PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102006010212A1 20.09.2007
Titel Vorrichtung und Verfahren zur Simulation von WFS-Systemen und Kompensation von klangbeeinflussenden WFS-Eigenschaften
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE
Erfinder Deguara, Joachim, 98693 Ilmenau, DE;
Rodigast, René, Dipl.-Ing., 07639 Tautenhain, DE
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Anmeldedatum 06.03.2006
DE-Aktenzeichen 102006010212
Offenlegungstag 20.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.09.2007
IPC-Hauptklasse H04S 5/00(2006.01)A, F, I, 20060306, B, H, DE
Zusammenfassung Eine Aliasing-Korrektur in einem Wellenfeldsynthesesystem wird dadurch erreicht, dass die für eine virtuelle Quelle spezifische Aliasing-Filtereigenschaft ermittelt wird. Diese Aliasing-Filtereigenschaft, die z. B. die Aliasing-Frequenz sein kann, wird mit Hilfe der Quellenpositionsinformation ermittelt. Diese Aliasing-Filtereigenschaft wird für ein adaptives Anti-Aliasing-Filter zum adaptiven Filtern des der Quelle zugeordneten Audiosignals oder der der Quelle zugeordneten Komponentensignale verwendet.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wellenfeldsynthesesysteme und insbesondere auf das Aliasing-Korrigieren in Wellenfeldsynthesesystemen.

Es besteht ein steigender Bedarf an neuen Technologien und innovativen Produkten im Bereich der Unterhaltungselektronik. 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 realitätsnahen audiovisuellen Eindruck bieten. Bei bisherigen Audiosystemen liegt ein wesentlicher Schwachpunkt in der Qualität der räumlichen Schallwiedergabe von natürlichen, 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 Übertragungsformat bereits eingeprägt sind. Bei falscher Anordnung der Lautsprecher im Bezug auf den Hörer leidet die Audioqualität 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 späten 80er-Jahren vorgestellt (Berkhout, A.J.; de Vries, D.; Vogel, P.: Acoustic control by Wavefield Synthesis. JASA 93, 1993).

Infolge der enormen Anforderungen dieser Methode an Rechnerleistung und Übertragungsraten 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. In wenigen Jahren sollen auch erste Wellenfeldsynthese-Anwendungen für den Konsumerbereich auf den Markt kommen.

Die Grundidee von WFS basiert auf der Anwendung des Huygens'schen 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 Zeitverzögerung 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. In einem Raum mit reflektierenden Wänden können auch Reflexionen als zusätzliche 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 beschränktem 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.

Die Technik der Wellenfeldsynthese kann jedoch ebenfalls vorteilhaft eingesetzt werden, um eine visuelle Wahrnehmung um eine entsprechende räumliche Audiowahrnehmung zu ergänzen. Bisher stand bei der Produktion in virtuellen Studios die Vermittlung eines authentischen visuellen Eindrucks der virtuellen Szene im Vordergrund. Der zum Bild passende akustische Eindruck wird in der Regel durch manuelle Arbeitsschritte in der sogenannten Postproduktion nachträglich dem Audiosignal aufgeprägt oder als zu aufwendig und zeitintensiv in der Realisierung eingestuft und daher vernachlässigt. Dadurch kommt es üblicherweise zu einem Widerspruch der einzelnen Sinnesempfindungen, der dazu führt, dass der entworfene Raum, d. h. die entworfene Szene, als weniger authentisch empfunden wird.

In der Fachveröffentlichung „Subjective experiments on the effects of combining spatialized audio and 2D video projection in audio-visual systems", W. de Bruijn und M. Boone, AES convention paper 5582, 10. bis 13. Mai 2002, München, werden subjektive Experimente bezüglich der Auswirkungen des Kombinierens von räumlichem Audio und einer zweidimensionalen Videoprojektion in audiovisuellen Systemen dargestellt. Insbesondere wird hervorgehoben, dass zwei in einer unterschiedlichen Entfernung zu einer Kamera stehende Sprecher, die nahezu hintereinander stehen, von einem Betrachter besser verstanden werden können, wenn mit Hilfe der Wellenfeldsynthese die zwei hintereinander stehenden Personen als unterschiedliche virtuelle Schallquellen aufgefasst und rekonstruiert werden. In diesem Fall hat sich durch subjektive Tests herausgestellt, dass ein Zuhörer die beiden gleichzeitig sprechenden Sprecher getrennt voneinander besser verstehen und unterscheiden kann.

Im Audiobereich lässt sich also durch die Technik der Wellenfeldsynthese (WFS) ein guter räumlicher Klang für eine großen Hörerbereich erzielen. Wie es ausgeführt worden ist, basiert die Wellenfeldsynthese auf dem Prinzip von Huygens, nach welchem sich Wellenfronten durch Überlagerung von Elementarwellen formen und aufbauen lassen. Nach mathematisch exakter theoretischer Beschreibung müssten unendlich viele Quellen in unendlich kleinem Abstand für die Erzeugung der Elementarwellen genutzt werden. Praktisch werden jedoch endlich viele Lautsprecher in einem endlich kleinen Abstand zueinander genutzt. Jeder dieser Lautsprecher wird gemäß dem WFS-Prinzip mit einem Audiosignal von einer virtuellen Quelle, das ein bestimmtes Delay und einen bestimmten Pegel hat, angesteuert. Pegel und Delays sind in der Regel für alle Lautsprecher unterschiedlich.

Wie es bereits ausgeführt worden ist, arbeitet das Wellenfeldsynthesesystem auf der Basis des Huygens-Prinzips und rekonstruiert eine gegebene Wellenform beispielsweise einer virtuellen Quelle, die in einem bestimmten Abstand zu einem Vorführbereich bzw. zu einem Hörer in dem Vorführbereich angeordnet ist durch eine Vielzahl von Einzelwellen. Der Wellenfeldsynthesealgorithmus erhält somit Informationen über die tatsächliche Position eines Einzellautsprechers aus dem Lautsprecherarray, um dann für diesen Einzellautsprecher ein Komponentensignal zu berechnen, das dieser Lautsprecher dann letztendlich abstrahlen muss, damit beim Zuhörer eine Überlagerung des Lautsprechersignals von dem einen Lautsprecher mit den Lautsprechersignalen der anderen aktiven Lautsprecher eine Rekonstruktion dahingehend durchführt, dass der Hörer den Eindruck hat, dass er nicht von vielen Einzellautsprechern „beschallt" wird, sondern lediglich von einem einzigen Lautsprecher an der Position der virtuellen Quelle.

Für mehrere virtuelle Quellen in einem Wellenfeldsynthesesetting wird der Beitrag von jeder virtuellen Quelle für jeden Lautsprecher, also das Komponentensignal der ersten virtuellen Quelle für den ersten Lautsprecher, der zweiten virtuellen Quelle für den ersten Lautsprecher, etc. berechnet, um dann die Komponentensignale aufzuaddieren, um schließlich das tatsächliche Lautsprechersignal zu erhalten. Im Falle von beispielsweise drei virtuellen Quellen würde die Überlagerung der Lautsprechersignale aller aktiven Lautsprecher beim Hörer dazu führen, dass der Hörer nicht den Eindruck hat, dass er von einem großen Array von Lautsprechern beschallt wird, sondern dass der Schall, den er hört, lediglich von drei an speziellen Positionen positionierten Schallquellen kommt, die gleich den virtuellen Quellen sind.

Die Berechnung der Komponentensignale erfolgt in der Praxis meist dadurch, dass das einer virtuellen Quelle zugeordnete Audiosignal je nach Position der virtuellen Quelle und Position des Lautsprechers zu einem bestimmten Zeitpunkt mit einem Verzögerungs- und einem Skalierungswert beaufschlagt wird, um ein verzögertes und/oder skaliertes Audiosignal der virtuellen Quelle zu erhalten, das das Lautsprechersignal unmittelbar darstellt, wenn nur eine virtuellen Quelle vorhanden ist, oder das nach Addition mit weiteren Komponentensignalen für den betrachteten Lautsprecher von anderen virtuellen Quellen dann zum Lautsprechersignal für den betrachteten Lautsprecher beiträgt.

Typische Wellenfeldsynthesealgorithmen arbeiten unabhängig davon, wie viele Lautsprecher im Lautsprecherarray vorhanden sind. Die der Wellenfeldsynthese zugrundeliegende Theorie besteht darin, dass jedes beliebige Schallfeld durch eine unendlich hohe Anzahl von Einzellautsprechern exakt rekonstruiert werden kann, wobei die einzelnen Einzellautsprecher unendlich nahe zueinander angeordnet sind. In der Praxis kann jedoch weder die unendlich hohe Anzahl noch die unendlich nahe Anordnung realisiert werden. Statt dessen existiert eine begrenzte Anzahl von Lautsprechern, die zudem in bestimmten vorgegebenen Abständen zueinander angeordnet sind. Damit wird in realen Systemen immer nur eine Annäherung an die tatsächliche Wellenform erreicht, die stattfinden würde, wenn die virtuelle Quelle tatsächlich vorhanden wäre, also eine reale Quelle sein würde.

Aufgrund von Lautsprecher-Array-Effekten kommt es unterhalb einer Aliasing-Frequenz zu einer Summierung der Tieftonanteile von beispielsweise 3dB pro Oktave. Diese Verstärkung ist eine Folge der Schallwellenüberlagerungen für tiefe Töne in der WFS-Wiedergabe. Deshalb wird für die WFS-Wiedergabe unterhalb der Aliasing-Frequenz ein statisches Filter berechnet, welches den Tieftonanteil korrigiert, d.h. absenkt. Dieses Filter wird in Abhängigkeit von dem Lautsprecherabstand berechnet und die Justierung der Aliasing-Frequenz erfolgt momentan manuell nach dem Höreindruck des Tonmeisters.

Es hat sich herausgestellt, dass die manuelle Einstellung subjektiv und damit aufwändig ist und ferner zu starken Qualitätsschwankungen des wahrgenommenen Tons geführt hat.

Die Fachveröffentlichungen von E. Corteel, U. Horbach, R. S. Pellegrini: „Multichannel Inverse Filtering of Multiexciter Distributed Mode Loudspeakers for Wave Field Synthesis", AES convention paper 5611, 10. bis 13. Mai, München, und U. Horbach, E. Corteel, D. de Vries: „Spatial Audio Reproduction using Distributed Mode Loudspeaker Arrays", AES conference paper, 1. bis 3. Juni, St. Petersburg, als auch das Patent DE 103 21 986 beziehen sich auf Amplituden bzw.

Frequenzmanipulation zu Qualitätsverbesserungen in der Wellenfeldsynthese.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Konzept zum Aliasing Korrigieren in einem Wellenfeldsynthesesystem zu schaffen, welches Qualitätsschwankungen im wahrgenommenen Ton reduziert.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren gemäß Patentanspruch 13 oder ein Computerprogramm gemäß Patentanspruch 14 gelöst.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Aliasing-Korrigieren in einem Wellenfeldsynthesesystem dadurch verbessert wird, dass die für eine virtuelle Quelle spezifische Aliasing-Filtereigenschaft unter Verwendung der Quellpositionsinformation ermittelt wird.

Diese Aliasing-Filtereigenschaft, die z.B. die Aliasing-Frequenz sein kann, wird mit Hilfe der Quellenpositionsinformation ermittelt. Diese Aliasing-Filtereigenschaft wird für ein adaptives Anti-Aliasing-Filter zum adaptiven Filtern des der Quellen zugeordneten Audiosignals oder der der Quellen zugeordneten Komponentensignale verwendet.

In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Abhörpunkt im Wiedergaberaum gewählt und das Wellenfeldsynthesemodul liefert für eine virtuelle Quelle entsprechende Skalierungs- und Verzögerungswerte für die einzelnen Lautsprecher. Unter Benutzung der Schallausbreitungsgesetze werden daraus für einen bestimmten Impuls der Amplitudenwert und den Zeitwert des Eintreffens des Impulses am Abhörpunkt berechnet. Die einzelnen Impulse der einzelnen Lautsprecher kommen nicht zeitgleich am Abhörpunkt an und liefern stattdessen Zeitsignale und Zeitwerte. Diese Zeitsignale werden in eine spektrale Darstellung transformiert, aus der die Aliasing-Frequenz ermittelt wird. Diese Aliasing-Frequenz markiert den Bereich zwischen einem fluktuierenden Verhalten der Spektraldarstellung und einem anwachsendem Verhalten zu niederen Frequenzen. Diese Aliasing-Frequenz dient nun als Eingabe für ein Anti-Aliasing-Filter, welches den Pegel unterhalb der Aliasing-Frequenz korrigiert, z.B. mit 3dB pro Oktave dämpft.

Ein Vorteil erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele besteht darin, dass jeder virtuellen Quelle eine Aliasing-Frequenz zugeordnet wird. Damit ist es möglich, auch bewegte virtuelle Quellen dynamisch zu filtern und somit werden Klangverfärbungen infolge der Bewegung unterdrückt. In bisher benutzten statischen Filtern ist dies nicht möglich und infolgedessen führen diese statischen Filter zu einer Verfälschung des Klangs bei einer Bewegung der virtuellen Quellen. Bei einer Implementierung des Aliasing-Filters in einem Computersystem, kann man dabei die Filterung zeitnah mit der Bewegung der virtuellen Quellen ausführen. Um Rechenzeit einzusparen, kann man in einem weiteren Ausführungsbeispiel die Aliasing-Frequenz nicht kontinuierlich für alle möglichen Positionen der virtuellen Quelle berechnen, sondern stattdessen nur für diskrete Punkte ermitteln. Diese erhaltenen Aliasing-Frequenzen können z.B. in eine Tabelle aufgenommen werden, so dass weitere Berechnungen entfallen. Die erreichte Qualität wird durch die Dichte der diskreten Punkte gegeben.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass man das Aliasing-Filtern auch in Bezug verschiedene Abhörpunkte durchführen kann. Durch Mittelung dieser verschiedenen Aliasing-Frequenzen, die einer virtuellen Quelle zugeordnet sind, kann man eine gemittelte Aliasing-Frequenz für den gesamten Abhörraum ermitteln. Diese gemittelte Aliasing-Frequenz ändert sich wiederum bei einer Änderung der Position der virtuellen Quelle und kann wie zuvor beschrieben in Abhängigkeit von der Position der virtuellen Quelle korrigiert werden.

Erfindungemäß wird also berücksichtigt, dass die Charakteristik dieser Tieftonanhebung dynamisch ist und von unterschiedlichen Faktoren abhängt. Dies sind z.B. die Lautsprecherdichte und der Einfallswinkel der virtuellen Schallquellen.

Die Aliasing-Frequenz ändert sich mit der Positionierung der virtuellen Schallquellen und ist folglich dynamisch. Diese Dynamik wird in der derzeitigen Berechnung nicht berücksichtigt. Ein wesentlicher Nachteil bisheriger WFS-Systeme ist, das Quellbewegungen als Klangfarbenänderungen wahrnehmbar sind. Diese sind die Folge des statischen Filters und der dynamischen Änderung der Aliasing-Frequenz und der Bass Anhebung. Besonders signifikant sind diese Klangfarbenänderungen, wenn sich die virtuelle Quelle parallel zu den Lautsprechern bewegt. Ein weiterer Nachteil der bestehenden Technik besteht darin, dass verschiedene Lautsprecher Setups (mit unterschiedlichen Lautsprecherabständen) die Aliasing-Frequenz und die Bass Anhebung beeinflussen, welche bisher manuell auf dem jeweiligen Setup angepasst werden muss.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegende Zeichnung detailliert erläutert. Es zeigen:

1a ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aliasing-Filtern in einem Wellenfeldsynthesesystem, wobei die Komponentensignale gefiltert werden;

1b ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aliasing-Filtern in einem Wellenfeldsynthesesystem, wobei die Audiosignale, die einer virtuellen Quelle zugeordnet sind, gefiltert werden;

2 ein Prinzipschaltbild in einer Wellenfeldsyntheseumgebung, wie sie für die vorliegende Erfindung einsetzbar ist;

3a ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Ermitteln der Aliasing-Frequenz;

3b eine Skizze zur Erläuterung des Ausbreitungsverzögerungs- und Ausbreitungsskalierungswerts von den Lautsprechern zu dem Abhörpunkt;

3c ein Beispiel von 10 Lautsprechern, wo die Skalierungs- und Verzögerungswerte der einzelnen Lautsprecher zu einem Zeitsignal am Abhörpunkt kombiniert werden, aus welchem man nach der spektralen Darstellung die Aliasing-Frequenz ermittelt;

4 ein Blockschaltbild zur Ermittlung der Aliasing-Frequenzen, die verschiedenen virtuellen Quellen entsprechen;

5 ein Blockschaltbild zur Mittelung der Aliasing-Filtereigenschaften für verschiedene Abhörpunkte;

6 ein Blockschaltbild für ein adaptives Filter für mehrere virtuelle Quellen; und

7 ein prinzipielles Blockschaltbild eines Wellenfeldsynthesesystems mit Wellenfeldsynthesemodul und Lautsprecherarray in einem Vorführbereich.

Bevor detailliert auf die vorliegende Erfindung eingegangen wird, wird nachfolgend anhand von 7 der prinzipielle Aufbau eines Wellenfeldsynthesesystems dargestellt. Das Wellenfeldsynthesesystem hat ein Lautsprecherarray 700, das bezüglich eines Vorführbereichs 702 platziert ist. Im einzelnen umfasst das in 7 gezeigte Lautsprecherarray, das ein 360°-Array ist, vier Arrayseiten 700a, 700b, 700cund 700d. Ist der Vorführbereich 702 z.B. ein Kinosaal, so wird bezüglich der Konventionen vorne/hinten oder rechts/links davon ausgegangen, daß sich die Kinoleinwand auf derselben Seite des Vorführbereichs 702 befindet, an der auch das Teil-Array 700c angeordnet ist. In diesem Fall würde der Betrachter, der an dem hier so genannten Optimal-Punkt P in dem Vorführbereich 702 sitzt, nach vorne, also auf die Leinwand, sehen. Hinter dem Zuschauer würde sich dann das Teil-Array 700a befinden, während sich links vom Zuschauer das Teil-Array 700d befinden würde, und während sich rechts vom Zuschauer das Teil-Array 700b befinden würde. Jedes Lautsprecherarray besteht aus einer Anzahl von verschiedenen Einzellautsprechern 708, die jeweils mit eigenen Lautsprechersignalen angesteuert werden, die von einem Wellenfeldsynthesemodul 710 über einen in 7 lediglich schematisch gezeigten Datenbus 712 bereitgestellt werden. Das Wellenfeldsynthesemodul ist ausgebildet, um unter Verwendung der Informationen über z.B. Art und Lage der Lautsprecher bezüglich des Vorführbereichs 702, also von Lautsprecher-Informationen (LS-Infos), und gegebenenfalls mit sonstigen Inputs Lautsprechersignale für die einzelnen Lautsprecher 708 zu berechnen, die jeweils von den Audiotracks für virtuelle Quellen, denen ferner Positionsinformationen zugeordnet sind, gemäß den bekannten Wellenfeldsynthesealgorithmen abgeleitet werden. Das Wellenfeldsynthesemodul kann ferner noch weitere Eingaben erhalten, wie beispielsweise Informationen über die Raumakustik des Vorführbereichs etc.

Die nachfolgenden Ausführungen zur vorliegenden Erfindung können prinzipiell für jeden Punkt P in dem Vorführbereich durchgeführt werden. Der Optimal-Punkt kann somit an jeder beliebigen Stelle im Vorführbereich 702 liegen. Es kann auch mehrere Optimal-Punkte, z.B. auf einer Optimal-Linie, geben. Um jedoch möglichst gute Verhältnisse für möglichst viele Punkte im Vorführbereich 702 zu erhalten, wird es bevorzugt, den Optimal-Punkt bzw. die Optimal-Linie in der Mitte bzw. am Schwerpunkt des Wellenfeldsynthesesystems, das durch die Lautsprecher-Teilarrays 700a, 700b, 700c, 700d definiert ist, anzunehmen.

1a zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aliasing-Korrigieren in einem Wellenfeldsynthesesystem, das Bezug nehmend auf 7 dargelegt worden ist. Zentrum einer Wellenfeldsyntheseumgebung ist ein Wellenfeldsynthesemodul 100, welches einen Eingang für die Audiosignale 102 der virtuellen Quellen besitzt, einen Eingang für die Positionsdaten 104 der virtuellen Quellen, einen Eingang für die Positionsdaten der Lautsprecher 106 und gegebenenfalls sonstige Eingänge 108, die z.B. Informationen über die Raumakustik liefern, besitzt. In einem Ausgang liefert das Wellenfeldsynthesemodul 100 die Komponentensignale 110 als auch die entsprechenden Verzögerungs- und Skalierungswerte für die einzelnen Lautsprecher. Diese Daten dienen als Eingangsdaten der Einrichtung 120 zur Ermittlung einer Quellen spezifischen Aliasing-Filtereigenschaft (AFE) 130, die darüber hinaus gegebenenfalls noch die Information zur Position des Abhörpunktes 125 erhält. Die Aliasing-Filtereigenschaft 130 als auch die Komponentensignale 110 dienen als Eingangssignale für das adaptive Anti-Aliasing-Filter 140 für die virtuellen Quellen. Nach dem Filtern der Komponentensignale 110 werden in einer Einrichtung zum Kombinieren der Komponentensignale 150 die entsprechenden Lautsprechersignale 160 erstellt.

In 1b ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt, bei der nicht die Komponentensignale 110 durch das adaptive Anti-Aliasing-Filter 140 gefiltert werden, sondern die Audiosignale 102 in dem adaptiven Anti-Aliasing-Filter 140 für virtuellen Quellen gefiltert werden. Das gefilterte Audiosignal 165 wird in das Wellenfeldsynthesemodul 100 eingegeben, um gefilterte Komponentensignale zu erzeugen und in der Einrichtung 150 zum Kombinieren der Komponentensignale die entsprechenden Lautsprechersignale 160 zu erzeugen.

Wie es aus 2 ersichtlich ist, erhält das Wellenfeldsynthesemodul 100 von jeder virtuellen Quelle ein Audiosignal und eine Positionsinformation. Beispielhaft ist in dieser Figur gezeigt: das Audiosignal der ersten Quelle 212 und die Position der ersten Quelle 214, das Audiosignal der zweiten Quelle 222 und die Positionsinformation der zweiten Quelle 224 als auch das Audiosignal der letzten Quelle 232 und die Positionsinformation der letzten Quelle 234. Unter Verwendung der Daten zur Position der Lautsprecher 106 als auch sonstiger Eingaben wie z.B. der Raumakustik 108 bestimmt das Wellenfeldsynthesemodul 100 daraus für jede virtuelle Quelle die Komponentensignale die für jeden Lautsprecher. Beispielhaft gezeigt sind die Komponentensignale der ersten virtuellen Quelle KS11 bis KSn 240, der zweiten virtuellen Quelle KS21 bis KS2n 250 als auch die Komponentensignale der letzten virtuellen Quelle KSm1 bis KSmn 260.

3a zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäß bevorzugten Vorrichtung zur Bestimmung der Aliasing-Frequenz. Das Wellenfeldsynthesemodul 100 erzeugt für eine virtuelle Quelle ein Wellenfeldsyntheseskalierungswert (WFS-SW) und ein Wellenfeldsyntheseverzögerungswert (WFS-VW) 310. Aus der Position des Abhörpunktes 320 und der Information über die Position der Lautsprecher 330 wird in der Einrichtung 340 ein Ausbreitungsverzögerungswert (AVZW) als auch ein Ausbreitungsskalierungswert (ASKW) ermittelt. Diese Werte dienen zusammen mit dem WFS-SW und dem WFS-VW 310 als Eingang in die Einrichtung 350, die ein Gesamtskalierungswert (GSW) als auch einen Gesamtverzögerungswert (GVW) ermittelt. Daraus wird in der Einrichtung 360 ein Zeitsignal und entsprechende Zeitwerte ermittelt, die in der Einrichtung 370 in eine spektrale Darstellung umgesetzt wird. Schließlich wird in der Einrichtung 380 diese spektrale Darstellung ausgewertet und eine entsprechende Aliasing-Frequenz 390 bestimmt.

In 3b sind verschiedene Lautsprecher 708 gezeigt, die alle mit einem eigenen Lautsprechersignal gespeist werden, das von dem Wellenfeldsynthesemodul 100 erzeugt worden ist. So kann jeder Lautsprecher als Punktwelle modelliert werden, die ein konzentrisches Wellenfeld ausgibt. Der Gesetzmäßigkeit des konzentrischen Wellenfelds folgend fällt der Pegel des Schallfeldes mit dem Abstand r zu den Lautsprechern ab und zwar um den Faktor 1/r2. Für das Signal ergibt sich somit eine Abhängigkeit von 1/r. Unter Berücksichtigung des Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle kann damit bestimmt werden, wann (Ausbreitungsverzögerungswert) bezogen auf den Lautsprecher welches Signal in welcher Skalierung (Ausbreitungsskalierungswert) am Abhörpunkt P eintrifft.

3c zeigt ein konkretes Beispiel eines Vorführbereiches 702 mit 10 Lautsprechern, von denen die Lautsprecher 4 bis 7 ein Signal einer virtuellen Quelle mit einem bestimmten Skalierungswert und einem bestimmten Verzögerungswert 392 aussenden. Nach Berücksichtigung der zeitlichen Verzögerung und der Dämpfung infolge der Ausbreitung von den Lautsprechern zu dem Abhörpunkt P erhält man daraus für jeden Lautsprecher eine Gesamtverzögerungs- und ein Gesamtskalierungswert am Abhörpunkt 394. Werden diese Gesamtskalierungswerte gemäß den Gesamtverzögerungswerte als Zeitkoordinate aufgetragen, ergibt sich das Zeitsignal links unten in 3c, das als IR (Impulsantwort) am Abhörpunkt bezeichnet ist. Dabei entspricht das erste Signal mit der kleinsten Zeitwert dem von Lautsprecher 6 ausgesandten Signal, welches gemäß Tabelle 392 eine Skalierungswert von 0,8 und einen Verzögerungswert von 10ms aufweist. Das zweite Signal in 394 ist das Signal von Lautsprecher 5, welches gemäß Tabelle 392 einen Skalierungswert von 0,7 und eine Verzögerungswert von 12ms aufweist. Analog folgen dann die Signale vom Lautsprecher 4 und vom Lautsprecher 7, deren Skalierungs- und Verzögerungswerte ebenfalls in Tabelle 392 angegeben sind. Dieses Zeitsignal wird in einer spektralen Darstellung 396 umgewandelt, die durch zwei Bereiche gekennzeichnet ist. Zu hohen Frequenzen zeigt die spektral Darstellung ein fluktuierendes Verhalten, und zu niederen Frequenzen ein ansteigendes Verhalten. In dem Übergangsbereich zwischen den Bereichen liegt die Aliasing-Frequenz. Diese Aliasing-Frequenz dient dann als Eingangssignal für ein entsprechendes Korrekturfilter 398. Dieses Filter dient dazu, eine Absenkung der Tieftonanteile um beispielsweise 3dB pro Oktave zu bewirken.

4 zeigt ein Blockschaltbild, in dem die Ermittlung der Aliasing-Frequenzen für verschiedene virtuelle Quellen gezeigt ist. Das Wellenfeldsynthesemodul 100 liefert für jede virtuelle Quelle und für jeden Lautsprecher Skalierungs- und Verzögerungswerte. In dem hier gezeigten Beispiel sind sowohl die Skalierungs- und Verzögerungswerte der ersten virtuellen Quelle 402 als auch die Skalierungs- und Verzögerungswerte der letzten virtuellen Quelle 404 gezeigt. Durch Kombinieren dieser Werte mit den Ausbreitungsverzögerungswerte und den Ausbreitungsskalierungswerte wird somit für jede virtuelle Quelle ein Satz von Daten erhalten, der wiederum als Eingangssignale für die Einrichtung 350 zum Ermitteln der Gesamtskalierungswerte und der Gesamtverzögerungswerte dient. Daraus werden in der Einrichtung 360 für jede virtuelle Quelle separat entsprechende Zeitsignale und Zeitwerte ermittelt, die wiederum in der Einrichtung 370 in eine spektrale Darstellung umgewandelt werden. Diese spektralen Darstellungen werden in der Einrichtung 380 ausgewertet werden, so dass man Aliasing-Frequenzen 410 für jede virtuelle Quelle bekommt.

5 zeigt ein Blockschaltbild, bei dem Aliasing-Frequenzen für jeden Abhörpunkt ermittelt werden und anschließend über eine Mittelung eine gemittelte Aliasing-Frequenz bestimmt wird. Dazu dienen die Skalierungswerte und Verzögerungswerte 310 für eine virtuelle Quelle als Eingangssignale für eine Einrichtung 510 zur Ermittelung einer Quellen-spezifischen Aliasing-Filtereigenschaft für einen ersten Abhörpunkt, als auch als Eingangssignale für eine Einrichtung zur Ermittelung einer Quellen-spezifischen Aliasing-Filtereigenschaft für einen zweiten Abhörpunkt 520. Für jeden weiteren Abhörpunkt werden ebenfalls die Skalierungs- und Verzögerungswerte in eine entsprechende Einrichtung zur Ermittelung einer Quellen-spezifischen Aliasing-Filtereigenschaft ermittelt. Die so erhaltenen Filtereigenschaften für jeden Abhörpunkt werden in der Einrichtung 530 über alle Abhörpunkte gemittelt. Damit erhält man für den gesamten Abhörbereich 702 eine Aliasing-Filtereigenschaft für jede virtuelle Quelle. Diese gemittelte Aliasing-Filtereigenschaft kann z.B. eine gemittelte Aliasing-Filterfrequenz sein.

6 zeigt ein Blockschaltbild eines adaptiven Filters für virtuelle Quellen. Die Eingangssignale dieses adaptiven Filters 140 für virtuelle Quellen sind sowohl die Aliasing-Frequenzen f1 bis fn als auch die Komponentensignale 110, die mit KS11 bis KS1n für die erste virtuelle Quelle, mit KS21 bis KS2n für die zweite virtuelle Quelle und mit KSm1 bis KSmn für die letzte virtuelle Quelle bezeichnet sind. Die Ausgangssignale des adaptiven Filters 140 sind modifizierte Komponentensignale 610, die wiederum als Eingang für die Einrichtung 150 zum Kombinieren der Komponentensignale dienen, um schließlich die Lautsprechersignale 160 zu liefern.

Die in diesem Algorithmus bestimmte Aliasing-Frequenz ist die sich dynamisch ändernde Frequenz unterhalb der bei WFS-Wiedergabe eine Bassanhebung von beispielsweise 3dB pro Oktave entsteht. Oberhalb dieser Frequenz führen Aliasing-Artefakte zu Frequenzauslöschungen und Kammfiltereffekten. Wie bereits dargelegt wird durch Analyse dieser Frequenz ein dynamisches Filter berechnet, welches die Bassanhebung Quellenabhängig kompensiert. Abhängig vom verwendeten Lautsprecher-Setup entspricht diese Anhebung nicht immer dem theoretischen Wert von 3dB pro Oktave. Dieses dynamische Korrekturfilter wird bei Quellenbewegungen ständig aktualisiert. Das Resultat ist die optimale Basskorrektur für die jeweilige Quellposition.

In der technischen Realisierung werden dazu die Quellpositionsabhängigen Skalierungs- und Verzögerungswerte des Signals ständig bestimmt. Aus Kenntnis der aktuellen Aliasing-Frequenz wird ein Korrekturfilter berechnet und ständig aktualisiert (quellenpositionsabhängig). Die Lautsprechersignale für diese Quelle werden von diesem Korrekturfilter berechnet. Erfindungsgemäß wird somit ein optimaler Klang für unterschiedliche Lautsprechersetups unter Einbeziehung der quellpositionsabhängigen Aliasing-Frequenz in die Berechnung der Lautsprechersignale erreicht. Außerdem ergeben sich damit Korrekturmöglichkeiten des Lautsprecherfrequenzganges durch Einbeziehung der Lautsprecherparameter in die Berechnung. Es ist auch die Einbindung als Plugin in konventionelle Simulationstools möglich (z.B. in EASE). Ebenso können reale Schallfeldberechnungen unter Einbeziehung der gesamten Übertragungskette (Quellposition, WFS-Algorithmus, Lautsprecherparameter, Raumparameter, Abhörposition) erfolgen.

Um eine Klangverbesserung in WFS-Systemen zu erreichen wird somit bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel unter Kenntnis der Position einer virtuellen Schallquelle, sowie der Lautsprecher und Raumparameter eine komplexe Impulsantwort berechnet. Mit dieser Impulsantwort sind Simulationen und Auralisationen von WFS Schallfeldern möglich, Das System liefert weiterhin Informationen zur dynamischen Ansteuerung des Kompensationsfilters (3dB Filter) für die WFS. Ein optimierter Filter verbessert die Klangqualität eines WFS-Systems.

Abhängig von den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Schema auch in Software implementiert sein kann. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder einer 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 Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.


Anspruch[de]
Vorrichtung zum Aliasing-Korrigieren in einem Wellenfeldsynthesesystem mit einem Wellenfeldsynthesemodul (100) und einem Array von Lautsprechern (708) zur Schallversorgung eines Vorführbereichs (702), wobei das Wellenfeldsynthesemodul (100) ausgebildet ist, um ein einer virtuellen Schallquelle zugeordnetes Audiosignal (102) sowie der virtuellen Schallquelle zugeordnete Quellpositionsinformation (104) zu empfangen und unter Berücksichtigung von Lautsprecherpositionsinformationen (106) Komponentensignale (110) für die Lautsprecher aufgrund der virtuellen Quelle zu berechnen, mit folgenden Merkmalen:

einer Einrichtung zum Ermitteln (120) einer für eine Quelle spezifischen Aliasing-Filtereigenschaft (130) unter Verwendung der Quellpositionsinformationen (104); und

einem adaptiven Anti-Aliasing-Filter (140) zum adaptiven Filtern des der Quelle zugeordneten Audiosignals (102) oder der der Quelle zugeordneten Komponentensignale (110), wobei das adaptive Anti-Aliasing-Filter (140) gemäß der für die Quelle spezifischen Aliasing-Filtereigenschaft (130) eingestellt ist, um ein Aliasing-Korrigieren zu bewirken.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Einrichtung zum Ermitteln (120) ausgebildet ist, um die Aliasing-Filtereigenschaft (130) unter Verwendung einer Impulsantwort für einen Kanal zwischen der virtuellen Quelle und einem Abhörpunkt (P) in dem Wiedergaberaum (702) zu berechnen. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Einrichtung zum Ermitteln (120) ausgebildet ist, um für Lautsprecher (708) in dem Array, den Lautsprechern zugeordneten Wellenfeldsynthese-Skalierungswerte und Wellenfeldsynthese-Verzögerungswerte (310) zu erhalten, und um basierend auf einem Abhörpunkt (P) in dem Wiedergaberaum (702) und den Wellenfeldsynthese-Skalierungswerten und Wellenfeldsynthese-Verzögerungswerten (310) die Aliasing-Filtereigenschaft (130) zu ermitteln. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Einrichtung zum Ermitteln (120) ausgebildet ist, um Ausbreitungsverzögerungswerte und Ausbreitungsskalierungswerte (340) zwischen den Lautsprechern (708) und dem Abhörpunkt (P) zu ermitteln, um für jeden Lautsprecher den Wellenfeldsynthese-Verzögerungswert und den Ausbreitungsverzögerungswert zu kombinieren, um einen Gesamtverzögerungswert zu erhalten, um für jeden Lautsprecher den Wellenfeldsynthese-Skalierungswert und den Ausbreitungsskalierungswert zu kombinieren, um einen Gesamtskalierungswert zu erhalten, und um eine Impulsantwort zu der virtuellen Quelle und dem Abhörpunkt (P) unter Verwendung der Gesamtskalierungswerte und der Gesamtverzögerungswerte für die Lautsprecher (708) zu ermitteln. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die Einrichtung zum Ermitteln (120) ausgebildet ist, um ein Zeitsignal mit Zeitwerten, dessen Zeitkoordinaten durch die Gesamtverzögerungswerte definiert sind, und deren Amplituden durch die Gesamtskalierungswerte definiert sind, in eine spektrale Darstellung umzusetzen, und um als Aliasing-Filtereigenschaft (130) eine Aliasing-Filterfrequenz (390) aus der spektralen Darstellung zu ermitteln. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die Einrichtung zum Ermitteln (120) ausgebildet ist, um als Aliasing-Filtereigenschaft (130) eine Aliasing-Filterfrequenz (390) aus einer spektralen Darstellung der Impulsantwort zu ermitteln. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, bei der die Einrichtung zum Ermitteln (120) ausgebildet ist, um als Aliasing-Filterfrequenz (390) eine Frequenz zu ermitteln, die in einem Bereich liegt, der zu niedrigen Frequenzen durch eine Zunahme der spektralen Darstellung begrenzt wird, und der zu höheren Frequenzen durch eine Fluktuation der spektralen Darstellung begrenzt wird. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der die Einrichtung zum Ermitteln (120) ausgebildet ist, um als Aliasing-Filtereigenschaft (130) eine Frequenz zu wählen, die um weniger als ± 25 % von einem Frequenzwert abweicht, der einen Übergangswert zwischen einer Zunahme der spektralen Darstellung und einer Fluktuation der spektralen Darstellung entspricht. Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, bei der die Einrichtung zum Ermitteln (120) ausgebildet ist, um für eine virtuelle Quelle Aliasing-Filtereigenschaften (130) für verschiedene Abhörpunkte im Wiedergaberaum (702) zu ermitteln und um die verschiedenen Aliasing-Filtereigenschaften zu mitteln, um die für die Quelle spezifische Aliasing-Filtereigenschaft zu erhalten. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Einrichtung zum Ermitteln (120) ausgebildet ist, um für virtuelle Quellen an unterschiedlichen virtuellen Positionen unterschiedliche Aliasing-Filtereigenschaften zu berechnen, und bei der das adaptive Anti-Aliasing-Filter (140) ausgebildet ist, um die den virtuellen Quellen zugeordneten Audiosignale (102) oder die den virtuellen Quellen zugeordneten Komponentensignale (110) unter Verwendung der unterschiedlichen Aliasing-Filtereigenschaften zu filtern. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der das adaptive Anti-Aliasing-Filter (140) ausgebildet ist, um die Audiosignale (102), die den virtuellen Quellen zugeordnet sind, separat unter Verwendung der verschiedenen Aliasing-Filtereigenschaften zu filtern, um Aliasing-gefilterte Audiosignale zu erhalten, und wobei das Wellenfeldsynthesemodul (100) ausgebildet ist, um die Komponentensignale (110) für jede virtuelle Quelle unter Verwendung der gefilterten Audiosignale zu berechnen, und zu einem Lautsprecher gehörende Komponentensignale zu kombinieren, um ein Lautsprechersignal (160) für den Lautsprecher zu erhalten. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der das adaptive Anti-Aliasing-Filter (140) ausgebildet ist, um für eine erste virtuelle Quelle berechnete Komponentensignale (110) unter Verwendung der für die erste virtuelle Quelle spezifischen Anti-Aliasing-Filtereigenschaft (130) zu filtern, um erste Aliasing-gefilterte Komponentensignale für die erste virtuelle Quelle zu erhalten, und um für eine zweite virtuelle Quelle zweite Aliasing-gefilterte Komponentensignale für die zweite virtuelle Quelle zu erhalten, wobei das Wellenfeldsynthesemodul (100) ferner ausgebildet ist, um zu einen Lautsprecher gehörende Komponentensignale (110) der ersten Aliasing-gefilterten Komponentensignale und der zweiten Aliasing-gefilterten Komponentensignale zu kombinieren, um ein Lautsprechersignal (160) für den Lautsprecher zu erhalten. Verfahren zum Aliasing-Filterkorrigieren in einem Wellenfeldsynthesesystem mit einem Wellenfeldsynthesemodul (100) und einem Array von Lautsprechern (708) zur Schallversorgung eines Vorführbereichs (702), wobei das Wellenfeldsynthesemodul (100) ausgebildet ist, um eine virtuelle Schallquelle zugeordnetes Audiosignal (102) sowie der virtuellen Schallquelle zugeordneten Quellpositionsinformationen (104) zu empfangen und unter Berücksichtigung von Lautsprecherpositionsinformationen (106) Komponentensignale (110) für die Lautsprecher aufgrund der virtuellen Quelle zu berechnen, mit folgenden Schritten:

Ermitteln für einer eine Quelle spezifischen Aliasing-Filtereigenschaften (130) unter Verwendung der Quellpositionsinformationen (104); und

Adaptives Filtern des der Quelle zugeordneten Audiosignale (102) oder der der Quelle zugeordneten Komponentensignale (110), wobei das adaptive Filtern gemäß der für die Quelle spezifischen Aliasing-Filtereigenschaft (130) durchgeführt wird, um ein Aliasing-Korrigieren zu bewirken.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Anspruchs 13, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com