WO2000008896A1 - Dispositif de simulation sonore, et procede pour realiser un tel dispositif - Google Patents
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- WO2000008896A1 WO2000008896A1 PCT/FR1999/001907 FR9901907W WO0008896A1 WO 2000008896 A1 WO2000008896 A1 WO 2000008896A1 FR 9901907 W FR9901907 W FR 9901907W WO 0008896 A1 WO0008896 A1 WO 0008896A1
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- H04S1/002—Non-adaptive circuits, e.g. manually adjustable or static, for enhancing the sound image or the spatial distribution
Definitions
- the present invention relates to a sound simulation device and to a method for producing such a device.
- the need to simulate spatial sound environments has become more and more felt in many fields, such as architecture. , the environment, education, teleconferences, games, etc.
- the auditory location of a sound source is based on the differences between the signals received at the inputs of the listener's left and right ear canals. These temporal, intensity and spectral differences are interpreted by the listener's brain, which deduces , in correlation with visual information and by a learning phenomenon, the position of the source in space
- the problem therefore consists, from a signal supplied by a sound source, designated hereinafter either by source signal or input acoustic signal, without having spatial information, to construct two signals containing the interaural differences which correspond to the positioning of the source at a precise point in space
- HRTF HRTF or functions of transfer of the external ear
- H MOLLER entitled “Fundamentals of Binaural Technology", Applied Acoustics 36, pages 171-218, 1992 , as well as the article by J MARTIN, DV MAERCKE, JP VIAN entitled “Binaural simulation of concert halls a new approach for binaural r e verbération process "JASA 96- (6), pages 3255-3264, 1993
- a capsule microphone can be molded into a prosthesis adapted to the conduits of the listener so that the membrane of each microphone is flush with the entry of each conduit.
- Measurements are made by moving the source along a sphere whose center corresponds to the middle of the segment joining the inputs of the two auditory canals Typically, a measurement is made every 5 to 10 degrees in azimuth ⁇ and in elevation ⁇
- the acoustic signal is filtered by the HRTF which are either the closest to the direction ( ⁇ , ⁇ ), or obtained by an interpolation technique or " cross-fading "on the directions closest to the direction ( ⁇ , ⁇ )
- the HRTF which are either the closest to the direction ( ⁇ , ⁇ )
- JM JOT, V LARCHER and O WARUSFEL entitled
- the source signal is filtered by a filter which evolves over time and which best corresponds to the directions successively adopted by the source during its displacement
- the object of the present invention is to remedy the aforementioned drawbacks by significantly reducing the memory required and the computation complexity and by ensuring very simply continuity in the auditory perception of a moving source.
- the present invention provides a sound simulation device, comprising - a number N of filter units, arranged in parallel, to which is addressed an input acoustic signal, - means for determining N first weighting coefficients, N second weighting coefficients and an interaural delay on the basis of at least one spatial parameter indicating a simulated direction of perception of sound by a listener, and
- combination means for delivering, on the one hand, a first output signal corresponding to a linear combination of the signals delivered by the N filtering units respectively weighted by the N first weighting coefficients, and on the other hand, a second signal output corresponding to a linear combination of the signals delivered by the N filtering units respectively weighted by the N second weighting coefficients, at least one of said linear combinations being delayed by a time equal to the interaural delay, the first and second output signals being addressed to a restitution system on left and right channels
- the device will be three-dimensional, with a determination of the weighting coefficients and of the interaural delay over the basis of two spatial parameters conveniently expressed in spherical coordinates by an azimuth angle and a site angle
- the device can also include means for simulating the effect due to the distance between the virtual location of the source and the listener, arranged upstream of the filtering units.
- the device can also include means for simulating the Doppler effect, arranged upstream of the filtering units, to introduce a delay propagation over time between the listener and the virtual location of the sound source
- the filter units advantageously include filters of the ARMA ("Auto-Regressive Moving Average") type.
- the filter units have impulse responses which can be obtained by an independent component analysis technique from impulse responses measured in a preliminary phase of spatial sampling.
- the number N of filter units is advantageously between 3 and 9 , and preferably equal to 3
- the restitution system on left and right channels comprises binaural reproduction means of the headphone type.
- this restitution system can comprise reproduction means by transauralization.
- the present invention also proposes a method for producing a sound simulation device, according to which a set of impulse responses is measured between a sound source, producing an acoustic input signal, and the ears of a listener, for several listeners and for a set of sound perception directions,
- a dependence is determined between a simulated direction of perception and an interaural delay on the basis of calculations carried out during the transformation of the impulse responses
- a set of basic vectors is determined from the set of minimum phase impulse responses, using a calculation technique based on moments of order greater than 2, such as for example an independent component analysis technique ,
- the device is provided with N filtering units, the respective impulse responses of which correspond to N of the basic vectors,
- a dependence is determined between the simulated direction of perception and a set of N first weighting coefficients and a set of N second weighting coefficients
- the device is provided with means for associating the sets of N weighting coefficients and the interaural delay with the directions of perception of sound,
- the device is provided with means of combination between the outputs of the N filtering units and a restitution system on the left and right channels, so that these means provide the restitution system, on the one hand, with a first output signal corresponding to a combination linear of the signals delivered by the N filter units respectively weighted by the N first weighting coefficients, and on the other hand, a second output signal corresponding to a linear combination of the signals delivered by the N filter units respectively weighted by the N seconds weighting coefficients, at least one of said linear combinations being delayed by a time equal to the interaural delay
- FIGS. 1 and 2 are diagrams of devices according to the present invention.
- FIG. 3 is a flowchart illustrating the successive steps of a method according to the present invention
- the position of this source in space can be defined in spherical coordinates, by its distance, denoted d, to a listener, a azimuth angle, noted ⁇ , and elevation angle, noted ⁇
- d distance
- ⁇ azimuth angle
- ⁇ elevation angle
- the device 10 also includes 2 x N multipliers 14- ,,, 14 N and 16 T. , 16 N , arranged at the output of the filters 12 ⁇ ,, 12 N , the set of multip ers 14 1? , 14 N being relative to the right ear of the listener and the set of multiphers 16- ⁇ ,, 16N being relative to the left ear of the listener
- the output of each filter is connected to the input of a multi-relative to the right ear and to the input of a multi-hour relative to the left ear
- the weighting coefficients introduced by the multi-hours 14 ⁇ ,, 14N and 16 ⁇ ,, 16 N are determined by a module 13, which receives as input the azimuth angle ⁇ and the site angle ⁇ representative of the direction of perception of the sound
- the outputs of the multiphers 14 1 t , 14 N are connected to the input of a summator 18 and the outputs of the multiphers 16 ⁇ ,, 16 N are connected to the input of a summator 20
- the assembly consisting of two sets of multiphers 14- ⁇ ,, 14 N , 16 ⁇ ,, 16N and summers 18, 20 therefore produces two linear combinations of the signals filtered by the filters 12 ⁇ ,, 12N, including a linear combination relating to the right ear and a linear combination relative to the left ear
- each HRIR is transformed into an equivalent impulse response with minimum phase HRIR M (step 1002 in FIG. 3)
- the phases of the transfer functions associated with the HRIRs present, relative to those of the associated transfer functions at HRIRMs, a part varying linearly as a function of frequency The slope of this linear part will be used, in step 1003, to determine the interaural delay described below
- PCA principal component analysis
- Obtaining independent basic vectors is carried out in step 1006 by means of the technique known as independent component analysis (ACI), which is based on the use of moments of order greater than 2
- R ê cumulative tensor
- ⁇ jk i Cum (ê, ê j ê ⁇ )
- the algorithm maximizes the sum of the squares of the terms diagonals, which amounts to minimizing the cross terms, i.e. the cross cumulants
- the unitary rotation matrix U is thus obtained.
- the components of these N basic vectors ⁇ ,, ⁇ N form the impulse responses of N filters 12L, 1 2 N
- the ACI-based calculations provide for each measurement direction ( ⁇ , ⁇ ) two sets of 3 coefficients ⁇ D '( ⁇ , ⁇ ), 1 ⁇ ⁇ 3 for l 'right ear and ⁇ G ' ( ⁇ , ⁇ ), 1 ⁇ ⁇ 3 for the left ear
- These sets of coefficients can be stored in a memory table of module 13, addressed by the two input parameters ⁇ , ⁇
- module 13 could calculate the coefficients ctG '( ⁇ , ⁇ ), ⁇ o' ( ⁇ , ⁇ ) at l using pre-established formulas to approximate the dependence in en and ⁇ of the coefficients deduced from the ACI calculations
- the simulation device 10 also comprises a module 22 for applying an interaural delay ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) between the signals respectively delivered by the summers 18, 20 Indeed, the acoustic signal S arrives with a time offset at l ear of the listener who is not visible from the source We therefore apply to the channel corresponding to the ear which is not in visibility an interaural delay ⁇ ( ⁇ , ⁇ ), determined by the module 13 and equal to the difference in slope between the linear parts, mentioned above, of the phases of the transfer functions associated with the HRIRs of a HRIR pair left ear / right ear, these linear parts of phases being extracted during the transformation of each pair of impulse responses measured HRIR left ear / right ear in a pair of impulse responses with minimum phase HRIRM the delay ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) provided by module 13 can be read in a memory table or calculated using an approximate formula obtained from results deduced from the measurements in step 1003.
- the interaural delay determined by the module 13 could of course be applied upstream of the summers 18, 20, and the time corresponding to the interaural delay could be either added to the channel associated with one ear, or subtracted from the channel associated with the other ear
- the transformation of the measured impulse responses HRIR in impulse responses with minimum phase HRIR M and the extraction of the linear part of the phases of HRIR can be carried out simultaneously, by means of a classical algorithm for calculating impulse responses with minimum phase As illustrated in FIG.
- Figure 2 illustrates the addition to the device 10, upstream of the filters 12 ⁇ ,, 12 N , of two modules 24, 26 making it possible to obtain a more realistic spatiahsatio ⁇ effect
- a distance effect simulation module 24 is provided to take account of the fact that the acoustic signal undergoes an attenuation, a function of the frequency, due to the propagation over a distance d between the virtual location of the source and listener This module 24 multiplies the input acoustic signal by a term in
- a module 26 for simulating the Doppler effect is also arranged between the output of the module 24 for simulating the distance effect and the input of a device 10 identical to that of FIG. 1
- the module 26 is of a classic type and introduces a variable propagation delay over time between the listener and the virtual location of the source to take account of the virtual speed V of the source
- the present invention finds numerous applications in all fields involving the sound monitoring of moving sources for stationary or moving listeners, or the simulation of sound scenes of an interactive nature, of the videoconference or cockpit simulator type, for example, or assistance with design and communication in transport infrastructure projects
- the device according to the invention could also be integrated into sound cards to allow listening with restitution of spatial perception in general public applications , for example of the video game or CD-ROM type
Landscapes
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Abstract
Un signal acoustique d'entrée (S) est adressé à N unités de filtrage (121, ..., 12N), disposées en parallèle. On détermine N premiers coefficients pondérateurs (αGi(υ,ζ)), N seconds coefficients pondérateurs (α¿D?i(υ,ζ)) et un retard interaural (τ(υ,ζ)) sur la base d'au moins un paramètre spatial indiquant une direction simulée de perception du son par un auditeur. Des éléments de combinaison (14¿1?, ..., 14N,161, ..., 16N,18,20,22) délivrent des premier et second signaux de sortie (SG,SD) correspondant à des combinaisons linéaires des signaux délivrés par les N unités de filtrage (121, ..., 12N) respectivement pondérés par les N premiers et les N seconds coefficients pondérateurs (αG?i¿(υ,ζ),α¿D?i(υ,ζ)), une de ces combinaisons linéaires étant retardée d'un temps égal au retard interaural (τ(υ,ζ)). Ces signaux de sortie (S¿G?, SD) sont adressés à un système de restitution sur des voies gauche et droite.
Description
DISPOSITIF DE SIMULATION SONORE. ET PROCEDE POUR REALISER UN TEL DISPOSITIF
La présente invention se rapporte à un dispositif de simulation sonore et à un procédé pour réaliser un tel dispositif Ces dernières années, le besoin de simuler des ambiances sonores spatia sées se fait de plus en plus sentir dans de nombreux domaines, tels que l'architecture, l'environnement, l'éducation, les téléconférences, les jeux, etc
La simulation de ces ambiances sonores permet une "immersion auditive" complète dans une situation virtuelle, c'est-à-dire que l'auditeur est plongé dans un champ sonore très proche de la réalité, étant donné qu'il perçoit en trois dimensions les différentes sources de la scène sonore avec leurs informations de position, de niveau, d'étendue et de déplacement
La localisation auditive d'une source sonore repose sur les différences entre les signaux reçus aux entrées des conduits auditifs gauche et droit de l'auditeur Ces différences temporelles, d'intensité et spectrales sont interprétées par le cerveau de l'auditeur, qui en déduit, en corrélation avec des informations visuelles et par un phénomène d'apprentissage, la position de la source dans l'espace
Pour simuler la perception spatiale d'une source sonore, il faut reconstruire le signal binaural qui atteindrait les entrées des conduits auditifs de l'auditeur si cet auditeur était réellement en présence de cette source
Le problème consiste donc, à partir d'un signal fourni par une source sonore, désigné dans la suite indifféremment par signal source ou signal acoustique d'entrée, sans disposer d'informations de nature spatiale, à construire deux signaux contenant les différences interaurales qui correspondent au positionnement de la source en un point précis de l'espace
En outre, l'endroit où se trouve virtuellement la source étant susceptible de se déplacer, il convient de rendre ce positionnement dynamique pour simuler une source en déplacement par rapport à l'auditeur On connaît des techniques de simulation fondées sur la mesure des
HRTF ou fonctions de transfert de l'oreille externe ("Head Related Transfer Function") On se reportera utilement à ce sujet à l'article de H MOLLER intitulé "Fundamentals of Binaural Technology", Applied Acoustics 36, pages 171 -218, 1992, ainsi qu'à l'article de J MARTIN, D V MAERCKE, J P VIAN intitulé "Binaural simulation of concert halls a new approach for binaural
réverbération process", JASA 96-(6), pages 3255-3264, 1993
On obtient les HRTF en mesurant les fonctions de transfert en champ libre entre une source et l'entrée de chacun des conduits auditifs d'un auditeur
Pour cela, à titre d'exemple non limitatif, un microphone capsule peut être moulé dans une prothèse adaptée aux conduits de l'auditeur de telle sorte que la membrane de chaque microphone affleure l'entrée de chaque conduit
Les mesures sont effectuées en déplaçant la source suivant une sphère dont le centre correspond au milieu du segment joignant les entrées des deux conduits auditifs Typiquement, on effectue une mesure tous les 5 à 10 degrés en azimut θ et en site φ
Ensuite, pour simuler une direction de perception quelconque (θ,φ), on filtre le signal acoustique par les HRTF qui sont, soit les plus proches de la direction (θ,φ), soit obtenues par une technique d'interpolation ou de "cross- fading" sur les directions les plus proches de la direction (θ,φ) A propos de ces techniques, on se reportera utilement à l'article de J M JOT, V LARCHER et O WARUSFEL intitulé "Digital signal processing issues in the context of binaural and transaural stereophoπy", 88th AES Convention n° 3980, Pans, 1995
Pour simuler un déplacement de la source, on filtre le signal source par un filtre qui évolue au cours du temps et qui correspond au mieux aux directions successivement adoptées par la source lors de son déplacement
Cette solution connue présente plusieurs inconvénients D'une part, la mémorisation des HRTF pour toutes les directions de mesure est coûteuse en termes de mémoire Par ailleurs, cette technique est coûteuse en temps de calcul En outre, lors du déplacement de l'endroit virtuel de la source, le passage d'un jeu de HRTF à un autre nécessite la mise en œuvre d'algorithmes de type "cross-fading" pour assurer une continuité dans la perception auditive, afin d'éviter des artefacts perceptibles
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités en réduisant de façon significative la mémoire requise et la complexité de calcul et en assurant de façon très simple la continuité dans la perception auditive d'une source en déplacement
Dans ce but, la présente invention propose un dispositif de simulation sonore, comprenant - un nombre N d'unités de filtrage, disposées en parallèle, auxquelles est
adressé un signal acoustique d'entrée , - des moyens de détermination de N premiers coefficients pondérateurs, de N seconds coefficients pondérateurs et d'un retard interaural sur la base d'au moins un paramètre spatial indiquant une direction simulée de perception du son par un auditeur , et
- des moyens de combinaison pour délivrer, d'une part, un premier signal de sortie correspondant à une combinaison linéaire des signaux délivrés par les N unités de filtrage respectivement pondérés par les N premiers coefficients pondérateurs, et d'autre part, un second signal de sortie correspondant à une combinaison linéaire des signaux délivrés par les N unités de filtrage respectivement pondérés par les N seconds coefficients pondérateurs, au moins une desdites combinaisons linéaires étant retardée d'un temps égal au retard interaural, les premier et second signaux de sortie étant adressés à un système de restitution sur des voies gauche et droite
Dans un système à deux dimensions (perception simulée dans une direction du plan horizontal ou du plan sagittal), un seul paramètre spatial suffira à définir la direction simulée De préférence, le dispositif sera tridimensionnel, avec une détermination des coefficients pondérateurs et du retard interaural sur la base de deux paramètres spatiaux commodément exprimés en coordonnées sphénques par un angle d'azimut et un angle de site
Le dispositif peut en outre comprendre des moyens de simulation de l'effet dû à la distance entre l'endroit virtuel de la source et l'auditeur, disposés en amont des unités de filtrage
Ces moyens de simulation de l'effet de distance multiplient par exemple le signal acoustique d'entrée par un terme en 1/d exp(-α(f) d), où exp désigne la fonction exponentielle, α(f) représente l'atténuation due à l'absorption de l'air en fonction de la fréquence f, et d la distance simulée Le dispositif peut en outre comprendre des moyens de simulation de l'effet Doppler, disposés en amont des unités de filtrage, pour introduire un retard de propagation variable au cours du temps entre l'auditeur et l'endroit virtuel de la source sonore
Les unités de filtrage comprennent avantageusement des filtres de type ARMA ("Auto-Regressive Moving Average")
Les unités de filtrage présentent des réponses impulsionnelles qui peuvent être obtenues par une technique d'analyse en composantes indépendantes à partir de réponses impulsionnelles mesurées dans une phase préalable d'échantillonnage spatial Le nombre N d'unités de filtrage est avantageusement compris entre 3 et 9, et de préférence égal à 3
Dans un mode particulier de réalisation, le système de restitution sur des voies gauche et droite comprend des moyens de reproduction binaurale du type casque En variante, ce système de restitution peut comprendre des moyens de reproduction par transauralisation
La présente invention propose également un procédé pour réaliser un dispositif de simulation sonore, suivant lequel on mesure un ensemble de réponses impulsionnelles entre une source sonore, produisant un signal acoustique d'entrée, et les oreilles d'un auditeur, pour plusieurs auditeurs et pour un ensemble de directions de perception du son ,
- on transforme chaque réponse impulsionnelle mesurée en une réponse impulsionnelle à phase minimale ,
- on détermine une dépendance entre une direction simulée de perception et un retard interaural sur la base de calculs effectués lors de la transformation des réponses impulsionnelles ,
- on détermine un jeu de vecteurs de base à partir de l'ensemble des réponses impulsionnelles à phase minimale, en utilisant une technique de calcul fondée sur des moments d'ordre supérieur à 2, comme par exemple une technique d'analyse en composantes indépendantes ,
- on munit le dispositif de N unités de filtrage, dont les réponses impulsionnelles respectives correspondent à N des vecteurs de base ,
- on détermine une dépendance entre la direction simulée de perception et un jeu de N premiers coefficients pondérateurs et un jeu de N seconds coefficients pondérateurs ,
- on munit le dispositif de moyens pour associer les jeux de N coefficients pondérateurs et le retard interaural aux directions de perception du son ,
- on munit le dispositif de moyens de combinaison entre les sorties des N unités de filtrage et un système de restitution sur des voies gauche et droite, de façon que ces moyens fournissent au système de restitution, d'une part, un premier signal de sortie correspondant à une combinaison
linéaire des signaux délivrés par les N unîtes de filtrage respectivement pondères par les N premiers coefficients pondérateurs, et d'autre part, un second signal de sortie correspondant à une combinaison linéaire des signaux délivrés par les N unités de filtrage respectivement pondérés par les N seconds coefficients pondérateurs, au moins une desdites combinaisons linéaires étant retardée d'un temps égal au retard interaural
D'autres aspects et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs La présente invention se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- les figures 1 et 2 sont des schémas de dispositifs selon la présente invention , et
- la figure 3 est un organigramme illustrant les étapes successives d'un procédé conforme à la présente invention
On considère dans toute la suite une source sonore qui produit un signal acoustique S A titre d'exemple non limitatif, la position de cette source dans l'espace peut être définie en coordonnées sphéπques, par sa distance, notée d, à un auditeur, un angle d'azimut, noté θ, et un angle de site, noté φ La présente invention repose sur la mesure et l'utilisation, non pas des
HRTF mentionnées plus haut en relation avec l'art antérieur, mais des réponses impulsionnelles qui sont associées aux HRTF Dans toute la suite, on désigne ces réponses impulsionnelles par HRIR ("Head Related Impulse Response") Comme le montre la figure 1 , le dispositif 10 de la présente invention comprend un nombre prédéterminé N de filtres 121 , 122, , 12N (N = 3 dans le cas illustré par la figure 1 ) Tous les filtres 12 τ , 12N sont disposés en parallèle et reçoivent en entrée un signal acoustique S
Le dispositif 10 comprend également 2 x N multiplieurs 14-,, , 14N et 16T . , 16N, disposés en sortie des filtres 12ι, , 12N, le jeu de multip eurs 141 ? ,14N étant relatif à l'oreille droite de l'auditeur et le jeu de multipheurs 16-ι, , 16N étant relatif à l'oreille gauche de l'auditeur La sortie de chaque filtre est reliée à l'entrée d'un multipiieur relatif à l'oreille droite et à l'entrée d'un multipheur relatif à l'oreille gauche Les coefficients pondérateurs introduits par les multipheurs 14ι , , 14N
et 16ι , ,16N sont déterminés par un module 13, qui reçoit en entrée l'angle d'azimut θ et l'angle de site φ représentatifs de la direction de perception du son
Les sorties des multipheurs 141 t ,14N sont reliées à l'entrée d'un sommateur 18 et les sorties des multipheurs 16ι , , 16N sont reliées à l'entrée d'un sommateur 20
L'ensemble constitué des deux jeux de multipheurs 14-ι, , 14N, 16ι , , 16N et des sommateurs 18, 20 réalise donc deux combinaisons linéaires des signaux filtrés par les filtres 12ι, , 12N, dont une combinaison linéaire relative à l'oreille droite et une combinaison linéaire relative à l'oreille gauche On va maintenant décrire comment on obtient, à partir des HRIR, les coefficients et les vecteurs de base au moyen desquels ces combinaisons linéaires sont réalisées
On commence par mesurer les HRIR en champ libre entre la source et l'entrée de chacun des conduits auditifs de différentes personnes, par exemple une dizaine de sujets (étape 1001 sur la figure 3)
On effectue ces mesures pour un échantillonnage spatial du même type que celui adopté pour les mesures des HRTF décrites en introduction, soit des mesures tous les 5 à 10 degrés en azimut θ et en site φ, sur une sphère dont le centre correspond au milieu du segment joignant les entrées des conduits auditifs gauche et droit de chaque sujet
Pour chaque direction de mesure, on obtient donc une réponse impulsionnelle HRIR entre la source et l'oreille droite, et une réponse impulsionnelle HRIR entre la source et l'oreille gauche Chaque réponse impulsionnelle peut être sur 512 ou 1024 points
On transforme ensuite, de façon connue en soi, chaque HRIR en une réponse impulsionnelle équivalente à phase minimale HRIRM (étape 1002 sur la figure 3) Les phases des fonctions de transfert associées aux HRIR présentent, par rapport à celles des fonctions de transfert associées aux HRIRM, une partie variant linéairement en fonction de la fréquence La pente de cette partie linéaire servira, à l'étape 1003, à déterminer le retard interaural décrit plus loin
On définit une matrice Y = t(Yι , ,Yn), où ) désigne la matrice transposée, et où Yi , ,Yn représentent les réponses impulsionnelles à phase minimale HRIRM pour toutes les personnes et toutes les directions On cherche
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a déterminer un jeu de p vecteurs indépendants, ou vecteurs de base, qui permette d'exprimer au mieux l'ensemble des réponses impulsionnelles à phase minimale HRIRM, par projection sur de tels vecteurs de base Les N premiers de ces p vecteurs de base ei, ,ep détermineront les réponses impulsionnelles ei, ,eN respectives des N filtres 12ι, ,12N
Les HRIRM et les vecteurs de base e , ,ep sont liés par une relation du type Y = M E, où E = l(eι, ,eN), et M désigne une matrice de mélange, qui contient les coefficients pondérateurs α.D1(θ,φ), ,αD'(θ,φ), ,αoN(θ,φ) appliqués par les multipheurs 14-ι, ,14N relatifs à l'oreille droite, et les coefficients pondérateurs αc1(θ,φ), , G'(θ,φ), ,αcN(θ,φ) appliqués par les multipheurs 16-ι , , 16N relatifs à l'oreille gauche
On montre qu'on peut retrouver les vecteurs de base E et la matrice M a partir de Y
La matrice M se décompose en un produit de trois matrices M = B D U, où B est la matrice des vecteurs propres du produit M M+, ( )+ désignant la matrice transposée conjuguée, D est la matrice diagonale des valeurs propres associées, et U est une matπce unitaire de rotations
On applique ensuite une technique classique d'analyse en composantes principales (ACP), afin de déterminer un jeu de vecteurs décorrélés Grâce à cette technique, mise en œuvre à l'étape 1004, les matrices B et D permettent de déterminer à partir des réponses impulsionnelles à phase minimale HRIRM un jeu de vecteurs décorrélés ê, Cependant, l'ACP ne permet pas de calculer la matπce unitaire de rotations U, car U disparaît dans le calcul au second ordre du produit M M+ C'est pourquoi les vecteurs ê, sont décorrélés, mais non indépendants
On choisit ensuite (étape 1005 sur la figure 3) un nombre N correspondant aux N valeurs propres de plus grand module de la matrice D
L'obtention de vecteurs de base indépendants est réalisée à l'étape 1006 au moyen de la technique dite d'analyse en composantes indépendantes (ACI), qui est fondée sur l'utilisation de moments d'ordre supérieur à 2
Pour cela, on définit des cumulants d'ordre 4 de chaque vecteur êj, c'est-à-dire une matrice dite de quadπcovaπance
On note Cum(êlê,êkêι) = E{ê,êjêkêι} - E{ê,è,} E{êkêι} - E{ê,êk} E{è.êι} - E{ê,ê|} E{êjêk}, où E{ } désigne l'espérance mathématique La condition selon laquelle les vecteurs ê, sont indépendants impose
que les cumulants croisés d'ordre 4 soient nuls L'ACI détermine la matrice unitaire de rotations U qui minimise les cumulants croisés L'algorithme utilise peut être par exemple l'algorithme de maximisation de contraste décrit dans l'article de P COMON intitule "Séparation of stochastic processes whose linear mixture is observed", Workshop on Higher-order spectral Analysis, Vail, Colorado, 1989, et dans l'article de P COMON et J -F CARDOSO intitulé "Eigenvalues décomposition of a cumulant tensor with applications", SPIE, San Diego, 1992
L'algorithme de maximisation de contraste utilise une forme contractée du tenseur des cumulants Rê dont le terme général est donné par (Rê)ιjki = Cum(ê,êjê êι) L'algorithme maximise la somme des carrés des termes diagonaux, ce qui revient à minimiser les termes croisés, c'est-à-dire les cumulants croisés
On obtient ainsi la matrice unitaire de rotations U Les vecteurs de base ei , ,ep sont alors obtenus dans la matrice E = U+ '(êi , ,êp), au signe et à une permutation près A l'étape 1007, on obtient les N vecteurs de base correspondant, dans la matπce D, aux N valeurs propres de plus grand module, N étant le nombre choisi à l'étape 1005 Les composantes de ces N vecteurs de base βι , , ΘN forment les réponses impulsionnelles des N filtres 12L , 1 2N
On obtient les coefficients pondérateurs αD'(θ,φ) et αc θ.φ) à l'étape 1008, soit à partir des valeurs contenues dans la matrice B D U, soit en projetant les HRIRM sur les vecteurs de base e^ ,eN Les coefficients peuvent être obtenus en moyennant les résultats des projections des HRIRM obtenues pour les différents individus avec lesquels les mesures ont été effectuées Ils peuvent aussi être déduits simplement des HRIRM obtenues pour l'un des individus, notamment une personne dont on sait qu'elle localise aisément les sources sonores
Des tests psychoacoustiques montrent que le nombre de vecteurs de base permettant de bien reconstituer toutes les HRIRM est faible Les 3 premiers vecteurs de base (correspondant aux trois plus grandes valeurs propres) contiennent plus de 90 % de l'information, et au-delà de 9 vecteurs de base, on n'apporte plus aucune information C'est pourquoi le mode de réalisation à 3 vecteurs de base eι, e2, e3 représenté sur la figure 1 est particulièrement avantageux II suffit en effet de trois filtres pour obtenir un excellent effet de spatia sation
Dans un mode de réalisation simple, les réponses impulsionnelles données par les vecteurs de base retenus sont modélisées par des filtres du type ARMA, qu'on calcule par exemple a l'aide des méthodes classiques de Yule-Walker ou de Prony En variante, on pourrait envisager d'effectuer la décomposition sur des vecteurs de base, non plus dans le domaine temporel des réponses impulsionnelles, mais dans le domaine fréquentiel des fonctions de transfert Cependant, l'expérience montre que dans ce cas, la séparation des vecteurs est moins bonne et il est nécessaire de retenir un plus grand nombre de vecteurs de base, ce qui augmente la complexité de calcul
Dans le mode de réalisation à 3 vecteurs de base, les calculs fondés sur l'ACI fournissent pour chaque direction de mesure (θ,φ) deux jeux de 3 coefficients αD'(θ,φ), 1 < ι < 3 pour l'oreille droite et αG'(θ,φ), 1 < ι < 3 pour l'oreille gauche Ces jeux de coefficients peuvent être stockés dans un tableau de mémoire du module 13, adressé par les deux paramètres d'entrée θ,φ Pour les directions θ,φ comprises entre plusieurs directions de mesure, une simple interpolation permet de retrouver les coefficients à employer En variante, le module 13 pourrait calculer les coefficients ctG'(θ,φ), αo'(θ,φ) à l'aide de formules préétablies de manière à approcher au plus près la dépendance en θ et φ des coefficients déduits des calculs d'ACI
Le dispositif de simulation 10 comprend en outre un module 22 d'application d'un retard interaural τ(θ,φ) entre les signaux respectivement délivrés par les sommateurs 18, 20 En effet, le signal acoustique S parvient avec un décalage temporel à l'oreille de l'auditeur qui n'est pas en visibilité par rapport à la source On applique donc à la voie correspondant à l'oreille qui n'est pas en visibilité un retard interaural τ(θ,φ), déterminé par le module 13 et égal à la différence de pente entre les parties linéaires, mentionnées plus haut, des phases des fonctions de transfert associées aux HRIR d'un couple HRIR oreille gauche / oreille droite, ces parties linéaires de phases étant extraites lors de la transformation de chaque paire de réponses impulsionnelles mesurées HRIR oreille gauche / oreille droite en une paire de réponses impulsionnelles à phase minimale HRIRM le retard τ(θ,φ) fourni par le module 13 peut être lu dans un tableau de mémoire ou calculé à l'aide d'une formule approchée obtenue d'après résultats déduits des mesures à l'étape 1003 En variante, le retard interaural déterminé par le module 13 pourrait
bien entendu être appliqué en amont des sommateurs 18, 20, et le temps correspondant au retard interaural pourrait indifféremment être, soit ajouté sur la voie associée a une oreille, soit retranche sur la voie associée à l'autre oreille La transformation des réponses impulsionnelles mesurées HRIR en réponses impulsionnelles à phase minimale HRIRM et l'extraction de la partie linéaire des phases des HRIR peuvent être effectuées simultanément, au moyen d'un algorithme classique de calcul de réponses impulsionnelles à phase minimale Comme illustré par la figure 1 , on obtient, en sortie du module 22 d'application du retard interaural, un signal de sortie droit SD et un signal de sortie gauche SG Ces signaux, numériques, peuvent être transformés en signaux analogiques au moyen de convertisseurs numériques-analogiques 23, puis amplifiés au moyen d'amplificateurs 25 II reste à restituer ces signaux respectivement à l'entrée des conduits auditifs des oreilles droite et gauche de l'auditeur
Pour cela, deux types de restitution peuvent être utilisés On peut réaliser une reproduction sonore binaurale au moyen d'un casque, suivant une technique bien connue, comme représenté schématiquement sous forme de deux écouteurs 28G et 28D sur la figure 1
En variante, on peut réaliser une reproduction transaurale à l'aide d'enceintes acoustiques, comme représenté schématiquement par le bloc 30 sur la figure 2 Les techniques de transauralisation sont bien connues dans le domaine de la restitution sonore Si la source sonore se déplace, il suffit de modifier les coefficients pondérateurs αc'(θ,φ) et o'(θ,φ) de la combinaison linéaire ainsi que le retard interaural τ(θ,φ) en fonction de la trajectoire de la source Ces modifications résultent par exemple du calcul de fonctions polynomiales, ou issues de décompositions de Founer, ou autres, et de l'application de ces fonctions aux valeurs obtenues pour les directions de mesure En variante, ces modifications peuvent résulter d'une interpolation effectuée sur les valeurs obtenues pour les différentes directions de mesure Les techniques précédentes, indiquées à titre d'exemples non limitatifs, suffisent à assurer la continuité perceptive au cours du déplacement de la source La valeur du retard interaural est modifiée de façon analogue, sa mise
en œuvre pouvant être réalisée en appliquant en outre un algorithme de retard fractionnaire, dont la complexité de calcul est très faible
La figure 2 illustre l'adjonction au dispositif 10, en amont des filtres 12ι , , 12N, de deux modules 24, 26 permettant d'obtenir un effet de spatiahsatioπ plus réaliste
Tout d'abord, un module 24 de simulation d'effet de distance est prévu pour tenir compte du fait que le signal acoustique subit une atténuation, fonction de la fréquence, due à la propagation sur une distance d entre l'endroit virtuel de la source et l'auditeur Ce module 24 multiplie le signal acoustique d'entrée par un terme en
1/d exp(-α(f) d), où exp désigne la fonction exponentielle et α(f) représente l'atténuation due à l'absorption par l'air en fonction de la fréquence f
Un module 26 de simulation d'effet Doppler est en outre disposé entre la sortie du module 24 de simulation de l'effet de distance et l'entrée d'un dispositif 10 identique à celui de la figure 1 Le module 26 est d'un type classique et introduit un retard de propagation variable au cours du temps entre l'auditeur et l'endroit virtuel de la source pour tenir compte de la vitesse virtuelle V de la source
La présente invention trouve de nombreuses applications dans tous les domaines impliquant le SUIVI sonore de sources en déplacement pour des auditeurs immobiles ou en déplacement, ou la simulation de scènes sonores à caractère interactif, du type vidéoconférences ou simulateurs de poste de pilotage, par exemple, ou encore l'aide à la conception et à la communication dans des projets d'infrastructures de transport Le dispositif conforme à l'invention pourrait également être intégré dans des cartes son pour permettre une écoute avec restitution de la perception spatiale dans des applications grand public, par exemple du type jeux vidéo ou CD-ROM
Claims
REVENDICATIONS
1 Dispositif de simulation sonore, comprenant
- un nombre N d'unités de filtrage (12ι ,12N), disposées en parallèle, auxquelles est adresse un signal acoustique d'entrée (S) , - des moyens (13) de détermination de N premiers coefficients pondérateurs (CCG Θ.Ψ)), de N seconds coefficients pondérateurs (αo'(θ,φ)) et d'un retard interaural (τ(θ,φ)) sur la base d'au moins un paramètre spatial indiquant une direction simulée de perception du son par un auditeur , et - des moyens (14ι, , 14N, 16-ι, , 16N, 18, 20, 22) de combinaison pour délivrer, d'une part, un premier signal de sortie (SG) correspondant à une combinaison linéaire des signaux délivres par les N unités de filtrage (12ι, , 12N) respectivement pondères par les N premiers coefficients pondérateurs ( G'(θ,φ)), et d'autre part, un second signal de sortie (SD) correspondant à une combinaison linéaire des signaux délivrés par les N unités de filtrage (12ι , , 12N) respectivement pondérés par les N seconds coefficients pondérateurs (α.D'(θ,φ)), au moins une desdites combinaisons linéaires étant retardée d'un temps égal au retard interaural (τ(θ,φ)), les premier et second signaux de sortie (SG,SD) étant adressés à un système de restitution sur des voies gauche et droite
2 Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel les premiers et seconds coefficients pondérateurs et le retard interaural sont déterminés sur la base de deux paramètres spatiaux indiquant la direction simulée de perception du son
3 Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les deux paramètres spatiaux sont exprimés par un angle d'azimut (θ) et un angle de site (φ)
4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre des moyens (24) de simulation d'effet de distance, disposés en amont des unités de filtrage (121 ( , 12N)
5 Dispositif selon la revendication 4, dans lequel les moyens (24) de simulation d'effet de distance multiplient le signal acoustique d'entrée (S) par
un terme en 1/d exp(-α(f) d), où exp désigne la fonction exponentielle, α(f) représente l'atténuation due à l'absorption de l'air en fonction de la fréquence f et d représente une distance simulée entre un eu d'origine du son et l'auditeur
6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre des moyens (26) de simulation d'effet Doppler, disposes en amont des unités de filtrage (12ι , , 12N), pour introduire un retard variable au cours du temps
7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les unités de filtrage (12ι, , 12N) comprennent des filtres de type ARMA
8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les unités de filtrage (12ι , , 12N) présentent des réponses impulsionnelles obtenues par une technique d'analyse en composantes indépendantes à partir de réponses impulsionnelles mesurées dans une phase préalable d'échantillonnage spatial
9 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel N est compris entre 3 et 9
10 Dispositif selon la revendication 9, dans lequel N = 3
11 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le système de restitution comprend des moyens de reproduction binaurale du type casque
12 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le système de restitution comprend des moyens de reproduction par transaura sation
13 Procédé pour réaliser un dispositif de simulation sonore, suivant lequel
- on mesure un ensemble de réponses impulsionnelles entre une source sonore, produisant un signal acoustique d'entrée (S), et les oreilles d'un auditeur, pour plusieurs auditeurs et pour un ensemble de directions de perception du son ,
- on transforme chaque réponse impulsionnelle mesurée en une réponse impulsionnelle a phase minimale ,
- on détermine une dépendance entre une direction simulée de perception (θ,φ) et un retard interaural (τ(θ,φ)) sur la base de calculs effectués lors de la transformation des réponses impulsionnelles ,
- on détermine un jeu de vecteurs de base (ei , ,ep) à partir de l'ensemble des réponses impulsionnelles à phase minimale, en utilisant une technique de calcul fondée sur des moments d'ordre supérieur à 2 ,
- on munit le dispositif de N unités de filtrage, dont les réponses impulsionnelles respectives correspondent à N des vecteurs de base ,
- on détermine une dépendance entre la direction simulée de perception et un jeu de N premiers coefficients pondérateurs (αG'(θ,φ)) et un jeu de N seconds coefficients pondérateurs (αo'(θ,φ)) ,
- on munit le dispositif de moyens pour associer les jeux de N coefficients pondérateurs (αG'(θ,φ),αD'(θ,φ)) et le retard interaural (τ(θ,φ)) aux directions de perception du son ,
- on munit le dispositif de moyens de combinaison (141 t ,14N, 16-ι, ,16N, 18, 20, 22) entre les sorties des N unités de filtrage et un système de restitution sur des voies gauche et droite, de façon que ces moyens de combinaison fournissent au système de restitution, d'une part, un premier signal de sortie (SG) correspondant à une combinaison linéaire des signaux délivrés par les N unités de filtrage (12ι , , 12N) respectivement pondérés par les N premiers coefficients pondérateurs (αc^θ.φ)), et d'autre part, un second signal de sortie (SD) correspondant à une combinaison linéaire des signaux délivrés par les N unités de filtrage
(12ι , , 12N) respectivement pondérés par les N seconds coefficients pondérateurs ( o'(θ,φ)), au moins une desdites combinaisons linéaires étant retardée d'un temps égal au retard interaural (τ(θ,φ))
14 Procédé selon la revendication 13, dans lequel ladite technique de calcul fondée sur des moments d'ordre supérieur à 2 est une technique d'analyse en composantes indépendantes
15 Procédé selon la revendication 13 ou 14, dans lequel les premiers et seconds coefficients pondérateurs et le retard interaural sont déterminés sur la
base de deux paramètres spatiaux indiquant la direction simulée de perception du son.
16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel les deux paramètres spatiaux sont exprimés par un angle d'azimut (θ) et un angle de site (φ).
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