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Praktische Aspekte der Extrapolation von Außenohrübertragungsfunktionen mittels virtueller Schallfeldsynthese

Praktische Aspekte der Extrapolation von Außenohrübertragungsfunktionen mittels virtueller Schallfeldsynthese

Vortrag auf der 38. Jahrestagung für Akustik

Sascha Spors

June 08, 2012
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Transcript

  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

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  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

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  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

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  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

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  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
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  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

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  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
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  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
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  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
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  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
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  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
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  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
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  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
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  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

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  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

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  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
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  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
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  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
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  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

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  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

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  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

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  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

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  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

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  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
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  25. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen
    S.Spors and H.Wierstorf
    Extrapolation von HRIRs
    20.3.2012
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