DE19847689A1

DE19847689A1 - Arrangement for 3-dimensional sound reproduction has inverse filter module for filtering sound input signal, time multiplex module that selects order filtering, and several loudspeakers

Info

Publication number: DE19847689A1
Application number: DE19847689A
Authority: DE
Inventors: Doh-Hyung Kim; Yang-Seock Seo
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1998-10-15
Filing date: 1998-10-15
Publication date: 2000-04-20
Anticipated expiration: 2018-10-16
Also published as: CN1253464A; NL1010347C2; DE19847689B4; CN1141007C

Abstract

The arrangement has an inverse filter module (100) for filtering a sound input signal so that each listener (400) can have virtually the same sound source. A time multiplex module (200) selects the order of sound signals to be filtered by the inverse filter in a defined interval and several loudspeakers (300) output the signal selected by the time multiplexer as sound. An Independent claim is also included for a method of reproducing a sound input signal.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dreidimen sionalen (3D) Tonwiedergabe, insbesondere für mehrere Zuhö rer, die den Zuhörern gleichzeitig den gleichen dreidimen sionalen Ton liefert, sowie ein entsprechendes Verfahren.The invention relates to a device for three dimensions sional (3D) sound reproduction, especially for several listeners rer, the same three dimensions to the listeners sional sound delivers, as well as a corresponding process.

Auf dem Gebiet der Tontechnik sind Anstrengungen unter nommen worden, eine Tonwiedergabe mit dem vollen Gefühl der Präsenz zu erzielen, indem ein Lautsprecher an einem ein dimensionalen Punkt oder in einer zweidimensionalen Ebene angeordnet wurde. Das heißt, daß am Anfang der Entwicklung ein monophones System, dann ein stereophones System und schließlich ein Dolby-Surround-Tonsystem für eine Tonwieder gabe mit dem Gefühl der Präsenz entwickelt wurden. Mit fort schreitender Multimediatechnik hat sich das Ziel der Technik bezüglich der Aufzeichnung und Wiedergabe akustischer Infor mationen, beispielsweise eines Tonsignals, sowie optischer Informationen von einer naturgetreuen Wiedergabe mit dem Gefühl der Präsenz zu einer Wiedergabe mit einem dreidimen sionalen Tonraum verschoben, bei der ein Lautsprecher an einer willkürlichen Position angeordnet werden kann. Efforts are underway in the field of sound engineering has been taken, a sound reproduction with the full feeling of Achieve presence by placing a speaker on one dimensional point or in a two-dimensional plane was ordered. That means that at the beginning of the development a monophonic system, then a stereophonic system and finally a Dolby Surround sound system for a sound replay were developed with the feeling of presence. With away progressing multimedia technology has become the goal of technology regarding the recording and playback of acoustic information mations, for example a sound signal, and optical Information from a lifelike reproduction with the Sense of presence to a three-dimensional rendering sional sound space shifted at which a speaker can be arranged in an arbitrary position.

Die meisten Tongeräte, die gegenwärtig auf dem Markt erhältlich sind, geben statt eines monophonen Tonsignals ein stereophones Tonsignal wieder. Wenn ein stereophones Tonsi gnal wiedergegeben wird, ist der Bereich, in dem eine Prä senz durch die wiedergegebenen Signale spürbar ist, durch die Installationspositionen der Lautsprecher begrenzt. Um diesen Bereich zu verbessern, wurden daher Studien zur Ver besserung der Wiedergabefähigkeit von Lautsprechern und zur Erzeugung eines virtuellen Signals unter Verwendung einer Signalverarbeitung durchgeführt.Most sound devices currently on the market are available instead of a monophonic tone stereophonic sound signal again. If a stereophonic tonsi gnal is the area in which a pre is noticeable through the reproduced signals limits the installation positions of the speakers. Around To improve this area, studies on ver improve the reproducibility of speakers and for Generation of a virtual signal using a Signal processing carried out.

Aus diesen Studien ist als typisches System das sog. Dolby-Surround-Stereosystem der Surround-Wiedergabe entstan den, das eine Gruppe von fünf Lautsprechern verwendet. Bei diesem System wird ein virtuelles Signal, das an die hinte ren Lautsprecher ausgegeben wird, separat verarbeitet. Das virtuelle Signal wird dadurch erzeugt, daß das Signal nach Maßgabe der räumlichen Bewegung des Signals verzögert wird und ein Signal mit verringerter Amplitude an die hinteren Lautsprecher übertragen wird. Gegenwärtig verwenden die meisten Videokassettenrekorder und Laserplattenspieler für den Hausgebrauch eine Technik, die Dolby-Pro-Logic-Surround- System genannt wird. Bei einer Vorrichtung, die diese Tech nik verwendet, kann zu Hause eine Tonwiedergabe mit Bühnen qualität erfolgen.From these studies, the so-called. Dolby surround stereo system for surround playback was created the one that uses a group of five speakers. At this system will send a virtual signal to the rear speaker is processed separately. The virtual signal is generated by the signal after Provided the spatial movement of the signal is delayed and a signal with reduced amplitude to the rear Speaker is transmitted. They are currently using most video cassette recorders and laser record players for a technology that uses Dolby Pro Logic Surround System is called. In a device that this Tech nik used, can play a sound at home with stages quality done.

Obwohl in der oben beschriebenen Weise ein mehr natur getreuer Ton dadurch erhalten werden kann, daß die Anzahl der Kanäle vergrößert wird, müssen dann jedoch so viele Lautsprecher wie Kanäle verwandt werden. Das führt zu Ko stenschwierigkeiten und zu Schwierigkeiten hinsichtlich des Installationsplatzes.Although in the manner described above a more natural true tone can be obtained by the number the channels are enlarged, however, then so many Speakers can be used like channels. That leads to knockout difficulties and difficulties regarding the Installation space.

Diese Probleme können dadurch vermindert werden, daß die Ergebnisse von Studien herangezogen werden, in welcher Weise Menschen einen Ton hören und fühlen, der in einen dreidimensionalen Raum austritt. Unter den Studien hinsicht lich der menschlichen Tonaufnahme sind diejenigen Studien von besonderer Bedeutung, die sich mit der Erkennung einer Tonquelle in einem dreidimensionalen Raum mit beiden Ohren befassen.These problems can be alleviated by the fact that the results of studies are used in which Wise people hear and feel a sound that is in you three-dimensional space emerges. Among the studies Human studies are those studies of particular importance, which deals with the detection of a Sound source in a three-dimensional space with both ears deal.

Die Studien, die sich mit der Tonerkennung mit beiden Ohren befassen, betreffen den gegenseitigen Einfluß von Eingangssignalen an beiden Ohren, d. h. den interauralen Intensitätsunterschied der Amplitude der Signale am rechten und am linken Ohr oder den Phasenunterschied der Tonsignale am rechten und linken Ohr, der aufgrund des interauralen Zeitunterschiedes bei der Tonübertragung erzeugt wird. Diese Untersuchungen haben zum Ergebnis gehabt, daß ein Modell der Erkennungsfähigkeit einer Tonquelle an einem Punkt in einem Raum erstellt wurde. Diese Erkennungsfähigkeit wird als kopfbezogene Übertragungsfunktion HRTF bezeichnet.The studies dealing with sound recognition with both Ears deal with the mutual influence of Input signals on both ears, i.e. H. the interaural Difference in intensity of the amplitude of the signals on the right and on the left ear or the phase difference of the sound signals on the right and left ear, due to the interaural Time difference in sound transmission is generated. This Studies have shown that a model of Detectability of a sound source at one point in one Space was created. This recognition ability is called head-related transfer function called HRTF.

Die HRTF ist ein Filterkoeffizient zur Modellwiedergabe der Wege von einer Tonquelle zum Trommelfell und hat einen charakteristischen Wert, der nach Maßgabe der relativen Position der Tonquelle und des Kopfes variiert. Die HRTF wird als Impulsansprech- oder -übertragungsfunktion am Mit telohr bezüglich eines Charakteristikums für den Fall wie dergegeben, daß das Signal auf beide Ohren übertragen wird, wenn eine Tonquelle an einem Punkt im Raum vorhanden ist. Durch die Anwendung der HRTF wird es möglich, eine Position, an der ein Ton vorhanden ist, zu einer anderen willkürlichen Position in einem dreidimensionalen Raum zu verschieben.The HRTF is a filter coefficient for model rendering the way from a sound source to the eardrum and has one characteristic value that according to the relative Position of the sound source and the head varies. The HRTF is used as an impulse response or transmission function on Mit telohr regarding a characteristic for the case like given that the signal is transmitted to both ears, when there is a sound source at a point in the room. By applying the HRTF it becomes possible to take a position where there is a tone, to another arbitrary Move position in a three-dimensional space.

Es wurden in der Zwischenzeit viele Studien hinsicht lich der Frage durchgeführt, wie der Hörsinn von Menschen einen dreidimensionalen Tonraum erkennen kann. Kürzlich wurde eine virtuelle Tonquelle vorgeschlagen und untersucht, wo das tatsächliche Anwendungsgebiet dieser Tonquelle liegt.In the meantime, many studies have been undertaken Lich asked the question of how people's hearing can recognize a three-dimensional sound space. Recently a virtual sound source was proposed and examined, where the actual field of application of this sound source lies.

Im allgemeinen ist ein stereophoner Ton am besten an einer Stelle zu hören, die der Scheitelpunkt eines gleich schenkligen Dreiecks mit einer Basis ist, die die beiden Lautsprecher verbindet. Da es jedoch nicht möglich ist, die Position der Zuhörer auf diese Position zu beschränken, treten räumliche Probleme auf. Es ist auch sehr schwierig, den Ton nach Maßgabe der Position der Zuhörer abzugleichen.In general, a stereophonic sound is best to hear a point that is equal to the vertex of one limb triangle with a base that is the two Loudspeaker connects. However, since it is not possible to To limit the position of the listeners to this position, spatial problems arise. It’s also very difficult adjust the sound according to the position of the listeners.

Dieses Problem ist bereits durch die Entwicklung eines sog. uniorientierten Lautsprechers gelöst worden, der in einer herkömmlichen Lautsprechereinheit einen harten Ton in Richtung auf einen Zuhörer erzeugt. Das Charakteristikum eines derartigen Lautsprechers besteht darin, daß die Zuhö rer an irgendeiner Position vor der Lautsprechereinheit einen abgeglichenen stereophonen Ton hören können. Bei einem herkömmlichen Lautsprechersystem nimmt dann, wenn sich ein Zuhörer bezüglich der Lautsprechereinheit nach links bewegt, der vom rechten Lautsprecher erzeugte Ton ab. Da jedoch der uniorientierte Lautsprecher in der Lautsprechereinheit unter einem Winkel von 45° nach innen gerichtet ist, erzeugt der rechte Lautsprecher einen harten Ton nach links und einen weichen Ton nach rechts. Umgekehrt erzeugt der uniorientier te Lautsprecher der linken Lautsprechereinheit einen weichen Ton nach links und einen harten Ton nach rechts. Die Tonsi gnale von den beiden Lautsprechern bleiben somit abgegli chen, auch wenn sich der Zuhörer auf der rechten oder linken Seite befindet.This problem is already developing So-called unoriented speaker has been solved, which in a hard sound in a conventional speaker unit Direction towards a listener. The characteristic such a speaker is that the Zuhö somewhere in front of the speaker unit can hear a balanced stereophonic sound. At a conventional speaker system picks up when a Listener moved to the left of the speaker unit, the sound produced by the right speaker. However, since the unoriented speakers in the speaker unit below is directed inwards at an angle of 45 ° right speaker a hard tone to the left and one soft tone to the right. Conversely, the uniorientier creates speaker of the left speaker unit is soft Sound to the left and a hard sound to the right. The tonsi Signals from the two loudspeakers thus remain balanced Chen, even if the listener is on the right or left Side.

Ein weiteres Lautsprechersystem, das entwickelt worden ist, liefert einen virtuell echten Ton, indem ein Ton von der Rückseite, wo sich tatsächlich kein Lautsprecher befin det, bei nur zwei Lautsprechern gehört werden kann, die an der Vorderseite angeordnet sind. Dieses Lautsprechersystem nutzt eine Hörhalluzination des Menschen. Menschen suchen mit beiden Ohren unbewußt nach der Richtung des Tons. Die Schallgeschwindigkeit beträgt 340 m/s und der Abstand zwi schen den Ohren liegt bei etwa 20 cm, so daß der Zeitunter schied zum Übertragen eines Tons zu beiden Ohren maximal 1/500 Sekunde beträgt. Der Unterschied im Pegel des Tons an beiden Ohren ist gleichfalls ein Hauptfaktor bei der Erken nung der Tonrichtung. Menschen erkennen eine Tonquelle, indem sie die Information aus diesen beiden Unterschieden und die Augen benutzen. Wenn somit die Zeit zur Übertragung des Tons zu beiden Ohren gesteuert werden kann, kann der von nur zwei Lautsprechern erzeugte Ton den gesamten Raum ab decken, so daß der Zuhörer das Gefühl hat, er säße in einem Theater.Another speaker system that has been developed delivers a virtually real sound by a sound from the back, where there is actually no loudspeaker det, with only two speakers can be heard on the front are arranged. This speaker system uses a human hearing hallucination. People looking with both ears unconsciously in the direction of the sound. The Speed of sound is 340 m / s and the distance between the ears is about 20 cm, so the time is short decided to transmit a sound to both ears at most Is 1/500 second. The difference in the level of the sound Both ears is also a major factor in erkening tone direction. People recognize a sound source by taking the information from these two differences and use the eyes. So when the time to transfer of the sound can be controlled to both ears, that of only two speakers produced sound from the entire room cover so that the listener has the feeling that he is sitting in one Theatre.

Alle 3D-Tontechniken, die bisher entwickelt wurden, waren jedoch auf einen einzigen Zuhörer ausgerichtet. Das heißt, daß die gegenwärtig erhältlichen Tonwiedergabesysteme einen Stereoeffekt liefern, wenn sich ein einzelner Zuhörer am Scheitelpunkt eines gleichschenkligen Dreiecks befindet, dessen Basis die gerade Linie zwischen zwei Lautsprechern ist. Bei mehreren Zuhörern ist der gleiche und ein gleich zeitiger Stereoeffekt nicht möglich.All 3D sound techniques that have been developed so far however, were aimed at a single listener. The means that the currently available sound reproduction systems deliver a stereo effect when there is a single listener is at the vertex of an isosceles triangle, the base of which is the straight line between two speakers is. If there are several listeners, the same and one is the same early stereo effect not possible.

Dieses Problem wird besonders deutlich bei Systemen für Theater für den Hausgebrauch oder Heimtheater. Wenn gemäß Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung alle Familienmitglieder um eine Tonquelle herum sitzen, kann ein herkömmliches Heim theatersystem nicht alle Familienmitglieder mit einem guten stereophonen Ton versorgen.This problem is particularly evident in systems for home theater or home theater. If, according to FIG. 1 of the accompanying drawing, all family members sit around a sound source, a conventional home theater system cannot supply all family members with a good stereophonic sound.

Kürzlich ist vorgeschlagen worden, für ein Gefühl der Präsenz und für ein Raumgefühl dadurch zu sorgen, daß mehr Lautsprecher benutzt werden, indem statt einer Zweikanal wiedergabe ein Dolby-Pro-Logic-System vorgesehen wird. Bei diesem System sollten jedoch die Zuhörer in der Mitte eines Kreises angeordnet sein, der alle Lautsprecher verbindet, damit sie in den Genuß des vollständigen dreidimensionalen Effektes kommen. Für eine Mehrkanaltonwiedergabe sollten weiterhin mehrere Lautsprecher und Verstärker jeweils zum Ansteuern jedes Lautsprechers vorgesehen sein. Dadurch tre ten Probleme hinsichtlich der Kosten und des Installations platzes auf.Recently it has been suggested for a sense of Presence and a sense of space by making more Speakers can be used by instead of a two-channel playback a Dolby Pro Logic system is provided. At In this system, however, the audience should be in the middle of a Be arranged in a circle that connects all speakers, so that they can enjoy the full three-dimensional Effects come. For multi-channel sound reproduction, still several speakers and amplifiers each for Driving each speaker can be provided. Thereby tre problems with costs and installation space.

Durch die Erfindung sollen diese Probleme beseitigt werden und soll eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Ton wiedergabe geschaffen werden, die mehreren Zuhörern unabhän gig von ihren Positionen gleichzeitig denselben dreidimen sionalen Toneffekt vermittelt. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein entsprechendes Verfahren.The invention is intended to eliminate these problems be and should be a device for three-dimensional sound playback to be created, the multiple listeners independent gig from their positions at the same three dimes sional sound effect. The subject of the invention is still a corresponding procedure.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur dreidimensionalen Tonwiedergabe für mehrere Zuhörer weist dazu einen Umkehr filtermodul zum Filtern eines Toneingangssignals derart, daß jeder Zuhörer die gleiche virtuelle Tonquelle haben kann, einen Zeitmultiplexmodul, der der Reihe nach eines der Ton signale, die durch den Umkehrfiltermodul gefiltert sind, in einem bestimmten Zeitintervall wählt, und mehrere Lautspre cher auf, die als Ton das Tonsignal ausgeben, das durch die Zeitmultiplexeinrichtung gewählt ist.The three-dimensional device according to the invention Sound reproduction for several listeners has a reversal filter module for filtering an audio input signal such that every listener can have the same virtual sound source, a time-division multiplexing module, which in turn one of the sound signals filtered by the reverse filter module in dials a specific time interval, and multiple speakers that emit as sound the sound signal that is generated by the Time division multiplexing is selected.

Durch die Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zum Wiedergeben eines Toneingangssignals über eine feste Anzahl von zwei oder mehr Lautsprechern geschaffen, um mehreren Zuhörern den gleichen dreidimensionalen Toneffekt zu geben, das die folgenden Schritte umfaßt: (a) Bilden einer Laut sprecherübertragungsfunktion, die ein Modell des Weges zwi schen den Lautsprechern und einem Ohr jedes der Zuhörer ist, (b) Bilden von Filterwerten durch Multiplikation der Kehr matrix der Lautsprecherübertragungsfunktionen mit einer virtuellen Tonquellenübertragungsfunktion, die ein Modell des Weges zwischen einer virtuellen Tonquelle und einem Ohr eines Zuhörers ist, (c) der Reihe nach erfolgendes Wählen eines der Filterwerte in einem bestimmten Intervall und (d) Faltungsverarbeitung eines Toneingangssignals mit dem ge wählten Filterwert und Ausgeben des Ergebnisses der Fal tungsverarbeitung an den Lautsprecher.The invention also provides a method for Play a sound input signal over a fixed number created by two or more speakers to several To give listeners the same three-dimensional sound effect which comprises the following steps: (a) making a sound speaker transfer function, which is a model of the path between between the speakers and one ear each of the listeners is (b) Forming filter values by multiplying the sweep matrix of speaker transmission functions with a virtual sound source transfer function which is a model the way between a virtual sound source and an ear of a listener, (c) dialing in turn one of the filter values in a certain interval and (d) Convolution processing of an audio input signal with the ge chose filter value and output the result of the case processing to the loudspeaker.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigenThe following is based on the associated drawing particularly preferred embodiment of the invention described in more detail. Show it

Fig. 1 den Fall, in dem mehrere Zuhörer bei einem her kömmlichen Stereowiedergabesystem positioniert sind, Fig. 1 shows the case are positioned in the plurality of listeners in a fro conventional stereo reproduction system,

Fig. 2 in einem Blockschaltbild den Aufbau einer drei dimensionalen Tonwiedergabevorrichtung für mehrere Zuhörer gemäß der Erfindung, Fig. 2 is a block diagram showing the structure of a three-dimensional sound reproduction apparatus according to the invention a plurality of listeners,

Fig. 3 ein Beispiel der Beziehung zwischen einer Ton quelle in einem virtuellen Raum und zwei Lautsprechern in einem Zweikanalwiedergabesystem, Fig. 3 shows an example of the relationship between a sound source in a virtual space, and two speakers in a two-channel playback system,

Fig. 4 in einem Blockschaltbild die Lautsprecherposi tionskompensationsbeziehung zum Erzeugen einer virtuellen Tonquelle in einem Zweikanalwiedergabesystem, die durch ein Übertragungsfunktionskonzept ausgedrückt wird, Fig. 4 is a block diagram of the speaker Posi tion compensation relation for creating a virtual sound source in a two-channel playback system, which is expressed by a transfer function concept,

Fig. 5 ein Beispiel der Beziehung zwischen einer virtu ellen Tonquelle und einer invers gefilterten tatsächlichen Tonquelle in einem Zweikanalwiedergabesystem, Fig. 5 shows an example of the relationship between a sound source and economic virtu an inversely filtered actual sound source in a two-channel playback system,

Fig. 6 in einem Blockschaltbild den Aufbau eines Laut sprecherpositionskompensationssystems von Fig. 4, das im einzelnen unter Verwendung einer Filtermatrix aufgebaut ist, und Fig. 6 in a block diagram the structure of a loudspeaker position compensation system of Fig. 4, which is constructed in detail using a filter matrix, and

Fig. 7 die Anordnung der Lautsprecher und eines Dummy- Kopfes bei einem Experiment zur genauen Modellwiedergabe einer HRTF an den Positionen mehrerer Zuhörer. Fig. 7 shows the arrangement of the speakers and a dummy head in an experiment to accurately model an HRTF at the positions of several listeners.

Die in Fig. 2 dargestellte dreidimensionale Tonwieder gabevorrichtung für mehrere Zuhörer weist einen Umkehrfil termodul 100, eine Zeitmultiplexeinrichtung 200 und mehrere Lautsprecher 300 auf.The three-dimensional sound reproduction device shown in FIG. 2 for a plurality of listeners has a reversing filter module 100 , a time-division multiplex device 200 and a plurality of loudspeakers 300 .

Der Umkehrfiltermodul 100 filtert ein Toneingangssig nal, derart, daß sich die gleiche virtuelle Tonquelle für alle Zuhörer 400 ergibt, und enthält mehrere Umkehrfilter teile 10, 20 und 30. Die Zeitmultiplexeinrichtung 200 wählt der Reihe nach in einem bestimmten Zeitintervall ein Tonsig nal der vom Umkehrfiltermodul 100 gefilterten Tonsignale. Die Lautsprecher 300 geben als Ton dasjenige Tonsignal aus, das von der Zeitmultiplexeinrichtung 200 gewählt ist.The reversal filter module 100 filters a sound input signal such that the same virtual sound source results for all listeners 400 , and contains a plurality of reversal filter parts 10 , 20 and 30 . The time-division multiplexing device 200 selects a tone signal of the tone signals filtered by the reversing filter module 100 in succession at a specific time interval. The loudspeakers 300 output the sound signal that is selected by the time-division multiplexing device 200 .

Bei dem entsprechenden Tonwiedergabeverfahren ist ein HRTF Meßmodell nach Maßgabe jeder Position der Zuhörer er forderlich. Der Grund dafür besteht darin, daß verglichen mit einer Standardposition eines Zuhörers in der Mitte zwi schen zwei Lautsprechern die Position von mehreren Zuhörern erwartungsgemäß beträchtlich von der Standardposition ab weichen und davon entfernt sind. Es werden daher genauere HRTF Modelle für die Lautsprecher und jeden Zuhörer benö tigt.In the corresponding sound reproduction method is a HRTF measurement model according to each position of the listener conducive. The reason for this is that compared with a standard listener position midway between two speakers the position of several listeners As expected, considerably different from the standard position give way and are removed. It will therefore be more accurate HRTF models for the speakers and every listener needed does.

Im folgenden wird eine gemäß der Erfindung benutzte HRTF Funktion beschrieben.In the following one is used according to the invention HRTF function described.

Die HRTF ist ein Filterkoeffizient, der dadurch erhal ten wird, daß der Übertragungsweg einer Tonquelle zum Trom melfell eines Menschen als Modell nachgebildet wird. Die HRTF ist gleichfalls eine Übertragungsfunktion in einer Frequenzebene, die die Übertragung des Tons von einer Ton quelle zum Hörkanal des menschlichen Ohres in einem freien Feld und weiterhin das Maß an Frequenzverzerrung durch den Kopf, die Ohrmuschel und den Körper des Menschen zeigt.The HRTF is a filter coefficient is that the transmission path of a sound source to Trom human skin is modeled. The HRTF is also a transfer function in one Frequency level, which is the transmission of sound from a sound source to the auditory canal of the human ear in a free Field and continue the degree of frequency distortion by the Head showing the auricle and human body.

Im Hinblick auf den Aufbau des Ohrs wird das Frequenz spektrum eines Signals infolge der unregelmäßigen Form der Ohrmuschel verzerrt, bevor das Signal in den Gehörkanal eintritt. Da diese Verzerrung nach Maßgabe der Richtung oder der Entfernung des Tones variiert, ist die Änderung einer solchen Frequenzkomponente ein Hauptfaktor bei der Erkennung der Tonrichtung durch den Menschen. Die HRTF zeigt das Maß an Frequenzverzerrung. In terms of the structure of the ear, this is frequency spectrum of a signal due to the irregular shape of the Distorted ear cup before the signal entered the ear canal entry. Because this distortion depends on the direction or the distance of the tone varies, the change is one such a frequency component is a major factor in the detection the tone direction by humans. The HRTF shows the measure of frequency distortion.

Die HRTF wird folglich durch die Position der Schall quelle dominiert und die HRTF für das linke Ohr und für das rechte Ohr sind bezüglich derselben Position einer Tonquelle voneinander verschieden. Da die Formen der Ohrmuschel und des Gesichtes der Menschen voneinander verschieden sind, ist auch die HRTF für jede Person verschieden.The HRTF is consequently determined by the position of the sound source dominates and the HRTF for the left ear and for the right ear are in relation to the same position of a sound source different from each other. Because the shapes of the auricle and of people's faces are different from each other also the HRTF different for each person.

Ein dreidimensionaler Ton kann unter Verwendung der HRTF wiedergegeben werden. Das heißt, daß dann, wenn die HRTF an einer bestimmten Position sowie ein Toneingangssi gnal faltungsverarbeitet werden, der Eindruck entsteht, daß der Ton an einer bestimmten Position erzeugt wird.
A three-dimensional sound can be reproduced using the HRTF. That is, when the HRTF is convolutionally processed at a certain position and a sound input signal, there is an impression that the sound is generated at a certain position.

y[n] = h[n].x[n] = IFFT{H[k].X[k]} [Gleichung 1]y [n] = h [n] .x [n] = IFFT {H [k] .X [k]} [Equation 1]

Die Faltung in einem Zeitbereich von zwei Signalen h[n] und x[n] ist im allgemeinen dasselben wie eine schnelle Umkehr-Fourier-Transformation IFFT der Multiplikation im Frequenzraum von zwei Signalen H[k] und X[k], die über eine schnelle Fouriertransformation FFT verarbeitet werden, wie es in der Gleichung 1 dargestellt ist. Die gegebene HRTF wird vorher FFT verarbeitet. Üblicherweise wird das obige Verfahren gewählt, da die Verarbeitungsgeschwindigkeit bei der Multiplikation im Frequenzraum größer als die Faltungs berechnung im Zeitraum ist.Convolution in a time range of two signals h [n] and x [n] is generally the same as a fast one Reverse Fourier transform IFFT of multiplication in Frequency space of two signals H [k] and X [k], which over a fast Fourier transform FFT can be processed like it is shown in Equation 1. The given HRTF FFT is processed beforehand. Usually the above Process chosen because the processing speed at the multiplication in the frequency domain is larger than the convolution calculation in the period.

Es wird eine HRTF, die der Anfangspositionsinformation eines Lautsprechers entspricht, gebildet, woraufhin eine weitere HRTF gebildet wird, die der Position einer virtuel len Tonquelle entspricht, und eine Matrixberechnung erfolgt. Die Matrixberechnung liefert eine Korrelation zwischen der Position eines Lautsprechers und der einer virtuellen Ton quelle. Da Lautsprecher an irgendeiner Position eine gegen seitige Beziehung über die Matrixberechnung bekommen können, hat somit die Qualität der Tonwiedergabe keine Abhängigkeit von der Position des Lautsprechers. It becomes an HRTF, which is the starting position information corresponds to a loudspeaker, whereupon a further HRTF is formed, which is the position of a virtuel len sound source corresponds, and a matrix calculation is carried out. The matrix calculation provides a correlation between the Position of a speaker and that of a virtual sound source. Because speakers at one position against one side relationship can get through the matrix calculation, the quality of the sound reproduction has no dependency from the position of the speaker.

Im folgenden wird zunächst ein dreidimensionales Ton wiedergabeverfahren für den Fall eines einzelnen Zuhörers beschrieben.The following is a three-dimensional tone playback procedure in the case of a single listener described.

Wenn gemäß Fig. 3 angenommen wird, daß die Position eines Zuhörers der Mittelpunkt eines Kreises ist, der zwei Lautsprecher verbindet, werden als Daten zum Wiedergeben eines dreidimensionalen Tons insgesamt sechs HRTF ein schließlich vier HRTF von jedem Lautsprecher zu beiden Ohren des Zuhörers und zwei HRTF von einer virtuellen Tonquelle zu beiden Ohren des Zuhörers benötigt. In Fig. 3 sind mit L und R die Positionen jeweils des linken und des rechten Laut sprechers bezeichnet und bezeichnet VS eine virtuelle Posi tion, von der aus der Zuhörer zuhören möchte.If, according to it is believed 3 Fig., That the position of a listener, the center of a circle that connects two loudspeakers are used as data for reproducing a three-dimensional sound six HRTF a finally four HRTF from each speaker to each ear of the listener and two HRTF from a virtual sound source to both ears of the listener. In Fig. 3, L and R denote the positions of the left and right speakers, respectively, and denotes VS a virtual position from which the listener wishes to listen.

Obwohl der gesamte Ton tatsächlich von zwei Lautspre chern erzeugt wird, hat der Zuhörer das Gefühl, daß der Ton von einer bestimmten Position in einem dreidimensionalen Raum erzeugt wird. Das ist dadurch möglich, daß der Ton, der von den beiden Lautsprechern erzeugt wird, weggenommen wird und das Eingangssignal und die HRTF für eine bestimmte Posi tion faltungsverarbeitet werden, von der der Zuhörer zuzuhö ren wünscht.Although the entire sound is actually from two speakers chern is generated, the listener has the feeling that the sound from a certain position in a three-dimensional Space is generated. This is possible because the sound that generated by the two speakers is removed and the input signal and HRTF for a particular position tion are processed by which the listener listens ren wishes.

Ein Umkehrfilter wird dazu benutzt, die HRTF zwischen den zwei Lautsprechern und beiden Ohren zu entfernen. Das vom linken Lautsprecher ausgegebene Signal sollte dabei nicht auf das linke Ohr übertragen werden und das vom rech ten Lautsprecher ausgegebene Signal sollte nicht auf das rechte Ohr übertragen werden. Das ist das Nebensprechunter drückungsverfahren. Nachdem der von den beiden Lautsprechern erzeugte Ton entfernt oder weggenommen ist, wird die HRTF für die Richtung, in der der Zuhörer zuzuhören wünscht, zusammen mit dem Eingangssignal faltungsverarbeitet. Der Zuhörer hat dann das Gefühl, als würde der Ton an einer bestimmten Position und nicht von den Lautsprechern erzeugt. A reverse filter is used to switch the HRTF between to remove the two speakers and both ears. The Signal from the left speaker should be there not be transferred to the left ear and from the right The speaker output signal should not be on the right ear are transmitted. That is the crosstalk sub pressure method. After that from the two speakers generated sound is removed or taken away, the HRTF for the direction in which the listener wishes to listen, convolutionally processed together with the input signal. The The listener then has the feeling that the sound is on one certain position and not generated by the speakers.

In Fig. 4 ist ein Block C 110 eine Filtermatrix zur Modellwiedergabe des Weges des Tons, der von zwei Lautspre chern zu beiden Ohren eines Menschen übertragen wird, und ist ein Block C 120 eine Filtermatrix zur Modellwiedergabe des Weges eines Tons, der von einer virtuellen Tonquelle, die der Benutzer hören will, zu beiden Ohren übertragen wird. Ein Block H 130 ist eine Matrix eines Umkehrfilters zum Kompensieren der Beziehung zwischen einer virtuellen Tonquelle und zwei installierten Lautsprechern, in der eine Faltungsoperation am Eingangssignal ausgeführt wird, bevor dieses zu dem Lautsprecher ausgegeben wird. Fig. 5 zeigt die Konzeption der obigen Beziehung.In Fig. 4, a block C 110 is a filter matrix for model reproduction of the path of the sound transmitted from two speakers to both ears of a human, and a block C 120 is a filter matrix for model reproduction of the path of a sound derived from a virtual one Sound source that the user wants to hear is transmitted to both ears. A block H 130 is a matrix of an inverse filter to compensate for the relationship between a virtual sound source and two installed speakers, in which a convolution operation is performed on the input signal before it is output to the speaker. Fig. 5 shows the conception of the above relationship.

Das Rechenverfahren des Umkehrfilters H läßt sich wie dergeben, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Wenn somit zwei Eingangssignale L und R jeweils vorliegen, lassen sich die endgültigen Ausgangssignale Y_L und Y_R, die auf beide Ohren von den Lautsprechern übertragen werden, wie folgt darstel len:
The calculation method of the reversal filter H can be given as shown in FIG. 6. If two input signals L and R are thus present, the final output signals Y _L and Y _R , which are transmitted to both ears by the loudspeakers, can be represented as follows:

Wenn weiterhin die virtuellen Ausgangswerte der Posi tion, von der aus der Zuhörer zuhören möchte, gleich V_L und V_R sind, dann kann die obige Gleichung wie folgt geschrieben werden:
Furthermore, if the virtual output values of the position from which the listener wants to listen are equal to V _L and V _R , then the above equation can be written as follows:

Das hat zur Folge, daß im idealen Zustand die Gleichun gen 2 und 3 gleich sein sollten. Tatsächlich ist es besser, wenn der Fehler zwischen beiden Gleichungen gering ist. Angenommen, daß beide Gleichungen gleich sind, wird die Umkehrfiltermatrix H wie folgt erhalten:
As a result, equations 2 and 3 should be the same in the ideal state. In fact, it is better if the error between the two equations is small. Assuming that both equations are the same, the inverse filter matrix H is obtained as follows:

Im folgenden wird die Tonwiedergabe für mehrere Zuhörer beschrieben.The following is sound reproduction for multiple listeners described.

Bei der Wiedergabe für den Fall, daß mehrere Zuhörer vorhanden sind, sollte es ein genaues HRTF Modell geben, das der Position jedes Zuhörers entspricht. Da eine typische HRTF wie beispielsweise ein Kemar-Modell von MIT das Modell einer Übertragungsfunktion liefert, wenn sich ein Zuhörer in der Mitte befindet, kann es bei der vorliegenden Erfindung nicht ohne weiteres verwandt werden. Um die HRTF gemäß der Position eines Zuhörers zu messen, wird eine Versuchsanord nung so angeordnet, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Dabei ist der Abstand zwischen jedem Zuhörer gleich 30 cm und sind die Positionen der beiden Lautsprecher unter einem Winkel von 30° nach links und rechts angeordnet, was die Standard stereowiedergabepositionen sind. Unter Verwendung einer HRTF für jede Position eines Zuhörers, die in der oben beschrie benen Weise erhalten wird, wird jedes Umkehrfilter erneut berechnet, so daß der Umkehrfiltermodul 100 erhalten werden kann, der mehrere Umkehrfilterteile 10, 20, 30 enthält, die den Zuhörern jeweils entsprechen. When playing back when there are multiple listeners, there should be an accurate HRTF model that corresponds to the position of each listener. Since a typical HRTF, such as a Kemar model from MIT, provides the model of a transfer function when a listener is in the middle, it cannot be readily used in the present invention. In order to measure the HRTF according to the position of a listener, a test arrangement is arranged as shown in Fig. 7. The distance between each listener is 30 cm and the positions of the two speakers are arranged at an angle of 30 ° to the left and right, which are the standard stereo playback positions. Using an HRTF for each listener position obtained in the manner described above, each reverse filter is recalculated so that the reverse filter module 100 can be obtained which includes a plurality of reverse filter parts 10 , 20 , 30 each corresponding to the listeners .

Ein Zeitmultiplexverfahren, das der Kernteil der vor liegenden Erfindung ist, wird im folgenden beschrieben. Die Umkehrfilterteile, die für jeden Zuhörer separat verarbeitet werden, werden nacheinander in bestimmten Zeitintervallen gewählt und von den beiden Lautsprechern wird ein Tonsignal wiedergegeben, das durch den gewählten Umkehrfilterteil verarbeitet wurde. Das ist möglich, da es ähnlich ist wie bei unseren Augen, die eine fortlaufende. Szene wahrnehmen, die in einem gegebenen Zeitintervall abläuft, und zwar in folge einer Nachabbildungserscheinung, obwohl durchgehende tatsächliche Schnitte die Szene bilden. Das heißt, daß ob wohl die Ergebnisse aller Filterverarbeitungen von der Posi tion jedes Zuhörers unabhängig voneinander sind, jeder Zuhö rer das Gefühl hat, als würde er einen fortlaufenden Ton an seiner Position hören, wenn die Ergebnisse abwechselnd an die Lautsprecher in einem bestimmten Zeitintervall ausgege ben werden.A time division multiplexing process that is the core part of the pre invention is described below. The Reverse filter parts processed separately for each listener be, one after the other at certain time intervals selected and a sound signal from the two speakers reproduced by the selected reverse filter part was processed. This is possible because it is similar to in our eyes which is a continuous. Perceive scene which expires in a given time interval, namely in follow an after-image phenomenon, although continuous actual cuts form the scene. That means that whether probably the results of all filter processing from the Posi tion of every listener are independent of each other, every listen feels like he is playing a continuous tone hear its position when the results alternate the loudspeakers output in a certain time interval be.

Am wichtigsten ist dabei das Wiedergabezeitintervall für die jeweiligen Positionen. Wenn die Wiedergabezeit für eine Position zu lang ist, können andere Zuhörer an einer anderen Position den Ton nicht hören. Wenn weiterhin die Wiedergabezeit zu kurz ist, haben die Zuhörer nicht genügend Zeit, den vollständigen Ton zu hören. Die Arbeitsweise gemäß der vorliegenden Erfindung ist die folgende:
Um ein Tonsignal wiederzugeben, das eingegeben wird, um den gleichen Effekt eines dreidimensionalen Tons über zwei Lautsprecher mehreren Zuhörern zu geben, werden Lautspre cherübertragungsfunktionen gebildet, die ein Modell des Weges von den beiden Lautsprechern zu den Ohren eines Zuhö rers für jeden Zuhörer jeweils sind. Dabei ist die Position des Zuhörers nicht auf eine bestimmte zentrale Position beschränkt, er kann sich vielmehr in einem bestimmten Be reich befinden. The most important thing is the playback time interval for the respective positions. If the playback time is too long for one position, other listeners in another position cannot hear the sound. If the playback time is still too short, the listeners will not have enough time to hear the full sound. The operation according to the present invention is as follows:
In order to reproduce a sound signal that is input to give the same effect of a three-dimensional sound through two loudspeakers to several listeners, loudspeaker transmission functions are formed which are a model of the way from the two loudspeakers to the ears of a listener for each listener. The position of the listener is not limited to a certain central position, but can rather be in a certain area.

Als nächstes werden Filterwerte dadurch erhalten, daß eine virtuelle Tonquellenübertragungsfunktion, die ein Mo dell des Weges zwischen einer virtuellen Tonquelle und einem Ohr des Zuhörers ist, mit der Umkehrmatrix der Lautsprecher übertragungsfunktionen multipliziert wird. Das Toneingangs signal wird mit einem der Filterwerte faltungsverarbeitet.Next, filter values are obtained by: a virtual sound source transfer function that a Mon dell the way between a virtual sound source and one The listener's ear is, with the reverse matrix of the speakers transfer functions is multiplied. The sound input signal is convolutionally processed with one of the filter values.

Einer der Filterwerte wird fortlaufend gewählt und zum Lautsprecher der Reihe nach in einem bestimmten Intervall ausgegeben. Da Menschen ein Zeitintervall von wenigstens 20 ms zum Erkennen eines Tones brauchen, sollte das Wiederga beintervall pro Position eines Zuhörers wenigstens über 20 ms liegen. Wenn weiterhin eine große Anzahl von Zuhörern vorhanden ist, wird viel Zeit benötigt, um die Signale für alle Zuhörer zu verarbeiten, so daß das Zeitmultiplexver fahren hinsichtlich der Anzahl von Zuhörern begrenzt ist.One of the filter values is selected continuously and at Speakers in sequence at a certain interval spent. Since humans have a time interval of at least 20 ms to recognize a tone, the playback should interval per position of a listener at least over 20 ms lie. If a large number of listeners continue is present, it takes a lot of time to get the signals for to process all listeners, so that the time multiplexing drive is limited in number of listeners.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Ausbildung vorgesehen, bei der das Zeitmultiplex intervall variabel nach Maßgabe der Gesamtanzahl von Zuhö rern eingestellt werden kann.In a preferred embodiment of the invention training is provided in which the time division multiplex interval variable according to the total number of increases rern can be set.

Bei dem obigen Ausführungsbeispiel waren nur zwei Laut sprecher vorgesehen, die erfindungsgemäße Ausbildung kann jedoch auch auf mehr Lautsprecher angewandt werden.In the above embodiment, there were only two sounds Speaker provided, the training according to the invention can but can also be applied to more speakers.

Gemäß der Erfindung können daher mir nur zwei Lautspre chern mehrere Zuhörer einen dreidimensionalen Ton wahrnehmen und gleichzeitig den gleichen Effekt des dreidimensionalen Tons erfahren.According to the invention, therefore, only two speakers can me several listeners perceive a three-dimensional sound and at the same time the same effect of the three-dimensional Experience sound.

Insbesondere bei einem Heim-Audio-Video-Theatersystem können alle Familienmitglieder, die frei vor den Lautspre chern positioniert sind, gleichzeitig den gleichen dreidi mensionalen Ton hören und eine natürliche Tonwiedergabe genießen.Especially in a home audio-video theater system can all family members who are free in front of the speaker are positioned at the same time, the same dreidi hear dimensional sound and natural sound reproduction enjoy.

Claims

1. Device for three-dimensional sound reproduction for several listeners, characterized by
a reverse filter module for filtering a sound input signal such that each listener can have the same virtual sound source,
a time division multiplexing module that sequentially selects one of the audio signals filtered by the reverse filter module at a certain interval, and
a plurality of loudspeakers which output the sound signal as the sound, which is selected by the time-division multiplexing device.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the reversing filter module comprises as many reversing filter parts as the number of listeners, each reversing filter part having a filtering capacity which is a value which is obtained by using a reversing matrix C ^{-1 of} a loudspeaker transfer function C, which is a model of the path between the speakers and an ear of a listener, which corresponds to the reversing filter, is multiplied by a virtual sound transfer function D, which is a model of the path between a virtual sound source and the listener's ear.

3. A method for reproducing a sound input signal over a fixed number of two or more speakers in order to give several listeners the same three-dimensional sound effect, characterized in that

a) a loudspeaker transmission function is formed, which is a model of the path between the loudspeakers and an ear of each of the listeners,
b) filter values are formed by multiplying the inverse matrix of loudspeaker transmission functions by a virtual sound source transmission function, which is a model of the path between a virtual sound source and an ear of a listener,
c) one of the filter values is selected in succession at a specific interval, and
d) a sound input signal is convolutionally processed with the selected filter value and the result of the convolution process is output to the loudspeakers.

4. The method according to claim 3, characterized in that the determined interval in step (c) is dependent is variable in the number of listeners.