Die Erfindung betrifft die Umwandlung eines Stereo-Audio- Signals in ein Signal, welches bei der Reproduktion einem Zuhörer als ein realistischeres Klangbild in drei Dimensionen erscheint, als das originale Stereosignal. Solch eine Umwandlung wird gemeinhin als Stereo-Erweiterung (Stereo-Expansion) bezeichnet und wird nachfolgend als eine solche bezeichnet.

Das Basis-Patent zu stereo, GB-A-394325 (EMT) beschreibt und beansprucht ein System zum Erzeugen von Stereosignalen, wobei die relative Lautstärke der Lautsprecher von der Richtung, aus welcher die Töne an den linken und rechten Eingangs-Mikrophonen ankommen, abhängig gemacht wird. Das System umfasst Summier- und Differenzschaltungen, deren Ausgänge mit entsprechenden Filtern verbunden sind. Solche Summier- und Differenzschaltungen haben danach in vielen verschiedenen Typen von Stereosystemen, insbesondere Stereo-Erweiterungs-Systemen, Verwendung gefunden.

Es gibt zahlreiche Stereo-Verbreiterungs-Verfahren, welche mit unterschiedlichem Erfolg versuchen, das Stereo-Klangbild zu verbreitern. Ein gemeinsames Element vieler dieser Verfahren ist die Verwendung solcher Summier- und Differenzschaltungen, wobei die linken und rechten Stereo-Eingangssignale auf eine Art addiert und verarbeitet werden, und die Eingangssignale auch auf andere Art subtrahiert und verarbeitet werden, wobei diese beiden Wege zum Erzeugen des umgewandelten Ausgangssignals wiedervereinigt werden. Diese Verfahren sind alle synthetisch in dem Sinne, dass sie keine Grundlage in der genauen Modellierung der theoretisch erforderlichen Verarbeitung zur Erweiterung des Klangbildes besitzen. Zum Beispiel beschreibt US-A-4,748,669 Von Klayman ein Stereo-Verbesserungssystem, welches Summier- und Differenzsignale und -schaltungen einschließlich eines Spektrum- Analysators zum selektiven Modifizieren der Signale erzeugt.

Ein besseres Verfahren besteht darin, sogenannte Kopfbezogene Transfer-Funktionen (HRTFs) zu verwenden, also Filter, welche das Ansprechen eines künstlichen oder menschlichen Kopfes oder Ohren auf einen aus einer speziellen Richtung ankommenden Ton repräsentieren. Durch die Verwendung von HRTFs kann ein Konverter erzeugt werden, welcher die den Erweiterungsprozess beschreibenden theoretischen Gleichungen akkurat modelliert. US- A-5,371,799 von Lowe beschreibt zum Beispiel ein System für ein auf einem Personal-Computer gespieltes Videospiel, wobei ein Eingangs-Audiosignal an beide, linke und rechte HRTFs angelegt wird, wobei die HRTFs entsprechend dem geforderten scheinbaren Standort der Audiosignal-Quelle modifiziert werden. Diese Verfahren werden manchmal als Erzeugen virtueller Sprecher oder Quellen zum Positionieren zweier Sprecher scheinbar außerhalb der aktuellen physikalischen Sprecher-Positionen bezeichnet. Das Problem bei diesen Verfahren ist, dass eine Tonqualitäts- Änderung besteht (manchmal als eine Entzerrungs-Änderung bezeichnet), verbunden mit der Verwendung von HRTFs zum Erzeugen virtueller Quellen oder Sprecher. Dieser Effekt ist unerwünscht und bei vielen Anwendungsgebieten nicht akzeptabel.

Diese Tonänderung kann durch Angleichen beider, der linken und rechten Eingangs- (oder Ausgangs)-Signale, als Ausgleich für die von den HRTFs erzeugte Tonänderung korrigiert werden, aber, wenn dies geschieht, ist die Positions-Genauigkeit der virtuellen Tonquelle - Sprecher oder Lautsprecher - beeinträchtigt, insbesondere, falls die virtuellen Sprecher weit voneinander beabstandet sind.

WO 8903632 offenbart eine bekannte Stereo-Erweiterungs- Vorrichtung.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung vorgesehen, wie in den Ansprüchen beschrieben. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Stereo-Erweiterungssystgem zur Verfügung zu stellen, ohne eine Tonänderung zu verursachen.

Die Erfindung basiert auf der Tatsache, dass ein typisches Paar von HRTFs (nahes Ohr und entferntes Ohr) eine nützliche Eigenschaft besitzen; d. h. dass die Funktion des entfernteren Ohrs sehr viel mehr in der Amplitude verringert ist als die Funktion des näheren Ohrs, insbesondere bei höheren Frequenzen. Das bedeutet, dass - wenn HRTF-Paare zum Erzeugen einer virtuellen Quelle verwendet werden - die meiste Energie von der virtuellen Quelle für das nahe gelegene Ohr bestimmt ist. Dadurch nimmt der Zuhörer eine Tonqualität wahr, welche von der HRTF des näheren Ohrs dominiert wird. Diese Eigenschaft kann man sich zunutzte machen. Beide HRTFs, die des näheren Ohrs und die des entfernteren Ohrs, können mit dem Inversen der HRTF des näheren Ohrs entzerrt werden, wodurch die HRTF des näheren Ohrs verflacht wird. Auf diese Weise nimmt das Ohr eine von der HRTF des näheren Ohrs dominierte Tonqualität wahr, welche flach ist. Die Wirkung besteht darin, dass das Gesamt-Frequenz-Ansprechen im wesentlichen flach, und somit die Tonqualität korrekt ist. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass, wenn man tatsächlich so verfährt, die Entzerrung des entfernteren Ohrs durch die gleiche Entzerrungs-Funktion (entgegengesetzt zum näheren Ohr) die Lokalisierungs-Genauigkeit beeinträchtigt und das Endresultat nicht befriedigend ist.

Man hat jedoch herausgefunden, dass - wenn die HRTF des entfernteren Ohrs NICHT modifiziert wird - und die HRTF des näheren Ohrs mit ihrem eigenen Inversen entzerrt wird, wie oben beschrieben, d. h. neutralisiert worden ist und einen, abgeflachten Frequenzgang besitzt, der Stereo-Erweiterer die Vorteile eines scheinbar flachen Frequenzganges genießt, d. h. keine Tonänderung stattfindet, und trotzdem auch die volle Lokalisierungs-Genauigkeit gegeben ist. Dies ist die Grundlage der vorliegenden Erfindung. Ein flaches Ansprech-Filter ist natürlich eine direkt durchgehende Verbindung; es ist keine Filterung erforderlich.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Stereo-Erweiterung- Vorrichtung dar, umfassend erste und zweite Eingänge zum Empfang entsprechender linker und rechter Stereosignale, wobei der erste Eingang über einen ersten Kanal, welcher die Frequenz- Charakteristik des Stereosignals nicht wesentlich ändert, mit einem ersten Summiermittel verbunden ist, und wobei der erste Eingang über ein Filter, das eine HRTF (Kopf-bezogene Transfer- Funktion) des entfernteren Ohrs für einen Zuhörer repräsentiert, mit einem zweiten Summiermittel verbunden ist, und wobei der zweite Eingang über einen zweiten Kanal, welcher die Frequenz- Charakteristik des Stereosignals nicht wesentlich ändert, mit dem zweiten Summiermittel, und über ein Filter, das eine HRTF des entfernteren Ohrs für einen Zuhörer repräsentiert, mit dem ersten Summiermittel verbunden ist, wobei die Ausgänge der Summiermittel erweiterte Stereoton-Signale ausgeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann entweder zum Erzeugen binauraler, für Kopfhörer geeigneter Signale, verwendet werden, oder sie kann in eine Übersprech-Lösch-Vorrichtung eingespeist werden, wie die in unserer gleichfalls schwebenden Anmeldung WO- A-9515069 beschriebene Vorrichtung, zum Erzeugen von Signalen, welche für die Wiedergabe über Lautsprecher geeignet sind.

Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung wird ein Entzerrer-Mittel zum Kompensieren irgendwelcher Durchschnitts- Abweichungen verwendet. Vorzugsweise wird ein Entzerrer-Mittel mit einer Charakteristik verwendet, welche beide, linke und rechte Kanäle entzerrt, entweder vor oder nach der Stereo- Erweiterung.

Im Sinne dieser Beschreibung bedeutet HRTF oder Kopfbezogene Transfer-Funktion eine Funktion, welche den Frequenzgang eines Weges zwischen einer Tonquelle und dem Ohr eines Zuhörers repräsentiert, entweder dem Ohr näher am Ton (nahe HRTF) oder dem Ohr weiter vom Ton entfernt (entfernte HRTF). HRTFs können durch Messungen an einem realen menschlichen, mit geeigneten Mikrophonen ausgestatteten Kopf erlangt werden; alternativ können sie durch Verwendung eines künstlichen Kopfmittels erhalten werden, welches - wie üblich - ein präzises Modell eines menschlichen Kopfes und Rumpfes mit Mikrophonen in den Ohrmuscheln sein kann; alternativ kann es etwas weit weniger Präzises sein, zum Beispiel ein zwischen einem Paar voneinander beabstandeter Mikrophone angeordneter Block oder ein Brett aus Holz; es kann sogar eine elektrische Synthese-Schaltung sein oder ein System, welches solch eine Funktion erzeugt. Es versteht sich, dass HRTFs in weitem Maße veröffentlicht sind, siehe beispielsweise "Measuring a dummy head in search of pinna cues" (Messen eines Kunstkopfes auf der Suche nach Ohrmuschel-Indikatoren) - HL Han, J. Audio Eng. Soc., Jan/Feb, T994, 42, (1/2), S. 15-36.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung, geeignet zur Verwendung bei Kopfhörern;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, geeignet zur Verwendung mit Lautsprechern; und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform, ähnlich wie Fig. 1, jedoch unter Verwendung von Entzerrungs-Stufen;

Fig. 4 bis 6 Graphen von Entzerrungs-Charakteristika für das Ausführungsbeispiel von Fig. 3; und

Fig. 7 bis 9 Darstellungen von HRTFs des näheren Ohrs und HRTFs des entfernteren Ohrs.

In Fig. 1 ist eine Stereo-Erweiterungs-Vorrichtung umfassend erste und zweite Eingänge 2, 4 für LINKE und RECHTE Stereo- Eingangssignale gezeigt. Der linke Eingang ist über einen ersten Kanal 6 mit einer ersten Summierschaltung 8 verbunden. Der erste Kanal 6 ist als eine direkte Verbindung gezeigt und besitzt einen flachen Frequenzgang, d. h. er erzeugt keine signifikante Änderung in Bezug auf die Frequenz-Charakteristika des linken Stereosignals. Er kann jedoch Verzögerungsschaltungen und Dämpfungsglied-Schaltungen umfassen. Der Eingang 2 ist auch über ein Filter 10 mit einer zweiten Summierschaltung 12 verbunden. Das Filter 10 repräsentiert die HRTF (Kopf-bezogene Transfer- Funktion) des entfernteren Ohrs, welche der Position jeder "virtuellen Quelle" zugeordnet ist, und die HRTF schließt die Zeitverzögerungen und durch die Anwesenheit des Zuhörer-Kopfes verursachte Ablenkungs-Effekte ein.

Der zweite Eingang 4 ist über einen zweiten Kanal 14 mit ähnlichen Charakteristika wie diejenigen von Kanal 6 an einen zweiten Eingang einer zweiten Summierschaltung 12 angeschlossen. Der Eingang 4 ist ebenfalls über ein Filter 16, welches auch eine HRTF-Funktion des entfernteren Ohrs - verbunden mit der Position jeder "virtuellen Quelle" - mit einem zweiten Eingang der ersten Summierschaltung 8 verbindet. Die Ausgänge der Summierschaltungen 8, 12 liefern linke und rechte biaurale Ausgabesignale an Stereo-Kopfhörer.

Die Implementierung der HRTF des entfernteren Ohrs kann analog (z. B. eine Filterschaltung) oder (z. B. ein FIR-Filter) sein. Es sei bemerkt, dass die HRTF des entfernteren Ohrs eine Zeitverzögerung einschließt, welche eine interaurale Zeitverzögerung für den virtuellen Quellenwinkel darstellt. Die ADD-Funktion kann digital sein (z. B. ein Akkumulator) oder analog (z. B. eine Funktions-Verstärker-Schaltung). Es versteht sich, dass bei einer praktischen Anwendung, z. B. einem Videospiel auf einem Personal Computer, ein gespeichertes Archiv von HRTFs für verschiedene Positionen virtueller Winkel bestehen kann, und diese werden in die Schaltung von Fig. 1 geschaltet, abhängig von der gewünschten darzustellenden Klangposition.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die zur Verwendung mit Lautsprechern geeignet ist. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Ausgänge der Summierschaltungen 8, 12 sind mit Übersprech- Löschungs-Mitteln 20 verbunden. Dieses erzeugt in bekannter Weise (siehe zum Beispiel die veröffentlichte internationale Patentanmeldung Nr. WO A-95150679) Kompensation für Signale, welche von Lautsprechern übertragen werden, so dass der binaurale Effekt am Kopf des Zuhörers aufrechterhalten wird, und die Ausgänge von den linken und rechten Lautsprechern erzeugen kein Übersprechen, welches den binauralen Effekt zerstört.

Ein übliches Verfahren zum Erzeugen einer Art von Stereo- Aufzeichnung ist die Panorama-Einstellung einer oder mehrerer Mono-Quellen, was bedeutet, dass die Stereo-Effekte abgeleitet werden durch Panorama-Einstellung jeder Mono-Quelle zwischen den linken und rechten Kanälen, wodurch relative Amplituden- Differenzen erzeugt werden. Dieses Verfahren kann beispielsweise bei einem Videospiel für einen PC Verwendung finden, wo ein Archiv von Mono-Tönen gespeichert ist und es erwünscht ist, eine Stereo-Summe zu erzeugen. Es hat sich herausgestellt, dass solch ein in die Ausführungsformen von Fig. 1 und 2 eingespeistes Stereosignal tonal korrekt ist, wenn die Panorama-Einstellung hart auf eine Seite positioniert ist, aber, dass eine Tonungenauigkeit besteht, welche bei der Panorama-Einstellung in die Mitten-(Mono)-Position graduell ansteigt. Dieser Effekt kann wie folgt verstanden werden.

Wenn Monosignale durch ein Stereo-Paar von Lautsprechern (zu einem Zuhörer in der üblichen Zuhör-Position) wiedergegeben werden, werden identische Signale von beiden Lautsprechern zur gleichen Zeit gesendet. Deshalb empfängt das rechte Ohr das rechte Sprechersignal, kurz darauf gefolgt von einem gleichen Signal von dem linken Sprecher (und umgekehrt). Bei niedrigen Frequenzen sind die vom Kopf verursachten Ablenkungseffekte gering, und deshalb empfängt jedes Ohr ein Primärsignal (rechtes Ohr vom rechten Sprecher und linkes Ohr vom linken Sprecher), gefolgt von einem Sekundärsignal (rechtes Ohr vom linken Sprecher und linkes Ohr vom rechten Sprecher), wobei die letzteren durch transaurales Übersprechen verursacht werden. Die Sekundärsignale sind in Bezug auf die Primärsignale um etwa 0,227 ms verzögert, wegen der zusätzlichen Entfernung, die sie um den Kopf herum zurücklegen müssen. Deshalb wird destruktive und konstruktive Interferenz auftreten, wenn die primären und sekundären Klangwellen bei gewissen periodisch wiederkehrenden Frequenzen zusammentreffen, wodurch Kammfilterung bei dem ersten Minimum von etwa 2,2 kHz entsteht. Wenn deshalb ein Monosignal durch ein Paar von Stereo-Lautsprechern zu einem Zuhörer in der üblichen Zuhörposition (Bilden eines gleichseitigen Dreiecks mit den Lautsprechern) gespielt wird, wird das Signal durch akustische Interferenz kammgefiltert. Wenn die Panorama- Einstellung jedoch extrem nach, links oder rechts gerichtet ist, wird der Ton nur von einem der beiden Lautsprecher emittiert, und deshalb gibt es keine Wellenaddition und auch keinen Kammfilter-Effekt.

Es hat sich herausgestellt, dass dieser Effekt ohne Verlust von Positionsgenauigkeit durch Entzerren beider Eingangskanäle oder beider Ausgangskanäle in geeigneter Weise kompensiert werden kann: In diesem Zusammenhang soll Entzerren das Erzeugen einer Transfer-Funktion bedeuten, welche den vorhergesehenen Kammfilter-Effekt kompensiert, so dass ein Signal für den Zuhörer erzeugt wird, welches nicht tonal verzerrt ist. Dies trifft für beide binauralen und transauralen Arrangements zu: Solch eine Entzerrung kann auf jede der drei folgenden Arten angelegt werden:

1. Keine Entzerrung; in welchem Fall die Positionen mit harter Panorama-Einstellung tonal korrekt sind, und die Mittenposition am wenigsten genau ist;

2. vollkommenes Verflachen der Mittenposition; in welchem Fall die linken und rechten Positionen mit harter Panorama-Einstellung am wenigsten genau werden;

3. Verflachen einer Zwischen-Position; in welchem Fall beides, die Mitte und die äußeren Enden fehlerhaft sind, aber der Durchschnittsfehler geringer als derjenige in den Fällen 1 oder 2 ist.

Das in Fig. 4 bis 6 gezeigte Ansprechen basiert auf einem Expander, welcher + 80 Grad virtuelle Sprecher verwendet. Dies bedeutet, dass eine Tonquelle mit harter, nach rechts gerichteter Panorama-Einstellung (die normalerweise unter Verwendung konventioneller Sprecherwinkel um 30 Grad nach rechts liegen würde) bei Verwendung des Expanders um 80 Grad nach rechts erscheinen würde, und die physikalischen Sprecher befinden sich noch bei + 30 Grad. Fig. 4, 5 und 6 zeigen, was geschieht, wenn ein Monosignal durch Panorama-Einstellung auf Stereo expandiert wird. Jeder Graph zeigt ein verschiedenes Panorama-Einstellungs-Verhältnis. Fig. 4 zeigt einen Graph bei harter Panorama-Einstellung voll nach einer Seite. Fig. 5 zeigt einen Graph, welcher eine mittige Panorama-Einstellung (mono) darstellt. Fig. 6 zeigt einen Graph, welcher eine Zwischenstellung darstellt, ungefähr in der Mitte zwischen diesen Extremen. Die Graphen in Fig. 4, 5 und 6 stellen das Verhältnis von Spektren dar, welche von einem Expander-System der vorliegenden Erfindung erzeugt wurden, zu Spektren, welche durch Panorama-Einstellung von einem Stereosignal erzeugt werden. Dieses Verhältnis ist wichtig, da es den Eindruck von Abweichungen im Ton von einem konventionellen Stereosignal, an das ein Zuhörer gewöhnt ist, vermittelt. Auf diese Weise kann man durch Hinzufügen von Entzerrung zur Kompensation der in Fig. 4 bis 6 gezeigten Funktion zu "Stereo-Hörqualität" zurückkehren, jedoch mit dreidimensionalen Eindrücken.

Fig. 4 ist praktisch flach und zeigt, dass, wenn die Quelle mit harter Panorama-Einstellung ganz nach einer Seite gerichtet ist, der Expander tonal genau so klingt wie stereo, was für die meisten Zwecke akzeptabel ist.

Fig. 5 zeigt den Mono-Fall (pan = 0,50), und zeigt, dass ein Kamm-Effekt besteht, welcher eine Abweichung von Stereo bewirkt.

Fig. 4 und 5 sind die beiden Extreme. Die Durchschnitts- Abweichung tritt in einer Position ungefähr in der Mitte zwischen diesen beiden Extremen auf, wie in Fig. 6 (pan = 0,70) gezeigt.

Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung wird ein Entzerrer zum Kompensieren der Durchschnitts-Abweichung vorgsehen: Es wird ein Entzerrer mit einer zu Fig. 6 inversen Charakteristik zum Entzerren beider linker und rechter Kanäle (entweder vor oder nach der erfindungsgemäßen Stereo- Erweiterung) verwendet, dann wird die Erweiterungs-Vorrichtung bei der Panorama-Einstellungs-Position von Fig. 6 korrekt sein und an jedem der beiden extremen Enden fehlerhaft.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung einschließlich der oben genannten Ausführungen. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Schaltung umfasst Entzer rer-Schaltungen 30, 32 die jeweils Kammfilter-Kompensations-Transfer-Funktionen (invers zu Fig. 6) besitzen, welche zwischen Eingängen 2 und 4 und Kanälen 6 und 14 geschaltet sind. Die Ausgabesignale der Summierschaltungen 8, 12 sind an Stereo-Kopfhörer angelegt. Bei einer Modifikation sind die Schaltungen 30, 32 an den Ausgängen der Summierschaltungen 8, 12 platziert.

Fig. 7 und 8 zeigen die OHR-FERNEN bzw. OHR-NAHEN HRTFs für 80 Grad. Es sei bemerkt, dass die Funktion des entfernten Ohrs mit ansteigender Frequenz von etwa 1 kHz an markant abfällt. Bei der vorliegenden Erfindung wird die HRTF des NAHE gelegenen Ohrs natürlich nicht genutzt, da sie durch einen flachen Frequenzgang ersetzt wird.

Es versteht sich, dass bei der vorliegenden Erfindung - bei der Anwendung auf Toneffekte für ein Videospiel - die bei den gezeigten Schaltungen verwendeten HRTFs aus einem Speicher mit HRTF-Magazin ausgewählt werden, welches verschiedene scheinbare Ton-Einfalls-Winkel am Ohr eines Zuhörers darstellt, abhängig davon, welcher Ton-Einfalls-Winkel repräsentiert werden soll. In Fig. 9 sind Darstellungen von HRTFs für verschiedene Hörwinkel gezeigt.