DE69120823T2 - Multidimensionales Tonwiedergabesystem - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Tonwiedergabeverfahren, insbesondere für einen multidimensionalen Raum unter Verwendung binauraler Aufzeichnung.
• Bei haushaltsüblichen stereophonischen Tonsystemen wird üblicherweise versucht, die Lokalisation des Tons über Ausgleichspotentiometer einzustellen. Dabei beeinflußt der relative Pegel zwischen zwei Lautsprechern, wo der sich abstandsgleich zwischen den Lautsprechern befindende Hörer das Phantombild wahrnimmt, relativ zu einer einzelnen Ebene. Die Wahrnehmung, von wo der Ton herrührt, d.h. das Phantombild, ist abhängig von der Verzögerung zwischen den beiden ansonsten identischen Quellen. Bei allmählich zunehmenden Verzögerungen, die in der Größenordnung des interauralen Zeitunterschieds (Interaural Time Difference) (ITD) zwischen den Ohren liegen, verlagert sich das Phantombild in Richtung der wirklichen, nichtverzögerten Quelle, die sich vom Phantombild entfernt befindet. Wenn die Zeitverzögerung auf bis zu 10 mS erhöht wird, wird die Tonrichtung mit dem Lautsprecher "verschmolzen", aus dem der Ton zuerst eintraf. Tatsächlich wurde folgendes beobachtet: wenn zwei gleiche Töne, die von verschiedenen Quellen herrühren, um ca. 10 mS - 50 mS gegeeinander verzögert werden, nimmt ein sich abstandsgleich von den beiden Lautsprechern aufhaltender Zuschauer den Ton so wahr, als käme er aus der Richtung des Lautsprechers, dessen Ton zuerst eintrifft, unter Ausschluß des zweiten Lautsprechers. Dieses Phänomen wird als Gesetz der ersten Wellenfront, Precedence-Effekt oder Haas-Effekt bezeichnet.
• Bei aus zwei verschiedenen Quellen eintreffendem Ton, egal ob durch Reflektionen oder durch verzögerte Quellen hervorgerufen, kann der Ton einer Person entweder als Echo oder als bloße Tonfärbung des direkten Tons erscheinen. Wenn die Verzögerung zwischen zwei identischen Klängen mehr als 10 mS beträgt, wird der Ton als Tonfärbung des direkten Tons wahrgenommen während er bei Verzögerungen von mehr als ca. 50 mS als Echo wahrgenommen wird. Deshalb würde der Hörer die Position der hintersten Tonquelle nicht wahrnehmen, sondern eher einen volleren und vielleicht deutlicheren Ton an seinem Aufenthaltsort empfinden, wenn der verzögerte Ton aus einer hinteren Position mit einer Verzögerung von 10 - 50 mS im Verhältnis zum direkten Ton auf den Zuhörer gerichtet wäre. Das menschliche Ohr konzentriert sich hauptsächlich auf den Ton, der als erster eintrifft.
• Die obigen Beobachtungen lassen sich allgemein mit Hilfe der Theorie erklären, daß die Position einer Tonquelle durch interaurale Unterschiede in bezug auf Intensität und Ankunftszeit (Phase) festgestellt wird. Dies ist die sogenannte Duplextheorie der Lokalisation, die besagt, daß unterhalb von 1500 Hz die Phase und oberhalb von 4000 Hz die intensität der dominierende Faktor bei der Lokalisation ist. Im dazwischenliegenden Frequenzbereich ist die Lokalisation nicht gut und es können aufgrund des Konfliktes zwischen den beiden Mechanismen über diesen Frequenzbereich Unsicherheiten auftreten Die Duplextheorie der Lokalisation ist nicht haltbar, wenn einzelne Tonquellenpositionen definiert werden sollen. Nach der Duplextheorie produzieren eine direkt vor einem Zuhörer befindliche Tonquelle und eine direkt hinter ihm befindliche identische Signale für die Ohren. Es ist jedoch eine alltägliche Erfahrung, daß man zwischen Tönen, die von vorn und hinten kommen unterscheidet. Es gibt viele Beweise, die die Theorie unterstützen, daß ein drifter Mechanismus zur Lokalisation des Tons beiträgt, nämlich die Umwandlung des Tons in der Ohrmuschel.
• Versuche in den letzten Jahren haben gezeigt, daß die Ohrmuschel eine spektrale Modifizierung durchführt, die zusätzliche Anhaltspunkte für die Lokalisation von Klängen bietet. Dies ist insbesondere in bezug auf Höhen und Vorn/Hinten-Informationen der Fall. Das Gehirn/Nervensystem scheint winkelabhängige Spektralinformationen auszuwerten, um die Richtung zu bestimmen. Dies ist auf die komplexe Form der Ohrmuschel zurückzuführen. Wenn sie einen Ton im Vordergrund des Hörers aufnimmt, resultiert dies in einer ganz anderen Übertragung zum Ohrkanal als wenn der Ton im Hintergrund des Hörers erzeugt wird. Diese spektrale Modifikation wird auch durch den Kopf und den Torso beeinflußt.
• Beim als 3-D-Ton bekannten multidimensionalen Ton ist es notwendig, den Ton zu lokalisieren, bewegliche Tonquellen zu identifizieren, das für den Hörer ideale Hörgebiet zu vergrößern und den eigentlichen Ton aus dem Sichtfeld (z.B. Kinoleinwand) zu entfernen und zum Zuschauer zu verschieben. Wenn sich nur eine Person im Raum befindet, wird multidimensionaler Ton entweder durch Kopfhörer oder über Lautsprecher wiedergegeben. Bei Lautsprechern ist es wichtig, daß der Zuhörer sich nicht bewegt, da sehr komplexe Systeme entwickelt wurden, um das Übersprechen zwischen den Lautsprechern aufzuheben. Weiterhin sind Räume, in denen diese Experimente durchgeführt wurden, typischerweise akustisch "tot".
• Ein zur Wiedergabe binauraler Signale über Lautsprecher geschaffenes System ist das Q-biphonische System. Dieses System verwendet einen binauralen Synthesizer, der zuvor aufgezeichnete monorale Quellen unter Verwendung von Lautsprecher-Übersprech-Aufhebungsschaltungen in binaurale Signale konvertiert, die für die Wiedergabe durch Lautsprecher benötigt werden. Bei diesen Systemen soll bei einer Anordnung mit vier Lautsprechern vollständige Azimuth-Lokalisierung zusätzlich zur Höhen-Lokalisation erzielt werden. Dieses Verfahren reagiert sehr empfindlich auf Kopfbewegungen und ist auf nur eine Hörposition beschränkt. in den Anfangstagen dieses Verfahrens wurde festgestellt, daß ein schalltoter Raum benötigt wurde.
• Eine andere für ein multidimensionales System vorgeschlagene Lösung verwendet ein computergesteuertes Mehrfach-Verzögerungsleitungsverfahren. Sechs Verzögerungsleitungen und zusätzlich vier Nicht-Verzögerungsleitungen sind bereitgestellt. Mit Hilfe einer Computer-Maus für die Manipulation der Koordinaten können Töne durch Regeln der Signalankunftszeiten zwischen den Lautsprechern eines Mehrfach-Lautsprechersystems lokalisiert werden. Zusätzlich zur regelbaren Verzögerung kann jede Leitung gedämpt werden Die mit Hilfe eines Computers ausgeführten Berechnungen der individuellen Verzögerungszeiten und Dämpfungen erzielen den gewünschten Effekt, d.h. ein Phantombild. Für sich bewegenden Quellen können die Verzögerungszeiten mit Hilfe der Maus auf den neuesten Stand gebracht werden und vorgegebene Anordnungen können für zukünftige Bezugnahme gespeichert werden.
• Einige gegenwärtig stattfindende Untersuchungen auf dem Gebiet der multidimensionalen Tonverfahren beschäftigen sich mit der Entwicklung einer multisensorischen "virtuellen Umgebung-"Arbeitsstation (VIEW) zur Verwendung bei Raumstationstelebetätigung, Tele-Präsenz und Automatisierungstätigkeiten Die Schallanforderungen für dieses Vorhaben führten zum Prototyp eines binauralen Signalprozessors zum Umwandeln erzeugter oder aufgenommener Töne in binaurale Signale. Forscher maßen die Ohrmuschelfrequenzen einer Person als Funktion von Azimuth und Höhe und erhielten so reine kopfbezogene Transferfunktionen (HRTFs) unter Verwendung von Schneller-Fourier- Transformationstechniken. Diese HRTFs wurden in ein digitales Signalverarbeitungsgerät (DSP) implementiert, wodurch der Bediener eine richtungsabhängige Entzerrung eines eintreffenden Signals durchführen konnte. Durch Herstellen der richtigen Beziehung zwischen dem ITD, dem interauralen Pegelunterschied (Interaural Level Difference) (ILD) und dem HRTF konnten Forscher Freifeldstimuli synthetisieren und diese über Kopfhörer ausgeben. Bewegungsbahnen und statische Orte mit größerer HRTF-Auflösung als gemessen wurde, wurden durch Interpolation erhalten. Dieses Verfahren hatte jedoch Probleme mit Vorn/Hinten-Umkehrungen.
• Um binaurale Tonspuren aufzunehmen wird ein Aufnahmeverfahren angewandt, das einen Kunstkopf für die Aufnahme benutzt. Dieser wird manchmal als Kopfaftrappe bezeichnet. Das Verfahren verwendet einen Kunstkopf, der aus einer anthropromorphen Mannequin-ähnlichen Einrichtung hergestellt wurde, naturgetreue Ohrmuscheln hat und in den Ohrkanälen Mikrophone aufweist. Die Mikrophone befinden sich an beiden Seiten des Kunstkopfes und werden in Verbindung mit einem binauralen Prozessor verwendet, der die Standardsignale in binaurale Signale umwandelt. Der Kunstkopf wird üblicherweise als Feldmikrophon mit zusätzlicher Schaltung für die Nachbildung der Aufnahmen von Solisten benutzt, die umgewandelt und mit der Feldaufnahme abgemischt werden.
• Wenn mit dem Kunstkopf aufgenommen wird, ist dieser für flache Freifeldübertragung bei Frontaleinfall entzerrt. Dadurch erreicht man zwei Dinge. Erstens produziert das Hören binauraler Aufnahmen über Kopfhörer typischerweise innere oder "im-Kopf"-Töne. Dies liegt an der Störung der Muschelresonanz in der Ohrmuschel durch die Kopfhörerschalen, wodurch ein Gefühl der Nähe und die "im Kopf"-Lokalisation entsteht. Die Freifeld-Entzerrung beseitigt diese Resonanz während der Aufnahme, während bei der Wiedergabe die Kopfhörer entzerrt werden, um die Resonanz wiederherzustellen. Die Kopfhörer zerstören die natürliche Muschelresonanz. Die Entzerrung der Übertragung der Kopfhörer führt zu besserer externer Lokalisation, auch aufgrund der Einmaligkeit der Transferfunktion der Ohrmuschel jedes Menschen.
• Zweitens werden die mit Freifeld-Entzerrung gemachten Aufnahmen mit dem Kunstkopf mit guten Ergebnissen über Standard-Stereoanlagen wiedergegeben. Weiterhin wird die Muschelresonanz der Ohrmuschel nicht zweimal dargestellt, sondern nur durch die natürliche Tätigkeit des äußeren Ohrs wiederhergestellt, wenn diese binauralen Aufnahmen über Lautsprecher wiedergegeben werden, die Übersprech-Kanalisation (transaurales Hören) verwenden.
• Das am 28. März 1989 ausgegebene US-Patent Nr.4,817,149 offenbart ein Verfahren zur Lokalisation von Tönen aus allen Richtungen, wenn sie über Kopfhörer abgespielt werden. Höhen und Vorn/Hinten-Anhaltspunkte werden durch richtungsabhängiges Filtern bestimmt, wobei die Horizontal-(Azimuth)-Lokalisation durch Steuern des interauralen Zeitunterschieds erzielt wird.
• Die US-A 4,110,583 offenbart ein Gerät, bei dem örtlich fixierte Lautsprecher in Gehäusen aufgenommen sind, die mit Haltemifteln am Kopf angebracht sind. Dabei sind die Lautsprecher vor dem linken bzw. rechten Ohr angeordnet und nach hinten auf das Ohr gerichtet. Die Ohren sind - wie bei diesen Lautsprechergehäusen üblich - umschlossen, was den Nachteil hat, daß das natürliche Empfinden der Ohren gestört wird.
• Die JP-A-550 772 95 offenbart die Verwendung von Kopfhörern des offenen Typs in Verbindung mit einem externen Baßlautsprecher, zur Verbesserung des Stereohörens. Die Verwendung solcher Kopfhörer hat jedoch den Nachteil, daß das natürliche Empfinden der Ohren verzerrt wird, was die Vorrichtung zur Wiedergabe binauraler Signale ungeeignet macht.
• Die US-A-4,993,074 offenbart einen Abstandhalter, der die Kopfhörer in Abstand von den Ohren eines Hörers hält. Die Lautsprecher der Kopfhörer und der Abstandhalter sind jedoch so nahe an den Ohren angeordnet, daß sie das natürliche Empfinden der Ohren stören. Dshalb ist die Vorrichtung für die Wiedergabe binauraler Signale ungeeignet.
• Erfindungsgemäß wird eine Einrichtung zur Wiedergabe binauraler Audiosignale mit ersten und zweiten Kanälen geschaffen, wobei
• (a) erste und zweite lokal fixierte Lautsprecher erste und zweite Signale aus ersten bzw. zweiten Kanälen wiedergeben können;
• (b) eine Halterung mit einer Kopfhaltevorrichtung den Kopf eines Hörers im Betrieb so in fester Position relativ zur Halterung hält, daß die Ohren weder umschlossen sind noch ihr natürliches Empfinden anderweitig gestört wird;
• (c) die Halterung weiterhin ein linkes und ein rechtes Gehäuse aufweist, die fest mit der Kopfhaltevorrichtung verbunden sind und in denen der erste und zweite Lautsprecher so angeordnet sind, daß sie im Betrieb vor dem rechten bzw. linken Ohr und nach hinten auf das linke und rechte Ohr gerichtet sind,
• dadurch gekennzeichnet, daß die Lautsprecher so angeordnet sind, daß sie sich im Betrieb nahe der linken und rechten Kopfseite befinden, um so das Übersprechen zwischen dem ersten bzw. zweiten Lautsprecher und dem rechten bzw. linken Ohr aufgrund der Schalldämpfung durch den Kopf zu minimieren; und daß die Lautsprecher nach rückwärts in den Gehäusen derart angeordnet sind, daß die Gehäuse nicht nach hinten über die Lautsprecher hinausragen, um das natürliche Empfinden der Ohren des Hörers nicht zu beeinträchtigen.
• Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform sind der erste und zweite Lautsprecher in einem Brillengestell angeordnet. Das Brillengestell wird am Kopf des Hörers mit einem Kopfband gehalten. Am Kopfband befindliche Lautsprechergehäuse sichern die örtlich fixierten Lautsprecher. Sie werden so positioniert, daß sie nach rückwärts in Richtung der Ohrmuschel des zugehörigen linken und rechten Ohrs gerichtet sind und sich nahe des Jochbogens des Hörers befinden.
• Die Erfindung (und zu Vergleichzwecken vorbekannte Ausführungen) wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen.
• Fig. 1a u. 1b Diagramme der vorbekannten Tonsysteme;
• Fig. 2 ein Blockdiagramm der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 3 ein Diagramm der vorliegenden Erfindung bei Anwendung in einem Zuschauerraum mit einer Vielzahl von Hörern;
• Fig. 4 die Ausrichtung der örtlich fixierten Lautsprecher im Detail;
• Fig. 5 die Haltevorrichtung für diese Lautsprecher in Perspektivsicht;
• Fig. 6 das Gehäuse und den örtlich fixierten Lautsprecher in Seitenansicht;
• Fig. 7 das Gehäuse zur Aufnahme eines der örtlich fixierten Lautsprecher in detaillierter Ansicht von hinten;
• Fig. 8 ein schematisches Blockdiagramm des Verfahrens zur Erzeugung der die örtlich fixierten Lautsprecher ansteuernden Signale;
• Fig. 9 ein schematisches Diagramm der Signalerzeugung zum Ansteuern der örtlich fixierten Lautsprecher; und
• Fig. 10 ein Blockdiagramm eines alternativen Verfahrens zum Übertragen binauraler Signale an den Hörer über eine drahtlose Verbindung.
• Fig. 1a ist ein schematisches Diagramm eines vorbekannten Verfahrens zur Aufnahme und Wiedergabe binauralen Tons. Dieses Verfahren ist in ein Aufnahmeende und ein Wiedergabeende unterteilt. Die Kopfattrappe 10 im Aufnahmeteil weist Mikrophone 12 und 14 auf, die die Ohrkanäle ersetzen. Zwei künstliche Ohrmuscheln 16 bzw. 18 sind vorgesehen, um die Empfindung des menschlichen Ohrs anzunähern. Die Ausgabe jedes der Mikrophone 12 und 14 wird über Vorfilter 20 bzw. 22 an eine Ebene 24 gegeben, die die Grenze zwischen dem Aufnahmeende und dem Wiedergabeende bildet. Die Übertragungsfunktion zwischen den künstlichen Ohren 16 und 18 und der Grenze 24 ist die erste Hälfte eines Entzerrungsverfahrens, wobei die Vorfilter 20 und 22 Teil dieser Entzerrung sind.
• Am Wiedergabeende befindet sich ein Hörer 26 mit einem aus eine linke Hörkapsel 28 und eine rechte Hörkapsel 30 enthaltenden Kopfhörer. Ein Korrekturfilter 32 befindet sich zwischen der Grenze 24 und der Hörkapsel 28. Ein entsprechender Korrekturfilter 34 ist zwischen der Grenze 24 und der Hörkapsel 30 angeordnet. Das Korrekturfilter 34 ist mit de Ausgang des Vorfilters 20 und der Entzerrungsfilter 32 ist mit der Ausgabe des Vorfilters 22 verbunden. Die Übertragungsfunktion zwischen der Grenze 24 und der Hörkapsel 30 bildet die Übertragungsfunktion des Wiedergabeendes. Das Produkt aus Übertragungsfunktion des Aufnahmeendes und Übertragungsfunktion des Wiedergabeendes ist die gesamte Übertragungsfunktion des Systems. Durch die Vorfilter 20 und 22 und die Korrekturfilter 32 und 34 wird eine Entzerrung erreicht, die in Verbindung mit dem Übertragungsfaktor der Kopfattrappe in einer wahrheitsgetreuen Wiedergabe des Tons resultieren sollte. Es ist zu beachten, daß die Hörkapseln 28 und 30 das natürliche Empfinden der Ohrmuschel für den Hörer 26 verändern und der Entzerrungsprozeß dieses berücksichtigen muß.
• Fig. 1b ist eine schematische Darstellung eines dem Verfahren von Fig. 1a ähnlichen vorbekannten Verfahrens, mit der Ausnahme, daß die Lautsprecher 38 und 40 die Kopfhörer 28 und 30 mit den zugehörigen Korrekturfiltern 32 und 34 ersetzen. Wenn jedoch die Kopfhörer durch Lautsprecher ersetzt werden, ist eines der auftretenden Probleme das Übersprechen zwischen den beiden Lautsprechern, da diese typischerweise in großer Entfernung von den Ohren des Hörers angebracht sind. Deshalb kann vom Lautsprecher 40 austretender Ton auf beide Ohren des Hörers 26 auftreffen. Gleiches gilt für den Lautsprecher 38. Weiterhin würde die Raumakustik auch die Tonwiedergabe beeinflussen, weil Reflektionen von den Wänden auftreten würden.
• Im Vergleich zu Lautsprechern sind Kopfhörer üblicherweise freifeldentzerrt, da ihre Übertragungsfunktion ideal mit der des typischen äußeren Ohrs übereinstimmt, wenn der Ton in einem Freitonfeld direkt von vorn und aus einer beträchtlichen Entfernung kommt. Dies eignet sich nicht für die Wiedergabe durch einen Lautsprecher. Üblicherweise muß bei Lautsprechern eine Entzerrung am Aufnahmeende stattfinden; trotzdem treten aber immer noch Ton- und Tonverzerrungen auf. Obwohl die Lautsprecher in vorbestimmten Stellungen einigermaßen entzerrt werden können, muß ihr Übersprechen berücksichtigt werden. Bei einer großen Zuhörerschaft muß dies für alle Hörer an einei bestimmten Position geschehen, was im besten Falle schwierig ist.
• Fig. 2 ist ein Schema des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die binaurale Aufnahme wird als linkes und rechtes Signal über Leitungen 46 bzw. 48 an einen Signalkonditionierer 44 eingeben. Der Signalkonditionierer 44 kann, wie im folgenden beschrieben, das linke und das rechte Signal bei Frequenzen unter 250 Hz verbinden und diese an den Tieffrequenzlautsprecher 52 geben, in dem keine Links-Rechts-Unterscheidung vorgenommen wird. Zusätzlich werden das linke und rechte Signal der Leitungen 46 und 48 als separate Signale über die linke und rechte Leitung 54 bzw. 56 an die örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 gegeben, die in der Nähe der Ohren des Hörers 26 angebracht sind. Die örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 sind so angebracht, daß sie die natürliche Muschelresonanz der Ohren des Hörers 26 nicht stören. Sie sind so ausgerichtet, daß der von jedem der Lautsprecher 58 und 60 austretende Ton stark gedämpft wird in bezug auf das Hören an der gegenüberliegenden Kopfseite. Dies wird durch Positionierung der örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 nahe am Kopf erleichtert, so daß die natürliche durch den Kopf gegebene Trennung beibehalten wird.
• Nur Signale über 250 Hz werden an die örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 übertragen. Wie im folgenden näher erläutert wird, wird der aus den örtlich fixierten Lautsprechern 58 und 60 austretende Ton im Verhältnis zu dem aus dem Lautsprecher 52 austretenden Ton verzögert, wodurch der aus dem Lautsprecher 52 austretende Ton ungefähr zeitgleich mit dem aus den örtlich fixierten Lautsprechern 58 und 60 austretenden Ton beim Hörer 26 eintrifft, im Bereich von plus/minus 12.5 ms. Dies liegt an der Tonverzögerung durch den Raum und der Entfernung des Hörers 26 vom Lautsprecher 52. Es wurde festgestellt, daß die wichtigen Lokalisationsinformationen nicht im Niederfrequenzanteil des Signals enthalten sind. Deshalb wird dieser Niederfrequenzanteil des Audiospektums abgespalten und über den Lautsprecher 52 an die Hörer weitergeleitet. So kann die Ausgabeenergie des bei heifrequenzen ausgegebenen Tons erhöht werden, weil die geringe Größe der für die örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 verwendeten Wandler keine Tieftrequenztöne mit akzeptabler Güte wiedergeben können.
• Fig. 3 ist ein Diagramm des bei einer Vielzahl von Hörern 26 angewandten Verfahrens. Jeder Hörer 26 ist mit einem zugehörigen Satz örtlich fixierter Lautsprecher 58 und 60 verbunden. Die Hörer 26 befinden sich in einem Raum 64; der Lautsprecher 52 ist in vorbestimmter und fester Stellung angebracht. Da der Ton vom Lautsprecher 52 wünschenswerterweise bei allen Hörern 26 zur ungefähr gleichen Zeit eintriffen soll, ist es notwendig, ihn in einiger Entfernung von den Hörern 26 zu positionieren. Dabei ist zu berücksichtigen, daß Fig. 3 nicht maßstabsgerecht ist. Vor den Hörern befindet sich ein Bildschirm 65, der visuelle Anhaltspunkte liefert.
• Die örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 sind an den Köpfen der Hörer 26 so gehalten, daß sie eine vorbestimmte und prinzipiell feste Lage relativ zum Kopf beibehalten. Deshalb findet an keinem Ohr des Hörers 26 eine Phasenveränderung des eintreffenden Tons statt, wenn der Kopf sich z.B. beim Betrachten eines Films bewegt. Deshalb ist eine Haltevorrichtung vorgesehen, die am Kopf des Hörers 26 befestigt ist, um die örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 zu halten. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind aus sechs Hörern bestehende Gruppen mit gemeinsamen Leitungen 54 und 56 verbunden, so daß die zu jedem der Hörer 26 einer gemeinsamen Gruppe gehörigen örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 jeweils mit diesen Leitungen verbunden sind. Der Tonpegel wird so eingestellt, daß jeder Hörer 26 den Ton in angemessener Zeit aus dem zugehörigen örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 hört. Bei Versuchen wurde jedoch festgestellt, daß ein auf einem angrenzenden Sitzplatz befindlicher Hörer 26, aus dessen zugehörigen örtlich fixierten Lautsprechern 58 und 60 Ton austritt, nicht den von Hörer 26 erhaltenen Ton stört. Dies geschieht nicht, weil die Lautstärke relativ gering ist. Wenn die örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 entfernt werden, kann ein Hörer 26 den aus den örtlich fixierten Lautsprechern 58 und 60 austretenden Ton der umliegenden Sitzplätze hören Das menschliche Ohr "rastet" in den von seinen örtlich fixierten Lautsprechern 58 und 60 ausgegebenen Ton ein und neigt dazu, den von benachbarten Lautsprechern ausgegebenen Ton zu ignorieren. Dies ergibt sich aus dem Zusammenspiel vieler Faktoren, einschließlich dem im folgenden beschriebenen Gesetz der ersten Wellentront.
• Die Verbindung der örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 mit visuellen Informationen auf der Leinwand 65 stellt einen zusätzlichen Aspekt zur Fähigkeit des Hörers dar, Ton zu lokalisieren. Üblicherweise kann der Hörer Töne nicht sehr gut lokalisieren, wenn sie direkt vor ihm oder hinter ihm entstehen. Eine Kopfbewegung oder ein visueller Anhaltspunkt würde es normalerweise erleichtern, den Ton zu lokalisieren. Da die örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 am Kopf des Hörers 26 befestigt sind, versorgen visuelle informationen auf der Leinwand 65 die Hörer 26 mit zusätzlichen Informationen, um bei der Lokalisation des Tons zu helfen.
• Fig. 4 zeigt die Ausrichtung der örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 relativ zum Hörer 26 im Detail. Der örtlich fixierte Lautsprecher 58 befindet sich in der Nähe des rechten Ohrs des Hörers und seiner zugehörigen Ohrmuschel 66. Entsprechend ist der örtlich fixierte Lautsprecher 60 in der Nähe des linken Ohrs der Hörers 26 und der entsprechenden Ohrmuschel 68 angeordnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform befinden sich die örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 vor den Ohrmuscheln 66 bzw. 68 und nahe am Kopf des Hörers 26. Bei Versuchen wurde festgestellt, daß eine optimale Tonwiedergabe erzielt wird, wenn der Lautsprecher nach hinten gerichtet ist und sich auf Höhe des Jochbeins des Hörers 26 befindet. Wenn der zugehörige örtlich fixierte Lautsprecher 58 bzw. 60 nach außen verschoben wird, direkt zur Ohrseite, wird die Muschelresonanz durch die Größe des Lautsprechers gestört Wenn der Lautsprecher jedoch extrem verkleinert würde, wäre dies akzeptabel.
• Der Lautsprecher darf nicht zu weit vom Hörer entfernt werden, um Übersprechen zu vermeiden. Natürlich würde jede Art der Trennung vor, hinter oder oberhalb des Kopfes diese Gefahr vernngern. Durch den Torso ist natürlich eine Trennung unterhalb des Kopfes gegeben, aber es wäre nötig, die Trennung vor, hinter und oberhalb des Kopfes zu verbessern, wenn die örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 weiter vorn Kopf entfernt würden. In der bevorzugten Ausführungsform sind die örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 jedoch so ausgebildet, daß sie in einem Zuhörerraurn mit einer Vielzahl von Hörern verwendet werden können, die alle die gleichen oder ähnliche Signale erhalten. Deshalb sind die Lautsprecher so nahe wie möglich am Ohr angebracht, ohne jedoch die Muschelresonanz zu stören. Dadurch kann auch der Lautstärkepegel für die Ausgabe der örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 minimiert werden.
• Fig. 5 ist eine Perspektivsicht der Haltevorrichtung für die örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60. Die örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 sind in einer dreidimensionalen Brille 70 gelagert, die für dreidimensionales Sehen konstruiert ist. Diese Brille 70 weist typischerweise LCD-Linsen 72 und 74 auf, die als Shutter zum Erzielen eines dreidimensionalen Effekts dienen. Eine Steuerschaltung befindet sich in einem Gehäuse 76, an dessen Frontfläche ein Phototransistor 78 angeordnet ist. Der Phototransistor 78 ist Teil eines Übertragungssystems, mit dessen Hilfe die Synchronisationssignale an die Brille 70 übertragen werden.
• An einer Seite der Brille befindet sich das Gehäuse 80 für die Aufnahme des örtlich fixierten Lautsprechers 58. An der gegenüberliegendenSeite der Brille befindet sich das Gehäuse 82 zur Aufnahme des örtlich fixierten Lautsprechers 60. Die Gehäuse 80 und 82 sind der geeignete akustische Abschluß der Lautsprecher 58 und 60, so daß deren Frequenzempfindlichkeit optimiert werden kann. Die Lautsprecher 58 und 60 sind typischerweise dynamische Lautsprecher, wie sie üblicherweise in Stereokopfhörern verwendet werden.
• Fig. 6 ist eine Seitenansicht des Gehäuses 82 und des örtlich fixierten Lautsprechers 60. Der örtlich fixierte Lautsprecher 60 ist, wie oben beschrieben, so angeordnet, daß er sich auf der Höhe des Jochbeins befindet. Er ist nach hinten auf die Ohrmuschel 68 des linken Ohrs des Hörers 26 gerichtet, wobei der aus ihm austretende Ton von der Ohrmuschel 68 und dem Ohrkanal des linken Ohrs des Hörers 26 aufgenomen wird.
• Fig. 7 ist eine Detailansicht des Gehäuses 82 und des Lautsprechers 60. Das Gehäuse ist am Montagepunkt des örtlich fixierten Lautsprechers 60, der (wie oben beschrieben) ein kleiner dynamischer Lautsprecher ist, leicht erweitert. Ein Kabel 84 führt durch das Gehäuse 82 nach oben zur Steuerschaltung im Gehäuse 76. Alternativ kann das Kabel 84 zu einer separaten Steuerschaltung geführt werden, der sich außerhalb des Gehäuses 82 und der Brille 70 befindet. Das Gehäuse 82 weist am hinteren Ende des örtlich fixierten Lautsprechers 60 einen Hohlraum auf. Die Größe dieses Hohlraums wurde durch Versuche festgelegt und ist abhängig von der entsprechenden Lautsprechermarke, die für die örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 verwendet wird. Dieser Hohlraum wird durch Messen der Antwort des speziellen dynamischen Lautsprechers mit variablen Hohlräumen an seiner Rückseite bestimmt. Dieser Hohlraum wird solange verändert, bis eine akzeptable Antwort erreicht ist.
• Fig. 8 zeigt ein schematisches Blockdiagramm des Steuerverfahrens für die örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 und den Tieffrequenzlautsprecher 52. Das binaurale Aufnahmeverfahren hat typischerweise einen Ausgang aus einer Bandaufnahme, die abgespielt und an eine binaurale Quelle 90 gegeben wird, um an den Leitungen 92 und 94 linke und rechte Signale zu haben. Diese werden an einen 4x4-Schaltung 96 gegeben, der auf die Leitungen 98 und 100 linke und rechte Signale für die örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 gibt und zusätzlich ein summiertes Signal auf eine Leitung 102, das die Summe des rechten und linken Signals ist. Die 4x4-Schaltung 96 wird von der Firma OXMOOR CORPORATION als Pufferverstärker hergestellt und kann bis zu vier Eingänge aufnehmen und bis zu vier Ausgänge zur Verstärkung in jeder Kombination der vier Eingaben oder als gepufferte Form der Eingänge haben. Die Signalleitung 102 wird an eine Überkreuzungsschaltung 112 ausgegeben, die im wesentlichen ein Tiefpaßfilter ist. Dieser filtert alle Signale über ca. 250 Hz aus. Die Überkreuzungsschaltung 112 ist typischerweise ein von der Firma RANE CORPORATION hergestellter Part Nr. AC 22, also eine Stereo-Zweiwege- Überkreuzungsschaltung. Der Ausgang der Überkreuzungsschaltung 112 wird in einen digitalen Steuerverstärker (DCA) 108 gegeben, um den Signalpegel zu steuern. Dieser wird von einem Lautstärkeregler 110 gesteuert. Der DCA 108 ist typischerweise ein von der Firma OXMOOR CORPORATION hergestellter Part Nr. DCA-2. Sein Ausgang wird in einen Verstärker 114 gegeben, der den Lautsprecher 52 mit den Tieffrequenzsignalen steuert. Der Verstärker 114 ist typischerweise ein von der Firma SONICS ASSOCIATES, INCORPORATED hergestellter Part Nr. 800X.
• Die linken und rechten Signale auf den Leitungen 98 und 100 der 4x4- Schaltung 96 werden in eine Verzögerungsschaltung 106 gegeben, die typisch für Part Nr. DN775 ist, eine von KLARK-TEKNIK ELECTRONICS INC. hergestellte Stereo-Mastering-Digitalverzögerungsleitung, ist. Die Ausgänge der Verzögerungsschaltung 106 werden in einen Hochpaßfilter 118 gegeben, der alle Frequenzen unter 250 Hz ausfiltert. Der Hochpaßfilter 118 ist mit dem für die Überkreuzungsschaltung 112 verwendeten identisch. Die Ausgänge des Filters 118 werden in einen Kopfhörermischer 120 eingegeben, um separate Signale an eine Vielzahl von Leitungen 122 zu geben, wobei jeder Satz Leitungen eine rechte und eine linke Leitung für einen zugehörigen Satz örtlich fixierter Lautsprecher 58 und 60 für die Hörer 26 aufweist. Dies ist typisch für Part Nr. HC-6, eine Kopfhörerkonsole, die von der Firma RANE CORPORATION hergestellt wird. Die Leitungen 122 werden an spezielle örtlich fixierte Lautsprecher 58 und 60 der Hörer weitergeleitet.
• Fig. 9 ist ein detailliertes schematisches Diagramm der Schaltung zum Betrieb der Kopfhörer. Leitung 98 wird durch die Verzögerungsschaltung 106 eingegeben, und das Hochpaßfilter 118 zu einem Kontakt eines Lautstärkereglers 124, dessen Ausgang mit dem positiven Eingang eines Operationsverstärkers (op amp) 126 verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 126 ist mit einem Knotenpunkt 128 verbunden, der auch mit der Basis sowohl eines NPN- Transistors 130 als auch eines PNP-Transistors 132 verbunden ist. Die Transistoren 130 und 132 sind im Gegentakt konfiguriert, wobei ihre Emitter verbunden und an einen Ausgabeanschluß 134 angeschlossen sind. Der Kollektor des Transistors 130 ist mit einer positiven Versorgung verbunden und der Kollektor des Transistors 132 ist mit einer negativen Versorgung verbunden. Die Emitter der Transistoren 130 und 132 sind auch über einen Widerstand 136 mit dem Knotenpunkt 128 verbunden. Der negative Eingang des Operationsverstärkers 126 ist über einen Widerstand 138 an Masse gelegt und auch über einen Rückkopplungswiderstand 140 an den Ausgabeanschluß 134 angeschlossen.
• Ein Operationsverstärker 142 ist mit seinem positiven Eingang mit dem Ausgang des Lautstärkereglers 125 verbunden. Der Kontakt des Lautstärkereglers 125 ist über eine Verzögerungsschaltung 106 und den Filter 118 angeschlossen. Der Operationsverstärker 142 hat ähnlich wie der Operations verstärker 126 einen zugehörigen NPN-Transistor 144 und einen PNP-Transistor 146, die ähnlich den Transistoren 130 und 132 konfiguriert sind. Ein dem Widerstand 140 entsprechender Rückkopplungswiderstand 148 ist mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 142 und einem Ausgangsanschluß 150 verbunden. Ein Widerstand 152 ist mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 142 verbunden und an Masse gelegt. Die Lautstärkeregler 124 und 125 können individuell vom Hörer 26 eingestellt werden.
• Leitung 98 ist über einen Summierwiderstand 156 mit einem Summierknotenpunkt 158 verbunden. Entsprechend ist die Leitung 100 über einen Summierwiderstand mit dem Summierknotenpunkt 158 verbunden. Der Summierknotenpunkt 158 ist mit dem negativen Eingang eines Operationsverstärkers 162 verbunden, dessen positiver Eingang über einen Widerstand 164 an Masse gelegt ist. Der negative Eingang des Operationsverstärkers 162 ist mit dessen Ausgang über einen Rückkopplungswiderstand 166 verbunden. Der Operationsverstärker 162 ist für Einheitsverstärkung in einer ersten Stufe eingerichtet. Der Ausgang des Operationsverstärkers 162 ist über einen Widerstand 170 mit einem negativen Ausgang eines Operationsverstärkers 172 verbunden. Der negative Eingang des Operationsverstärkers 172 ist zusätzlich mit seinem Ausgang über einen Widerstand 174 verbunden. Der positive Eingang des Operationsverstärkers 172 ist über einen Widerstand 176 an Masse gelegt. Der Operationsverstärker 172 ist als Einheits-Umkehrverstärker ausgebildet. Der Ausgang des Operationsverstärkers 172 ist mit einem Ausgangsanschluß 178 verbunden, um die Summe des linken und rechten Kanals zu bilden. Die Operationsverstärker 162 und 172 erfüllen die Funktion des Summieranteils der 4x4-Schaltung 96 und sind nur zum Zwecke der Illustration dargestellt.
• Fig. 10 ist ein Blockdiagramm eines alternativen Verfahrens zur Übertragung der linken und rechten Signale an die örtlich fixierten Lautsprecher 58 und 60 Die binaurale Quelle sendet elektronische Signale, die durch einen Modulator 180 auf einen Träger moduliert werden, der dann mit dem Sender 182 über eine Datenübertragungsverbindung 184 übertragen wird. Die Datenübertragungsverbindung 184 besteht aus einer Infrarot-Datenübertragungsverbindung mit einer Infrarot-Sendediode 185, die an dem Sender 182 angeordnet ist. Ein Empfänger 186 ist mit einer Empfangs-LED 188 ausgestattet, die den übertragenen Träger von der Diode 185 aufnimmt. Der Ausgang des Empfängers 186 wird durch einen Demodulator 190 demoduliert, wodurch ein linkes und ein rechtes Signal für die Eingabe in eine Konditionierschaltung 44 zur Verfügung gestellt wird.
• Zusammengefaßt wurde ein multidimensionales Tonwiedergabeverfahren geschaffen. Dieses besteht aus zwei örtlich fixierten Lautsprechern, die in im wesentlichen fester Anordnung am Kopf eines Hörers angebracht sind. Die örtlich fixierten Lautsprecher sind so in der Nähe des Ohrs angeordnet, daß sie das natürliche Empfinden des Ohrs nicht stören, und so nahe am Kopf, daß Übersprechen zwischen den Lautsprechern und dem gegenüberliegenden Ohr minimiert wird. Tieffrequenztbne, die unwichtige Lokalisationsinformationen enthalten, werden aus der binauralen Originalaufnahme herausgefiltert und über einen externen Lautsprecher an den Hörer übertragen.

Claims (19)

1.Einrichtung zur Wiedergabe binauraler Audiosignale mit ersten und zweiten Kanälen (92, 94), bei der

(a) erste und zweite lokal fixierte Lautsprecher (60, 58) so betrieben werden können, daß sie erste und zweite Signale von den ersten und zweiten Kanälen wiedergeben;

(b) ein Träger (70) Mittel zur festen Anordnung des Kopfes (26) des Hörers in Bezug zum Träger und an einer Stelle, die die Ohren (68, 66) nicht einschließt oder sonstwie das natürliche Empfinden der Ohren stört, vorgesehen ist;

(c) wobei der Träger ein linkes und ein rechtes Gehäuse (82, 80) enthält, die fest an dem Mitteln zur Anordnung des Kopfes befestigt sind, und die ersten und zweiten Lautsprecher an Stellen tragen, daß bei der Benutzung der Lautsprecher diese vor den rechten und linken Ohren angeordnet sind und nach hinten zu den linken und rechten Ohren gerichtet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung der Lautsprecher (60, 58) derart ist, daß bei der Benutzung die Lautsprecher (60, 58) nahe der linken und rechten Seiten des Kopfes (26) derart angeordnet sind, daß das Übersprechen zwischen den ersten und zweiten Lautsprechern (60, 58) und der rechten und linken Ohren (68, 66) aufgrund Dämpfung des Schalls durch den Kopf (26) minimiert ist, und derart, daß die Lautsprecher nach rückwärts der entsprechenden Gehäuse derart angeordnet sind, daß die Gehäuse von den Lautsprechern nicht zurückstehen, um das natürliche Empfinden der Ohren (26) des Hörers nicht zu beeinträchtigen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der ferner wenigstens ein externer Lautsprecher (52) vorgesehen ist; bei dem eine Filterschaltung (112) zur Extrahierung eines bestimmten Teils des Frequenzspektrums aus wenigstens einem der ersten und zweiten Kanäle des Audiosignals vorhanden ist; und eine Mischschaltung (96) vorgesehen ist, um den extrahierten Teil des Frequenzspektrums aus den wenigstens ersten und zweiten Kanälen des Audiosignals abzugeben, um den Lautsprecher (52) zu betreiben.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, bei der die Filterschaltung so betreibbar ist, daß der festgelegte Teil des Frequenzspektrums sowohl aus den ersten und zweiten Kanälen des Audiosignals herausgesiebt wird und der Mischer so betreibbar ist, daß er den extrahierten Teil des Frequenzspektrums der ersten und zweiten Kanäle des Audiosignals in ein monaurales Signal zur Ausgabe an den externen Lautsprecher (52) kombiniert.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, bei der der Teil des Frequenzspektrums der ersten und zweiten Kanäle des Audiosignals, der durch die Filterschaltung (112) extrahiert ist, das niedrige Frequenzband des Frequenzspektrums der ersten und zweiten Kanäle des Audiosignals bildet.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die ersten und zweiten Lautsprechergehäuse die ersten und zweiten lokal fixierten Lautsprecher (60, 58) sichern und derart orientieren, daß diese nach hinten gegen die Hörmuscheln der zugehörigen linken und rechten Ohren des Hörers und etwas vorwärts davon gerichtet sind.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die ersten und zweiten lokal fixierten Lautsprecher (60, 58) durch die ersten und zweiten Lautsprechergehäuse in der Weise gehalten sind, daß diese nahe dem Jochbogen des Hörers auf der entsprechenden Seite des Kopfes des Hörers angeordnet sind.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die ersten und zweiten Lautsprechergehäuse einen Hohlraum aufweisen, der etwas hinter den entsprechenden ersten und zweiten lokal fixierten Lautsprechern angeordnet ist, um einen geeigneten akustischen Abschluß der ersten und zweiten Lautsprecher zu bewirken.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der weiter eine Displayanordnung (65) zur Ausgabe von visuellen Marken vorgesehen ist, die in Verbindung mit den Audiosignalen die Möglichkeit des Hörers verbessert, den durch die ersten und zweiten Lautsprecher ausgegeben Schall zu lokalisieren.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ferner eine Audiosignalquelle (90) zur Erzeugung der ersten und zweiten Kanäle der Audiosignale auf den ersten und zweiten Ausgängen (92, 94) enthält und eine Kommunikationsverbindung (184) vorgesehen ist, um die ersten und zweiten Ausgänge der Audiosignalquelle an die ersten und zweiten Lautsprecher auszugeben.

10. Einrichtung nach Anspwch 9, bei der die Kommunikationverbindung eine drahtlose Kommunikationsverbindung bildet.

11. Verfahren zur Wiedergabe von binauralen Audiosignalen mit ersten und zweiten Kanälen, das die folgenden Schritte aufweist:

(a) Anordnen eines Trägers (70) am Kopf (26) des Hörers durch Anordnen des Haltemittels des Trägers in der Weise, daß der Kopf sich in fester Beziehung an einer Stelle befindet, und an einer Stelle, die die Ohren (64, 66) nicht enthält oder sonstwie das natürliche Empfinden der Ohren stört;

(b) Befestigen von ersten und zweiten lokal fixierten Lautsprechern (60, 58) in Gehäusen (82, 80), die fest an den Kopfhaltemitteln in der Weise angeordnet sind, daß die ersten und zweiten Lautsprechern in Stellungen gehalten sind, die vor den linken und rechten Ohren (68, 66) vorgesehen sind und nach rückwärts gegen die linken und rechten Ohren (68, 66) gerichtet sind; und

(c) Betreiben der ersten und zweiten Lautsprecher (60, 58), um erste und zweite Signale aus den ersten und zweiten Kanälen zu erzeugen; gekennzeichnet durch die Schritte, daß die Lautsprecher (60, 58) in der Weise angeordnet werden, daß bei der Benutzung die Lautsprecher diese nahe dem linken und rechten Seiten des Kopfes (26) derart angeordnet sind, daß das Übersprechen zwischen den ersten und zweiten Lautsprechern (60, 58) und der rechten und linken Ohren (68, 66) aufgrund Dämpfung des Schalls durch das Vorhandensein des Kopfes minimiert ist; und daß die Lautsprecher (60, 58) nach rückwärts bezüglich der Gehäuse in der Weise befestigt sind, daß die Gehäuse nicht von den Lautsprechern nach hinten vorstehen, um das natürliche Empfinden der Ohren (68, 66) des Hörers nicht zu stören.

12. Verfahren nach Anspruch 11, das ferner umfaßt: Extrahieren eines bestimmten Teils des Frequenzspektrums aus den ersten und zweiten Kanälen des Audiosignals; Vorsehen eines externen Lautsprechers (52); und Ausgabe des extrahierten Teils des Frequenzspektrums des ersten und zweiten Kanals des Audiosignals an den Lautsprecher.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Extrahierens derart durchführbar ist, daß ein bestimmter Teil des Frequenzspektrums sowohl der ersten als auch zweiten Kanäle des Audiosignals extrahiert wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 und 13, bei dem der extrahierte Teil das untere Frequenzspektrumende bildet, das sich von einem bestimmten Frequenzpunkt in der Frequenz nach unten erstreckt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 - 14, bei dem die ersten und zweiten lokal fixierten Lautsprecher (60, 58) nahe dem Jochbogen des Hörers angeordnet sind.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 - 15, das die Ausgabe visueller Marken an den Hörer enthält, die in Verbindung mit dem Audiosignal die Möglichkeit des Hörers verbessern, visuelle und Audiomarken zu integrieren.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 - 16, das ferner die Erzeugung von Audiosignalen an den ersten und zweiten Kanälen enthält und die Übertragung der Audiosignale über eine Kommunikationsverbindung zu den ersten und zweiten lokal fixierten Lautsprechern (60, 58) enthält.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Kommunikationsverbindung eine drahtlose Kommunikationsverbindung ist.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 - 18, bei dem die Audiosignale binaurale Aufzeichnungen sind.