EP1520447A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von daten über die gegenseitige lage von mindestens drei schallwandlern - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von daten über die gegenseitige lage von mindestens drei schallwandlern

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Publication number
EP1520447A1
EP1520447A1 EP03720076A EP03720076A EP1520447A1 EP 1520447 A1 EP1520447 A1 EP 1520447A1 EP 03720076 A EP03720076 A EP 03720076A EP 03720076 A EP03720076 A EP 03720076A EP 1520447 A1 EP1520447 A1 EP 1520447A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sound
signal
transducers
signals
transducer
Prior art date
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Granted
Application number
EP03720076A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1520447B1 (de
Inventor
Renato Pellegrini
Matthias Rosenthal
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sonicemotion AG
Original Assignee
Sonicemotion AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Sonicemotion AG filed Critical Sonicemotion AG
Publication of EP1520447A1 publication Critical patent/EP1520447A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1520447B1 publication Critical patent/EP1520447B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H04S7/302—Electronic adaptation of stereophonic sound system to listener position or orientation
    • H04S7/303—Tracking of listener position or orientation
    • H04S7/304—For headphones
    • 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 and a device for generating data on the mutual position of at least three sound transducers
  • a first class of inventions proposes a transmitter which is attached to said headphones and is used exclusively for transmission uses a signal from which the orientation and position of the head can be calculated.
  • the signal emitted is either an infrared, an ultrasound or a magnetic signal.
  • a corresponding receiver forwards the received signal to a computing unit, where the orientation and / or the position of the human head is calculated.
  • a second class of inventions uses a gyrator or an angular rate measuring device which is attached to the headphones.
  • the orientation (rotation) of the head can be determined directly from the angular rate measuring device.
  • Such devices are also used in digital cameras to prevent unwanted tremors to compensate by hand However, such devices have a significant drift. Therefore, this method is preferably used for relative measurements.
  • Such a device is published in EP-1 176 848 A2
  • a third class of inventions relates to a combination of the two aforementioned methods.
  • An angular velocity measuring device is used for measuring the head movements. Additional ultrasound or infrared transmitters and receivers are used to calibrate the drift of the angular velocity measuring device
  • the invention relates to a method and a device for generating data on the mutual position of at least three sound transducers
  • a first class of inventions proposes a transmitter which is attached to said headphones.This transmitter is used exclusively for transmitting a headphone Signals from which the orientation and position of the head can be calculated.
  • the signal emitted is either an infrared, an ultrasound or a magnetic signal.
  • a corresponding receiver forwards the received signal to a computing unit, where the orientation and / or the Position of the human head is calculated.
  • a second class of inventions uses a gyrator or an angular velocity measuring device which is attached to the headphones.
  • the orientation (rotation) of the head can be determined directly from the angular velocity measuring device.
  • Such devices are also used in digital cameras to prevent unwanted tremors to compensate by hand However, such devices have a significant drift. Therefore, this method is preferably used for relative measurements.
  • Such a device is published in EP-1 176 848 A2
  • a third class of inventions relates to a combination of the two aforementioned methods.
  • An angular velocity measuring device is used for measuring the head movements. Additional ultrasound or infrared transmitters and receivers are used to calibrate the odor of the angular velocity measuring device
  • JP 06 082242 a device is known with which the position and orientation of a headphone in three-dimensional space can be determined with the aid of ultrasound signals.
  • three additional sound transducers are attached to the headphones, which are only ultrasound signals for the determination the position and onenireung give three more, distributed transducers in the room to receive these ultrasound signals.
  • An electrical or optical reference signal from the headphones is given to the receiver of the ultrasound signals and the time delays of the ultrasound signals are determined for each receiver.These are reference signals in different frequency bands
  • a disadvantage of this design is that in addition to the sound transducers for the sound signal, separate sound transducers must also be provided for the position and orientation determination This or optical reference signal are generated. This arrangement and the necessary division of the ultrasonic signals into several frequency bands results in a very complex signal evaluation in order to determine the position and orientation of the headphones
  • a device in which loudspeakers are distributed in a room and the position of a listener is to be determined.
  • the loudspeakers emit ultrasound signals which are received by a receiver at the location of the listener from the different running times of the listener
  • Ultrasound signals from the individual loudspeakers to the receiver can determine the position of the receiver or listener. Since there are no dedicated ultrasound transducers, the position must be determined before the actual sound reproduction.
  • the loudspeakers are also arranged in a fixed position so that this device can only be used once , position determination provided before the sound reproduction is suitable. The position of the listener cannot be continuously measured. For both of the devices mentioned, it also applies that they use the correlation of incoming ultrasound signals to determine the position.
  • the invention as characterized in the claims, therefore achieves the object of providing a method and a device which continuously measure and calculate the mutual position of at least three sound transducers, in particular the rotation and the position of a human head with headphones within a room without an additional transmission element on the head, headphones or body of the listener, while allowing sound reproduction
  • a first electrical signal is generated for a first sound transducer, which converts it into a first sound signal
  • a second electrical signal is generated for a second sound transducer, which converts it into a second sound signal
  • a first ultrasonic signal is added to the first electrical signal
  • a second ultrasound signal is added to the second electrical signal before the signals arrive in the sound transducer
  • the first and second signals with the added ultrasound signals are emitted by the first and second sound transducers
  • at least one third sound transducer is the first and second Signals recorded with their ultrasound signals and converted back into an electrical signal
  • the detected ultrasound signals are filtered out and separated from the first and second signals, that with them and from the first and second generated ultrasound signals a first and a second delay g signal is formed and a position signal is derived therefrom from the delay signals, which indicates the position of at least one transducer relative to the other transducers
  • a group of at least two sound transducers can be at a fixed relative distance from one another. According to the method described, the orientation or angular position of these two sound transducers can be calculated with a fixed relative distance from at least one further sound transducer
  • a first group of at least two sound transducers for sound reproduction can be at a fixed relative distance from one another and a second group of at least two further sound transducers for sound recording at a fixed relative distance from one another.Finally, according to the method according to the invention, the position and orientation of the first or second group to the other first or second group in a planar plane
  • a first group of at least three sound transducers for sound reproduction or sound recording can be at a fixed relative distance from one another and a second group of at least two further sound transducers for sound reproduction or sound recording can be at a fixed relative distance from one another.
  • an apparatus for performing the described method comprises at least a first sound transducer, a second sound transducer and a third sound transducer.
  • a digitally working system is connected to the first, second and third sound transducer and has an output path for outputting sound signals to at least one of the first and second mentioned and third sound transducer and an input path, for receiving signals from at least one of said first, second and third sound transducers.
  • said digitally operating system contains a sound source and an ultrasound signal generator, both of which are connected to said output path for outputting sound signals.
  • An information generator for a position indication is connected to the input path, to which a filter for the recovery of ultrasound signals is also connected.
  • the first and second sound transducers can be the left and right sound transducers s headphones while the third sound transducer is, for example, a stationary microphone.
  • said first and second sound transducers can each be a stationary loudspeaker, while the third sound transducer is a portable microphone that can be moved around the room
  • the built-in sound transducers of a commercial headphone are used instead of further sound transducers or transmitters More specifically, the sound transducers of the headphones are used both for sound reproduction and for transmitting ultrasound signals.The same applies in the example of loudspeakers as well as for the transmission of ultrasound signals. Therefore any headphones or speakers can be used and additional cables can be omitted. Furthermore, the position and orientation of a human head can be measured during the sound reproduction without interrupting the sound reproduction
  • the present method and the present device are mainly used in two different fields of application, head tracking and listening tracking, both during sound reproduction and both without an additional transmission element
  • the first area of application relates to all applications where head tracking is necessary or useful in connection with headphones.
  • Head tracking means the continuous measurement and evaluation of the movements - the rotation and change in position - of a human head with headphones. More specifically, the invention relates to multimedia and gaming applications where a staff member Computers, a game console or any similar device can use the three-dimensional position and rotation of a human head wearing headphones
  • the invention can be used in applications with headphones for telephony or radio traffic, such as in conference calls or in 5
  • Airplane cockpits where audio sources can be "placed" in a virtual acoustic environment according to the position and rotation of the human head
  • the same invention can be used to track a listener in a room with many speakers installed.
  • Such an installation can be a DVD system with five speakers and a subwoofer, or any other arrangement with any number of speakers anywhere in the room Room mounted
  • By tracking the listener in the room it is possible to adapt the sweet spot to the current position of the listener.
  • the sweet spot is the place in the room where the sound reproduction of all speakers gives a balanced signal and the best listening experience is achieved
  • Other inventions, with this method and this device it is possible to measure and evaluate the position of the listener in space continuously and dynamically and without the need for an additional transmitting element
  • Figure 5 shows a schematic arrangement of the elements for a second application of the present invention
  • Fig. 6 shows a schematic representation of the positions of different elements of said second application
  • headphones 7, each with a sound transducer 7a and 7b for the right and left ear, are connected to a digitally working system 13, which can process sound signals and output them via a connection 5, which can be designed as a cable or wireless connection
  • a digitally working system 13 can be, for example, a personal computer, a game console, a set-top box or a similar device of this type, which generates sound signals for a listener 6.
  • this digital system 13 contains a source 1 for generating unmodified ones Sound signals, an ultrasound generator 2 which produces inaudible signals above the hearing threshold, typically above 20 kHz, and a digital-to-analog converter 4 (DAC 4).
  • DAC 4 digital-to-analog converter
  • the source 1 for the unmodified sound signal can for example be a CD player, a music file or ir another sound source inside or outside the system 13.
  • This source 1 generates the sound signal that the listener 6 would like to hear 6 several sound transducers 8, such as microphones or ultrasound receivers, are attached in front of the receiver 6 and are connected to the digital system 13 via a connection 9.
  • This connection 9 can in turn be a cable or a wireless connection.
  • An analog-to-digital converter 10 ( ADC 10) is connected via connections 16 and 17 to a filter 11 and to an information generator 12 for a position indication.
  • Source 1 with connections 15, converter 4 and connections 5 form an output path 19.
  • Connection 9, converter 10, the filter 11 with the connections 16 and 17 and the information generator 12 for the position indication are elements which form an input path 20
  • the digital system 13 produces an audio signal, which is emitted by the source 1, passed through the lines 15 and, after the conversion in the converter 4, is passed through the connections 5 to the first and second sound converters 7a and 7b, which are on the headphones 7 and thus placed on the head 6.
  • the ultrasound generator 2 generates two separate ultrasound signals, one for each sound transducer 7a and 7b of the headphones, each above 20 kHz, which can be in adjacent frequency bands
  • the two ultrasound signals are temporary sequences in the same frequency band above 20 kHz, a temporary sequence for the right transducer 7a of the headphone 7 and one for the left transducer 7b.
  • the sequences are alternately emitted for a short time
  • transducer 4 can also be used with a normal audio transducer a sampling rate of 48 kHz Since transducers with a sampling frequency of 96 kHz have recently become available, a significantly higher ultrasonic signal of over 24 kHz can be used. This can then be done with the corresponding ADC 10, which also has a sampling rate of 96 kHz works, be converted back again
  • Said ultrasound signals are also continuously emitted by sound transducers 7a and 7b.
  • the person who wears headphones 7 cannot hear the ultrasound signals, although the sound transducers emit them.
  • the emitted ultrasound signal can be weak because the vaporization in the air and the absorption of materials are quite strong for signals above 20 kHz.
  • these signals can be of some form in order to achieve a good signal quality and being able to receive the ultrasonic signal at a distance of several meters is a band-centered 7 pseudo white noise is the most suitable for this.
  • Suitable signals are maximum-length sequences with an autocorrelation function with a precisely defined single maximum.Other options are Golay sequences and sequences with aperiodic phase, which can improve signal detection in a noisy environment.
  • At least two adders 3a and 3b are used for the signal in the output path 19, in which the output signal is the sum of the input signal of the source 1 and the ultrasound generator 2.
  • a digital-to-analog converter (DAC) 4 has at least two digital signal inputs connected to the adders 3a and 3b, and Two analog outputs
  • the connection 5, for example a cable or a wireless connection, is used to transmit the signals from the digital system 13 to the headphones 7
  • a human head 6 wears the standard, commercially available headphones 7
  • the analog-to-digital converter ( ADC) 10 converts at least one analog signal, which s was received by the sound transducer 8 into at least one digital signal. Of course, this received signal contains both ultrasonic signals from the sound transducer 7a and 7b.
  • the signal at the output of the transducer 10 has the form as can be seen in FIG. 2.
  • an unmodified audio signal 23 is in the frequency band below approximately 20 kHz.
  • Two separate frequency bands 24 and 25 can be seen above 20 kHz, of which one frequency band 24 can be assigned to the right sound converter 7a and the other frequency band 25 to the left sound converter 7b.
  • the filter 11, connected to the converter 10, processes the received signal and filters it by means of a high-pass filter Frequency band 23 below 20 kHz from the waveform in Fig.
  • a second filter in said filter 11 separates the two ultrasound signals contained into two individual, reconstructed ultrasound signals, one of which is reconstructed Signal contains the ultrasound signal 24 from the right sound transducer 7a and the other reconstructed signal contains the ultrasound signal 25 from the left sound transducer 7b of the headphone 7.
  • said second filter is a bandpass filter and it is used for each frequency band more appropriately
  • Cross-correlation with the known input signals can improve the signal-to-noise ratio.
  • Such filter techniques by means of cross-correlation are known techniques of their kind and are therefore not explained in more detail here
  • the said second filter is a decoder of the said sequences 8th
  • the filter 11 reconstructs and separates an ultrasonic signal for the right and left sound transducers 7a and 7b for each receiver 8. Said signals are then passed on to the information generator 12
  • the information generator 12 can also receive the original ultrasound signal from the ultrasound generator 2 via a connection 18, specifically together with the reconstructed ultrasound signal that arrives from the filter 11 via the connection 17. It compares the two ultrasound signals by means of a digital cross-correlation. Two delays, one for the right one and one for the left ultrasound signal arises for each receiver or microphone 8 depending on the distance of the sound transducers 7a and 7b to the third sound transducer or receiver 8. If a receiver or microphone 8 is used, the rotation or orientation of the head 6 can be caused by the difference in distance to be determined to the receiver 8 This is explained by means of FIG. 3.
  • the difference between the two delays mentioned provides the information about the differences between distances 37 and 38 of the right sound transducer 7a to the microphone 8 and of the left sound transducer 7b to the microphone 8.
  • the rotation n or the angular position of the head 6, printed out at the angle ⁇ , 39 can be calculated by means of triangulation in a manner known per se and therefore not explained in more detail here, if one knows the width of the head or the average width of a human head, which likewise Known as known Precise calibration of the individual head width is easily possible using personal measurements.
  • the average of the two distances 37 and 38 gives the information about the absolute distance from the center of the head 6 to the receiver 8
  • the rotation and a two-dimensional, exact position specification of the head 6 with respect to the receivers 8a and 8b can be calculated.
  • the position specification can be determined by means of triangulation with the additional knowledge of the distances 41 and 42 to the second receiver 8b and the distance 40 between the two receivers.
  • the sound transducers involved lie in a planar plane, which here corresponds to the drawing plane or a parallel plane to it 9
  • the rotation and the exact position can also be calculated in three-dimensional space. Again, triangulation is used with the additional knowledge of all distances to all receivers and all distances between all receivers
  • the information about the rotation and position of the head 6 is available in digital form as a signal 14 (FIG. 1) at an output. It can be used in an application based on the digital system running In most cases, the audio-visual content that is offered to the user by means of loudspeakers, headphones, etc. is changed depending on the rotation and position of the user
  • FIG. 5 A second application of the invention is shown in FIG. 5.
  • the same digital system 13 which can process sound signals as described previously in FIG. 1, can be used to connect a listener in a room with two or more loudspeakers 51a and 51b
  • the two loudspeakers 51a and 51b replace the sound transducers 7a and 7b of the headphone, which is known from FIG. 1.
  • at least two ultrasound signals are generated by the ultrasound generator 2 and become the unmodified audio signal from the source 1 in added to adders 3a and 3b.
  • digital-to-analog converter (DAC) 4 converts the digital signals into analog signals.
  • DAC digital-to-analog converter
  • ADC analog-to-digital converter
  • the filter 1 1 filters out the sound signal and extracts the ultrasound signals.
  • the position of the loudspeakers is known and is in the Information generator 12 stored after this position has been measured and entered using a keyboard.
  • the information generator 12 calculates the position of the receiver 8 from the said ultrasound signals, which is unknown in this case. This is again achieved by triangulation with the given positions of the loudspeakers 51a and 51 b and the given distance between speakers 51a and 51b
  • the listener can carry or hold the receiver 8 in any suitable manner and can move freely in the space inside the loudspeakers.
  • the listener cannot hear the ultrasound signals which are emitted by the loudspeakers. Nevertheless, the receiver can detect them.
  • the information generator can track the listener continuously and determine the current position
  • the position of the loudspeakers can of course also be calculated from the known position of the listeners
  • the listener can also carry two receivers 8a and 8b. In this case, not only the position of the listener in the room but also the rotation or orientation in the room with respect to the position of the loudspeakers can be calculated.
  • the receivers 8a and 8b a fixed distance 65 and are attached to the same portable element.
  • the following distances are calculated from the corresponding delay times.
  • the position of both receivers 8a and 8b can be calculated by means of triangulation.
  • the unmodified sound signal from the source 1 and the ultrasound signal from the ultrasound generator 2 can be calculated also added as an analog signal after converter 4 w In this case, an additional converter is required to convert the ultrasound signals to analog signals

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Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Daten über die gegenseitige Lage von mindestens drei Schallwandlern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Daten über die gegenseitige Lage von mindestens drei Schallwandlern
In den letzten Jahren wurden verschiedene Erfindungen vorgestellt, die zur Erfassung und Errechnung der Orientierung und der Position eines menschlichen Kopfes dienen, welcher einen Kopfhörer tragt Eine erste Klasse von Erfindungen schlagt einen Sender vor, welcher an besagtem Kopfhörer angebracht ist Dieser wird ausschliess ch zum Aussenden eines Signals verwendet, aus dem man die Orientierung und die Position des Kopfes errechnen kann Das ausgesendete Signal ist entweder ein Infrarot-, ein Ultraschall- oder ein magnetisches Signal Ein entsprechender Empfanger gibt das empfangene Signal an eine Recheneinheit weiter, wo die Orientierung und/oder die Position des menschlichen Kopfes berechnet wird Eine solche Vorrichtung ist unter WO 92/07346 veröffentlicht
Eine zweite Klasse von Erfindungen verwendet einen Gyrator oder ein Winkelgeschwindigkeits-Messgerat, welches am Kopfhörer angebracht ist In diesem Fall kann die Orientierung (Rotation) des Kopfes direkt aus dem Winkelgeschwindigkeits-Messgerat bestimmt werden Solche Vorrichtungen werden auch in digitalen Photoapparaten eingesetzt, um ungewolltes Zittern der Hand zu kompensieren Jedoch weisen solche Vorrichtungen einen signifikanten Drift auf Deshalb wird diese Methode bevorzugterweise bei relativen Messungen eingesetzt Eine solche Vorrichtung ist in der EP-1 176 848 A2 veröffentlicht
Eine dritte Klasse von Erfindungen betrifft eine Kombination der beiden vorgenannten Methoden Für die Messung der Kopfbewegungen wird ein Winkelgeschwindigkeits Messgerat eingesetzt Zusätzliche Ultraschall- oder Infrarotsender und Empfanger werden zur Kalibrierung des Drifts vom Winkelgeschwindigkeits Messgerat verwendet
Verschiedene weitere Methoden existieren für die Messung und Berechnung der Position eines Zuhörers innerhalb eines Raumes, in welchem Lautsprecher installiert sind Die gebrauchlichste Methode besteht dann, ein hörbares Signal hintereinander über jeden einzelnen Lautsprecher abzugeben und anschliessend die Signalerverzogerung mittels eines oder mehrerer Mikrophone zu messen Daraus und aus der bekannten Position der Lautsprecher lasst sich die Position des Zuhörers berechnen Bis jetzt sind alle Verfahren und Vorrichtungen dieser Art darauf ausgelegt, die Position eines Zuhörers einmal vor der eigentlichen Musikwiedergabe zu messen Nachher bleibt der „Sweet Spot", d h der Ort der besten Wiedergabe, unverändert Um den „Sweet Spot" zu andern muss die Musik- oder Tonwiedergabe angehalten und eine neue Messung durchgeführt werden Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Daten über die gegenseitige Lage von mindestens drei Schallwandlern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Daten über die gegenseitige Lage von mindestens drei Schallwandlern
In den letzten Jahren wurden verschiedene Erfindungen vorgestellt, die zur Erfassung und Errechnung der Orientierung und der Position eines menschlichen Kopfes dienen, welcher einen Kopfhörer tragt Eine erste Klasse von Erfindungen schlagt einen Sender vor, welcher an besagtem Kopfhörer angebracht ist Dieser wird ausschliesslich zum Aussenden eines Signals verwendet, aus dem man die Orientierung und die Position des Kopfes errechnen kann Das ausgesendete Signal ist entweder ein Infrarot-, ein Ultraschall- oder ein magnetisches Signal Ein entsprechender Empfanger gibt das empfangene Signal an eine Recheneinheit weiter, wo die Orientierung und/oder die Position des menschlichen Kopfes berechnet wird Eine solche Vorrichtung ist unter WO 92/07346 veröffentlicht
Eine zweite Klasse von Erfindungen verwendet einen Gyrator oder ein Winkelgeschwindigkeits-Messgerat, welches am Kopfhörer angebracht ist In diesem Fall kann die Orientierung (Rotation) des Kopfes direkt aus dem Wmkelgeschwindigkeits-Messgerat bestimmt werden Solche Vorrichtungen werden auch in digitalen Photoapparaten eingesetzt, um ungewolltes Zittern der Hand zu kompensieren Jedoch weisen solche Vorrichtungen einen signifikanten Drift auf Deshalb wird diese Methode bevorzugterweise bei relativen Messungen eingesetzt Eine solche Vorrichtung ist in der EP-1 176 848 A2 veröffentlicht
Eine dritte Klasse von Erfindungen betrifft eine Kombination der beiden vorgenannten Methoden Für die Messung der Kopfbewegungen wird ein Winkelgeschwindigkeits Messgerat eingesetzt Zusätzliche Ultraschall- oder Infrarotsender und Empfanger werden zur Kalibrierung des Dnfts vom Winkelgeschwindigkeits Messgerat verwendet
Verschiedene weitere Methoden existieren für die Messung und Berechnung der Position eines Zuhörers innerhalb eines Raumes, in welchem Lautsprecher installiert sind Die gebräuchlichste Methode besteht dann, ein hörbares Signal hintereinander über jeden einzelnen Lautsprecher abzugeben und anschliessend die Signalerverzogerung mittels eines oder mehrerer Mikrophone zu messen Daraus und aus der bekannten Position der Lautsprecher lasst sich die Position des Zuhörers berechnen Bis jetzt sind alle Verfahren und Vorrichtungen dieser Art darauf ausgelegt, die Position eines Zuhörers einmal vor der eigentlichen Musikwiedergabe zu messen Nachher bleibt der „Sweet Spot", d h der Ort der besten Wiedergabe, unverändert Um den „Sweet Spot" zu andern muss die Musik- oder Tonwiedergabe angehalten und eine neue Messung durchgeführt werden 2
Aus der JP 06 082242 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der die Position und Orientierung eines Kopfhörers im dreidimensionalen Raum mit Hilfe von Ultraschallsignalen bestimmt werden kann Dazu sind auf dem Kopfhörer neben den Schallwandlern für das Tonsignal drei zusätzliche Schallwandler befestigt, die nur Ultraschallsignale für die Bestimmung der Position und Onentireung abgeben Drei weitere, im Raum verteilte Schallwandler sind zum Empfangen dieser Ultraschallsignale vorgesehen Dabei wird ein elektrisches oder optisches Referenzsignal vom Kopfhörer an die Empfanger der Ultraschallsignale abgegeben und die Zeitverzogerungen der Ultraschallsignale werden zu jedem Empfanger ermittelt Dazu sind diese Referenzsignale in verschiedene Frequenzbander aufgeteilt Ein Nachteil dieser Ausfuhrung besteht dann, dass zusätzlich zu den Schallwandlern für das Tonsignal noch eigene Schallwandler für die Positions- und Orientierungsbestimmung vorgesehen werden müssen Dazu muss noch ein elektrisches oder optisches Referenzsignal erzeugt werden Durch diese Anordnung und die notwendige Aufteilung der Ultraschallsignale in mehrere Frequenzbander ergibt sich eine sehr aufwendige Signalauswertung um die Position und Orientierung des Kopfhörers zu bestimmen
Aus der JP 01 276900 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der Lautsprecher in einem Raum verteilt angeordnet sind und die Position eines Hörers bestimmt werden soll Dazu senden die Lautsprecher Ultraschallsignale aus, die von einem Empfanger an der Stelle des Horeres empfangen werden Aus den verschiedenen Laufzeiten dieser Ultraschallsignale von den einzelnen Lautsprechern zum Empfanger kann die Position der Empfangers oder Hörers bestimmt werden Da hier keine eigenen Ultraschallwandler vorgesehen sind, muss die Bestimmung der Position vor der eigentlichen Tonwiedergabe geschehen Zudem sind auch die Lautsprecher ortsfest angeordnet, so dass diese Vorrichtung nur für eine einmalige, vor der Tonwiedergabe vorgesehene Positionsbestimmung geeignet ist Die Position des Hörers kann nicht laufend nachgemessen werden Für beide genannten Vorrichtungen gilt zudem, dass sie die Korrelation eintreffender Ultraschallsignale nutzen um die Positon zu bestimmen Das bedeutet, dass sie grundsätzlich auf diejenigen Signale ansprechen, die die grosste Signalamplitude haben, was aber oft an Gegenstanden reflektierte Signale sind Deshalb ist die Positionsbestimmung mit diesen Vorrichtungen durch aussere Bedingungen stark und ungunstig beeinflussbar 3 Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen gekennzeichnet ist, lost deshalb die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die die kontinuierliche Messung und Berechnung der gegenseitigen Lage von mindestens drei Schallwandlern, insbesondere die Rotation und die Position eines menschlichen Kopfes mit Kopfhörern innerhalb eines Raumes ohne zusätzliches Sendeelement am Kopf, Kopfhörer oder Korper des Zuhörers, wahrend der Tonwiedergabe gestatten
Die Aufgabe wird dadurch gelost, dass ein erstes elektrisches Signal für einen ersten Schallwandler erzeugt wird, der dieses in ein erstes Tonsignal wandelt, dass ein zweites elektrisches Signal für einen zweiten Schallwandler erzeugt wird, der dieses in ein zweites Tonsignal wandelt, dass ein erstes Ultraschallsignal dem ersten elektrischen Signal zugefugt wird und ein zweites Ultraschallsignal dem zweiten elektrischen Signal zugefugt wird bevor die Signale im Schallwandler eintreffen, dass die ersten und zweiten Signale mit den zugefugten Ultraschallsignalen vom ersten und zweiten Schallwandler abgegeben werden, dass mindestens ein dritter Schallwandler die ersten und zweiten Signale mit ihren Ultraschallsignalen erfasst und in ein elektrisches Signal zuruckwandelt, dass die erfassten Ultraschallsignale vom ersten und zweiten Signal herausgefiltert und getrennt werden, dass damit und aus dem ersten und dem zweiten erzeugten Ultraschallsignal je ein erstes und ein zweites Verzogerungssignal gebildet wird und daraus ein Positionssignal aus den Verzogerungssignalen abgeleitet wird, das die Lage mindestens des einen Schallwandlers gegenüber den anderen Schallwandlern angibt
Zusätzlich kann eine Gruppe von mindestens zwei Schallwandlern in einer fixen relativen Distanz zueinander stehen Dadurch kann gemass dem beschriebenen Verfahren die Orientierung oder Winkellage dieser zwei Schallwandler mit fixer relativer Distanz zu mindestens einem weiteren Schallwandler berechnet werden
Weiter kann eine erste Gruppe von mindestens zwei Schallwandlern für die Tonwiedergabe in einer fixen relativen Distanz zueinander stehen und eine zweite Gruppe von mindestens zwei weiteren Schallwandlern für die Tonaufnahme in einer fixen relativen Distanz zueinander stehen Schliesslich kann gemass dem erfindungsgemassen Verfahren die Position und die Orientierung der ersten oder zweiten Gruppe zur anderen ersten oder zweiten Gruppe in einer planaren Ebene berechnet werden
Schliesslich kann eine erste Gruppe von mindestens drei Schallwandlern für die Tonwiedergabe oder Tonaufnahme in einer fixen relativen Distanz zueinander stehen und eine zweite Gruppe von mindestens zwei weiteren Schallwandlern für die Tonwiedergabe oder Tonaufnahme in einer fixen relativen Distanz zueinander stehen Die Berechnung eines Positionssignales für die Position und die Orientierung der ersten oder zweiten Gruppe zur anderen ersten oder zweiten Gruppe erfolgt im dreidimensionalen Raum 4
Eine Vorrichtung zur Durchfuhrung des beschriebenen Verfahrens umfasst erfindungsgemass mindestens einen ersten Schallwandler, einen zweiten Schallwandler und einen dritten Schallwandler Ein digital arbeitendes System ist am ersten, zweiten und dritten Schallwandler angeschlossen und hat einen Ausgangspfad zur Ausgabe von Tonsignalen an mindestens einen der erwähnten ersten, zweiten und dritten Schallwandler und einen Eingangspfad, zum Empfangen von Signalen von mindestens einem der besagten ersten, zweiten und dritten Schallwandler Schliesslich enthalt besagtes digital arbeitendes System eine Tonquelle und einen Ultraschall- Signalgenerator, die beide am genannten Ausgangspfad zur Ausgabe von Tonsignalen angeschlossen sind Ein Informationsgenerator für eine Positionsangabe ist am Eingangspfad angeschlossen, an welchem auch ein Filter für die Ruckgewinnung von Ultraschallsignalen angeschlossen ist Der erste und der zweite Schallwandler können der linke und rechte Schallwandler eines Kopfhörers sein wahrend der dritte Schallwandler beispielsweise ein stationäres Mikrophon ist In einer anderen Anwendung können besagte erster und zweiter Schallwandler je ein stationärer Lautsprecher sein wahrend der dritte Schallwandler ein portables, im Raum bewegbares Mikrophon ist
Erfindungsgemass werden im Beispiel eines Kopfhörers die eingebauten Schallwandler eines handelsüblichen Kopfhörers verwendet anstatt weiterer Schallwandler oder Sender Genauer gesagt, die Schallwandler des Kopfhörers werden sowohl zur Tonwiedergabe als auch zur Aussendung von Ultraschallsignalen verwendet Dasselbe gilt im Beispiel von Lautsprechern Die Schallwandler der Lautsprecher werden sowohl zur Tonwiedergabe als auch zur Aussendung von Ultraschallsignalen verwendet Deshalb können beliebige Kopfhörer oder Lautsprecher verwendet werden und zusatzliche Kabel entfallen Ausserdem können die Messungen der Position und Orientierung eines menschlichen Kopfes wahrend der Tonwiedergabe durchgeführt werden ohne die Tonwiedergabe zu unterbrechen
Das vorliegende Verfahren und die vorliegende Vorrichtung kommen in hauptsächlich zwei verschiedenen Anwendungsbereichen zum Einsatz Kopfverfolgung und Horerverfolgung, beide wahrend der Tonwiedergabe und beide ohne zusätzliches Sendeelement
Der erste Anwendungsbereich betrifft alle Anwendungen wo Kopfverfolgung in Verbindung mit Kopfhörern notig oder nützlich ist Kopfverfolgung bedeutet die kontinuierliche Messung und Auswertung der Bewegungen - der Rotation und Positionsanderung - eines menschlichen Kopfes mit Kopfhörer Genauer gesagt, die Erfindung betrifft Multimedia- und Spieleanwendungen, wo ein Personal Computer, eine Spielkonsole oder irgend ein ähnliches Gerat die dreidimensionale Positions- und Rotationsangabe eines menschlichen Kopfes, welcher Kopfhörer tragt, verwenden kann
Ausserdem kann die Erfindung in Anwendungen mit Kopfhörern für die Telephonie oder den Funkverkehr eingesetzt werden, wie zum Beispiel bei Konferenzschaltungen oder in 5
Flugzeugcockpits, wo Audioquellen gemass der Position und der Rotation des menschlichen Kopfes in einem virtuellen akustischen Umfeld „platziert" werden können
In einem leicht abgeänderten Aufbau kann dieselbe Erfindung verwendet werden zur Verfolgung eines Hörers in einem Raum mit vielen installierten Lautsprechern Solch ein Installation kann eine DVD Anlage mit fünf Lautsprechern und einem Subwoofer sein oder aber irgend eine andere Anordnung mit einer beliebigen Anzahl Lautsprecher an beliebiger Stelle im Raum montiert Durch die Verfolgung des Hörers im Raum ist es möglich den Sweet- Spot jeweils der akuellen Position des Hörers anzupassen Der Sweet-Spot ist derjenige Ort im Raum wo die Tonwiedergabe aller Lautsprecher ein ausgewogenes Signal ergibt und das beste Horerlebnis erzielt wird Im Unterschied zu anderen Erfindungen ist es mit diesem Verfahren und dieser Vorrichtung möglich, dynamisch und ohne zusatzliches Sendeelement die Position des Hörers im Raum kontinuierlich und wahrend der Tonwiedergabe zu messen und auszuwerten
Fig 1 zeigt eine schematische Anordnung für eine erste Anwendung der vorliegenden Erfindung,
Fig 2 zeigt eine Filtercharakteristik wie sie in besagter ersten Anwendung eingesetzt werden kann,
Fig 3 und 4 zeigen schematische Darstellungen der Positionen von verschiedenen Elementen der besagten ersten Anwendung,
Fig 5 zeigt eine schematische Anordnung der Elemente für eine zweite Anwendung der vorliegenden Erfindung und
Fig 6 zeigt eine schematische Darstellungen der Positionen von verschiedenen Elementen der besagten zweiten Anwendung
Wie aus Fig 1 ersichtlich ist ein Kopfhörer 7 mit je einem Schallwandler 7a und 7b für das rechte und linke Ohr an einem digital arbeitenden System 13 angeschlossen, welches Tonsignale verarbeiten und über eine Verbindung 5 ausgeben kann, welche als Kabel oder drahtlose Verbindung ausgebildet sein kann Ein solches digital arbeitendes System 13 kann zum Beispiel ein Personal Computer, eine Spielkonsole, eine Set-Top Box oder ein ähnliches Gerat in dieser Art sein, welches Tonsignale für einen Hörer 6 generiert Dafür enthalt dieses digitale System 13 eine Quelle 1 zur Erzeugung von unmodifizierten Tonsignalen, einen Ultraschallgenerator 2 welcher nicht hörbare Signale über der Hörschwelle produziert, typischerweise oberhalb 20 kHz, und einen digital-zu-analog „Wandler 4 (DAC 4) Alle drei Elemente 1 , 2, 4 sind über Leitungen 15 und Addierer 3a und 3b miteinander verbunden Die Quelle 1 für das unmodifizierte Tonsignal kann zum Beispiel ein CD-Spieler, eine Musikdatei oder irgend eine andere Tonquelle innerhalb oder ausserhalb des Systems 13 sein Diese Quelle 1 erzeugt dasjenige Tonsignal, das der Hörer 6 hören mochte Zusätzlich sind ein oder 6 mehrere Schallwandler 8, wie zum Beispiel Mikrophone oder Ultraschallempfanger, vor dem Hörer 6 angebracht und sind über eine Verbindung 9 an das digitale System 13 angeschlossen Diese Verbindung 9 kann wiederum ein Kabel oder eine drahtlose Verbindung sein Ein analog-zu-digital Wandler 10 (ADC 10) ist über Verbindungen 16 und 17 an ein Filter 1 1 und an einen Informationsgenerator 12 für eine Positionsangabe angeschlossen Die Quelle 1 mit den Verbindungen 15, der Wandler 4 und die Verbindungen 5 bilden einen Ausgangspfad 19 Die Verbindung 9, der Wandler 10, der Filter 11 mit den Verbindungen 16 und 17 sowie der Informationsgenerator 12 für die Positionsangabe sind Elemente welche einen Eingangspfad 20 bilden
Wahrend des Betriebes produziert das digitale System 13 ein Audiosignal, welches von der Quelle 1 ausgesendet, durch die Leitungen 15 geleitet und nach der Wandlung im Wandler 4 durch die Verbindungen 5 an den ersten und zweiten Schallwandler 7a und 7b gefuhrt wird, die am Kopfhörer 7 und somit auf den Kopf 6 aufgesetzt sind Der Ultraschallgenerator 2 generiert zwei separate Ultraschallsignale, je eines für jeden Schallwandler 7a und 7b des Kopfhörers, je über 20 kHz, welche in benachbarten Frequenzbandern liegen können
Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die beiden Ultraschallsignale temporare Sequenzen im gleichen Frequenzband über 20 kHz sind, je eine temporare Sequenz für den rechten Schallwandler 7a des Kopfhörers 7 und eine für den linken Schallwandler 7b Die Sequenzen werden abwechslungsweise wahrend einer kurzen Zeit ausgesendet
In beiden Fallen, werden die Ultraschallsignale zum besagten Audiosignal mit Hilfe der Addierer 3a und 3b in den Leitungen 15 dazuaddiert Die Ultraschallsignale werden ebenfalls im Wandler 4 gewandelt und zusammen mit dem Audiosignal den Schallwandlern 7a und 7b zugeführt Der Wandler 4 kann übrigens ein normaler Audiowandler mit einer Abtastrate von 48 kHz sein Da in letzter Zeit auch Wandler mit einer Abtastfrequenz von 96 kHz erhältlich sind, kann damit ein deutlich höheres Ultraschallsignal von über 24 kHz verwendet werden Dieses kann dann mit dem entsprechenden ADC 10, welcher ebenfalls bei einer Abtastrate von 96 kHz arbeitet, wieder zuruckgewandelt werden
Die besagten Ultraschallsignale werden ebenfalls dauernd von den Schallwandlern 7a und 7b ausgesendet Die Person, welche die Kopfhörer 7 tragt, kann die Ultraschallsignale nicht hören, obwohl die Schallwandler diese aussenden Ein dritter Schallwandler 8, der vor dem Hörer 6 beispielsweise ortsfest aufgestellt ist, zum Beispiel ein Mikrophon oder ein Ultraschallempfanger, empfangt die Ultraschallsignale
Abhangig von der Charakteristik des Kopfhörers 7 kann das ausgesendete Ultraschallsignal schwach sein, weil die Dampfung in der Luft als auch die Absorption an Materialien bei Signalen über 20 kHz ziemlich stark ist Generell können diese Signale zwar irgend eine Form aufweisen Um jedoch eine gute Signalqualltat zu erreichen und das Ultraschallsignal auch noch in einer Distanz von mehreren Metern empfangen zu können, ist ein band mittiertes, 7 pseudo weisses Rauschen hierfür am besten geeignet Geeignete Signale sind maximum- length Sequenzen mit einer Autokorrelationsfunktion mit genau definiertem, einzigen Maximum Andere Möglichkeiten sind Golay Sequenzen and Sequenzen mit aperiodischer Phase, womit die Signalerfassung in verrauschtem Umfeld verbessert werden kann Mindestens zwei Addierer 3a und 3b für das Signal im Ausgangspfad 19 werden verwendet, bei welchen das Ausgangssignal die Summe des Eingangssignals der Quelle 1 und des Ultraschallgenerators 2 ist Ein digital-zu-analog Wandler (DAC) 4 hat mindestens zwei digitale Signaleingange verbunden mit den Addierern 3a und 3b, sowie zwei analoge Ausgange Die Verbindung 5, so zum Beispiel ein Kabel oder eine drahtlose Verbindung, wird verwendet um die Signale vom digitalen System 13 zum Kopfhörer 7 zu übertragen Ein menschlicher Kopf 6 tragt die Standard, handelsüblichen Kopfhörer 7 Der analog-zu-digital Wandler (ADC) 10 wandelt mindestens ein analoges Signal, welches vom Schallwandler 8 empfangen wurde, in mindestens ein digitales Signal um In diesem empfangenen Signal sind naturlich beide Ultraschallsignale vom Schallwandler 7a und 7b enthalten Das Signal am Ausgang des Wandlers 10 hat die Form wie sie in Fig 2 ersichtlich ist In Fig 2 sind Signale über einer horizontalen Achse, längs der Werte für Frequenzen aufgetragen sein können und neben einer vertikalen Achse, längs der Werte für die Amplitude eines Signales aufgetragen sein können, dargestellt Gemass Fig 2 liegt ein unmodifiziertes Audiosignal 23 im Frequenzband unterhalb von ca 20 kHz Zwei getrennte Frequenzbander 24 und 25 sind oberhalb von 20 kHz ersichtlich, von welchen ein Frequenzband 24 dem rechten Schallwandler 7a und das andere Frequenzband 25 dem linken Schalwandler 7b zugeordnet werden kann Der Filter 11 , angeschlossen an den Wandler 10, verarbeitet das empfangene Signal und filtert mittels eines Hochpassfilters das Frequenzband 23 unterhalb 20 kHz aus der Signalform in Fig 2 heraus Das verbleibende Signal besteht nun lediglich aus möglicherweise schwachen Frequenzbandern 24 und 25 vom rechten Schallwandler 7a und vom linken Schallwandler 7b des Kopfhörers 7 Ein zweites Filter in besagtem Filter 11 separiert die beiden enthaltenen Ultraschallsignale in zwei individuelle, rekonstruierte Ultraschallsignale, wovon ein rekonstruiertes Signal das Ultraschallsignal 24 vom rechten Schallwandler 7a und das andere rekonstruierte Signal das Ultraschallsignal 25 vom linken Schallwandler 7b des Kopfhörers 7 enthalt Im Fall wo die Ultraschallsignale in benachbarten Frequenzbandern hegen, ist das besagte zweite Filter ein Bandpassfilter und er wird für jedes Frequenzband angewendet Mittels angemessener Kreuzkorrelation mit den bekannten Eingangssignalen kann der Signal- Rauschabstand verbessert werden Solche Filtertechniken mittels Kreuzkorrelation sind bekannte Techniken in ihrer Art und werden daher hier nicht naher erläutert
Im Fall wo die zwei Ultraschallsignale temporare Sequenzen sind mit einer Sequenz für den rechten Schallwandler 7a und einer anderen Sequenz für den linken Schalwandler 7b des Kopfhörers 7, ist das besagte zweite Filter ein Dekoder der besagten Sequenzen 8
Gemass obiger Erläuterungen rekonstruiert und separiert das Filter 11 für jeden Empfanger 8 je ein Ultraschallsignal für den rechten und linken Schallwandler 7a und 7b Anschliessend werden besagte Signale dem Informationsgenerator 12 weitergegeben
Da solche Vorrichtungen meistens in geschlossenen Räumen benutzt werden, ist damit zu rechnen, dass im Empfanger 8 mehrere Signale eintreffen, die von einem bestimmten Schallwandler 7a oder 7b als Ultraschallsignal ausgesendet wurden Durch Reflexion an einer Wand oder einem anderen Gegenstand kann ein erstes Signal auf direktem Weg und ein zweites Signal auf indirektem Weg nach erfolgter Reflexion vom selben Signalwandler 7a, 7b beim Empfanger 8 eintreffen Zudem ist mit einer starken Richtcharakteristik der Schallwandler 7a, 7b im Kopfhörer zu rechnen, die dazu fuhren kann, dass das stärkste Signal, das am Empfanger 8 eintrifft, das reflektierte Signal ist Das Filter 11 ist deshalb so ausgebildet und angeordnet, dass es von mehreren möglichen Signalen dasjenige aussondert und weiterberarbeitet, das zuerst eintrifft und nicht jenes das die grosste Signalamplitude aufweist
Der Informationsgenerator 12 kann das original Ultraschallsignal vom Ultraschallgenerator 2 über eine Verbindung 18 ebenfalls empfangen und zwar zusammen mit dem rekonstruierten Ultraschallsignal, das vom Filter 11 über die Verbindung 17 eintrifft Er vergleicht die beiden Ultraschallsignale mittels einer digitalen Kreuzkorrelation Zwei Verzogerungen, je eine für das rechte und eine für das linke Ultraschallsignal entstehen dabei für jeden Empfanger oder Mikrophon 8 abhangig von der Distanz der Schallwandler 7a und 7b zum dritten Schallwandler oder Empfanger 8 Wenn ein Empfanger oder Mikrophon 8 verwendet wird, kann die Rotation oder die Orientierung des Kopfes 6 durch die Distanzunterschiede zum Empfanger 8 ermittelt werden Dies wird mittels Fig 3 erklart Der Unterschied der beiden erwähnten Verzogerungen liefert die Information über die Unterschiede von Distanzen 37 und 38 des rechten Schallwandlers 7a zum Mikrophon 8 und des linken Schallwandlers 7b zum Mikrophon 8 Die Rotation oder Winkellage des Kopfes 6, ausgedruckt im Winkel α, 39, kann mittels Triangulation in an sich bekannter und deshalb hier nicht naher erläuterter Art und Weise berechnet werden, wenn man die Breite des Kopfes oder die durchschnittliche Breite eines menschlichen Kopfes kennt, was ebenfalls als bekannt vorausgesetzt wird Eine genaue Kalibrierung der individuellen Kopfbreite ist einfach möglich mittels persönlicher Messungen Der Durchschnitt der beiden Distanzen 37 und 38 gibt die Information über die absolute Distanz vom Mittelpunkt des Kopfes 6 zum Empfanger 8
Im Fall von zwei Empfangern 8a und 8b, dargestellt in Fig 4, kann die Rotation und eine zweidimensionale, exakte Positionsangabe des Kopfes 6 bezuglich der Empfanger 8a und 8b berechnet werden Wie oben kann die Positionsangabe mittels Triangulation ermittelt werden mit dem zusätzlichen Wissen der Distanzen 41 und 42 zum zweiten Empfanger 8b und der Distanz 40 zwischen den zwei Empfangern In diesem wie auch im obengenannten Falle liegen die beteiligten Schallwandler in einer planaren Ebene, welche hier mit der Zeichnungsebene oder einer parallelen Ebene dazu übereinstimmt 9
Im Fall von drei und mehr Empfangern kann die Rotation und die exakte Position auch im dreidimensionalen Raum berechnet werden Wiederum wird Triangulation angewendet mit dem zusätzlichen Wissen aller Distanzen zu allen Empfangern sowie allen Distanzen zwischen allen Empfangern
Nach der eben beschriebenen Berechnung der gegenseitigen Lage der Schallwandler im Informationsgenerator 12 ist die Information über Rotation und Position des Kopfes 6 in digitaler Form als Signal 14 (Fig 1) an einem Ausgang verfugbar Es kann verwendet werden in einer Applikation, welche auf dem digitalen System lauft In den meisten Fallen wird der audio-visuelle Inhalt, der dem Anwender mittels Lautsprechern, Kopfhörern, etc angeboten wird, abhangig von der Rotation und Position des Anwenders verändert
Eine zweite Anwendung der Erfindung ist in Fig 5 gezeigt Gemass Fig 5 kann das gleiche digitale System 13, welches Tonsignale verarbeiten kann, wie zuvor in Fig 1 beschrieben, verwendet werden, um einen Hörer in einem Raum mit zwei oder mehr Lautsprechern 51 a und 51b verfolgen zu können In diesem Fall ersetzen die beiden Lautsprecher 51a und 51b die Schallwandler 7a und 7b des Kopfhörers, der aus Fig 1 bekannt ist Wie bereits im letzten Abschnitt beschrieben werden mindestens zwei Ultraschallsignale vom Ultraschallgenerator 2 erzeugt und zum nicht modifizierten Audiosignal der Quelle 1 in den Addierern 3a und 3b dazuaddiert Der digital-zu-analog Wandler (DAC) 4 konvertiert die digitalen Signale in analoge Signale Eine Verbindung 5, entweder Kabel basiert oder drahtlos, wird verwendet, um die analogen Signale zu den zwei oder mehr Lautsprechern 51a und 51 b zu geben Die gleichen Empfanger 8 wie im letzten Abschnitt können verwendet werden, um die Tonsignale und Ultraschallsignale zu detektieren Eine Verbindung 9, wiederum Kabel basiert oder drahtlos bringt die empfangenen Signale zum analog-zu-digital Wandler (ADC) 10 Der Filter 1 1 filtert das Tonsignal heraus und extrahiert die Ultraschallsignale In diesem Fall ist die Position der Lautsprecher bekannt und ist im Informationsgenerator 12 gespeichert, nachdem diese Position gemessen wurde und mittels einer Tastatur eingegeben wurde Der Informationsgenerator 12 berechnet aus den besagten Ultraschallsignalen die Position des Empfangers 8, welche in diesem Fall unbekannt ist Dies wird wiederum erreicht über Triangulation mit den gegebenen Positionen der Lautsprecher 51a und 51 b sowie der gegebenen Distanz zwischen den Lautsprechern 51a und 51 b
Wahrend der Tonwiedergabe kann der Hörer den Empfanger 8 tragen oder festhalten in irgend einer geeigneten Art und kann sich im Raum innerhalb der Lautsprechern frei bewegen Der Hörer kann die Ultraschallsignale nicht hören welche von den Lautsprechern abgestrahlt werden Trotzdem kann der Empfanger diese detektieren Folglich kann der Informationsgenerator den Hörer laufend verfolgen und die aktuelle Position ermitteln Umgekehrt kann natürlich auch die Position der Lautsprecher aus der bekannten Position der Hörer berechnet werden Wie in Fig 6 gezeigt, kann der Hörer auch zwei Empfanger 8a und 8b tragen In diesem Fall kann nicht nur die Position des Hörers im Raum sondern auch die Rotation oder Orientierung im Raum bezüglich der Position der Lautsprecher berechnet werden Zu diesem Zweck haben die Empfanger 8a und 8b einen fixen Abstand 65 und sind auf demselben tragbaren Element angebracht Die folgenden Distanzen werden aus den entsprechenden Verzogerungszeiten berechnet Die Distanz 61 vom ersten Lautsprecher 51a zum ersten Empfanger 8a, die Distanz 62 vom ersten Lautsprecher 51a zum zweiten Empfanger 8b, die Distanz 63 vom zweiten Lautsprecher 51b zum ersten Empfanger 8a sowie die Distanz 64 vom zweiten Lautsprecher 51b zum zweiten Empfanger 8b Mittels Triangulation kann die Position beider Empfanger 8a und 8b berechnet werden In einer weiteren Anwendung kann das nicht-modifzierte Tonsignal der Quelle 1 und das Ultraschallsignal vom Ultraschallgenerator 2 auch als analoges Signal nach dem Wandler 4 addiert werden In diesem Fall ist ein weiterer Wandler notig, um die Ultraschallsignale zu analogen Signalen zu wandeln

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Erzeugen von Daten über die gegenseitige Lage von mindestens drei Schallwandlern (7a, 7b, 8), dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes elektrisches Signal für einen ersten Schallwandler (7a) erzeugt wird, der dieses in ein erstes Tonsignal wandelt. ein zweites elektrisches Signal für einen zweiten Schallwandler (7b) erzeugt wird, der dieses in ein zweites Tonsignal wandelt, ein erstes Ultraschallsignal dem ersten elektrischen Signal zugefügt wird und ein zweites Ultraschallsignal dem zweiten elektrischen Signal zugefügt wird bevor die Signale im Schallwandler eintreffen, die ersten und zweiten Signale mit den zugefügten Ultraschallsignalen vom ersten und zweiten Schallwandler abgegeben werden, ein dritter Schallwandler (8) die ersten und zweiten Signale mit ihren Ultraschallsignalen erfasst und in ein elektrisches Signal zurückwandelt, die Ultraschallsignale jeweils ausgefiltert und getrennt werden, aus dem ersten und zweiten herausgefilterten Ultraschallsignal je ein erstes und ein zweites Verzögerungssignal gebildet wird und ein Positionssignal aus den Verzögerungssignalen abgeleitet wird, das die Lage mindestens des einen Schallwandlers gegenüber den anderen Schallwandlern angibt.
2. Verfahren gemass Anspruch 1 , für zwei Schallwandler (7a, 7b), die in einer fixen Distanz zueinander stehen, gekennzeichnet dadurch, dass ein Positionsignal errechnet wird, das die Position von mindestens einem Schallwandler (8) zu den zwei anderen Schallwandlern angibt und auch die Orientierung der beiden anderen Schallwandler mit fixer Distanz bezüglich des dritten Schallwandlers beinhaltet.
3. Verfahren gemass Anspruch 2, für vier Schallwandler, wobei zwei Schallwandler für die Tonwiedergabe in einer fixen ersten Distanz zueinander stehen und zwei Schallwandler für die Tonaufnahme in einer fixen zweiten Distanz zueinander stehen, gekennzeichnet dadurch, dass ein Positionssignal errechnet wird, das die Position und Orientierung von zwei in einer fixen Distanz zueinander stehenden Schallwandlern in einer planaren Ebene bezüglich den anderen Schallwandlern angibt. 12
4. Verfahren gemass Anspruch 3, für fünf und mehr Schallwandler, wobei eine erste Gruppe von mindestens drei Schallwandlern für die Tonwiedergabe oder Tonaufnahme in einer fixen ersten Distanz zueinander stehen und eine zweite Gruppe von mindestens zwei weiteren Schallwandlern für die Tonwiedergabe oder Tonaufnahme in einer fixen zweiten Distanz zueinander stehen, gekennzeichnet dadurch, dass ein Signal errechnet wird, das die Position der einen Gruppe von Schallwandlern im dreidimensionalen Raum bezüglich der anderen Gruppe von Schallwandlern angibt.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch, einen ersten Schallwandler (7a), einen zweiten Schallwandler (7b), einen dritten Schallwandler (8), ein daran angeschlossenes digital arbeitendes System (13) mit einem Ausgangspfad (19) zur Ausgabe von Tonsignalen an den ersten und den zweiten Schallwandler und einem Eingangspfad (20) zur Aufnahme von Tonsignalen vom dritten Schallwandler, eine Tonsignalquelle (1), die mit dem Ausgangspfad verbunden ist, einen Ultraschallgenerator (2), der mit dem Ausgangspfad verbunden ist, und durch einen Informationsgenerator (12) für eine Positionsangabe, der mit dem Eingangspfad verbunden ist.
6. Vorrichtung gemass Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Filter (11) im Eingangspfad (20), das an den Informationsgenerator (12) angeschlossen ist.
7. Vorrichtung gemass Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass der erste und der zweite Schallwandler (7a, 7b) je Teil eines Kopfhörers (7) sind und dass der dritte Schallwandler ein ortsfestes Mikrophon (8) ist.
8. Vorrichtung gemass Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass der erste und der zweite Schallwandler je ein Lautsprecher (51 a, 51b) und der dritte Schallwandler ein tragbares Mikrophon (8) ist.
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