EP0641143B1 - Verfahren zur Simulation eines Raum- und/oder Klangeindrucks - Google Patents

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EP0641143B1
EP0641143B1 EP94112549A EP94112549A EP0641143B1 EP 0641143 B1 EP0641143 B1 EP 0641143B1 EP 94112549 A EP94112549 A EP 94112549A EP 94112549 A EP94112549 A EP 94112549A EP 0641143 B1 EP0641143 B1 EP 0641143B1
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EP
European Patent Office
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pulse response
room
spatial pulse
impulse response
threshold value
Prior art date
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EP94112549A
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EP0641143A2 (de
EP0641143A3 (de
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Martin Dipl.-Ing.Dr.Techn. Opitz
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AKG Acoustics GmbH
Original Assignee
AKG Acoustics GmbH
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Publication date
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Publication of EP0641143A3 publication Critical patent/EP0641143A3/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04S—STEREOPHONIC SYSTEMS 
    • H04S7/00—Indicating arrangements; Control arrangements, e.g. balance control
    • H04S7/30—Control circuits for electronic adaptation of the sound field
    • H04S7/305—Electronic adaptation of stereophonic audio signals to reverberation of the listening space
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04S—STEREOPHONIC SYSTEMS 
    • H04S1/00—Two-channel systems
    • H04S1/002—Non-adaptive circuits, e.g. manually adjustable or static, for enhancing the sound image or the spatial distribution
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04S—STEREOPHONIC SYSTEMS 
    • H04S1/00—Two-channel systems
    • H04S1/002—Non-adaptive circuits, e.g. manually adjustable or static, for enhancing the sound image or the spatial distribution
    • H04S1/005—For headphones

Definitions

  • the invention relates to a method with the necessary electroacoustic device for generating a Room and / or sound impression of an actually existing one or also calculated space, using as a hearing program any monophonic, stereophonic or multi-channel Audio program is usable.
  • the playback takes place preferably binaural via headphones, but can also via Speakers are performed.
  • Each audio program produced generally contains the existing room acoustics when recording, however in the previously known stereophonic reproduction methods never reproduced fully recognizable in its fine structure could be. More than that recording in one Room with a certain reverberation was created playback from the listener. Only additional ones Measures with corresponding electroacoustic Institutions could create better listening conditions that the listener will then recognize the room where the program was recorded to let.
  • a true-to-original simulation of room acoustics is, for example, by folding any Audio program with the binaural impulse response, measured at a certain reception point in a room, feasible.
  • binaural space pulse word understood two impulse responses, one impulse response one ear and the other impulse response to is assigned to another ear.
  • the system theory forms the space together with the reception characteristics a linear of the human ear causal transmission system in the time domain through the Room impulse responses is described.
  • the respective room impulse response is approximately the system response a sound pulse, the duration of which is a period of is twice the upper limit frequency of the audio signal.
  • Such a simulation process which simulates the listener the unmistakably precise temporal, spectral, spatial and dynamic sound field structures that actually exist at the original listening location, is extremely complex, especially with regard to the technical equipment required for the simulation.
  • the convolution is carried out by digitizing the audio signal and the spatial impulse responses, calculating the folded signal in a computer and converting it back into the analog signal. The number of calculation steps depends on the length of the impulse responses.
  • the simulation of room acoustic events is complete generally feasible using a method that, for example is known from EP-A-0 505 949.
  • the procedure is carried out using a transfer function simulator simulated a transfer function.
  • This transfer function simulator is in an acoustic with System arranged sound sources, sound receiving devices and devices for measuring the acoustic transfer function fitted.
  • For measuring the acoustic Transfer function can be the multitude of different possible Positions between any two points be considered in the acoustic system.
  • the simulator itself is characterized in that means for appraisal that in the existing transfer function existing poles are provided, the AR eigen coefficients, those with physical poles of acoustic Systems correspond from the multitude of measured Transfer functions are estimated, and ARMA filters, which are composed of AR filters and MA filters are to replicate what is measured from the multitude acoustic transmission functions with the acoustic System matches.
  • This extremely complicated process serves such an acoustic transfer function replicate that for echo suppressors, Anti-hall devices for active noise compensation and is also required for sound localization.
  • the Simulation of the transmission characteristics takes place Signal processor before. In the simulation process itself the transfer function with little computing effort in consistently reproduces the shortest possible computing time.
  • the object for the present invention is now in a simulation process with the necessary to create electro-acoustic device that simplifies is what makes its implementation technically and economically becomes justifiable.
  • the new simulation process has the advantage that with greatly reduced effort for the process no deterioration Simulation quality occurs. Moreover can use simplified FIR filter structures for convolution be used. The folding process itself runs without noticeable time delay in real time.
  • the essence of the invention is that one with Success-related lifelike simulation with very specific ones Share the room impulse responses from the acoustic happening is feasible. All it takes is the Knowledge of those parts of the room impulse responses that follow a critical selection essential for the auditory impression are. The path to knowledge about the respective room impulse responses leads over real or virtual room acoustic Measurements. Deciding which parts from the spatial replies are left out according to hearing psychological Principles.
  • An essential execution of the method now lies in that the values of the room impulse response with a time-dependent Threshold are compared and only those Values of the room impulse responses are used that the Exceed threshold.
  • the threshold is related to the room impulse response is time-dependent, insofar as it is his largest amount in the area of the beginning of the room impulse response and decays towards the end of the room impulse response. As a result, wide areas of the room impulse responses become zero.
  • the advantage in such a division is strong reduced computing effort for the simulation processor.
  • the area of the room impulse response that records the direct sound must with the area containing the reverberation so composed that the original quality in the simulation is retained.
  • the above-mentioned method with the required electroacoustic can also be designed in such a way that the critical selection of essential parts to preserve the lifelike simulation by considering the psychoacoustic pre and post masking phenomena in the Room impulse response takes place.
  • the application of the simulation method according to the invention will be especially in the HiFi and recording studio area, because there the benefits of binaural hearing for both headphone playback as well as speaker playback lie.
  • the device according to the invention creates that level of good and authentic room acoustics, the known disadvantages of hearing in anechoic Picks up space, but not disturbing that of the Overlay given acoustics.
  • the simulation of a for example, specific speaker arrangement in one certain space using headphone playback is an essential Application of the simulation method including the necessary electroacoustic Facility.
  • 1a shows a possible method for determining the Room impulse response shown.
  • a measurement signal is emitted, which with a Measurement microphone is recorded. From the received signal the room impulse response is obtained. If as a measurement signal an impulse is used, the duration of which is equal to one Period of the double frequency of the upper frequency limit of the audio signal range is the received signal equal to the room impulse response h (t). Because with this method the signal-to-noise ratio is small, in practice it becomes longer Measurement signal preferred and the room impulse response arithmetically determined.
  • the binaural impulse response that is used for playback is needed via headphones, is obtained in that the measurement microphones in the ear canals of a test person for which the rum impulse response is determined should. Then the impulse response for the line speaker-room-ear and then the impulse response for measured the headphone-ear system. The impulse responses gained are transformed into the frequency domain that divided functions and the quotient in back transformed the time domain. If this process for If both ears are performed, there will be a binaural impulse response get out of a right and a left room impulse response.
  • Fig. 1b shows the scheme for the procedure one of the two room impulse responses determined as above.
  • the room impulse response h (t) is fed to the divider 1, the division into the direct sound component d (t) and to carry out the reverberation component r (t).
  • r (t) In the reverberation portion r (t) are also all from the room walls Contain individual reflections of the measurement signal.
  • the spatial impulse response is inherently continuous Time signal and is digitized for processing, with which h (t), d (t) or r (t) h (n), d (n) or r (n) becomes.
  • ⁇ is the period of the sampling frequency.
  • the corresponding time-dependent amplitude profiles are shown schematically in FIGS. 4a to 4c.
  • T N the direct sound has arrived at the listening position, according to which only those portions are to be expected which result from reflections or from the reverberation.
  • the impulse response would only consist of a first value;
  • the room impulse response outlined here is also determined in the area of direct sound by the transfer function from the sound source to the ear canal entrance and is extended to a few milliseconds, for example, due to the reflections on the head and body.
  • the one divided into the two sound components d (n) and r (n) The determined room impulse response now becomes that electronic one Device 2 supplied from the determined room impulse response extracted the proportions that those parameters the listening room acoustics, the sound field present in the listening room and the left and right assignable to the listener Outer ear transfer function included after the Convolution process with any audio program the lifelike simulation of the entire room acoustic Guarantee events.
  • the extraction takes place according to criteria, which are described below.
  • the extracted one or reduced room impulse response h '(n) is in one Processor 3 with the signal s (n) of any chosen Audio program folded, which formed the signal becomes. With correct sound reproduction on both ears the hearing person receives the hearing result desired according to the invention achieved, namely the lifelike simulation of a Listening place in a certain listening room.
  • the extractor circuit 2 for selection of the essential Fractions from the determined room impulse response is given by the scheme of Fig. 2 explained in more detail.
  • the room impulse response present at an input E and divided into the direct sound and reverberation components is divided into individual sections or portions with the length T i in a function block 4.
  • FIGS. 5a to 5e show how the determined room impulse response is divided into individual blocks or portions T i with the sound components d (n), r 2 (n), r 3 (n) ... r i (n) by means of the function block 4 .
  • Comparator 5 After the direct sound has been separated off, use a Comparator 5 the remaining portions of the room impulse response Set to zero after one of those described below Criteria below a set one Threshold. The number of samples in the remaining signal components of the reduced room impulse response are counted in a coefficient counter 6. The counter value obtained is in a setpoint comparator 7, compared with a limit that is based on the permissible Computing effort is fixed. If the border is not yet 5a - 5e, more are exceeded Blocks of the determined room impulse response requested. In this way, a later folding with the reduced room impulse response the computing capacity exhausted. If the specified target is reached, then the now available reduced room impulse response to one Given output A.
  • FIG. 3 Arrangement required.
  • a dynamic threshold adjustment added which consists of a comparator 9 and a threshold value transmitter 10 exists.
  • the instantaneous value is in the comparator 9 the determined room impulse response with the current one Threshold value compared, the size of the threshold value from the previous values of the determined room impulse response depending on the concealment phenomenon.
  • the threshold value generator 10 to the comparator 5 is the dynamic adaptation to the given psychoacoustic criteria according to the concealment phenomenon realized, for example, according to Zwicker.
  • the critical selection of the signal components of the determined room impulse response that are essential for the simulation can be made in that all components of the determined room impulse response that are below a fixed fixed threshold value A are set to zero so that they are suitable for later use Convolution process are not taken into account, while the signal components exceeding the threshold value or the associated sample values are adopted with unchanged amplitude in the reduced spatial impulse response. Since there is a direct connection between the strength of the sound reflections and the values of the determined room impulse response that can be assigned to these reflections, the threshold value criterion offers significant help for extracting the values of the determined room impulse response that are essential for simulation.
  • T V here denotes the areas of pre-masking and T N that of subsequent masking. These are the periods in which signals below a level limit, as outlined in FIG. 7a, are no longer perceptible to a main signal. As can be seen from the standard literature on this subject, these masking effects are dependent on the time interval, the level ratio and the frequency interval of the masked and masking signal. As a result, this cannot be fully illustrated. With the room impulse response, above all the time and level relationships are influenced. In any case, somewhat broader value ranges of the determined room impulse response must be used than would result directly from the boundary line criterion. Furthermore, the value ranges have to be extrapolated into the actually masked range in order not to obtain undesired filter effects in the frequency range.
  • 8a and 8b show how the threshold value shrinks in steps and the signal components accordingly be removed for the simulation.
  • FIG. 9 shows the manner in which, for example, the architecture of a conventional FIR filter can be implemented.
  • a signal value is extracted from each connection in each sampling period and multiplied by the filter coefficient assigned to this location; the result is added in an adder with all other results and fed to the output and thus represents the direct implementation of the convolution on a processor.
  • this convolution can of course also be carried out in other conjugate structures, as a result of which Saving computing power. In principle, however, this always involves an optimal chronological sequence of additions and multiplications, so that at best a factor of two to three can be gained in computing power.
  • Fig. 10 illustrates how the architecture of the FIR filter is modified when the convolution with the extracted space impulse response is performed.
  • the successive samples of the remaining signal components of the spatial impulse response form the filter coefficients d j , r 1k , r 2l , r 3m , r in . These are those which are of essential importance for the lifelike simulation in accordance with the designations from the example of FIG. 5.
  • the number of all filter coefficients is one to two orders of magnitude less than the number of buffers. Since the filter coefficients no longer occur equidistantly in time, the filter processor is simultaneously informed of the delay time or the sample number with a filter coefficient.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit dazu erforderlicher elektroakustischer Einrichtung zur Erzeugung eines Raum- und/oder Klangeindrucks von einem tatsächlich vorhandenen oder auch berechneten Raum, wobei als Hörprogramm ein beliebig monophones, stereophones oder vielkanaliges Audioprogramm verwendbar ist. Die Wiedergabe erfolgt vorzugsweise binaural über Kopfhörer, kann aber auch über Lautsprecher durchgeführt werden.
Jedes produzierte Audioprogramm enthält im allgemeinen die bei der Aufnahme vorhandene Raumakustik, die allerdings bei den bisher bekannten stereophonen Wiedergabeverfahren in ihrer Feinstruktur nie vollständig erkennbar wiedergegeben werden konnte. Mehr als daß die Aufnahme in einem Raum mit bestimmtem Nachhall entstanden ist, ließ sich bei der Wiedergabe vom Zuhörer nicht feststellen. Erst zusätzliche Maßnahmen mit dazu entsprechenden elektroakustischen Einrichtungen könnten bessere Hörbedingungen schaffen, die den Zuhörer dann auch den Raum der Programmaufnahme wiedererkennen lassen.
Eine originalgetreue Simulation raumakustischer Geschehnisse ist beispielsweise durch die Faltung eines beliebigen Audioprogrammes mit der binauralen Raumimpulsantwort, gemessen an einem bestimmten Empfangsplatz in einem Raum, durchführbar. Unter binauraler Raumimpulsatwort werden zwei Impulsantworten verstanden, wobei die eine Impulsantwort dem einen Ohr und die andere Impulsantwort dem anderen Ohr zugeordnet ist. Gemäß den Erkenntnissen aus der Systemtheorie bildet der Raum zusammen mit den Empfangscharakteristika des menschliches Ohres ein lineares kausales Übertragungssystem, das im Zeitbereich durch die Raumimpulsantworten beschrieben ist. Die jeweilige Raumimpulsantwort ist näherungsweise die Systemantwort auf einen Schallimpuls, dessen Zeitdauer eine Periode der doppelten oberen Grenzfrequenz des Audiosignals ist. Die Faltung eines beliebigen Audioprogramms mit der binauralen Raumimpulsantwort ergibt das zur elektroakustischen Wiedergabe geeignete Signal, das solchermaßen ausgeprägt ist, daß bei richtiger Schallwiedergabe an den beiden Ohren einer Hörperson bei dieser ein solches Hörerlebnis hervorgerufen wird, wie es am Originalhörort, an dem das tatsächliche raumakustische Geschehen stattfindet, von derselben Hörperson erlebt worden wäre. Der Hörperson wird es dadurch unmöglich zu unterscheiden, ob das von ihr wahrgenommene Hörereignis am Ort des tatsächlichen Schallgeschehens erfolgt, oder ob es durch das Simulationsverfahren entsteht. Werden zur Wiedergabe nicht Kopfhörer sondern Lautsprecher verwendet, müssen in grundsätzlich gleicher Weise die Übertragungswege zwischen den Lautsprechern und den Ohren der Hörperson nachgebildet werden.
Ein solches Simulationsverfahren, das der Hörperson die am Originalhörort tatsächlich vorhandenen zeitlichen, spektralen, räumlichen und dynamischen Schallfeldstrukturen unverkennbar präzise vortäuscht, ist äußerst aufwendig, vor allem was die zur Simulation erforderlichen technischen Einrichtungen anbelangt. Im allgemeinen wird die Faltung in der Weise durchgeführt, daß das Audiosignal und die Raumimpulsantworten digitalisiert werden, in einem Rechner das gefaltete Signal berechnet und in das analoge Signal zurückgewandelt wird. Die Anzahl der Rechenschritte ist von der Länge der Impulsantworten abhängig. Zum Beispiel sei hier angeführt, daß bei einer Audiosignalbandbreite von 20 kHz etwa eine Abtastrate von 50 kHz und damit ein Abtastintervall von 20 µsec notwendig ist und daher für eine typische Raumimpulsantwortlänge von 2 sec 105 Abtastwerte benötigt werden und weiters bei der Faltung eines Audiosignals mit dieser Raumimpulsantwort 5x104 x 105 = 5x109 Multiplikationen und Additionen pro Sekunde durchgeführt werden müssen. Das bedeutet, daß der apparative Aufwand zur Faltung mit einem Audiosignal enorm groß sein muß, vor allem dann, wenn der gesamte Ablauf des Verfahrens in Echtzeit erfolgen soll. Daher ist die außerhalb des Forschungsbereiches liegende Anwendung eines solchen Simulationsverfahrens aus wirtschaftlichen und preislichen Gründen nicht denkbar.
Eine elektroakustische Anordnung zur nahezu originalgetreuen Simulation einer an einem bestimmten Hörplatz vorhandenen Hörsituation ist für die Wiedergabe von stereophonen binauralen Audioprogrammen mittels Kopfhörer in der AT PS 394 650 beschrieben. Das Einhalten der auditiven Originaltreue und auch die richtige Lokalisierung ganz bestimmter im Raum verteilter Schallquellen ist dadurch außer Frage gestellt, indem eine für die stereophone Lautsprecherwiedergabe vorhandene Tonaufnahme dann zur nahezu originalgetreuen Kopfhörerwiedergabe richtig dargeboten ist, wenn neben den direkt ankommenden Audiosignalen der beiden Kanäle links und rechts auch die Raumreflexionen des Hörraumes, jedoch bewertet mit den richtungsabhängigen Außenohrübertragungsfunktionen, nachgebildet sind. Die Integration der Außenohrübertragungsfunktion über alle Raumrichtungen ergibt einen angenähert ebenen Amplitudenfrequenzverlauf am Ohr. Da eine solche komplexe Nachbildung praktisch unmöglich ist, muß auf eine vereinfachte Konfiguration zurückgegriffen werden. Bei dieser stark vereinfachten Konfiguration brauchen jedem Ohr nur drei verschiedene Audiosignale dargeboten werden, um ein naturgetreues Hörereignis zu garantieren.
Die Simulation raumakustischer Geschehnisse ist ganz allgemein mittels eines Verfahrens durchführbar, das beispielsweise aus der EP-A-0 505 949 bekannt ist. In diesem Verfahren wird mittels eines Übertragungsfunktions-Simulators eine Ubertragungsfunktion nachgebildet. Dieser übertragungsfunktions-Simulator ist mit in einem akustischen System angeordneten Schallquellen, Schallempfangseinrichtungen und Einrichtungen zum Messen der akustischen Ubertragungsfunktion ausgestattet. Zum Messen der akustischen Übertragungsfunktion kann die Vielzahl möglicher unterschiedlicher Positionen zwischen zwei beliebigen Punkten im akustischen System Berücksichtigung finden. Der Simulator selbst ist darin gekennzeichnet, daß Mittel zum Abschätzen der in der vorhandenen Übertragungsfunktion vorhandenen Pole vorgesehen sind, wobei die AR-Eigenkoeffizienten, die mit physikalischen Polen des akustischen Systems korrespondieren, aus der Vielzahl an gemessenen Übertragungsfunktionen abgeschätzt werden, und ARMA-Filter, die aus AR-Filtern und MA-Filter zusammengesetzt sind, das nachbilden, was aus der Vielzahl an gemessenen akustischen Übertragungsfunktionen mit dem akustischen System übereinstimmt. Dieses äußerst komplizierte Verfahren dient dazu, eine solche akustische Ubertragungsfunktion nachzubilden, die für Echosperreinrichtungen, Antihalleinrichtungen, zur aktiven Störschallkompensation und auch zur Klangbildlokalisation erforderlich ist. Die Simulation der Übertragungscharakteristika nimmt ein Signalprozessor vor. Im Simulationsverfahren selbst wird die Übertragungsfunktion mit geringem Rechenaufwand in konsequent kürzest möglicher Rechenzeit nachbildet.
Dieses eben genannte Simulationsverfahren ließe sich grundsätzlich auch zur Verwirklichung für die naturgetreue Wiedergabe raumakustischer Geschehnisse nach einer dazu vorgenommenen Modifizierung einsetzen. Es wäre aber dann in technischer Hinsicht äußerst aufwendig und zu spezifisch, als daß zur sinnvollen und wirtschaftlichen Anwendung dieses Verfahrens für den gesamten Zweck ein besonderes Interesse bestünde.
Auch die bekannte schnelle Faltung mittels diskreter Fouriertransformation bietet keinen geeigneten Weg zu einer ökonomischen Einrichtung für die Simulation raumakustischer Geschehnisse, wegen der dieser Methode inhärenten Zeitverzögerung zwischen Quellsignal und gefaltetem Signal.
Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung besteht nun darin, ein Simulationsverfahren mit dazu erforderlicher elektroakustischer Einrichtung zu schaffen, das vereinfacht ist, wodurch seine Realisierung technisch und wirtschaftlich vertretbar wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Wegen der Auswahl bestimmter Teile aus den Raumimpulsantworten vermindert sich entsprechend der Rechenaufwand, weil für die weggelassenen Teile der Raumimpulsantworten keine Rechnungen durchgeführt werden müssen.
Das neue Simulationsverfahren hat den Vorteil, daß bei stark reduziertem Aufwand für das Verfahren keine Verschlechterung Simulationsqualität auftritt. Außerdem können zur Faltung vereinfachte FIR-Filterstrukturen eingesetzt werden. Der Faltungsprozeß selbst läuft ohne merkliche Zeitverzögerung in Echtzeit ab.
Demnach liegt der Kern der Erfindung darin, daß eine mit Erfolg verbundene naturgetreue Simulation mit ganz bestimmten Teilen der Raumimpulsantworten aus dem akustischen Geschehen durchführbar ist. Es bedarf lediglich der Kenntnis über jene Teile der Raumimpulsantworten, die nach einer kritischen Auswahl wesentlich für den Höreindruck sind. Der Weg zur Kenntnis über die jeweiligen Raumimpulsantworten führt über reale oder virtuelle raumakustische Messungen. Die Entscheidung, welche Teile aus den Raumipulantworten weggelassen werden erfolgt nach hörpsychologischen Grundsätzen.
Eine wesentliche Ausführung des Verfahrens liegt nun darin, daß die Werte der Raumimpulsantwort mit einem zeitabhängigen Schwellwert verglichen werden und nur jene Werte der Raumimpulsantworten verwendet werden, die den Schwellwert übersteigen. Der Schwellwert ist bezogen auf die Raumimpulsantwort zeitabhängig, insofern als er seinen größten Betrag im Bereich des Anfangs der Raumimpulsantwort hat und gegen Ende der Raumimpulsantwort abklingt. Dadurch werden weite Bereiche der Raumimpulsantworten zu null.
Der Vorteil in einer solchen Aufteilung liegt im stark reduzierten Rechenaufwand für den Simulationsprozessor. Der den Direktschall erfassende Bereich der Raumimpulsantwort muß mit dem den Nachhall enthaltenden Bereich dermaßen zusammengesetzt sein, daß die Originalqualität in der Simulation erhalten bleibt.
Auf diese Weise werden nur jene Teile für den Faltungsprozeß verwendet, die einen wesentlichen Beitrag zur naturgetreuen Simulation leisten. Alle übrigen Teile der Raumimpulsantwort scheinen durch "Null-Setzen" nicht mehr auf, und es wird für diese kein Rechenaufwand erforderlich. Das zur Faltung verwendete FIR-Filter benötigt dann keine aufwendige Struktur, und die Rechenleistung des Signalprozessors braucht nur dann eingesetzt werden, wenn entsprechende von Null verschiedene Koeffizienten auftreten. Diese Vorgangsweise reduziert den Rechenaufwand gegenüber der konventionellen Faltung erheblich, und es lassen sich damit Reduktionsfaktoren zwischen 10 und 100 erzielen. Trotzdem bleibt die Nachhallzeit für solcherart simulierte raumakustische Geschehnisse erhalten, und bei einer Gesamtzeitlänge der reduzierten Impulsantwort von nur 10 Millisekunden werden Nachhallzeiten, die zwischen 100 bis zu 1000 Millisekunden liegen, einwandfrei simuliert. Die räumliche Simulation unterliegt hierbei keinem Zufall.
Das genannte Verfahren mit dazu erforderlicher elektroakustischer Einrichtung kann auch dermaßen ausgestaltet sein, daß die kritische Auswahl wesentlicher Teile zum Erhalten der naturgetreuen Simulation durch Berücksichtigen der psychoakustischen Vor- und Nachverdeckungsphänomene in der Raumimpulsantwort erfolgt.
Die in der Hörakustik bekannten Verdeckungsphänomene bewirken, daß beim Vorhandensein von Schall ein weiterer, zweiter Schall nur dann hörbar ist, wenn seine Erregung im menschlichen Ohr die des ersten übersteigt. Dadurch entsteht eine Verschiebung der Hörbarkeitsschwelle, die durch den oben erwähnten zeitabhängigen Schwellwert nachgebildet wird, wodurch Schall unterhalb dieser Schwelle nicht wahrgenommen wird.
Die Kombination der beiden bereits zuvor genannten und erläuterten Verfahrensabläufe ist die optimale Ausgestaltung des Verfahrens überhaupt. Die Ausbeute im Verhältnis zum Rechenaufwand und zum Einsatz an technischen Einrichtungen ist größtmöglich, und das damit erzielte Ergebnis am wirtschaftlichsten.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Simulationsverfahrens wird im besonderen im HiFi- und Tonstudiobereich liegen, weil dort die Vorteile des binauralen Hörens sowohl für die Kopfhörerwiedergabe als auch für die Lautsprecherwiedergabe liegen. Die erfindungsgemäße Einrichtung schafft jenes Maß an guter und originalgetreuer Raumakustik, das die bekannten Nachteile eines Hörens im schalltoten Raum aufhebt, dabei aber nicht störend die von der Aufnahme gegebene Akustik überlagert. Die Simulation einer beispielsweise bestimmten Lautsprecheranordnung in einem bestimmten Raum mittels Kopfhörerwiedergabe ist eine wesentliche Anwendung des Simulationsverfahrens einschließlich der dazu erforderlichen elektroakustischen Einrichtung.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Simulationsverfahren mit dazu erforderlicher elektroakustischer Einrichtung an Hand von Zeichnungen dargestellt, und es zeigt:
Fig. 1a
die Anordnung bei der Messung der Raumimpulsantwort,
Fig. 1b
das Schema der elektroakustischen Einrichtung zur Erzeugung und Faltung der reduzierten Raumimpulsantwort,
Fig. 2
das Schema zur Auswahl der wesentlichen Anteile aus der ermittelten Raumimpulsantwort,
Fig. 3
das Schema zur Auswahl der wesentlichen Anteile aus der ermittelten Raumimpulsantwort, unter Verwendung eines veränderlichen Schwellwertes,
Fig. 4a
eine einfache ermittelte Raumimpulsantwort,
Fig. 4b
den Anteil des Direktschalls der ermittelten Raumimpulsantwort nach Fig. 4a,
Fig. 4c
die reflektierten Schallanteile aus der ermittelten Raumimpulsantwort nach Fig. 4a,
Fig. 5a
eine vereinfachte ermittelte Raumimpulsantwort,
Fig. 5b
den Bereich des Direktschalls der ermittelten Raumimpulsantwort nach Fig. 5a,
Fig. 5c
den wesentlichen Teil des reflektierten Anteils der ermittelten Raumimpulsantwort nach Fig. 5a,
Fig. 5d
den wesentlichen Teil einer zweiten Reflexion aus der ermittelten Raumimpulsantwort nach Fig. 5a,
Fig. 5e
den wesentlichen Teil einer noch später liegenden Reflexion aus der ermittelten Raumimpulsantwort nach Fig.5a,
Fig. 6a
die ermittelte Raumimpulsantwort mit darübergelegten Schwellwerten,
Fig. 6b
die reduzierte Raumimpulsantwort aus der ermittelten Raumimpulsantwort nach Fig. 6a,
Fig. 7a
eine ermittelte Raumimpulsantwort mit darübergelegten Schwellwerten unter Berücksichtigung des Verdeckungsphänomens.
Fig. 7b
die reduzierte Raumimpulsantwort aus der ermittelten Raumimpulsantwort nach Fig. 7a,
Fig. 8a
eine ermittelte Raumimpulsantwort mit darübergelegten Schwellwerten, die stufenförmig abnehmen,
Fig. 8b
die reduzierte Raumimpulsantwort aus der Raumimpulsantwort nach Fig. 8a,
Fig. 9
ein Schema für ein übliches Transversal oder FIR - Filter und
Fig. 10
eine aus der Erfindung sich ergebende Struktur eines FIR-Filters für den Faltungsprozess mit der erfindungsgemäß reduzierten Raumimpulsantwort.
In Fig. 1a wird eine mögliche Methode zur Ermittlung der Raumimpulsantwort dargestellt. Am Ort der Schallquelle wird ein Meßsignal abgestrahlt, das am Hörplatz mit einem Meßmikrofon aufgenommen wird. Aus dem empfangenen Signal wird die Raumimpulsantwort gewonnen. Wenn als Meßsignal ein Impuls verwendet wird, dessen Dauer gleich einer Periode der doppelten Frequenz der oberen Frequezgrenze des Audiosignalbereiches ist, ist das empfangene Signal gleich der Raumimpulsantwort h(t). Da bei dieser Methode der Störabstand gering ist, wird in der Praxis ein längeres Meßsignal bevorzugt und die Raumimpulsantwort rechnerisch ermittelt.
Die binaurale Raumimpulsantwort, die für die Wiedergabe über Kopfhörer benötigt wird, wird dadurch gewonnen, daß sich die Meßmikrofone in den Ohrkanälen einer Testperson befinden, für die die Rumimpulsantwort ermittelt werden soll. Sodann wird die Impulsantwort für die Strecke Lautsprecher-Raum-Ohr und anschließend die Impulsantwort für das System Kopfhörer-Ohr gemessen. Die gewonnen Impulsantworten werden in den Frequenzbereich transformiert, die transformierten Funktionen dividiert und der Quotient in den Zeitbereich rücktransformiert. Wenn dieser Vorgang für beide Ohren durchgeführt wird, wird eine binaurale Raumimpulsantwort erhalten, die sich aus einer rechten und einer linken Raumimpulsantwort zusammensetzt.
Die Fig. 1b zeigt das Schema für den Verfahrensablauf bei einer der beiden wie oben ermittelten Raumimpulsantworten. Die Raumimpulsantwort h(t) wird dem Aufteiler 1 zugeleitet, um die Aufteilung in den Direktschallanteil d(t) und den Nachhallanteil r(t) vorzunehmen. Im Nachhallanteil r(t) sind auch sämtliche von den Raumwänden herrührenden Einzelreflexionen des Meßsignals enthalten.
Die Raumimpulsantwort ist ihrer Natur nach ein kontinuierliches Zeitsignal und wird zur Verarbeitung digitalisiert, womit aus h(t), d(t) bzw. r(t) h(n), d(n) bzw. r(n) wird. Da für die hier verwendete digitale Verarbeitung in digitalen Filtern eine zeitdiskrete Repräsentation benötigt wird, wird in den Figuren ausschließlich die zeitdiskrete Darstellung h(n) verwendet, wobei n der Laufindex für die Abtastwerte ist, der mit der Zeit durch t=nτ verknüpft ist und τ die Periodendauer der Abtastfrequez ist. Die Darstellung in den Figuren erfolgt jedoch lediglich aus Gründen der Übersichtlichkeit als kontinuierliche Funktion.
Für die Raumimpulsantwort h(n) und deren Aufteilung in Direktschallanteil d(n) und Nachhallanteil r(n) sind die entsprechenden zeitabhängigen Amplitudenverläufe in Fig. 4a bis 4c schematisch dargestellt. Nach Verstreichen der Zeit T = N
Figure 00110001
ist am Hörplatz der Direktschall eingetroffen, wonach nur mehr solche Anteile zu erwarten sind, die von Reflexionen, bzw. vom Nachhall herrühren. Zur Erläuterung sei noch angeführt, daß in einem frequenzlinearen Ubertragungssystem die Impulsantwort lediglich aus einem ersten Wert bestehen würde; die hier skizzierte Raumimpulsantwort wird auch im Bereich des direkten Schalls durch die Übertragungsfunktion von der Schallquelle bis zum Ohrkanaleingang bestimmt und wird z.B. wegen der Reflexionen an Kopf und Körper auf einige Millisekunden verlängert.
Die in die beiden Schallanteile d(n) und r(n) aufgeteilte ermittelte Raumimpulsantwort wird nun jener elektronischen Einrichtung 2 zugeführt, die aus der ermittelten Raumimpulsantwort die Anteile extrahiert, die jene Kennwerte der Hörraumakustik, des im Hörraum vorhandenen Schallfeldes und die der Hörperson zuordbaren linken und rechten Außenohrübertragungsfunktion enthalten, die nach dem Faltungsprozeß mit einem beliebigen Audioprogramm die naturgetreue Simulation des gesamten raumakustischen Geschehens garantieren. Die Extraktion erfolgt nach Kriterien, die weiter unten beschrieben sind. Die extrahierte bzw. reduzierte Raumimpulsantwort h'(n) wird in einem Prozessor 3 mit dem Signal s(n) eines beliebig gewählten Audioprogrammes gefaltet, wodurch das Signal gebildet wird. Bei richtiger Schallwiedergabe an den beiden Ohren der Hörperson wird das erfindungsgemäß gewünschte Hörresultat erreicht, nämlich die naturgetreue Simulation eines Hörplatzes in einem bestimmten Hörraum.
Die Extraktorschaltung 2 zur Auswahl der wesentlichen Anteile aus der ermittelten Raumimpulsantwort wird durch das Schema der Fig. 2 näher erläutert.
Wegen der beschränkten Rechenleistung des Prozessors 3 ist es zweckmäßig nur einen vorderen Teil der jeweiligen ermittelten Raumimpulsantwort zu verwenden. Hierzu wird die an einem Eingang E vorhandene und in die Anteile Direktschall und Nachhall aufgeteilte Raumimpulsantwort in einem Funktionsblock 4 in einzelne Abschnitte oder Portionen mit der Länge Ti aufgeteilt.
Die Figuren 5a bis 5e zeigen wie die ermittelte Raumimpulsantwort mittels des Funktionsblocks 4 in einzelne Blöcke oder Portionen Ti mit den Schallanteilen d(n), r2(n), r3(n) ... ri(n) aufgeteilt wird.
Die Aufteilung in Direktschall- und Nachhallanteil wird vorgenommen, weil der Direktanteil der ermittelten Raumimpulsantwort zumindest bei Studio-Anwendung unverändert bleiben sollte und nur der Nachhallanteil wie beschrieben reduziert wird. Es sind jedoch auch Anwendungen denkbar, bei denen beide Anteile der ermittelten Raumimpulsantwort reduziert werden.
Nach der Abtrennung des Direktschalls werden mittels eines Komparators 5 die verbliebenen Anteile der Raumimpulsantwort Null gesetzt, die nach einem der weiter unten beschriebenen Kriterien unterhalb eines festgelegten Schwellwertes liegen. Die Anzahl der Abtastwerte in den verbliebenen Signalanteilen der reduzierten Raumimpulsantwort werden in einem Koeffizientenzähler 6 gezählt. Der erhaltene Zählerwert wird in einem Sollwertkomparator 7, mit einem Grenzwert verglichen, der duch den zulässigen Rechenaufwand festgelegt ist. Falls die Grenze noch nicht überschritten ist werden gemäß den Fig. 5a - 5e weitere Blöcke der ermittelten Raumimpulsantwort nachgefordert. Auf diese Weise wird bei einer späteren Faltung mit der reduzierten Raumimpulsantwort die Rechenkapazität voll ausgschöpft. Ist das vorgegebene Soll erreicht, so wird die jetzt vorhandene reduzierte Raumimpulsantwort an einen Ausgang A gegeben.
Für den Fall, daß die kritische Signalbewertung der ermittelten Raumimpulsantwort gemäß einem Verdeckungsphänomen vorgenommen wird, ist dazu die in Fig. 3 dargestellte Anordnung erforderlich. Gegenüber dem in Fig. 2 angegebenen Schema kommt noch eine dynamische Schwellwertanpassung hinzu, die aus einem Komparator 9 und einem Schwellwertgeber 10 besteht. In dem Komparator 9 wird der Momentanwert der ermittelten Raumimpulsantwort mit dem momentanen Schwellwert verglichen, wobei die Größe des Schwellwertes von den vorausgehenden Werten der ermittelten Raumimpulsantwort gemäß dem Verdeckungsphänomen abhängig ist. Durch die Rückführung über den Schwellwertgeber 10 zu dem Komparator 5 ist die dynamische Anpassung an die vorgegebenen psychoakustischen Kriterien gemäß dem Verdeckungsphänomen beispielsweise nach Zwicker realisiert.
Wie die Fig. 6a und 6b zeigen, kann die kritische Auswahl der für die Simulation wesentlichen Signalanteile der ermittelten Raumimpulsantwort dadurch erfolgen, daß alle Anteile der ermittelten Raumimpulsantwort, die unterhalb eines festgelegten festen Schwellwertes A liegen, Null gesetzt sind, damit diese für den späteren Faltungsprozeß unberücksichtigt bleiben, während die den Schwellwert übersteigenden Signalanteile bzw die zugehörigen Abtastwerte mit unveränderter Amplitude in die reduzierte Raumimpulsantwort übernommen werden. Da zwischen der Stärke der Schallreflexionen und den diesen Reflexionen zuordenbaren Werten der ermittelten Raumimpulsantwort ein unmittelbarer Zusammenhang besteht, bietet das Schwellwertkriterium eine bedeutende Hilfe zum Extrahieren der zur Simulation wesentlichen Werte der ermittelten Raumimpulsantwort. Bei der Faltung werden nur mehr die durch das Auswahlkriterium gegebenen wesentlichen Merkmale aus der ermittelten Raumimpulsantwort berücksichtigt, wodurch der erforderliche Rechenaufwand einer erheblichen Reduktion unterliegt. Können in einem FIR - Filter pro Sekunde 25x106 Multiplikationen und Additionen vom Signalprozessor durchgeführt werden, was bei einer Abtastperiode von 20 µsec 500 Filterkoeffizienten und 10 Millisekunden Impulsantwortlänge entspricht, so können unter Verwendung der reduzierten Raumimpulsantwort von Prozessor 3 Räume simuliert werden, deren Nachhallzeiten bei bis zu 1 sek liegen.
Schließlich ist, wie Fig. 7a und 7b zeigen, die kritische Auswahl auch nach Kriterien gemäß den Verdeckungsphänomenen möglich. Demnach brauchen solche Anteile aus der ermittelten Raumimpulsantwort nicht berücksichtigt werden, die beim Hören ohnedies nicht wahrnehmbar sind. Entsprechend der vorliegenden Information sind die verdeckten Anteile von der später erfolgenden Faltung auszunehmen. In diesem Falle braucht auch nicht mehr zwischen Direktschall und Nachhallanteil unterschieden zu werden, sondern es kann die gesamte ermittelte Raumimpulsantwort vom Anfang an wie beschrieben reduziert werden.
TV bezeichnet hier die Bereiche der Vorverdeckung und TN die der Nachverdeckung. Das sind die Zeiträume in denen Signale unter einer Pegelgrenze, wie sie in Fig. 7a skizziert sind, gegenüber einem Hauptsignal nicht mehr wahrnehmbar sind. Diese Verdeckungseffekte sind, wie sich der Standardliteratur zu diesem Thema entnehmen läßt, abhängig vom Zeitabstand, vom Pegelverhältnis und vom Frequenzabstand von maskiertem und maskierendem Signal. Folglich läßt sich dies zeichnerisch nicht vollständig darstellen. Mit der Raumimpulsantwort werden vor allem die Zeit- und Pegelverhältnisse beeinflußt. Es müssen also in jedem Fall etwas breitere Wertebereiche der ermittelten Raumimpulsantwort verwendet werden, als sich unmittelbar aus dem Grenzlinienkriterium ergeben würde. Weiters müssen die Wertebereiche in den eigentlich maskierten Bereich hinein extrapoliert werden, um nicht unerwünschte Filtereffekte im Frequenzbereich zu erhalten.
In Fig. 8a und 8b ist dargestellt, wie der Schwellwert sich treppenförmig verkleinert und entsprechend die Signalanteile für die Simulation entnommen werden.
Fig. 9 stellt dar, auf welche Art beispielsweise die Architektur eines üblichen FIR-Filters ausgeführt sein kann. In der Kette von Zwischenspeichern z-1, von denen jeder einen Signalwert eine Abtastperiode lang speichert, wird in jeder Abtastperiode an jeder Verbindung ein Signalwert entnommen und mit dem dieser Stelle zugeordneten Filterkoeffizienten multipliziert; das Ergebnis wird in einem Addierer mit allen anderen Ergebnissen addiert und dem Ausgang zugeführt und stellt damit die direkte Implementierung der Faltung auf einem Prozessor dar. Abhängig von den technologischen Gegebenheiten des Prozessors 3 kann diese Faltung natürlich auch in anderen konjugierten Strukturen durchgeführt werden, wodurch sich Rechenleistung einsparen läßt. Dabei geht es aber im Prinzip immer um eine zeitlich optimale Abfolge der Additionen und Multiplikationen, so daß damit bestenfalls ein Faktor zwei bis drei an Rechenleistung gewonnen werden kann.
Fig. 10 veranschaulicht auf welche Art die Architektur des FIR-Filters abgewandelt wird, wenn die Faltung mit der extrahierten Raumimpulsantwort durchgeführt wird.
Hierbei bilden die aufeinanderfolgenden Abtastwerte der verbliebenen Signalanteile der Raumimpulsantwort die Filterkoeffizienten dj, r1k, r2l, r3m, rin. Das sind jene, die entsprechend den Bezeichnungen aus dem Beispiel von Fig. 5 zur naturgetreuen Simulation von wesentlicher Bedeutung sind. Die Anzahl aller Filterkoeffizienten ist dabei um ein bis zwei Größenordnungen geringer als die Anzahl der Zwischenspeicher. Da die Filterkoeffizienten nun nicht mehr zeitlich äquidistant auftreten, wird dem Filterprozessor mit einem Filterkoeffizienten auch gleichzeitig die Verzögerungszeit, bzw. die Abtastwertnummer, mitgeteilt.
Es werden im Vergleich zum in Fig. 9 dargestellten Filter bei gleicher Filterlänge um ein bis zwei Größenordnungen weniger Rechenoperationen für das in der Wahrnehmung des Zuhörers als gleich bewertete Ergebnis benötigt.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Simulation eines an einem repräsentativen Hörplatz in einem Raum auftretenden Raum- und/oder Klangeindrucks bei monofoner, stereofoner oder mehrkanaliger Wiedergabe, bei dem
    ein Raum ausgewählt wird, dessen Raumklang simuliert werden soll,
    innerhalb des Raumes die Lage des repräsentativen Hörplatzes festgelegt wird.
    an dem repräsentativen Hörplatz zumindest für einen Kanal die zugehörige Raumimpulsantwort ermittelt wird,
    für die ermittelte Raumimpulsantwort ein sich über zumindest einen Abschnitt der Länge der ermittelten Raumimpulsantwort erstreckender Schwellwert festgelegt wird ,
    durch Vergleich der ermittelten Raumimpulsantwort mit dem Schwellwert eine reduzierte Raumimpulsantwort erzeugt wird, die innerhalb des Abschnitts der Länge der ermittelten Raumimpulsantwort nur diejenigen Teile der ermittelten Raumimpulsantwort aufweist, bei denen die momentane Amplitude über dem Schwellwert liegt, während für diejenigen Teile der ermittelten Raumimpulsantwort, deren momentane Amplitude unter dem Schwellwert liegt, die reduzierte Raumimpulsantwort auf den Wert null gesetzt wird, und die außerhalb des Abschnitts der Länge der ermittelten Raumimpulsantwort die ermittelte Raumimpulsantwort in unveränderter Form enthält.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Ausnahme des dem Direktschall entsprechenden Bereiches der ermittelten Raumimpulsantwort der Abschnitt die gesamte übrige zeitliche Dauer der ermittelten Raumimpulsantwort beinhaltet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß der Abschnitt die gesamte zeitliche Dauer der ermittelten Raumimpulsantwort beinhaltet.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert ein dynamisch veränderlicher Schwellwert ist, der einen fest vorgegebenen Mindestwert aufweist, und daß der Schwellwert durch eine den jeweils gültigen Schwellwert oder den Mindestgrenzwert übersteigende Halbschwingung der ermittelten Raumimpulsantwort in Richtung auf größere Werte angehoben wird und nach dem Anheben allmählich auf seinen Mindestwert abklingt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert nach einer Exponentialfunktion abklingt.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert entprechend einem psychoakustischen Verdeckungseffekt festgelegt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert fest ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Schwellwert treppenförmig verändert.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgewählte Raum ein theoretischer oder virtueller Raum ist und daß die jeweilige ermittelte Raumimpulsantwort eine auf Grund der Annahmen über die Gestalt des Raumes, den Ort der Schallquelle, den Hörplatz, die Richtung der Schallquelle und/oder die Ausrichtung des Kopfes berechnete Raumimpulsantwort ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgewählte Raum ein real existierender Raum ist und daß die jeweilige ermittelte Raumimpulsantwort in dem realen Raum gemessen wurde.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es für wenigstens zwei unterschiedliche Hörkanäle durchgeführt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Audiosignal mit der reduzierten Raumimpulsantwort gefaltet wird.
  13. Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine elektronische Schaltung enthält, in der die reduzierte Raumimpulsantwort gemäß dem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche programmiert ist, daß die Schaltung einen oder mehrere Eingänge zum Einspeisen eines monofonen, stereofonen oder vielkanaligen Audioprogramms, wenigstens einen Kanal sowie wenigstens je Kanal einen Audioausgang aufweist, an dem ein bearbeitetes Audioprogrammm ausgegeben wird, das durch Faltung des eingespeisten Audioprogramms mit der/den dem jeweiligen Kanal zugeordneten reduzierten Raumimpulsantwort/-en erhalten wird.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie je Kanal wenigstens ein FIR-Filter enthält, dessen Filterkoeffizienten den Amplitudenwerten der mit einer vorgegeben Samplingfrequenz digitalisierten reduzierten Raumimpulsantwort entsprechen.
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