CH706680A2 - Verfahren und Vorrichtung zur auditorischen Unterstützung von sportlicher Betätigung. - Google Patents
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Abstract
Ein oder mehrere Klangsignale werden über Kopfhörer (9) einer Sport treibenden Person wiedergegeben. Dabei wird jedes Klangsignal so verarbeitet, dass die akustische Schallausbreitung von der Position einer Klangquelle zu den beiden Ohren einer Person simuliert wird. Die Positionen der Klangquellen relativ zur Person verändern sich stetig, sodass bei der Sport treibenden Person ein Eindruck der Bewegung entsteht, der der aus der sportlichen Tätigkeit resultierenden Bewegung entspricht. Dieser Eindruck kann vermittelt werden unabhängig davon, ob die Person sich tatsächlich bewegt (z.B. beim Rennen im Wald) oder tatsächlich an Ort und Stelle bleibt (z.B. beim Rennen auf einem Laufband).
Description
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung und Erzeugung von Klangsignalen gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zum Verarbeiten und Erzeugen von Klangsignalen gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 21.
[0002] Bei vielen Arten von Fitnesstraining, wie z.B. Joggen, Rennen auf einem Laufband oder Fahrradfahren, ist es üblich mit Kopfhörern Musik zu hören. Die Wiedergabe von normalen Stereosignalen mittels Kopfhörern hat dabei den Nachteil, dass sich die Musik im Kopf oder in der Nähe des Kopfes abzuspielen scheint und sich somit auf unnatürliche Weise mit dem Sporttreibenden mitzubewegen scheint.
[0003] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Musikwiedergabegerät dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Benutzer dieses Geräts bei der Ausübung seiner sportlichen Tätigkeit die Musik als aus der Umgebung entspringend wahrnimmt.
[0004] Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
[0005] Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die scheinbar externe Wiedergabe der Musik sowie der dadurch entstehende Bezug der Musik zur Umgebung durch die der Sporttreibende sich bewegt, eine natürlichere Wahrnehmung der Musik sowie der ausgeübten Tätigkeit (z.B. Rennen oder Fahrradfahren) ergibt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die zusätzliche Wiedergabe von Geräuschen, die beim Ausüben des Sports in einer natürlichen Umgebung entstehen würden, oder die in der natürlichen Umgebung vorkommen, auch beim Ausüben des Sports mit einem fest stehenden Trainingsgerät in einem geschlossenen Raum einige der positiven Emotionen, die mit der Ausübung des Sports in einer natürlichen Umgebung verbunden sind, wecken kann. Dieser Effekt kann zusätzlich durch eine bildliche Darstellung der natürlichen Umgebung verstärkt werden.
[0006] Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen, welche in den Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>eine schematische Darstellung einer Person, die sich zwischen fest stehenden virtuellen Klangquellen bewegt.
<tb>Fig. 2<sep>eine schematische Darstellung von virtuellen Klangquellen, welche sich gegenüber einem fest stehenden Benutzer bewegen.
<tb>Fig. 3<sep>ein sich unendlich wiederholendes Muster von Klangquellen, bei dem nur einzelne Klangquellen aktiv sind.
<tb>Fig. 4<sep>einen Benutzer auf Standfahrrad (mit eingezeichneten virtuellen Klangquellen).
<tb>Fig. 5<sep>einen Benutzer auf Standfahrrad mit angeschlossenem Bildschirm.
<tb>Fig. 6<sep>einen Benutzer auf Laufband mit angeschlossenem Projektor.
<tb>Fig. 7<sep>schematisch den Aufbau eines Klangsignalwiedergabegeräts.
<tb>Fig. 8<sep>eine grafische Benutzeroberfläche eines Klangsignalwiedergabegeräts.
[0007] Bei der vorliegenden Erfindung wird Musik (oder ein beliebiges anderes Quellsignal) mittels virtueller Klangquellen, welche scheinbar in der Umgebung fixiert sein können, wiedergegeben. Für eine solche Wiedergabe müssen sich die Klangquellen relativ zum Kopf des Sporttreibenden bewegen, was durch eine binaurale Wiedergabe der Musik erreicht werden kann. Methoden für effiziente binaurale Klangsignalwiedergabe (sog. Binaurale Reverberatoren) sind öffentlich bekannt. Als Beispiel kann folgender Konferenzbeitrag dienen: F. Menzer. «Binaural reverberation using two parallel feedback delay networks.» 40th International AES Conference, Tokyo, 2010. Die Positionen der Klangquellen, welche das Musiksignal abspielen, können entweder aufgrund von Parametern kontinuierlich berechnet werden oder fix vorgegeben sein, wobei im letzteren Fall die Position und die Bewegungsgeschwindigkeit und -richtung des Sportreibenden (und damit die relativen Positionen der Klangquellen zum Sporttreibenden) mittels eines Positionsbestimmungsverfahrens ermittelt werden müssen. Ein Beispiel für eine Menge von Parametern, die die Berechnung von Positionen relativ zum Sporttreibenden erlaubt, ist: Geschwindigkeit, Abstand zwischen Klangquellen, seitlicher Abstand zwischen Bewegungslinie des Sporttreibenden und den Lautsprechern. Dabei können sich in der Simulation entweder die Klangquellen oder die Person bewegen. Beispiele für Positionsbestimmungsverfahren sind Global Positioning System (GPS) und kamerabasierte Positionsbestimmung (mit oder ohne «Markern», welche von den Benutzern getragen werden, um die Positionsbestimmung zu erleichtern). Dabei ist das erstgenannte Verfahren (GPS) vor allem in grossen Gebieten ausserhalb von Gebäuden nützlich (z.B. beim Joggen im Wald) und das zweite Verfahren eignet sich vor allem in kleinen Gebieten und Innenräumen, die von wenigen Kameras komplett erfasst werden können (z.B. bei einem Sporttraining in einer Halle).
[0008] Fig. 1 zeigt mehrere virtuelle Klangquellen (2), welche sich nicht bewegen und zwischen denen die sich eine Person (10) mit zwei Ohren (1) bewegt. Die Positionen der Klangquellen sowie der Person können (im Fall der Person als Funktion der Zeit) mittels folgender Parametern berechnet werden: Bewegungsgeschwindigkeit (3), Distanz zwischen Klangquellen (4) und seitliche Distanz zwischen der Bewegungslinie der Person und den Klangquellen (5).
[0009] Ein weiterer Anwendungsfall ist die Ausübung von Bewegungstätigkeiten auf einem nicht beweglichen Sportgerät, z.B. einem Laufband, einem Rudergerät oder einem Standfahrrad. Dabei kann die räumliche Wiedergabe von Musik oder anderen Klangsignalen auditorisch die Bewegung simulieren, die der Sporttreibende erfahren würde, wenn er den Sport auf festem Boden, einem richtigen Ruderboot, oder einem normalen Fahrrad ausüben würde. Dafür eignet sich besonders eine räumliche Wiedergabe von Klangsignalen, bei der die Positionen der Klangquellen basierend auf Parametern berechnet werden. Z.B. kann der Geschwindigkeitsparameter entweder vom Benutzer vorgegeben werden oder direkt vom Sportgerät übernommen werden. Im Fall eines fest stehenden Sportgeräts in einem Raum (z.B. in einem Fitnessstudio) kann es sinnvoll sein, den Benutzer als fest stehend zu betrachten und bewegte Klangquellen zu simulieren.
[0010] Fig. 2 zeigt mehrere virtuelle Klangquellen (2), welche sich mit einer Geschwindigkeit v (6) bewegen, während die Person (10) sich nicht bewegt.
[0011] Fig. 3 zeigt mehrere virtuelle Klangquellen, welche in einem sich unendlich wiederholenden Muster (7) angeordnet sind und von denen nur eine kleine Anzahl Klangquellen (8) in der Nähe des Benutzers (10) aktiv sind. Dies erlaubt eine Realisierung des Verfahrens mit einem geringen Rechenaufwand, während beim Benutzer der Eindruck entsteht, dass unendlich viele Klangquellen vorhanden seien.
[0012] Fig. 4 zeigt einen Kopfhörer (9) tragenden Benutzer (10) auf einem Standfahrrad (12). Die Kopfhörer (9) sind mittels eines Audio-Ausgangs (24) mit einem Klangsignalwiedergabegerät (11) verbunden. Durch die binaurale Akustiksimulation im Klangsignalwiedergabegerät (11) entsteht beim Benutzer (10) der Eindruck, dass sich virtuelle Klangquellen (2) um ihn herum mit einer Geschwindigkeit (6) bewegen würden.
[0013] Im Fall der Benutzung eines fest stehenden Sportgeräts (z.B. einem Laufband in einem Fitnesscenter) kann es wünschenswert sein, nicht nur Musik wiederzugeben, sondern auch Geräusche, die entstehen würden, wenn die sportliche Betätigung in einer natürlichen Umgebung ausgeführt würde (z.B. Schrittgeräusche welche für einen Kiesweg typisch sind), sowie weitere Geräusche welche in der natürlichen Umgebung hörbar wären (z.B. Vogelgezwitscher, das Rauschen eines Bachs, etc.). Zur Unterstützung des auditorischen Eindrucks kann auch eine visuelle Repräsentation der Klangquellen implementiert werden, z.B. mittels eines Videos, auf dem eine natürliche Umgebung mit Kiesweg, Bach, etc. sichtbar ist. Die visuelle Repräsentation kann auf dem Gerätedisplay oder mittels eines angeschlossenen Bildwiedergabegeräts (z.B. Bildschirm oder Projektor) stattfinden.
[0014] Fig. 5 zeigt einen Benutzer (10) auf einem Standfahrrad (12) mit einem Klangsignalwiedergabegerät (11), welches über ein graphisches Display (13) verfügt und über einen Video-Ausgang (14) mit einem Bildschirm (15) verbunden ist. Der Bildschirm stellt dabei in einer natürlichen Umgebung vorkommende Klangquellen (17) dar, welche auch akustisch als virtuelle Klangquellen reproduziert werden. Ausserdem ist das Klangsignalwiedergabegerät über eine Parameterschnittstelle (18) mit dem Standfahrrad (12) verbunden, über welche Informationen über die zu simulierende Bewegungsgeschwindigkeit erhalten werden können.
[0015] Fig. 6 zeigt einen Benutzer (10) auf einem Laufband (20) mit einem Klangsignalwiedergabegerät (11), welches über einen Video-Ausgang (14) mit einem Projektor (16) verbunden ist. Das projizierte Bild stellt dabei in einer natürlichen Umgebung vorkommende Klangquellen (17) dar, welche auch akustisch als virtuelle Klangquellen reproduziert werden. Ausserdem ist das Klangsignalwiedergabegerät über einen Audio-Eingang (24) mit einem Mikrophon (19) in der Nähe der Füsse des Benutzers verbunden, welches die Schrittgeräusche des Benutzers auf dem Laufband aufnimmt.
[0016] Fig. 7 zeigt schematisch ein Klangsignalwiedergabegerät zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein Datenverarbeitungssystem mit einem Mikroprozessor oder einem Digitalen Signalprozessor (DSP) (21), Speicher (27), einem Display (13) und Schnittstellen (23), welche alle über einen gemeinsamen Datenbus (22) Informationen austauschen.
[0017] Die Schnittstellen für Parameter (18) und für ein Eingangssignal (24), das binaurale Ausgangssigna! (25) und die Video-Ausgabe (14) können entweder als Hardware (z.B. serielle Schnittstelle, l2C-Bus, D/A-Wandler, A/D-Wandler, analoge Videoschnittstelle, digitale Videoschnittstelle) oder als Funkverbindung (z.B. Bluetooth, Wireless LAN) ausgeführt sein. Das binaurale Ausgangssignal (25) kann direkt einem Kopfhörer (9) zugeführt werden. Die Parameterschnittstelle kann direkt mit einem Sportgerät wie z.B. einem Standfahrrad (12) verbunden sein.
[0018] Die wiederzugebenden Klänge werden von einem Speichermedium (28) gelesen oder über einen Audio-Eingang oder eine Datenverbindung (z.B. über ein IP-Netzwerk) dem Gerät zugeführt. Das Speichermedium (28) kann z.B. als Harddisk oder Solid State Drive (Flash-Speicher) ausgeführt sein.
[0019] Fig. 8 zeigt eine grafische Benutzerschnittstelle für ein Klangsignalwiedergabegerät, umfassend eine animierte visuelle Darstellung (29) der Klangquellen aus der Vogelperspektive, einen Druckknopf (30), welcher ein Musikauswahlmenu öffnet, Schieberegler (31) zum Einstellen der Parameter, Bedienelemente (32) zum Auswählen der Anordnung der Klangquellen sowie zum Auswählen des Klangwiedergabealgorithmus, ein Feld (33) zur Darstellung von Informationen zum aktuell wiedergegebenen Quellsignal, sowie einen Schieberegler (35) zum Starten, Stoppen und Wechseln des Quellsignals.
Claims (21)
1. Verfahren zur Wiedergabe von gespeicherten oder erzeugten Klangsignalen umfassend die Schritte:
– Auslesen oder Erzeugen von einem oder mehreren Quellsignalen
– Erzeugung oder Wahl von den Quellsignalen zugeordneten Positionen virtueller Klangquellen (2)
– Bestimmung, Erzeugung oder Wahl der Position einer Person (10)
– Simulation der Schallausbreitung in einer akustischen Umgebung von den Positionen der virtuellen Klangquellen (2) zu den beiden Ohren (1) der Person (10)
– Wiedergabe der simulierten Ohr-Signale mittels Kopfhörern (9)
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen aufgrund von Parametern berechnet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen der virtuellen Klangquellen in einem regelmässigen, sich unendlich wiederholenden Muster (7) angeordnet sind.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter Bewegungsgeschwindigkeit (3), Distanz zwischen Klangquellen parallel zur Bewegungsrichtung (4) sowie minimale Distanz (5) zwischen Klangquellen und Person (10) verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position sowie Bewegungsgeschwindigkeit und -richtung der Person durch ein Positionsbestimmungsverfahren ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Simulation der Schallausbreitung durch einen Binauralen Reverberator approximativ durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem Zeitpunkt nur eine kleine Anzahl Klangquellen (8), welche der Person am nächsten sind, simuliert werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quellsignale gespeicherte Musik sind.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quellsignale vom Benutzer bereitgestellt oder ausgewählt werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quellsignale Geräusche sind, die beim Ausüben einer sportlichen Tätigkeit entstehen.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quellsignale Geräusche sind, die in einer natürlichen Umgebung vorkommen.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen der Klangsignale visuell dargestellt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die visuelle Darstellung durch ein mit der Klangsignalausgabe synchronisiertes Video einer Kamerafahrt durch eine natürliche oder synthetisch erzeugte Umgebung ausgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die visuelle Darstellung durch eine Animation aus der Vogelperspektive (29) ausgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsgeschwindigkeit der Klangquellen oder der Person von einem Sportgerät über eine Schnittstelle (18) übernommen wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Quellsignale Schrittgeräusche sind.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitpunkte zu denen ein Schrittgeräusch wiedergegeben wird durch die Analyse eines in Echtzeit mit einem Mikrophon (19) aufgenommenen Signals der Schrittgeräusche des Benutzers bestimmt wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsgeschwindigkeit der Klangquellen oder der Person durch die Analyse einer Aufnahme der Schrittgeräusche des Benutzers geschätzt wird.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quellsignale über eine Audio-Schnittstelle dem Gerät zugeführt werden.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quellsignale über ein Datennetzwerk dem Gerät zugeführt werden.
21. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Rechner (21), Software (26) welche, wenn auf dem Rechner betrieben, den Rechner dazu veranlasst, alle Schritte dieses Verfahrens durchzuführen, sowie Ein- und Ausgabemittel (23), mit welchen zumindest ein elektroakustischer Wandler zur akustischen Ausgabe des binauralen Klangsignals (25) signalübertragend verbindbar ist.
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| CH00890/12A CH706680A2 (de) | 2012-06-25 | 2012-06-25 | Verfahren und Vorrichtung zur auditorischen Unterstützung von sportlicher Betätigung. |
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Publications (1)
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2012
- 2012-06-25 CH CH00890/12A patent/CH706680A2/de not_active Application Discontinuation
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