ES2285834T3 - Metodo y sistema dpara procesar sonido dirigido en un entorno virtual acustico. - Google Patents
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Abstract
Método para procesar un entorno virtual acústico en un dispositivo electrónico, por el cual el entorno virtual acústico comprende por lo menos una fuente de sonido virtual (300), en el que se definen para la fuente de sonido (300) una cierta dirección de referencia (301) y un conjunto de direcciones (302, 303, 304, 305) que difieren con respecto a dicha cierta dirección de referencia (301), en el que para modelar cómo se dirige el sonido desde la por lo menos una fuente de sonido (300), se incorpora a la fuente de sonido una disposición de filtrado (306, 307, 308, 309) dependiente de la dirección con lo cual a cada dirección que difiere con respecto a la dirección de referencia determinada se le incorpora un filtro (306, 307, 308, 309) de manera que el efecto de la disposición de filtrado sobre el sonido depende de parámetros predeterminados referentes a cada filtro, en el que los parámetros referentes a cada filtro son factores de amplificación con vistas a determinar la amplificación relativa del sonido dirigido en direcciones diferentes desde la fuente de sonido.
Description
Método y sistema para procesar sonido dirigido
en un entorno virtual acústico.
La presente invención se refiere a un método y a
un sistema con los cuales se puede crear para un oyente una
impresión audible artificial correspondiente a un cierto espacio.
Particularmente la invención se refiere al procesado de sonido
dirigido en dicha impresión audible y a la transmisión de la
impresión audible resultante en un sistema en el que la información
presentada al usuario se transmite, procesa y/o comprime de forma
digital.
La expresión entorno virtual acústico significa
una impresión audible con cuya ayuda el oyente de un sonido
reproducido eléctricamente se puede imaginar que se encuentra en un
cierto espacio. Con frecuencia, la intención de los entornos
virtuales acústicos complicados es imitar un espacio real, a lo cual
se le denomina auralización de dicho espacio. Este concepto se
describe, por ejemplo, en el artículo de M. Kleiner, B.-I.
Dalenbäck, P. Svensson: "Auralization - An Overview", 1993, J.
Audio Eng. Soc., vol. 41, nº 11, págs. 861 a 875. La auralización
se puede combinar de una manera natural con la creación de un
entorno virtual visual, con lo cual un usuario provisto de
pantallas y altavoces o auriculares adecuados puede inspeccionar un
espacio real o imaginario deseado, e incluso "desplazarse" en
dicho espacio, con lo cual obtiene una impresión visual y acústica
diferente dependiendo de qué punto de dicho entorno seleccione como
su punto de inspección.
La creación de un entorno virtual acústico se
puede dividir en tres factores que son el modelado de la fuente de
sonido, el modelado del espacio, y el modelado del oyente. La
presente invención se refiere en particular al modelado de una
fuente de sonido y a las primeras reflexiones del sonido.
Para modelar y procesar un entorno virtual
visual y acústico se usa frecuentemente el lenguaje VRML97
(Lenguaje de Modelado de Realidad Virtual 97), y este lenguaje se trata en la publicación ISO/IEC JTC/SC24 IS 14772-1, 1997, Information Technology - Computer Graphics and Image Processing - The Virtual Reality
Modeling Language (VRML91), abril de 1997; y en las páginas correspondientes de la dirección de Internet
http://www.vrml.org/Specifications/VRML97/. Otro conjunto de normas que se está desarrollando mientras se está redactando esta solicitud de patente hace referencia al Java3D, el cual se va a convertir en el entorno de control y procesado del VRML, y el cual se describe, por ejemplo, en la publicación SUN Inc. 1997: JAVA 3D Especificación API 1.0; y en la dirección de Internet http://www.javasoft.com/-products/java-media/3D/forDevelopers/3Dguide/-. Además, la norma MPEG-4 (Grupo de Expertos en Imágenes en Movimiento 4) que se está desarrollando tiene como objetivo que una presentación multimedia transmitida a través de un enlace digital de comunicaciones pueda contener objetos reales y virtuales, los cuales conjuntamente forman un cierto entorno audiovisual. La norma MPEG-4 se describe en la publicación ISO/IEC JTC/SC29 WG11 CD 14496. 1997: Information technology - Coding of audiovisual objects. Noviembre de 1997; y en las páginas correspondientes de la dirección de Internet http://www.cselt.it/-mpeg/public/mpeg-4_cd.htm.
(Lenguaje de Modelado de Realidad Virtual 97), y este lenguaje se trata en la publicación ISO/IEC JTC/SC24 IS 14772-1, 1997, Information Technology - Computer Graphics and Image Processing - The Virtual Reality
Modeling Language (VRML91), abril de 1997; y en las páginas correspondientes de la dirección de Internet
http://www.vrml.org/Specifications/VRML97/. Otro conjunto de normas que se está desarrollando mientras se está redactando esta solicitud de patente hace referencia al Java3D, el cual se va a convertir en el entorno de control y procesado del VRML, y el cual se describe, por ejemplo, en la publicación SUN Inc. 1997: JAVA 3D Especificación API 1.0; y en la dirección de Internet http://www.javasoft.com/-products/java-media/3D/forDevelopers/3Dguide/-. Además, la norma MPEG-4 (Grupo de Expertos en Imágenes en Movimiento 4) que se está desarrollando tiene como objetivo que una presentación multimedia transmitida a través de un enlace digital de comunicaciones pueda contener objetos reales y virtuales, los cuales conjuntamente forman un cierto entorno audiovisual. La norma MPEG-4 se describe en la publicación ISO/IEC JTC/SC29 WG11 CD 14496. 1997: Information technology - Coding of audiovisual objects. Noviembre de 1997; y en las páginas correspondientes de la dirección de Internet http://www.cselt.it/-mpeg/public/mpeg-4_cd.htm.
La figura 1 muestra un modelo de sonido dirigido
conocido el cual se usa en el VRML97 y el MPEG-4. La
fuente de sonido se encuentra situada en el punto 101 y en torno a
la misma se han formado imaginariamente dos elipsoides 102 y 103
una dentro de la otra, con lo cual el foco de una elipsoide es común
con la ubicación de la fuente de sonido y con lo cual los ejes
principales de las elipsoides son paralelos. Los tamaños de las
elipsoides 102 y 104 quedan representados por las distancias
maxBack, maxFront, minBack y minFront medidas en la dirección del
eje principal. La atenuación del sonido en función de la distancia
queda representada por la curva 104. Dentro de la elipsoide
interior 102 la intensidad del sonido es constante, y fuera de la
elipsoide exterior 103 la intensidad del sonido es cero. Cuando se
pasa a lo largo de cualquier línea recta a través del punto 101
alejándose de dicho punto 101 la intensidad del sonido disminuye
linealmente 20 dB entre las elipsoides interior y exterior. En
otras palabras, la atenuación A observada en un punto 105 ubicado
entre las elipsoides se puede calcular a partir de la fórmula
A = - 20\ dB
\cdot
(d'/d'')
en la que d' es la distancia desde
la superficie de la elipsoide interior al punto de observación,
medida a lo largo de la línea recta que une los puntos 101 y 105, y
d'' es la distancia entre las elipsoides interior y exterior,
medida a lo largo de la misma línea
recta.
En el Java3D, el sonido dirigido se modela con
el concepto ConeSound el cual se ilustra en la figura 2. La figura
presenta una sección de una cierta estructura de doble cono a lo
largo de un plano que contiene el eje longitudinal común de los
conos. La fuente de sonido se encuentra ubicada en el vértice común
203 de los conos 201 y 202. En las zonas tanto del cono anterior
201 como del cono posterior 202 el sonido se atenúa uniformemente.
En la zona entre los conos se aplica una interpolación lineal. Para
calcular la atenuación detectada en el punto de observación 204,
debe conocerse la intensidad del sonido sin atenuación, la amplitud
de los conos anterior y posterior, y el ángulo entre el eje
longitudinal del cono anterior y la línea recta que une los puntos
203 y 204.
Uno de los métodos conocidos para modelar la
acústica de un espacio que comprende superficies es el método de
las fuentes imagen, en el cual a la fuente de sonido original se le
asigna un conjunto de fuentes imagen imaginarias que son imágenes
especulares de la fuente de sonido en relación con las superficies
de reflexión a inspeccionar: se sitúa una fuente imagen detrás de
cada superficie de reflexión a inspeccionar, con lo cual la
distancia medida directamente desde esta fuente imagen al punto de
inspección es igual que la distancia desde la fuente de sonido
original pasando por la reflexión al punto de inspección. Además, el
sonido de la fuente imagen llega al punto de inspección desde la
misma dirección que el sonido reflejado real. La impresión audible
se obtiene sumando los sonidos generados por las fuentes imagen.
Los métodos de la técnica anterior son muy
farragosos en relación con el cálculo. Si se considera que el
entorno virtual se transmite al usuario, por ejemplo, en forma de
una emisión de difusión general o a través de una red de datos, en
ese caso el receptor del usuario debería sumar continuamente el
sonido generado incluso por miles de fuentes imagen. Por otra
parte, la base del cálculo cambia siempre que el usuario decide
cambiar la ubicación del punto de inspección. Además, las
soluciones conocidas ignoran completamente el hecho de que además
del ángulo de dirección la directividad del sonido depende
fuertemente de su longitud de onda, en otras palabras, los sonidos
con una altura tonal diferente van dirigidos de forma diferente.
A partir de la publicación PCT WO 99/21164 no
publicada previamente, la cual se incluye en los términos del
artículo 54(3) CPE, se conoce un método y un sistema para
procesar un entorno virtual acústico. En dicho documento, las
superficies del entorno a modelar se representan mediante filtros
que tienen una cierta respuesta frecuencial. Para transmitir el
entorno modelado en un formato de transmisión digital, basta con
presentar de alguna manera las funciones de transferencia de todas
las superficies esenciales pertenecientes al entorno. Este documento
también da a conocer una etapa de filtrado la cual tiene en cuenta
la directividad de la fuente de sonido al considerar cómo el sonido
transmitido por la fuente sonora se dirige desde la fuente sonora
hacia direcciones diferentes en el espacio a
modelar.
modelar.
La publicación de solicitud de patente del Reino
Unido número GB-A-2305092 da a
conocer un método para la simulación de la calidad acústica
producida por una fuente de sonido virtual y para la localización de
esta fuente con respecto a uno o más oyentes, y una o más fuentes
de sonido originales.
Según la invención se proporciona un método para
procesar un entorno virtual acústico en un dispositivo electrónico,
por el cual el entorno virtual acústico comprende por lo menos una
fuente de sonido virtual, en el que se definen para la fuente de
sonido una cierta dirección de referencia y un conjunto de
direcciones que difieren con respecto a dicha cierta dirección de
referencia, en el que para modelar cómo se dirige el sonido desde
la por lo menos una fuente de sonido, se incorpora a la fuente de
sonido una disposición de filtrado dependiente de la dirección con
lo cual a cada dirección que difiere con respecto a la dirección de
referencia determinada se le incorpora un filtro de manera que el
efecto de la disposición de filtrado sobre el sonido depende de
parámetros predeterminados referentes a cada filtro, en el que los
parámetros referentes a cada filtro son factores de amplificación
con vistas a determinar la amplificación relativa del sonido
dirigido en direcciones diferentes desde la fuente de sonido.
De acuerdo con un segundo aspecto de la
invención se proporciona un sistema para procesar el entorno virtual
acústico que comprende por lo menos una fuente de sonido virtual,
en el que se definen para la fuente de sonido una cierta dirección
de referencia y un conjunto de direcciones que difieren con respecto
a dicha cierta dirección de referencia, en el que el sistema
comprende medios para crear una disposición de filtrado dependiente
de la dirección incorporada a la fuente de sonido, que comprende
filtros parametrizados cuyo efecto sobre la fuente de sonido
depende de parámetros predeterminados referentes a cada filtro con
lo cual el filtro se incorpora a cada dirección que difiere con
respecto a la dirección de referencia determinada con vistas a
modelar cómo se dirige el sonido desde la por lo menos una fuente
de sonido perteneciente al entorno virtual acústico, en el que los
parámetros referentes a cada filtro son factores de amplificación
con vistas a determinar la amplificación relativa del sonido
dirigido en direcciones diferentes desde la fuente de sonido.
El objetivo de ciertas formas de realización de
la presente invención es presentar un método y un sistema con los
cuales se puede transmitir un entorno virtual acústico hacia el
usuario con una carga de cálculo razonable. Otro de los objetivos
de la presente invención es presentar un método y un sistema los
cuales pueden tener en cuenta cómo afectan a la dirección del
sonido la altura tonal y la dirección de llegada del sonido.
Los objetivos de ciertas formas de realización
de la invención se alcanzan modelando la fuente de sonido o su
primera reflexión por medio de una función del sistema parametrizada
en la que es posible fijar una dirección deseada del sonido con la
ayuda de diferentes parámetros y tener en cuenta el modo en el que
la dirección depende de la frecuencia y del ángulo de
dirección.
El método según ciertas formas de realización de
la invención está caracterizado porque para modelar cómo se dirige
el sonido, a la fuente de sonido de un entorno virtual acústico se
le incorpora una disposición de filtrado dependiente de la
dirección de manera que el efecto de la disposición de filtrado
sobre el sonido depende de parámetros predeterminados.
Las formas de realización de la invención hacen
referencia asimismo a un sistema que está caracterizado porque
comprende unos medios para generar un banco de filtros que comprende
filtros parametrizados para modelar la dirección desde las fuentes
de sonido pertenecientes al entorno virtual acústico.
Según ciertas formas de realización de la
invención, el modelo de la fuente de sonido o la reflexión calculada
a partir del mismo comprende filtros digitales dependientes de la
dirección. Para el sonido se selecciona una cierta dirección de
referencia, denominada azimut cero. Esta dirección se puede dirigir
en cualquier dirección en el entorno virtual acústico. Además de
ella, se selecciona una serie de otras direcciones, en las cuales
se desea modelar cómo se dirige el sonido. Además, estas direcciones
se pueden seleccionar arbitrariamente. Cada una de las otras
direcciones seleccionadas se modela por medio de un filtro digital
propio que tiene una función de transferencia la cual se puede
seleccionar de manera que sea bien dependiente de la frecuencia o
bien independiente de la frecuencia. En el caso de que el punto de
inspección se sitúe en algún otro lugar que no sea exactamente en
una dirección representada por un filtro, es posible formar
diferentes interpolaciones entre las funciones de transferencia de
los
filtros.
filtros.
Cuando se desea modelar el sonido y cómo se
dirige el mismo en un sistema en el que la información se debe
transmitir en un formato digital, es necesario transmitir únicamente
los datos sobre cada función de transferencia. El dispositivo de
recepción, que conoce el punto de inspección deseado, determina que
el sonido va dirigido desde la ubicación de la fuente de sonido
hacia el punto de inspección con la ayuda de las funciones de
transferencia que ha reconstruido. Si la ubicación del punto de
inspección cambia en relación con el azimut cero, el dispositivo de
recepción comprueba cómo se dirige el sonido hacia el punto de
inspección nuevo. Puede disponerse de varias fuentes de sonido, con
lo cual el dispositivo de recepción calcula cómo se dirige el sonido
desde cada fuente de sonido hacia el punto de inspección y de forma
correspondiente modifica el sonido que reproduce. A continuación,
el oyente obtiene una impresión de un lugar de escucha posicionado
correctamente, por ejemplo, en relación con una orquesta virtual en
la que los instrumentos están ubicados en diferentes lugares y en la
que los mismos están dirigidos de diferentes
maneras.
maneras.
En una alternativa más avanzada, la banda de
frecuencias inspeccionada se divide en subbandas, y para cada
subbanda se presentan sus propios factores de amplificación en las
direcciones seleccionadas. En otra de las versiones avanzadas, cada
dirección inspeccionada se modela por medio de una función de
transferencia general, para la cual se indican ciertos coeficientes
que permiten la reconstrucción de las mismas funciones de
transferencia.
A continuación se describe más detalladamente la
invención haciendo referencia a formas de realización preferidas
presentadas como ejemplos y las figuras adjuntas, en las cuales
la Figura 1 muestra un modelo conocido de sonido
dirigido;
la Figura 2 muestra otro modelo conocido de
sonido dirigido;
la Figura 3 muestra esquemáticamente un modelo
de sonido dirigido según la invención;
la Figura 4 muestra una representación gráfica
de cómo se dirige el sonido, generado por un modelo según la
invención;
la Figura 5 muestra cómo se aplica la invención
a un entorno virtual acústico;
la Figura 6 muestra un sistema según la
invención;
la Figura 7a muestra más detalladamente una
parte de un sistema según la invención; y
la Figura 7b muestra un detalle de la figura
7a.
Anteriormente se ha hecho referencia a las
figuras 1 y 2 en relación con la descripción de la técnica anterior,
de manera que en la siguiente descripción de la invención y sus
formas de realización preferidas se hace referencia principalmente
a las figuras 3 a 7b.
La figura 3 muestra la ubicación de una fuente
de sonido en el punto 300 y la dirección 301 del azimut cero. En la
figura se considera que se desea representar la fuente de sonido
ubicada en el punto 300 con cuatro filtros, de entre los cuales el
primero representa el sonido que se propaga desde la fuente de
sonido en la dirección 302, el segundo representa el sonido que se
propaga desde la fuente de sonido en la dirección 303, el tercero
representa el sonido que se propaga desde la fuente de sonido en la
dirección 304, y el cuarto representa el sonido que se propaga
desde la fuente de sonido en la dirección 305. Se supone además, en
la figura, que el sonido se propaga simétricamente en relación con
la dirección 301 del azimut cero, de manera que de hecho cada una
de las direcciones 302 a 305 representa cualquier dirección
correspondiente sobre una superficie cónica que se obtiene rotando
el radio que representa la dirección inspeccionada con respecto a
la dirección 301 del azimut cero. La invención no se limita a estas
consideraciones, aunque algunas características de la invención se
entienden más fácilmente considerando en primer lugar una forma de
realización simplificada de la invención. En la figura, las
direcciones 302 a 305 se muestran como líneas equidistantes en el
mismo plano, aunque las direcciones también se pueden seleccionar
arbitrariamente.
Cada filtro mostrado en la figura 3 y que
representa el sonido que se propaga en una dirección diferente con
respecto a la dirección del azimut cero se muestra simbólicamente
por medio de un bloque 306, 307, 308 y 309. Cada filtro está
caracterizado por una cierta función de transferencia H_{i}, en la
que i \in {1, 2, 3, 4}. Las funciones de transferencia de los
filtros están normalizadas de manera que un sonido que se propaga
en relación con el azimut cero es el mismo que el sonido como tal
generado por la fuente de sonido. Como típicamente un sonido es una
función del tiempo, el sonido generado por la fuente de sonido se
presenta como X(t). Cada filtro 306 a 309 genera una
respuesta Y_{i}(t), en la que i \in {1, 2, 3, 4}, según
la ecuación
(1)Y_{i}(t) =
H_{i} *
X(t)
en la que * representa la
convolución con respecto al tiempo. La respuesta Y_{i}(t)
es el sonido dirigido en la dirección en
cuestión.
En su forma más sencilla, la función de
transferencia significa que el impulso X(t) se multiplica por
un número real. Debido a que la selección del azimut cero como
aquella dirección en la que se dirige el sonido con mayor
intensidad es una opción natural, en ese caso las funciones de
transferencia más sencillas de los filtros 306 a 309 son números
reales entre cero y uno, incluidos estos límites.
Una simple multiplicación por números reales no
tiene en cuenta la importancia de la altura tonal para la
directividad del sonido. Una función de transferencia más versátil
es aquella en la que el impulso se divide en bandas de frecuencia
predeterminadas, y cada banda de frecuencias se multiplica por su
propio factor de amplificación, el cual es un número real. Las
bandas de frecuencias se pueden definir mediante un número que
representa la frecuencia más alta de la banda de frecuencias.
Alternativamente, a continuación se pueden presentar ciertos
coeficientes de números reales para algunas frecuencias
ilustrativas, con lo cual se aplica una interpolación adecuada
entre estas frecuencias (por ejemplo, si se proporciona una
frecuencia de 400 Hz y un factor 0,6; y una frecuencia de 1.000 Hz
y el factor es 0,2, en ese caso con una interpolación directa se
obtiene el factor 0,4 para la frecuencia 700 Hz).
En general, se puede decir que cada filtro 306 a
309 es un cierto filtro IIR o FIR (Respuesta Impulsional Infinita;
Respuesta Impulsional Finita) que tiene una función de transferencia
H la cual se puede expresar con la ayuda de una transformada Z
H(z). Cuando se calcula la transformada Z
X(z) del impulso X(t) y la transformada Z
Y(z) del impulso Y(t), en ese caso se obtiene
la definición
(2)H(z)
= \frac{Y(z)}{X(x)} =
\frac{\sum\limits^{M}_{k=0}b_{k}z^{-k}}{1 + \sum\limits^{N}_{k=1}
a_{k}z^{-k}}
con lo cual basta con expresar los
coeficientes [b_{0} b_{1} a_{1} b_{2} a_{2}...] usados en
el modelado de la transformada Z para expresar una función de
transferencia arbitraria. Los límites superiores N y M usados en
los sumatorios representan aquella precisión con la cual se desea
definir la función de transferencia. En la práctica, los mismos
quedan determinados por cuánta capacidad hay disponible para
almacenar y/o transmitir en un sistema de transmisión los
coeficientes usados para modelar cada función de transferencia
individual.
La figura 4 muestra cómo se dirige el sonido
generado por una bocina, expresado mediante el azimut cero y según
la invención también con otras funciones de transferencia
dependientes de la frecuencia e interpolaciones entre ellas. La
manera según la cual se dirige el sonido se modela en un sistema de
coordenadas tridimensional en el que el eje vertical representa el
volumen de sonido en decibelios, el primer eje horizontal representa
el ángulo de dirección en grados con respecto al azimut cero, y el
segundo eje horizontal representa la frecuencia del sonido en
kilohertzios. Gracias a las interpolaciones, el sonido se representa
por medio de una superficie 400. En el borde izquierdo superior de
la figura, la superficie 400 está limitada por una línea horizontal
401, la cual expresa que el volumen es independiente con respecto a
la frecuencia en la dirección del azimut cero. En el borde derecho
superior, la superficie 400 está limitada por una línea casi
horizontal 402, la cual indica que el volumen no depende del ángulo
de dirección a frecuencias muy bajas (a frecuencias que se
aproximan a 0 Hz). Las respuestas en frecuencia de los filtros que
representan diferentes ángulos de dirección son curvas que
comienzan a partir de la línea 402 y se extienden hacia abajo en
pendiente hacia la izquierda en la figura. Los ángulos de dirección
son equidistantes y su magnitudes son 22,5º, 45º, 67,5º, 90º,
112,5º, 135º, 157,5º y 180º. Por ejemplo, la curva 403 representa
el volumen en función de la frecuencia en relación con el sonido
que se propaga con el ángulo 157,5º medido con respecto al azimut
cero, y esta curva muestra que en esta dirección las frecuencias
más altas se atenúan más que las frecuencias bajas.
La invención resulta adecuada para la
reproducción en equipos locales en los que el entorno virtual
acústico se crea en la memoria del ordenador y se procesa en la
misma conexión, o se lee de un soporte de almacenamiento, tal como
un disco DVD (Disco Versátil Digital) y se reproduce para el usuario
a través de medios de presentación audiovisual (pantallas,
altavoces). La invención se puede aplicar además en un sistema en el
que el entorno virtual acústico se genera en el equipo de un
proveedor denominado de servicios y se transmite hacia el usuario a
través de un sistema de transmisión. A un dispositivo, el cual
reproduce para un usuario el sonido dirigido procesado según una
manera de acuerdo con la invención, y el cual típicamente permite
que el usuario seleccione en qué punto del entorno virtual acústico
desea escuchar el sonido reproducido, se le denomina en general
dispositivo de recepción. Esta expresión no pretende ser limitativa
en relación con la invención.
\newpage
Cuando el usuario ha proporcionado al
dispositivo de recepción información sobre en qué punto del entorno
virtual acústico desea escuchar el sonido reproducido, el
dispositivo de recepción determina de qué manera se dirige el
sonido desde la fuente de sonido hacia dicho punto. En la figura 4,
esto significa, en una inspección gráfica, que cuando el
dispositivo de recepción ha determinado el ángulo entre el azimut
cero de la fuente de sonido y la dirección del punto de inspección,
a continuación corta la superficie 400 con un plano vertical que es
paralelo al eje de frecuencias y corta el eje del ángulo de
dirección por ese valor, el cual indica el ángulo entre el azimut
cero y el punto de inspección. La sección entre la superficie 400 y
dicho plano vertical es una curva que representa el volumen
relativo del sonido detectado en la dirección del punto de
inspección en función de la frecuencia. El dispositivo de recepción
forma un filtro el cual ejecuta una respuesta en frecuencia según
dicha curva, y dirige el sonido generado por la fuente de sonido a
través del filtro que ha formado, antes de que el mismo se
reproduzca para el usuario. Si el usuario decide cambiar la
ubicación del punto de inspección, el dispositivo de recepción
determina una curva nueva y crea un filtro nuevo según la manera
descrita anteriormente.
La figura 5 muestra un entorno virtual acústico
500 que tiene tres fuentes de sonido virtuales 501, 502 y 503 las
cuales se dirigen de forma diferente. El punto 504 representa el
punto de inspección seleccionado por el usuario. Para explicar la
situación mostrada en la figura 5, se crea, según la invención, para
cada fuente de sonido 501, 502 y 503 un modelo propio que
representa cómo se dirige el sonido, con lo cual el modelo en cada
uno de los casos puede resultar de forma aproximada según las
figuras 3 y 4, aunque teniendo en cuenta que el azimut cero tiene
una dirección diferente para cada fuente de sonido virtual en el
modelo. En este caso, el dispositivo de recepción debe crear tres
filtros in dependientes para tener en cuenta cómo se dirige el
sonido. Para crear el primer filtro, se determinan aquellas
funciones de transferencia que modelan cómo se dirige el sonido
transmitido por la primera fuente de sonido, y con la ayuda de las
mismas y una interpolación se crea una superficie según la figura
4. Además se determina el ángulo entre la dirección del punto de
inspección y el azimut cero 505 de la fuente de sonido 501, y con
la ayuda de este ángulo se puede leer la respuesta en frecuencia en
dicha dirección sobre la superficie antes mencionada. Se repiten las
mismas operaciones por separado para cada fuente de sonido. El
sonido que se reproduce para el usuario es la suma del sonido de la
totalidad de las tres fuentes de sonido, y en esta suma cada sonido
se ha filtrado con un filtro que modela cómo dirige dicho
sonido.
Según la invención, además de las fuentes de
sonido reales, también se pueden modelar reflexiones del sonido, en
particular las primeras reflexiones. En la figura 5, por medio de un
método de las fuentes imagen conocido de por sí se forma una fuente
imagen 506 que representa cómo se refleja desde una pared adyacente
el sonido transmitido por la fuente del sonido 503. Esta fuente
imagen se puede procesar según la invención exactamente de la misma
manera que las fuentes de sonido reales, en otras palabras, se puede
determinar para la misma la dirección del azimut cero y la
directividad del sonido (dependiente de la frecuencia, cuando sea
necesario) en direcciones que difieren con respecto a la dirección
del azimut cero. El dispositivo de recepción reproduce el sonido
"generado" por la fuente imagen según el mismo principio que
usa para el sonido generado por las fuentes de sonido reales.
La figura 6 muestra un sistema que tiene un
dispositivo de transmisión 601 y un dispositivo de recepción 602.
El dispositivo de transmisión 601 genera un cierto entorno virtual
acústico el cual comprende por lo menos una fuente de sonido y las
características acústicas de por lo menos un espacio, y transmite el
entorno en cierto formato hacia el dispositivo de recepción 602. La
transmisión se puede efectuar por ejemplo en forma de una
radiodifusión digital de radio o televisión, o a través de una red
de datos. La transmisión también puede englobar la generación, por
parte del dispositivo de transmisión 601, de una grabación tal como
un disco de DVD (Disco Versátil Digital) basándose en el entorno
virtual acústico que ha generado, y la adquisición, por parte del
usuario del dispositivo de recepción, de esta grabación para su uso.
Una de las aplicaciones típicas distribuidas como grabación podría
ser un concierto en el que la fuente de sonido es una orquesta que
comprende instrumentos virtuales y el espacio es una sala de
conciertos imaginaria modelada eléctricamente o real, con lo cual
el usuario del dispositivo de recepción con su equipo puede escuchar
cómo suena la actuación en diferentes lugares de la sala. Si este
entorno virtual es audiovisual, en ese caso también comprende una
sección visual realizada mediante gráficos por ordenador. La
invención no requiere que el dispositivo de transmisión ni el
dispositivo de recepción sean dispositivos diferentes, sino que el
usuario puede crear un cierto entorno virtual acústico en un
dispositivo y usar el mismo dispositivo para inspeccionar su
creación.
En la forma de realización presentada en la
figura 6, el usuario del dispositivo de transmisión crea un cierto
entorno visual, tal como una sala de conciertos con la ayuda de las
herramientas gráficas por ordenador 603, y una animación de vídeo,
tal como los músicos y los instrumentos de una orquesta virtual con
las herramientas correspondientes 604. Además, a través de un
teclado 605, introduce ciertas directividades para las fuentes de
sonido del entorno que creó, con la mayor preferencia las funciones
de transferencia que representan cómo se dirige el sonido
dependiendo de la frecuencia. El modelado de cómo se dirige el
sonido también se puede basar en mediciones que se hayan realizado
para fuentes de sonido reales; en ese caso, la información de
directividad se lee típicamente de una base de datos 606. Los
sonidos de los instrumentos virtuales se cargan de la base de datos
606. El dispositivo de transmisión procesa la información
introducida por el usuario en flujos continuos de bits en los
bloques 607, 608, 609 y 610, y combina los flujos continuos de bits
en un flujo continuo de datos en el multiplexor 611. El flujo
continuo de datos se suministra en cierto formato al dispositivo de
recepción 602 en el que el demultiplexor 612 separa del flujo
continuo de datos la sección de imagen que representa el entorno
estático en el bloque 613, la sección de imagen dependiente del
tiempo o la animación en el bloque 614, el sonido dependiente del
tiempo en el bloque 615, y los coeficientes que representan la
superficie en el bloque 616. Las secciones de imágenes se combinan
en el bloque controlador de pantallas 617 y se suministran a la
pantalla 618. Las señales que representan el sonido transmitido por
las fuentes de sonido se suministran desde el bloque 615 hacia el
banco de filtros 619 que tiene filtros con funciones de
transferencia las cuales se reconstruyen con la ayuda de los
parámetros a y b obtenidos a partir del bloque 616. El sonido
generado por el banco de filtros se suministra a los auriculares
620.
Las figuras 7a y 7b muestran más detalladamente
una disposición de filtrado del dispositivo de recepción con la
cual es posible realizar el entorno virtual acústico a la manera
según la invención. En las figuras también se tienen en cuenta
otros factores relacionados con el procesado del sonido, y no
solamente el modelado de la directividad del sonido según la
invención. Los medios de retardo 721 generan las diferencias de
tiempo mutuas de los diferentes componentes del sonido (por
ejemplo, las diferencias de tiempo mutuas de sonidos que han sido
reflejados por diferentes trayectorias, o de fuentes de sonido
virtuales ubicadas a diferentes distancias). Al mismo tiempo, los
medios de retardo 721 actúan como un demultiplexor el cual dirige
los sonidos correctos hacia los filtros correctos 722, 723 y 734.
Los filtros 722, 723 y 724 son filtros parametrizados los cuales se
describen más detalladamente en la figura 7b. Las señales
suministradas por los mismos se ramifican, por un lado, hacia los
filtros 701, 702 y 703, y por otro lado a través de sumadores y un
amplificador 704 hacia el sumador 705, los cuales junto con las
ramificaciones de eco 706, 707, 708 y 709 y el sumador 710 y los
amplificadores 711, 712, 713 y 714 forman un acoplamiento conocido
de por sí, con el cual se puede generar un post-eco
para una cierta señal. Los filtros 701, 702 y 703 son filtros
direccionales conocidos de por sí los cuales tienen en cuenta las
diferencias de la percepción auditiva del oyente en las diferentes
direcciones, por ejemplo, según el modelo HRTF (Función de
Transferencia Relativa a la Cabeza). En su forma más ventajosa, los
filtros 701, 702 y 703 contienen también los denominados retardos
ITD (Diferencia de Tiempo Interaural) los cuales modelan la
diferencia de tiempo mutua de los componentes del sonido que llegan
desde direcciones diferentes a los oídos del oyente.
En los filtros 701, 702 y 703, cada componente
de la señal se divide en los canales derecho e izquierdo, o en un
sistema multicanal en general en N canales. Todas las señales
relacionadas con un cierto canal se combinan en el sumador 715 ó
716 y se dirigen hacia el sumador 717 ó 718, en el que a la señal se
le suma el post-eco perteneciente a cada señal. Las
líneas 719 y 720 conducen hacia los altavoces o hacia los
auriculares. En la figura 7a, los puntos entre los filtros 723 y
724 y los filtros 702 y 703 significan que la invención no limita
el número de filtros de los que dispone el banco de filtros del
dispositivo de recepción. Puede haber incluso cientos o miles de
filtros, dependiendo de la complejidad del entorno virtual acústico
modelado.
La figura 7b muestra más detalladamente una
posibilidad para la realización del filtro parametrizado 722
mostrado en la figura 7a. En la figura 7b, el filtro 722 comprende
tres etapas de filtrado sucesivas 730, 731 y 732, de entre las
cuales la primera etapa de filtrado 730 representa la atenuación de
la propagación en un medio (en general el aire), la segunda etapa
731 representa la absorción que se produce en el material
reflectante (se aplica particularmente en el modelado de las
reflexiones), y la tercera etapa 732 tiene en cuenta tanto la
distancia durante la cual se propaga el sonido en el medio desde la
fuente de sonido (posiblemente a través de una superficie de
reflexión) hacia el punto de inspección como las características del
medio, tales como la humedad, la presión y la temperatura del aire.
Para calcular la distancia, la primera etapa 730 obtiene, a partir
del dispositivo de transmisión, información sobre la ubicación de la
fuente de sonido en el sistema de coordenadas del espacio a
modelar, y, a partir del dispositivo de recepción, información sobre
las coordenadas del punto que el usuario ha seleccionado como punto
de inspección. La primera etapa 730 obtiene los datos que describen
las características del medio bien a partir del dispositivo de
transmisión o bien a partir del dispositivo de recepción (el
usuario del dispositivo de recepción puede estar habilitado para
fijar unas características deseadas del medio). Por defecto, la
segunda etapa 731 obtiene, a partir del dispositivo de transmisión,
un coeficiente que describe la absorción de la superficie de
reflexión, aunque también en este caso se le puede conceder al
usuario del dispositivo de recepción una posibilidad de cambiar las
características del espacio modelado. La tercera etapa 732 tiene en
cuenta cómo se dirige el sonido transmitido por la fuente de sonido
desde la fuente de sonido en diferentes direcciones en el espacio
modelado: de este modo, la tercera etapa 732 materializa la
invención presentada en esta solicitud de patente.
Anteriormente se ha descrito en general cómo se
pueden procesar las características del entorno virtual acústico y
cómo se pueden transmitir las mismas desde un dispositivo a otro
dispositivo mediante el uso de parámetros. A continuación se
describe cómo se aplica la invención a una cierta modalidad de
transmisión de datos. El término multimedia significa una
presentación mutuamente sincronizada de objetos audiovisuales para
el usuario. Se cree que las presentaciones multimedia interactivas
llegarán a usarse a gran escala en el futuro, por ejemplo, como
forma de entretenimiento y en teleconferencias. A partir de la
técnica anterior, se conoce una serie de normas que definen
diferentes formas de transmisión de programas multimedia de forma
eléctrica. En la presente solicitud de patente se describen
particularmente las denominadas normas MPEG (Grupo de Expertos en
Imágenes en Movimiento), de entre las cuales la norma
MPEG-4, que está siendo preparada en el momento de
la presentación de esta solicitud de patente, tiene como objetivo
que la presentación multimedia transmitida pueda contener objetos
reales y virtuales, los cuales conjuntamente forman un cierto
entorno audiovisual. La invención no se limita en modo alguno a su
uso únicamente en relación con la norma MPEG-4, sino
que se puede aplicar, por ejemplo, en las ampliaciones de la norma
VRML97, o incluso en normas audiovisuales futuras las cuales son
desconocidas en el momento actual.
Un flujo continuo de datos según la norma
MPEG-4 comprende objetos audiovisuales multiplexados
los cuales pueden contener una sección que es continua en el tiempo
(tal como un sonido sintetizado) y parámetros (tales como la
ubicación de la fuente de sonido en el espacio a modelar). Los
objetos se pueden definir de manera que sean jerárquicos, con lo
cual los denominados objetos primitivos se encuentran en el nivel
más bajo de la jerarquía. Además de los objetos, un programa
multimedia según la norma MPEG-4 incluye la
denominada descripción de la escena que contiene aquella
información referente a las relaciones mutuas de los objetos y a la
disposición de la configuración general del programa, codificándose
y decodificándose por separado con respecto a los objetos reales
dicha información, en su forma más ventajosa. A la descripción de la
escena se le denomina también sección BIFS (Formato BInario para
Descripción de escenas). La transmisión de un entorno virtual
acústico según la invención se realiza de forma ventajosa usando el
lenguaje de audio estructurado definido en la norma
MPEG-4 (SAOL/SASL: Lenguaje de Audio Estructurado
para Orquestas/Lenguaje de Audio Estructurado para Partituras) o en
el lenguaje VRML97.
En los lenguajes mencionados anteriormente, en
la actualidad se define un nodo Sonido el cual modela la fuente de
sonido. Según la invención, es posible definir una extensión de un
nodo Sonido conocido, al cual en la presente solicitud de patente
se le denomina nodo SonidoDireccional. Además del nodo Sonido
conocido, contiene también un campo, al cual en el presente caso se
le denomina campo de directividad y el cual suministra la
información requerida para reconstruir los filtros que representan
la directividad del sonido. Anteriormente se presentaron tres
alternativas diferentes para modelar los filtros, y por lo tanto a
continuación se describe cómo se manifiestan estas alternativas en
el campo de directividad de un nodo SonidoDireccional según la
invención.
Según la primera alternativa, cada filtro que
modela una dirección diferente con respecto a un cierto azimut cero
se corresponde con una simple multiplicación por un factor de
amplificación que es un número real normalizado entre 0 y 1. A
continuación, el contenido del campo de directividad podría ser, por
ejemplo, el siguiente:
((0,79 0,8)
(1,57 0,6) (2,36 0,4) (3,14
0,2))
En esta alternativa, el campo de directividad
contiene tantos pares de números como direcciones diferentes con
respecto al azimut cero en el modelo de la fuente de sonido. El
primer número de un par de números indica el ángulo en radianes
entre la dirección en cuestión y el azimut cero, y el segundo número
indica el factor de amplificación en dicha dirección.
De acuerdo con la segunda alternativa, el sonido
en cada dirección que es diferente con respecto a la dirección del
azimut cero se divide en bandas de frecuencias, de entre las cuales
cada una presenta su propio factor de amplificación. El contenido
del campo de directividad podría ser, por ejemplo, el siguiente:
((0,79 125,0 0,8 1000,0 0,6 4000,0
0,4)
(1,57 125,0 0,7 1000,0 0,5 4000,0
0,3)
(2,36 125,0 0,6 1000,0 0,4 4000,0
0,2)
(3,14 125,0 0,5 1000,0 0,3 4000,0
0,1))
En esta alternativa, el campo de directividad
contiene tantos conjuntos de números, separados entre sí por
paréntesis interiores, como direcciones diferentes con respecto a la
dirección del azimut cero en el modelo de la fuente de sonido. En
cada uno de los conjuntos de números, el primer número indica el
ángulo en radianes entre la dirección en cuestión y el azimut cero.
Después del primer número, hay unos pares de números, de entre los
cuales el primero indica una cierta frecuencia en hertzios y el
segundo es el factor de amplificación. Por ejemplo, el conjunto de
números (0,79 125,0 0,8 1000,0 0,6 4000,0 0,4) se puede interpretar
de manera que en la dirección 0,79 radianes se usa un factor de
amplificación de 0,8 para las frecuencias de 0 a 125 Hz, se usa un
factor de amplificación de 0,6 para las frecuencias de 125 a 1.000
Hz, y se usa un factor de amplificación de 0,4 para las frecuencias
de 1.000 a 4.000 Hz. Alternativamente, es posible usar una notación
en la que el conjunto de números antes mencionado signifique que en
la dirección 0,79 radianes el factor de amplificación es 0,8 a la
frecuencia 125 Hz, el factor de amplificación es 0,6 a la frecuencia
1.000 Hz, y el factor de amplificación es 0,4 a la frecuencia 4.000
Hz, y los factores de amplificación en otras frecuencias se
calculan a partir de los anteriores mediante interpolación y
extrapolación. Por lo que a la invención respecta, no es esencial
la notación que se use, siempre que la notación usada sea conocida
tanto para el dispositivo de transmisión como para el dispositivo
de recepción.
Según la tercera alternativa, se aplica una
función de transferencia en cada dirección que es diferente con
respecto al azimut cero, y para definir la función de transferencia
se proporcionan los coeficientes a y b de su transformada Z. El
contenido del campo de directividad podría ser, por ejemplo, el
siguiente
((45 b_{45,0} b_{45,1}
a_{45,1} b_{45,2} a_{45,2}
...)
- \quad
- (90 b_{90,0} b_{90,1} a_{90,1} b_{90,2} a_{90,2} ...)
- \quad
- (135 b_{135,0} b_{135,1} a_{135,1} b_{135,2} a_{135,2} ...)
- \quad
- (180 b_{180,0} b_{180,1} a_{180,1} b_{180,2} a_{180,2} ...))
En esta alternativa, el campo de directividad
también contiene tantos conjuntos de números, separados entre sí
por paréntesis interiores, como direcciones que son diferentes con
respecto a la dirección del azimut cero en el modelo de la fuente
de sonido. En cada uno de los conjuntos de números, el primer número
indica el ángulo, esta vez en grados, entre la dirección en
cuestión y el azimut cero; en este caso, del mismo que en los casos
anteriores, es posible usar también otras unidades angulares
conocidas cualesquiera. Después del primer número, aparecen los
coeficientes a y b que determinan la transformada Z de la función de
transferencia usada en la dirección en cuestión. Los puntos después
de cada conjunto de números indican que la invención no impone
ninguna limitación sobre cuántos coeficientes a y b definen las
transformadas Z de la función de transferencia. En conjuntos de
números diferentes puede haber un número diferente de coeficientes a
y b. En la tercera alternativa los coeficientes a y b también se
podrían proporcionar en forma de sus propios vectores, de manera que
sería posible un modelado eficaz de filtros FIR o IIR
todo-polos de la misma manera que en la publicación
de Ellis. S. de 1998: "Towards more realistic sound in VMRL".
Proc. VRML '98, Monterey, USA, 16 a 19 de feb., 1998, págs. 95 a
100.
Claims (11)
1. Método para procesar un entorno virtual
acústico en un dispositivo electrónico, por el cual el entorno
virtual acústico comprende por lo menos una fuente de sonido virtual
(300), en el que se definen para la fuente de sonido (300) una
cierta dirección de referencia (301) y un conjunto de direcciones
(302, 303, 304, 305) que difieren con respecto a dicha cierta
dirección de referencia (301), en el que para modelar cómo se dirige
el sonido desde la por lo menos una fuente de sonido (300), se
incorpora a la fuente de sonido una disposición de filtrado (306,
307, 308, 309) dependiente de la dirección con lo cual a cada
dirección que difiere con respecto a la dirección de referencia
determinada se le incorpora un filtro (306, 307, 308, 309) de manera
que el efecto de la disposición de filtrado sobre el sonido depende
de parámetros predeterminados referentes a cada filtro, en el que
los parámetros referentes a cada filtro son factores de
amplificación con vistas a determinar la amplificación relativa del
sonido dirigido en direcciones diferentes desde la fuente de
sonido.
2. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque dichos factores de amplificación
comprenden factores de amplificación independientes para
frecuencias diferentes del sonido en por lo menos una dirección
determinada que difiere con respecto a la dirección de
referencia.
3. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque dichos parámetros referentes a cada
filtro son los coeficientes [b_{0} b_{1} a_{1} b_{2}
a_{2} ...] de la expresión del cociente
H(z) =
\frac{Y(z)}{X(x)} =
\frac{\sum\limits^{M}_{k=0}b_{k}z^{-k}}{1 + \sum\limits^{N}_{k=1}
a_{k}z^{-k}}
de la transformada Z de la función
de transferencia de los
Filtros.
4. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque para modelar cómo se dirige el sonido en
otras direcciones que no sean la dirección de referencia, y en las
direcciones determinadas que difieren con respecto a la dirección
de referencia, el método comprende una interpolación (400) entre
filtros incorporados a las direcciones determinadas que difieren
con respecto a la dirección de referencia.
5. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque el método comprende unas etapas, en las
cuales
- -
- el dispositivo de transmisión genera un cierto entorno virtual acústico (500) que comprende fuentes de sonido (501, 502, 503, 504), con lo cual la manera en la que se dirige el sonido desde estas fuentes de sonido se modela mediante filtros cuyo efecto sobre el sonido depende de parámetros referentes a cada filtro,
- -
- el dispositivo de transmisión transmite hacia el dispositivo de recepción información sobre dichos parámetros referentes a cada filtro, y
- -
- para reconstruir el entorno virtual acústico, el dispositivo de recepción crea un banco de filtros que comprende filtros cuyo efecto sobre la señal acústica depende de parámetros referentes a cada filtro, y crea los parámetros referentes a cada filtro basándose en la información transmitida por el dispositivo de transmisión.
6. Método según la reivindicación 5,
caracterizado porque el dispositivo de transmisión transmite
hacia el dispositivo de recepción información sobre dichos
parámetros referentes a cada filtro como parte de un flujo continuo
de datos según la norma MPEG-4.
7. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicha fuente de sonido es una reflexión
(504).
8. Sistema para procesar el entorno virtual
acústico que comprende por lo menos una fuente de sonido virtual
(300), en el que se definen para la fuente de sonido (300) una
cierta dirección de referencia (301) y un conjunto de direcciones
(302, 303, 304, 305) que difieren con respecto a dicha cierta
dirección de referencia (301), en el que el sistema comprende unos
medios para crear una disposición de filtrado (619) dependiente de
la dirección incorporada a la fuente de sonido (300), que comprende
filtros parametrizados (306, 307, 308, 309), cuyo efecto sobre la
fuente de sonido depende de parámetros predeterminados referentes a
cada filtro (306, 307, 308, 309), con lo cual el filtro (306, 307,
308, 309) se incorpora a cada dirección que difiere con respecto a
la dirección de referencia determinada con vistas a modelar cómo se
dirige el sonido desde la por lo menos una fuente de sonido
perteneciente al entorno virtual acústico, en el que los parámetros
referentes a cada filtro son factores de amplificación con vistas a
determinar la amplificación relativa del sonido dirigido en
direcciones diferentes desde la fuente de
sonido.
sonido.
\newpage
9. Sistema según la reivindicación 8,
caracterizado porque el sistema comprende un dispositivo de
transmisión (601) y un dispositivo de recepción (602) y unos medios
para realizar una comunicación eléctrica entre el dispositivo de
transmisión y el dispositivo de recepción.
10. Sistema según la reivindicación 8,
caracterizado porque el sistema comprende unos medios de
multiplexado (611) en el dispositivo de transmisión para añadir
parámetros que representan los filtros parametrizados a un flujo
continuo de datos según la norma MPEG-4, y unos
medios de demultiplexado (612) en el dispositivo de recepción para
detectar los parámetros que representan los filtros parametrizados a
partir del flujo continuo de datos según la norma
MPEG-4.
11. Sistema según la reivindicación 8,
caracterizado porque comprende unos medios de multiplexado
(611) en el dispositivo de transmisión para añadir parámetros que
representan los filtros parametrizados a un flujo continuo de datos
según la norma VRML97 ampliada, y unos medios de demultiplexado
(612) en el dispositivo de recepción para detectar los parámetros
que representan los filtros parametrizados a partir del flujo
continuo de datos según la norma VRML97 ampliada.
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