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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektroakustik und insbesondere auf Konzepte zum Aufzeichnen und Wiedergeben von akustischen Signalen.
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Typischerweise werden akustische Szenen unter Verwendung eines Satzes von Mikrophonen aufgenommen. Jedes Mikrophon gibt ein Mikrophonsignal aus. Für eine Audioszene eines Orchesters, beispielsweise, können 25 Mikrophone verwendet werden. Dann führt ein Toningenieur eine Mischung der 25 Mikrophon-Ausgangssignale in, beispielsweise, ein Standardformat durch, wie beispielsweise ein Stereoformat, ein 5.1-, ein 7.1-, ein 7.2-, oder ein anderes entsprechendes Format. Bei einem Stereoformat werden beispielsweise durch den Toningenieur oder einen automatischen Mischprozess zwei Stereokanäle erzeugt. Bei einem 5.1-Format resultiert das Mischen in fünf Kanälen und einem Subwoofer-Kanal. Analog hierzu wird beispielsweise in einem 7.2-Format eine Mischung in sieben Kanäle und zwei Subwoofer-Kanäle vorgenommen. Wenn die Audioszene in einer Wiedergabeumgebung „gerendert“ bzw. aufbereitet werden soll, wird ein Mischergebnis an elektrodynamische Lautsprecher angelegt. In einem Stereo-Wiedergabeszenario existieren zwei Lautsprecher, wobei der erste Lautsprecher den ersten Stereokanal empfängt, und der zweite Lautsprecher den zweiten Stereokanal empfängt. In einem 7.2-Wiedergabeformat existieren beispielsweise sieben Lautsprecher an vorbestimmten Positionen und darüber hinaus zwei Subwoofer, die relativ beliebig platziert werden können. Die sieben Kanäle werden an die entsprechenden Lautsprecher angelegt, und die zwei Subwoofer-Kanäle werden an die entsprechenden Subwoofer angelegt.
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Die Verwendung einer einzigen Mikrophonanordnung bei der Erfassung von Audiosignalen und die Verwendung einer einzigen Lautsprecheranordnung bei der Wiedergabe der Audiosignale vernachlässigen typischerweise die wahre Natur der Schallquellen. Das europäische Patent
EP 2692154 B1 beschreibt ein Set zum Erfassen und Wiedergeben einer Audioszene, bei dem nicht nur die Translation aufgenommen und wiedergegeben wird, sondern auch die Rotation und darüber hinaus auch die Vibration. Daher wird eine Tonszene nicht nur durch ein einziges Erfassungssignal oder ein einziges gemischtes Signal wiedergegeben, sondern durch zwei Erfassungssignale oder zwei gemischte Signale, die einerseits simultan aufgezeichnet werden, und die andererseits simultan wiedergegeben werden. Damit wird erreicht, dass unterschiedliche Emissionscharakteristika von der Audioszene im Vergleich zu einer Standard-Aufnahme aufgezeichnet werden und in einer Wiedergabeumgebung wiedergegeben werden.
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Hierzu wird, wie es in dem europäischen Patent dargestellt ist, ein Satz von Mikrophonen zwischen der akustischen Szene und einem (gedachten) Zuhörerraum platziert, um das „konventionelle“ oder Translations-Signal zu erfassen, das sich durch eine hohe Gerichtetheit bzw. hohe Güte auszeichnet.
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Darüber hinaus wird ein zweiter Satz von Mikrophonen oberhalb oder seitlich von der akustischen Szene platziert, um ein Signal mit niedriger Güte bzw. niedriger Gerichtetheit aufzuzeichnen, das die Rotation der Schallwellen im Gegensatz zur Translation abbilden soll.
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Auf der Wiedergabeseite werden an den typischen Standardpositionen entsprechende Lautsprecher platziert, von denen jeder eine omnidirektionale Anordnung hat, um das Rotationssignal wiederzugeben, und eine direktionale Anordnung hat, um das „konventionelle“ translatorische Schallsignal wiederzugeben. Ferner existiert noch ein Subwoofer entweder an jeder der Standard-Positionen oder nur ein einziger Subwoofer an irgendeiner Stelle.
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Das europäische Patent
EP 2692144 B1 offenbart einen Lautsprecher zum Wiedergeben von, einerseits, dem translatorischen Audiosignal und, andererseits, dem rotatorischen Audiosignal. Der Lautsprecher hat also eine omnidirektional emittierende Anordnung einerseits und eine direktional emittierende Anordnung andererseits.
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Das europäische Patent
EP 2692151 B1 offenbart ein Elektretmikrophon, das zum Aufzeichnen des omnidirektionalen oder des direktionalen Signals eingesetzt werden kann.
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Das europäische Patent
EP 3061262 B1 offenbart einen Ohrhörer und ein Verfahren zum Herstellen eines Ohrhörers, der sowohl ein translatorisches Schallfeld als auch ein rotatorisches Schallfeld erzeugt.
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Die zur Erteilung vorgesehene europäische Patentanmeldung
EP 3061266 A0 offenbart einen Kopfhörer und ein Verfahren zum Erzeugen eines Kopfhörers, der ausgebildet ist, um unter Verwendung eines ersten Wandlers das „konventionelle“ translatorische Schallsignal zu erzeugen, und unter Verwendung eines zweiten senkrecht zum ersten Wandler angeordneten Wandlers das rotatorische Schallfeld zu erzeugen.
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Die Aufzeichnung und Wiedergabe des rotatorischen Schallfelds zusätzlich zum translatorischen Schallfeld führt zu einer signifikant verbesserten und damit hochqualitativen Audiosignalwahrnehmung, die nahezu den Eindruck eines Live-Konzertes vermittelt, obgleich das Audiosignal durch Lautsprecher oder Kopf- bzw. Ohrhörer wiedergebeben wird.
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Damit wird ein Schallerlebnis erreicht, das nahezu nicht unterscheidbar von der ursprünglichen Tonszene ist, bei der der Schall nicht durch Lautsprecher, sondern durch Musikinstrumente oder menschliche Stimmen emittiert wird. Dies wird dadurch erreicht, dass berücksichtigt wird, dass der Schall nicht nur translatorisch, sondern auch rotatorisch und gegebenenfalls auch vibratorisch emittiert wird und daher entsprechend aufgezeichnet und auch wiedergegeben werden soll.
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Nachteilig an dem beschriebenen Konzept ist, dass die Aufzeichnung des zusätzlichen Signals, das die Rotation des Schallfelds wiedergibt, einen weiteren Aufwand darstellt. Darüber hinaus existieren viele Musikstücke, seien es Klassik-Stücke oder Pop-Stücke, bei denen nur das konventionelle translatorische Schallfeld aufgezeichnet worden ist. Diese Stücke sind typischerweise noch in ihrer Datenrate stark komprimiert, wie beispielsweise gemäß dem MP3-Standard oder dem MP4-Standard, was zu einer zusätzlichen Qualitätsverschlechterung beiträgt, die jedoch normalerweise nur für geübte Hörer hörbar ist. Andererseits existieren fast keine Audiostücke mehr, die nicht wenigstens im Stereo-Format aufgezeichnet sind, also mit einem linken Kanal und einem rechten Kanal. Die Entwicklung geht sogar eher in die Richtung, dass mehr Kanäle als ein linker und ein rechter Kanal erzeugt werden, dass also Surround-Aufzeichnungen mit zum Beispiel fünf Kanälen oder sogar Aufzeichnungen mit höheren Formaten erzeugt werden, was unter dem Stichwort MPEG-Surround oder Dolby Digital in der Technik bekannt ist.
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Damit existieren sehr viele verschiedene Stücke, die wenigstens im Stereo-Format, also mit einem ersten Kanal für die linke Seite und einem zweiten Kanal für die rechte Seite aufgezeichnet sind. Es existieren sogar immer mehr Stücke, bei denen eine Aufzeichnung mit mehr als zwei Kanälen erfolgt ist, beispielsweise für ein Format mit mehreren Kanälen auf der linken Seite und mehreren Kanälen auf der rechten Seite und einem Kanal in der Mitte. Noch höher aufgestellte Formate verwenden mehr als fünf Kanäle in der Ebene und darüber hinaus noch Kanäle von oben oder Kanäle von schräg oben und gegebenenfalls auch, wenn möglich, Kanäle von unten.
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Allerdings haben alle diese Formate gemeinsam, dass sie lediglich den konventionellen translatorischen Schall wiedergeben, indem die einzelnen Kanäle auf entsprechende Lautsprecher mit entsprechenden Wandlern gegeben werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Konzept zum Ansteuern und Wiedergeben von Audiosignalen zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Ansteuern gemäß Patentanspruch 1, ein Schallerzeugersystem gemäß Patentanspruch 10, ein Verfahren zum Ansteuern nach Patentanspruch 15, ein Verfahren zum Betreiben eines Schallerzeugersystems nach Patentanspruch 16 oder durch ein Computerprogramm nach Patentanspruch 17 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine synthetische Erzeugung des Rotationssignals dann möglich ist, wenn ein Audiostück mit mehr als einem Kanal, also bereits mit zwei zum Beispiel Stereo-Kanälen oder noch mehr Kanälen existiert. Durch Berechnen einer zumindest näherungsweisen Differenz wird erfindungsgemäß zumindest eine Approximation an das Differenzsignal beziehungsweise Rotationssignal erhalten, das dann verwendet werden kann, um einen omnidirektionalen beziehungsweise einen Wandler mit geringerer Richtungswirkung anzusteuern, um dadurch aus einem eigentlich lediglich translatorisch aufgezeichneten Signal auch eine Rotationskomponente abzuleiten und im Schallfeld wiederzugeben.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen wird eine Schnittstelle vorgesehen, die das erste elektrische Signal, wie beispielsweise einen linken Kanal und ein zweites elektrisches Signal wie beispielsweise für einen rechten Kanal empfängt. Diese Signale werden einem Signalprozessor zugeführt, um das erste elektrische Signal für den ersten Wandler und das zweite elektrische Signal für einen dritten Wandler wiederzugeben. Diese Wandler sind die konventionellen Wandler. Darüber hinaus ist der Signalprozessor ausgebildet, um die zumindest näherungsweise Differenz aus dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal zu berechnen und um aus dieser Differenz ein drittes elektrisches Signal für einen zweiten Wandler oder ein viertes elektrisches Signal für einen vierten Wandler zu ermitteln.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Signalprozessor ausgebildet, um das erste elektrische Signal für den ersten Wandler und das zweite elektrische Signal für den dritten Wandler auszugeben, und um eine erste zumindest näherungsweise Differenz aus dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal zu berechnen, und um eine zweite zumindest näherungsweise Differenz aus dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal zu berechnen, und um ein drittes elektrisches Signal für den zweiten Wandler basierend auf der ersten zumindest näherungsweisen Differenz und ein viertes elektrisches Signal für den vierten Wandler basierend auf der zweiten zumindest näherungsweisen Differenz auszugeben. Vorzugsweise ist die Differenz eine genaue Differenz, bei der das zweite Signal um 180° verändert wird und mit dem ersten Signal addiert wird. Wenn dieses Signal die erste zumindest näherungsweise Differenz ist, ist die unterschiedliche zweite zumindest näherungsweise Differenz das, was sich ergibt, wenn das erste Signal um 180° phasenverschoben wird, also mit einem „Minus“ beaufschlagt wird und mit dem unveränderten zweiten Signal addiert wird. Alternativen bestehen darin, dass die erste zumindest näherungsweise Differenz berechnet wird und dass diese mit einer Phasenverschiebung von zum Beispiel 180° beaufschlagt wird, um die zweite zumindest näherungsweise Differenz zu berechnen. Dann wird also die zweite zumindest näherungsweise Differenz unmittelbar aus der ersten zumindest näherungsweisen Differenz ermittelt. Alternativ können beide Differenzen unabhängig voneinander ermittelt werden, und zwar beide aus den ursprünglichen ersten und zweiten elektrischen Signalen, also dem linken und dem rechten Eingangssignal.
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Die Differenz ist idealerweise ein Wert, den man erhält, wenn der erste Kanal von dem zweiten Kanal subtrahiert wird oder umgekehrt. Eine zumindest näherungsweise Differenz ergibt sich jedoch auch dadurch und ist in bestimmten Ausführungsbeispielen nützlich, wenn die Phasenverschiebung nicht 180° beträgt, sondern größer als 90° und kleiner als 270° ist. Bei dem noch bevorzugteren Bereich, der kleiner ist, beträgt die Phasenverschiebung einen Phasenwert zwischen 160° und 200°.
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In einem Ausführungsbeispiel kann eines der beiden Signale auch vor dem Differenzbilden mit einer Phasenverschiebung gleich oder unterschiedlich von 180° beaufschlagt werden und ggf. zusätzlich noch vor dem Aufaddieren einer frequenzabhängigen Verarbeitung unterzogen worden sein, wie beispielsweise durch eine Equalizer-Verarbeitung oder eine frequenzselektive oder nicht-frequenzselektive Verstärkung. Weitere Verarbeitungen, die entweder vor oder nach dem Differenzbilden durchgeführt werden können, bestehen in einer Hochpassfilterung. Wenn ein hochpassgefiltertes Signal mit dem anderen Signal zum Beispiel mit einem Winkel von 180° kombiniert wird, stellt das ebenfalls eine zumindest näherungsweise Differenz dar. Die Differenz, die zumindest näherungsweise ausgerechnet wird, um davon ausgehend das Signal zum Anregen von Rotationswellen in entsprechenden Wandlern zu erzeugen, die separat von den konventionellen Wandlern sind, kann angenähert werden, indem die Beträge der beiden Signale nicht verändert werden und die Phase zwischen den beiden Signalen zwischen einem Winkel zwischen 90 und 270° variiert wird. Es kann zum Beispiel ein Winkel von 180° verwendet werden. Die Amplituden der Signale können dabei frequenzselektiv oder nicht-frequenzselektiv variiert werden. Auch eine Kombination von frequenzselektiv oder nicht-frequenzselektiv variierten Amplituden der beiden elektrischen Signale zusammen mit einem Winkel zwischen 90 und 270° führt ebenfalls zu einem in vielen Fällen nützlichen Rotationsanregungssignal für die separaten Rotationswandler, also den zweiten Wandler auf der linken Seite und den zweiten Wandler auf der rechten Seite.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden Wandler in einem Schallerzeuger angesteuert, der als Kopfhörer ausgebildet ist, oder der alternativ als Ohrhörer ausgebildet ist. Wieder alternativ ist der Schallerzeuger durch eine Anordnung von Lautsprechern gegeben, wobei ein Lautsprecher für eine linke Seite bezüglich des Zuhörers vorgesehen ist und der andere Lautsprecher für eine rechte Seite des Zuhörers vorgesehen ist. Das Differenzsignal für die eine Seite und das unterschiedliche Differenzsignal für die andere Seite müssen daher nicht unbedingt zur Ansteuerung von einem am Kopf getragenen Schallerzeuger eingesetzt werden, sondern können auch für Lautsprecher, die vom Kopf des Zuhörers entfernt sind, eingesetzt werden. Jeder dieser Lautsprecher hat dann wenigstens zwei Wandler, die mit unterschiedlichen Signalen gespeist werden, wobei der erste Lautsprecher für die „linke Seite“ einen ersten Wandler hat, der mit dem ursprünglichen linken Signal beziehungsweise einem möglicherweise verzögerten linken Signal verspeist wird, während der zweite Wandler mit dem von der ersten zumindest näherungsweisen Differenz abgeleiteten Signal gespeist wird. Entsprechend werden dann die einzelnen Wandler des zweiten Lautsprechers für die „rechte Seite“ angesteuert.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem mehr als zwei Kanäle existieren, also beispielsweise bei einem 5.1-Signal, ist dem Signalprozessor oder der Schnittstelle ein Abwärtsmischer für das erste elektrische Signal, also für den linken Kanal, sowie ein weiterer Abwärtsmischer für das zweite elektrische Signal, also für den rechten Kanal, vorgeschaltet.
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Liegt das Signal dagegen als ursprüngliches Mikrofonsignal vor, wie beispielsweise als Ambisonics-Signal mit mehreren Komponenten, so ist jeder Abwärtsmischer ausgebildet, um aus dem Ambisonics-Signal entsprechend einen linken oder rechten Kanal auszurechnen, der dann vom Signalprozessor eingesetzt wird, um das dritte elektrische Signal und das vierte elektrische Signal auf der Basis von zumindest näherungsweisen Differenzen zu berechnen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Vorrichtung zum Ansteuern gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und zugeordnete Schallerzeuger;
- 2 eine bevorzugte Ausführungsform des Signalprozessors von 1;
- 3a eine erste Ausführungsform des Differenzbilders von 2;
- 3b eine zweite Ausführungsform des Differenzbilders von 2;
- 3c eine Implementierung zum Berechnen des ersten und zweiten elektrischen Signals aus Multikanal- oder Mikrofonsignalen;
- 3d eine weitere Ausführungsform des Differenzbilders von 2;
- 4 eine schematische Darstellung eines Lautsprechers mit jeweils zwei unterschiedlichen Wandlern; und
- 5 eine Implementierung der Vorrichtung zum Ansteuern in einem Mobiltelefon.
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1 zeigt eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Schallerzeugers, wobei der Schallerzeuger ein erstes Schallerzeugerelement 50 für eine linke Seite und ein zweites Schallerzeugerelement 60 für eine rechte Seite aufweist. Jedes Element des Schallerzeugers, der ein am Kopf getragenen Schallerzeuger, wie beispielsweise ein Kopfhörer oder ein Ohrhörer sein kann, oder der auch als Lautsprecher ausgebildet sein kann, umfasst zwei Wandler. Das Schallerzeugerelement 50 für die linke Seite umfasst einen ersten Wandler 51 und einen zweiten Wandler 52, und das Schallerzeugerelement für die rechte Seite, das beim Bezugszeichen 60 gezeigt ist, umfasst einen dritten Wandler 63 und einen vierten Wandler 64.
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Die Vorrichtung zum Ansteuern der Schallerzeugerelemente 50, 60 ist bei 1 schematisch dargestellt und von den beiden Schallerzeugerelementen 50 und 60 getrennt angeordnet, also in einem getrennten Gerät, oder in den Schallerzeugerelementen integriert. Bei einer getrennten Anordnung werden die Ausgangssignale 21, 22, 23, 24 zum Beispiel drahtlos oder drahtgebunden an entsprechende Schallerzeugerelemente 50, 60 geliefert. Bei einer integrierten Anordnung werden die ursprünglichen Kanäle für links und rechts, also das erste elektrische Signal 11 und das zweite elektrische Signal 12 direkt den beiden Lautsprechern zugeführt, und die Vorrichtung zum Ansteuern ist dann ausgebildet, um für jeden Lautsprecher die entsprechenden Signale zu berechnen. Das Schallerzeugerelement 50 würde dann, wenn die Vorrichtung 1 im Lautsprecher beziehungsweise Kopfhörer integriert ist, lediglich die Ausgangssignale 21, 22 berechnen, während für die rechte Seite, also für das Schallerzeugerelement 60, die Vorrichtung 1 zum Ansteuern lediglich die Ausgangssignale 23, 24 von 1 berechnen würde.
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Die Vorrichtung 1 zum Ansteuern des Schallerzeugers mit den Schallerzeugerelementen umfasst eine Schnittstelle 10 zum Empfangen eines ersten elektrischen Signals für die linke Seite und eines zweiten elektrischen Signals für die rechte Seite. Ferner ist ein Signalprozessor angeordnet, um ein erstes Ausgangssignal auf der Basis des ersten elektrischen Signals für den ersten Wandler und ein zweites Ausgangssignal auf der Basis des zweiten elektrischen Signals für den dritten Wandler auszugeben. Ferner ist der Signalprozessor 20 ausgebildet, um unter Verwendung eines Differenzbilders 25 zu arbeiten, der eine erste zumindest näherungsweise Differenz aus dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal und eine zweite zumindest näherungsweise Differenz aus dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal ausrechnet, wobei die beiden zumindest näherungsweisen Differenzen voneinander unterschiedlich sind. Ferner ist der Signalprozessor 20 ausgebildet, um ein zweites Ausgangssignal 22 auf der Basis der ersten zumindest näherungsweisen Differenz zu ermitteln und auszugeben, und um ein viertes Ausgangssignal auf der Basis der zweiten zumindest näherungsweisen Differenz zu ermitteln und an einen Ausgang für den vierten Wandler 64 des zweiten Schallerzeugerelements 60 auszugeben.
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Der Signalprozessor ist ausgebildet, um das erste elektrische Signal unmittelbar als erstes Ausgangssignal zu verwenden oder das zweite elektrische Signal 12 unmittelbar als zweites Ausgangssignal 23 für den dritten Wandler zu verwenden. Wie es in 2 gezeigt ist, wird es jedoch bevorzugt, ein Verzögerungselement 26 für die Erzeugung des ersten Ausgangssignals 21 und ein Verzögerungselement 27 für die Erzeugung des dritten Ausgangssignals 23 vorzusehen, um die konventionellen Wandler 51 beziehungsweise 63 der beiden Lautsprecher beziehungsweise Kopfhörer/Ohrhörer 50 und 60 von 1 anzusteuern.
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Der Signalprozessor 20 umfasst ferner einen Differenzbilder 25, um die erste zumindest näherungsweise Differenz (z. B. L-R) zu berechnen, und um die zweite zur ersten Differenz unterschiedliche zumindest näherungsweise Differenz (z. B. R-L) zu berechnen. Beide zumindest näherungsweisen Differenzen werden bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel jeweils einem Hochpassfilter (HP) beziehungsweise einem Equalizer-Element (EQU) 28 beziehungsweise 29 zugeführt, und das Ausgangssignal dieser Elemente 28, 29 wird bei bestimmten Ausführungsbeispielen noch jeweils verstärkt, wie es durch einen Verstärker 30 beziehungsweise 31 darstellt ist, um auf der Basis der zumindest näherungsweisen Differenzen (z. B. L-R) und (z. B. R-L) das zweite Ausgangssignal 22 und das vierte Ausgangssignal 24 für den zweiten Wandler 52 beziehungsweise den vierten Wandler 64 von 1 zu liefern.
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In einer alternativen Ausführungsform können die entsprechenden Hochpassfilter/Equalizer-Maßnahmen 28, 29 auch bereits vor dem Differenzbilden vorgenommen werden. Wieder alternativ kann auch die Verstärkung durch die Verstärkungsglieder 30, 31 vor dem Differenzbilden vorgenommen werden oder vor der Hochpassfilter/Equalizer-Maßnahme 28 bzw. 29.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Elemente 28, 29 und/oder 30, 31 steuerbar ausgebildet, um die beiden Differenzsignale entsprechend zu verarbeiten, und zwar basierend auf einem Kalibrierungsprozess, der unter psychoakustischen Gesichtspunkten ermittelt, wie der Schalleindruck ist, wenn das konventionelle Signal und das neu ermittelte Differenzsignal zusammen wahrgenommen werden. Vorzugsweise findet eine Kalibrierung mit sogenanntem rosa Rauschen statt, weil sich gezeigt hat, dass damit die besten und zuverlässigsten Einstellungsergebnisse für die einstellbaren Elemente 28, 29, 30 und 31 erreicht werden. Je nach Implementierung können die Elemente steuerbar sein, abhängig davon, ob ausgansseitig ein Ohrhörer-, ein Kopfhörer- oder ein Lautsprecherpaar angeschlossen ist. In der Ausführungsform können die Elemente auch steuerbar sein, um abhängig von einem bestimmten Musikgenre beispielsweise entsprechende Einstellungen für das neu gebildete Differenzsignal zur Erzeugung der Rotationswellen zu erhalten.
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3a zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, um die Differenzen zu bilden. Ein erstes Element 25a bildet die Differenz (L-R) und ein zweites Differenzbildungselement 25b bildet die Differenz (R-L). Hier wird beim Element 25a das rechte Signal R umgepolt, also mit einer Phasenverschiebung von 180° beaufschlagt, während beim Element 25b das linke Signal umgepolt und dann mit dem rechten Signal addiert wird, wobei diese Umpolung ebenfalls eine Beaufschlagung mit einer Phasenverschiebung von 180° bedeutet.
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Bei einem in 3b gezeigten Ausführungsbeispiel wird lediglich eine Addition berechnet. Hierzu wird mit dem Element 25a die Differenz zwischen links und rechts berechnet und als zumindest näherungsweise Differenz (L-R) ausgegeben. Dieser Wert wird in einem Phasenschieberelement 25c vorzugsweise mit einer Phasenverschiebung von 180° versehen, um die zumindest zweite näherungsweise Differenz (R-L) zu berechnen, die sich von der ersten zumindest näherungsweisen Differenz unterscheidet. Phasenverschiebungswerte für die Addition im Element 25a beziehungsweise für das Element 25c zwischen 90° und 270° können ebenso verwendet werden, wobei es jedoch bevorzugt wird, Phasenwerte zwischen 160° und 200° und am meisten bevorzugt einen Wert zwischen 175 und 185°, also im Wesentlichen 180° zu verwenden, wie es in 3d dargestellt ist. Alternativ zu einer Umpolung in 3a, 3b kann damit auch, wie es in 3d gezeigt ist, ein einfacher Addierer 25f eingesetzt werden, und zwar in Verbindung mit einem ersten Phasenschieber 25d und einem zweiten Phasenschieber 25e, die mit Φ1 und Φ2 in 3d dargestellt sind. Je nach Implementierung kann der Phasenschieber 25d auch im ersten Zweig, also für das erste elektrische Signal 11 liegen und muss nicht unbedingt im Signalzweig für das zweite elektrische Signal 12 für die rechte Seite liegen.
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3c zeigt eine weitere alternative Ausführungsform, bei der das Eingangssignal nicht ein Stereosignal ist, sondern ein Multikanalsignal mit beispielsweise einem 5-Kanal-Format, wie beispielsweise einem 5.0-, 5.1-, 5.2-Format. Hier existiert ein linker hinterer Kanal (LS) ein linker vorderer Kanal (LF), ein rechter vorderer Kanal (RF) und ein rechter hinterer Kanal (RS) sowie ein Mittenkanal (C). Ein erster Abwärtsmischer 13 ist ausgebildet, um zumindest LF und LS und gegebenenfalls noch C jeweils nach einer wie auch immer gearteten Gewichtung miteinander zu addieren, um das erste elektrische Signal 11, das in den Signalprozessor 20 eingegeben wird, zu ermitteln. Der zweite Abwärtsmischer 14 ist dann vorzugsweise ausgebildet, um lediglich die Kanäle auf der rechten Seite, also RF, RS und einen vorzugsweise mit dem Faktor 0,5 gewichteten Mittenkanal aufzuaddieren, um das zweite elektrische Signal zu erhalten, das in den Signalprozessor 20 eingespeist wird. Der Signalprozessor 25 ist dann wiederum ausgebildet, wie in einem der 1 bis 3b, 3d gezeigten Ausführungsbeispiel, um das erste Ausgangssignal 21, das zweite Ausgangssignal 22, das dritte Ausgangssignal 23 und das vierte Ausgangssignal 24 für die Wandler 51, 52, 63, 64 zu erzeugen.
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Alternativ ist der Abwärtsmischer 13 beziehungsweise der Abwärtsmischer 14 ausgebildet, um aus einem Mikrofonsignal von einem realen oder virtuellen Mikrofon beziehungsweise allgemein einem beispielsweise Ambisonics-Signal, das beispielsweise im B-Format vorliegt, und eine omnidirektionale Komponente sowie zwei oder drei direktionale Komponenten aufweist, wiederum ein linkes Signal 11 beziehungsweise ein rechtes Signal 12 zu berechnen.
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Eine solche Berechnung kann z. B. unter Verwendung eines Panning-Konzepts durchgeführt werden. Panning-Gewichte werden aus Mikrophon- bzw. Ambisonics-Signalen oder verbundenen Metadaten ermittelt. Zur Bestimmung dieser Panning-Gewichte wird die Position einer Schallquelle in dem Mikrophon-Signal ermittelt, und zwar bezüglich einer Mikrophonposition. Dann wird unter Verwendung einer Position eines Lautsprechers bzw. mehrerer Lautsprecher in einem Wiedergaberaum und unter Verwendung der (virtuellen) Position des Mikrophons in dem Wiedergaberaum die Schallquelle im Common-Mode-Signal über vorzugsweise ein Vector-based Amplitude-Panning irgendwo im Wiedergaberaum „platziert“. Hierzu wird das Signal, das der Schallquelle zugeordnet ist, mit einem Gewichtungsfaktor versehen, um ein entsprechendes Signal zu erhalten. Eine Schallquelle, die zwischen Links und Mitte platziert werden soll, wird dahin gehend abgebildet, dass ein Panning-Faktor für das omnidirektionale Signal für den linken Lautsprecher gleich 0,5 ist und für den rechten Lautsprecher ebenfalls gleich 0,5 ist. Wenn dann beide Lautsprechersignale gewandelt werden, erscheint die Schallquelle gewissermaßen als „Phantomquelle“ zwischen Links und Mitte. Entsprechend wird für andere Schallquellen in den Signalen vorgegangen.
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Eine Trennung des Mikrophon- oder Ambisonics-Signals in einzelne Schallquellen kann durch beliebige Quelltrennungsalgorithmen vorgenommen werden. Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, das Signal einer Zeit-Frequenz-Transformation zu unterziehen, wobei für eine Folge von aufeinanderfolgenden Frames jeweils eine Mehrzahl von Subbändern erzeugt wird, und wobei dann pro Zeit-Frequenz-Bin der Folge von Frames ermittelt wird, aus welcher Richtung der Schall im Mikrophonsignal kommt. Diese Richtungsermittlung kann durch einfaches Auslesen von bereits bereitgestellten Metadaten erreicht werden, die pro Zeit/Frequenz-Bin eine DOA-Richtung (DOA = Direction of Arrival) mit einem Azimut-Winkel und einem Elevations-Winkel angeben. Zusätzlich kann, je nach Implementierung, auch zu der DOA-Information pro Zeit-Frequenz-Bin auch eine Diffuseness-Information geliefert werden, wie es aus der Audiosignalverarbeitung bekannt ist, die unter dem Namen DirAC (Directional Audio Coding) in der Fachwelt bekannt ist.
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Wenn hingegen keine solchen Metadaten vorhanden sind, sondern ein komplettes B-Format-Signal, kann unter Verwendung einer Signalanalyse diese Richtungsinformation pro Zeit/Frequenz-Bin, also pro Subband in jedem Frame ermittelt werden, wie es in der Veröffentlichung „Parametric Spatial Audio Effects“, A. Politis, u. a., 15th Int. Conference on Digital Audio Effects (DAFx-12), September 17, 2012, oder in der Veröffentlichung „Directional audio coding - perception-based reproduction of spatial sound“, V. Pulkki, u. a., International Workshop on the Principles and Applications of Spatial Hearing, IWPASH, 11. November 2009, Japan, dargelegt ist.
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Die vorliegende Erfindung ist daher universell für beliebige Multikanal- beziehungsweise Spatial-Audio-Anwendungen, welche auch beliebige Mikrofonsignale umfassen, ausgestattet, um immer zumindest ein linkes und ein rechtes Signal zu berechnen und von dem linken und rechten Signal entsprechende Differenzsignale zu berechnen, mit denen vorzugsweise Rotationswandler angesteuert werden. Eine Kopfhöreranwendung findet sich in der
US 2016/0241962 A1 , wo in einem Kopfhörergehäuse, das schematisch in
4 mit 50 dargestellt ist, das an einem schematisch dargestellten Ohr 52 angelegt ist, ein erster Wandler 51 beziehungsweise ein dritter Wandler 63 angeordnet ist und darüber hinaus ein zweiter Wandler 52 beziehungsweise ein vierter Wandler 64 gezeigt ist. Der Wandler 52 beziehungsweise 64 wird mit dem zweiten Ausgangssignal 22 beziehungsweise dem vierten Ausgangssignal 24 angesteuert, während der erste Wandler mit dem ersten Ausgangssignal 21 beziehungsweise dem dritten Ausgangssignal 23 angesteuert werden würde.
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Alternative Implementierungen für Ohrhörer beziehungsweise in-ear-devices sind vorzugsweise als sogenannte Balanced-Armature-Wandler, als MEMS-Wandler (MEMS = Micro-Electro-Mechanical Systems), als dynamische Wandler beziehungsweise dynamic transducers oder als Biegewellenwandler oder Manger-Wandler oder ähnliche Elemente ausgeführt. Insbesondere bei einer Ohrhöreranwendung muss jeweils für jedes Signal ein eigener Wandler vorhanden sein, der jeweils einen eigenen Ausgang für erzeugten Schall hat. Hierdurch wird sichergestellt, dass in dem geschlossenen Schallraum, der durch einen Ohrhörer oder einen Kopfhörer im Ohr gebildet wird, auch für kleine Wandlergeometrien aufgrund der nahen Anordnung der Wandler am Ohr beträchtliche Bässe erhalten werden.
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5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung innerhalb eines Mobiltelefons 2. Insbesondere ist die Ansteuervorrichtung 1 zum Beispiel als Hardware-Element oder als App beziehungsweise als Programm auf dem Mobiltelefon geladen. Das Mobiltelefon ist ausgebildet, um von einer beliebigen Quelle, die lokal oder im Internet gelegen sein kann, das erste elektrische Signal 11 beziehungsweise das zweite elektrische Signal 12 oder Multikanal- beziehungsweise Mikrofonsignale zu empfangen und abhängig davon die Ausgangssignale 21, 22, 23, 24 beziehungsweise „1, 2, 3, 4“ zu erzeugen. Diese Signale werden vom Mobiltelefon auf den Schallerzeuger mit den Schallerzeugerelementen 50, 60 entweder kabelgebunden oder drahtlos zum Beispiel mittels Bluetooth oder WLAN übertragen. Im letzteren Fall ist es nötig, dass die Schallerzeugerelemente 50, 60 eine Batterieversorgung beziehungsweise allgemein eine Stromversorgung haben, um entsprechende Verstärkungen für die empfangenen drahtlosen Signale, beispielsweise nach dem Bluetooth-Format oder nach dem WLAN-Format zu erreichen.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
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Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
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Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
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Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
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Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
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Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
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Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2692154 B1 [0003]
- EP 2692144 B1 [0007]
- EP 2692151 B1 [0008]
- EP 3061262 B1 [0009]
- EP 3061266 A0 [0010]
- US 2016/0241962 A1 [0041]