VIRTUAL SOUND POSITIONING 3D MULTISOURCE - 98 30 335, F750 Franz Zotter - IEM Institut für Elektronische Musik
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Verarbeitungsalgorithmen in IEM
Computermusik und Akustik UE Institut für Elektronische Musik
VIRTUAL SOUND POSITIONING 3D MULTISOURCE
Betreuer: Franz Zotter
Piotr Majdak 98 30 335, F750
Projekt 12
22.07.2002Abstract:
Within this project a binaural headphone signal should be rendered
from a mono input signal. Head related impulse responses and data
from a room simulation shall be used to create a spatial sounding
signal. The coloring of sound due to reflection is processed by using
an arbitrary first order filter.
Kurzbeschreibung:
In diesem Projekt wird ein Kopfhörersignal aus einem Monosignal
gerendert. Mit kopfbezogenen Impulsantworten (HRIRs) und Daten
einer Raumsimulation soll ein räumlich klingendes Signal berechnet
werden. Die Färbung eines Schallsignals bei der Reflexion soll durch
einen allgemeinen Filter 1. Ordnung berücksichtigt werden.
BESCHREIBUNG
1. Problem und Aufgabenstellung
Virtual Sound Positioning 3D Multisource:
Ziel des Projektes ist die Erstellung von räumlich klingenden
Kopfhörersignalen aus einem Schallsignal und Parametern, die aus einer
Raumsimulation gewonnen werden.
1.1 Raumsimulation (Spiegelquellenprinzip)
Die Raumsimulation soll dabei die akustischen Reflexionen eines Raumes
berechnen.
Über das Spiegelquellenprinzip ist es möglich das Schallfeld, welches
durch ein Schallereignis in einem begrenzten Raum hervorgerufen wird,
im einfacheren freien Schallfeld nachzubilden. Voraussetzung dafür ist die
kugelförmige Schallausbreitung von der Schallquelle und geometrische
Reflexion an den Raumwänden.
Der erste Schritt bei der Nachbildung des Raumes ist die Positionierung
der ursprünglichen Schallquelle im freien Schallfeld.
Reflexionen des Schalls an den Raumbegrenzungsflächen (Boden, Wände,
Decke) werden durch Einbringen weiterer Schallquellen rekonstruiert.
Die ersten dieser zusätzlichen Schallquellen, die Spiegelquellen
1. Ordnung, gewinnt man durch einfache Spiegelung (Reflexion) der
Direktschallquelle an den Raumbegrenzungsflächen.
Werden nun diese Spiegelquellen weiter am Raum gespiegelt, gelangt
man zu den Spiegelquellen 2. und höherer Ordnung, welche mehrfach
reflektierte Schallstrahlen nachbilden. Üblicherweise wird nach einer
vorgegebenen Ordnung von Reflexionen abgebrochen.Weil der Schall durch Reflexion gefärbt wird, muss das in der Berechnung
für jede Ordnung von Spiegelquellen einbezogen werden.
Die hier verwendete Raumsimulation arbeitet mit dem
Spiegelquellenprinzip und kann, unter der Vorgabe einer Raumgeometrie,
der höchsten zu berechnenden Ordnung und der Position der
Direktschallquelle die Spiegelquellen, ihre Position und Ordnung
berechnen.
1.2 HRIRs:
Die Kopfbezogene Impulsantworten (HRIRs) wurden mit einem Kunstkopf
an der Stelle der Außenohren gemessen. Durch entsprechende
Positionierung der Messschallquelle (MLS-Messung) wurden für
ausreichend viele Einfallsrichtungen Impulsantworten gemessen.
Diese Impulsantworten eines KEMAR-Kunstkopfes stehen hier zur
Verfügung. Sie erlauben es ein Schallsignal durch Faltung mit einem
bestimmten Paar von Impulsantworten, in einer bestimmten Richtung zum
Hörer zu Positionieren.
1.3 Virtual Sound Positioning:
Wird ein Schallsignal mit einem geeigneten Paar von Impulsantworten
(linkes und rechtes Außenohr) gefaltet, erhält man ein Kopfhörersignal.
Je nach Wahl dieser beiden Impulsantworten ist es möglich das
Schallsignal in einer bestimmten Einfallsrichtung zu positionieren.
Unter Annahme von Symmetrie zwischen linkem und rechtem Ohr, genügt
es die Impulsantworten für ein Ohr zu kennen.
2. Programmteile und Funktionen
2.1 Das Projekt:
Virtual Sound Positioning, 3D Multisource:
Für einen Abhörpunkt des simulierten Schallfeldes soll nun das Signal
berechnet werden, das ein dort positionierter Hörer wahrnehmen könnte.
Bei der Zusammenstellung des Schallfeldes aus Spiegelschallquellen wird
hier für jede Spiegelquelle berücksichtigt:
• Einfallsrichtung für den Hörer (Azimut und Elevation)
• Distanz zum Hörer, um die entfernungsabhängige Schalldämpfung
berechnen zu können
• Verzögerung des Schalls am Ort des Hörers; eigentlich mit
Distanz / Schallgeschwindigkeit gegeben, wird hier aber trotzdem
explizit gefordert
• Ordnung der Spiegelquelle, um die Klangfärbung bei Reflexion zu
berücksichtigen
• Filterkoeffizienten, welche die oben genannte Klangfärbung
beschreiben (Filter 1. Ordnung)
• Eingangssignal in MonoIm Algorithmus werden stufenweise die Spiegelquellen nullter Ordnung bis
zur höchsten Ordnung abgearbeitet.
Dabei wird das Eingangssignal für jede höhere Ordnung gefiltert, was der
Klangfärbung durch Reflexion entspricht. In weiterer Folge wird mit dem
erhaltenen Signal für jede Spiegelquelle ein Binauralsignal berechnet, die
dazu verwendeten Impulsantworten entsprechen der jeweiligen
Einfallsrichtung.
Weil nicht für alle Raumrichtungen eine HRIR vorliegt, werden die
verfügbaren HRIRs verwendet, die den tatsächlichen Einfallswinkeln am
ehesten entsprechen.
Dieses Signal wird dann mit gegebener Verzögerung und Distanz
verschoben (fraktionales Delay) und abgeschwächt (1/r).
Für die bearbeitete Spiegelquelle kann nun das fertige Signal ins
anfänglich leere Ausgangssignal durch Addition eingefügt werden.
Schleife für jede Ordnung i (beginn bei 0)
Wenn Ordnung 0, dann Eingangssignal=filtere(Eingangssignal)
Schleife für jede Quelle k der Ordnung i
Finde beste HRIR für Einfallsrichtung der Quelle k, linkes Ohr
Finde beste HRIR für Einfallsrichtung der Quelle k, rechtes Ohr
Sig=filtere(Eingangssignal, HRIR(k, rechtes + linkes Ohr) )
Sig=verzögere(Sig, Verzögerung(k))
Sig=1/Distanz(k)*Sig
Ausgangssignal=Ausgangssignal+Sig
Ende
Ende
function out=projekt(in,hrir,hrir_index,a,b,sources,fs)
3D Multisource Binaural Sound Positioning
hrir .... HRIRs for azimut and elevation. The HRIRs should be in
the colums of this matrix. [HRIR1(:), HRIR2(:),...]
hrir_index .... index vector vor HRIR-Matrix with elevation (1st column)
and azimut(2nd column)
should be defined in degree!! [azimuth1, elevation1;
azimuth2, elevation2;...]
a, b .... filter coefficients for reflecting surfaces
(only one filter type possible for all reflections in common
a: iir filter part, b: fir filter part -> type help filter!)
in .... mono input signal
sources virtual sources-
colums of sources:[radius, azimut, elevation, order, delay]
fs .... Samplingrate
out .... binaural (stereo) output signal
AUFRUF Beispiel:
[in,fs,b]=wavread(‘bach.wav’);
load kemar_3D; load kemar_3dindex; load sources;
hrir=kemar_128; hrir_index=kemar_3dindex;
[b,a]=cheby1(1,5,5000/44100*2);
imp=[1;zeros(99,1)]; % Rendern einer Raumimpulsanwort (spart Rechenzeit)
ir=projekt(imp,hrir,hrir_index,a,b,sources,fs);
out=fftfilt(ir,in); out=out/max(max(out));2.2 ZUSATZROUTINEN:
Zum Einbinden des Projektes in eine sinnvolle Umgebung wurden
Zusatzprogramme implementiert, welche im Wesentlichen die Simulation
von Spiegelquellen umfassen.
2.2.1. 3D Raumsimulation
mit dem Spiegelquellenprinzip
Dient zum Auffinden aller gewünschten Spiegelquellen zu einer frei
wählbaren einfachen Raumgeometrie und einer gegebenen
Direktschallquelle in kartesischen Koordinaten.
function sources=mirror_sources(source, room, maxorder)
3D Image Source Room Simulation
this function calculates the position of virtual sound sources (images)
in a simple concert room due to one real sound source,
to represent the early reflections, their delay and location
source ... position of the sound source in 3D coordinates
[x,y,z] listening point ... (LISTENING PERSON) in
the coordinate's origin [0,0,0] looking into x-
direction [1,0,0]
room ... position of the eight corners of the concert
hall (cell array)
first row, floor coordinates, second row ceiling
coordinates,
sort each row like this: rear-left, rear-right,
front right, front-left
{[x1,y1,z1],[x2,y2,z2],[x3,y3,z3],[x4,y4,z4];
[x5,y5,z5],[x6,y6,z6],[x7,y7,z7],[x8,y8,z8]}
maxorder ... gives the highest order for wich virtual sound
sources should be computed
sources ... matrix with computed coordinates [x1,y1,z1;
x2,y2,z2; x3,y3,z3; x4,y4,z4; x5,y5,z5; x6,y6,z6]
order ... vector containing the orders for each matrix
row: [o1; o2; o3; o4; ....]
AUFRUF Beispiel:
room=
{[-3,-4,-1],[3,-4,-1],[3,2,-1],[-3,2,-1];...
[-3,-4,2],[3,-4,2],[3,2,2],[-3,2,2]};
sources=mirror_sources([0,1,0], room, 2);
Bild: Spiegelquellen eines
Würfelraumes mit einer
Schallquelle im Mittelpunkt.
0 (schematisch, bis zur 2.
1.5 1
Ordnung)
0.5 0 -0.5 -1 -2
-1.5 -22.2.2. Rekursive Formel
zur Spiegelquellenberechnung
Berechnet Spiegelungen eines Punktes an Ebenen, welche durch je einen
Punkt und einen Normalvektor gegeben sind. Dabei sind die reflektierten
Punkte als Spiegelquellen, und die Ebenen als schallharte Wände eines
Raumes zu sehen.
function
newsources=reflection(source,order,newsources,maxorder,p,v,restriction)
3D Point Reflection Algorithm
calculates a reflection on the plane defined by the point p and
the normal vector v
P ... {[xpi,ypi,zpi];....} point of plane i
v ... {[xvi,yvi,zvi] ;....} must be a normed
vector (unity length!) normal vector of
plane I
maxorder, order ... maximum order, order of input source
THIS ROUTINE IS TO BE USED FOR RECURSIVE
COMPUTATION, THE TERMINATION BASES ON THE
INPUT 'maxorder' and 'order'
newsources ... matrix with collected results of
computation containing image source
coordinates and orders
[xn1,yn1,zn1,order1; xn2,yn2,zn2,order2;
...]
source ... [xs,ys,zs]
restriction ... number of the surface no reflection
should be made on!
restriction=0 for zero order
newsources ... [xn1,yn1,zn1,order1;
xn2,yn2,zn2,order2; ...]
AUFRUF Beispiel:
p={[-3,-4,-1]; [-3,-4,-1]; [-3,-4,-1]; [3,-4,-1]; ...
[3,2,-1]; [3,2,2]}
v={[0,-1,0]; [0,0,-1]; [-1,0,0]; [1,0,0]; ...
[0,1,0]; [0,0,1]};
newsources=reflection([0,1,0],0,[0,1,0,0],2,p,v,0);
2.2.3. Umrechnung auf Kugelkoordinaten
function sources=sources_polar(sources)
3D Cartesian to Spherical Coordinates Conversion
turns all the kartesian coordinates in the rows of 'sources' into spherical
coordinates
[x1,y1,z1; x2,y2,z2;....]
-> [radius1, azimuth1, elevation1; radius2, azimuth2, elevation2,.....]
y
z
AUFRUF Beispiel:
r
sources=sources_polar([0,1,0]) ϑ
φ
(Es wurde hier eine leicht modifizierte
Version von Kugelkoordinaten verwendet)
x2.3 Testprogramme: Zum einfachen Aufruf aller implementierten Funktionen gibt es 2 Testprogramme. Im Code des ersten Testprogramms können die gewünschten Parameter für den Raum und die Ordnung der Spiegelquellen eingestellt werden, um die Spiegelquellen zu berechnen und danach wird das Rendering für einen Impuls durchgeführt. Die erhaltene Impulsantwort (Binauralsignal) wird als Parameter an das Aufrufende Programm herausgeführt. function impant=test_projekt this script-alike matlab function is rendering a 3D room with 8 corners, a sound source and a listening point (binaural headphone signal). the room and the computed sources are being plotted with matlab's graphic tools. it is allowed (even welcome) to change the definitions within this code. PARAMETERS TO BE CHANGED/VARIIED: Order of Reflections, Room, Sound Source Location, Reflection Filter Coefficients,... the output of this program is a binaural headphone signal in the 2 column vector 'impant' (IMPULSE RESPONSE) THIS will only work if the files: 'kemar_3D.mat', 'kemar_3dindex.mat', 'mirror_sources.m', 'sources_polar.m', 'reflection.m', 'projekt.m' are available to matlab! AUFRUF Beispiel: impant=test_projekt; Mit dem zweiten Testprogramm kann ein Audiosignal (wav-file) gerendert werden. Die dazu verwendete Raumsimulation wird aus einer Matrix ‚sources.mat’ entnommen, welche die Spiegelquellen eines Raumes bis zur 5. Ordnung enthält. Zum sparen von Rechenzeit wird zuerst eine Impulsantwort generiert, dann die Audiodaten damit gefaltet. function [out,impant]=test_projekt2 this script-alike matlab function is rendering a 3D room with 8 corners, a sound source and a listening point (binaural headphone signal). Here image sources up to 5th order will be used, that are already computed and stored in the matrix 'sources.mat' the output of this program is a binaural headphone signal in the matrix 'out' and the impulse response 'impant' THIS will only work if the files: 'bach.wav', 'sources.mat', 'kemar_3D.mat', 'kemar_3dindex.mat', 'mirror_sources.m', 'sources_polar.m', 'projekt.m', 'reflection.m' are available to matlab! AUFRUF Beispiel: [out, impant]=test_projekt2;
Beispiel für die Erzeugung einer längeren Impulsantwort:
[out, imp]=test_projekt2;
[b,a]=cheby1(1,5,5000/44100*2);
a=conv(a,a); b=conv(b,b);
noise=randn(2,22050);
noise=filter(b,a,noise);
noise=noise.*repmat(exp(-(0:length(noise)-1)/2500),2,1);
imp=[imp(1:3000,:) ;noise’/max(max(noise))/10];
Direktschallquelle und Spiegelquellen
erster Ordnung eines Raumes mit einer
schrägen linken Wand. Dabei sind die
Reflexion an der vorderen und an der
2
linken Wand ca. gleich weit vom Hörer
entfernt.
1
0
-1
-2
-3
0.3
Impulsantwort bei Berücksichtigung der
Spiegelquellen 1. Ordnung, insgesamt
0.2
sind 7 Spitzen erkennbar (2 der
0.1
insgesamt 7 Reflexionen [vordere+ linke
Wand] treffen fast zum selben Zeitpunkt
0 ein)
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
3. Audiodateien-Beispiele :
1. Ausschnitt aus einer Bach-Bourrée:
“bach.mp3“ unbearbeitete Aufnahme (tonstudio Nachrichtentechnik)
“bach_3d.mp3“ in einem Quaderraum mit einer schrägen Wand
Reflexionen bis 5. Ordnung und cut-off 5000Hz
“bach_3dgauss.mp3“ Impulsantwort von oben um exponentiell
abklingendes Rauschen verlängert
2. “impant.mat“ Matlab-Matrix mit 2 Stereo Impulsantworten. Selber
Raum wie beim Bach-Beispiel (Variablen: imp, impant).Sie können auch lesen
