DE102012208485A1

DE102012208485A1 - Wave field analysis methods

Info

Publication number: DE102012208485A1
Application number: DE102012208485A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Bernschütz; Christoph Pörschmann
Original assignee: Fachhochschule Koeln
Current assignee: Technische Hochschule Koeln
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2013-11-21
Also published as: WO2013174797A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wellenfeldanalyseverfahren zur Verwendung mit einem Mikrofonarray aufweisend eine Vielzahl von Mikrofonen sowie eine Vorrichtung hierfür. In einem ersten Schritt werden eine Vielzahl von Eingangssignalen der Mikrofone des Mikrofonarrays erfasst, wobei die Eingangssignale aus einem detektierten Wellenfeld resultieren. In einem weiteren Schritt werden die Eingangssignale der Mikrofone des Mikrofonarrays im Hinblick auf die räumlichen und zeitlichen Eigenschaften des Wellenfeldes zur Gewinnung von Raum-Zeit-Information des Wellenfeldes aufbereitet. Weiterhin wird zumindest ein Eingangssignale eines Mikrofons zur Gewinnung von spektralen Eigenschaften des Wellenfeldes erfasst und zur Gewinnung von spektralen Eigenschaften des Wellenfeldes aufbereitet. Anschließend werden die spektralen Eigenschaften und die Raum-Zeit-Information zusammengeführt.The invention relates to a wave field analysis method for use with a microphone array having a plurality of microphones and a device therefor. In a first step, a plurality of input signals of the microphones of the microphone array are detected, the input signals resulting from a detected wave field. In a further step, the input signals of the microphones of the microphone array are processed with regard to the spatial and temporal properties of the wave field for obtaining space-time information of the wave field. Furthermore, at least one input signal of a microphone for obtaining spectral properties of the wave field is detected and processed to obtain spectral properties of the wave field. Subsequently, the spectral properties and the space-time information are merged.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wellenfeldanalyseverfahren. The invention relates to a wave field analysis method.

Die Wellenfeldanalyse ist eine verhältnismäßig junge Disziplin innerhalb der Akustik. Die ersten theoretischen Grundlagen dazu wurden im Jahre 1999 von Earl G. Williams in seinem Werk "Fourier Acoustics" zur akustischen Holophonie erörtert. Seither beschäftigen sich weltweit Forscher und Entwickler mit derartigen Verfahren. Vereinzelt wurden bereits kommerzielle Produkte entwickelt, die auf der Basis dieser Verfahren arbeiten. Weitere Anwendungsgebiete wurden zwar bisher als Ziel formuliert, jedoch sind konkrete Umsetzungen bisher nicht verfügbar. Ein mögliches Anwendungsgebiet ist die sogenannte akustische Kamera. Wave field analysis is a relatively young discipline within acoustics. The first theoretical foundations were made in the year 1999 by Earl G. Williams in his work "Fourier Acoustics" to the acoustic holophony discussed. Since then, researchers and developers around the world have been working on such methods. Occasionally, commercial products have been developed that work on the basis of these methods. Although further areas of application have been formulated as a goal, concrete implementations are not yet available. One possible field of application is the so-called acoustic camera.

Wellenfeldanalyse basiert darauf, dass ein Schallfeld z.B. mit einem Mikrofonarray, d.h. mehrere räumlich verteilte Mikrofone, abgetastet wird und in verschiedene Komponenten bezüglich der temporalen, spektralen und räumlichen Eigenschaften zerlegt wird. Die Wellenfeldanalyse stellt somit eine allgemeine Beschreibung eines Schallfeldes bereit. Wave field analysis is based on that a sound field e.g. with a microphone array, i. several spatially distributed microphones, is sampled and decomposed into various components in terms of temporal, spectral and spatial properties. The wave field analysis thus provides a general description of a sound field.

Ein derartig zerlegtes Schalfeld erlaubt es die Daten z.B. für eine Hörbarmachung einer akustischen Szene auf nahezu beliebige Wiedergabeformate (z.B. Mono, Stereo, Surround, dynamische Binauralsynthese, Wellenfeldsynthese, Ambisonics) umzusetzen und erlaubt es zudem, nahezu beliebige Mikrofon-Konstellationen zu emulieren. Hierdurch ergeben sich vielfältige Anwendungsbereiche. Such a disassembled switching field allows the data, e.g. for audition of an acoustic scene to almost any display format (e.g., mono, stereo, surround, dynamic binaural synthesis, wave field synthesis, ambisonics) and also allows to emulate almost any microphone constellation. This results in a variety of applications.

Aber auch für Raumsimulationssysteme, die Visualisierung von Schallfeldern oder raumakustische Messungen liefern diese Daten eine robuste und hochauflösende Basis. But also for room simulation systems, the visualization of sound fields or room acoustic measurements, these data provide a robust and high-resolution basis.

Der stark verallgemeinerte Datenstrom aus der Wellenfeldanalyse kann also gleichzeitig für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, wobei die Art der Anwendung erst am Einsatzpunkt (z.B. beim Konsumenten) festgelegt werden muss. The highly generalized data stream from wave field analysis can thus be used simultaneously for a large number of applications, whereby the type of application must first be determined at the point of use (for example, at the consumer).

Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren bekannt. Diese leiden jedoch unter Problemen, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 skizziert werden wird. Methods are already known from the prior art. However, these suffer from problems as described below with reference to 1 will be outlined.

Mikrofonarrays werden beispielsweise in Bereichen der akustischen Messtechnik eingesetzt. Ein Einsatz zur Verwendung zur Hörbarmachung von Schallfeldern ist derzeit jedoch nur äußerst eingeschränkt möglich. Microphone arrays are used, for example, in areas of acoustic measurement technology. However, an application for use in the audition of sound fields is currently possible only to a very limited extent.

Die vom Menschen wahrnehmbare Frequenzbandbreite ist aus technischer Sicht verhältnismäßig groß und liegt zwischen wenigen Hz und erstreckt sich bis in etwa zu 20 kHz. Dies entspricht ungefähr 10 Oktaven. Die dabei auftretenden Wellenlängen erstrecken sich dabei von mehr als 17 m (~20 Hz) bis zu 17 mm (~20 kHz), d.h. die Wellenlängen ändern sich somit in der Größenordnung des Faktors Eintausend. The frequency bandwidth perceivable by humans is relatively large from a technical point of view and lies between a few Hz and extends to approximately 20 kHz. This is about 10 octaves. The wavelengths involved thereby extend from more than 17 m (~ 20 Hz) to 17 mm (~ 20 kHz), i. the wavelengths thus change in the order of magnitude of the factor one thousand.

Sollen nun Schallfelder hörbar gemacht werden (z.B. eine Liveübertragung aus einem Konzertsaal, Auralisierung von Raumakustik etc., ist es wichtig möglichst die gesamte Frequenzbandbreite darbieten zu können. Fehlen tiefe Frequenzen, so wird das Klangbild als „dünn" wahrgenommen, fehlen hohe Frequenzen, so wird das Klangbild als „dumpf“ wahrgenommen. Fehlen sowohl hohe als auch tiefe Frequenzen, so entsteht der klangliche Bandpasscharakter z.B. eines Telefons (300 Hz-3.4 kHz). If sound fields are to be made audible (eg a live broadcast from a concert hall, auralization of room acoustics, etc.), it is important to be able to present the entire frequency bandwidth as possible.) If low frequencies are missing, the sound image is perceived as "thin", high frequencies are missing If the sound pattern is perceived as "dull" If both high and low frequencies are missing, the tonal bandpass character of eg a telephone (300 Hz-3.4 kHz) arises.

Ein gravierendes Problem bei realen Mikrofonarrays stellt das sogenannte räumliche Aliasing dar. Dabei handelt es sich um starke Störartefakte, die vorwiegend bei höheren Frequenzen auftreten. Sie entstehen durch räumliche Unterabtastung des Schallfeldes. Wird eine Welle an zu wenigen räumlichen Positionen erfasst, so kann sie nicht eindeutig zugeordnet werden und es kommt zu Störartefakten. A serious problem with real microphone arrays is the so-called spatial aliasing. These are strong sturgeon artifacts, which mainly occur at higher frequencies. They are created by spatial subsampling of the sound field. If a wave is detected at too few spatial positions, it can not be unambiguously assigned and it comes to sturgeon artifacts.

Um diesen Effekt zu begegnen, müssten die Mikrofone des Arrays räumlich dichter angeordnet werden, um dichter liegende Punkte der Welle zu erfassen und Aliasing zu vermeiden. Eine räumlich dichtere Anordnung führt aber zu einer schlechteren Wiedergabe bei tiefen Frequenzen, da dort sehr große Wellenlängen herrschen, bei denen sich die Phasenänderung bei eng liegenden räumlichen Abtastposition in der Praxis nicht mehr genau genug erfassen lässt, d.h. der Phasenunterschied zwischen zwei benachbarten Mikrofonsignalen ist so gering, dass mit der vorhanden Technik kein ausreichender Unterschied festgestellt werden kann. Somit erkauft man sich zu Lasten der tiefen Frequenzen einen Vorteil bei den hohen Frequenzen. To counteract this effect, the microphones of the array would have to be spatially denser so as to detect denser points of the wave and avoid aliasing. However, a spatially denser arrangement leads to a poorer reproduction at low frequencies, since there are very large wavelengths, in which the phase change can not be detected with sufficient precision in the narrow spatial sampling position in practice, i. the phase difference between two adjacent microphone signals is so small that a sufficient difference can not be determined with the available technology. Thus, one buys at the expense of low frequencies an advantage in the high frequencies.

Alternativ können mehr Mikrofone eingesetzt werden, um die Abtastdichte zu erhöhen und das Aliasing auf höhere Frequenzbereiche zu verschieben. Theoretisch mag dies zwar kein Problem sein, allerdings steigt die benötigte Anzahl der Mikrofone quadratisch mit der Zielfrequenz an. D.h. es müssen eine sehr hohe Anzahl (hunderte oder gar tausende) Mikrofone für eine annehmbare Audiobandbreite in ein Mikrofonarray integriert werden. Dies stellt eine enorme Herausforderung an die Verkabelung, Vorverstärker und Analog-Digital Wandler, und nicht zuletzt an die Rechner, die diese große Anzahl von Signalen bezüglich Ihrer räumlichen, spektralen und temporalen Komponenten verarbeiten müssten. Alternatively, more microphones can be used to increase the sampling density and shift the aliasing to higher frequency ranges. While this may not be a problem in theory, the number of microphones required increases quadratically with the target frequency. That A very large number (hundreds or even thousands) of microphones must be integrated into a microphone array for acceptable audio bandwidth. This poses a huge challenge to the cabling, preamplifiers, and analog-to-digital converters, and not least to the computers that would have to process that large number of signals in terms of their spatial, spectral, and temporal components.

Somit können sowohl verfügbare Mikrofonarrays als auch verfügbare Verarbeitungssysteme prinzipiell nur für eine sehr beschränkte Bandbreite eingesetzt werden. Thus, both available microphone arrays and available processing systems can in principle only be used for a very limited bandwidth.

In einem gewissen Frequenzband liefern sie gute Ergebnisse, d.h. sie weisen einen hohen „White Noise Gain“ (WNG) auf, aber die Bandbreite ist wesentlich geringer als die o.g. vom menschlichen Gehör auflösbare Bandbreite. Daher sind Mikrofonarrays für die Gewinnung von Daten für eine Auralisierung bislang nicht sinnvoll einsetzbar. In a certain frequency band they give good results, i. they have high White Noise Gain (WNG), but the bandwidth is significantly lower than the above. Bandwidth resolvable by human hearing. Therefore, microphone arrays for obtaining data for auralization have so far not meaningful use.

1 zeigt eine abstrahierte Darstellung des White Noise Gain (WNG) aufgetragen über dem Spektrum bezogen auf den Arrayradius eines Mikrofonarrays. Ein hoher WNG bedeutet, dass das Signal des Arrays besonders gut nutzbar ist. 1 shows an abstract representation of the white noise gain (WNG) plotted over the spectrum relative to the array radius of a microphone array. A high WNG means that the signal of the array is particularly useful.

Der untere Bereich des Spektrums bis in etwa zur ersten gestrichelten Linie ist problematisch, da hier erhöhte Rauschanteilen im Signal z.B. durch Positionsfehlern der Mikrofone auftreten, d.h. eine Phasenauflösung ist hier nicht mehr praktisch realisierbar. The lower portion of the spectrum, up to about the first dashed line, is problematic because there are increased noise levels in the signal, e.g. due to positional errors of the microphones, i. a phase resolution is not practically feasible here.

Der mittlere Bereich des Spektrums, beginnend in etwa bei der ersten gestrichelten Linie bis hin zu in etwa der zweiten gestrichelten Linie, ist der eigentliche Arbeitsbereich des Arrays, in dem stabile Daten gewonnen werden können. Der WNG steigt innerhalb des Arbeitsbereiches zu höheren Frequenzen hin an. The middle region of the spectrum, starting at approximately the first dashed line and ending in approximately the second dashed line, is the actual workspace of the array, where stable data can be obtained. The WNG increases within the work area towards higher frequencies.

Der obere Bereich des Spektrums, beginnend in etwa bei der zweiten gestrichelten Linie, ist hingegen von räumlichem Aliasing gestört. Das räumliche Aliasing setzt nahezu spontan ein und gewinnt schnell an Intensität. Dieser Bereich ist mit bisherigen Systemen nicht nutzbar und nimmt einen erheblichen Teil des Spektrums in Anspruch. The upper part of the spectrum, starting at about the second dashed line, is disturbed by spatial aliasing. The spatial aliasing sets in almost spontaneously and quickly gains in intensity. This area is not usable with previous systems and occupies a considerable part of the spectrum.

Das Spektrum muss also auf ein stabiles mittleres Frequenzband begrenzt werden. Wie aber bereits zuvor beschrieben, wird ein derartig beschnittenes Spektrum sowohl als dünn als auch dumpf empfunden. Weiterhin, wie bereits zuvor skizziert, sind die bisherigen Ansätze nicht geeignet, um das Problem zufriedenstellend zu lösen, da eine Verschiebung zu höheren Frequenzen hin an praktische Grenzen stößt. The spectrum must therefore be limited to a stable middle frequency band. However, as already described above, such a truncated spectrum is perceived as both thin and dull. Furthermore, as already outlined above, the previous approaches are not suitable to solve the problem satisfactorily, since a shift to higher frequencies comes to practical limits.

Es wäre daher wünschenswert, die Bandbreite insbesondere zu hohen Frequenzen hin zu erhöhen, ohne durch die bisherigen Randbedingungen limitiert zu sein. It would therefore be desirable to increase the bandwidth, especially at high frequencies, without being limited by the previous boundary conditions.

Insbesondere im professionellen Bereich, z.B. bei Musikproduktionen, setzt man gerne auf die bekannte klangliche Charakteristik von bestimmten Mikrofontypen. Diesen Klang würde man gerne für räumliche Aufnahmeverfahren nutzen. Dies ist gegenwärtig nicht möglich. Especially in the professional field, e.g. in music productions, one likes to rely on the familiar tonal characteristics of certain types of microphones. One would like to use this sound for spatial recording procedures. This is currently not possible.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen oder mehrere Nachteile aus dem Stand der Technik auf erfinderische Weise zu lösen. It is therefore an object of the invention to solve one or more disadvantages of the prior art in an inventive manner.

Die Erfindung wird nachfolgend eingehender unter Bezugnahm auf die Figuren erläutert werden. In diesen zeigt: The invention will be explained in more detail below with reference to the figures. In these shows:

1 eine Darstellung eines qualitativen Verlaufes des White Noise Gain über dem Spektrum bezogen auf den Arrayradius eines Mikrofonarrays, 1 a representation of a qualitative course of the white noise gain over the spectrum with respect to the array radius of a microphone array,

2 eine schematische Darstellung einer Aufnahme eines Schallfeldes durch ein Mikrofon in einem Raum, 2 a schematic representation of a recording of a sound field by a microphone in a room,

3 eine Ausführungsform eines beispielhaften Signalflusses in einem beispielhaften Blockschaltbild gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, 3 an embodiment of an exemplary signal flow in an exemplary block diagram according to an embodiment of the invention,

4 eine Darstellung eines typischen White Noise Gain über das Spektrum bezogen auf den Arrayradius eines Mikrofonarrays unter Einsatz von Ausführungsformen der Erfindung, 4 a representation of a typical white noise gain over the spectrum with respect to the array radius of a microphone array using embodiments of the invention,

Die Erfindung ermöglicht es, die Bandbreite von realen und praktikabel handhabbaren Mikrofonarrays (z. B. zum Zwecke einer Auralisierung) auf das gesamte vom Menschen wahrnehmbare Frequenzspektrum zu erweitern. The invention makes it possible to extend the bandwidth of real and practicable microphone arrays (for example for the purpose of auralization) to the entire spectrum of frequencies perceptible by humans.

Insbesondere eignet es sich für eine Rekonstruktion der oberen Frequenzbereiche, die ohne das Verfahren durch ausgeprägte räumliche Aliasartefakte gestört sind. In particular, it is suitable for a reconstruction of the upper frequency ranges, which are disturbed by the process by pronounced spatial alias artefacts.

Die Erfindung ermöglicht es somit, Mikrofonarrays z.B. für die Auralisierung einzusetzen und ebnet den Verfahren der Wellenfeldanalyse den Weg für eine Vielzahl von neuartigen kommerziellen Anwendungen in der Audiotechnik und akustischen Messtechnik einer neuen Generation. The invention thus makes it possible to use microphone arrays, e.g. for auralization, paving the way for wave field analysis to pave the way for a variety of novel commercial applications in new generation audio and acoustic metrology.

Die Erfindung verwendet eine neuartige Betrachtungsweise des zugrundeliegenden Problems. Während alle Betrachtungen nach dem Stand der Wissenschaft und Technik stets die räumlichen, zeitlichen und spektralen Eigenschaften eines Schallfeldes gemeinsam betrachten, werden die spektralen Eigenschaften hier aus der Betrachtung herausgelöst und gesondert betrachtet. Diese Trennung kann unter Annahme bestimmter Eigenschaften realer Schallfelder vollzogen werden. The invention uses a novel approach to the underlying problem. While all considerations according to the state of science and technology always consider the spatial, temporal and spectral properties of a sound field together, the spectral properties are taken out of consideration here and considered separately. This separation can be accomplished by assuming certain properties of real sound fields.

Das Verfahren kann zwar je nach Szenario durch die Idealisierung der Eigenschaften zu einem gewissen Fehler in der Auflösung des Schallfeldes führen, jedoch ist dieser im Allgemeinen äußerst gering und liegt in aller Regel unterhalb der Schwelle der menschlichen Wahrnehmbarkeit. Depending on the scenario, the process may lead to a certain error in the resolution of the sound field due to the idealization of the properties, but this is generally extremely small and is usually below the threshold of human perceptibility.

Bei dem Verfahren wird zunächst angenommen, dass sich verschiedene Frequenzbänder im Schallfeld bezüglich ihrer räumlichen und zeitlichen Struktur nur in relativ geringem Maße voneinander unterscheiden und zumindest in guter Näherung kohärent auftreten. In the method, it is first assumed that different frequency bands in the sound field with respect to their spatial and temporal structure differ only to a relatively small extent from each other and occur coherently, at least to a good approximation.

In 2 ist die Reflexion an einer Wand W z.B. innerhalb eines Raumes R gezeigt. Dabei wird von einer Quelle SRC sowohl ein hochfrequentes Signal, dargestellt durch eine gestrichelte Linie, als auch ein vergleichsweise niederfrequentes Signal, dargestellt durch eine durchgezogene Linie, ausgesandt. Das Signal wird in einiger Entfernung von einem Schallaufnehmer RCV aufgenommen. Dabei ist festzustellen, dass sich die räumlichen und zeitlichen Eigenschaften für hohe und niedrige Frequenzen nicht erheblich unterscheiden, sodass lediglich eine spektrale Änderung, d.h. unterschiedliche Pegel für hohe und tiefe Frequenzen, zu erwarten ist. In 2 For example, the reflection on a wall W is shown within a space R, for example. In this case, both a high-frequency signal, represented by a dashed line, and a comparatively low-frequency signal, represented by a solid line, are emitted by a source SRC. The signal is picked up at some distance by a RCV pickup. It should be noted that the spatial and temporal properties for high and low frequencies are not significantly different, so that only a spectral change, ie different levels for high and low frequencies, is expected.

Somit reicht es aus, die räumliche und zeitliche Information in einem besonders stabilen Frequenzband zu extrahieren, gegebenenfalls zu filtern und daraus die Struktur für das gesamte Spektrum abzuleiten. Diese Information könnte als Raum-Zeit-Fingerabdruck des Schallfeldes bezeichnet werden. Der Raum-Zeit-Fingerabdruck ist somit unabhängig von der spektralen Information. Thus, it is sufficient to extract the spatial and temporal information in a particularly stable frequency band, if necessary to filter and derive from it the structure for the entire spectrum. This information could be referred to as the space-time fingerprint of the sound field. The space-time fingerprint is thus independent of the spectral information.

Bei Reflexion der Schallwellen an Gegenständen oder Begrenzungsflächen wird in realen Szenarien das Spektrum deutlich beeinflusst, z.B. durch Bedämpfung der hohen Frequenzen an porösen Materialien und durch Dissipationseffekte im Übertragungsmedium (Luft). In reflection of the sound waves at objects or boundary surfaces, the spectrum is significantly influenced in real scenarios, e.g. by damping the high frequencies of porous materials and by dissipation effects in the transmission medium (air).

Diese spektrale Änderung kann nicht vernachlässigt werden. Somit wird das Spektrum gesondert erfasst und auf die vorher synthetisierte Raum-Zeit Struktur aufgeprägt. Hierzu kann beispielsweise ein gesondertes Mikrofon genau im Zentrum des Mikrofonarrays eingesetzt werden. Diese Position ermöglicht es, die passende Phasenlage des Signals für alle Richtungen zu gewährleisten. Alternativ kann dieses Mikrofon auch in räumlicher Nähe neben oder über dem Mikrofonarray positioniert werden, da das Verfahren bezüglich Fehlern in der Phasenbeziehungen gegenüber tolerant ist. Alternativ kann auch ein oder es können mehrere bereits vorhandene(s) Mikrofon(e) des Mikrofonarrays für die Analyse des Spektrums verwendet werden. This spectral change can not be neglected. Thus, the spectrum is separately detected and impressed on the previously synthesized space-time structure. For this purpose, for example, a separate microphone can be used exactly in the center of the microphone array. This position makes it possible to ensure the correct phase position of the signal for all directions. Alternatively, this microphone may also be positioned in close proximity to or above the microphone array because the method is tolerant of errors in phase relationships. Alternatively, one or more existing microphone (s) of the microphone array can be used to analyze the spectrum.

Besonders geeignet zur Anwendung des Verfahrens sind Mikrofonarrays mit Phase-Mode Processing, da dieses Verfahren eine konstante Richtwirkung über der Frequenz ermöglicht, sogenanntes „CD-Constant Directivity". Particularly suitable for use of the method are microphone arrays with phase-mode processing, since this method allows a constant directivity over the frequency, so-called "CD-constant directivity".

Weiterhin kann für die Synthese spektraler Bereiche, die von räumlichem Aliasing betroffen sind, ein besonders stabiler Raum-Zeit-Fingerabdruck dadurch erzeugt werden, dass ein optimaler Arbeitspunkt des Arrays kurz vor Erreichen des Aliasbereiches liegt. Dieser Arbeitspunkt entspricht in etwa dem maximalen WNG in 1. Furthermore, for the synthesis of spectral regions that are affected by spatial aliasing, a particularly stable space-time fingerprint can be generated by the fact that an optimum operating point of the array is just before reaching the aliasing. This operating point roughly corresponds to the maximum WNG in 1 ,

In 3 ist eine Ausführungsform eines beispielhaften Signalflusses in einem beispielhaften Blockschaltbild gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. In 3 For example, one embodiment of an exemplary signal flow is shown in an exemplary block diagram according to an embodiment of the invention.

Das Verfahren ermöglicht es, das gesamte Spektrum aus einem einzelnen, besonders repräsentativen Band zu synthetisieren. The method makes it possible to synthesize the entire spectrum from a single, particularly representative band.

Es kann jedoch auch lediglich dazu verwendet werden nur den Teil zu ersetzen, der sonst durch Fehler gestört wäre. D.h. soweit möglich werden die entsprechenden Teile des Spektrums direkt aus dem Mikrofonarray genutzt und die Synthese wird auf Bereich beschränkt, die sonst nicht oder nur schlecht auflösbar wären (z.B. Spatial Aliasing oder Polstellen bei Open Sphere Arrays mit Druckempfängern). However, it can also be used only to replace the part that would otherwise be disturbed by errors. That as far as possible, the corresponding parts of the spectrum are used directly from the microphone array and the synthesis is restricted to areas that would otherwise be difficult or impossible to resolve (e.g., spatial aliasing or poling in open sphere arrays with pressure transducers).

Das Verfahren lässt sich also frei anpassen und die Synthese einzelner kritischer Bänder bis hin zum gesamten Spektrum ist hierdurch ermöglicht. The method can thus be adapted freely and the synthesis of individual critical bands up to the entire spectrum is thereby made possible.

Hierdurch werden variable Bitraten auf Übertragungskanälen ermöglicht als auch der Einsatz in räumlichen Audiodatenreduktionsverfahren und Audiocodecs. This allows variable bit rates on transmission channels as well as the use in spatial audio data reduction methods and audio codecs.

4 zeigt eine Darstellung eines qualitativen Verlaufes des White Noise Gain über dem Spektrum bezogen auf den Arrayradius eines Mikrofonarrays unter Einsatz von Ausführungsformen der Erfindung. Hier ist der auflösbare Frequenzbereich deutlich erweitert. Links dargestellt ist dabei der Bereich in dem bisherige Verfahren zum Einsatz kommen könnten, während im rechten Teil nun der Bereich, der ansonsten durch spatial aliasing gestört wäre, durch die durch das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellten Informationen „synthezised Information“ ersetzt wird. 4 FIG. 12 is an illustration of a qualitative plot of white noise gain versus spectrum with respect to the array radius of a microphone array using embodiments of the invention. FIG. Here, the resolvable frequency range is significantly expanded. The left-hand side shows the area in which the previous method could be used, while in the right-hand part the area that would otherwise be disturbed by spatial aliasing is replaced by the information "synthezised information" provided by the method according to the invention.

Bevorzugt werden für ein erfindungsgemäßes Wellenfeldanalyseverfahren die nachfolgenden Schritte ausgeführt. The following steps are preferably carried out for a wave field analysis method according to the invention.

Zunächst wird eine Vielzahl von Eingangssignalen von Mikrofonen eines Mikrofonarrays erfasst. First, a plurality of input signals are detected by microphones of a microphone array.

Diese Eingangssignale resultieren aus einem Wellenfeld. These input signals result from a wave field.

Anschließend werden die Eingangssignale der Mikrofone des Mikrofonarrays im Hinblick auf die räumlichen und zeitlichen Eigenschaften des Wellenfeldes zur Gewinnung von Raum-Zeit-Information Wellenfeldes aufbereitet. In 3 ist dies beispielsweise durch eine Fourier-Transformation bezogen auf die Zeit-Domäne in die Frequenzdomäne als auch die räumliche Fourier-Transformation bezogen auf die Ortsdomäne in die Raumfrequenzdomäne dargestellt, wobei die genaue Abfolge der Transformationen abhängig von der Implementierung ist und für die gegenwärtige Erfindung ohne Belang ist. Aus den hierdurch erhaltenen Informationen wird eine Raum-Zeit-Struktur extrahiert. Bevorzugt wird diese Raum-Zeitstruktur nahe am Übergangspunkt zu Spatial Alaiasing gewählt, z.B. im Bereich des maximalen WNG. Die hierdurch erhaltene Raum-Zeitstruktur kann nun noch durch eine geeignete Filterung nachverarbeitet werden. Subsequently, the input signals of the microphones of the microphone array are processed in terms of the spatial and temporal properties of the wave field to obtain space-time information wave field. In 3 For example, this is represented by a Fourier transform with respect to the time domain in the frequency domain and the spatial Fourier transform with respect to the top domain in the spatial frequency domain, the exact sequence of transformations depending on the implementation and for the present invention without Concern is. From the information obtained thereby, a space-time structure is extracted. Preferably, this space-time structure is chosen close to the transition point to Spatial Alaiasing, eg in the region of the maximum WNG. The space-time structure thus obtained can now be further processed by suitable filtering.

Parallel dazu oder im Anschluss an die Erfassung der Vielzahl von Eingangssignalen von Mikrofonen des Mikrofonarrays wird zumindest ein Eingangssignal eines Mikrofones zur Gewinnung von spektralen Eigenschaften des Wellenfeldes erfasst. Parallel to this or following the detection of the multiplicity of input signals from microphones of the microphone array, at least one input signal of a microphone for obtaining spectral properties of the wave field is detected.

Dieses Eingangssignal kann zum einen aus einem oder mehreren Mikrofonen des Mikrofonarrys stammen oder aber von einem weiteren Mikrofon stammen, das entweder im Zentrum des Mikrofonarrays oder in räumlicher Nähre zum Mikrofonarray angeordnet ist. This input signal may originate from one or more microphones of the microphone array or originate from another microphone, which is arranged either in the center of the microphone array or in spatial proximity to the microphone array.

Anschließend wird das Eingangssignal des Mikrofones zur Gewinnung von spektralen Eigenschaften des Wellenfeldes aufgearbeitet. In 3 ist dies beispielsweise durch eine Fourier-Transformation bezogen auf die Zeit-Domäne in die Frequenzdomäne dargestellt. Hieraus wird eine räumliche Information erhalten, die nun zu einer Steuerung einer Amplituden- und Phasenanpassung verwendet werden kann. Subsequently, the input signal of the microphone is processed to obtain spectral properties of the wave field. In 3 For example, this is represented by a Fourier transform with respect to the time domain in the frequency domain. From this, a spatial information is obtained, which can now be used to control an amplitude and phase matching.

Sind sowohl die spektralen Eigenschaften, als auch die Raum-Zeit-Informationen erstellt, können die spektralen Eigenschaften und die Raum-Zeit-Information zusammengeführt werden. If both the spectral properties and the space-time information are created, the spectral properties and the space-time information can be merged.

Abhängig von der Verwendung des Verfahrens kann nun beispielsweise vorgesehen sein, dass lediglich die Komponenten durch das Verfahren bereitgestellt werden, die sonst durch spatial Aliasing gestört wären. D.h. in einem ersten, tiefen Frequenzbereich werden erste Fourier-Koeffizienten basierend auf den zusammengeführten spektralen Eigenschaften und der Raum-Zeit-Information als Ausgangssignale zur Verfügung gestellt. In einem zweiten, höheren Frequenzbereich werden zweite Fourier-Koeffizienten basierend auf den aufbereiteten Eingangssignalen der Mikrofone des Mikrofonarrays als Ausgangssignale zur Verfügung gestellt. Idealerweise sind diese Frequenzbereiche unmittelbar benachbart. Beispielsweise kann der erste Frequenzbereich in etwa bis zu einem Wert reichen, bei dem räumliches Aliasing bezogen auf die ersten Fourier-Koeffizienten einsetzen würde, und der zweite Frequenzbereich beginnt in etwa bei einem Wert, bei dem räumliches Aliasing bezogen auf die ersten Fourier-Koeffizienten einsetzen würde. Depending on the use of the method, it may now be provided, for example, that only the components that would otherwise be disturbed by spatial aliasing are provided by the method. That in a first, low frequency range, first Fourier coefficients based on the merged spectral characteristics and the space-time information are provided as output signals. In a second, higher frequency range, second Fourier coefficients based on the processed input signals of the microphones of the microphone array are provided as output signals. Ideally, these frequency ranges are immediately adjacent. For example, the first frequency range may be approximately up to a value that would use spatial aliasing relative to the first Fourier coefficients, and the second frequency range would begin at approximately a value using spatial aliasing relative to the first Fourier coefficients would.

Natürlich kann auch ein gleitender Übergang vorgesehen sein, bei dem eine gewichtete Überlagerung von originaler Information und synthetisierter Information durchgeführt wird. Of course, a smooth transition may also be provided in which a weighted overlay of original information and synthesized information is performed.

Besonders einfach lässt sich das Verfahren im Zusammenspiel mit einem Mikrofon-Array mit Phase-Mode Processing verwenden. Die Aufbereitung der Eingangssignale der Mikrofone des Mikrofonarrays im Hinblick auf die räumlichen und zeitlichen Eigenschaften des Wellenfeldes weist dann eine räumliche und zeitliche Fourier-Transformation der erfassten Eingangssignale auf. The method can be used particularly simply in conjunction with a microphone array with phase-mode processing. The preparation of the input signals of the microphones of the microphone array with respect to the spatial and temporal properties of the wave field then has a spatial and temporal Fourier transformation of the detected input signals.

Alternativ kann natürlich auch vorgesehen sein, dass das Verfahren eine Zeitverschiebung im Zeitbereich oder eine Phasenverschiebung im Frequenzbereich aufweist (= Delay and Sum Verfahren), wobei auch diese Variante lediglich beispielhaft ist. Alternatively, of course, it may also be provided that the method has a time shift in the time domain or a phase shift in the frequency domain (= delay and sum method), whereby this variant is merely exemplary.

Wie bereits zuvor angedeutet gibt es auch am unteren Ende des Spektrums einen Bereich, der problematisch sein kann. Um hier Abhilfe zu schaffen kann vorgesehen sein, dass in einem bestimmten Frequenzbereich lediglich ein Teil der modalen Auflösung verarbeitet wird, um Rauschanteile höherer Moden zu entgehen. Ebenso kann durch eine Zusammenführung von Raum-Zeit Information und spektraler Information eine Synthese der Signale für tiefe Frequenzen erfolgen, so, wie es auch für die hohen Frequenzbereiche durchgeführt wird. As indicated earlier, there is also an area at the bottom of the spectrum that can be problematic. In order to remedy this situation, provision may be made for only part of the modal resolution to be processed in a certain frequency range in order to avoid noise components of higher modes. Likewise, by a combination of space-time information and spectral information, a synthesis of the signals for low frequencies, as well as for the high frequency ranges is performed.

Besonders bevorzugt ist, wenn das Mikrofon-Array ein im Wesentlichen sphärisches oder zirkulares Mikrofon-Array ist, da diese Bauformen eine symmetrische Struktur aufweisen und zudem die Implementierung des Verfahrens besonders einfach möglich ist. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in 3 gezeigt. It is particularly preferred if the microphone array is a substantially spherical or circular microphone array, since these designs have a symmetrical structure and also the implementation of the method is particularly easy. Such an arrangement is for example in 3 shown.

Durch die neuartige Herangehensweise kann nicht nur die nutzbare Bandbreite erhöht werden. Das Verfahren erlaubt weiterhin auch normalen klassischen Mikrofonen eine neue Verwendung zu erlauben. So kann ein klassisches Mikrofon in dem Verfahren als Centermikrofon eingesetzt werden. Durch Hinzufügen eines Mikrofonarrays in unmittelbarer Nähe, kann dem Mikrofonsignal ein Raum-Zeit Fingerabdruck, also eine bestimmte Richtcharakteristik aufgeprägt werden. So kann der Klang des klassischen Mikrofons beibehalten werden und es können räumliche Audiosignale erfasst werden. Dies stellt die Brücke zwischen den neuen Verfahren und Technologien und den klassischen Produktionstechniken der Tonmeister und Toningenieure her. The novel approach not only increases the usable bandwidth. The method also allows normal classical microphones to allow a new use. So a classic microphone can be used in the process as a center microphone. By adding a microphone array in the immediate Proximity, the microphone signal, a space-time fingerprint, so a certain directional characteristic can be impressed. Thus, the sound of the classic microphone can be retained and spatial audio signals can be detected. This establishes the bridge between the new processes and technologies and the classical production techniques of sound engineers and sound engineers.

Weiterhin kann das Verfahren auch für die Datenreduktion räumlicher Audiodaten eingesetzt werden. So kann ein einzelner Centerkanal mit Amplituden und Phaseninformationen übertragen/gespeichert werden und zudem ein mehr oder weniger umfangreiches Set an räumlichen Fingerabdrücken. Darin sind die räumlichen Informationen gespeichert. So muss nicht für jede Frequenz einzeln ein praktisch gleicher Fingerabdruck übertragen werden. Furthermore, the method can also be used for the data reduction of spatial audio data. Thus, a single center channel with amplitudes and phase information can be transmitted / stored and also a more or less extensive set of spatial fingerprints. Therein the spatial information is stored. Thus, it is not necessary to transmit a practically identical fingerprint for each frequency individually.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

1999 by Earl G. Williams in his work "Fourier Acoustics" [0002]

Claims

Wave field analysis method for use with a microphone array comprising a plurality of microphones, comprising the steps of: Detecting a plurality of input signals of the microphones of the microphone array, the input signals resulting from a detected wave field, further comprising the steps of: Preparation of the input signals of the microphones of the microphone array with regard to the spatial and temporal properties of the wave field in order to obtain space-time information wave field, Detecting at least one input signal of a microphone for obtaining spectral properties of the wave field, Preparation of the input signal of the microphone for obtaining spectral properties of the wave field, • Merging the spectral properties and the space-time information.

A method according to claim 1, characterized in that the preparation of the input signals of the microphones of the microphone array with respect to the spatial and temporal properties of the wave field has a Fourier transform of the detected input signals.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the input signal of a microphone for obtaining spectral information is at least one input signal of one of the microphones of the microphone array.

Method according to one of the preceding claims, wherein in a first frequency range first Fourier coefficients based on the combined spectral characteristics and the space-time information are provided as output signals.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that second Fourier coefficients based on the processed input signals of the microphones of the microphone array are provided as output signals in a second frequency range.

Method according to one of the preceding claims, wherein in a first frequency range first Fourier coefficients based on the combined spectral properties and the space-time information are provided as output signals and in a second frequency range second Fourier coefficients based on the processed input signals Microphones of the microphone array are provided as output signals, wherein the first frequency range and the second frequency range are immediately adjacent, wherein the first frequency range is lower than the second frequency range or vice versa.

A method as claimed in claim 6, characterized in that the first frequency range is approximately up to a value at which spatial aliasing would be based on the first Fourier coefficients, and that the second frequency range begins at about a value for spatial aliasing would be based on the first Fourier coefficients.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a microphone array with phase-mode processing is used and that the preparation of the input signals of the microphones of the microphone array with respect to the spatial and temporal properties of the wave field, a spatial and temporal Fourier transform of has detected input signals.

Method according to one of the preceding claims 1 to 7, characterized in that the method has a time shift in the time domain or a phase shift in the frequency domain.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that only a part of the modal resolution is processed in a certain frequency range.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the microphone array is a substantially spherical or circular microphone array.

A high bandwidth wavefield analyzer for use with a microphone array comprising a plurality of microphones, comprising: an input unit for detecting a plurality of input signals from the microphones of the microphone array, a computation unit for computing a temporal and spatial Fourier transform of the detected input signals thereto corresponding first Fourier coefficients, • an input unit for detecting at least one input signal of a microphone for obtaining spectral information, • a calculation unit for processing the first Fourier coefficients for obtaining space-time information, • a calculation unit for combining the spectral Information and the space-time information to obtain second Fourier coefficients Wherein the device is adapted to carry out one of the methods according to any one of the preceding claims.