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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung
zum Projizieren von Schallquellen auf Lautsprecher, um insbesondere
eine räumliche
Wiedergabe der Schallquellen zu erlauben.
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Stand der Technik
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Es
ist aus der MPEG-2-Norm ISO 13818 bekannt, eine räumliche
Darstellung mittels Mehrkanal-Stereophonie, auch Raumklang genannt,
für Audio-Wiedergabe
anzustreben. In diesem Fall sind sechs Kanäle für den Mehrkanalton vorgesehen,
von denen drei Kanäle
(links, Mitte, rechts) im Raum vor dem Hörer angeordnet sind, zwei Kanäle (linker Raum,
rechter Raum) im Abstand hinter dem Hörer, und ein sechster Kanal
zur Wiedergabe von Tieftönen
für spezielle
Effekte. Die Tonkanäle
werden matriziert, um einerseits eine umgekehrte Kompatibilität mit MPEG-1-Audiosignalen
zu gewährleisten,
und um andererseits auch eine zufriedenstellende Wiedergabe zu ermöglichen,
wenn an Statt einer vollständigen
Raumklang-Lautsprecher-Konfiguration nur ein Paar von Lautsprechern
vorhanden ist. In diesem Fall werden die berechneten Stereosignale
als mit MPEG-1 kompatibles Stereosignal und die verbleibenden Signale
als zusätzliche
Daten übertragen.
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Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die räumliche
Wiedergabe von virtuellen Schallquellen aufzuzeigen. Diese Aufgabe wird
durch das im Anspruch 1 offenbarte Verfahren gelöst.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 8 angegebene Vorrichtung
gelöst.
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Zur
Wiedergabe eines Audiosignals muss dieses häufig auf die Positionen der
vorhandenen Lautsprecher projiziert werden. Einige Projektionen seien
als Beispiel erwähnt:
- a) die Projektion eines Monosignals auf zwei
Stereo-Lautsprecher.
- b) Die Projektion eines 3/2-Signals (drei Lautsprecher vorn/zwei
Lautsprecher hinten) auf eine 2/2- Lautsprecher-Anordnung.
- c) Die Projektion eines Signals mit der Position 3m weg, 30° links, 10° hoch auf
einen Lautsprecher-Ring, der acht Lautsprecher mit einer Entfernung
von 2 m bei einem entsprechenden Abstand von 45° umfasst.
- d) Die Projektion von zwei Schallquellen in dem Raum auf zwei
Lautsprecher.
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Es
ist erwünscht,
nicht auf eine spezifische Konfiguration eines Audiosignals fixiert
zu sein. Das Problem besteht jedoch in diesem Fall darin, dass es eine
unbegrenzte Zahl von möglichen
Kombinationen gibt.
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Im
Prinzip besteht das erfindungsgemäße Verfahren zum Projizieren
von Schallquellen auf Lautsprecher darin, dass die Schallquellen
als akustische Objekte interpretiert werden, wobei ein akustisches
Objekt darin besteht, dass zusätzlich
zu dem Audiosignal eine Schallquelle einer Einzelheit von räumlichen
Informationen zugeordnet wird, die eine virtuelle räumliche
Position der Schallquelle spezifiziert.
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Das
Audiosignal wird vorteilhafterweise als eine Funktion der zugeordneten
Einzelheit von räumlichen
Informationen verarbeitet, um ein akustisches Objekt wiederzugeben.
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In
diesem Fall wird die räumliche
Position der Lautsprecher vorzugsweise zusätzlich berücksichtigt, wobei der virtuelle
Abstand der Schallquelle von dem Lautsprecher aus den räumlichen
Informationen und der Position der Lautsprecher berechnet wird und
wobei eine getrennte Verarbeitung des Audiosignals für jeden
Lautsprecher für
ein akustisches Objekt ausgeführt
wird.
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Es
ist ferner vorteilhaft, wenn ein oder mehr der folgenden Parameter
bei der Verarbeitung der Audiosignale berücksichtigt werden:
- – Amplituden-Abschwächung, z.B.
durch Dämpfung
oder Beugung,
- – Eine
unterschiedliche Ausbreitungszeit für die verschiedenen akustischen
Objekte und Lautsprecher,
- – Berücksichtigung
der Abhängigkeit
des Lautsprecherpegels von der räumlichen
Anordnung mittels der äußeren Ohrfunktion.
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In
diesem Fall kann die Verarbeitung der Audiosignale weiter verbessert
werden, wenn die Frequenzabhängigkeit
der Parameter auch berücksichtigt
wird.
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Die
mathematischen Funktionen, die für
die Berücksichtigung
der Parameter, z.B. eine Abschwächungsfunktion,
erforderlich sind, werden vorzugsweise übertragen und/oder als Funktion
des Abstandes und/oder des Ablenkwinkels gespeichert.
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Es
ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Daten eines akustischen Objekts
gespeichert und/oder mittels eines komprimierten Datenstroms gemäß der MPEG-4-Norm
gespeichert und/oder übertragen werden.
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Im
Prinzip besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Projizieren
von Schallquellen auf Lautsprecher darin, dass eine arithmetische
Einheit vorgesehen ist, die den Abstand der virtuellen akustischen
Objekte von den entsprechenden Lautsprechern aus einer Einzelheit
von räumlichen Informationen
berechnet, die mit dem Audiosignal und der tatsächlichen Position der Lautsprecher übertragen wird.
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In
diesem Fall wird vorzugsweise ein Speicher vorgesehen, in dem die
entsprechenden Lautsprecher-Positionen und/oder mathematischen Funktionen
zur Berücksichtigung
von Parametern gespeichert werden.
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Es
ist von Vorteil, wenn n × k
Betätigungsvorrichtungen
für n akustische
Objekte und k Lautsprecher vorgesehen werden, wobei eine Betätigungsvorrichtung
die Verarbeitung eines Audiosignals in Bezug auf einen der Lautsprecher
ausführt.
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In
diesem Fall wird vorzugsweise auch eine Frequenzabhängigkeit
der Parameter durch die Betätigungsvorrichtungen
berücksichtigt,
wobei die Signale zuerst in Frequenzbänder durch ein Spaltungsfilter
(10) aufgelöst
werden, wobei die individuellen Frequenzbänder dann individuell verarbeitet
werden, und wobei die verarbeiteten Frequenzbänder anschließend durch
ein Fusionsfilter (12) rekombiniert werden.
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Es
ist insbesondere von Vorteil, wenn das Spaltungsfilter und/oder
das Fusionsfilter Teil eines in jedem Fall vorhandenen Audio-Dekodierers
sind.
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Ferner
können
vorzugsweise ein oder mehrere Richtmikrophone vorgesehen werden,
die zur Messung der Lautsprecher-Position verwendet werden.
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Die
Richtmikrophone werden vorzugsweise in einer Fernbedienung integriert.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In
den Zeichnungen stellen dar:
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1 virtuelle
Schallquellen, die auf ein vorhandenes Lautsprecherpaar projiziert
werden sollen;
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2 die
graphische Darstellung eines Modells zur Berechnung von Schallwegen;
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3 das
Blockschaltbild einer Darstellungs-Schaltung des beschriebenen Modells;
und
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4 einen
Abschnitt eines erfindungsgemäßen Audio-Dekodierers.
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Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein typisches sich ergebendes Problem dargestellt. Zwei virtuelle
Schallquellen 3, eine Violine und eine Trompete, sollen
auf ein vorhandenes Lautsprecherpaar 2 projiziert werden,
so dass der Hörer 1 den
Eindruck hat, dass die Violine und die Trompete sich in den räumlichen
Positionen befinden, die in 1 dargestellt
sind.
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Für eine solche
Projektion kann ein Modell entwickelt werden, das auf der folgenden
Beobachtung beruht: dass eine Person sich in einem Raum befindet,
der mehrere Fenster hat, die alle offen sind. Dass dort verschiedene
Schallquellen außerhalb
des Raums sind, nachfolgend auch als akustische Objekte bezeichnet,
wie zum Beispiel Straßenmusikanten, eine
Autohupe und so weiter. Die Person kann die verschiedenen Schallquellen
wirksam in akustischen Einzelheiten orten, selbst wenn sie nicht
sichtbar sind. Dies beruht auf der Tatsache, dass die Schallwege
durch die verschiedenen Fenster sich unterscheiden. Das nachfolgend
beschriebene Modell beruht auf dem Ersatz jedes Fensters durch einen
Lautsprecher. Angenommen, dass die Lautsprecher richtig angesteuert
werden, sollte sich das gleiche Schallfeld ergeben, und es sollte
somit auch möglich sein,
in identischer Weise die akustischen Objekte zu orten.
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Eine
graphische Darstellung des Modells zeigt 2. Ein Hörer 1 befindet
sich in einem willkürlich
geformten Raum, dessen Wände 5 aus
absorbierendem Material bestehen, so dass kein Schall von außen eindringen
kann und keine Reflexionen innerhalb des Raums erzeugt werden. Die
Schallquellen 3 befinden sich grundsätzlich außerhalb des Raums. Die Lautsprecher
oder Fenster werden durch Löcher 6 in
der Wand des Raums berücksichtigt. Hierdurch
werden mehrere Schallwege 4 von der Schallquelle 3 zu
dem Hörer
durch die verschiedenen Lautsprecher oder Fensteröffnungen 6 erzeugt.
Der Schall tritt in diesem Fall in den Raum durch alle Lautsprecher
oder Fensteröffnungen
ein, obwohl jeder Schallweg seine eigenen Eigenschaften hat.
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Eine
Präsentationsschaltung,
in die das Modell umgewandelt wurde, ist in dem Blockschaltbild von 3 dargestellt.
Zwei akustische Objekte 3, Violine und Trompete, werden
in diesem Fall auf drei vorhandene Lautsprecher 2 projiziert.
Für jedes akustische
Objekt werden die Audiosignale nun als Funktion der virtuellen räumlichen
Position dieses akustischen Objektes und der aktuellen Position
jedes Lautsprechers verarbeitet, um eine Ansteuerung gemäß dem entsprechenden
virtuellen Schallweg zu erlauben. Bei einer Verallgemeinerung auf
n akustische Objekte und k Lautsprecher bedeutet dies, dass n × k Betätigungsvorrichtungen
verwendet werden. In diesem Fall werden ein oder mehrere der folgenden Parameter 7, 8, 9 in
jeder der Betätigungsvorrichtungen
gemäß dem virtuellen
Schallweg berücksichtigt. Um
die Amplitude richtig anzusteuern, muss diese zuerst als Funktion
der Weglänge
berechnet werden. Außerdem
kann auch eine Berücksichtigung
der Dämpfung
oder Absorption durch die Luft in Betracht gezogen werden. Von verschiedenen
Funktionen kann in diesem denen Funktionen kann in diesem Fall angenommen
werden, dass sie von der Art der Schallquelle oder der Dämpfung der
Luft abhängen. Somit
verliert eine sphärische
Schallquelle ihre akustische Leistung mit dem Quadrat des Abstandes,
d. h. die empfangene Leistung ist durch die folgende Formel gegeben: Empfangene Leistung (r) : = gesendete Leistung/r2.
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Im
Gegensatz dazu verliert eine zylindrische Schallquelle wie ein Zug
oder eine Straße
zum Beispiel ihre akustische Leistung nur mit der einfachen Entfernung.
Die entsprechenden Funktionen können in
diesem Fall in der Präsentations-Schaltung
gespeichert werden, aber sie können
auch übertragen und
mit dem Signal gespeichert werden. Sie können in gleicher Weise durch
die entsprechende Anwendung oder den Benutzer bestimmt werden. Außerdem ist
es auch möglich,
eine Beugung zu berücksichtigen,
die an den Lautsprechern oder den Fensteröffnungen auftritt. Um in der
Lage zu sein, diese Beugungseffekte genau zu berücksichtigen, würde die
Beugung durch die Summe aller Schallwege mittels einer spezifischen
Loch-Geometrie berechnet werden müssen, wobei die Frequenz und
die Phase berücksichtigt
werden. Dies gibt in annähernden
Einzelheiten Anlass zu der Tatsache, dass bei niedrigen Frequenzen
die Ausbreitung in allen Richtungen unabhängig von dem Einfallswinkel
erfolgt, während
bei höheren
Frequenzen die Amplitude des Audiosignals eine Funktion des Winkels
zwischen dem Eintritt zu und dem Ausgang von dem entsprechenden
Loch ist. Eine annähernde
Formel kann verwendet werden, um den Aufwand durch Berechnung zu
vermindern. Eine solche Formel kann auch, wie in dem Fall von Dämpfung beschrieben
ist, gleichzeitig übertragen oder
durch die Anwendung oder den Benutzer festgelegt werden. Da die
Beugungseffekte von der Frequenz abhängen, wür de es nötig sein, diese Frequenzabhängigkeit
zu berücksichtigen,
um die Beugungsdämpfung
genau berechnen zu können.
Um dies in technischen Einzelheiten zu realisieren, müssen entweder
Filter mit definierter Gruppen-Laufzeit verwendet werden, oder die
Signale in Frequenzbänder
aufgelöst,
und individuell verarbeitet werden.
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Wie
in 4 dargestellt ist, könnte in diesem Fall die Teilung
durch ein Spaltungsfilter 10 ausgeführt werden, worauf anschließend die
Verarbeitung durch verschiedene Betätigungsvorrichtungen 11 ausgeführt würde und
schließlich
die verarbeiteten Signale durch ein Fusionsfilter 12 rekombiniert
würden.
Dies kann insbesondere gut in einen üblichen Audio-Dekodierer für MPEG-,
AC3- oder ATRAC-Signale integriert werden, da in deren Fall die
Verarbeitung in dem Frequenzbereich ausgeführt wird und ein Spaltungsfilter
für diesen
Zweck bereits vorgesehen worden ist, mit dem Ergebnis, dass keine
Notwendigkeit besteht, ein zusätzliches
Spaltungsfilter vorzusehen.
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Ein
weiterer Parameter ist die Ausbreitungszeit (Verzögerung)
des Signals. Es sei hier im Prinzip festgehalten, dass die Schallwelle,
die zuerst auf das Ohr auftrifft, entscheidend bei der Wahrnehmung
der Richtung betroffen ist. Für
eine Weglänge
r und eine mittlere Schallgeschwindigkeit c von etwa 340 m/s ergibt
sich: Verzögerung
(r) : = r/c
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In
diesem Fall kann die Länge
r um den kürzesten
Abstand zwischen den Lautsprechern und dem Hörer verkürzt werden. Dies vermindert
das Speicher-Erfordernis in der Präsentationseinheit.
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Es
gibt eine Transfer-Funktion, die auch als äußere Ohrfunktion bezeichnet
wird, die von der Richtung und der Frequenz zwischen einer Schallquelle
und dem menschlichen Trommelfell abhängt. Einfacher ausgedrückt: der
Schall von vorn wird von den Ohrmuskeln anders gefiltert als der
Schall von hinten.
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Die äußere Ohrfunktion
sollte berücksichtigt werden,
wenn der Wunsch besteht, eine virtuelle Schallquelle, die unter
dem Winkel x positioniert ist, mittels eines Lautsprechers abzustrahlen,
der unter dem Winkel z vorgesehen ist. Dies erfordert, dass das
differentielle Pegelsignal zwischen der virtuellen und der Lautsprecher-Position
bestimmt und das Signal in geeigneter Weise gefiltert werden muss.
Da die äußere Ohrfunktion
nicht bei allen Leuten gleich ist, ist es vorstellbar, den Benutzer
in die Lage zu versetzen, zwischen verschiedenen äußeren Ohrfunktionen
zwecks einer insbesonders guten Korrektur zu wählen.
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Hier
können
wiederum die Filter durch Betätigungsvorrichtungen
in der Frequenzebene eines Audio-Dekodierers realisiert werden.
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Die
aktuelle Lautsprecher-Position muss bestimmt werden, um die Weglänge zwischen
dem virtuellen akustischen Objekt und der aktuellen Lautsprecher-Position
zu bestimmen. Verschiedene Verfahren sind hierfür denkbar. So könnte der
Benutzer die Raum-Koordinaten der entsprechenden Lautsprecher-Boxen
unter Verwendung eines Zollstocks oder dergleichen messen und die
entsprechenden Abstandsdaten in eine Eingangsvorrichtung eingeben,
die diese Daten zur Präsentations-Schaltung weiter
vermittelt. Die Eingabe kann hier über ein Tastenfeld auf der
geeigneten Vorrichtung oder eine Fernbedienung erfolgen, es ist
aber gegebenenfalls auch möglich,
die Eingabedaten zu überwachen
oder für
den Benutzer durch eine On-Screen-Anzeige auf einer Anzeigevorrichtung
oder auf einem Betrachtungsschirm zu führen.
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Es
ist auch möglich,
das Lautsprechersystem mit Hilfe eines oder mehrerer Richtmikrophone zu
messen, um dem Benutzer die mechanische Messung dieser Abstände zu ersparen. Der
Abstand der Lautsprecher von dem Richtmikrophon oder den Mikrophonen
kann in diesem Fall durch Wiedergabe einer Testsequenz mit Impulsen über die
Lautsprecher und durch Messung der Ausbreitungszeit erfolgen. Die
Winkel der einzelnen Lautsprecher können dann über die Richt-Charakteristik der
Richtmikrophone bestimmt werden. Es ist dann möglich, die Lautsprecher-Konfiguration
automatisch zu messen. Insbesondere ist es in diesem Fall offensichtlich,
die Mikrophone in einer Fernbedienung zu integrieren.
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Die
vollständige
virtuelle Weglänge
wird dann aus der Position des virtuellen akustischen Objektes gewonnen,
und wie oben beschrieben, die Position für den entsprechenden Lautsprecher
bestimmt. Verschiedene Möglichkeiten
der Darstellung sind in diesem Fall für die beiden Positionen vorstellbar.
Dies kann somit zum Beispiel durch kartesische Koordinaten ausgeführt werden,
d.h. eine Spezifikation des Abstandes in allen drei Richtungen im
Raum, oder durch sphärische
Koordinaten, d.h. eine Spezifikation des Abstandes und die Spezifikation
des horizontalen und gegebenenfalls vertikalen Winkels.
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Während die
Position der Lautsprecher in den meisten Fällen unverändert bleiben sollte, kann eine Änderung
der virtuellen Position der akustischen Objekte häufig auftreten.
Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Audiosignale in Begleitung
von Videosignalen wiedergegeben werden. Somit kann zum Beispiel
in einem Spielfilm ein Schauspieler sich auf einem Fahrzeug auf
dem Bildschirm bewegen und von dem Bildschirm verschwinden und somit
seine räumliche
Position ändern.
Es ist in gleicher Weise vorstellbar, dass bei Computer-Spielen
mit Tonausgängen
ein Spielteilnehmer von dem Spieler bewegt wird, z.B. mit Hilfe
eines Joysticks, und dass die Wiedergabe eines Tonsignals, das dem
Spielteilnehmer zugeordnet ist, gemäß der vorgeschriebenen oder der
durch den Spieler geänderten
Position angepasst wird.
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Die
Erfindung kann verwendet werden, um digitale Audiosignale zu übertragen,
aber auch aufzuzeichnen und wiederzugeben, z.B. gemäß den MPEG-4-,
MPEG-2- oder AC3-Normen.
Dies kann sowohl eine reine Audiosignal-Wiedergabe, z.B. durch einen
CD-Spieler, DAB- oder ADR-Empfänger sein,
als auch die Wiedergabe der Audiosignale in Verbindung mit Videosignalen
sein, z.B. mit einem DVD-Spieler oder einem digitalen Fernsehempfänger. Ferner
ist die Anwendung auch im Fall von Interaktiven Systemen wie Bildtelephonen
oder Computer-Spielen denkbar.