DE4328620C1 - Verfahren zur Simulation eines Raum- und/oder Klangeindrucks - Google Patents
Verfahren zur Simulation eines Raum- und/oder KlangeindrucksInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit dazu erforderli
cher elektroakustischer Einrichtung zur Erzeugung eines
Raum- und/oder Klangeindrucks von einem tatsächlich vor
handenen oder auch berechneten Raum, wobei als Hörprogramm
ein beliebig monophones, stereophones oder vielkanaliges
Audioprogramm verwendbar ist. Die Wiedergabe erfolgt
vorzugsweise binaural über Kopfhörer, kann aber auch über
Lautsprecher durchgeführt werden.
Jedes produzierte Audioprogramm enthält im allgemeinen die
bei der Aufnahme vorhandene Raumakustik, die allerdings
bei den bisher bekannten stereophonen Wiedergabeverfahren
in ihrer Feinstruktur nie vollständig erkennbar wiederge
geben werden konnte. Mehr als daß die Aufnahme in einem
Raum mit bestimmtem Nachhall entstanden ist, ließ sich bei
der Wiedergabe vom Zuhörer nicht feststellen. Erst zusätz
liche Maßnahmen mit dazu entsprechenden elektroakustischen
Einrichtungen könnten bessere Hörbedingungen schaffen, die
den Zuhörer dann auch den Raum der Programmaufnahme wie
dererkennen lassen.
Eine originalgetreue Simulation raumakustischer Gescheh
nisse ist beispielsweise durch die Faltung eines beliebi
gen Audioprogrammes mit der binauralen Raumimpulsantwort
gemessen an einem bestimmten Empfangsplatz in einem Raum,
durchführbar. Unter binauraler Raumimpulsantwort werden
zwei Impulsantworten verstanden, wobei die eine Impuls
antwort dem einen Ohr und die andere Impulsantwort dem
anderen Ohr zugeordnet ist. Gemäß den Erkenntnissen aus
der Systemtheorie bildet der Raum zusammen mit den Emp
fangscharakteristika des menschliches Ohres ein lineares
kausales Übertragungssystem, das im Zeitbereich durch die
Raumimpulsantworten beschrieben ist. Die jeweilige Raum
impulsantwort ist näherungsweise die Systemantwort auf
einen Schallimpuls, dessen Zeitdauer eine Periode der
doppelten oberen Grenzfrequenz des Audiosignals ist. Die
Faltung eines beliebigen Audioprogramms mit der binauralen
Raumimpulsantwort ergibt das zur elektroakustischen Wie
dergabe geeignete Signal, das solchermaßen ausgeprägt ist,
daß bei richtiger Schallwiedergabe an den beiden Ohren
einer Hörperson bei dieser ein solches Hörerlebnis hervor
gerufen wird, wie es am Originalhörort, an dem das tat
sächliche raumakustische Geschehen stattfindet, von der
selben Hörperson erlebt worden wäre. Der Hörperson wird es
dadurch unmöglich zu unterscheiden, ob das von ihr wahr
genommene Hörereignis am Ort des tatsächlichen Schall
geschehens erfolgt, oder ob es durch das Simulationsver
fahren entsteht. Werden zur Wiedergabe nicht Kopfhörer
sondern Lautsprecher verwendet, müssen in grundsätzlich
gleicher Weise die Übertragungswege zwischen den Laut
sprechern und den Ohren der Hörperson nachgebildet werden.
Ein solches Simulationsverfahren, das der Hörperson die am
Originalhörort tatsächlich vorhandenen zeitlichen, spek
tralen, räumlichen und dynamischen Schallfeldstrukturen
unverkennbar präzise vortäuscht, ist äußerst aufwendig,
vor allem was die zur Simulation erforderlichen techni
schen Einrichtungen anbelangt. Im allgemeinen wird die
Faltung in der Weise durchgeführt, daß das Audiosignal und
die Raumimpulsantworten digitalisiert werden, in einem
Rechner das gefaltete Signal berechnet und in das analoge
Signal zurückgewandelt wird. Die Anzahl der Rechenschritte
ist von der Länge der Impulsantworten abhängig. Zum Bei
spiel sei hier angeführt, daß bei einer Audiosignalband
breite von 20 kHz etwa eine Abtastrate von 50 kHz und
damit ein Abtastintervall von 20 µsec notwendig ist und
daher für eine typische Raumimpulsantwortlänge von 2 sec
10⁵ Abtastwerte benötigt werden und weiters bei der Faltung
eines Audiosignals mit dieser Raumimpulsantwort 5×10⁴ × 10⁵
= 5×10⁹ Multiplikationen und Additionen pro Sekunde durch
geführt werden müssen. Das bedeutet, daß der apparative
Aufwand zur Faltung mit einem Audiosignal enorm groß sein
muß, vor allem dann, wenn der gesamte Ablauf des Verfah
rens in Echtzeit erfolgen soll. Daher ist die außerhalb
des Forschungsbereiches liegende Anwendung eines solchen
Simulationsverfahrens aus wirtschaftlichen und preislichen
Gründen nicht denkbar.
Eine elektroakustische Anordnung zur nahezu originalge
treuen Simulation einer an einem bestimmten Hörplatz
vorhandenen Hörsituation ist für die Wiedergabe von ste
reophonen binauralen Audioprogrammen mittels Kopfhörer in
der AT PS 394 650 beschrieben.
Das Einhalten der auditiven
Originaltreue und auch die richtige Lokalisierung ganz
bestimmter im Raum verteilter Schallquellen ist dadurch
außer Frage gestellt, indem eine für die stereophone
Lautsprecherwiedergabe vorhandene Tonaufnahme dann zur
nahezu originalgetreuen Kopfhörerwiedergabe richtig darge
boten ist, wenn neben den direkt ankommenden Audiosignalen
der beiden Kanäle links und rechts auch die Raumreflexio
nen des Hörraumes, jedoch bewertet mit den richtungsabhän
gigen Außenohrübertragungsfunktionen, nachgebildet sind.
Die Integration der Außenohrübertragungsfunktion über alle
Raumrichtungen ergibt einen angenähert ebenen Amplituden
frequenzverlauf am Ohr. Da eine solche komplexe Nachbil
dung praktisch unmöglich ist, muß auf eine vereinfachte
Konfiguration zurückgegriffen werden. Bei dieser stark
vereinfachten Konfiguration brauchen jedem Ohr nur drei
verschiedene Audiosignale dargeboten werden, um ein natur
getreues Hörereignis zu garantieren.
Die Simulation raumakustischer Geschehnisse ist ganz
allgemein mittels eines Verfahrens durchführbar, das bei
spielsweise aus der EP-A-0 505 949 bekannt ist. In diesem
Verfahren wird mittels eines Übertragungsfunktions-Simula
tors eine Übertragungsfunktion nachgebildet. Dieser Über
tragungsfunktions-Simulator ist mit in einem akustischen
System angeordneten Schallquellen, Schallempfangseinrich
tungen und Einrichtungen zum Messen der akustischen Über
tragungsfunktion ausgestattet. Zum Messen der akustischen
Übertragungsfunktion kann die Vielzahl möglicher unter
schiedlicher Positionen zwischen zwei beliebigen Punkten
im akustischen System Berücksichtigung finden. Der Simula
tor selbst ist darin gekennzeichnet, daß Mittel zum Ab
schätzen der in der vorhandenen Übertragungsfunktion
vorhandenen Pole vorgesehen sind, wobei die AR-Eigenkoef
fizienten, die mit physikalischen Polen des akustischen
Systems korrespondieren, aus der Vielzahl an gemessenen
Übertragungsfunktionen abgeschätzt werden, und ARMA-Fil
ter, die aus AR-Filtern und MA-Filter zusammengesetzt
sind, das nachbilden, was aus der Vielzahl an gemessenen
akustischen Übertragungsfunktionen mit dem akustischen
System übereinstimmt. Dieses äußerst komplizierte Ver
fahren dient dazu, eine solche akustische Übertragungs
funktion nachzubilden, die für Echosperreinrichtungen,
Antihalleinrichtungen, zur aktiven Störschallkompensation
und auch zur Klangbildlokalisation erforderlich ist. Die
Simulation der Übertragungscharakteristika nimmt ein
Signalprozessor vor. Im Simulationsverfahren selbst wird
die Übertragungsfunktion mit geringem Rechenaufwand in
konsequent kürzest möglicher Rechenzeit nachbildet.
Dieses eben genannte Simulationsverfahren ließe sich
grundsätzlich auch zur Verwirklichung für die naturgetreue
Wiedergabe raumakustischer Geschehnisse nach einer dazu
vorgenommenen Modifizierung einsetzen. Es wäre aber dann
in technischer Hinsicht äußerst aufwendig und zu spezi
fisch, als daß zur sinnvollen und wirtschaftlichen Anwen
dung dieses Verfahrens für den gesamten Zweck ein besonde
res Interesse bestünde.
Auch die bekannte schnelle Faltung mittels diskreter Fou
riertransformation bietet keinen geeigneten Weg zu einer
ökonomischen Einrichtung für die Simulation raumakusti
scher Geschehnisse, wegen der dieser Methode inhärenten
Zeitverzögerung zwischen Quellsignal und gefalteten Si
gnal.
Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung besteht nun
darin, ein Simulationsverfahren mit dazu erforderlicher
elektroakustischer Einrichtung zu schaffen, das verein
facht ist, wodurch seine Realisierung technisch und wirt
schaftlich vertretbar wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Wegen der Auswahl bestimmter Teile aus den Raumimpuls
antworten vermindert sich entsprechend der Rechenaufwand,
weil für die weggelassenen Teile der Raumimpulsantworten
keine Rechnungen durchgeführt werden müssen.
Das neue Simulationsverfahren hat den Vorteil, daß bei
stark reduziertem Aufwand für das Verfahren keine Ver
schlechterung Simulationsqualität auftritt. Außerdem
können zur Faltung vereinfachte FIR-Filterstrukturen
eingesetzt werden. Der Faltungsprozeß selbst läuft ohne
merkliche Zeitverzögerung in Echtzeit ab.
Demnach liegt der Kern der Erfindung darin, daß eine mit
Erfolg verbundene naturgetreue Simulation mit ganz be
stimmten Teilen der Raumimpulsantworten aus dem akusti
schen Geschehen durchführbar ist. Es bedarf lediglich der
Kenntnis über jene Teile der Raumimpulsantworten, die nach
einer kritischen Auswahl wesentlich für den Höreindruck
sind. Der Weg zur Kenntnis über die jeweiligen Raumimpuls
antworten führt über reale oder virtuelle raumakustische
Messungen. Die Entscheidung, welche Teile aus den Raumim
pulsantworten weggelassen werden erfolgt nach hörpsycholo
gischen Grundsätzen.
Eine wesentliche Ausführung des Verfahrens liegt nun
darin, daß die Werte der Raumimpulsantwort mit einem zeit
abhängigen Schwellwert verglichen werden und nur jene
Werte der Raumimpulsantworten verwendet werden, die den
Schwellwert übersteigen. Der Schwellwert ist bezogen auf
die Raumimpulsantwort zeitabhängig, insofern als er seinen
größten Betrag im Bereich des Anfangs der Raumimpulsant
wort hat und gegen Ende der Raumimpulsantwort abklingt.
Dadurch werden weite Bereiche der Raumimpulsantworten zu
Null.
Der Vorteil in einer solchen Aufteilung liegt im stark
reduzierten Rechenaufwand für den Simulationsprozessor.
Der den Direktschall erfassende Bereich der Raumimpuls
antwort muß mit dem den Nachhall enthaltenden Bereich
dermaßen zusammengesetzt sein, daß die Originalqualität in
der Simulation erhalten bleibt.
Auf diese Weise werden nur jene Teile für den Faltungs
prozeß verwendet, die einen wesentlichen Beitrag zur
naturgetreuen Simulation leisten. Alle übrigen Teile der
Raumimpulsantwort scheinen durch "Null-Setzen" nicht mehr
auf, und es wird für diese kein Rechenaufwand erforder
lich. Das zur Faltung verwendete FIR-Filter benötigt dann
keine aufwendige Struktur, und die Rechenleistung des
Signalprozessors braucht nur dann eingesetzt werden, wenn
entsprechende von Null verschiedene Koeffizienten auf
treten. Diese Vorgangsweise reduziert den Rechenaufwand
gegenüber der konventionellen Faltung erheblich, und es
lassen sich damit Reduktionsfaktoren zwischen 10 und 100
erzielen. Trotzdem bleibt die Nachhallzeit für solcherart
simulierte raumakustische Geschehnisse erhalten, und bei
einer Gesamtzeitlänge der reduzierten Impulsantwort von
nur 10 Millisekunden werden Nachhallzeiten, die zwischen
100 bis zu 1000 Millisekunden liegen, einwandfrei simu
liert. Die räumliche Simulation unterliegt hierbei keinem
Zufall.
Das genannte Verfahren mit dazu erforderlicher elektroaku
stischer Einrichtung kann auch dermaßen ausgestaltet sein,
daß die kritische Auswahl wesentlicher Teile zum Erhalten
der naturgetreuen Simulation durch Berücksichtigen der
psychoakustischen Vor- und Nachverdeckungsphänomene in der
Raumimpulsantwort erfolgt.
Die in der Hörakustik bekannten Verdeckungsphänomene
bewirken, daß beim Vorhandensein von Schall ein weiterer,
zweiter Schall nur dann hörbar ist, wenn seine Erregung im
menschlichen Ohr die des ersten übersteigt. Dadurch ent
steht eine Verschiebung der Hörbarkeitsschwelle, die durch
den oben erwähnten zeitabhängigen Schwellwert nachgebildet
wird, wodurch Schall unterhalb dieser Schwelle nicht
wahrgenommen wird.
Die Kombination der beiden bereits zuvor genannten und
erläuterten Verfahrensabläufe ist die optimale Ausgestal
tung des Verfahrens überhaupt. Die Ausbeute im Verhältnis
zum Rechenaufwand und zum Einsatz an technischen Einrich
tungen ist größtmöglich, und das damit erzielte Ergebnis
am wirtschaftlichsten.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Simulationsverfahrens
wird im besonderen im HiFi- und Tonstudiobereich liegen,
weil dort die Vorteile des binauralen Hörens sowohl für
die Kopfhörerwiedergabe als auch für die Lautsprecher
wiedergabe liegen. Die erfindungsgemäße Einrichtung
schafft jenes Maß an guter und originalgetreuer Raumaku
stik, das die bekannten Nachteile eines Hörens im schall
toten Raum aufhebt, dabei aber nicht störend die von der
Aufnahme gegebene Akustik überlagert. Die Simulation einer
beispielsweise bestimmten Lautsprecheranordnung in einem
bestimmten Raum mittels Kopfhörerwiedergabe ist eine we
sentliche Anwendung des Simulationsverfahrens ein
schließlich der dazu erforderlichen elektroakustischen
Einrichtung.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Simulationsver
fahren mit dazu erforderlicher elektroakustischer Ein
richtung an Hand von Zeichnungen dargestellt, und es
zeigt:
Fig. 1a die Anordnung bei der Messung der Raumimpuls
antwort,
Fig. 1b das Schema der elektroakustischen Einrichtung
zur Erzeugung und Faltung der reduzierten Raum
impulsantwort,
Fig. 2 das Schema zur Auswahl der wesentlichen Anteile
aus der ermittelten Raumimpulsantwort,
Fig. 3 das Schema zur Auswahl der wesentlichen Anteile
aus der ermittelten Raumimpulsantwort, unter
Verwendung eines veränderlichen Schwellwertes,
Fig. 4a eine einfache ermittelte Raumimpulsantwort,
Fig. 4b den Anteil des Direktschalls der ermittelten
Raumimpulsantwort nach Fig. 4a,
Fig. 4c die reflektierten Schallanteile aus der ermit
telten Raumimpulsantwort nach Fig. 4a,
Fig. 5a eine vereinfachte ermittelte Raumimpulsantwort,
Fig. 5b den Bereich des Direktschalls der ermittelten
Raumimpulsantwort nach Fig. 5a,
Fig. 5c den wesentlichen Teil des reflektierten Anteils
der ermittelten Raumimpulsantwort nach Fig. 5a,
Fig. 5d den wesentlichen Teil einer zweiten Reflexion
aus der ermittelten Raumimpulsantwort nach Fig. 5a,
Fig. 5e den wesentlichen Teil einer noch später liegen
den Reflexion aus der ermittelten Raumimpuls
antwort nach Fig. 5a,
Fig. 6a die ermittelte Raumimpulsantwort mit darüber
gelegten Schwellwerten,
Fig. 6b die reduzierte Raumimpulsantwort aus der ermit
telten Raumimpulsantwort nach Fig. 6a,
Fig. 7a eine ermittelte Raumimpulsantwort mit darüber
gelegten Schwellwerten unter Berücksichtigung
des Verdeckungsphänomens
Fig. 7b die reduzierte Raumimpulsantwort aus der ermit
telten Raumimpulsantwort nach Fig. 7a,
Fig. 8a eine ermittelte Raumimpulsantwort mit darüber
gelegten Schwellwerten, die stufenförmig abneh
men,
Fig. 8b die reduzierte Raumimpulsantwort aus der Raum
impulsantwort nach Fig. 8a,
Fig. 9 ein Schema für ein übliches Transversal oder
FIR-Filter und
Fig. 10 eine aus der Erfindung sich ergebende Struktur
eines FIR-Filters für den Faltungsprozeß mit
der erfindungsgemäß reduzierten Raumimpulsant
wort.
In Fig. 1a wird eine mögliche Methode zur Ermittlung der
Raumimpulsantwort dargestellt. Am Ort der Schallquelle
wird ein Meßsignal abgestrahlt, das am Hörplatz mit einen
Meßmikrofon aufgenommen wird. Aus dem empfangenen Signal
wird die Raumimpulsantwort gewonnen. Wenn als Meßsignal
ein Impuls verwendet wird, dessen Dauer gleich einer
Periode der doppelten Frequenz der oberen Frequenzgrenze
des Audiosignalbereiches ist, ist das empfangene Signal
gleich der Raumimpulsantwort h(t). Da bei dieser Methode
der Störabstand gering ist, wird in der Praxis ein länge
res Meßsignal bevorzugt und die Raumimpulsantwort rech
nerisch ermittelt.
Die binaurale Raumimpulsantwort, die für die Wiedergabe
über Kopfhörer benötigt wird, wird dadurch gewonnen, daß
sich die Meßmikrofone in den Ohrkanälen einer Testperson
befinden, für die die Rumimpulsantwort ermittelt werden
soll. Sodann wird die Impulsantwort für die Strecke Laut
sprecher-Raum-Ohr und anschließend die Impulsantwort für
das System Kopfhörer-Ohr gemessen. Die gewonnen Impuls
antworten werden in den Frequenzbereich transformiert, die
transformierten Funktionen dividiert und der Quotient in
den Zeitbereich rücktransformiert. Wenn dieser Vorgang für
beide Ohren durchgeführt wird, wird eine binaurale Raum
impulsantwort erhalten, die sich aus einer rechten und
einer linken Raumimpulsantwort zusammensetzt.
Die Fig. 1b zeigt das Schema für den Verfahrensablauf bei
einer der beiden wie oben ermittelten Raumimpulsantworten.
Die Raumimpulsantwort h(t) wird dem Aufteiler 1 zugelei
tet, um die Aufteilung in den Direktschallanteil d(t) und
den Nachhallanteil r(t) vorzunehmen. Im Nachhallanteil
r(t) sind auch sämtliche von den Raumwänden herrührenden
Einzelreflexionen des Meßsignals enthalten.
Die Raumimpulsantwort ist ihrer Natur nach ein kontinuier
liches Zeitsignal und wird zur Verarbeitung digitalisiert
womit aus h(t), d(t) bzw. r(t) h(n), d(n) bzw. r(n) wird.
Da für die hier verwendete digitale Verarbeitung in digi
talen Filtern eine zeitdiskrete Repräsentation benötigt
wird, wird in den Figuren ausschließlich die zeitdiskrete
Darstellung h(n) verwendet, wobei n der Laufindex für die
Abtastwerte ist, der mit der Zeit durch t=nτ verknüpft ist
und τ die Periodendauer der Abtastfrequenz ist. Die Dar
stellung in den Figuren erfolgt jedoch lediglich aus
Gründen der Übersichtlichkeit als kontinuierliche Funk
tion.
Für die Raumimpulsantwort h(n) und deren Aufteilung in
Direktschallanteil d(n) und Nachhallanteil r(n) sind die
entsprechenden zeitabhängigen Amplitudenverläufe in Fig.
4a bis 4c schematisch dargestellt. Nach Verstreichen der
Zeit T = Nτ ist am Hörplatz der Direktschall eingetroffen,
wonach nur mehr solche Anteile zu erwarten sind, die von
Reflexionen, bzw. vom Nachhall herrühren. Zur Erläuterung
sei noch angeführt, daß in einem frequenzlinearen Über
tragungssystem die Impulsantwort lediglich aus einem
ersten Wert bestehen würde; die hier skizzierte Raumim
pulsantwort wird auch im Bereich des direkten Schalls
durch die Übertragungsfunktion von der Schallquelle bis
zum Ohrkanaleingang bestimmt und wird z. B. wegen der
Reflexionen an Kopf und Körper auf einige Millisekunden
verlängert.
Die in die beiden Schallanteile d(n) und r(n) aufgeteilte
ermittelte Raumimpulsantwort wird nun jener elektronischen
Einrichtung 2 zugeführt, die aus der ermittelten Raum
impulsantwort die Anteile extrahiert, die jene Kennwerte
der Hörraumakustik, des im Hörraum vorhandenen Schall
feldes und die der Hörperson zuordbaren linken und rechten
Außenohrübertragungsfunktion enthalten, die nach dem
Faltungsprozeß mit einem beliebigen Audioprogramm die
naturgetreue Simulation des gesamten raumakustischen
Geschehens garantieren. Die Extraktion erfolgt nach Krite
rien, die weiter unten beschrieben sind. Die extrahierte
bzw. reduzierte Raumimpulsantwort h′(n) wird in einem
Prozessor 3 mit dem Signal s(n) eines beliebig gewählten
Audioprogrammes gefaltet, wodurch das Signal gebildet
wird. Bei richtiger Schallwiedergabe an den beiden Ohren
der Hörperson wird das erfindungsgemäß gewünschte Hörre
sultat erreicht, nämlich die naturgetreue Simulation eines
Hörplatzes in einem bestimmten Hörraum.
Die Extraktorschaltung 2 zur Auswahl der wesentlichen
Anteile aus der ermittelten Raumimpulsantwort wird durch
das Schema der Fig. 2 näher erläutert.
Wegen der beschränkten Rechenleistung des Prozessors 3 ist
es zweckmäßig nur einen vorderen Teil der jeweiligen
ermittelten Raumimpulsantwort zu verwenden. Hierzu wird
die an einem Eingang E vorhandene und in die Anteile Di
rektschall und Nachhall aufgeteilte Raumimpulsantwort in
einem Funktionsblock 4 in einzelne Abschnitte oder Portio
nen mit der Länge Ti aufgeteilt.
Die Fig. 5a bis 5e zeigen wie die ermittelte Raumim
pulsantwort mittels des Funktionsblocks 4 in einzelne
Blöcke oder Portionen Ti mit den Schallanteilen d(n),
r₂(n), r₃(n) . . . ri(n) aufgeteilt wird.
Die Aufteilung in Direktschall- und Nachhallanteil wird
vorgenommen, weil der Direktanteil der ermittelten Raum
impulsantwort zumindest bei Studio-Anwendung unverändert
bleiben sollte und nur der Nachhallanteil wie beschrieben
reduziert wird. Es sind jedoch auch Anwendungen denkbar,
bei denen beide Anteile der ermittelten Raumimpulsantwort
reduziert werden.
Nach der Abtrennung des Direktschalls werden mittels eines
Komparators 5 die verbliebenen Anteile der Raumimpulsant
wort Null gesetzt, die nach einem der weiter unten be
schriebenen Kriterien unterhalb eines festgelegten
Schwellwertes liegen. Die Anzahl der Abtastwerte in den
verbliebenen Signalanteilen der reduzierten Raumimpuls
antwort werden in einem Koeffizientenzähler 6 gezählt. Der
erhaltene Zählerwert wird in einem Sollwertkomparator 7,
mit einem Grenzwert verglichen, der durch den zulässigen
Rechenaufwand festgelegt ist. Falls die Grenze noch nicht
überschritten ist werden gemäß den Fig. 5a-5e weitere
Blöcke der ermittelten Raumimpulsantwort nachgefordert.
Auf diese Weise wird bei einer späteren Faltung mit der
reduzierten Raumimpulsantwort die Rechenkapazität voll
ausgeschöpft. Ist das vorgegebene Soll erreicht, so wird
die jetzt vorhandene reduzierte Raumimpulsantwort an einen
Ausgang A gegeben.
Für den Fall, daß die kritische Signalbewertung der er
mittelten Raumimpulsantwort gemäß einem Verdeckungsphäno
men vorgenommen wird, ist dazu die in Fig. 3 dargestellte
Anordnung erforderlich. Gegenüber dem in Fig. 2 angegebe
nen Schema kommt noch eine dynamische Schwellwertanpassung
hinzu, die aus einem Komparator 9 und einem Schwellwertge
ber 10 besteht. In dem Komparator 9 wird der Momentanwert
der ermittelten Raumimpulsantwort mit dem momentanen
Schwellwert verglichen, wobei die Größe des Schwellwertes
von den vorausgehenden Werten der ermittelten Raumimpuls
antwort gemäß dem Verdeckungsphänomen abhängig ist. Durch
die Rückführung über den Schwellwertgeber 10 zu den Kom
parator 5 ist die dynamische Anpassung an die vorgegebenen
psychoakustischen Kriterien gemäß dem Verdeckungsphänomen
beispielsweise nach Zwicker realisiert.
Wie die Fig. 6a und 6b zeigen, kann die kritische Auswahl
der für die Simulation wesentlichen Signalanteile der
ermittelten Raumimpulsantwort dadurch erfolgen, daß alle
Anteile der ermittelten Raumimpulsantwort, die unterhalb
eines festgelegten festen Schwellwertes A liegen, Null
gesetzt sind, damit diese für den späteren Faltungsprozeß
unberücksichtigt bleiben, während die den Schwellwert
übersteigenden Signalanteile bzw. die zugehörigen Abtast
werte mit unveränderter Amplitude in die reduzierte Raum
impulsantwort übernommen werden. Da zwischen der Stärke
der Schallreflexionen und den diesen Reflexionen zuorden
baren Werten der ermittelten Raumimpulsantwort ein unmit
telbarer Zusammenhang besteht, bietet das Schwellwert
kriterium eine bedeutende Hilfe zum Extrahieren der zur
Simulation wesentlichen Werte der ermittelten Raumimpuls
antwort. Bei der Faltung werden nur mehr die durch das
Auswahlkriterium gegebenen wesentlichen Merkmale aus der
ermittelten Rauminpulsantwort berücksichtigt wodurch der
erforderliche Rechenaufwand einer erheblichen Reduktion
unterliegt. Können in einem FIR-Filter pro Sekunde 25×10⁶
Multiplikationen und Additionen vom Signalprozessor durch
geführt werden, was bei einer Abtastperiode von 20 µsec
500 Filterkoeffizienten und 10 Millisekunden Impulsant
wortlänge entspricht, so können unter Verwendung der
reduzierten Rauminpulsantwort von Prozessor 3 Räume simu
liert werden, deren Nachhallzeiten bei bis zu 1 sek lie
gen.
Schließlich ist, wie Fig. 7a und 7b zeigen, die kritische
Auswahl auch nach Kriterien gemäß den Verdeckungsphänome
nen möglich. Demnach brauchen solche Anteile aus der
ermittelten Raumimpulsantwort nicht berücksichtigt werden,
die beim Hören ohnedies nicht wahrnehmbar sind. Entspre
chend der vorliegenden Information sind die verdeckten
Anteile von der später erfolgenden Faltung auszunehmen. In
diesem Falle braucht auch nicht mehr zwischen Direktschall
und Nachhallanteil unterschieden zu werden, sondern es
kann die gesamte ermittelte Raumimpulsantwort vom Anfang
an wie beschrieben reduziert werden.
TV bezeichnet hier die Bereiche der Vorverdeckung und TN
die der Nachverdeckung. Das sind die Zeiträume in denen
Signale unter einer Pegelgrenze, wie sie in Fig. 7a skiz
ziert sind, gegenüber einem Hauptsignal nicht mehr wahr
nehmbar sind. Diese Verdeckungseffekte sind, wie sich der
Standardliteratur zu diesem Thema entnehmen läßt, abhängig
vom Zeitabstand, vom Pegelverhältnis und vom Frequenz
abstand von maskiertem und maskierendem Signal. Folglich
läßt sich dies zeichnerisch nicht vollständig darstellen.
Mit der Raumimpulsantwort werden vor allem die Zeit- und
Pegelverhältnisse beeinflußt. Es müssen also in jedem Fall
etwas breitere Wertebereiche der ermittelten Raumimpuls
antwort verwendet werden, als sich unmittelbar aus dem
Grenzlinienkriterium ergeben würde. Weiters müssen die
Wertebereiche in den eigentlich maskierten Bereich hinein
extrapoliert werden, um nicht unerwünschte Filtereffekte
im Frequenzbereich zu erhalten.
In Fig. 8a und 8b ist dargestellt, wie der Schwellwert
sich treppenförmig verkleinert und entsprechend die Si
gnalanteile für die Simulation entnommen werden.
Fig. 9 stellt dar, auf welche Art beispielsweise die
Architektur eines üblichen FIR-Filters ausgeführt sein
kann. In der Kette von Zwischenspeichern z-1, von denen
jeder einen Signalwert eine Abtastperiode lang speichert,
wird in jeder Abtastperiode an jeder Verbindung ein Si
gnalwert entnommen und mit dem dieser Stelle zugeordneten
Filterkoeffizienten multipliziert; das Ergebnis wird in
einem Addierer mit allen anderen Ergebnissen addiert und
dem Ausgang zugeführt und stellt damit die direkte Im
plementierung der Faltung auf einem Prozessor dar. Ab
hängig von den technologischen Gegebenheiten des Prozes
sors 3 kann diese Faltung natürlich auch in anderen kon
jugierten Strukturen durchgeführt werden, wodurch sich
Rechenleistung einsparen läßt. Dabei geht es aber im
Prinzip immer um eine zeitlich optimale Abfolge der Ad
ditionen und Multiplikationen, so daß damit bestenfalls
ein Faktor zwei bis drei an Rechenleistung gewonnen werden
kann.
Fig. 10 veranschaulicht auf welche Art die Architektur des
FIR-Filters abgewandelt wird, wenn die Faltung mit der
extrahierten Raumimpulsantwort durchgeführt wird.
Hierbei bilden die aufeinanderfolgenden Abtastwerte der
verbliebenen Signalanteile der Raumimpulsantwort die Fil
terkoeffizienten dj, r1k, r2l, r3m, rin. Das sind jene, die
entsprechend den Bezeichnungen aus dem Beispiel von Fig. 5
zur naturgetreuen Simulation von wesentlicher Bedeutung
sind. Die Anzahl aller Filterkoeffizienten ist dabei um
ein bis zwei Größenordnungen geringer als die Anzahl der
Zwischenspeicher. Da die Filterkoeffizienten nun nicht
mehr zeitlich äquidistant auftreten, wird dem Filterpro
zessor mit einem Filterkoeffizienten auch gleichzeitig die
Verzögerungszeit, bzw. die Abtastwertnummer, mitgeteilt.
Es werden im Vergleich zum in Fig. 9 dargestellten Filter
bei gleicher Filterlänge um ein bis zwei Größenordnungen
weniger Rechenoperationen für das in der Wahrnehmung des
Zuhörers als gleich bewertete Ergebnis benötigt.
Claims (14)
1. Verfahren zur Simulation eines an einem repräsentati
ven Hörplatz in einem Raum auftretenden Raum- und/oder
Klangeindrucks bei monofoner, stereofoner oder
mehrkanaliger Wiedergabe, bei dem
ein Raum ausgewählt wird, dessen Raumklang simuliert werden soll,
innerhalb des Raumes die Lage des repräsentativen Hörplatzes festgelegt wird,
an dem repräsentativen Hörplatz zumindest für einen Kanal die zugehörige Raumimpulsantwort ermittelt wird,
für die ermittelte Raumimpulsantwort ein sich über zumindest einen Abschnitt der Länge der ermittelten Raumimpulsantwort erstreckender Schwellwert festge legt wird
durch Vergleich der ermittelten Raumimpulsantwort mit dem Schwellwert eine reduzierte Raumimpulsantwort erzeugt wird, die innerhalb des Abschnitts dem Länge der ermittelten Raumimpulsantwort nur diejenigen Teile der ermittelten Raumimpulsantwort aufweist, bei denen die momentane Amplitude über dem Schwellwert liegt, während für diejenigen Teile der ermittelten Raumimpulsantwort, deren momentane Amplitude unter dem Schwellwert liegt, die reduzierte Raumimpulsant wort auf den Wert null gesetzt wird, und die außer halb des Abschnitts der Länge der ermittelten Raum impulsantwort die ermittelte Raumimpulsantwort in unveränderter Form enthält.
ein Raum ausgewählt wird, dessen Raumklang simuliert werden soll,
innerhalb des Raumes die Lage des repräsentativen Hörplatzes festgelegt wird,
an dem repräsentativen Hörplatz zumindest für einen Kanal die zugehörige Raumimpulsantwort ermittelt wird,
für die ermittelte Raumimpulsantwort ein sich über zumindest einen Abschnitt der Länge der ermittelten Raumimpulsantwort erstreckender Schwellwert festge legt wird
durch Vergleich der ermittelten Raumimpulsantwort mit dem Schwellwert eine reduzierte Raumimpulsantwort erzeugt wird, die innerhalb des Abschnitts dem Länge der ermittelten Raumimpulsantwort nur diejenigen Teile der ermittelten Raumimpulsantwort aufweist, bei denen die momentane Amplitude über dem Schwellwert liegt, während für diejenigen Teile der ermittelten Raumimpulsantwort, deren momentane Amplitude unter dem Schwellwert liegt, die reduzierte Raumimpulsant wort auf den Wert null gesetzt wird, und die außer halb des Abschnitts der Länge der ermittelten Raum impulsantwort die ermittelte Raumimpulsantwort in unveränderter Form enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mit Ausnahme des dem Direktschall entsprechenden
Bereiches der ermittelten Raumimpulsantwort der Ab
schnitt die gesamte übrige zeitliche Dauer der er
mittelten Raumimpulsantwort beinhaltet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
daß der Abschnitt die gesamte zeitliche Dauer der
ermittelten Raumimpulsantwort beinhaltet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwellwert ein dynamisch veränderlicher
Schwellwert ist, der einen fest vorgegebenen Mindest
wert aufweist, und daß der schwellwert durch eine den
jeweils gültigen Schwellwert oder den Mindestgrenz
wert übersteigende Halbschwingung der ermittelten
Raumimpulsantwort in Richtung auf größere Werte ange
hoben wird und nach dem Anheben allmählich auf seinen
Mindestwert abklingt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwellwert nach einer Eponentialfunktion ab
klingt.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwellwert entsprechend einem psychoakusti
schen Verdeckungseffekt festgelegt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwellwert fest ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
daß sich der Schwellwert treppenförmig verändert.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der ausgewählte Raum ein theoretischer oder vir
tueller Raum ist und daß die jeweilige ermittelte
Raumimpulsantwort eine auf Grund der Annahmen über
die Gestalt des Raumes, den Ort, der Schallquelle,
den Hörplatz, die Richtung der Schallquelle und/oder
die Ausrichtung des Kopfes berechnete Raumimpulsant
wort ist.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der ausgewählte Raum ein real existierender Raum
ist und daß die jeweilige ermittelte Raumimpulsant
wort in dem realen Raum gemessen wurde.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
daß es für wenigstens zwei unterschiedliche Hörkanäle
durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Audiosignal mit der reduzierten Rauminpuls
antwort gefaltet wird.
13. Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine
elektronische Schaltung enthält, in der die reduzier
te Raumimpulsantwort gemäß dem Verfahren nach einem
oder mehren der vorstehenden Ansprüche programmiert
ist, daß die Schaltung einen oder mehrere Eingänge
zum Einspeisen eines monofonen, stereofonen oder
vielkanaligen Audioprogramms, wenigstens einen Kanal
sowie wenigstens je Kanal einen Audioausgang auf
weist, an dem ein bearbeitetes Audioprogramm ausge
geben wird, das durch Faltung des eingespeisten Au
dioprogramms mit der/den dem jeweiligen Kanal zuge
ordneten reduzierten Raumimpulsantwort/-en erhalten
wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß sie je Kanal wenigstens ein FIR-Filter enthält,
dessen Filterkoeffizienten den Amplitudenwerten der
mit einer vorgegeben Samplingfrequenz digitalisierten
reduzierten Raumimpulsantwort entsprechen.
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