Praktische Aspekte der Extrapolation von Außenohrübertragungsfunktionen mittels virtueller Schallfeldsynthese

Vortrag auf der 38. Jahrestagung für Akustik

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
   

   View Slide

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
   

   View Slide

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
   

   View Slide

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
   

   View Slide

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
   

   View Slide

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
   

   View Slide

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
   

   View Slide

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
   

   View Slide

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
   

   View Slide

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
    

    View Slide

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
    

    View Slide

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
    

    View Slide

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
    

    View Slide

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
    

    View Slide

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
    

    View Slide

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
    

    View Slide

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
    

    View Slide

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
    

    View Slide

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
    

    View Slide

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
    

    View Slide

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
    

    View Slide

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
    

    View Slide

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
    

    View Slide

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
    

    View Slide

25. Einleitung Räumliche Abtastung Synthetische HRIRs Gemessene HRIRs Schlussfolgerungen
    S.Spors and H.Wierstorf
    Extrapolation von HRIRs
    20.3.2012
    15 / 15
    

    View Slide