RU2260210C2

RU2260210C2 - Method for reproduction of audio characteristics of current environment

Info

Publication number: RU2260210C2
Application number: RU2004110324/28A
Authority: RU
Inventors: М.А. Пыльнев (RU); М.А. Пыльнев
Original assignee: Пыльнев Михаил Александрович
Priority date: 2004-04-05
Filing date: 2004-04-05
Publication date: 2005-09-10

Abstract

FIELD: acoustics.

SUBSTANCE: method includes representing virtually at least a portion of sound-reflective and sound-absorbing surfaces of current surrounding environment , by describing these by parametric filters. For each surface a bank of parametric filters is formed, considering their sound reflection and sound absorption, and also acoustic position of surfaces relatively to one another. Parametric filter banks are preserved, and during reproduction of audio characteristics of current space, filter banks are restored, to secure creation of virtual double of current space.

EFFECT: higher quality.

9 cl

Description

Изобретение относится к области обработки аудиоинформации, а именно к способам воспроизведения аудиохарактеристик данного окружающего пространства. Автор считает возможным именовать данную разработку "Duran-1".The invention relates to the field of processing audio information, and in particular to methods for reproducing the audio characteristics of a given environment. The author considers it possible to name this development "Duran-1".

С развитием конкуренции на рынке аудио- и аудиовизуальной продукции, с увеличением разнообразия технологии домашних кинотеатров все больше возрастает интерес и потребность в создании и передаче качественного объемного натурального звучания в зависимости от характеристик окружающего пространства, имитируя при этом ощущение реального аудиоприсутствия в данном пространстве.With the development of competition in the market of audio and audiovisual products, with an increase in the diversity of home theater technology, there is an increasing interest and need to create and transmit high-quality surround sound depending on the characteristics of the surrounding space, while simulating the feeling of real audio presence in this space.

Известно, что звуковые волны способны распространяться в жидкости, газах и твердых телах посредством передачи механических колебаний между частицами среды. При этом звуковые волны обладают свойствами огибания препятствий, затухания во времени и пространстве. Все перечисленные свойства звуковых волн, в том числе скорость распространения, направленность распространения, мощность, звуковое давление в среде и т.п., могут быть описаны при помощи физико-математических уравнений и воссозданы при помощи цифровых устройств. Известно также, что все материалы обладают звукопоглощающими и звукоотражающими свойствами, которые тоже могут быть описаны при помощи физико-математических уравнений и воссозданы при помощи цифровых устройств.It is known that sound waves are able to propagate in liquids, gases and solids through the transmission of mechanical vibrations between particles of the medium. At the same time, sound waves have the properties of enveloping obstacles, attenuation in time and space. All of the listed properties of sound waves, including the propagation velocity, propagation direction, power, sound pressure in a medium, etc., can be described using physical and mathematical equations and recreated using digital devices. It is also known that all materials have sound-absorbing and sound-reflecting properties, which can also be described using physical and mathematical equations and recreated using digital devices.

При наличии в окружающем пространстве поверхностей с разными аудиохарактеристиками, например, окно, деревянный пол, зеркальный потолок, металлический стеллаж, хрустальная ваза, картина, стены помещения с орнаментом и т.п., звуковые волны будут дополнительно промодулированы этими поверхностями. Модуляция звуковых волн будет зависеть и от расположения поверхностей друг относительно друга в пространстве. Каждое пространство обладает акустической индивидуальностью, звуковая мелодия или голос будут звучать по-разному в концертном зале, в жилой комнате, в переулке, на стадионе или на крыше дома. Видеоизображение может передать только визуальные характеристики данного окружающего пространства, но полнота ощущения присутствия в нем может передаться только воссозданием аудиохарактеристик данного окружающего пространства.If there are surfaces with different audio characteristics in the surrounding space, for example, a window, a wooden floor, a mirror ceiling, a metal rack, a crystal vase, a picture, walls of a room with an ornament, etc., sound waves will be additionally modulated by these surfaces. Modulation of sound waves will depend on the location of the surfaces relative to each other in space. Each space has an acoustic personality, the sound melody or voice will sound differently in the concert hall, in the living room, in the alley, in the stadium or on the roof of the house. A video image can convey only the visual characteristics of a given surrounding space, but the fullness of the sense of presence in it can be transmitted only by reconstructing the audio characteristics of a given surrounding space.

Учитывая максимальное число возможных параметров, влияющих на аудиохарактеристики данного окружающего пространства, можно максимально точно имитировать аудиохарактеристики этого пространства и их влияние на распространение звуковых волн.Given the maximum number of possible parameters that affect the audio characteristics of a given environment, it is possible to accurately simulate the audio characteristics of this space and their influence on the propagation of sound waves.

Из уровня техники известны способы симулирования аудиохарактеристик окружающего пространства. Например, в патенте США №5467401, опубликованном 14.11.1995, H 03 G 3/00, предложена компьютерная симуляция с использованием метода анализа звукового пространства. В заявке РСТ №9921164, опубликованной 29.04.1999, G 10 K 15/08, предложены способ и система для передачи виртуальной акустической среды.The prior art methods for simulating the audio characteristics of the surrounding space. For example, US Pat. No. 5,467,401, published Nov. 14, 1995, H 03 G 3/00, provides a computer simulation using a sound space analysis technique. PCT application No. 9921164, published April 29, 1999, G 10 K 15/08, proposes a method and system for transmitting a virtual acoustic environment.

Однако все известные способы обладают недостаточной точностью и низкой реалистичностью воспроизводимых аудиохарактеристик заданного окружающего пространства, поскольку не имеют задачу максимального учета параметров, влияющих на аудиохарактеристики имитируемого реального окружающего пространства.However, all known methods have insufficient accuracy and low realism of reproduced audio characteristics of a given environment, since they do not have the task of maximally taking into account the parameters affecting the audio characteristics of a simulated real environment.

Таким образом, в основу предложенного изобретения положено решение задачи повышения реалистичности воспроизводимых аудиохарактеристик данного окружающего пространства при имитации его звуковой картины с использованием звуковоспроизводящей аппаратуры.Thus, the proposed invention is based on the solution of the problem of increasing the realism of reproducible audio characteristics of a given surrounding space while simulating its sound picture using sound reproducing equipment.

Для этого предложен способ воспроизведения аудиохарактеристик данного окружающего пространства, условно названный "Duran-1", заключающийся в том, что, по крайней мере, часть звукоотражающих и звукопоглощающих поверхностей данного окружающего пространства представляют в виде виртуального двойника данного окружающего пространства, посредством описывания их параметризованными фильтрами. Для каждой поверхности создают банк параметризованных фильтров, учитывая при этом их звукоотражающие и звукопоглощающие характеристики, а также аудиорасположение поверхностей друг относительно друга, т.е. учитывают скорость распространения звуковой волны, промодулированной поверхностями пространства, в зависимости от ее характеристик (частота, мощность, скорость и т.п.). Таким образом, производят акустическое сканирование данного окружающего пространства. Банки параметризованных фильтров сохраняют, например, в памяти компьютера. При воспроизведении аудиохарактеристик данного окружающего пространства восстанавливают банки параметризованных фильтров, обеспечивая создание виртуального двойника данного окружающего пространства. Для этого используют дискретное матричное восстановление информации в единый модуль по заданному при записи алгоритму. Все параметризованные фильтры объединены в единую сканирующую систему, подключенную к блоку обработки информации, который может быть выполнен на базе компьютера. Блок обработки информации может содержать различные акустические фильтры, цифровые схемы задержки, цифровые процессоры, блоки памяти, блоки записи и воспроизведения, приемные и передающие устройства, управляющие устройства, средства ввода/вывода, пользовательский интерфейс и т.п. Для воспроизведения также необходима звуковоспроизводящая аппаратура в виде системы громкоговорителей.For this, a method for reproducing the audio characteristics of a given environment, tentatively called "Duran-1", is proposed, which consists in the fact that at least part of the sound-reflecting and sound-absorbing surfaces of this surrounding space is represented as a virtual double of this surrounding space, by describing them with parameterized filters . For each surface, a bank of parameterized filters is created, taking into account their sound-reflecting and sound-absorbing characteristics, as well as the audio position of the surfaces relative to each other, i.e. take into account the propagation speed of a sound wave modulated by the surfaces of space, depending on its characteristics (frequency, power, speed, etc.). Thus, an acoustic scan of this surrounding space is performed. Banks of parameterized filters are stored, for example, in the computer memory. When reproducing the audio characteristics of a given environment, banks of parameterized filters are restored, providing the creation of a virtual double of this environment. To do this, use a discrete matrix information recovery in a single module according to the algorithm specified during recording. All parameterized filters are combined into a single scanning system connected to an information processing unit, which can be performed on a computer basis. The information processing unit may contain various acoustic filters, digital delay circuits, digital processors, memory units, recording and reproducing units, receiving and transmitting devices, control devices, input / output means, a user interface, etc. For playback, sound-reproducing equipment in the form of a speaker system is also required.

При этом обеспечивают учет временных задержек звукового сигнала в зависимости от расположения поверхностей в данном окружающем пространстве, а кроме того, их подвижность. Безусловно, предпочтительнее описывать неподвижные поверхности. Кроме того, возможно провести несколько предварительных пробных записей банка фильтров, меняя количество описываемых параметризованными фильтрами поверхностей данного окружающего пространства, начиная с максимального их количества и заканчивая наиболее значимыми для аудиоимитации данного пространства. Далее с учетом амплитудофазочастотных характеристик (АФЧХ) при воспроизведении этих нескольких банков фильтров можно определить наиболее оптимальное количество учитываемых поверхностей по отклонению пиков АФЧХ. Т.е. возможно проведение предварительной выборки поверхностей данного окружающего пространства, имеющих наибольшее влияние на его аудиохарактеристики.At the same time, time delays of the sound signal are taken into account depending on the location of surfaces in a given surrounding space, and in addition, their mobility. Of course, it is preferable to describe fixed surfaces. In addition, it is possible to carry out several preliminary test records of the filter bank, changing the number of surfaces of a given surrounding space described by parametrized filters, starting with their maximum number and ending with the most significant for the audio simulation of this space. Further, taking into account the amplitude-phase-frequency characteristics (AFC) during the reproduction of these several filter banks, it is possible to determine the most optimal number of surfaces to be taken into account by the deviation of the AFC peak. Those. it is possible to pre-sample the surfaces of a given surrounding space that have the greatest impact on its audio characteristics.

Для создания более точной виртуальной звуковой картины данного окружающего пространства при записи его аудиохарактеристик при помощи параметризованных фильтров предпочтительно использование сферического источника звука, имеющего равные звуковые характеристики во всех направлениях. При этом для устранения помех может быть использована модуляция низкочастотных колебаний высокочастотными путем их наложения. Источник звука предпочтительно перемещать в зависимости от заданного положения слушателя в данном окружающем пространстве, например, в центре, по периметру, по скрученной спирали, в шахматном порядке, учитывая все габариты данного окружающего пространства по отношению к слушателю, т.е., минимум, высоту, длину и ширину. Предпочтительно, чтобы виртуальная аудиокопия данного окружающего пространства была создана при учете заданного виртуального расположения пользователя в данном окружающем пространстве. Или с учетом оптимального положения пользователя в данном окружающем пространстве в зависимости от типа источника звука и его базирования.To create a more accurate virtual sound picture of a given surrounding space when recording its audio characteristics using parameterized filters, it is preferable to use a spherical sound source having equal sound characteristics in all directions. In this case, to eliminate interference, modulation of low-frequency oscillations by high-frequency ones by applying them can be used. It is preferable to move the sound source depending on the given position of the listener in this surrounding space, for example, in the center, along the perimeter, in a twisted spiral, in a checkerboard pattern, taking into account all the dimensions of this surrounding space in relation to the listener, i.e., at least the height , length and width. It is preferable that a virtual audio copy of a given surrounding space be created taking into account a predetermined virtual location of a user in a given surrounding space. Or, taking into account the optimal position of the user in this surrounding space, depending on the type of sound source and its basing.

Возможно, чтобы все звукоотражающие и звукопоглощающие поверхности данного окружающего пространства были представлены в виде виртуального двойника данного окружающего пространства, либо только активные звукоотражающие и звукопоглощающие поверхности данного окружающего пространства были представлены в виде виртуального двойника данного окружающего пространства.It is possible that all sound-reflecting and sound-absorbing surfaces of a given surrounding space should be represented as a virtual double of a given surrounding space, or only active sound-reflecting and sound-absorbing surfaces of a given surrounding space should be represented as a virtual double of a given surrounding space.

Для создания временного представления аудиохарактеристик данного окружающего пространства осуществляют многократную запись банков параметризованных фильтров, в течение ряда интервалов определенного промежутка времени. Предпочтительно использование цифровой обработки аудиохарактеристик, при записи и воспроизведении. При воспроизведении аудиохарактеристик возможна коррекция их амплитудофазочастотных характеристик для того, чтобы виртуальный двойник имел усовершенствованные звуковые характеристики по сравнению с исходными.To create a temporary representation of the audio characteristics of a given environment, banks of parameterized filters are repeatedly recorded over a series of intervals of a certain period of time. It is preferable to use digital processing of audio characteristics when recording and playing back. When reproducing audio characteristics, it is possible to correct their amplitude-phase-frequency characteristics so that the virtual twin has improved sound characteristics compared to the original ones.

Окружающим пространством может являться музыкальное помещение или любое другое.The surrounding space may be a music room or any other.

Параметризованные фильтры предпочтительно располагать на поверхностях в данном окружающем пространстве по спирали, охватывая при этом весь его периметр и центральную часть.Parameterized filters are preferably arranged on surfaces in a given surrounding space in a spiral, while covering its entire perimeter and central part.

В результате полностью передаются при воспроизведении аудиохарактеристики окружающего пространства, которые могут быть усовершенствованы путем коррекции их амплитудофазочастотных характеристик.As a result, the audio characteristics of the surrounding space are completely transmitted when reproducing, which can be improved by correcting their amplitude-frequency characteristics.

При осуществлении способа могут использоваться известные из уровня техники средства и методы, в том числе различные цифровые программы сжатия информации. Не исключено, что с развитием науки и техники будут созданы новые средства и методы, которые также смогут быть использованы при осуществлении предложенного способа.When implementing the method, methods and methods known from the prior art can be used, including various digital information compression programs. It is possible that with the development of science and technology, new tools and methods will be created that can also be used in the implementation of the proposed method.

Способ может быть реализован в соответствии с вышеописанной его характеристикой при помощи использования хорошо известных параметризованных фильтров, см., например, заявку РСТ №9921164, которые размещают в данном окружающем пространстве, аудиохарактеристики которого подвергают анализу. Параметризованные фильтры соединены между собой либо непосредственно, либо через усилители, либо через амплитудофазочастотные модуляторы сигнала. Характеристики каждого параметризованного фильтра записываются отдельно, при этом дополнительно создают маршрутизатор, учитывающий время прихода сигнала от каждого фильтра. Поверхности пространства при записи их аудиохарактеристик параметризованными фильтрами могут быть дополнительно подвергнуты воздействию направленных звуковых сигналов (как в одном направлении, так и в разных), при этом диапазон частот звуковых сигналов, как правило, дискредитируется на высокочастотный (например, от 3000 до 20000-30000 Гц), среднечастотный (например, от 300-500 до 3000 Гц) и низкочастотный (например, до 300-500 Гц). Т.е. отдельно снимаются аудиохарактеристики поверхности от ВЧ, СЧ и НЧ воздействия. Также снимаются аудиохарактеристики в зависимости от расположения других поверхностей и их взаимного влияния на аудиохарактеристики.The method can be implemented in accordance with its characteristic described above using well-known parameterized filters, see, for example, PCT application No. 9921164, which are placed in this environment, the audio characteristics of which are analyzed. Parameterized filters are interconnected either directly, or through amplifiers, or through amplitude-phase-frequency modulators of the signal. The characteristics of each parameterized filter are recorded separately, while additionally creating a router that takes into account the time of arrival of the signal from each filter. When recording their audio characteristics, space surfaces can be additionally exposed to directional sound signals (both in one direction and in different directions), while the frequency range of sound signals, as a rule, is discredited to the high-frequency (for example, from 3000 to 20000-30000 Hz), mid-frequency (for example, from 300-500 to 3000 Hz) and low-frequency (for example, up to 300-500 Hz). Those. the audio characteristics of the surface from the HF, MF and LF effects are separately taken. The audio characteristics are also taken depending on the location of other surfaces and their mutual influence on the audio characteristics.

Таким образом, создается реальная звуковая карта данного окружающего пространства, которая записывается, например, на жесткий диск компьютера для последующей ее обработки. При этом учитывается расположение параметризованных фильтров в данном окружающем пространстве и соответственно расположение поверхностей посредством снятия характеристик скорости распространения звуковой волны между каждыми поверхностями в отдельности и всеми вместе. Все данные, полученные от параметризованных фильтров, записывают в последовательности, позволяющей при их восстановлении воспроизвести точную виртуальную имитацию аудиохарактеристик данного окружающего пространства.Thus, a real sound card of this surrounding space is created, which is recorded, for example, on the hard disk of a computer for its subsequent processing. This takes into account the location of the parameterized filters in this surrounding space and, accordingly, the location of the surfaces by taking characteristics of the speed of propagation of the sound wave between each surface individually and all together. All data received from the parameterized filters is recorded in a sequence that, when restored, allows reproducing an exact virtual simulation of the audio characteristics of a given environment.

При этом появляется возможность моделировать аудиохарактеристики данного окружающего пространства, например, в студии звукозаписи, при озвучивании фильма, при воспроизведении какого-либо музыкального произведения. Имитируемые аудиохарактеристики окружающего пространства будут точно передавать звуковую картину, как если бы звуковое действие происходило непосредственно в данном окружающем пространстве и пользователь в нем находится.At the same time, it becomes possible to simulate the audio characteristics of this surrounding space, for example, in a recording studio, when dubbing a movie, or playing a piece of music. The simulated audio characteristics of the surrounding space will accurately convey the sound picture, as if the sound action took place directly in this surrounding space and the user is in it.

Claims

1. A method for reproducing the audio characteristics of a given environment, which consists in the fact that at least part of the sound-reflecting and sound-absorbing surfaces of this surrounding space is represented as a virtual double of this surrounding space by copying them off with parameterized filters, a bank of parameterized filters is created for each surface, taking into account their sound-reflecting and sound-absorbing characteristics, as well as the audio position of the surfaces relative to each other abused, banks parameterized filters retain playback audio performance of the surrounding space is reduced banks parameterized filters, allowing the creation of a virtual counterpart of the surrounding space.

2. The method according to claim 1, according to which all sound-reflecting and sound-absorbing surfaces of a given surrounding space are in the form of a virtual double of this surrounding space.

3. The method according to claim 1, according to which only active sound-reflecting and sound-absorbing surfaces of a given surrounding space are represented as a virtual double of this surrounding space.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, according to which multiple banks of parameterized filters are recorded over a number of intervals of a certain period of time to create a temporary representation of the audio characteristics of a given surrounding space.

5. The method according to claim 1, according to which digital processing of audio characteristics is used during recording and playback.

6. The method according to claim 1, whereby when reproducing the audio characteristics, their amplitude-phase-frequency characteristics are corrected.

7. The method according to claim 6, according to which the virtual twin has advanced sound characteristics.

8. The method according to claim 1, according to which this surrounding space is a music room.

9. The method according to claim 1, according to which the parameterized filters are arranged in a given surrounding space in a spiral, including covering its entire perimeter and central part.