Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur binauralen Wiedergabe akustischer Signale über ein binaurales Wiedergabesystem, insbesondere einen Kopfhörer.

In einer realen Hörsituation werden Schallquellen von einem Hörer mit übereinstimmenden visuellen und auditiven Sinneseindrücken wahrgenommen. Eine solche Hörsituation ist in

1 schematisch dargestellt. Dieses bedeutet, daß der Hörer, der vor sich zwei sprechende Personen, welche zwei Schallquellen bilden, sieht, diese auch vor sich und zwar links und rechts frontal vor sich hört. Wenn der Hörer nun die Blickrichtung und hierdurch seine Kopfausrichtung verändert, wodurch der Hörer seinen Kopf einem der Sprecher zuwendet, bleiben beide Sprecher ortsfest. Der Hörer hört dann die sprechende Person, welcher er sich zugewandt hat, direkt von vorn und die anderen sprechende Person von der Seite. Dieses gilt also sowohl für den visuellen als auch für den auditiven Eindruck. Erst diese Wahrnehmung einer auch bei Kopfdrehung sich in der Lage nicht verändernden Schallquelle ermöglicht dem Hörer eine realistische Wahrnehmung und Ortung. Die beschriebenen Merkmale charakterisieren eine natürliche Hörsituation.

Hiervon zu unterscheiden ist die Situation der Wiedergabe von akustischen Signalen oder Schallsignalen für einen Hörer über einen Kopfhörer. Es sei angenommen, daß Stimmen von zwei eine jeweilige Schallquelle bildenden Sprechern über ein Mikrophon aufgenommen und über den Kopfhörer dem Hörer zu Gehör gebracht werden. Bei einer solchen einfachen Mikrophonaufnahme ist es für den Hörer bei der Wiedergabe über den Kopfhörer nicht möglich, die Position der Sprecher/Schallquellen zu lokalisieren. Es findet in diesem Fall immer eine Wahrnehmung des Gehörten ausschließlich innerhalb des Kopfes des Hörer statt, eine sogenannte Im-Kopf-Lokalisation (IKL) tritt auf.

Wenn die einfache Mikrophonaufnahme nun durch eine Kunstkopfmessung ersetzt wird, bei der eine Richtungswahrnehmung mittels Aufnahmen bei unterschiedlichen Drehstellungen des Kunstkopfes abgebildet wird, erfolgt eine Teilnachbildung der natürlichen Hörsituation. Allerdings passiert nun bei der Wiedergabe über den Kopfhörer im Vergleich zur natürlichen Hörsituation etwas sehr unnatürliches. Wenn der Hörer seinen Kopf dreht, dreht sich auch der auf dem Kopf angeordnete Kopfhörer mit, und es ändern sich die für die Schallquellen/Sprecher wahrgenommenen Orte, wie dieses in 2 schematisch dargestellt ist. Gemäß 2 wird das Hörereignis aus Sicht des Hörers nach rechts verschoben wahrgenommen, obwohl keine der Schallquellen/Sprecher seinen ursprünglichen Ort verlassen hat. Es entsteht eine Wahrnehmung, die es in der natürlichen Hörsituation bei ortsfesten Schallquellen nicht gibt. Deshalb wird diese Art der Wahrnehmung vom Gehirn als nur innerhalb des Kopfes möglich eingestuft. Lediglich ein gewisser räumlicher Eindruck des Schalleinfalls wird mit Hilfe des Kunstkopfes nachgebildet. Eine völlige Im-Kopf-Lokalisation tritt auf, wenn der Schall auf den Kunstkopf von vorn, oben oder hinten auftritt, also in der medianen Ebene, wenn sich das Hörereignis in gleicher Entfernung zu den beiden bei der Kunstkopfmessung am Kunstkopf verwendeten Mikrophonen befindet. Eine Fehllokalisation tritt jedoch in jedem Fall bei beliebigen Kopfdrehungen des Hörers mit dem Kopfhörer auf, da sich nach seiner Wahrnehmung die Schallquellen mitbewegen.

Derartige Tonaufnahmen mit Hilfe einer Kunstkopfmessung werden als binaurale Tonaufnahmen bezeichnet, bei denen es sich um Aufnahmen von Schallsignalen mit Hilfe von am Kunstkopf angeordneten Mikrophonen handelt. Bei der Wiedergabe derartiger Schallsignale entsteht, wie oben beschrieben, unter bestimmten Voraussetzungen ein natürlicher Höreindruck mit der Fähigkeit zur Lokalisation der Schallquellen. Bei der einfachsten binauralen Aufnahmemethode werden zwei Mikrophone benötigt, die seitwärts voneinander weg zeigen und einen Abstand von etwa 20cm zueinander aufweisen. Dieser Abstand und die Plazierung stellen angenähert die Position der Ohrkanäle eines durchschnittlichen Menschen dar. Üblicherweise werden Mikrophone mit Kugelcharakteristik genutzt, die im Gehörgang des Kunstkopfes eingesetzt sind. Auf diese Art wird die kopfbezogene Übertragungsfunktion (KBÜF oder HRTF – „Head Related Transfer Function") nachgebildet. Eine so ermittelte Übertragungsfunktion wird als binaurale Übertragungsfunktion bezeichnet. Aus mathematischer Sicht handelt es sich bei der Übertragungsfunktion um eine Darstellung in der Frequenzdomäne, die mit Hilfe einer sogenannten Fourier-Transformation in eine äquivalente Impulsantwort in der Zeitdomäne umgewandelt werden kann. Auch eine umgekehrte Transformation ist möglich.

Die binaurale Übertragungsfunktion wird mit Hilfe der Kunstkopfmessung für eine bestimmte räumliche Anordnung von Kunstkopf und Schallquellen gemessen. Bei der binauralen Wiedergabe von akustischen Signalen werden die abgegebenen akustischen Signale gebildet, indem die mittels Kunstkopfmessung ermittelte binaurale Übertragungsfunktion mit akustischen Grundsignalen mathematisch gefaltet wird. Auf diese Weise wird die akustische Wiedergabe von dem Träger des Kopfhörers als „räumlich" erfahren.

In 2 sind die beiden wirksamen HRTFs mit eingetragen.

Es wurde bereits vorgeschlagen, die binaurale Wiedergabe von Schallsignalen über einen Kopfhörer zu nutzen, um einen Besucher, der sich durch ein Museum oder eine Ausstellung bewegt, in Abhängigkeit vom Standort des Besuchers innerhalb der Ausstellung Informationen zu den Ausstellungsgegenständen so wiederzugeben, daß die Wiedergabe von dem Besucher „räumlich" erfahren wird (vgl. Zimmermann et al.: LISTEN: Contextualized Presentation for Audio- or Commented Environments, Vortrag ABIS-Workshop, LLWA 2003 Karlsruhe). Der vom Besucher getragene Kopfhörer ist mit einer Meßeinrichtung versehen, mit der der Standort des Besuchers innerhalb der Ausstellung fortlaufend ermittelt werden kann. Darüber hinaus ist die Meßeinrichtung ausgestaltet, eine momentane Drehstellung des Kopfhörers zu erfassen. In Abhängigkeit von dem ermittelten Standort und der momentanen Drehstellung des Kopfhörers werden über die Schallsignalquellen der Kopfhörer akustische Signale binaural wiedergegeben. Mit Hilfe der Ortslokalisation und der Information über die momentane Drehstellung des Kopfhörers kann ermittelt werden, welche Ausstellungsgegenstände sich augenblicklich im Blickfeld des Besuchers befinden. Dementsprechend können dann zugehörige Informationen mit Hilfe der binauralen Wiedergabe übermittelt werden. Hierbei erfolgt eine mathematische Faltung einer binauralen Übertragungsfunktion mit akustischen Grundsignalen, so daß für den Besucher der Eindruck im Ausstellungsraum angeordneter Schallquellen entsteht.

In dem Dokument DE 44 33 719 A1 werden Kunstköpfe bei der Ermittlung einer Übertragungsfunktion verwendet.

Das Dokument DE 103 45 190 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zur Raumrichtungskonstanten Ortung von Hörereignissen mittels Kopfhörern.

Das Dokument Zotkin et al.: HRFT Personalization using anthropomeric measurements, 2003 Workshop an Applications of Signal Processing to Audio and Acoustics, October 19–22, 2003, S. 157–160 beschreibt Probleme, welche bei der Ermittlung von Übertragungsfunktionen auftreten können.

In dem Dokument C. Moldrzyk: Ein neuartiger Kunstkopf zur Verifikation einer akustischen Entwurfsmethodik für Architekten, Vortrag auf der 22. Tonmeistertagung, 25.11.2002 ist ein neuartiger Kunstkopf zur Verifikation einer akustischen Entwurfsmethodik für Architekten offenbart, bei dem sich der Kopf im Halsbereich gegenüber dem Torso dreht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum binauralen Wiedergeben von akustischen Signalen über ein binaurales Wiedergabesystem, insbesondere einen Kopfhörer, zu schaffen, bei dem der binaurale Wiedergabeeffekt, nämlich die räumliche Klangerfahrung, verbessert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst.

Es ist ein Verfahren zum binauralen Wiedergeben von akustischen Signalen über ein binaurales Wiedergabesystem, insbesondere einen Kopfhörer, geschaffen, bei dem eine momentane Drehstellung des Wiedergabesystems mit Hilfe einer Drehstellungsmeßeinrichtung ermittelt wird und über das Wiedergabesystem akustische Signale abgegeben werden, bei deren Bildung in Echtzeit eine mathematische Faltung eines akustischen Grundsignals und einer der ermittelten momentanen Drehstellung zugehörigen binauralen Übertragungsfunktion ausgeführt wird, wobei als die zugehörige binaurale Übertragungsfunktion eine unter Verwendung von winkelabhängigen Meßergebnissen einer Kunstkopfmessung an einem über einer Torsonachbildung in verschiedene Winkelstellungen gedrehten Kunstkopf ermittelte Übertragungsfunktion verwendet wird und wobei bei der Bildung der abgegebenen akustischen Signale mittels einer weiteren mathematischen Faltung eine Kompensation einer inversen Wiedergabesystemübertragungsfunktion für einen Schallübertragungsweg von einem Trommelfell über einen Ohrkanal bis zu einer akustischen Signalquelle des Wiedergabesystems ausgeführt wird.

Die Erfinder haben im Laufe langwieriger Untersuchungen und nach Ausführung einer Vielzahl von experimentellen Untersuchungen überraschend festgestellt, daß die binaurale Wiedergabe von akustischen Signalen verbessert wird, wenn bei der Ermittlung der binauralen Übertragungsfunktion im Rahmen der Kunstkopfmessung diese an einem Kunstkopf ermittelt wird, der über einer Torsonachbildung gedreht wird. Weiterhin wird eine in optimierter Weise an die natürliche Hörsituation angepaßte binaurale Wiedergabe ermöglicht. Bei bekannten Verfahren wird demgegenüber lediglich ein Kunstkopf in verschiedenen Drehstellungen verwendet.

Ein wesentlicher Vorteil beim Vergleich mit realen Abhörsituationen ist die Annäherung an physiologische Ausgangsbewegungen des Probanden. So sitzen Proband wie der Kunstkopf bei der Messung im Stuhl, die mögliche Kopfdrehung ist (bei physiologisch durch die Sitzstellung weitestgehend fixierter Schulter) im möglichen Auslenkungswinkel angenähert und translatorische Bewegungen sind durch die Sitzposition quasi ausgeschlossen.

Eine optimale Nachbildung einer realen Hörsituation wird bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht, daß als die ermittelte Übertragungsfunktion eine binaurale und mittels der Kunstkopfmessung in einer Realraumsituation ermittelte Übertragungsfunktion verwendet wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß als die ermittelte Übertragungsfunktion eine simulierte binaurale Übertragungsfunktion verwendet wird, die mit Hilfe einer anderen mathematischen Faltung einer simulierten monauralen Übertragungsfunktion für einen Modellraum und einer mittels der Kunstkopfmessung ermittelten Außenohrübertragungsfunktion gebildet ist. Bei dieser Ausführungsform wird in einer bevorzugten Ausgestaltung ein Computermodell des Wiedergaberaumes erstellt. Beispielsweise wird mittels eines RayTracingverfahrens, welches als solches bekannt ist und hier deshalb keiner weiteren Erläuterung bedarf, die monaurale Übertragungsfunktion am Wiedergabeort errechnet.

Hierbei werden der Direktschall und Reflexionen mit Ankunftspegel, Laufzeit und Einfallsrichtung gespeichert. Solche Berechnungen können derzeitig selbst auf modernsten Computern noch Stunden dauern. Die monaurale Übertragungsfunktion wird nun mit sogenannten kopfbezogenen Übertragungsfunktionen (HRTF – „Head Related Transmission Function") gefaltet, die in einem reflexionsarmen Raum mittels Kunstkopf mit Torsonachbildung in hoher Winkelauflösung gemessen werden. Die Auswahl der HRTFs geschieht in Echtzeit mittels einer modernen Drehstellungsmeßeinrichtung („head tracker"). Das Ergebnis wird in Echtzeit mit einem Testsignal gefaltet und kann über die Kopfhörer mit der Wiedergabe im realen Raum verglichen werden.

Eine verbesserte Nachbildung einer realen Hörsituation wird bei einer zweckmäßigen Fortbildung der Erfindung dadurch erreicht, daß als die zugehörige Übertragungsfunktion eine unter Verwendung der winkelabhängigen Meßsignale der Kunstkopfmessung ermittelte Übertragungsfunktion verwendet wird, bei der die winkelabhängigen Meßsignale in Winkelabständen von höchstens zwei Grad, bevorzugt von höchstens einem Grad eingehen.

In einer Ausführungsform werden bevorzugt winkelabhängige HRTFs der Kunstkopfmessung verwendet, wobei die winkelabhängigen HRTFs in hochauflösenden Winkelabständen von höchstens zwei Grad, bevorzugt von höchstens einem Grad eingehen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer natürlichen Hörsituation mit zwei Schallquellen;

2 eine schematische Darstellung einer Hörsituation, bei der eine Person einen Kopfhörer aufgesetzt hat;

3 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit zwei Schallquellen und einem Kunstkopf, welcher drehbar auf einer Torsonachbildung angeordnet ist;

4A bis 4D grafische Darstellungen von Differenzwerten für Übertragungsmaße für eine Drehung des gesamten, fest mit der Torsonachbildung bei 0° verbundenen Kunstkopf gegenüber der Drehung des Kunstkopf über der Torsonachbildung für Drehungen um –10°, –20°, –30° und –40°; und

5 eine schematische Darstellung einer Person mit Kopfhörer zur Erläuterung eines Verfahrens zum binauralen Wiedergeben von akustischen Signalen über ein binaurales Wiedergabesystem, nämlich den Kopfhörer.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung mit zwei Schallquellen 30, 31 und einem Kunstkopf 33, welcher drehbar auf einer Torsonachbildung 34 angeordnet ist, für eine Kunstkopfmessung, bei der eine binaurale Übertragungsfunktion jeweils für unterschiedliche Drehstellungen des Kunstkopfes 33 über der Torsonachbildung 34 gemessen wird. Die Messung der binauralen Übertragungsfunktion erfolgt für Drehstellungen des Kunstkopfes 33, die in Abständen von weniger als zwei Grad, bevorzugt in Abständen von weniger als einem Grad eingestellt werden.

Mit der Anordnung nach 3 wurden binaurale Übertragungsfunktionen gemessen.

4A bis 4D zeigen eine grafische Darstellung von Differenzwerten für Übertragungsmaße für eine Drehung des gesamten, fest mit der Torsonachbildung 34 bei 0° verbundenen Kunstkopf 33 gegenüber der Drehung des Kunstkopf 33 über der Torsonachbildung 34 um –10°, –20°, –30° und –40°. Hierdurch wird die Bedeutung der Führung des drehbar über der Torsonachbildung 34 angeordneten Kunstkopfes 33 herausgestellt. Die dargestellten Differenzwerte zeigen die Wichtigkeit der Torsonachbildung 34. Als anschauliche Erklärung können diese Meßergebnisse herangezogen werden, welche die Differenzwerte der Übertragungsmaße für die Drehung in 10° Schritten von –10° bis –40° zeigen (linkes Ohr – Kurve A; rechtes Ohr – Kurve B). Es wurden in dem für eine HRTF relevanten Frequenzbereich von größer 1 kHz Abweichungen von bis zu 25 dB festgestellt. Zudem treten aufgrund von Reflexionen an den Schultern der Torsonachbildung 34 je nach Rotationswinkel Laufzeitunterschiede auf, die in der binauralen Wiedergabe eine in der Horizontalebene weiter verbesserte Lokalisation erwarten lassen.

Vorteile der Messung mit der Torsonachbildung 34 liegen a) in der Lokalisation und b) bei der Klangfarbe. Beide sind nicht völlig unabhängig voneinander und auch nicht von der Propriozeption.

Es wurde festgestellt, daß bei der Ermittlung der binauralen Übertragungsfunktionen in Ergänzung zu der Berücksichtigung einer hohen Winkelauflösung eine weitere Verbesserung erreicht werden kann, wenn der Einfluß des Weges zwischen Kopfhörermembran und Trommelfell der Person mit dem Kopfhörer berücksichtigt wird. Hierbei hat sich die Berücksichtigung der inversen Kopfhörerübertragungsfunktion zur Kompensation dieser Strecke Kopfhörermembran/Trommelfell als nicht ausreichend im klanglichen Vergleich zur realen Schallquelle herausgestellt, solange die inverse Kopfhörerübertragungsfunktion nur von der Kopfhörermembran bis zum Mikrofon im Abschluß eines geblockten Ohrkanals gemessen wird. Der sich ergebende Unterschied ist auf den richtungsunabhängigen Einfluß des Ohrkanals und (wesentlich weniger) auf eine veränderte Trommelfellimpedanz zurückzuführen.

Die Erfindung sieht nun in einer Ausführung vor, die Diskrepanz im Klang zwischen realer Schallquelle und binauraler Wiedergabe mittels einer individuell erstellten Entzerrungskurve auszugleichen. Die Unterschiede im Frequenzgang der Frontalrichtung wurden von sehr hörerfahrenen und mit Filterdesign vertrauten Personen bis zum Bereich von 0.2 dB und Güteunterschieden von 0.3 als gleich empfunden, so daß scheinbar eine allgemeingültige Entzerrung aufgrund einer möglichst guten gehörmäßigen Annäherung zwischen realer und virtueller Schallquelle möglich ist. Es wird eine empirisch gefundene inverse Kopfhörerübertragungsfunktion verwendet, die mittels eines A/B-Vergleiches mit dem natürlichen Hören gewonnen wird.

5 zeigt eine schematische Darstellung einer Person 50 mit Kopfhörer 51 zur Erläuterung eines Verfahrens zum binauralen Wiedergeben von akustischen Signalen über ein binaurales Wiedergabesystem, nämlich den Kopfhörer 51. In 5 ist eine Schar von binauralen Übertragungsfunktionen 52 gezeigt, die mit Hilfe der in 3 gezeigten Anordnung für verschiedene Winkelstellungen des Kunstkopfes 33 über der Torsonachbildung 34 gemessen wurden. Je nach aktueller Kopf-/Kopfhörer(dreh)stellung, d.h. aktueller Winkelstellung, wird aus der Schar von binauralen Übertragungsfunktionen 52 das richtige Paar für die beiden Kopfkörerlautsprecher ausgewählt und mit dem wiederzugebenden akustischen Signal in Echtzeit gefaltet. Dadurch bleiben die Schallquellen auch bei Kopf-/Kopfhörerdrehung positionsfest und werden eindeutig lokalisiert. Die Winkelstellung des Kopfes/Kopfhörers wird mittels einer Drehmeßeinrichtung („head tracker") fortlaufend ermittelt.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.