werden, die Signale von dem Sensor, der sich am Sweetspot befindet, emp fangen werden, die Zeit gemessen wird, die zwischen der Initiierung der Testsignale an jeden Lautsprecher und der Zeit, zu der die Signale von dem Sensor empfangen werden, vergeht, und bei dem die Messungen an den Prozessor übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Testsignale mit Frequenzen übertragen werden, die höher als der menschliche Hörbereich sind.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Testsignale Signale sind, die aus der gespielten Musik bestehen.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Übertragung der Testsignale drahtlos erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Sensor geeignet ist, das Impulsansprechverhalten jedes Lautsprechers zu messen und die Übertragungsfunktion jedes Lautsprechers zu analysieren und die akustischen Eigenschaften des Raumes zu analysieren.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Messungen verarbeitet werden, um die Nicht-Linearität der Lautsprecher zu kompensieren, den Frequenzgang der Lautsprecher zu korrigieren und unerwünschte Echos und/oder Hall derart zu reduzieren, dass die Qualität des Klangs in dem Sweetspot verbessert wird.