Analyse von holophonen Darbietungen mittels binauraler Signalverarbeitung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alexander Raake
• Fachliche Zuordnung: Akustik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 179978635

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die zu untersuchende Fragestellung dieses Projektes lautete: „Wie kann mit auditiven Tests gemessen werden wie Zuhörer die Qualität von Schallfeldsynthese bei vielkanaliger Lautsprecherwiedergabe beurteilen - und wie können solche Qualitätsurteile vorhergesagt werden?“ Zunächst wurden wichtige perzeptive Attribute, die einen Einfluss auf die wahrgenommene Qualität haben, in einem Hörversuch identifiziert. Dazu wurden Zuhörer befragt Attribute zu nennen, die den Unterschied zwischen einem realen Schallfeld und unterschiedlichen synthetisierten Schallfeldern beschreiben können. Dabei zeigte sich, dass die größten Beeinträchtigungen des synthetisierten Schallfelds im Hinblick auf die wahrgenommene Richtung, die Klangfarbe und hörbarer Artefakte wie Klicklauten auftraten. In Folgeexperimenten wurde der Zusammenhang dieser Attribute mit den technischen Parametern der verwendeten Schallfeldsyntheseverfahren und Lautsprecheraufbauten untersucht. Insbesondere der Abstand zwischen den einzelnen Lautsprechern erwies sich dabei als ein wichtiger Parameter. Zudem wurden unterschiedliche Zuhörerpositionen in einem ausgedehnten Zuhörerbereich untersucht. Die wahrgenommene Richtung zeigte dabei erst für Lautsprecherabstande größer als 20 cm Abweichungen von der bei der Synthese angestrebten Richtung. Gleichzeitig war auch eine Abhängigkeit von dem verwendeten Schallfeldsyntheseverfahren ersichtlich. Für Higher-Order Ambisonics (HOA) ist es möglich das Schallfeld im Zentrum des Zuhörerbereiches mit höherer Genauigkeit wiederzugeben als am Rand des Zuhörerbereiches. Am Rande des Zuhörerbereiches traten für HOA starke Richtungsabweichungen auf. In einigen Fällen nahmen Versuchspersonen mehr als die gewünschte eine Schallquelle wahr. Die Experimente zur Klangfarbe offenbarten, dass diese für weitaus kleinere Lautsprecherabstände Abweichungen von einem entsprechendem Referenzschallfeld aufweist. Bereits für Lautsprecherabstände großer als 1cm waren deutliche Unterschiede wahrnehmbar. Für eine vergleichbare, immer noch recht kleine Klangverfärbung, wie sie bei Stereophonie auftritt, sind Lautsprecherabstände um die 5 cm notwendig. Hörbare Artefakte in Form von Klicks traten nur für den speziellen Fall einer fokussierten Quelle auf. Dabei handelt es sich um das Schallfeld einer Quelle, die sich zwischen dem Zuhörer und den Lautsprechern befindet. Hierfür konnte gezeigt werden, dass die Artefakte direkt mit der Größe des verwendeten Lautsprecherarrays zusammenhängen. Anschließend wurde ein binaurales auditorisches Modell dahingehend erweitert, dass es die Ergebnisse zur Richtungswahrnehmung synthetisierter Schallquellen vorhersagen konnte. Das Modell wurde anhand der Ergebnisse aus Hörversuchen verifiziert. Das Modell ist in der Lage für beliebige Lautsprecheraufbauten und Zuhörerpositionen die wahrgenommene Richtung zu schätzen. Auf diese Weise kann das Modell benutzt werden um die Qualität der Richtungswahrnehmung für unterschiedliche Schallfeldsynthese Systeme und Aufbauten bereits vor ihrer Realisierung abzuschätzen und sie dementsprechend anzupassen. Bei den Vorbereitungen der Versuchsreihen sind Fehler in der Literatur zur Berechnungen der Ansteuerungsfunktionen der Sekundärschallquellen identifiziert worden. Zudem musste die Binauralsynthese vor der Verwendung für Lokalisations-, Klangfarben- und Qualitätstests zunachst verifiziert werden. Diese zuvor nicht geplanten Arbeiten haben zu einer Verzögerung hinsichtlich des Zeitplans geführt. Darüber hinaus wurde unmittelbar zu Projektbeginn der Ansatz der “Reproducible Research” als Leitmotiv für das Projekt gewählt. Dieser Ansatz erforderte eine höhere Genauigkeit bei der Dokumentation der Ergebnisse und vor allem Bereitstellung der entwickelten Messergebnisse und Analysewerkzeuge. Die Wahl dieses Ansatzes hat jedoch dazu geführt, dass die Arbeiten bereits von einer für das Themenfeld ungewöhnlich großen Zahl von Lesern für ihre eigene Forschung verwendet worden sind. Dies zeigt sich beispielsweise in der relativ hohen Anzahl von Zitierungen. Um den vielversprechenden Ansatz letztlich auch hinsichtlich der Modellierung des komplexen Qualitäts-Formationsprozesses ausbauen zu können, wurde unter Leitung des Antragstellers erfolgreich ein prestigeträchtiges Future and Emerging Technologies Projekt bei der Europäischen Kommission beantragt. Das Konsortialprojekt TWOIEARS mit insgesamt neun Partnern aus Europa und den USA wurde im Anschluss an das DFG-Projekt holobin gestartet. Es hat unter anderem zum Ziel, die bereits in holobin angestrebte Modellierung der Qualitätswahrnehmung nun auf Basis eines Modells der auditorischen Szenenanalyse und erlernter interner Referenz anzugehen, um die in holobin identifizierten Schwierigkeiten zumindest teilweise überwinden zu können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Reducing Artifacts of Focused Sources in Wave Field Synthesis, 129th Convention of the Audio Engineering Society, Paper 8245, 2010
  H. Wierstorf, M. Geier, S. Spors
  
• A Free Database of Head-Related Impulse Response Measurements in the Horizontal Plane with Multiple Distances, 130th Convention of the Audio Engineering Society, eBrief 6, 2011
  H. Wierstorf, M. Geier, A. Raake, S. Spors
  
• Assessment of the Perception of Synthesized Sound Fields with a Binaural Model, Forum Acusticum, p. 2127-32, 2011
  H. Wierstorf, A. Raake, S. Spors
  
• Binaurale Modellierung der Wahrnehmung mit Wellenfeldsynthese generierter Schallfelder, Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Akustik, p. 943-44, 2011
  H. Wierstorf, S. Spors, A. Raake
  
• Towards a binaural modelling toolbox, Forum Acusticum, p. 2081-86, 2011
  P. L. Søndergaard, J. F. Culling, T. Dau, N. Le Goff, M. L. Jepsen, P. Majdak, H. Wierstorf
  
• Localization of a virtual point source within the listening area for Wave Field Synthesis, 133rd Convention of the Audio Engineering Society, Paper 8743, 2012
  H. Wierstorf, A. Raake, S. Spors
  
• Perception and evaluation of sound fields, 59th Open Seminar on Acoustics, p. 263-68, 2012
  H. Wierstorf, S. Spors, A. Raake
  
• Psychoakustik der Wellenfeldsynthese: Vor- und Nachteile binauraler Simulation, Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Akustik, p. 317- 18, 2012
  H. Wierstorf, A. Raake, S. Spors
  
• Sound Field Synthesis Toolbox, 132nd Convention of the Audio Engineering Society, eBrief 50, 2012
  H. Wierstorf, S. Spors
  
• Binaural assessment of multi-channel reproduction, in The technology of binaural listening, Ed. J. Blauert, Springer, p. 255–78, 2013
  H. Wierstorf, A. Raake, S. Spors
  
• Localization in Wave Field Synthesis and higher order Ambisonics at different positions within the listening area, Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Akustik, p. 2376-79, 2013
  H. Wierstorf, A. Raake, S. Spors
  
• Perception of Focused Sources in Wave Field Synthesis, Journal of the Audio Engineering Society, 61(1): p. 5–16, 2013
  H. Wierstorf, M. Geier, A. Raake, S. Spors
  
• Spatial Sound With Loudspeakers and Its Perception: A Review of the Current State, Proceedings of the IEEE, 101(9): p. 1920–38, 2013
  S. Spors, H. Wierstorf, A. Raake, F. Melchior, M. Frank, F. Zotter
  
• Coloration in Wave Field Synthesis, 55th Conference of the Audio Engineering Society, Paper 5-3, 2014
  H. Wierstorf, C. Hohnerlein, S. Spors, A. Raake
  
• Wahrnehmung künstlich erzeugter Schallfelder, Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Akustik, 2014
  H. Wierstorf, S. Spors, A. Raake