DE19958105A1 - Mehrkanaliges Tonbearbeitungssystem - Google Patents

Abstract

Ein mehrkanaliges Tonbearbeitungssystem für die Tonstudio- und elektroakustische Übertragungstechnik zur Gestaltung von virtuell-realen Hörumgebungen auf Basis von Mehrlautsprecherstandards ist dadurch gekennzeichnet, daß die dimensionsgerechte Darstellung von Schallereignissen neben der binauralen und transauralen Bearbeitung durch eine den gewünschten Schallpositionen gemäßen Regulierung des Signalpegels innerhalb einer mehrkanaligen Lautsprecherumgebung erfolgt.

Description

1. Stand der Technik

Die 3-D Audiotechnik kann bereits auf eine lange Ge­ schichte zurückblicken.

Ziel der Forschung und Entwicklung in diesem Bereich ist es, die menschliche Fähigkeit des räumlichen Hörens für verschiedene Anwendungsfelder technisch nutzbar zu machen. Durch die Fähigkeit der räumlichen, dreidimen­ sionalen Schallwahrnehmung ist der Mensch in der Lage die Position einer beliebigen Schallquelle auf ca. 5 Grad genau zu orten.

Die Grundlage für das räumliche Hören ist ein komplexes Kodiersystem, welches dem Schall in Abhängigkeit von seiner räumlichen Position mit einer zusätzlichen Rich­ tungsinformation versieht, die vom menschlichen Bewußt­ sein gezielt ausgewertet werden kann und dem kognitiven System konkrete Informationen über die exakte Position der Schallquelle liefert.

Ergebnisse der Kognitivforschung in bezug auf das menschliche Hören, speziell der räumlichen Schallwahr­ nehmung, wurden bereits in einer Reihe von Verfahren für die gehörrichtige Aufnahme und Wiedergabe von Schall, wie z. B. in der Kunstkopfaufnahmetechnik, ge­ zielt technisch anwendbar gemacht.

Hierzu wurden bereits 1886 in den "Bell-Laboratories" Versuche zur Optimierung der Telephonübertragung mit­ tels zweier Kohlekörnermikrophone, die in einen Puppen­ torso eingebaut wurden, unternommen, um so auf diese Weise die menschliche Hörwahrnehmung nachzubilden.

Diese ersten Versuche zur Nutzbarmachung der menschli­ chen Hörwahrnehmung waren ebenso wenig erfolgreich, wie spätere Versuche in den Philips-Laboratorien von 1939, bei denen wiederum ein Puppentorso diesmal mit Konden­ satormikrophonen bestückt wurde (vgl. DE BOER, K. und VERMEULEN, R.: Eine Anlage für einen Schwerhörigen. Philips Technische Rundschau Nr. 4, 1939, S. 329-332).

Selbst ein nach Vorgaben von Plenge, Kürer und Wilkens in den siebziger Jahren von der Firma Neumann in Serie gefertigter und aus der DE 19 27 401 hervorgehen­ der Kunstkopf konnte ebenfalls, trotz vergleichbar hochwertiger Komponenten, die bei der Realisation ver­ wendet wurden, nicht überzeugen.

Der Grund für die mitunter mangelhafte Arbeitsweise von Kunstkopfsystemen bis Anfang der achtziger Jahre war einerseits die unzureichende technische Qualität der Komponenten innerhalb der Übertragungsstrecke des aku­ stischen Signals, bishin zur Wiedergabe, anderseits die Nichtberücksichtigung diverser Parameter, die sich in­ nerhalb des menschlichen Hörapparates für die gehör­ richtige Kodierung eines Schalls verantwortlich zeich­ nen.

Die Wirkungsweise eines 3-D-Audioprozessors basiert zum Teil auf den physikalischen Grundlagen der Kunstkopf­ technik. Die Güte und somit die Qualität der dreidimen­ sionalen Reproduktion des Klanggeschehens, welches mit Hilfe eines 3-D-Prozessors erstellt wird, ist deshalb auch in nicht unbedeutendem Maße abhängig von der sorg­ fältigen Ermittlung und Implementation der Transforma­ tionsprozesse, denen ein Schall durch den menschlichen Hörapparat unterzogen wird, der sog. binauralen Funk­ tionen, die durch gehörrichtige Meßverfahren erfaßt werden.

Wie wichtig die genaue Ermittelung der HRTF's (Kopf­ übertragungsfunktionen) für die generelle Funktion von 3-D-Audio ist, zeigt die Geschichte der Kunstkopftech­ nologie, die erstmalig Anfang der achtziger Jahre durch die Entwicklung des "Aachener Kopfes" einen signifikan­ ten Qualitätssprung vollzog und somit die Anwendung der Kunstkopfaufnahme als objektives Meßverfahren in der gehörrichtigen Diagnose von Schall ermöglichte.

Den Ansatz zur fehlerfreien Ermittlung der in die Kopf­ übertragungsfunktion einfließende Außenohrübertragungs­ funktion lieferte erstmalig 1975 PLATTE. (Anordnung zur genauen Reproduktion von Ohrsignalen; Fortschritte der Akustik; Physik Verlag Weinheim S. 361-363).

Durch die verbesserte Ermittlung der Außenohrübertra­ gungsfunktion konnte die Vorne-Hinten Unterscheidung, als kritischer Parameter innerhalb der künstlich sub­ stituierten räumlichen Hörwahrnehmung, entscheidend verbessert werden.

Die objektive Ermittlung der Kopfübertragungsfunktion mittles eines Kunstkopfes konnte erstmalig durch den Gebrauch des übertragungsoptimierten, rauscharmen "Aachener"-Kunstkopfes HMS 1 erfolgen. (Vgl. K. Genuit: Opti­ mierung eines Kunstkopfaufnahmesystems, "Studio" Nr. 46, 1981, S. 10-18).

Bei der Aufnahme und Bearbeitung von Schall im modernen Tonstudio werden, im Gegensatz zur Kunstkopfaufnahme, bei der ein Schallfeld in seiner Gesamtheit mittels ei­ nes Kunstkopfes direkt zweikanalig (stereophon) aufge­ nommen wird, jedoch meist Schallsignale (Instrumente) abstrahiert, d. h. aus ihrer natürlichen akustischen Um­ gebung und von anderen Schallquellen isoliert, getrennt aufgenommen, um dann jeweils separat nachträglich in ihrer Dynamik und Klangfarbe bearbeitet werden zu kön­ nen. (Mehrspuraufnahmeverfahren).

Hierbei wird der fehlende akustische Kontext durch zu­ sammenmischen der einzelnen Signale (Instrumente) wie­ derhergestellt und die akustische Umgebung mittels künstlich generiertem Nachhall geschaffen.

Des weiteren hat man in der Studiopraxis auch mit elek­ trischen bzw. elektronischen Instrumenten wie Synthesi­ zern, Elektrogitarren usw. zu tun, bei denen eine elek­ trische Schallwandlung durch ein Mikrophon nicht nötig ist, da solche Instrument bereits auf Ebene der Schwin­ gungserzeugung elektrisch, bzw. elektronisch arbeiten.

Da der Hauptteil der gegenwärtigen Musikproduktion qua­ si abstrakt im Tonstudio unter nicht unbedeutendem Ein­ satz der genannten elektronischen Instrumente ge­ schieht, sind in der Vergangenheit bereits Versuche un­ ternommen worden, um die Prinzipien der Kunstkopftech­ nologie auch für die Aufnahmeverfahren im modernen Ton­ studio zu adaptieren mit dem Ziel, eine binaurale Nach­ bearbeitung von elektroakustischen Signalen für den Einsatz im Mehrspur-Aufnahmeverfahren zu ermöglichen. (Vgl.: WEIGEND, B. "Vom Hören zur Technik", Anwendung von binauraler Signalbearbeitung und Psychoakustikpro­ zessoren im Studioalltag, Teil 3, STUDIO-Magazin, Nr. 3, '93, S. 30-38).

Die standardmäßige Wiedergabe von gehörrichtig aufbe­ reitetem, räumlichem Klangmaterial erfolgt normalerwei­ se über eigens entzerrte, hochwertige Kopfhörer, um Multiplikationseffekte der Kopf- und Außenohrübertra­ gungsfunktion bei Wiedergabe über Lautsprecher zu ver­ meiden.

Diese Effekte treten bei der Lautsprecherwiedergabe von binauralem Tonmaterial in sofern auf, als daß diese beim Hören als Schallquelle von vorne geortet werden und das Tonmaterial somit erneut einer binauralen Ko­ dierung durch das Ohr des Zuhörers unterliegt, was eine Verzerrung der räumlichen Information und eine Vermin­ derung speziell der hoch- und tieffrequenten Signalan­ teile zur Folge hat.

Ein weiteres Manko der Kunstkopftechnologie bei der Er­ stellung von Tonaufnahmesignalen ist, daß ein Kunst­ kopf nicht als Ersatz für ein herkömmliches Mikrophon angesehen werden kann.

Bei einer Aufnahme eines klassischen Konzertes werden vom Tonmeister neben den Hauptmikrophonen, die den Or­ chesterklang in seiner Gesamtheit erfassen, mitunter mehrere Stützmikrophone zur Hervorhebung der Solisten verwendet. Die einzelnen Mikrophonsignale werden in ih­ rem Pegel reguliert und zusammengemischt, um so das letztlich vom Tonmeister gewünschte klangliche Resultat der Aufnahme zu erzielen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Tonsignalen können Kunstkopfsignale jedoch nicht ge­ mischt werden, da der Zuhörer nach der Mischung quasi aus verschiedenen Positionen zugleich hören würde.

Die Erzeugung von gehörrichtig aufbereitetem Tonmateri­ al auf elektronischem Wege nach der Schallwandlung durch das Mikrofon ist somit die Voraussetzung, um die Kunstkopftechnologie für die Anwendung in der Mehrspur­ aufnahmetechnik nutzbar zu machen (vgl. GIERLICH, H. W. und GENUIT, K. "Aufbau und Anwendung eines elektroni­ schen Kunstkopfes", 13. Tonmeistertagung, München 1984, Berichtsband S. 103-110).

Die Vorgehensweisen bei der Realisation von 3-D- Audioprozessoren sind mitunter stark verschieden, da diese für verschiedene Anwendungszwecke konzipiert wer­ den. Es handelt sich einerseits um sogenannte "Stereobasisverbreiterer" ("Q-Sound®"), die eine räum­ liche Abbildung von Ton außerhalb der Stereoebene er­ möglichen sollen, wobei hier der Ansatz zur Realisation solcher Systeme eher empirisch erfolgt, als auf Basis von streng wissenschaftlicher Forschung.

Anderseits erfolgt bei fundamentaleren Lösungsansätzen, die eine tatsächliche virtuell dreidimensionale Pla­ zierung von Schall zum Ziel haben, z. B. der des "elek­ tronischen Kunstkopfes" bislang die Lösungsansätze nicht eloquent genug, um zu einem wirklich zufrieden­ stellenden Resultat zu kommen. Ferner haben derartige Systeme ebenfalls die Aufgabe eine Wiedergabe von binaural transformierten Audiosignalen auf Lautspre­ chern zu ermöglichen.

1.2 Probleme der Wiedergabe von binaural transformier­ ten Signalen über Lautsprecher nach den Stand der Tech­ nik

Die bislang mitunter unbefriedigenden klanglichen Re­ sultate der verfügbaren 3-D-Audioprozessoren für Laut­ sprecherwiedergabe nach dem in Fig. 1 dargestell­ ten Stand der Technik und die eingeschränkte Verwend­ barkeit im Rahmen der Mehrspuraufnahmetechnik in Ton­ studios sind auf folgende Ursachen zurückzuführen:
1. Ein Hauptgrund bislang ist u. a. die unzureichende Eliminierung von Störgrößen, die bei Lautsprecherwie­ dergabe entstehen.

Aufgrund der Anfälligkeit von binaural aufbereitetem Tonmaterial in bezug auf Nichtlinearitäten innerhalb der Übertragungskette ist eine Eliminierung von Stör­ größen, die durch die Übertragungseigenschaften der einzelnen Komponenten innerhalb des Bearbeitungs- und Übertagungssystems auftreten unverzichtbar, um ein bestmögliches und funktionelles klangliches Resultat zu erhalten.

Neben der präzisen Messung, Mittelung und Implementati­ on der Kopfübertragungsfunktionen gilt dies speziell für die Ausschaltung von Störgrößen, die bei der Laut­ sprecherwiedergabe entstehen.

Nichtlinearitäten im Frequenz- und Phasengang von Laut­ sprechern haben eine Auslöschung von Spektralkomponen­ ten zur Folge, die die Ortungsschärfe bei der Lokalisa­ tion von Schallquellen innerhalb des binaural aufberei­ teten Tonmaterials herabsetzen.

Somit ist eine Korrektur dieser naturgegebenen Stör­ größen, die bei der Aufteilung von Frequenzgebieten durch Filterung bei Mehrwegelautspechern entstehen und bei der elektromechanischen Schallwandlung, unabding­ bar, da eine hinreichende Konvergenz der einzelnen Spektralkomponenten hier nicht gewährleistet ist.
2. Aufgrund der diffizilen Bearbeitung eines Schalls, die, bedingt durch die anatomische Gestalt des mensch­ lichen Hörapparates, vor der Wandlung in mechanische Schwingungen des Trommelfells ausgeführt wird, ist eine überaus störungsfreie und objektive Messung binauraler Parameter, wie der Kopf- und Außenohrübertragungsfunk­ tion und deren sorgfältige Implementation auf ein rech­ nergestütztes Prozeßsystem notwendig.

Hierbei hat jegliche Abweichung von den naturgegebenen Übertragungsfunktionen bzw. die Nichtberücksichtigung von kritischen Parametern eine Verminderung der Or­ tungsschärfe zur Folge.

Dies gilt speziell für die Vorne-Hinten-Unterscheidung bei der Lokalisation eines binaural bearbeiteten Schal­ lereignisses. Die Implementation von kopfbezogenen Übertragungsfunktionen mittels Kunstkopf-Meßverfahren, bei denen Kunstköpfe minderwertiger Qualität benutzt werden, haben zur Folge, daß die Lokalisationsschärfe des transformierten Klangmaterials bei abnehmender Dichte des Spektrums, speziell im Bereich oberhalb von 4 kHz nicht hinreichend ausgeprägt ist und demnach für die Applikation in Prozessoren für die professionelle Tonstudiotechnik ungeeignet sind. (Vgl.: MAJIMA, Y., IMAI, T. und KIKUMOTO, T.: "The RSS processor; Tree di­ mensional sound generation from conventionally recorded two channel sources", Roland Co., Japan, 1991, S. 4).
3. Innerhalb der natürlichen Hörumgebung tritt ein Schallsignal fast niemals als reines Direktsignal auf. Ein Schallereignis setzt sich vielmehr aus einem Ge­ misch von Direktschall und reflektiertem Schall in ei­ nem bestimmten Verhältnis zusammen.

Anhand des Reflektionsmusters des Hallanteils werden dem Ohr zusätzliche Informationen in bezug auf Umge­ bung, Raumgröße, Beschaffenheit des Raumes und der re­ lativen Entfernung der akustischen Hindernisse gelie­ fert.

Der gebrochene und reflektierte Schall trifft hierbei aus unterschiedlichen Richtungen auf unser Gehör, wobei er wie der Direktschall binaural kodiert wird.

Bei der künstlichen Erzeugung von 3-D-Schallereignissen ist deswegen die Generierung von binauralem Nachhall erforderlich, um dem Ohr des Hörers zusätzliche Infor­ mation für die Lokalisation und Definition des Schal­ lereignisses zur Verfügung zu stellen.

Grundsätzlich sind Signale nach der binauralen Trans­ formation nicht mehr kompatibel zu herkömmlichen Mono- oder Stereosignalen.

Signale dieser drei Kategorien können deswegen nicht ohne weiteres miteinander gemischt werden.

Es ist deshalb erforderlich, daß alle Komponenten, die bei der Tonmischung binaural gewandelten Signalen zu­ sätzliche Signalanteile zufügen, wie z. B. künstlicher Nachhall, ebenfalls auf binauraler Ebene arbeiten.

Es ist wenig sinnvoll, binaurales Tonmaterial mit her­ kömmlichen, auf Stereobasis arbeitenden Signalprozesso­ ren nachzubearbeiten, bzw. Signale zu erzeugen, die dann in der Tonmischung dem binauralen Material zuge­ mischt werden, da diese nicht einer binauralen Kodie­ rung obliegen und somit den gewünschten räumlichen Ef­ fekt verwässern.

Es ist deswegen zwingend das innerhalb eines kompletten 3-D-Audioprozeßsystems alle Nachbearbeitungseffekte, die im Tonstudio verwendet ebenfalls auf binauraler Ebene arbeiten. Dies gilt insbesondere für künstlichen Nachhall.
4. Durch die transaurale Bearbeitung bei 3-D-Audio­ prozessoren, die zur Wiedergabe von binaural transfor­ miertem Tonmaterial über Stereolautsprecher notwendig ist, wird die Beliebigkeit der Position des Zuhörers in bezug auf die Position zu den Lautsprechern einge­ schränkt.

Das Maß der Ortbarkeit einer virtuellen Schallquelle hängt bei der stereophonen Wiedergabe von binauralem Tonmaterial auch letztlich von der idealen Position des Hörers zu den Lautsprechern ab.

Schon eine geringfügige Veränderung der Position des Hörers aus dem Bereich der Idealanordnung Lautspre­ cher - Hörer hat Verluste bei der genauen Ortsbestim­ mung einer virtuellen Schallquelle zur Folge.

2. Darstellung der Erfindung

In dem mehrkanaligen Tonbearbeitungssystem gemäß der Erfindung werden Verluste der Ortbarkeit bei der nicht idealen Position eines Hörers durch die Verknüpfung der verschiedenartigen Möglichkeiten der Schallokalisati­ onssteuerung bei Mehrlautsprecherkonfigurationen (Sur­ round) kompensiert.

"System zur Erzeugung von virtuellen dreidimensionalen Schallsituationenen auf Basis von Mehrlautsprecher- Systemen"

Mehrlautsprecher-Standards, wie z. B. "Dolby-Digital" werden bislang bei der Realisation von 3-D-Audio- Prozessoren nicht berücksichtigt.

Im Bereich Hi-Fi und bei der Filmvertonung spielen Mehrlautsprecherstandards jedoch bereits eine tragende Rolle. Die Verbindung von binauraler und transauraler Signalbearbeitung innerhalb einer Mehrkanal­ wiedergabekonfiguration wie "Dolby-Digital" wurde bis­ lang nicht verwirklicht.

Mehrlautsprecher-Standards bieten jedoch gegenüber der Stereophonie entscheidende Vorteile hinsichtlich eines homogeneren, den Hörer umgebenden Schallfeldes.

Die Wiedergabe von Ton erfolgt z. B. bei "Dolby-Digital" über insgesamt sechs Lautsprecher, wobei einer aus­ schließlich zur Wiedergabe tieffrequenter Signalanteile dient, die vom menschlichen Gehör nicht in ihrer Rich­ tung geortet werden können.

Von den fünf Hauptlautsprechern befinden sich in Front des Hörers drei Lautsprecher (linker Kanal, Center- Kanal, rechter Kanal) und zwei in rückwärtiger Position (hinten-links-Kanal, hinten-rechts-Kanal).

Mithilfe von Produktionsapparaturen, die auf diesen Standard ausgelegt sind, können Schallquellen, analog zur bisherigen Stereowiedergabe, innerhalb der Laut­ sprecherebene gezielt plaziert werden.

Wie bei der herkömmlichen Stereotonmischung geschieht dies durch Abstimmung der jeweiligen Pegelverhältnisse zwischen den einzelnen Wiedergabekanälen, wobei Schal­ lereignisse zwischen den Lautsprechern als sog. Phan­ tomschallquellen dargestellt werden.

Im Gegensatz zur Stereo-Tonmischung ist hierbei durch die Anordnung von Lautsprechern hinter dem Hörer eine Plazierung von Klangquellen in der rückwärtigen Positi­ on des Zuhörers möglich.

Obwohl so eine erweiterte räumliche Darstellung im Ver­ gleich zur Stereophonie möglich wird, werden bei her­ kömmlichen Mehrlautsprecher-Aufnahmen jedoch die Laut­ sprecher stets noch als Schallquelle geortet.

Die Richtungsmanipulation des Toningenieurs bei der Er­ stellung einer Aufnahme ist bislang immer mit der Ver­ änderung der Pegelverhältnisse innerhalb der Lautspre­ cherebene verbunden und somit mit der Gestaltung von Phantomschallquellen, die innerhalb dieser Ebene da­ durch auftreten.

Eine generelle Entkopplung des Schallereignisses von den physischen Übertragern (Lautsprechern) erfolgte bislang nicht. Ebenso ist eine Plazierung von Schall­ quellen außerhalb der Lautsprecherebene im Rahmen einer Mehrlautsprecheranwendung (speziell Darstellungen von oben und unten) bei der standardmäßigen Tonmischung nicht möglich.

Ziel der Erfindung ist es, ein Prozeßsystem für die Mehrspuraufnahme in Tonstudios zu schaffen, dessen klangliches Resultat nach der Bearbeitung sich nicht von der alltäglichen Schallwahrnehmung des Menschen in­ nerhalb der natürlichen Umgebung unterscheidet.

Die Basis für die Wiedergabe des bearbeiteten Materials formen hierbei Mehrlautsprecherstandards wie z. B. "Dolby-Digital" oder andere "Surround"-Standards.

Das zu patentierende System unterscheidet sich von bis­ lang bekannten 3-D-Audioprozessoren in den folgenden Punkten:

1.

Die Parametrisierung bei der transauralen Bearbeitung innerhalb des Prozeßsystems setzt eine von vornherein festgelegte Abhörposition des Hörers voraus, sowie eine ideale Aufstellung der Lautsprecher.

Abweichungen von der Idealposition Hörer - Lautspre­ cher, sowie ungünstige Plazierung der Lautsprecher, bei der in der Relation: rechter Lautsprecher - rechtes Ohr; linker Lautsprecher - linkes Ohr Laufzeitdifferen­ zen zwischen dem rechten und linken Kanal auftreten, haben eine mitunter gravierende Verschlechterung der Ortbarkeit der Schallquellen innerhalb des binauralen Tonmaterials zur Folge.

Um dieses Manko zu beheben, verkoppelt das zu patentie­ rende System a) binaurale Bearbeitung, b) transaurale Bearbeitung, sowie c) Pegelstellung innerhalb der Wie­ dergabekanäle. Die Bearbeitungsebenen sind hierbei dy­ namisch verkoppelt und erfolgen, gemäß den Erfordernis­ sen für die Anwendung in der Mehrspuraufnahmetechnik, für jede zu bearbeitende Schallquelle (Instrument, Stimme) getrennt.

Als Stellglied dient ein Joystick, der in den drei räumlichen Ebenen arbeitet; die räumliche Position des Stellglieds entspricht hierbei der virtuellen räumli­ chen Position der jeweiligen Schallquelle (Instrument).

Im Gegensatz zu 3-D-Audioprozessoren, die auf Stereo- Basis arbeiten, erfolgt die transaurale Bearbeitung von Schallquellen des zu patentierenden Systems nur dann, wenn eine Darstellung des jeweiligen Instrumentes au­ ßerhalb der Frontalebene der drei Frontkanäle (links, center, rechts) gewünscht ist, da z. B. der "Dolby- Digital"-Standard bereits die Möglichkeit einer hin­ reichend genauen Plazierung einer Schallquelle mittels Pegelstellung bietet.

Die Stärke der transauralen Bearbeitung ist hierbei von der Stellung des Stellgliedes in bezug auf eine Abbil­ dung außerhalb der Frontebene abhängig.

Die binaurale und transaurale Bearbeitung erfolgt hier­ bei gemäß den generellen Erfordernissen der Mehrlaut­ sprecherkonfiguration des jeweiligen Mehrlautsprecher- Standards in Abhängigkeit der Position des Stellglie­ des. Die transaurale Bearbeitung erfolgt nur dann, wenn eine Darstellung eines Schalls außerhalb der Lautspre­ cherebene der jeweiligen Anordnung gewünscht ist, ex­ plizit zur Ermöglichung einer Oben-Unten-Lokalisation eines Schallereignisses, das nicht durch Veränderungen der Schallpegelverhältnisse innerhalb der fünf Laut­ sprecher hervorgerufen werden kann.

2.

Zur Darstellung von dynamischen Schallbewegungseffekten ist eine Doppler-Effekt-Bearbeitung vorgesehen.

Die Effektbearbeitung ermöglicht die Darstellung von bewegungsbezogenen Dopplereffekten bei einer raschen dynamischen Positionierung eines Schallereignisses bei der Tonmischung.

Eine rasch seine Position verändernde Schallquelle än­ dert bei ihrer Bewegung von Punkt A nach Punkt B ihre Tonhöhe in Relation zu der Position des Hörers. Das In­ tervall der Tonhöhenänderung ist hierbei abhängig von der Geschwindigkeit ihrer Bewegung. Zusammen mir der Tonhöhe verändern sich die Spektralanteile und die Lautstärke in bezug auf die relative Position des Schallereignisses zum Hörer.

In dem vorliegenden Tonbearbeitungssystem wird die vir­ tuelle Position eines Schalles durch die Betätigung des Stellgliedes verändert. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Stellgliedes von Punkt A nach Punkt B wird hierbei dekodiert; das zu bearbeitende Schallsignal wird von System dementsprechend in Echtzeit einer Doppler- Funktion unterworfen.

Die Geschwindigkeit der Bewegung des Stellgliedes be­ stimmt hierbei die Größe des Intervalls A'-B', sowie die Art der spektralen Filterung und Pegelregulierung der Doppler-Bearbeitung.

3.

Bisherige 3-D-Audioprozessoren, die für Lautsprecher­ wiedergabe ausgelegt sind, berücksichtigen in ihrer Ar­ beitsweise nicht die spezifischen Übertragungseigen­ schaften von Lautsprechern. Aufgrund der mechanischen und elektromagnetischen Eigenschaften des Schallwand­ lungsapparates (Auslenkungssystem, Membran, Aufhängung) sind einzelne Lautsprecher einer gewissen Größenordnung nur in der Lage ein gewisses Frequenzband linear zu re­ produzieren.

In der Praxis werden deswegen Lautsprecher unterschied­ licher Größe zu einem Schallwandlungssystem verknüpft. Das elektrische Schallsignal wird hierbei mittels Fil­ terung in verschiedene Frequenzgebiete unterteilt und den verschiedenen Lautsprechern zugeordnet (Mehrwege­ prinzip).

Bei der Filterung und Wiedergabe der Teilspektren ent­ stehen systembedingte Phasendrehungs- und Übersprech- Effekte zwischen den einzelnen Wegen, die aus dem Prin­ zip der Filterung und den Schwingungseigenschaften der einzelnen Lautsprecher resultieren.

Derartige negative Nebeneffekte resultieren in dyna­ misch auftretenden Frequenzauslöschungen und beeinflus­ sen die Wiedergabequalität des Lautsprechersystems.

Bei der Applikation von binauraler Signalbearbeitung erweisen Frequenzauslöschungen sich als fundamentale Störgrößen, die eine deutliche Abschwächung der Or­ tungsschärfe eines binaural bearbeiteten Schalls zur Folge haben. Zur Eliminierung dieser Störgrößen bein­ haltet das zu patentierende System eine Lautsprecher­ korrektur, indem a) die individuelle Frequenzcharakte­ ristik des Lautsprechersystems korrigiert und somit ei­ ne lineare Übertragung sichergestellt wird, und b) die einzelnen Lautsprecher untereinander in ihrem Phasen­ verhalten optimiert werden. Hierdurch wird die gesamte Übertragungsstrecke zur bestmöglichen Wiedergabe und Umsetzung der binauralen und transauralen Bearbeitung linearisiert und somit optimiert.

4.

Es ist ferner neben dem eigentlichen 3-D-Transformation der einzelnen elektrischen Signalquellen eine Einheit zur Erzeugung von dreidimensionalem Hall vorgesehen. In der natürlichen Hörumgebung des Menschen tritt ein Schallereignis nie als isolierter Direktschall (Frei­ feld) auf. Die Lokalisation eines Schalls erfolgt immer in bezug auf seine räumliche Umgebung.

Das Reflektionsmuster des Schalls anhand von Brechun­ gen, Beugungen und Zeitverzögerungen durch physikali­ sche Hindernisse spielt bei der Orientierung und Inter­ pretation einer Schallsituation auf ihre Umgebung eine wesentliche Rolle.

Bei Wahrnehmung des Schalls lassen sich demnach die Komponenten Direktschall und reflektierter Schall un­ terscheiden.

Zur Darstellung von natürlichen Hörumgebungen im Rahmen eines vollständigen 3-D-Audioprozeßsystems ist demnach auch eine binaurale und transaurale Transformation der Reflektionkomponenten erforderlich.

Der holophonische Hallprozessor bewirkt a] eine Erzeu­ gung einer virtuellen dreidimensionalen Hörumgebung und b] die individuelle Plazierung von unterschiedlichen Signalquellen innerhalb dieses virtuellen Raums.

Die Generierung der Raumsimulation erfolgt hierbei auf Mehrkanalbasis. Hierfür werden die frühen Reflektionen eines Schallereignisses innerhalb der Bearbeitung mit unterschiedlichen Richtungskoeffizienten in bezug auf das Reflektionsverhalten des virtuellen Raumes versehen und getrennt bearbeitet. Das Produkt der Hallbearbei­ tung der einzelnen Reflektion wird hierbei anhand der binauralen Außenohrübertragungsfunktion für die jewei­ lige virtuelle Schallrichtung bearbeitet.

Die Generierung des jeweiligen Mehrkanalsignals erfolgt hierbei durch virtuelle Lautsprecher und Mikrophone, wobei die Lautsprecher die Eingänge und die Mikrophone die Ausgänge des Schalls innerhalb des virtuellen Rau­ mes darstellen. Der jeweilige Ausgang des virtuellen Mikrophons kann in der Ausgangsebene (Matrizierung) ei­ nem physikalischen elektrischen Ausgangskanal zugeord­ net werden, wodurch wird die Anpassung an verschiedene Lautsprecherkonfigurationen, bzw. -Standards, wie "Dolby-Digital" ermöglicht wird.

Eine zweite, parallele Signalverarbeitungsebene dient der Erzeugung eines künstlichen diffusen Schallfeldes, welches durch die wiederholte Brechung und Reflektion von Schall innerhalb eines Raumes erzeugt wird.

Die einzelnen Diffuskomponenten sind im Gegensatz zu den frühen Reflektionen für das menschliche Ohr nicht mehr ortbar, sondern treten vielmehr als homogenes Ton­ gemisch auf (Hallfahne).

Zeichnung

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegen­ stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichne­ rischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels. Es zei­ gen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Signalbearbeitung ei­ nes 3-D Audioprozessors nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Signalbearbeitung der Erfindung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird das Signal zunächst in einer Eingangsstufe 11 bearbeitet.

Steht das Signal nicht auf digitaler Ebene zur Verfü­ gung, so erfolgt eine A/D-Wandlung.

Das Signal wird auf digitaler Ebene einer binauralen Bearbeitung 13 unterzogen, wobei das monophone Signal in zwei gehörrichtig aufbereitete Signale verwandelt wird. Hierbei wird das Signal mit den Kopfübertragungs­ funktionen (HRTF's) versehen, wobei die Art der Funkti­ on anhand einer Kontrolleinheit vorgewählt wird.

Eine transaurale Bearbeitung 14 sorgt durch Übersprech­ kompensation für eine Dämpfung der Signalkomponenten, die bei der Stereowiedergabe vom rechten Lautsprecher auf das linke Ohr und vom linken Lautsprecher auf das rechte Ohr einfallen. Hierdurch wird eine kopfbezogene Entkopplung der beiden Kanäle in bezug auf ihre Signal­ quellen (Lautsprecher) und deren Anordnung vorgenommen, um eine Wiedergabe des binauralen Tonmaterials über Stereo-Lautsprecher zu ermöglichen.

Im Signalausgang 15 wird, falls die Signale nicht auf digitaler Ebene weitergeleitet werden sollen, eine D/A-Wandlung vorgenommen, um die beiden transformierten Signale als Analogsignal an ein Mischpult oder an einen Schallspeicher weiterzugeben.

Ein mehrkanaliges Tonbearbeitungssystem, dargestellt in Fig. 2, umfasst zwei Signalverarbeitungsebenen, eine Direktsignalverarbeitungsebene 2 und eine Raumsimulati­ onsebene 3, die für das klangliche Resultat verantwort­ lich sind, sowie eine spezielle, mehrkanalige Korrek­ tureinheit für Lautsprecher 4.

Ein Stellglied 1 ist zur manuellen Einflußnahme auf die Bearbeitung des Systems vorgesehen, das in den drei räumlichen Ebenen arbeitet. Das zu bearbeitende Tonma­ terial wird über die Ausspielwege eines Mischpultes den Eingangsstufen 18 und 20 der beiden Bearbeitungsebenen 2 und 3 zugeführt. Eine Mischstufe 19 ermöglicht die Weitergabe der Eingangssignale der Direktverarbeitung an die Raumsimulationsebene.

Signale, die nicht auf digitaler Ebene vorliegen, wer­ den in den Eingangsstufen digital gewandelt. Die Ein­ gangsstufen 18, 20 sind mehrkanalig ausgeführt, um a] in Verarbeitungsebene 2 eine unabhängige Bearbeitung und somit eine jeweils variable Position der einzelnen Tonsignale zu ermöglichen, b] auf der Ebene der Raumsi­ mulation 3 eine unabhängige Bearbeitung und somit eine jeweils variable Position des einzelnen Tonsignals in­ nerhalb eines virtuellen Raumes zu gewährleisten, und c] eine Erzeugung von unterschiedlichen virtuellen Räu­ men und Raumkombinationen, z. B. Raum im Raum für ein jeweiliges Signal zu ermöglichen.

Die manuelle Steuerung des Systems erfolgt durch einen speziellen, in drei Dimensionen arbeitenden Stellmecha­ nismus 16 des speziellen Stellgliedes 1. Bei der Betä­ tigung des Stellmechanismus 16 wird die Position und die Geschwindigkeit der Positionsänderung von einer Er­ kennungseinheit 17 in Steuerbefehle umgesetzt. Die ver­ tikal verlaufenden Pfeile zeigen die Einflußnahme der Steuerbefehle auf die jeweiligen Signalbearbeitungs­ gruppen 21, 22, 23, 24 sowie 32, 33, 34 und 35.

Die der Direktsignalverarbeitungsebene 2 folgende Dopp­ ler-Bearbeitung 21 dient zur Darstellung von akusti­ schen Bewegungseffekten, wie sie u. a. bei der Filmton- Gestaltung Verwendung finden. Die Doppler-Bearbeitung geschieht ebenfalls in Abhängigkeit des Stellgliedes 1, wobei hier von der Erkennungseinheit 17 die Geschwin­ digkeit der Betätigung des Stellmechanismus bei der Po­ sitionsveränderung eines Schallsignals ausgewertet wird. Die Doppler-Bearbeitung 21 umfaßt die Funktionen der Tonbeugung und der Filterung des Schallsignals, wo­ bei die Stärke der Tonbeugung, sowie die Art der Filterfunktion durch die Ausgangs- und Endposition und der Geschwindigkeit der Positionsänderung des Stellme­ chanismus 16 des Stellgliedes 1 vorgegeben wird.

Die Direktsignalverarbeitungsebene 2 wird nach der Doppler-Bearbeitung einer binauralen Transformation un­ terzogen 22, wobei, für jeden Kanal getrennt, das mo­ nophone Signal gemäß den Kopfübertragungsfunktionen in ein zweikanaliges, binaurales Signal gewandelt wird. Die binaurale Bearbeitung des Signals erfolgt gemäß der Vorgabe des Stellgliedes 1, welches durch seine Positi­ on die Parameter der binauralen Bearbeitung bestimmt, um somit die virtuelle Plazierung eines Schallsignals in Relation zu der räumlichen Position des Stellmecha­ nismus 16 zu ermöglichen. Die nachfolgende transaurale Bearbeitung 23 erfolgt, im Gegensatz zu der transaura­ len Bearbeitung nach dem Stand der Technik, ebenfalls in Abhängigkeit der Positionsvorgabe des Stellgliedes. Die Position bestimmt hier das Maß der transauralen Be­ arbeitung. Die transaurale Bearbeitung erfolgt zur Un­ terstützung der Pegelstellebene 24, durch die die Pla­ zierung von Schallquellen innerhalb der Mehrlautspre­ cherebene (Surround-Ebene) erfolgt. Sie wird dann akti­ viert, wenn Schallereignisse außerhalb dieser Ebene dargestellt werden sollen, aber auch, um das binaural transformierte Schallsignal von den Lautsprechern als ortbare Schallquelle zu entkoppeln. Raumsimulationsebe­ ne 3 dient zur virtuellen Gestaltung von Klangräumen, in denen die einzelnen Schallsignale, die durch die mehrkanalige Eingangsstufe 20 oder der Mischstufe 19 der Bearbeitung zugeführt werden, jeweils unabhängig voneinander positioniert werden können. Hierbei werden die Signale zwei unterschiedlichen Bearbeitungen unter­ zogen.

Eine Bearbeitung 31 dient der elektronischen Erzeugung eines diffusen Schallfeldes, daß durch mannigfache Bre­ chung und Reflektion innerhalb eines natürlichen Raums entsteht (Hallfahne).

Bearbeitungen 32, 33, 34, 35 dienen der Verräumlichung und unabhängigen Wahl der Einfallsrichtungen der frühen Re­ flektionen, die in Abhängigkeit der Position des Stell­ mechanismus 16 des Stellgliedes 1 geschieht, sowie der jeweils unabhängigen Positionierung der einzelnen Schallquellen innerhalb des virtuellen Raumes. Die Form der Verarbeitung erfolgt hierbei nach dem gleichen Muster wie die innerhalb der Direktsignalver­ arbeitungsebene 2. Zur Beseitigung von Störgrößen dient eine speziell an die Bearbeitungsprozesse des Systems angepaßte, mehrkanalige Lautsprecherkorrektur 4, 40. Die zur Wiedergabe dienenden Lautsprecher werden hier­ bei einer Phasen- und Frequenzgangkorrektur unterzogen, um eine bestmögliche, lineare Wiedergabe des transfor­ mierten Tonmaterials zu ermöglichen.

Claims (22)

1. Mehrkanaliges Tonbearbeitungssystem für die Tonstu­ dio- und elektroakustische Übertragungstechnik zur Gestaltung von virtuell-realen Hörumgebungen auf Ba­ sis von Mehrlautsprecherstandards, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die dimensionsgerechte Darstellung von Schallereignissen neben der binauralen und transau­ ralen Bearbeitung durch eine den gewünschten Schall­ positionen gemäßen Regulierung des Signalpegels in­ nerhalb einer mehrkanaligen Lautsprecherumgebung er­ folgt.

2. Tonbearbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuerung Signalverarbeitungs­ stufen durch ein in drei räumlichen Ebenen (vorne, hinten; oben, unten; rechts, links) arbeitendes Stellglied (1) erfolgt und die Positionierung der einzelnen Schallquelle über einen in drei räumlichen Ebenen arbeitenden Stellmechanismus (16) erfolgt.

3. Tonbearbeitungssystem nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die relative räumliche Position des in den drei räumlichen Ebenen arbeitenden Stell­ mechanismus (16) des Stellgliedes (1) in bezug auf die Extrempositionen oben, unten; vorne, hinten; rechts, links mit der von einem Hörer wahrgenommenen virtuellen Position der Schallquelle in bezug auf die Extrempositionen oben, unten; vorne, hinten; rechts, links der akustischen Umgebung korrespon­ diert.

4. Tonbearbeitungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Positio­ nierung der virtuellen Schallquellen, die anhand der Positionierung des Stellmechanismus (16) des Stell­ gliedes (1) erfolgt, neben der binauralen und trans­ auralen Bearbeitung, eine Bearbeitung des Signalpe­ gels (24) umfaßt.

5. Tonbearbeitungssystem nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Pegelbearbeitung (24, 35) eine Matrizierung der einzelnen binaural und transaural bearbeiteten Mehrkanalsignale umfaßt, die die Regu­ lierung der Pegelverhältnisse jeder einzelnen zu po­ sitionierenden Signalquellen innerhalb einer Mehr­ lautsprecheranordnung ermöglicht.

6. Tonbearbeitungssystem nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Matrizierungseinheiten zur Anpas­ sung der Arbeitsweise des Systems an jegliche Mehr­ lautsprecherkonfigurationen vollständig konfigurier­ bar gestaltet ist.

7. Tonbearbeitungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Amplitudenbearbeitung der Direktsignal- Bearbeitung in Abhängigkeit von der richtungsbilden­ den binauralen Bearbeitung erfolgt.

8. Tonbearbeitungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der binauralen Bearbeitung der Direktsignalverarbei­ tung in Abhängigkeit von der richtungsbildenden Pe­ gelbearbeitung erfolgt.

9. Tonbearbeitungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine transau­ rale Bearbeitung (23) innerhalb der Direktsignal- Bearbeitungsebene nicht stetig erfolgt, sondern in ihrer Stärke als regulierbarer Parameter in Abhän­ gigkeit von der Position des Stellgliedes erfolgt.

10. Tonbearbeitungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Bear­ beitungsebene der Direktsignalbearbeitung eine Dopp­ ler-Bearbeitung (21) zur Simulation von bewegungsab­ hängigen akustischen Tonbeugungs- und Filtereffekten integriert ist.

11. Tonbearbeitungssystem nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Parametervorgabe der Doppler- Bearbeitung (21) mittels einer Analyseeinheit (17) zur Ermittlung der Geschwindigkeit der Positionsän­ derung des Stellmechanismus (16) des Stellgliedes (1) geschieht.

12. Tonbearbeitungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Generie­ rung der frühen Schallrückwürfe (32) innerhalb der elektronischen Raumsimulation einer binauralen einer transauralen und einer Signalpegel-Bearbeitung (33, 34) unterworfen werden.

13. Tonbearbeitungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die individu­ elle virtuelle Einfallsrichtung jedes einzelnen Schallrückwurfes anhand der Position des Stellmecha­ nismus (16) des Stellgliedes (1) bestimmt werden kann.

14. Tonbearbeitungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die relative räumliche Position des in den drei räumlichen Ebenen arbeitenden Stellmechanismus (16) des Stellgliedes in bezug auf die Extrempositionen oben, unten; vor­ ne, hinten; rechts, links mit der vom Hörer wahrge­ nommenen, virtuellen Einfallsrichtung des jeweiligen Schallrückwurfes in bezug auf die Extrempositionen oben, unten; vorne, hinten; rechts, links der aku­ stischen Hörumgebung korrespondiert.

15. Tonbearbeitungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die transau­ rale Bearbeitung (34) der binaural bearbeiteten Schallrückwürfe innerhalb der Raumsimulationsebene nicht stetig, sondern in ihrer Stärke als regulier­ barer Parameter in Abhängigkeit von der Position des Stellmechanismus (16) des Stellgliedes (1) erfolgt.

16. Tonbearbeitungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Pegelbearbeitung (35) bei der Positionierung der Erstreflektionen der Raumsimulation in Abhängigkeit von der richtungsbildenden binauralen Bearbeitung (33) geschieht.

17. Tonbearbeitungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der binauralen Bearbeitung bei der Positionierung der Erstreflektionen der Raumsimulation in Abhängig­ keit von der richtungsbildenden Pegelbearbeitung (35) geschieht.

18. Tonbearbeitungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System über eine speziell angepaßte, mehrkanalige Lautspre­ cherkorrektureinheit (4, 40) verfügt.

19. Tonbearbeitungssystem nach Anspruch 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lautsprecherkorrektureinheit (4, 40) vollständig kalibrierfähig ausgelegt ist und zur korrekten Arbeitsweise an alle Lautsprechertypen und Lautsprecherboxen anpaßbar ist.

20. Tonbearbeitungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tonsigna­ le für die Direktsignalverarbeitung (2) sowie für die Erzeugung von virtuellen Hörräumen (3) einer jeweils physikalisch getrennten, unabhängigen, mehr­ kanaligen Eingangsstufe zuführbar sind.

21. Tonbearbeitungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs­ signale der Eingangsstufe der Direktsignal- Bearbeitung mittels einer Mischstufe (19) unabhängig voneinander in den Signalpfad der Raumsimulation ge­ leitet werden können.

22. Tonbearbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Signalausgabe des Systems über eine mehrkanalig ausgeführte, kalibrierfähige Aus­ gangsstufe (36) erfolgt.