FI118247B - Menetelmä luonnollisen tai modifioidun tilavaikutelman aikaansaamiseksi monikanavakuuntelussa - Google Patents

Description

118247

Menetelmä luonnollisen tai modifioidun tilavaikutelman aikaansaamiseksi monikanavakuuntelussa 5 Ääntä kuunneltaessa ihminen aistii aina myös jonkinlaisen tilavaikutelman.

Kuulija havaitsee sekä äänilähteen suunnan että sen etäisyyden jollain tarkkuudella. Äänilähteestä peräisin oleva ääni synnyttää huoneeseen myös äänikentän, joka koostuu suoraan lähteestä tulevasta äänestä ja seinistä sekä huoneessa olevista esineistä tulevista heijastuksista ja taittumisista. Ihminen 10 pystyy äänikentän perusteella tekemään summittaisia päätelmiä lukuisista ^ huoneen fysikaalisista ja akustisista ominaisuuksista. Eräs ääniteknologian tavoitteista on toistaa nämä äänen tilaan liittyvät ominaisuudet sellaisina kuin ne olivat esitystilassa. Tällä hetkellä tilavaikutelmaa ei pystytä äänittämään ja toistamaan laadun heikentymättä huomattavasti.

15

Ihminen havaitsee tilan akustiikan käyttäen kuulomekanismejaan, jotka tunnetaan melko hyvin. Korvan fysiologia määrittää kuulon t taajuusresoluution. Kuuntelijan kahteen korvaan saapuvat laajakaistaiset f signaalit analysoidaan noin 40 taajuuskaistalla. Tilavaikutelman havainnointi ,29’ perustuu pääasiassa korvasignaalien aikaeroon (ITD, interaural time t·» v ·* difference) ja tasoeroon (ILD, interaural level difference), joita aivot • · analysoivat em. 40 taajuuskaistalla. Näitä kutsutaan myös suuntavihjeiksi.

:...* Jotta tilainformaatio voitaisiin toistaa täydellisesti, kuulijalle on tuotettava * · » • · * • ·* samanlaiset suuntavihjeet kuin todellisessa akustisessa ympäristössä.

*•26*

Tarkastellaan ensin kaiutinjärjestelmiä, ja niillä tuotettavissa olevia Λ m m ““ · tilahavaintoja. Tavallisilla stereokaiutinjärjestelmillä voidaan ilman • · * · *.’* erikoisratkaisuja tuottaa äänimaisema ainoastaan kaiuttimet yhdistävälle suoralle. Muihin suuntiin ei ääniä voida toistaa. On loogista, että käytettäessä • · · • · *•30 useampia kaiuttimia kuulijan ympärillä, voidaan kattaa enemmän suuntia, • » • *·· jolloin syntyy luonnollisempi tilavaikutelma. Monikaiutinjärjestelmistä ja niiden *;": kokoonpanoista tunnetuin on 5.1-standardi (ITU-R 775-1), jossa viisi kaiutinta on asetettu toisiinsa nähden 0°, ±30° ja ±110° kulmiin. On esitetty myös muita järjestelmiä, joissa kaiuttimien määrä ja suunnat vaihtelevat. Joissakin -'»il! - .

2 118247 olemassa olevissa järjestelmissä, erityisesti teattereissa ja ääni-installaatioissa, kaiuttimia on myös eri korkeuksilla.

Edellämainituille kaiutinjärjestelmille on suunniteltu erilaisia 5 äänitysjärjestelmiä, joilla tilavaikutelma pystyttäisiin toistamaan kuuntelutilassa samanlaisena kuin se oli äänitystilassa. Ihanteellisin tapa tilaäänen tallentamiseksi monikanavakaiutinjärjestelmää varten olisi käyttää kaiuttimien määrää vastaavaa määrää mikrofoneja. Tällaisessa tapauksessa mikrofonien suuntakuvioiden olisi vastattava kaiutinjärjestelmää niin, että tietystä 10 suunnasta tuleva ääni tallentuisi vain yhteen, kahteen tai kolmeen mikrofoniin.

^ Mitä suurempi on kaiuttimien määrä, sitä kapeampia suuntakuvioita on käytettävä. Kuitenkaan nykyisillä mikrofonitekniikoilla tällaisia suuntakuvioita ei voida toteuttaa. Useiden suuntakeiloiltaan liian leveiden mikrofonien poimima ääni aikaansaa värittyneen ja epäselvän äänihavainnon, koska tällöin yhdestä 15 suunnasta tuleva ääni toistetaan aina tarpeettoman monesta kaiuttimesta.

Näin ollen nykyiset mikrofonit soveltuvat parhaiten kaksikanavatallennukseen ja -toistoon, joissa ympäröivä tilavaikutelma ei ole tavoitteena.

Ongelmana on, miten tallentaa ja toistaa tilaääni erilaisilla monikanavaisilla kaiutinjärjestelmillä.

.2ΪΓ • »· v : Jos mikrofonit on sijoitettu lähelle äänilähteitä, huoneakustiikka vaikuttaa hyvin • · vähän tallennettuihin signaaleihin. Tällöin tilavaikutelma lisätään tai aikaansaadaan miksausvaiheessa kaikulaitteilla. Jos halutaan äänen «· · • ♦ · · • ·* kuulostavan siltä, kuin se olisi äänitetty jossain tietyssä huoneessa, huoneen • · *•25* akustiikkaa voidaan simuloida kaikulaitteella mittaamalla monikanavainen impulssivaste ja konvoloimalla mitattu vaste audiosignaalin kanssa. Näin * * * *;;j aikaansaadaan kaiutinsignaaleja, jotka olisi voitu äänittää samassa • · *" huoneessa tai tilassa, jossa impulssivasteet oli mitattu. Ongelmana on, miten tuottaa kaikulaitteille tarkoituksenmukaiset impulssivasteet.

• · · • * I *.. Keksintö on yleinen menetelmä minkä tahansa huoneen tai tilan akustiikan * **"i toistamiseksi millä tahansa monikanavaisella kaiutinjärjestelmällä. Menetelmä tuottaa tarkemman ja luonnollisemman tilavaikutelman kuin mitä nykyisillä . .* 3 118247 menetelmillä on aikaansaatavissa. Menetelmä mahdollistaa myös tallennetun akustiikan parantamisen modifioimalla tiettyjä tila-akustisia parametreja.

Aikaisemmat menetelmät 5

Aikaisemmin hyvän tilavaikutelman aikaansaamiseksi monikaiutinjärjestelmässä on käytetty äänentoistoammattilaisten keksimiä ad hoc -menetelmiä, joihin ovat kuuluneet useiden kaikulaitteiden käyttö ja kaukana ja lähellä sijaitsevilla mikrofoneilla tallennettujen äänitteiden miksaus 10 keskenään. Näin ei ole voitu toistaa tarkasti mitään tiettyä tilaa, ja tulos on φ voinut vaikuttaa keinotekoiselta. Miksaus on suoritettu aina jollekin tietylle kaiutinjärjestelmälle, eikä sitä voi suoraan siirtää järjestelmästä toiseen. :

Kirjallisuudessa on esitetty kaksi systemaattista menetelmää äänittää tilaääntä 15 monikanavaisille kaikulaitteille.

Ensimmäisessä menetelmässä käytetään niin montaa mikrofonia kuin kaiutinjärjestelmässä on kaiuttimia. Mikrofonien keskinäinen etäisyys on yli 10 cm. Eräitä tähän tekniikkaan liittyviä ongelmia on tuotu esiin edellisessä osiossa. Menetelmällä saadaan aikaan hyvä tilavaikutelma, mutta • · t : äänilähteiden havaittu suunta on epämääräinen, ja niiden ääni voi värittyä.

• · • · · ‘φ Suurissa kaiutinjärjestelmissä on lähes mahdotonta käyttää kaiuttimia vastaavaa määrää mikrofoneja. Kaiutinjärjestelmä on tunnettava tarkoin i · · vasteiden äänittämistä varten eikä tällaista äänitystulosta voida käyttää • · *2^ hyväksi muunlaisessa kaiutinkokoonpanossa tai äänentoistojärjestelmässä.

« • · *

Toisessa menetelmässä käytetään suuntaavia mikrofoneja, jotka on sijoitettu • · *»* mahdollisimman lähelle toisiaan. Markkinoilla on kaksi tilaäänen tallennukseen • ♦ · *“·* tarkoitettua mikrofonia, jotka tunnetaan nimillä SoundField ja Microflown.

* k ’•30 Näillä voidaan tallentaa pallokuvioinen monovaste (W) sekä kolme • » : *·· kahdeksikkomikrofonin vastetta, vastaten kukin kolmea koordinaattiakselia X, Y ja Z. Näistä voidaan syntetoida’’virtuaalimikrofonisignaalit”, jotka vastaavat mitä tahansa mihin tahansa osoittavaa ensimmäisen kertaluvun differentiaalista suuntakuviota (kahdeksikko, kardioidi, hyperkardioidi jne).

4 118247

Ambisonics-tekniikassa käytetään tällaisia virtuaalisia mikrofoneja. Tallennus suoritetaan SoundField-mikrofonilla tai vastaavalla järjestelmällä ja toistovaiheessa yksi virtuaalimikrofoni suunnataan jokaista kaiutinta kohden.

5 Virtuaalimikrofonin äänisignaali syötetään vastaavaan kaiuttimeen. Koska ensimmäisen kertaluvun suuntakuviot ovat laajoja, minkä tahansa suunnan lähteestä saatava äänisignaali toistetaan melkein kaikista kaiuttimista, joten kaiutinkanavien välillä esiintyy runsaasti ylikuulumista. Tällöin ongelmana on, että parhaimman tilavaikutelman antava kuuntelualue on pieni, havaitut 10 äänilähteiden suunnat ovat epämääräisiä sekä lähteet ovat värittyneitä.

Keksintö 15 Keksinnöllä pyritään toistamaan jonkin olemassaolevan tilan akustiikka mahdollisimman tarkasti monikanavaisella kaiutinjärjestelmällä. Tilasta mitataan vasteet (vallitseva ääni tai impulssivaste) pallokuvioisella mikrofonilla (W), sekä kolmella kahdeksikkokuvioisella mikrofonilla (Χ,Υ,Ζ) jotka on suunnattu koordinaattiakselien mukaan. Kätevimmin tämä käy yhdellä .20* SoundField- tai Microflown-mikrofonilla, joista saadaan kaikki em. vasteet v ·* kerralla.

• · * · · * [··;* Menetelmässä ainoa äänisignaali jota syötetään kaiuttimiin, on

• * I

*\#f pallokuviovaste W. Vasteita X, Y ja Z käytetään datana, kun ohjataan W- * · *25* vastetta osaan kaiuttimista tai kaikkiin kaiuttimiin.

* · · 'V.'. Keksinnössä jaetaan signaalit taajuuskaistoihin kuulonmukaisella resoluutiolla, • · tai tiheämmin. Jokaisen aikaikkunan jokaisessa taajuuskaistassa estimoidaan i t · ’•j** kahdeksikkosignaaleista äänen tulosuunta ääni-intensiteettiin perustuen ajan • · *30' funktiona, ja amplitudipanoroidaan pallokuvioinen vaste estimoituun suuntaan * » : *·· vastaavana ajanhetkenä. Tällä tavalla voimme olettaa että jokaisella *:'*: ajanhetkellä ja taajuuskaistalla tuotamme kuulijalle samankaltaiset suuntavihjeet kuin äänitystilassa. Näin vältetään muissa äänitysjärjestelmissä 5 118247 oleva liian leveiden mikrofonikeilojen ongelma. Järjestelmä kaventaa keinotekoisesti keilaa kuuntelujärjestelmän mukaan.

Menetelmä ei tällaisenään kuitenkaan ole riittävän hyvä. Siinä oletetaan, että 5 äänellä on kaikissa tilanteissa jokin selvä saapumissuunta, mikä ei ole totta esimerkiksi diffuusissa jälkikaiunnassa. Keksinnössä ratkaistaan tämä niin, että estimoidaan äänen tulosuunnan lisäksi myös äänen diffuusisuus jokaisella ajanhetkellä jokaisessa taajuuskanavassa. Jos diffuusisuus on suuri, käytetään panorointikeinoa joka aiheuttaa diffuusin vaikutelman.

10 Diffuusisuus voidaan laskea intensiteetin magnitudin suhteena äänitehon Ä magnitudiin. Kun suhdeluku on lähellä nollaa, on diffusisuus suuri, kun se on lähellä ykköstä, on diffuusisuus pieni. Diffuusi panorointi suoritetaan sijoittamalla ääni useampaan kaiuttimeen.

15 Seuraavassa kuvataan keksintö yhtenä listana. Vaiheet 1-4 viittaavat kuvioon 1, vaiheet 5-7 viittaavat kuvioon 2.

1 Mitataan tai simuloidaan huoneen tai tilan impulssivaste, tai tallennetaan - edellä mainitussa huoneessa tai tilassa esiintyvä ääni käyttäen yhtä * ,259’ pallokuvioista mikrofonia W ja kolmea kahdeksikkokuvioista mikrofonia »·« : (Χ,Υ,Ζ), jotka on suunnattu koordinaattiakseleiden suuntaan. Tämä voidaan • · toteuttaa esim. SoundField-mikrofonia käyttäen.

* · · * • * f • · · ·' ·’ 2 Suodatetaan tallennetut vasteet tai ääni kuulon taajuusresoluution • · *25* perusteella taajuuskaistoihin.

• · · *::: 3 Lasketaan jokaisella taajuuskaistalla äänen aktiivinen intensiteetti ajan • ♦ • · 7 funktiona.

t • * · ' *♦·, #··..- *·· • * ‘•3€f 4 Estimoidaan äänikentän diffuusisuus ajan funktiona perustuen kullakin • # • *·* hetkellä esiintyvään keskimääräisen äänitehon ja aktiivisen intensiteetin magnitudin suhteeseen. Ääniteho lasketaan signaalista W.

6 118247 5 Panoroidaan kunakin ajanhetkenä jokainen taajuuskanava suuntaan, jonka määrittää aktiivinen intensiteettivektori.

6 Jos diffuusisuus on suuri jonain ajanhetkenä ja jossain taajuuskanavassa, 5 panoroidaan taajuuskaista useaan suuntaan yhtäaikaa.

7 Yhdistetään taajuuskaistat jokaisessa kaiutinkanavassa ja jokaisena ajanhetkenä. Tuloksena saadaan monikanavainen impulssivaste, tai monikanavainen äänitys.

10 ^ Toistettaessa ääntä, lopputulos on nyt kuultavissa monikanavaisessa järjestelmässä. Jos menetelmällä tuotettiin impulssivasteet monikanavaista kuuntelua varten, saatuja vasteita voidaan nyt käyttää konvoluutioon pohjautuvassa kaikulaitteessa, joka tuottaa sellaisen tilavaikutelman joka oli 15 mitatussa huoneessa. Keksinnön mukainen käsittelymenetelmä tarjoaa edellä esitettyyn Ambisonics-menetelmään nähden selkeitä parannuksia: 1 Koska paikallistettava äänitapahtuma toistetaan vain maksimissaan kolmella kaiuttimella, havaittu tilavaikutelma on tarkempi ja riippuu vähemmän kuuntelupaikasta toistotilassa.

• *· • · * • · · • · * · · ‘φ 2 Samasta syystä äänen värittyminen on vähäisempää.

··** ·* * 3 Vain yksi hyvälaatuinen pallokuvioinen mikrofoni tarvitaan korkealaatuisen • t ‘•SS* monikanavaimpulssivasteen synnyttämiseksi. Vaatimukset , intensiteettimittauksessa käytettäville mikrofoneille ovat vähäisemmät.

• M

·*·· • · · • * * · *" Samat edut saadaan, jos keksinnön mukaista menetelmää verrataan • * · **j;‘ menetelmään, jossa käytetään samaa määrää mikrofoneja ja kaiuttimia.

* « ’•9Ö Lisäksi: » • · Λ • · « 4 Yhdestä mittausdatasta on mahdollista laskea monikanavavaste mille tahansa kaiutinjärjestelmälle.

! 118247

Prosessoitaessa impulssivasteita, menetelmä tarjoaa myös mahdollisuuden muutella tuotettua kaiuntaa. Useimmat olemassa olevat huoneakustiikan parametrit kuvaavat mitattujen impulssivasteiden aika-taajuusominaisuuksia.

Näitä parametreja voidaan helposti muunnella aika-ja taajuusriippuvuutta 5 painottaen monikanavaimpulssivasteiden rekonstruktion aikana. Lisäksi äänen eri suunnista tulevan energian määrää voidaan säädellä ja äänikentän orientaatiota muuttaa. Edelleen suoran äänen ja ensimmäisen heijastuksen aikaeroa (alkuaikaviivettä tai kaikulaitetermillä, esiviivettä) voidaan muuttaa sovelluskohtaisesti.

10

Muut sovellutusalueet

Keksinnön mukaista menetelmää voidaan soveltaa myös monikanavaäänten 15 audiokoodauksessa. Useiden audiokanavien sijaan välitetään vain yksi kanava ja jonkin verran lisäinformaatiota. Christof Faller ja Frank Baumgarte [1, 2] ovat esittäneet vähemmän edistyksellistä koodausmenetelmää, joka perustuu suuntavihjeiden analysointiin monikanavasignaalista. Koodaussovellutuksissa prosessointimenetelmä tuottaa enemmän laadun heikkenemistä kuin kaikulaitesovelluksessa, mikäli **·* *·* : suuntatarkkuudesta ei tingitä. Erityisesti video- tai • · · etäneuvottelutilanteissa esitettyä menetelmää voidaan käyttää tallentamaan ***·’ ja välittämään tilaääntä.

• · · * · » · ···'.

• · * ♦ *25 Toiminta ···

On osoitettu, että amplitudipanorointi tuottaa äänentoistossa parempia * · '·* korvien väliseen aikaeroon (ITD) ja tasoeroon (ILD) perustuvia 4 · · suuntavihjeitä kuin Ambisonics [3]. Amplitudipanorointi on pitkään ollut i · **3<J standardimenetelmä kaiuttoman äänilähteen sijoittamiseksi haluttuun • ♦ : *·· pisteeseen kaiuttimien välille. Keksinnön mukainen menetelmä parantaa koko huoneen tai tilan akustiikan toistotarkkuutta.

Esitetyn järjestelmän suorituskykyä on arvioitu formaaleissa > , 1 1 8247 kuuntelutesteissä käyttämällä 8-kanavaista kaiutinjärjestelmää, jossa on kaiuttimia myös kuulijan yläpuolella, ja 5.1-järjestelmää. Ambisonics-menetelmään verrattuna tilavaikutelma on tarkempi ja vähemmän värittynyt. Tilavaikutelma on lähellä mitattua akustista tilaa.

5

Konserttisalin akustiikan tällä metodilla suoritettua kaiutintoistoa on myös verrattu keinopäällä tallennettujen signaalien kuuloketoistoon. Keinopää-äänitys on paras tiedossa oleva menetelmä huonetilan akustiikan tallentamiseksi, mutta valitettavasti tällaisten äänitteiden 10 korkealaatuinen toisto voidaan toteuttaa vain kuulokkeita käyttäen, φ Ammattikuuntelijoiden kommenttien perusteella äänimaisemat ovat molemmissa tapauksissa lähes samanlaiset, mutta kaiutintoistossa äänikenttä leviää pään ulkopuolelle paremmin.

15 Keksinnön yksityiskohtaista toteutustapaa kuvaa seuraava esimerkki.

1. Mitataan Oopperatalon tai minkä tahansa tilan impulssivaste niin että äänilähde on kolmessa kohdassa lavaa, ja mikrofoni kolmessa kohdassa katsomoa = 9 vastetta. Laitteisto: standardi PC; .20* monikanavainen äänikortti, esim. MOTU 818; mittausohjelmisto, esim.

• · : Cool Edit pro, tai WinMLS; mikrofoni esim. SoundField SPSS 422B.

;# 2. Määritellään kuuntelussa käytettävä kaiutinjärjestelmä, esim. 5.1- **,„·’ standardi ilman keskikaiutinta. Keskikaiutin jätetään pois tässä i · 25 esimerkissä, koska kaiunta tuotetaan nelikanavaisella laitteella.

lii 3. Lasketaan keksinnön toteuttavalla ohjelmalla jokaisen kaiuttimen * i *** impulssivasteet jokaiselle mittauksen lähde-mikrofoni sijoittelulle.

*·· * · * • · **3Θ* 4. Konvoloidaan yhtä lähde-mikrofoni -sijoittelua vastaavilla * * : '·· impulssivasteilla haluttua äänimateriaalia ja kuunnellaan tuotosta. Eri lähde-mikrofoni-sijoittelujen tuottamia äänimaisemia voidaan vertailla keskenään ja valita niistä parhaiten käyttötarkoitukseen sopiva. Lisäksi käyttämällä useita lähdepisteitä eri lähdemateriaalia voidaan sijoittaa 118247 ί useampiin paikkoihin äänikentässä. Laitteisto voi olla joko standardi PC tai konvoluution suorittava kaikulaite, esim. Yamaha SREV1; sekä tässä tapauksessa neljä kaiutinta.

··1 • lit * · 1 • · · • · · • f • · · • « · ·1 · ♦ · · • · • · • # · • · • 4 ·· · • ^ • 9 · ···· ··· • 1 • · • · · « « • · 1 * 1 · • · · f · 1 * · • · « 1 · ft • · • · 1 * f * · 10 1 1 8247 Lähteet: [1] Faller C. & Baumgarte, F. Efficient represantation of spatial audio using 5 perceptual parametrization. IEEE Workshop on Appi. of Sig. Proc. to Audio and Acoust. WASPAA , New Paltz, USA, Oct. 21-24 2001.

[2] Faller C. & Baumgarte, F. Binaural cue coding applied to stereo and multichannel audio compression. AES 112th Conv. Munich, Germany, May 10-13 10 2002. Preprint 5574.

^ [3] Puikki, V. Microphone techniques and directional quality of sound reproduction. AES 112th Conv. Munich, Germany, May 10-13 2002. Preprint 5500.

··· • »· • · ♦ • · · • · • · t * *·· M » • · « • ♦ ·«♦ • · * · * · · ··· *·· • · * ·

Ml

• · I

• · · • · · • · • · ··· M • · I II 1 ·

Claims (4)

11 1 1 824 7

1. Menetelmä luonnollisen tai keinotekoisen tilavaikutelman aikaansaamiseksi monikanavakuuntelussa, jossa 5. määritetään tilan impulssivaste tai siellä esiintyvä ääni samassa pisteessä sijaitsevilla yhdellä pallokuvioisella mikrofonilla (W), sekä kolmella kahdeksikkokuvioisella mikrofonilla (Χ,Υ,Ζ), jotka on suunnattu koordinaattiakselien suuntaan; ja - suodatetaan signaalien W,Χ,Υ,Ζ aikaikkunat taajuuskaistoihin edullisesti 10 kuulon taajuusresoluution perusteella; ja Ä - lasketaan mikrofonisignaaleista W,Χ,Υ,Ζ kaikilla taajuuskaistoilla äänen w tulosuunta ja mahdollisesti diffuusisuus kaikkina ajanhetkinä, tunnettu siitä, että pallokuvioisen mikrofonin W jokainen taajuuskanava 15 amplitudipanoroidaan monikanavakuuntelussa ajan funktiona siihen suuntaan, jonka määrittää estimoitu äänen tulosuunta.

2. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pallokuvioisen mikrofonin W jokainen taajuuskaista amplitudipanoroidaan useaan suuntaan „2£f estimoidun diffuusisuuden perusteella ajan funktiona esim. samanlaisen ··1 2 v : suuntavaikutelman tuottamiseksi kuin todellisessa akustisessa tilassa. « « • · · :1 ’···1

3. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että * · · . * · · panoroidut eri kaiutinkanavien taajuuskaistat yhdistetään impulssivasteen tai • · *·2·5 äänisignaalin laskemiseksi jokaiselle kaiutinkanavalle.

··· *::: 4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että * · • » T tuotettuja impulssivasteita käytetään kaiunnan tuottamiseen konvoluutiolla tai « · · *·:·1 jollain tuotettuja impulssivasteita mallintavalla menetelmällä. • 1 · - 2 • · • · · • ' * · I ' 12 1 1 1 8247