WO2004047486A2 - Vorrichtung und verfahren zum bestimmen einer impulsantwort und vorrichtung und verfahren zum vorführen eines audiostücks - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum bestimmen einer impulsantwort und vorrichtung und verfahren zum vorführen eines audiostücks Download PDF

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WO2004047486A2
WO2004047486A2 PCT/EP2003/012449 EP0312449W WO2004047486A2 WO 2004047486 A2 WO2004047486 A2 WO 2004047486A2 EP 0312449 W EP0312449 W EP 0312449W WO 2004047486 A2 WO2004047486 A2 WO 2004047486A2
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impulse response
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audio
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test signal
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Thomas Sporer
Christian Neubauer
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04S—STEREOPHONIC SYSTEMS 
    • H04S7/00—Indicating arrangements; Control arrangements, e.g. balance control
    • H04S7/30—Control circuits for electronic adaptation of the sound field
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R29/00—Monitoring arrangements; Testing arrangements
    • H04R29/007—Monitoring arrangements; Testing arrangements for public address systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04S—STEREOPHONIC SYSTEMS 
    • H04S2420/00—Techniques used stereophonic systems covered by H04S but not provided for in its groups
    • H04S2420/13—Application of wave-field synthesis in stereophonic audio systems

Definitions

  • the present invention relates to the determination of an impulse response and to the demonstration of an audio piece in an environment from which an impulse response has been determined.
  • WFS Wave-Field Synthesis
  • wave field synthesis Due to the enormous demands of this method on computer performance and transmission rates, wave field synthesis has so far been used only rarely in practice. It is only the advances in the areas of microprocessor technology and audio coding that allow this technology to be used in concrete applications. The first products in the professional sector are expected next year. The first wave field synthesis applications for the consumer sector are also expected to be launched in a few years.
  • Every point that is captured by a wave is the starting point of an elementary wave that propagates in a spherical or circular manner.
  • a large number of loudspeakers that are arranged next to each other can be used to simulate any shape of an incoming wavefront.
  • the audio signals of each loudspeaker have to be fed with a time delay and amplitude scaling in such a way that the radiated sound fields of the individual loudspeakers overlap correctly. If there are several sound sources, the contribution to each loudspeaker is calculated separately for each source and the resulting signals are added. If the sources to be reproduced are in a room with reflective walls, then reflections must also be reproduced as additional sources via the loudspeaker array become. The effort involved in the calculation therefore depends heavily on the number of sound sources, the reflection properties of the recording room and the number of speakers.
  • An optimal application of wave field synthesis stands and falls with the fact that the environment in which the demonstration is performed is always optimally captured in order to achieve desired goals, e.g. B. special acoustics, or to introduce no audible interference.
  • One possibility would be to equip a concert hall with dummy spectators, for example, whose reflective properties correspond to those of living spectators. Then a corresponding impulse response could be determined, which at least corresponds better to the real situation than if the impulse response of the empty concert hall, i.e. without any listeners, is used for wave field synthesis.
  • An alternative to determining a real impulse response is to measure the impulse response of the room shortly before the start of the screening, i.e. if the screening room is already filled with the audience who will actually attend the screening, in order to have a realistic description of the environment that can only be used by the audience actual The situation would deviate significantly, for example if, after the break, many spectators no longer attended the screening, etc.
  • the test signal which is to be introduced into the audio signal is spectrally colored before being introduced into the audio signal using a psychoacoustic masking threshold of the audio signal in order to obtain a colored test signal.
  • the colored test signal is then introduced into the audio signal by adding it up spectrally or in the time domain in order to obtain a measurement signal.
  • a reaction signal received in response to the measurement signal is then fed with the test signal to a cross-correlation in order to determine the impulse response of a transmission channel between a loudspeaker on the one hand and a microphone on the other hand in a corresponding environment on the basis of this cross-correlation.
  • Hiding the test signal in the audio signal according to the invention means that the visitor does not even notice that an impulse response is being determined.
  • the described lack of acceptability of such measurements according to the prior art is no longer present in the subject matter according to the invention, which in turn means that all viewers are present when determining the impulse response, so that an accurate impulse response of the surroundings is obtained.
  • the test signal is a pseudo-noise signal that has a white spectrum and can therefore be used particularly well for determining the impulse response.
  • the spectral coloring can be carried out simply and quickly using the psychoacoustic masking threshold of the audio signal.
  • the use of different mutually orthogonal pseudo-noise sequences means that several individual impulse responses can be determined simultaneously in an environment in which there are several loudspeakers and one or more microphones.
  • test signal for determining the impulse response has been spectrally colored using the psychoacoustic masking threshold of the audio signal, so that the test signal is either completely hidden under the masking threshold or by a predetermined amount above the masking threshold, which can vary in time and spectrally, is introduced, so that the visitor may perceive a disturbance in certain cases, but this disturbance is significantly less than in known procedures.
  • 1 shows a block diagram of the inventive concept for determining an impulse response
  • 2 shows a block diagram of the concept according to the invention for demonstrating an audio piece
  • Figure 3 is a schematic representation of an environment with multiple speakers and multiple microphones.
  • a mode control device 24 is also provided in order to control the device 22 for introduction in order to carry out different measurement modes.
  • an output of the device 22 for insertion which is designated by 26 in FIG. 1, there is a measurement signal which is supplied to the loudspeaker 10.
  • the Individual possibilities for introducing a signal into an audio signal are disclosed in European patent EP 0 875 107 B1.
  • the spectrally colored test signal can be introduced into the audio signal either in the time domain by adding samples. In this case, the spectrally colored test signal must just like the audio ⁇ signal present in the time domain to the sample-wise addition perform.
  • a pseudo-noise signal which has a white spectrum is used as the test signal.
  • the use of a pseudo-noise signal is inexpensive, since it can be generated easily and quickly at any location, for example if a unit with a feedback shift register is used, which, depending on a specific start value, which is also known in technology as Seed is called, a repeatable pseudo-noise sequence is generated.
  • the test signal does not have to be transmitted from a unit 34 assigned to a loudspeaker to a unit 36 assigned to a microphone, but can be generated locally at any point.
  • units 34, 36 it is possible to implement units 34, 36 as a single unit.
  • the measurement signal for the speaker 10 and the response signal from the microphone 12 would be through cable connections, such as. B. fiber optic cables, or wireless connections to the central unit, which is formed from the units 34 and 36, are transmitted.
  • a device for demonstrating an audio piece in an environment in which a plurality of loudspeakers and a plurality of microphones are placed is shown below with reference to FIG. 2.
  • a speaker / microphone array 40 is sketched in FIG. 2.
  • the wave field synthesis module calculates audio signals for the loudspeakers in the loudspeaker array 40 on the basis of a supplied audio piece and on the basis of predefined settings for the acoustics of the environment.
  • These signals are output via an output 46 of the wave field synthesis module and either directly to the loudspeaker / microphone array 40 fed, as shown by a dashed path 48, or, if an impulse response determination is to be carried out, fed to the impulse response determination device 42, which receives the audio signals on line 46 on the input side and outputs the measurement signals to speaker array 40 via line 50 ,
  • the microphones away from the loudspeakers is preferred in order to carry out impulse response measurements from which a predefined setting for the wave field synthesis module 44 is calculated, it is preferred to place the microphones between the loudspeakers if, during a demonstration, an adaptation of the wave field synthesis module 44 to be performed.
  • the microphones can be fixed or movable in a circular, linear or cruciform configuration. With regard to the microphone movement, the same can be moved in a circle or using an x / y displacement device in space during the measurement. Such procedures are less practical for an impulse response adaptation during the demonstration, so that fixed microphones are preferably preferred between the loudspeakers.
  • the microphones can be replaced by loudspeakers in order to reduce the number of components. Due to the fact that it has a membrane and a voice coil, each loudspeaker works as a microphone if it is read out accordingly.
  • arbitrarily selected loudspeakers could be used as microphones from time to time in order to carry out an adaptation without having to use extra microphones. If a large number of speakers are used, temporarily switching a few speakers will be unproblematic in terms of audio impression.
  • F g. 3 shows a real situation where many speakers and many microphones are used.
  • An impulse response can be given for the channel from each speaker to each microphone.
  • the channel between loudspeaker 1 (LSI) and microphone 1 (Ml) is referred to as Kll.
  • the channel from the first loudspeaker (LSI) to the third microphone (M3) is referred to as K31 etc. If all three loudspeakers send LSI, LS2, LS3 simultaneously, the response signal received by the microphone Ml can be used to send three different impulse responses to calculate.
  • the basis for this is that the first loudspeaker (LSI) is impressed with a first pseudo-noise sequence PN1 as part of the measurement signal for the first loudspeaker.
  • the second loudspeaker (LS2) receives a second pseudo-noise sequence (PN2).
  • the third loudspeaker (LS3) receives a third pseudo-noise sequence (PN3).
  • the channel Kll between the first loudspeaker LSI and the first microphone Ml is calculated by carrying out a cross-correlation of the response signal received by the first microphone Ml with the pseudo-noise sequence 1.
  • the channel K21 from the second loudspeaker to the first microphone is calculated by correlation with the pseudo-noise sequence 2.
  • the channel K31 from the third loudspeaker LS3 to the first microphone Ml is obtained by correlation with the pseudo-noise sequence 3. If all three loudspeakers and all three microphones are operated simultaneously, all nine impulse responses can be calculated. This measurement mode delivers better temporal behavior, since the resulting multidimensional impulse response of the environment, which is determined from the nine individual impulse responses determined by interpolation, is determined on the basis of measurement signals sent simultaneously.
  • the loudspeaker 1 is first operated and at the same time all three microphones calculate the three channels K1, K12 and K13 by correlating the received signal with the pseudo-noise sequence 1. Then, at a subsequent time, the same is done for the loudspeaker 2 and finally the same is done for the loudspeaker 3.
  • the different impulse responses are thus determined one after the other, with as many impulse responses being ascertained simultaneously as there are microphones.
  • a discrete-time test signal p (t) is applied to the channel.
  • the channel outputs a received signal y (t) which, as is known, corresponds to the convolution of the input signal and with the channel impulse response.
  • a matrix notation is used.
  • a channel impulse response with only two values ho and hi is assumed without restricting generality.
  • the channel impulse response h 0 , hi can be written as a channel impulse response matrix H (t), which has the band structure shown in FIG. 5, the remaining elements of the matrix being filled with zeros.
  • the excitation signal p (t) is written as a vector, it being assumed here that the excitation signal has only three samples p 0 , pi, p 2 without restricting the generality. It can be shown that the convolution shown in FIG. 4 corresponds to the matrix-vector multiplication shown in FIG. 5, so that a vector y results for the output signal.
  • the cross correlation can be written as the expected value E ⁇ ... ⁇ of the multiplication of the output signal y (t) by the conjugate-complex-transposed excitation signal p * ⁇ .
  • the expected value is calculated as the limit value for N against infinity via the summation of individual products for different excitation signals pi shown in FIG. 5.
  • the multiplication and subsequent summation results in the cross-correlation matrix, which is shown at the top left in FIG. 5, the latter being weighted with the effective value of the excitation signal p, which is represented by ⁇ p 2 .
  • the first line of the channel impulse response matrix is taken, for example, whereupon the individual components are divided by ⁇ p 2 in order to immediately obtain the individual components of the channel impulse response h o , hi.
  • the spectral coloring can be represented by digital filtering, the filter being described by a filter coefficient matrix Q.
  • the correlation matrix H also results on the output side, but is now weighted with the expected value over Q x Q H.
  • the cross-correlation concept for calculating the impulse response is an iterative concept, as is the case for the summation approach for the expected value is evident.
  • the first multiplication of the reaction signal by the conjugate-complex-transposed excitation signal already provides a first, very rough estimate for the channel impulse response, which becomes better and better with each further multiplication and summation.
  • the entire matrix H (t) is calculated by the iterative summation approach, it turns out that the elements of the band matrix H (t) set to zero in the top left in FIG. 5 gradually decrease towards zero, while in the middle, that is the band of the matrix, the coefficients of the channel impulse response h (t) remain and assume certain values.
  • B. calculate a row of the matrix H (t) in order to obtain the entire channel impulse response.
  • the concept according to the invention is not limited to the procedure for calculating the cross-correlation described with reference to FIG. 5. All other methods for calculating the cross-correlation between a measurement signal and a reaction signal can also be used. Other methods of determining an impulse response instead of cross correlation can also be used.
  • the length of the pseudo-noise sequences used should be dimensioned depending on the expected impulse response of the channel under consideration. For larger acoustic environments, impulse responses with a length of a few seconds are conceivable. This fact must be taken into account by selecting an appropriate length of the pseudo-noise sequences for correlation.
  • the method according to the invention for determining the impulse response or the method according to the invention for demonstrating an audio piece can be implemented in hardware or in software.
  • the I ple- Menting can be done on a digital storage medium, in particular a floppy disk or CD with electronically readable control signals, which can interact with a programmable computer system so that the corresponding method is carried out.
  • the invention thus also consists in a computer program product with program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention when the computer program product runs on a computer.
  • the invention can thus be implemented as a computer program with a program code for performing the method if the computer program runs on a computer.

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Abstract

Die Vorrichtung zum Bestimmen einer Impulsantwort in einer Umgebung, in der ein Lautsprecher (10) und ein Mikrophon (12) plaziert sind, arbeitet unter Verwendung eines Audiosignals. Eine Einrichtung (20) zum spektralen Färben eines Testsignals, das vorzugsweise ein Pseudo-Noise-Signal ist, arbeitet unter Verwendung einer psychoakustischen Maskierungsschwelle des Audiosignals, um ein gefärbtes Testsignal zu erhalten, das in das Audiosignal eingebettet wird, um ein Meßsignal zu erhalten, welches dem Lautsprecher (10) zuführbar ist. Eine Einrichtung (30,32) zum Bestimmen der Impulsantwort führt vorzugsweise eine Kreuzkorrelation eines über das Mikrophon von der Umgebung empfangenen Reaktionssignals und des Testsignals oder des gefärbten Testsignals durch. Damit kann eine Impulsantwort einer Umgebung auch während der Vorführung eines Audiostücks bestimmt werden, um für eine Wellenfeldsynthese eine optimale Umgebungsbeschreibung bereitzustellen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen einer
Impulsantwort und Vorrichtung und Verfahren zum Vorführen eines Audiostücks
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Bestimmen einer Impulsantwort sowie auf das Vorfuhren eines Audio- stucks in einer Umgebung, von der eine Impulsantwort bestimmt worden ist.
Es besteht ein steigender Bedarf an neuen Technologien und innovativen Produkten im Bereich der Unterhaltungselektro- nik. Dabei ist es eine wichtige Voraussetzung für den Erfolg neuer multimedialer Systeme, optimale Funktionalitäten bzw. Fähigkeiten anzubieten. Erreicht wird das durch den Einsatz digitaler Technologien und insbesondere der Computertechnik. Beispiele hierfür sind die Applikationen, die einen verbesserten realitatsnahen audiovisuellen Eindruck bieten. Bei bisherigen Audiosystemen liegt ein wesentlicher Schwachpunkt in der Qualität der raumlichen Schallwiedergabe von naturlichen, aber auch von virtuellen Umgebungen.
Verfahren zur mehrkanaligen Lautsprecherwiedergabe von Audiosignalen sind seit vielen Jahren bekannt und standardisiert. Alle üblichen Techniken besitzen den Nachteil, daß sowohl der Aufstellungsort der Lautsprecher als auch die Position des Hörers dem Ubertragungsformat bereits eingeprägt sind. Bei falscher Anordnung der Lautsprecher im Bezug auf den Hörer leidet die Audiogualitat deutlich. Ein optimaler Klang ist nur in einem kleinen Bereich des Wiedergaberaums, dem so genannten Sweet Spot, möglich.
Ein besserer natürlicher Raumeindruck sowie eine stärkere Einhüllung bei der Audiowiedergabe kann mit Hilfe einer neuen Technologie erreicht werden. Die Grundlagen dieser Technologie, die so genannte Wellenfeldsynthese (WFS; WFS = Wave-Field Synthesis), wurden an der TU Delft erforscht und erstmals in den spaten 80er-Jahren vorgestellt (Berkhout, A.J.; de Vries, D. ; Vogel, P. : Acoustic control by Wave- field Synthesis. JASA 93, 1993).
Infolge der enormen Anforderungen dieser Methode an Rechnerleistung und Ubertragungsraten wurde die Wellenfeldsynthese bis jetzt nur selten in der Praxis angewendet. Erst die Fortschritte in den Bereichen der Mikroprozessortechnik und der Audiocodierung gestatten heute den Einsatz dieser Technologie in konkreten Anwendungen. Erste Produkte im professionellen Bereich werden nächstes Jahr erwartet. In wenigen Jahren sollen auch erste Wellenfeldsynthese- Anwendungen für den Konsumerbereich auf den Markt kommen.
Die Grundidee von WFS basiert auf der Anwendung des Huy- gens' sehen Prinzips der Wellentheorie:
Jeder Punkt, der von einer Welle erfaßt wird, ist Ausgangspunkt einer Elementarwelle, die sich kugelförmig bzw. kreisförmig ausbreitet.
Angewandt auf die Akustik kann durch eine große Anzahl von Lautsprechern, die nebeneinander angeordnet sind (einem so genannten Lautsprecherarray) , jede beliebige Form einer einlaufenden Wellenfront nachgebildet werden. Im einfachsten Fall, einer einzelnen wiederzugebenden Punktquelle und einer linearen Anordnung der Lautsprecher, müssen die Audiosignale eines jeden Lautsprechers mit einer Zeitverzo- gerung und Amplitudenskalierung so gespeist werden, daß sich die abgestrahlten Klangfelder der einzelnen Lautsprecher richtig überlagern. Bei mehreren Schallquellen wird für jede Quelle der Beitrag zu jedem Lautsprecher getrennt berechnet und die resultierenden Signale addiert. Befinden sich die wiederzugebenden Quellen in einem Raum mit reflektierenden Wänden, dann müssen auch Reflexionen als zusatzliche Quellen über das Lautsprecherarray wiedergegeben werden. Der Aufwand bei der Berechnung hängt daher stark von der Anzahl der Schallquellen, den Reflexionseigenschaften des Aufnahmeraums und der Anzahl der Lautsprecher ab.
Der Vorteil dieser Technik liegt im Besonderen darin, daß ein natürlicher räumlicher Klangeindruck über einen großen Bereich des Wiedergaberaums möglich ist. Im Gegensatz zu den bekannten Techniken werden Richtung und Entfernung von Schallquellen sehr exakt wiedergegeben. In beschranktem Maße können virtuelle Schallquellen sogar zwischen dem realen Lautsprecherarray und dem Hörer positioniert werden.
Obgleich die Wellenfeldsynthese für Umgebungen gut funktioniert, deren Beschaffenheiten bekannt sind, treten doch Unregelmäßigkeiten auf, wenn sich die Beschaffenheit ändert bzw. wenn die Wellenfeldsynthese auf der Basis einer Umgebungsbeschaffenheit ausgeführt wird, die nicht mit der tatsächlichen Beschaffenheit der Umgebung übereinstimmt.
Eine Umgebungsbeschaffenheit kann durch die Impulsantwort der Umgebung beschrieben werden.
Dies wird anhand des nachfolgenden Beispiels näher dargelegt. Es wird davon ausgegangen, daß ein Lautsprecher ein Schallsignal gegen eine Wand aussendet, deren Reflexion unerwünscht ist. Für dieses einfache Beispiel würde die Raumkompensation unter Verwendung der Wellenfeldsynthese darin bestehen, daß zunächst die Reflexion dieser Wand bestimmt wird, um zu ermitteln, wann ein Schallsignal, das von der Wand reflektiert worden ist, wieder beim Lautsprecher ankommt, und welche Amplitude dieses reflektierte Schallsignal hat. Wenn die Reflexion von dieser Wand unerwünscht ist, so besteht mit der Wellenfeldsynthese die Möglichkeit, die Reflexion von dieser Wand zu eliminieren, indem dem Lautsprecher ein zu dem Reflexionssignal ge- genphasiges Signal mit entsprechender Amplitude zusätzlich zum ursprünglichen Audiosignal eingeprägt wird, so daü die hinlaufende Kompensationswelle die Reflexionswelle aus- loscht, derart, daß die Reflexion von dieser Wand in der Umgebung, die betrachtet wird, eliminiert ist. Dies kann dadurch geschehen, daß zunächst die Impulsantwort der Umgebung berechnet wird und auf der Basis der Impulsantwort dieser Umgebung die Beschaffenheit und Position der Wand bestimmt wird, wobei die Wand als Spiegelquelle interpre¬ tiert wird, also als Schallquelle, die einen einfallenden Schall reflektiert.
Wird zunächst die Impulsantwort dieser Umgebung gemessen und wird dann das Kompensationssignal berechnet, das dem Audiosignal überlagert dem Lautsprecher eingeprägt werden muß, so wird eine Aufhebung der Reflexion von dieser Wand stattfinden, derart, daß ein Hörer in dieser Umgebung schallmaßig den Eindruck hat, daß diese Wand überhaupt nicht existiert.
Entscheidend für eine optimale Kompensation der reflektierten Welle ist jedoch, daß die Impulsantwort des Raums genau bestimmt wird, damit keine Über- oder Unterkompensation auftritt.
In einem Vorführraum besteht ein Problem dahingehend, daß es nahezu unmöglich ist, die reale Impulsantwort einer Umgebung zu messen, da in einem Vorführraum, wie z. B. einem Kino, einem Konzertsaal, oder auch dem häuslichen Wohnzimmer standige Veränderungen der Umgebung stattfinden. Anders ausgedruckt kann in einem Kinovorfuhrraum nicht vorhergesagt werden, wieviel Personen zu einer bestimmten Vorführung kommen. Wurde zur Wellenfeldsynthese eine für einen leeren Vorführraum optimal berechnete Impulsantwort eingesetzt werden, wobei bei der Berechnung der Impulsantwort keine Personen in dem Raum waren, so wurde aufgrund der Dampfung von Personen, die der Vorführung beiwohnen, eine Uberkompensation der reflektierten Schallwelle stattfinden, dahingehend, daß zwei Nachteile entstehen. Einerseits wird die Reflexion an der Wand nicht mehr optimal kompensiert. Andererseits werden aufgrund der Uberkompensa- tion, da die Dampfung der reflektierten Welle durch die der Wellenfeldsynthese zugrundeliegende Impulsantwort nicht mehr optimal erfaßt wird, ein zusatzliches hörbares Stor- signal auftreten, das den gesamten Audioeindruck beein- trachtigen wird.
Eine optimale Anwendung der Wellenfeldsynthese steht und fallt also damit, daß immer die Umgebung, in der vorgeführt wird, optimal erfaßt wird, um erwünschte Ziele zu errei- chen, wie z. B. eine spezielle Akustik, oder um keine hörbaren Störungen einzufuhren.
Eine Möglichkeit wurde darin bestehen, einen Konzertsaal beispielsweise mit Dummy-Zuschauern auszustatten, deren Reflexionseigenschaften denen von lebenden Zuschauern entsprechen. Dann konnte eine entsprechende Impulsantwort bestimmt werden, die der realen Situation zumindest besser entspricht als wenn die Impulsantwort des leeren Konzertsaals, also ohne jegliche Zuhörer, zur Wellenfeldsynthese verwendet wird.
Dieses Prozedere ist dahingehend nachteilhaft, daß bei einer öffentlichen Vorführung genauso wie z. B. im hauslichen Wohnzimmer nicht vorhergesagt werden kann, wie viele Zuschauer zur Vorführung kommen. Ein optimaler Klangeindruck wird dann nur erreicht, wenn die Anzahl der Dummy- Zuschauer und die Positionierung der Dummy-Zuschauer der tatsachlichen Anzahl und Positionierung der lebenden Zuhörer nahezu entspricht. Darüber hinaus ist der Aufwand zur Ausstattung eines größeren Kinos oder Konzertsaals mit vielen Dummy-Zuschauern betrachtlich.
Alternativen zur Bestimmung einer realen Impulsantwort bestehen darin, kurz vor Vorfuhrungsbeginn, also wenn der Vorführraum bereits mit den Zuschauern gefüllt ist, die tatsachlich der Vorführung beiwohnen werden, die Impulsantwort des Raums zu messen, um eine realistische Umgebungsbeschreibung zu haben, die nur dann von der tatsachlichen Situation stark abweichen wurde, wenn beispielsweise nach der Pause viele Zuschauer der Vorführung nicht mehr beiwohnen wurden etc.
Diese Vorgehensweise ist jedoch unter zwei Gesichtspunkten problematisch. Zum einen benotigt die Berechnung der Impulsantwort eines Raums eine gewisse Zeit. Andererseits muß die Bestimmung unmittelbar vor Vorfuhrungsbeginn stattfinden, damit möglichst alle Zuschauer bereits im Vorführraum sind. Nachdem gerade die Anwesenheit der Zuschauer entscheidend ist, ist es bei dieser Vorgehensweise nicht vermeidbar, daß die Zuschauer alle darauf warten müssen, bis die Messung beendet ist, so daß sich bei dieser Vorgehensweise der tatsachliche Vorfuhrungsbeginn immer ver- schieben wurde. Dieses Prozedere wurde, wenn es unter den Zuhörern bekannt wird, dazu führen, daß die meisten Zuhörer erst spater als zum eigentlichen Vorfuhrungsbeginn kommen wurden, so daß das eigentliche Ziel, nämlich eine Impulsantwort einer Umgebung im realistischen Umfeld zu erfassen, wieder nicht erreicht werden kann.
Darüber hinaus ist problematisch, daß zur Impulsantwortbestimmung in einem Vorführraum akustische Signale in den Raum eingespeist werden müssen, und daß diese akustischen Signale besonders bei größeren Vorführräumen eine beträchtliche Energie haben sollten, um eine sichere Impulsantwortbestimmung zu erreichen. Versuche mit akustischen Chirps vor Vorfuhrungsbeginn zur Bestimmung der Impulsantwort, also als über Lautsprecher ausgesendete Meßsignale, haben gezeigt, daß dieses Verfahren nicht besonders praktikabel ist. Zum einen haben viele Zuhörer die akustischen Chirps, die mit betrachtlicher Lautstarke ausgesendet worden sind, als belästigend empfunden. Andere Zuschauer haben damit begonnen, die Chirps aus dem Lautsprecher selbst zu lmitie- ren, so daß eine Messung des Reaktionssignals auf die akustischen Chirps problematisch bis unmöglich geworden ist, da nicht unterschieden werden konnte, ob die Chirps vom Lautsprecher kommen oder ob es sich um von Menschen imitierte Chirps gehandelt hat.
Alternative Vorgehensweisen zur Bestimmung der Impulsant- wort eines Raums bestehen darin, eine Pseudorauschsequenz mit einem weißen Spektrum als Meßsignal zu verwenden. Obgleich das Rauschen durch das Publikum nicht unmittelbar nachahmbar ist, ist es doch für viele Personen lästig und wurde, wenn dieses Verfahren immer wieder angewendet werden wurde, dazu fuhren, daß die Personen nicht mehr zum angezeigten Vorfuhrungsbeginn kommen, sondern erst eine gewisse Zeit spater, wenn sie mit Sicherheit davon ausgehen können, daß die als lastig empfundene Impulsantwortbestimmung des Vorführungsraums bereits beendet ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Konzept zum Bestimmen einer Impulsantwort sowie ein Konzept zum Vorfuhren eines Audiostucks unter Verwendung einer ermittelten Impulsantwort zu schaffen, um eine genaue Impulsantwort und damit eine Vorführung mit hoher Audioqua- litat zu erreichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Impulsantwort gemäß Patentanspruch 1, eine Vorrich- tung zum Vorfuhren eines Audiostucks gemäß Patentanspruch 11, ein Verfahren zum Bestimmen einer Impulsantwort gemäß Patentanspruch 20, ein Verfahren zum Vorfuhren eines Audiostucks gemäß Patentanspruch 21 oder ein Computerprogramm gemäß Patentanspruch 22 gelost.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine genaue Impulsantwortbestimmung dadurch erreicht werden kann, daß ein Testsignal zum Bestimmen der Impulsantwort in ein Audiosignal eingebracht wird, so daß es unhorbar bzw. nahezu unhorbar ist und für einen Zuhörer nicht zur Belästigung werden kann. Der Zuhörer hört nach wie vor das Audiosignal und wird nicht beeinträchtigt durch die Impulsantwortbestimmung. Er wird also nicht nach Wegen suchen, wahrend der Bestimmung der Impulsantwort außerhalb der betrachteten Umgebung zu sein. Nachdem kein Besucher versucht, der Impulsantwortbestimmung in einem Vorführraum zu entkommen, wird eine genaue Impulsantwort erreicht, da eine realistische Bestimmung der Impulsantwort ohne Belästigung für den Zuhörer stattfinden kann.
Erfindungsgemaß wird das Testsignal, das in das Audiosignal eingebracht werden soll, vor dem Einbringen in das Audio- signal unter Verwendung einer psychoakustischen Maskierungsschwelle des Audiosignals spektral gefärbt, um ein gefärbtes Testsignal zu erhalten. Das gefärbte Testsignal wird dann in das Audiosignal eingebracht, indem es spektral oder im Zeitbereich aufaddiert wird, um ein Meßsignal zu erhalten. Ein als Reaktion auf das Meßsignal empfangenes Reaktionssignal wird dann mit dem Testsignal einer Kreuzkorrelation zugeführt, um auf der Basis dieser Kreuzkorrelation die Impulsantwort eines Ubertragungskanals zwischen einem Lautsprecher einerseits und einem Mikrophon anderer- seits in einer entsprechenden Umgebung zu ermitteln.
Das erfindungsgemaße Verstecken des Testsignals im Audiosignal fuhrt dazu, daß der Besucher nicht einmal merkt, daß gerade eine Impulsantwort bestimmt wird. Die beschriebene mangelnde Akzeptabilitat solcher Messungen gemäß dem Stand der Technik sind beim erfindungsgemaßen Gegenstand nicht mehr vorhanden, was wiederum dazu fuhrt, daß alle Zuschauer bei der Impulsantwortbestimmung vorhanden sind, so daß eine genaue Impulsantwort der Umgebung erhalten wird.
Bei einem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel ist das Testsignal ein Pseudo-Noise-Signal, das ein weißes Spektrum hat und somit besonders gut zur Impulsantwortbestimmung eingesetzt werden kann. Darüber hinaus ist die spektrale Färbung unter Verwendung der psychoakustischen Maskierungsschwelle des Audiosignals einfach und schnell durchfuhrbar. Die Verwendung verschiedener zueinander orthogonaler Pseu- do-Noise-Sequenzen fuhrt dazu, daß gleichzeitig mehrere einzelne Impulsantworten in einer Umgebung bestimmt werden können, in der mehrere Lautsprecher und eines oder mehrere Mikrophone sind.
Alternativ können mehrere einzelne Impulsantworten auch sequentiell bestimmt werden.
Bei einem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann auch wahrend der Vorführung des Audiostucks eine aktuelle Impulsantwort der Umgebung bestimmt werden. Dieses Merkmale ist besonders nutzlich, um wahrend der Vorführung eines Audiostucks die Impulsantwort der Umgebung standig zu bestimmen und nachzufuhren, so daß immer ein optimaler Klang, unabhängig davon, ob sich die Umgebung ändert oder nicht, erhalten wird.
Dies alles wird dadurch möglich, daß der Zuhörer nichts davon merkt oder nur wenig merkt, da das Testsignal zur Bestimmung der Impulsantwort unter Verwendung der psychoakustischen Maskierungsschwelle des Audiosignals spektral gefärbt worden ist, so daß das Testsignal entweder komplett unter der Maskierungsschwelle versteckt worden ist oder um einen vorbestimmten Betrag oberhalb der Maskierungsschwelle, der zeitlich und spektral variieren kann, eingebracht wird, so daß der Besucher in bestimmten Fallen vielleicht eine Störung wahrnimmt, wobei diese Störung jedoch deutlich geringer ist als bei bekannten Vorgehensweisen.
Bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen naher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemaßen Konzepts zum Bestimmen einer Impulsantwort; Fig. 2 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Konzepts zum Vorführen eines Audiostücks;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Umgebung mit mehreren Lautsprechern und mehreren Mikrophonen;
Fig. 4 eine allgemeine Darstellung eines Ubertragungska- nals, der durch eine Impulsantwort beschrieben wird; und
Fig. 5 eine kurze Herleitung der Bestimmung der Impulsantwort durch Kreuzkorrelation mit gefärbtem oder spektral flachem Testsignal.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Impulsantwort in einer Umgebung, in der ein Lautsprecher 10 und ein Mikrophon 12 plaziert sind. Zur Impulsantwortbestimmung wird ein Audiosignal eingesetzt, das in einen Audiosignaleingang 14 eingespeist wird. Dar- über hinaus wird ein Testsignal verwendet, das in einen Testsignaleingang 16 eingespeist wird. Zur Ermittlung der psychoakustischen Maskierungsschwelle des Audiosignals 14 wird irgendein bekanntes psychoakustisches Modell 18 eingesetzt. Unter Verwendung einer psychoakustischen Maskie- rungsschwelle, die von dem psychoakustischen Modell 18 berechnet wird, wird eine spektrale Färbung 20 des Testsignals, das an dem Eingang 16 zugeführt wird, erreicht. Am Ausgang der Einrichtung 20 zum spektralen Farben liegt somit ein spektral gefärbtes Testsignal an, das einer Einrichtung 22 zum Einbringen des spektral gefärbten Testsignals in das Audiosignal 14 zugeführt wird.
Für nachfolgend erläuterte Funktionalitäten ist ferner eine Modussteuerungseinrichtung 24 vorgesehen, um die Einrich- tung 22 zum Einbringen anzusteuern, um verschiedene Meßmodi durchzuführen. An einem Ausgang der Einrichtung 22 zum Einbringen, der in Fig. 1 mit 26 bezeichnet ist, liegt ein Meßsignal an, das dem Lautsprecher 10 zugeführt wird. Die einzelnen Möglichkeiten zum Einbringen eines Signals in ein Audiosignal sind in dem europäischen Patent EP 0 875 107 Bl offenbart. So kann das Einbringen des spektral gefärbten Testsignals in das Audiosignal entweder im Zeitbereich durch abtastwertweises Addieren erfolgen. In diesem Fall muß das spektral gefärbte Testsignal genauso wie das Audio¬ signal im Zeitbereich vorliegen, um die abtastwertweise Addition durchzuführen.
Alternativ kann ein bestimmter zeitlicher Abschnitt des Audiosignals oder des Testsignals in den Frequenzbereich transformiert werden, um dann eine spektralwertweise Addition zwischen dem transformierten Audiosignal und dem transformierten Testsignal durchzuführen. Das damit entste- hende Meßsignal im Frequenzbereich muß dann wieder in den Zeitbereich transformiert werden, um als Meßsignal einem Lautsprecher zugeführt zu werden. Die entsprechenden Details optionaler Vor- und Nachverarbeitungen bezüglich einer Digital-/Analog-Wandlung vor dem Lautsprecher 10 sind in Fig. 1 nicht dargestellt, da sie für Fachleute bekannt sind.
Das dem Lautsprecher 10 zugeführte Meßsignal wird durch den Lautsprecher in ein Schallsignal 28 umgewandelt, das von dem Mikrophon 12 empfangen wird und als Reaktionssignal bezeichnet wird. Das Reaktionssignal wird einer Kreuzkorrelationseinrichtung 30 zugeführt, die eine Kreuzkorrelation zwischen dem Reaktionssignal und dem spektral gefärbten Testsignal oder alternativ dem unmittelbar vorliegenden Testsignal vor der spektralen Färbung durchführt. Je nachdem, welche Signale verwendet werden, bzw. je nach Testsignal und spektraler Färbung können nach der Kreuzkorrelation noch Nachverarbeitungen anfallen, die durch eine Nachverarbeitungseinrichtung 32 bewirkt werden, um die Impulsantwort des Kanals zwischen dem Lautsprecher 10 und dem Mikrophon 12 zu erhalten. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird als Testsignal ein Pseudo-Noise-Signal eingesetzt, das ein weißes Spektrum hat. In diesem Fall ist es möglich, verschiedene Impulsantworten gleichzeitig zu bestimmen, indem verschiedene Lautsprecher mit Meßsignalen versehen werden, denen jeweils unterschiedliche zueinander im wesentlichen orthogonale Pseudo-Noise-Sequenzen zugrunde liegen. Darüber hinaus ist die Verwendung eines Pseudo- Noise-Signals günstig, da es einfach und schnell an belie- biger Stelle erzeugt werden kann, wenn beispielsweise eine Einheit mit rückgekoppeltem Schieberegister eingesetzt wird, die abhängig von einem bestimmten Startwert, der in der Technik auch als Seed bezeichnet wird, eine wiederholbare Pseudo-Noise-Sequenz erzeugt. Wenn solche Schiebere- gister bei jedem Lautsprecher und bei jedem Mikrophon zur Verfügung gestellt werden, so muß das Testsignal nicht von einer einem Lautsprecher zugeordneten Einheit 34 zu einer einem Mikrophon zugeordneten Einheit 36 übertragen werden, sondern kann an beliebiger Stelle dezentral erzeugt werden. Alternativ besteht jedoch die Möglichkeit, die Einheiten 34, 36 als eine einzige Einheit zu implementieren. In diesem Fall würde das Meßsignal für den Lautsprecher 10 und das Reaktionssignal von dem Mikrophon 12 durch Kabelverbindungen, wie z. B. Glasfaserkabel, oder drahtlose Verbindun- gen zu der zentralen Einheit, die aus den Einheiten 34 und 36 gebildet ist, übermittelt werden.
Die vorliegende Erfindung ist besonders gut in Multilaut- sprechersystemen einsetzbar, die eine große Anzahl von Lautsprechern verwenden, um die natürliche Akustik des Aufzeichnungsraums oder eine künstliche Akustik, die durch den Toningenieur entworfen worden ist, wiederzugeben. Hierzu wird als Modul ein Wellenfeldsynthesemodul verwendet, wie es zu Eingang dargestellt worden ist. Eine synthe- tisierte Akustik oder die natürliche Akustik des Aufzeichnungsraums können dann gut wiedergegeben werden, wenn die Akustik des Reproduktionsraums keinen all zu großen Einfluß hat, indem diese Akustik „herauskompensiert" wird. Hierzu wird die Wellenfeldsynthese verwendet, um beispielsweise starke Reflexionen des tatsächlichen Wiedergaberaums durch Anwenden einer inversen Filterung mit der erfindungsgemäß bestimmten Raumimpulsantwort zu reduzieren. Nachdem die Raumimpulsantwort durch die Anzahl von Leuten in dem Raum und/oder die Bewegung von Objekten, wie Möbel, Vorhänge etc., beeinflußt wird, ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise zur Bestimmung der Impulsantwort besonders vorteilhaft, da diese gewissermaßen immer durchgeführt werden kann, also während einer vor einer eigentlichen Aufführung eingespielten Musik oder sogar während der tatsächlichen Vorführung, da das Testsignal in dem für den Zuhörer angenehmen Audiostück „versteckt" ist.
Vorzugsweise wird daher ein Pseudorauschsignal in ein Audiosignal für einen Lautsprecher eingebettet, das gemäß der Maskierungsschwelle des Audiosignals spektral gefärbt ist, das durch einen bzw. jeden der Lautsprecher wiedergegeben wird.
Die Messung der Impulsantwort kann entweder für alle Lautsprecher gleichzeitig unter Verwendung unterschiedlicher PNS-Sequenzen für jeden Lautsprecher oder sequentiell in einem sogenannten Round-Robin-Ansatz durchgeführt werden. Während die erste Version ein besseres zeitliches Verhalten hat, ergibt die zweite Version ein besseres Signal- /Rauschverhältnis , also eine genauere Impulsantwort. Für beide Messungen gilt jedoch, daß sie von einem Zuhörer nicht oder nur kaum wahrnehmbar sind, je nachdem, wie hart die spektrale Färbung an der psychoakustischen Maskierungsschwelle geführt wird. Für Messungen z. B. während der Wiedergabe des Audiostücks selbst, wegen dem die Zuhörer gekommen sind, wird es bevorzugt, sicherzustellen, daß die spektrale Färbung derart durchgeführt wird, daß das Test- signal immer unter der psychoakustischen Maskierungsschwelle bleibt. Für eine Einspielmusik beispielsweise vor der eigentlichen Vorführung bzw. für eine vor einem Kinofilm z. B. stattfindende Werbung ist es jedoch auch möglich, das Testsignal bezüglich des Audiosignals mit mehr Energie zu versehen, da hier geringe Störungen nicht unbedingt vom Zuhörer als besonders negativ wahrgenommen werden. In diesem Fall sind unter Umständen schneller konvergierende bzw. genauere Impulsantwortmessungen erreichbar, da das Testsignal im Mittel mit mehr Energie abgestrahlt wird, was sich in einem besseren Signal/Rauschverhältnis bemerkbar macht .
Im nachfolgenden wird anhand von Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Vorführen eines Audiostücks in einer Umgebung, in der eine Mehrzahl von Lautsprechern und mehrere Mikrophone plaziert sind, dargestellt. Hierzu ist in Fig. 2 ein Lautsprecher-/Mikrophonarray 40 skizziert. Dem Lautsprecher-/Mikrophonarray 40 vorgeschaltet befindet sich die in Fig. 1 dargestellte Impulsantwortbestimmungsvorrich- tung 42, die mit einem Wellenfeldsynthesemodul 44 gekoppelt ist. Zur Impulsantwortbestimmung berechnet das Wellenfeldsynthesemodul auf der Basis eines zugeführten Audiostücks und auf der Basis von vorgegebenen Einstellungen für die Akustik der Umgebung Audiosignale für die Lautsprecher im Lautsprecherarray 40. Diese Signale werden über einen Ausgang 46 des Wellenfeldsynthesemoduls ausgegeben und entweder dem Lautsprecher-/Mikrophonarray 40 direkt zuge- führt, wie es durch einen gestrichelten Pfad 48 dargestellt ist, oder, wenn eine Impulsantwortbestimmung durchgeführt werden soll, der Impulsantwortbestimmungseinrichtung 42 zugeführt, die eingangsseitig die Audiosignale über die Leitung 46 empfängt und ausgangsseitig über eine Leitung 50 die Meßsignale an das Lautsprecherarray 40 abgibt.
Die Reaktionssignale werden vom Mikrophonarray aufgefangen und über die Leitung 50, die eine Zwei-Wege-Leitung ist, der Impulsantwortbestimmungseinrichtung 42 wieder zuge- führt, damit diese eine für die Erfindung bevorzugte Kreuzkorrelationsverarbeitung und eine möglicherweise nötige Nachverarbeitung durchführen kann. Vorgegebene Einstellungen im Wellenfeldsynthesemodul für die Akustik der Umgebung 52 können dann durch eine aktuelle Impulsantwort, die von der Einrichtung 42 z. B. während der Vorführung des Audiostücks errechnet worden ist, aktualisiert werden, so daß die von dem Wellenfeldsynthesemodul verwendeten Akustikein- Stellungen über die Umgebung standig aktualisiert und besser an die tatsachliche Umgebung 52 angepaßt werden können. Diese Funktionalitat ist durch einen Ruckkopplungspfad 54 in Fig. 2 dargestellt.
Das Wellenfeldsynthesemodul 44 kann somit mit vorgegebenen Einstellungen für die Impulsantwort gestartet werden und unter Verwendung der aktuellen Messungen der Impulsantwort- bestimmungseinrichtung 42 aktualisiert werden. Die vorgegebenen Einstellungen einschließlich der Position der Laut- Sprecher kann durch die erfindungsgemaße Impulsantwortbe- stimmungseinrichtung 42 außerhalb der Vorführung gemessen werden, indem hierzu entweder psychoakustisch gefärbte PNS- Sequenzen zusammen mit einer Musik eingesetzt werden oder indem keine Musik verwendet wird, sondern die reine PNS- Sequenz verwendet wird.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß es in der Technik bekannt ist, aus vielen verschiedenen Impulsantworten in einer Umgebung die gesamte mehrdimensionale Impuls- antwort dieser Umgebung z. B. zu interpolieren. Darüber hinaus ist es in der Technik bekannt, auf der Basis von einer solchermaßen gefundenen Impulsantwort Schallausgabequellen bestimmten Positionen im dreidimensionalen Raum zuzuordnen. Hierbei wird ferner zwischen üblichen Schall- quellen, wie beispielsweise Lautsprechern, und sogenannten Spiegelschallquellen, wie beispielsweise reflektierenden Wänden, unterschieden. Die erfindungsgemaße Impulsantwortbestimmung ermöglicht es somit, ohne Belästigung für Zuhörende eine Umgebungsbeschreibung zu erhalten, ohne daß Positionen der Mikrophone manuell, beispielsweise mittels Streckenmessungen, ermittelt werden müssen. Bezuglich der Plazierung der Mikrophone für die Impulsant- wortbestimmung existieren verschiedene Möglichkeiten. Am besten hinsichtlich der zu bestimmenden Impulsantwort ist es, die Mikrophone in der Umgebung 42 von den Lautsprechern entfernt zu plazieren. In einem Vorführraum mit Personen ist dies jedoch oftmals unpraktikabel. Daher wird es in diesem Fall bevorzugt, die Mikrophone zwischen den Lautsprechern zu plazieren, so daß sie nicht „im Weg stehen".
Wahrend die Plazierung der Mikrophone von den Lautsprechern entfernt bevorzugt wird, um Impulsantwortmessungen durchzufuhren, aus denen eine vorgegebene Einstellung für das Wellenfeldsynthesemodul 44 errechnet wird, wird es bevorzugt, die Mikrophone zwischen den Lautsprechern zu plazi- eren, wenn wahrend einer Vorführung eine Adaption des Wellenfeldsynthesemoduls 44 durchgeführt werden soll.
Die Mikrophone können fest oder beweglich in kreisförmiger, linearer oder kreuzförmiger Konfiguration angeordnet wer- den. Bezüglich der Mikrophonbewegung können dieselben in einem Kreis oder unter Verwendung eines x/y- Verschiebungsgerats im Raum wahrend der Messung bewegt werden. Derartige Vorgehensweisen sind bei einer Impulsantwortadaption wahrend der Vorführung weniger praktikabel, so daß hier feststehende Mikrophone vorzugsweise zwischen den Lautsprechern bevorzugt werden.
Für eher preisgünstigere Anwendungen, insbesondere im Consumer-Bereich, können die Mikrophone durch Lautsprecher ersetzt werden, um die Anzahl der Komponenten zu verringern. Jeder Lautsprecher arbeitet aufgrund der Tatsache, daß er eine Membran und eine Schwingspule hat, genauso als Mikrophon, wenn er entsprechend ausgelesen wird. Zu diesem Zweck wird es bevorzugt, in einem Impulsantwortbestimmungs- modus für entsprechende Consumer-Anwendungen einen oder mehrere Lautsprecher des für die Wiedergabe ohnehin vorhandenen Lautsprecherarrays als Mikrophone zu nutzen, um vor der Vorführung eines Audiostucks die Impulsantwort zu bestimmen, um dann, bei der Abspielung des Audiostucks, wieder alle Lautsprecher als Lautsprecher zu verwenden. Für eine Adaption wahrend der Vorführung konnten beliebig ausgewählte Lautsprecher von Zeit zu Zeit als Mikrophone eingesetzt werden, um eine Adaption durchzufuhren, ohne daß extra Mikrophone eingesetzt werden müssen. Wenn eine große Anzahl von Lautsprechern verwendet wird, wird das zeitweilige Umschalten einiger weniger Lautsprecher unproblematisch hinsichtlich des Audioeindrucks sein.
F g. 3 zeigt eine reale Situation, bei der viele Lautsprecher und viele Mikrophone verwendet werden. Eine Impulsantwort laßt sich für den Kanal von jedem Lautsprecher zu jedem Mikrophon angeben. So wird der Kanal zwischen dem Lautsprecher 1 (LSI) zum Mikrophon 1 (Ml) als Kll bezeichnet. Analog hierzu wird der Kanal vom ersten Lautsprecher (LSI) zum dritten Mikrophon (M3) als K31 bezeichnet etc. Senden alle drei Lautsprecher LSI, LS2, LS3 gleichzeitig, so kann das vom Mikrophon Ml empfangene Reaktionssignal dazu verwendet werden, um drei verschiedene Impulsantworten zu berechnen. Grundlage hierfür ist, daß dem ersten Lautsprecher (LSI) eine erste Pseudo-Noise-Sequenz PN1 im Rahmen des Meßsignals für den ersten Lautsprecher eingeprägt wird. Entsprechend erhalt der zweite Lautsprecher (LS2) eine zweite Pseudo-Noise-Sequenz (PN2) . Darüber hinaus erhalt der dritte Lautsprecher (LS3) eine dritte Pseudo-Noise-Sequenz (PN3). Der Kanal Kll zwischen dem ersten Lautsprecher LSI und dem ersten Mikrophon Ml wird berechnet, indem eine Kreuzkorrelation des durch das erste Mikrophon Ml empfangenen Reaktionssignals mit der Pseudo- Noise-Sequenz 1 durchgeführt wird. Der Kanal K21 vom zweiten Lautsprecher zum ersten Mikrophon wird durch Korrelation mit der Pseudo-Noise-Sequenz 2 berechnet. Der Kanal K31 vom dritten Lautsprecher LS3 zum ersten Mikrophon Ml wird durch Korrelation mit der Pseudo-Noise-Sequenz 3 erhalten. Wenn alle drei Lautsprecher und alle drei Mikrophone gleichzeitig betrieben werden, können somit alle neun Impulsantworten berechnet werden. Dieser Meßmodus liefert ein besseres zeitliches Verhalten, da die resultierende mehrdimensionale Impulsantwort der Umgebung, die aus den ermittelten neun einzelnen Impulsantworten durch Interpolation bestimmt wird, auf der Basis von gleichzeitig gesende- ten Meßsignalen bestimmt wird.
Alternativ kann ein besseres Signal/Rauschverhaltnis und damit eine genauere Impulsantwort erhalten werden, wenn zunächst der Lautsprecher 1 betrieben wird und gleichzeitig alle drei Mikrophone durch Korrelation des empfangenen Signals mit der Pseudo-Noise-Sequenz 1 die drei Kanäle Kll, K12 und K13 berechnen. Dann, zu einem nachfolgenden Zeitpunkt, wird dasselbe für den Lautsprecher 2 durchgeführt und schließlich wird dasselbe für den Lautsprecher 3 durch- gefuhrt. Damit werden nacheinander die verschiedenen Impulsantworten ermittelt, wobei immer so viel Impulsantworten gleichzeitig ermittelt werden, wie Mikrophone vorhanden sind.
Nachfolgend wird zusammengefaßt, wie die Impulsantwort h(t) eines Kanals durch Kreuzkorrelation bestimmt wird. Hierzu wird der Kanal mit einem zeitdiskreten Testsignal p(t) beaufschlagt. Der Kanal gibt ausgangsseitig ein Empfangssignal y(t) aus, das, wie es bekannt ist, der Faltung des Eingangssignals und mit der Kanalimpulsantwort entspricht. Zur nachfolgenden Erläuterung einer Vorgehensweise zur Bestimmung der Kreuzkorrelation anhand von Fig. 5 wird auf eine Matrixschreibweise übergegangen. Beispielhaft wird eine Kanalimpulsantwort mit lediglich zwei Werten ho und hi ohne Einschränkung der Allgemeinheit angenommen. Die Kanalimpulsantwort h0, hi kann als Kanalimpulsantwortmatrix H(t) geschrieben werden, die die in Fig. 5 gezeigte Bandstruktur hat, wobei die restlichen Elemente der Matrix mit Nullen aufgefüllt werden. Darüber hinaus wird das Anregungssignal p(t) als Vektor geschrieben, wobei hier angenommen wird, daß das Anregungssignal ohne Einschränkung der Allgemeinheit lediglich drei Samples p0, pi, p2 hat. Es kann gezeigt werden, daß die in Fig. 4 dargestellte Faltung der in Fig. 5 dargestellten Matrix-Vektor- Multiplikation entspricht, so daß sich ein Vektor y für das Ausgangssignal ergibt. Die Kreuzkorrelation kann als Erwar- tungswert E{ ... } der Multiplikation des Ausgangssignals y(t) mit dem konjugiert-komplex-transponierten Anregungssignal p*τ geschrieben werden. Der Erwartungswert berechnet sich als Grenzwert für N gegen unendlich über die in Fig. 5 dargestellte Aufsummation von einzelnen Produkten für verschiedene Anregungssignale pi. Die Multiplikation und anschließende Aufsummation ergibt die Kreuzkorrelationsmatrix, die in Fig. 5 links oben dargestellt ist, wobei dieselbe gewichtet mit dem Effektivwert des Anregungssignals p ist, der mit σp 2 dargestellt ist. Zum unmittelbaren Erhal- ten der Kanalimpulsantwort h(t) wird beispielsweise die erste Zeile der Kanalimpulsantwortmatrix genommen, woraufhin die einzelnen Komponenten durch σp 2 geteilt werden, um unmittelbar die einzelnen Komponenten der Kanalimpulsantwort ho, hi zu erhalten.
Wird anstatt eines weißen Anregungssignals p(t) ein spektral gefärbtes Anregungssignal verwendet, so kann die spektrale Färbung durch eine digitale Filterung dargestellt werden, wobei das Filter durch eine Filterkoeffizientenmat- rix Q beschrieben wird. In der in Fig. 5 in der letzten Zeile dargestellten Gleichung ergibt sich ebenfalls aus- gangsseitig die Korrelationsmatrix H, nun jedoch noch gewichtet mit dem Erwartungswert über Q x QH. Durch Division der einzelnen Impulsantwortkoeffizienten ho, hi durch den Erwartungswert über Q x QH, also durch Berücksichtigung des Färbungsfilters beispielsweise in der Nachverarbeitungseinrichtung 32 von Fig. 1 kann unmittelbar die Kanalimpulsantwort hinsichtlich ihrer einzelnen Komponenten bestimmt werden.
Es sei darauf hingewiesen, daß das Kreuzkorrelationskonzept zum Berechnen der Impulsantwort ein iteratives Konzept ist, wie es aus dem in Fig. 5 dargestellten Summationsansatz für den Erwartungswert ersichtlich ist. Die erste Multiplikation des Reaktionssignals mit dem konjugiert-komplex- transponierten Anregungssignal liefert bereits einen ersten noch sehr groben Schätzwert für die Kanalimpulsantwort, der mit jeder weiteren Multiplikation und Aufsummation immer besser wird. Wird die gesamte Matrix H(t) durch den iterativen Summationsansatz berechnet, so stellt sich heraus, daß die in Fig. 5 links oben zu Null gesetzten Elemente der Bandmatrix H(t) nach und nach gegen Null gehen, während in der Mitte, also dem Band der Matrix, die Koeffizienten der Kanalimpulsantwort h(t) verbleiben und bestimmte Werte annehmen. Noch einmal sei darauf hingewiesen, daß es nicht erforderlich ist, die gesamte Matrix zu berechnen. Es genügt, lediglich z. B. eine Zeile der Matrix H(t) zu berechnen, um die gesamte Kanalimpulsantwort zu erhalten.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Konzept nicht auf die anhand von Fig. 5 beschriebene Vorgehensweise zur Berechnung der Kreuzkorrela- tion beschränkt ist. Samtlichen anderen Verfahren zum Berechnen der Kreuzkorrelation zwischen einem Meßsignal und einem Reaktionssignal sind ebenfalls einsetzbar. Andere Verfahren zur Bestimmung einer Impulsantwort anstelle der Kreuzkorrelation können ebenfalls verwendet werden.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die verwendeten Pseudo-Noise-Sequenzen hinsichtlich ihrer Länge abhängig von der zu erwartenden Impulsantwort des betrachteten Kanals dimensioniert sein sollten. So sind für größere akustische Umgebungen durchaus Impulsantworten mit der Länge von einigen wenigen Sekunden denkbar. Dieser Tatsache muß durch Auswahl einer entsprechenden Länge der Pseudo- Noise-Sequenzen zur Korrelation Rechnung getragen werden.
Abhängig von den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen der Impulsantwort bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Vorführen eines Audiostücks in Hardware oder in Software implementiert werden. Die I ple- mentierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, daß das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit auf einem maschinenlesbaren Trager gespeicherten Programmcode zur Durchfuhrung des erfindungsgemaßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner ablauft. In anderen Worten ausgedruckt kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchfuhrung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ablauft.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Bestimmen einer Impulsantwort in einer Umgebung, in der ein Lautsprecher (10) und ein Mikro- phon (12) plaziert sind, unter Verwendung eines Audiosignals, mit folgenden Merkmalen:
einer Einrichtung (20) zum spektralen Färben eines Testsignals unter Verwendung einer psychoakustischen Maskierungsschwelle des Audiosignals;
einer Einrichtung (22) zum Einbringen des gefärbten Testsignals in das Audiosignal, um ein Meßsignal zu erhalten, das dem Lautsprecher (10) zuführbar ist; und
einer Einrichtung (30, 32) zum Berechnen der Impulsantwort unter Verwendung eines über das Mikrophon von der Umgebung empfangenen Reaktionssignals und des Testsignals oder des gefärbten Testsignals.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Einrichtung zum Berechnen ausgebildet ist, um eine Kreuzkorrelation des über das Mikrophon von der Umgebung empfangenen Reaktionssignals und des Testsignals oder des gefärb- ten Testsignals durchzuführen.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das Testsignal ein Pseudo-Noise-Signal ist.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Einrichtung (20) zum spektralen Färben ausgebildet ist, um das Testsignal derart zu färben, daß ein spektraler Verlauf des gefärbten Testsignals unterhalb der spektralen psychoakustischen Maskierungsschwelle des Audiosignals liegt, so daß das gefärbte Testsignal in dem Meßsignal nicht hörbar ist.
5. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Umgebung mehrere Lautsprecher und mehrere Mikrophone aufweist, wobei für einen Kanal von einem Lautsprecher zu einem Mikrophon eine Impulsantwort de- finiert ist, wobei die Vorrichtung ferner folgende Merkmale aufweist:
eine Einrichtung (24) zum Steuern der Einrichtung (22) zum Einbringen derart, daß sie in Audiosignale für die mehreren Lautsprecher ein gefärbtes Testsignal einbringt, um für jeden Lautsprecher ein eigenes Meßsignal zu erzeugen, wobei die Einrichtung (24) zum Steuern ferner ausgebildet ist, um die Lautsprecher sequentiell mit Meßsignalen zu beaufschlagen; und
eine Einrichtung zum Identifizieren einer erhaltenen Impulsantwort hinsichtlich des Lautsprechers, von dem ein erzeugtes Meßsignal stammt, und hinsichtlich des Mikrophons, von dem ein zugehöriges Reaktionssignal stammt.
6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der die Umgebung mehrere Lautsprecher und mehrere Mikrophone aufweist, wobei für einen Kanal von einem Laut- Sprecher zu einem Mikrophon eine Impulsantwort definiert ist, wobei die Vorrichtung ferner folgende Merkmale aufweist:
eine Einrichtung (24) zum Steuern der Einrichtung (22) zum Einbringen derart, daß sie in Audiosignale für die mehreren Lautsprecher ein gefärbtes Testsignal einbringt, um für jeden Lautsprecher ein eigenes Meßsignal zu erzeugen, wobei die Einrichtung (24) zum Steuern ferner ausgebildet ist, um jedem Meßsignal ein eigenes Testsignal zugrunde zu legen, wobei Testsignale für verschiedene Meßsignale zueinander orthogonal sind; und wobei für jedes Mikrophon eine eigene Einrichtung (30, 32) zur Kreuzkorrelation vorgesehen ist, die zum Kreuzkorrelieren die orthogonalen Testsignale verwenden kann, und
eine Einrichtung zum Identifizieren einer erhaltenen Impulsantwort unter Verwendung des Mikrophons, dem die Einrichtung zum Kreuzkorrelieren zugeordnet ist, durch die die erhaltende Impulsantwort berechnet wird, und durch den Lautsprecher, dem das entsprechende Testsignal zugeordnet ist, das zum Erhalten der Impulsantwort eingesetzt wird.
7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, bei der die Einrichtung zum Berechnen der Impulsantwort ausgebildet ist, um ein Kreuzkorrelationsergebnis unter Verwendung von Informationen über die Einrichtung (20) zum spektralen Farben nachzuverarbeiten (32) , um eine Impulsantwort zu erhalten, die unabhängig von der psy- choakustischen Maskierungsschwelle des Audiosignals ist.
8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, bei der die Einrichtung zum Berechnen der Impulsantwort ausge- bildet ist, um die kreuzkorrelierte iterative Multiplikation des Reaktionssignals und einer konjugiert- komplex-transponierten Darstellung des Testsignals, und Aufsummation von Multiplikationsergebnissen zu erhalten, um mit jedem Iterationsschritt eine verbesser- te Schätzung der Impulsantwort zu erhalten.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, bei der das Audiosignal ein Audiosignal ist, das in der Umgebung vorzuführen ist.
10. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Audiosignal ein Musiksignal ist.
11. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Lautsprecher in einem Impulsantwortmeßmo- dus als Mikrophon einsetzbar ist.
12. Vorrichtung zum Vorführen eines Audiostücks in einer Umgebung, in der mehrere Lautsprecher und mehrere Mikrophone (40) plaziert sind, mit folgenden Merkmalen:
einer Einrichtung (44) zum Durchführen einer Wellen- feldsynthese, um Audiosignale für die Mehrzahl von Lautsprechern auf der Basis des Audiostücks zu berechnen; und
einer Einrichtung (42) zum Bestimmen der Impulsantwort in der Umgebung (52) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Einrichtung (42) zum Bestimmen ausgebildet ist, um während des Vorführens des Audiostücks eine aktuelle Impulsantwort zu berechnen,
wobei die Einrichtung (44) zum Durchfuhren der Wellenfeldsynthese steuerbar ist (54), um während der Vorführung des Audiostücks eine aktuelle Impulsantwort bei einer Berechnung der Audiosignale für die Mehrzahl von Lautsprechern (40) zu berücksichtigen.
13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, bei der die Umgebung während des Vorführens des Audiostücks sich hinsichtlich ihrer Impulsantwort von der Umgebung unterscheidet, wenn kein Audiostück vorgeführt wird.
14. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, bei der ein Unterschied der Umgebung darin besteht, daß eine Anzahl von Menschen von einer Situation zur nächsten Situation abweicht oder daß keine Menschen in der Umgebung sind.
15. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, bei der die Umgebung ein Konzertsaal, ein Kinosaal oder ein heimischer Audiovorführraum ist.
16. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, bei der die Einrichtung (44) zur Durchfuhrung der Wellenfeldsynthese ausgebildet ist, um aufgrund einer Im- pulsantwort der Umgebung (52) Positionen von Schallanregungsquellen und Schallreflexionsquellen zu berechnen und bei der Berechnung der Audiosignale für die Mehrzahl von Lautsprechern (40) zu berücksichtigen.
17. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, bei der die Einrichtung (44) zum Durchfuhren der Wellenfeldsynthese ausgebildet ist, um ausgehend von einer Anfangseinstellung die aktuelle Impulsantwort zu berücksichtigen, wobei die Einrichtung (42) zum Bestimmen der Impulsantwort aus- gebildet ist, um die Impulsantwort für die Anfangsdarstellung wie die aktuelle Impulsantwort oder ohne Audiosignal und unter Verwendung eines ungefärbten Testsignals zu berechnen.
18. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, bei der die Mikrophone entfernt von den Lautsprechern oder zwischen den Lautsprechern plaziert sind.
19. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, bei der die Mikrophone in einem kreisförmigen, einem linearen oder einem kreuzförmigen Array angeordnet sind.
20. Vorrichtung gemäß Anspruch 19, bei der die Mikrophone zwischen einzelnen Kreuzkorrelationsberechnungen be- wegt werden.
21. Verfahren zum Bestimmen einer Impulsantwort in einer Umgebung, in der ein Lautsprecher (10) und ein Mikrophon (12) plaziert sind, unter Verwendung eines Audio- Signals, mit folgenden Schritten: spektrales Farben (20) eines Testsignals unter Verwendung einer psychoakustischen Maskierungsschwelle des Audiosignals;
Einbringen (22) des gefärbten Testsignals in das Audiosignal, um ein Meßsignal zu erhalten, das dem Lautsprecher (10) zufuhrbar ist; und
Berechnen (30, 32) der Impulsantwort unter Verwendung eines über das Mikrophon von der Umgebung empfangenen Reaktionssignals und des Testsignals oder des gefärbten Testsignals.
22. Verfahren zum Vorfuhren eines Audiostucks in einer Umgebung, in der mehrere Lautsprecher und mehrere Mikrophone (40) plaziert sind, mit folgenden Schritten:
Durchfuhren (44) einer Wellenfeldsynthese, um Audiosignale für die Mehrzahl von Lautsprechern auf der Ba- sis des Audiostucks zu berechnen; und
Bestimmen (42) der Impulsantwort in der Umgebung (52) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Einrichtung (42) zum Bestimmen ausgebildet ist, um wahrend des Vorführens des Audiostucks eine aktuelle Impulsantwort zu berechnen,
wobei die Einrichtung (44) zum Durchfuhren der Wellenfeldsynthese steuerbar ist (54), um wahrend der Vor- fuhrung des Audiostucks eine aktuelle Impulsantwort bei einer Berechnung der Audiosignale für die Mehrzahl von Lautsprechern (40) zu berücksichtigen.
23. Computerprogramm mit einem Programmcode zum Durchfuh- ren des Verfahrens gemäß Anspruch 21 oder gemäß Anspruch 22, wenn das Programm auf einem Computer ablauft.
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