Praktische Aspekte der Extrapolation von Außenohrübertragungsfunktionen mittels virtueller Schallfeldsynthese

Vortrag auf der 38. Jahrestagung für Akustik

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1. Praktische Aspekte der Extrapolation von Außenohrübertragungsfunktionen mittels virtueller Schallfeldsynthese Sascha Spors and Hagen Wierstorf Quality and Usability Lab Deutsche Telekom Laboratories Technische Universität Berlin 20. März 2012 38. Deutsche Jahrestagung für Akustik
2. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Dynamische datenbasierte binaurale Synthese [Duraiswami et al. 2005, Li et al. 2006, Melchior et al. 2009, ...] plane wave decomposition Primär- quelle ¯ HL (φ, θ, γ, δ, ω) ¯ HR (φ, θ, γ, δ, ω) x y M P(x, ω) ¯ P(φ, θ, ω) (γ, δ) (φ, θ) Aufnahme eines (komplexen) Schallfeldes Zerlegung des Schallfeldes in ebene Wellen Fernfeld-Außenohrübertragungsfunktionen (HRTFs) Zuordnung der ebenen Wellen zu Außenohrübertragungsfunktionen S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 1 / 15
3. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Extrapolation von HRTFs durch virtuelle Schallfeldsynthese Ebene Welle ¯ HL (npw , ω) ¯ HR (npw , ω) npw Synthese einer ebenen Welle durch virtuelle Sekundärquellen Prinzipiell ist eine exakte Synthese möglich S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 2 / 15
4. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Extrapolation von HRTFs durch virtuelle Schallfeldsynthese Ebene Welle HL (x0 , ω) HR (x0 , ω) npw Dpw (x0 , ω) Synthese einer ebenen Welle durch virtuelle Sekundärquellen Prinzipiell ist eine exakte Synthese möglich S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 2 / 15
5. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Prinzip der Wellenfeldsynthese s(t) pre- equalization ... ... a1 a2 aN δ(t − τ1 ) δ(t − τ2 ) δ(t − τN ) Vorfilterung des Signals s(t) der virtuelle Quelle Gewichtung/Verzögerung des vorgefilterten Signals S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 3 / 15
6. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Einfluss der räumlichen Abtastung 36 virtuelle Sekundärquellen, fal ≈ 2 kHz x (m) y (m) −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 dB −50 −45 −40 −35 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 (2.5D WFS, R = 0.5 m, fs = 44.1 kHz, φpw = 90o, b = 20 kHz, integer delay) S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 4 / 15
7. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Einfluss der räumlichen Abtastung 360 virtuelle Sekundärquellen, fal ≈ 20 kHz x (m) y (m) −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 dB −50 −45 −40 −35 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 (2.5D WFS, R = 0.5 m, fs = 44.1 kHz, φpw = 90o, b = 20 kHz, integer delay) S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 4 / 15
8. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Einfluss der räumlichen Abtastung 3600 virtuelle Sekundärquellen, fal ≈ 200 kHz x (m) y (m) −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 dB −50 −45 −40 −35 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 (2.5D WFS, R = 0.5 m, fs = 44.1 kHz, φpw = 90o, b = 20 kHz, integer delay) S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 4 / 15
9. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Zusammenhang zwischen zeitlicher und räumlicher Abtastung Illustration 0 10 20 30 40 50 60 70 τ fs (2.5D WFS, R = 0.5 m, fs = 44.1 kHz, φpw = 90o, b = 20 kHz, integer delay) Abbildung der kontinuierlichen Verzögerungen auf Vielfache des Abtastintervalls Begrenzte räumliche Auflösung durch zeitliches Abtastintervall S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 5 / 15
10. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Zusammenhang zwischen zeitlicher und räumlicher Abtastung Ansteuerungsfunktion für 360 virtuelle Sekundärquellen secondary source delay (samples) −30 −20 −10 0 10 20 30 −2 0 2 4 6 8 10 dB −50 −45 −40 −35 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 (2.5D WFS, R = 0.5 m, fs = 44.1 kHz, φpw = 90o, b = 20 kHz, integer delay) Abbildung der kontinuierlichen Verzögerungen auf Vielfache des Abtastintervalls Begrenzte räumliche Auflösung durch zeitliches Abtastintervall S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 5 / 15
11. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Kontinuierliche Verzögerungen durch ’Fractional Delay’ Filter 360 virtuelle Sekundärquellen, fal ≈ 20 kHz x (m) y (m) −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 dB −50 −45 −40 −35 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 (2.5D WFS, R = 0.5 m, fs = 44.1 kHz, φpw = 90o, b = 20 kHz, fractionaldelay, Nfd = 30) S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 6 / 15
12. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Fragestellung Sind kontinuierliche Verzögerungen für die Extraplation von HRTFs nötig? Ergebnisse für typische WFS Systeme Perzeptiver Einfluß ganzahliger/kontinuierlicher Verzögerungen [Ahrens et al.] Verbesserung der Synthese durch ’Fractional Delay’ Filter [Salvador] Synthese von bewegten Quellen [Strauß et al.] Methodik Fernfeld-HRTFs auf Basis von synthetischen und gemessenen HRTFs Abstand der Quelle R = 0.5 m, 1 Grad Auflösung Nur Horizontalebene, 2.5-dimensionales Szenario Least Squared Error FIR ’Fractional Delay’ Filter mit Nfd = 30 [Laakso et al.] S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 7 / 15
13. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Extrapolierte Fernfeld-HRIRs des linken Ohrs Synthetische HRIRs – Kontinuierliche Verzögerungen angle (deg) time (ms) −180 −90 0 90 180 −1 0 1 2 3 4 5 dB −50 −45 −40 −35 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 (2.5D WFS, R = 0.5 m, fs = 44.1 kHz) S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 8 / 15
14. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Extrapolierte Fernfeld-HRIRs des linken Ohrs Synthetische HRIRs – Ganzzahlige Verzögerungen angle (deg) time (ms) −180 −90 0 90 180 −1 0 1 2 3 4 5 dB −50 −45 −40 −35 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 (2.5D WFS, R = 0.5 m, fs = 44.1 kHz) S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 8 / 15
15. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Extrapolierte Fernfeld-HRIRs des linken Ohrs Synthetische HRIRs – Differenz ganzzahlige/kontinuerliche Verzögerungen angle (deg) time (ms) −180 −90 0 90 180 −1 0 1 2 3 4 5 dB −50 −45 −40 −35 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 (2.5D WFS, R = 0.5 m, fs = 44.1 kHz) S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 8 / 15
16. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Extrapolierte Fernfeld-HRIRs des linken Ohrs Gemessene HRIRs – Kontinuierliche Verzögerungen angle (deg) time (ms) −180 −90 0 90 180 −1 0 1 2 3 4 5 dB −50 −45 −40 −35 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 (2.5D WFS, R = 0.5 m, fs = 44.1 kHz) S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 9 / 15
17. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Extrapolierte Fernfeld-HRIRs des linken Ohrs Gemessene HRIRs – Ganzzahlige Verzögerungen angle (deg) time (ms) −180 −90 0 90 180 −1 0 1 2 3 4 5 dB −50 −45 −40 −35 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 (2.5D WFS, R = 0.5 m, fs = 44.1 kHz) S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 9 / 15
18. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Extrapolierte Fernfeld-HRIRs des linken Ohrs Gemessene HRIRs – Differenz ganzzahlige/kontinuerliche Verzögerungen angle (deg) time (ms) −180 −90 0 90 180 −1 0 1 2 3 4 5 dB −50 −45 −40 −35 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 (2.5D WFS, R = 0.5 m, fs = 44.1 kHz) S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 9 / 15
19. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Interaurale Pegelunterschiede der extrapolierten Fernfeld-HRIRs −200 −150 −100 −50 0 50 100 150 200 −20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20 25 angle (deg) ILD (dB) integer delay fractional delay S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 10 / 15
20. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Interaurale Zeitdifferenzen der extrapolierten Fernfeld-HRIRs −200 −150 −100 −50 0 50 100 150 200 −8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8 x 10−4 angle (deg) ILD (dB) integer delay fractional delay S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 11 / 15
21. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Spektrale Eigenschaften der extrapolierten Fernfeld-HRIRs Differenz der Frequenzgänge für ganzzahlige/kontinuerliche Verzögerungen 102 103 104 −10 −8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8 10 frequency (Hz) ∆ magnitude (dB) lateral ear contralateral ear (2.5D WFS, R = 0.5 m, fs = 44.1 kHz, γ = 90o, φpw = 180o) S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 12 / 15
22. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Spektrale Eigenschaften der extrapolierten Fernfeld-HRIRs Differenz der Lautstärkepegel für ganzzahlige/kontinuerliche Verzögerungen 102 103 104 −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 center frequency (Hz) ∆ magnitude (dB) lateral ear contralateral ear (2.5D WFS, R = 0.5 m, fs = 44.1 kHz, γ = 90o, φpw = 180o) S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 12 / 15
23. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Informeller Hörversuch Kein hörbarer Unterschied zwischen ganzzahligen/kontinuerlichen Verzögerungen. S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 13 / 15
24. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen Schlussfolgerungen Kontinuierliche Verzögerungen sind nicht nötig Gewissenhafte Implementierung der numerischen Simulationen Welche Veränderungen an HRIRs können wahrgenommen werden? Eigenschaften für andere Quellentypen (Punktquelle, Fokussierte Quelle)? Reproducible Research Sound Field Synthesis Toolbox [Wierstorf et al, 132nd AES Convention] Skripte zur Extrapolation auf Basis der SFS-Toolbox HRTFs für verschiedene Abstände ⇒ http://audio.qu.tu-berlin.de S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 14 / 15
25. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen S.Spors and H.Wierstorf Extrapolation von HRIRs 20.3.2012 15 / 15