DE68922885T2

DE68922885T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Schallbilderzeugung.

Info

Publication number: DE68922885T2
Application number: DE68922885T
Authority: DE
Inventors: John W Lees; Danny D Lowe
Original assignee: Qsound Ltd
Current assignee: Qsound Ltd
Priority date: 1988-09-02
Filing date: 1989-08-30
Publication date: 1995-10-12
Anticipated expiration: 2009-08-31
Also published as: CA1329911C; NZ230517A; PL163716B1; AU621655B2; RU2092979C1; KR900005841A; DE68922885D1; DK433789D0; EP0357402A3; BG60225B2; AU4100089A; AR245858A1; IL91464A; ATE123369T1; NO175229C; JPH02298200A; HUT59523A; FI894143A0; NO893522D0; NO175229B

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verarbeitung eines Tonsignals und insbesondere die Verarbeitung eines Tonsignals so, daß der sich ergebende Ton dem Hörer als von einem anderen Ort ausgehend erscheint als dem tatsächlichen Ort der Lautsprecher.
Menschliche Zuhörer können leicht die Richtung und die Entfernung einer Schallquelle einschätzen. Wenn mehrere Schallquellen im Raum um den Hörer verteilt sind, können die Positionen der Schallquellen unabhängig voneinander und gleichzeitig wahrgenommen werden. Trotz umfangreicher und fortgesetzter Forschungen über mehrere Jahre, konnte bislang noch keine befriedigende Theorie entwickelt werden, die sämtlichen Wahrnehmungsfähigkeiten eines durchschnittlichen Hörers gerecht wird.
Ein Verfahren, das den Druck oder die Schnelle einer Schallwelle an einem einzelnen Punkt mißt und diesen Schall wirksam an einem einzelnen Punkt wiedergibt, wird die Verständlichkeit der Sprache und einen Großteil der Eigenheit von Musik erhalten.
Nichtsdestotrotz entfernt ein solches System die gesamte Information, die zur Lokalisierung des Schalls im Raum benötigt wird. Somit wird ein von einem solchen System wiedergegebenes Orchester so wahrgenommen, als ob alle Instrumente an dem einzigen Wiedergabepunkt spielen würden.
Bemühungen richteten sich deshalb auf die Erhaltung der in den Tonsignalen während der Übertragung oder Aufzeichnung und Wiedergabe inhärent enthaltenen Richtungsmerkmale. In dem Alan D. Blumlein im September 1937 erteilten US-Patent 2 039 540 sind wesentliche Einzelheiten eines solchen Zweikanalsystems angegeben. Das künstliche Hervorheben von Differenzen zwischen den Stereokanälen als Mittel zur Verbreiterung des Stereobildes, was die Basis vieler gegenwärtiger Stereoschallsteigerungsverfahren ist, ist darin in Einzelheiten beschrieben.
Einige bekannte Stereosteigerungssysteme beruhen auf der Kreuzkopplung der Stereokanäle in der einen oder anderen Weise, um die vorhandenen Merkmale hinsichtlich der räumlichen Lage, die in einer Stereoaufzeichnung enthalten sind, hervorzuheben. Die Kreuzkopplung und ihr Gegenstück, das Auslöschen des Übersprechens beruhen beide auf der Geometrie der Lautsprecher und des Hörbereichs und müssen somit für jeden einzelnen Fall individuell eingestellt werden. Es ist einleuchtend, daß die unternommenen Verfeinerungen des Stereosystems keine wesentliche Verbesserung des zur Zeit im Unterhaltungsbereich weitgehend verwendeten Systems gebracht haben. Wirkliche Zuhörer lieben es, bequem zu sitzen, ihren Kopf zu bewegen oder zu drehen und stellen ihre Lautsprecher so, daß diese zur Raumeinteilung passen und mit anderen Möbeln zusammenpassen.
US-4 308 424 beschreibt ein Gerät zur Simulation eines Stereoeffektes aus einem monauralen Signal durch Aufteilen des Signals in zwei Kanäle und Verwenden eines Resonanzfilters, das ein Phasen- und Amplitudendifferential zwischen den beiden Kanälen einfügt.
Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verarbeitung eines Tonsignals so anzugeben, daß, wenn es über zwei Schallwandler wiedergegeben wird, der anscheinende Ort der Schallquelle passend gesteuert werden kann, so daß es dem Zuhörer so vorkommt, daß der Ort der Schallquelle vom Ort des Wandlers oder der Lautsprecher getrennt ist.
Die vorliegende Erfindung ist in den beigefügten Ansprüchen definiert.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die Tonwiedergabe eines monauralen Signals unter Verwendung zweier unabhängiger Kanäle und zweier Lautsprecher ein deutlich örtlich festgelegtes Bild großer Klarheit in verschiedenen Positionen erzeugen kann. Die Untersuchung dieses Phänomens durch die Erfinder unter speziellen Bedingungen in einem Aufnahmestudio führte zu systematischen Versuchen hinsichtlich der zur Erzeugung dieser Tonillusion benötigten Bedingungen. Einige Jahre der Arbeit brachten ein wesentliches Verständnis des Effekts und die Fähigkeit, diesen beständig und willkürlich zu reproduzieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Höhrillusion erzeugt, die durch örtliche Lage einer Schallquelle irgendwo in dem den Hörer umgebenden dreidimensionalen Raum ohne Beschränkungen durch die Lautsprecherpositionen gekennzeichnet ist. Es können gleichzeitig unter Verwendung derselben zwei Kanäle mehrere Abbildungen unabhängiger Schallquellen an unabhängigen Positionen ohne bekannte Begrenzung ihrer Anzahl wiedergegeben werde. Die Wiedergabe benötigt nicht mehr als zwei unabhängige Kanäle und zwei Lautsprecher, und der gegenseitige Abstand der Lautsprecher oder die Drehung derselben kann innerhalb weiter Grenzen ohne Beeinträchtigung der Illusionen variiert werden. Die Drehung des Kopfs des Hörers in irgendeiner Ebene, z.B. um die Abbildung anzusehen, beeinträchtigen diese nicht.
Die Verarbeitung von Audiosignalen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist durch die Verarbeitung eines Einkanaltonsignals zur Erzeugung eines Zweikanalsignals gekennzeichnet, wobei die Phasen- und Amplitudendifferentiale zwischen den beiden Signalen auf frequenzabhängiger Basis über das gesamte Hörspektrum eingestellt werden. Diese Verarbeitung wird durch Aufteilen des monauralen Eingangssignals in zwei Signale und dann das Leiten eines der oder beider Signale durch eine Übertragungsfunktion ausgeführt, deren Amplitude und Phase im allgemeinen uneinheitliche Funktionen der Frequenz sind. Die Übertragungsfunktion kann die Inversion des Signals und eine frequenzabhängige Verzögerung beinhalten. Weiterhin lassen sich nach bestem Wissen der Erfinder die zur erfindungsgemäßen Verarbeitung verwendeten Übertragungsfunktionen nicht von irgendeiner bekannten Theorie ableiten. Sie muß durch empirische Mittel spezifiziert werden. Jede Verarbeitungsübertragungsfunktion legt ein Tonbild an eine einzelne Position, die durch die Charakteristiken der Übertragungsfunktion bestimmt ist. Auf diese Weise ist die Position der Schallquelle einzig durch die Übertragungsfunktion bestimmt.
Bei einer gegebenen Position kann eine Anzahl von unterschiedlichen Übertragungsfunktionen exisitieren, die jeweils ausreichen, das Bild allgemein an die spezifizierte Position zu legen.
Falls ein bewegtes Bild benötigt wird, kann es durch allmählichen Übergang von einer Übertragungsfunktion zu einer anderen darauffolgenden erzeugt werden. Auf diese Weise muß eine geeignete flexible Realisation des Prozesses nicht auf die Erzeugung statischer Bilder beschränkt sein.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung verarbeiteten Tonsignale können direkt, nachdem sie verarbeitet sind, wiedergegeben werden, oder durch herkömmliche Stereoaufzeichnungstechniken auf unterschiedlichen Medien, wie z.B. optischen Platten, Magnetband, Phonoaufzeichnung oder optischen Soundtrack aufgezeichnet oder durch irgendeine herkömmliche Stereoübertragungstechnik, wie durch das Radio oder durch Kabel übertragen werden, ohne daß auf das Hörbild, das von der Erfindung erzeugt wird, eine nachteilige Wirkung ausgeht.
Der Abbildungsprozeß der vorliegenden Erfindung kann auch rekursiv angewendet werden. Beispielsweise wird, falls jeder Kanal eines herkömmlichen Stereosignals als monophones Signal behandelt wird und die Kanäle an zwei verschiedenen Positionen im Hörraum abgebildet werden, ein vollständiges, konventionelles Stereobild längs der die Positionen der Bilder der Kanäle verbindenden Linie wahrgenommen. Zusätzlich kann zu der Zeit, wo die Stereoaufnahme oder Platte auf Mehrspurband aufgezeichnet wird, welches beispielsweise 24 Kanäle hat, jeder Kanal durch einen Übertragungsfunktionsprozessor gespeist werden, so daß der Aufnahmeingenieur den Ort der verschiedenen Instrumente und Stimmen willkürlich legen kann, um dadurch eine spezielle Tonbühne zu erzeugen. Das Ergebnis dieser Verarbeitung sind immer noch Zweikanalaudiosignale, die auf herkömmlichen Wiedergabegeräten abgespielt werden können, die jedoch die erfindungsgemäße Tonabbildungseigenschaft enthalten.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist eine Grundrißdarstellung einer Hörgeometrie zur Definition von Parametern eines Abbildungsorts;
Figur 2 ist eine Figur 1 entsprechende Seitenansicht;
Figur 3 ist eine Grundrißdarstellung einer Hörgeometrie zur Definition von Parametern eines Hörerorts;
Figur 4 ist ein Figur 4 entsprechender Aufriß;
die Figuren 5a-5k sind Grundrisse jeweiliger Hörsituationen mit entsprechenden Veränderungen der Lautsprecherplazierung und Fig. 5m ist eine Tabelle kritischer Abmessungen dreier Hörräume;
Figur 6 ist ein Grundriß eines in zwei isolierten Räumen vorgenommenen Bildübertragungsexperiments;
Figur 7 ist ein Prozedurblockdiagramm, welches die vorliegende Erfindung auf herkömmliche Praktiken bezieht;
Figur 8 ist ein schematisches Blockschaltbild eines einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung entsprechenden Tonbilderzeugungssystems;
Figur 9 ist eine bildliche Darstellung eines Operatorarbeitsplatzes gemaß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung;
Figur 10 ist die Darstellung einer perspektivischen Computergraphikanzeige, die bei der Steuerung der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Figur 11 stellt eine Computergraphikanzeige dreier aufeinander senkrecht stehender Ansichten dar, die zur Steuerung der vorliegenden Erfindung dienen;
Figur 12 ist eine schematische Darstellung der Ausbildung virtueller Schallquellen durch die vorliegende Erfindung, die einen Grundriß dreier isolierter Räume zeigt;
Figur 13 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Demonstration der vorliegenden Erfindung;
Figur 14 ist ein Schwingungsformdiagramm eines Testsignals aufgezeichnet als Spannung über der Zeit;
Figur 15 enthält tabellarisch Daten, die eine Übertragungsfunktion gem. einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung repräsentieren;
Figur 16 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Systems zum Festlegen des Ortes eines Tonbildes gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung;
die Figuren 17a und 17b sind graphische Darstellungen typischer, in dem Tonprozessor in Figur 16 verwendeter Übertragungsfunktionen;
die Figuren 18a-18c sind schematische Blockdiagramme einer Schaltung, die die vorliegende Verbindung verkörpert; und
Figur 19 ist ein schematisches Blockdiagramm einer zusätzlichen Schaltung, die weiterhin die vorliegende Erfindung verkörpert.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Um die Parameter zu definieren, die eine eindeutige Beschreibung des erfindungsgemäßen Hörbilderzeugungsprozesses gestatten, zeigen die Figuren 1-4 einige der verwendeten Abmessungen und Winkel.
Figur 1 ist ein Grundriß einer Stereohörsituation, die jeweils einen linken und rechten Lautsprecher 101 und 102, eine Hörer 103 und eine Tonquellenposition 104 zeigt, wie sie der Hörer 103 wahrnimmt. Lediglich zu Definitionszwecken ist der Hörer auf eine Linie 105 gestellt, die senkrecht zu einer die Lautsprecher 101 und 102 verbindende Linie 106 steht und am Mittelpunkt der Linie 106 errichtet ist. Diese Hörerposition wird als Hörerbezugsposition bezeichnet, jedoch ist bei dieser Erfindung der Hörer nicht auf diese Position beschränkt. Von der Hörerbezugsposition wird ein Bildazimutwinkel (a) von der Linie 105 entgegen dem Uhrzeigersinn zu einer Linie 107 zwischen dem Hörer 103 und einer Bildposition 104 gemessen. Gleichermaßen wird die Schrägstrecke (r) des Bildes als Abstand vom Hörer 103 zur Bildposition 104 definiert. Dieser Abstand ist die wahre, im dreidimensionalen Raum gemessene Entfernung und nicht die in der Ebene oder in anderen orthogonalen Ansichten gemessene, projizierte Entfernung.
Bei der vorliegenden Erfindung kommt die Möglichkeit vor, daß Abbildungen wesentlich aus der Lautsprecherebene herausfallen. DementsPrechend ist in Figur 2 ein Höhenwinkel (b) für das Bild definiert. Eine Hörerposition 201 entspricht der Position 103, und eine Bildposition 202 entspricht der Bildposition 104 in Figur 1. Der Bildhöhenwinkel (b) wird von einer Horizontalen 203 durch den Kopf des Hörers 103 zu einer Linie 204 gemessen, die den Kopf des Hörers mit der Bildposition 202 verbindet. Es muß bemerkt werden, daß die Lautsprecher 101, 102 nicht notwendigerweise auf der Linie 203 liegen.
Nachdem wir die Lageparameter des Bildes in bezug auf die Hörerbezugsposition definiert haben, fahren wir mit der Definition von Paramtern möglicher Variationen der Hörgeometrie fort. Bezogen auf Figur 3 entsprechen die Lautsprecher 201 und 302 und Linien 304 und 305 im wesentlichen jeweils den Posten 101, 102, 106 und 105 in Figur 1.
Die Distanz (s) der Lautsprecher wird entlang der Linie 304 gemessen und die Distanz (d) des Hörers entlang der Linie 305. Im Falle, daß ein Hörer parallel zur Linie 304 längs der Linie 306 an der Position 307 angeordnet ist, definieren wir eine seitliche Versetzung (e), die entlang der Linie 306 gemessen wird. Für jeden Lautsprecher 301 und 302 definieren wir jeweilige Azimutwinkel (p) und (q), entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn von einer Linie durch die Lautsprecher 301 und 302, die senkrecht zu der sie verbindenden Linie stehen, in einer Richtung zum Hörer hin. Gleichermaßen definieren wir für den Hörer einen Azimutwinkel (m) entgegen dem Uhrzeigersinn von der Linie 305 in der Richtung, in der der Hörer schaut.
In Figur 4 wird eine Lautsprecherhöhe (h) von der horizontalen Linie 401 durch den Kopf des Hörers 301 nach oben zur vertikalen Mittellinie des Lautsprechers 302 gemessen. Die definierten Parameter gestatten mehr als eine Beschreibung einer gegebenen Geometrie. Z.B. kann eine Bildposition zu (180,0,x) oder (0,180,x) mit vollständiger Äquivalenz beschrieben sein.
Bei konventioneller, stereophoner Wiedergabe ist das Bild in seiner Lage auf die Linie 106 in Figur 1 beschränkt, wohingegen das durch die vorliegende Erfindung erzeugte Bild frei im Raum plaziert werden kann: Der Azimutwinkel (a) kann von 0-360º reichen, und die Entfernung (r) ist nicht auf Distanzen beschränkt, die mit (s) oder (d) zusammenpassen. Ein Bild kann sehr nahe am Hörer an einem geringen Bruchteil von (d) oder weitab an einem Vielfachen von (d) erzeugt werden und kann gleichzeitig auf jedem Azimutwinkel (a) ohne Bezug auf den durch die Lautsprecherbasislinie angegebenen Azimutwinkel liegen. Außerdem läßt sich durch die vorliegende Erfindung das Bild unter jedem Höhenwinkel (b) reproduzieren. Die Hörerdistanz (d) kann von 0,5m bis 30m oder darüber hinaus variieren, wobei das Bild anscheinend während der Veränderung im Raum ruht.
Eine gute Bilderzeugung wurde bei Lautsprecherabständen von 0,2 bis 8m erreicht, wobei die Lautsprecher an allen Abständen mit denselben Signalen angesteuert wurden. Die Azimutwinkel (p) und (q) der Lautsprecher können unabhängig voneinander über einen weiten Bereich ohne Einfluß auf das Bild verändert werden.
Es ist charakteristisch für diese Erfindung, daß leichte Veränderungen der Lautsprecherhöhe (a) den Höhenwinkel (b) des Bildes, den der Hörer wahrnimmt nicht beeinflussen. Dies gilt sowohl für positive als auch negative Werte von (h), d.h., daß die Lautsprecher oberhalb oder unterhalb der Kopfhöhe des Hörers stehen können.
Weil das erzeugte Bild sehr realistisch ist, neigt der Hörer natürlich dazu, sich zu drehen, um es anzusehen, d.h., daß er direkt auf das Bild schaut. Das Bild bleibt dabei stabil; der Azimutwinkel (m) des Hörers hat keine wahrnehmbare Auswirkung auf die räumliche Position des Bildes, wenigstens für einen Bereich des Winkels (m) von +120º bis -120º. Der Eindruck einer räumlich festgelegten Schallquelle ist so stark, daß Hörer keine Schwierigkeit haben, es anzusehen oder auf das Bild zu deuten; eine Gruppe von Hörern berichtet über dieselbe Bildposition.
Die Figuren 5a-5k zeigen einen Satz von zehn Hörgeometrien, deren Bildstabilität geprüft wurde. In Figur 5a ist ein Grundriß einer Hörgeometrie gezeigt. Der rechte und linke Lautsprecher 501 und 502 reproduzierten jeweils Töne für einen Hörer 503 unter Erzeugung eines Tonbildes 504. Die Teilfiguren 5a bis 5k zeigen Variationen der Lautsprecherausrichtung und sind im wesentlichen ähnlich der Teilfigur 5a.
Alle zehn Geometrien wurden in drei verschiedenen Hörräumen mit unterschiedlichen Werten des Lautsprecherabstandes (s) und der Hörerdistanz (d) getestet, wie dies in Figur 5m tabellarisch aufgelistet ist. Raum 1 war ein kleiner Studiosteuerbereich, der eine beträchtliche Menge Ausrüstung enthielt, Raum 2 ein großes Aufnahmestudio, das fast vollständig leer war und Raum 3 ein kleiner Experimentierraum mit schallschluckendem Material an drei Wänden.
Für jeden Test wurde der Hörer aufgefordert, die wahrgenommene Bildposition unter zwei Bedingungen anzugeben; beim Hörerkopfwinkel (m) Null und mit gedrehtem Kopf, so daß der Hörer die anscheinende Bildposition ansah. Jeder Test wurde mit drei verschiedenen Hörern wiederholt. Auf diese Weise wurde die Bildstabilität in insgesamt 180 Anordnungen geprüft. Jede dieser 180 Anordnungen verwendete dasselbe Eingangssignal der Lautsprecher. In jedem Fall wurde der Bildazimutwinkel (a) bei -60º wahrgenommen.
In Figur 6 ist ein Bildübertragungsexperiment gezeigt, bei dem ein Tonbild 601 durch erfindungsgemäß verarbeitete Signale erzeugt wird, und die Lautsprecher 602 und 603 in einem ersten Raum 604 betrieben wurden. Ein Kunstkopf 605, wie er z.B. im Deutschen Patent 1 927 401 beschrieben ist, trägt ein linkes und rechtes Mikrophon 606 und 607 in seinen Modellohren. Elektrische Signale auf den Leitungen 608 und 609 von den Mikrophonen 606, 607 werden getrennt von den Verstärkern 610 und 611 verstärkt, die jeweils einen linken und rechten Lautsprecher 612 und 613 in einem zweiten Raum 614 ansteuern. Ein Hörer 615, der sich in diesem zweiten Raum befindet, welcher akustisch vom ersten Raum isoliert ist, wird ein scharfes Sekundärbild 616 wahrnehmen, das dem Bild 601 im ersten Raum entspricht.
Ein Beispiel der Beziehung des erfindungsgemäßen Tonprozessors zu bekannten Systemen ist in Figur 7 gezeigt, in der von einer oder mehreren Mehrspursignalquellen 701, die Magnetbandwiedergabemaschinen sein können, eine Vielzahl von monophonen Signalen 701 abgeleitet und zu einer Studiomischkonsole 703 geführt sind. Die Konsolen können zur Veränderung der Signale, beispielsweise zur Änderung der Pegel und Ausgleich der Frequenzinhalte in jeder gewünschten Weise benutzt werden.
Eine Vielzahl modifizierter monophoner Signale 704, die von der Konsole 703 erzeugt werden, sind mit den Eingängen eines Bildprozessorsystems 705 gemäß der vorliegenden Erfindung verbunden. Innerhalb dieses Systems ist jeder Eingangskanal einer Bildposition zugeordnet und eine Übertragungsfunktionsverarbeitung wird zur Erzeugung von Zweikanalsignalen aus jedem einzelnen Eingangssignal 704 angewendet. Sämtliche Zweikanalsignale werden zur Erzeugung eines endgültigen Signalpaars 706, 707 gemischt, das dann zu einer Mischkonsole 708 geführt werden kann. Es sollte verständlich sein, daß die durch diese Erfindung erzeugten Zweikanalsignale keine echten Links- Rechts- Stereosignale sind, jedoch bietet eine solche Bezeichnung einen einfachen Weg der Bezugnahme auf diese Signale. Auf diese Weise werden, wenn sämtliche Zweikanalsignale gemischt sind, alle linken Signale zu einem Signal und alle rechten Signale zu einem weiteren Signal zusammengefaßt. In der Praxis können die Konsole 703 und die Konsole 708 getrennte Abschnitte derselben Konsole sein. Unter Ausnutzung der Leistungsmöglichkeiten der Konsole können die verarbeiteten Signale Lautsprechern 709, 710 zu Überwachungszwecken angelegt werden. Nach irgendwelchen benötigten Veränderungen und Pegeleinstellungen werden Hauptstereosignale 711 und 712 einem Hauptstereoaufzeichnungsgerät 713 zugeführt, das ein Zweikanalmagnetbandrecorder sein kann. Die der Einheit 705 folgenden Einheiten sind im Stand der Technik bekannt.
Das Tonbildprozessorsystem 705 ist mehr im einzelnen in Figur 8 gezeigt, bei der Eingangssignale 801 den Signalen 704 und Ausgangssignale 807, 808 jeweils den Signalen 711, 712 von Figur 7 entsprechen. Jedes monaurale Eingangssignal 801 wird einem individuellen Signalprozessor 802 eingespeist.
Diese Prozessoren 802 arbeiten unabhängig voneinander ohne Verkopplung der Audiosignale. Jeder Signalprozessor erzeugt im Betrieb die Zweikanalsignale, deren Phasen- und Amplitudendifferentiale auf frequenzabhängiger Basis eingestellt werden. Diese Übertragungsfunktionen werden nachstehend näher erläutert. Die Übertragungsfunktionen, welche im Zeitbereich als echte Impulsantworten oder äquivalent im Frequenzbereich als komplexe Frequenzgänge oder Amplituden- und Phasengänge beschrieben werden können, kennzeichnen nur die gewünschte Bildposition, an die das Eingangssignal zu projizieren ist.
Ein oder mehrere von den Signalprozessoren verarbeitete Signalpaare 803 werden den Eingängen eines Stereomischers 804 zugeführt. Einige oder alle von ihnen können auch den Eingängen eines Speichersystems 805 angelegt werden. Dieses System kann die gesamten verarbeiteten Stereo- Audiosignale speichern und sie simultan wiedergeben, wobei sie an den Ausgängen 806 erscheinen. Typischerweise kann dieses Speichersystem verschiedene Anzahlen von Eingangskanalpaaren und Ausgangskanalpaaren haben. Eine Vielzahl von Ausgängen 806 vom Speichersystem werden weiteren Eingängen eines Stereomischers 804 zugeführt. Der Stereomischer 804 summiert alle linken Eingänge zur Erzeugung eines linksseitigen Ausgangs 807 und alle rechten Eingänge zur Erzeugung eines rechtsseitigen Ausgangs 808 und modifiziert möglicherweise die Amplitude jedes Eingangssignals vor der Summenbildung. Im Mischer findet keine Interaktion oder Verkopplung zwischen linkem und rechtem Kanal statt.
Ein menschlicher Operator 809 kann den Betrieb des Systems über eine Mensch-Maschinen-Schnittstelle 810 steuern, um die gewünschte Bildposition, die jedem Eingangskanal zuzuteilen ist, festzulegen.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, die Signalprozessoren 802 digital auszuführen, so daß keine Einschränkung hinsichtlich der Position, Bahn oder Bewegungsgeschwindigkeit eines Bildes vorliegt. Diese digitalen Tonprozessoren, die die notwendige differentielle Einstellung der Phase und Amplitude auf frequenzabhängiger Basis ausführen, werden nachstehend in näheren Einzelheiten beschrieben. In solcher digitaler Ausführung wird es nicht immer ökonomisch sein, die Signalverarbeitung in Echtzeit stattfinden zu lassen, obwohl ein solcher Betrieb durchaus machbar ist. Falls keine Echtzeitsignalverarbeitung vorgesehen ist, werden die Ausgänge 803 mit dem Speichersystem 805 verbunden, das eine langsame Aufzeichnung ausführen und in Echtzeit abspielen kann. Wenn umgekehrt eine adäquate Anzahl von Echtzeitsignalprozessoren 802 zur Verfügung steht, kann das Speichersystem 805 entbehrlich sein.
In Figur 9 steuert ein Operator 901 eine Mischkonsole 902, die mit linksseitigem und rechtsseitigem Stereoüberwachungslautsprecher 903, 904 ausgerüstet ist. Obwohl die Stabilität des durch die Verarbeitung resultierenden Bildes bei einem Lautsprecherabstand (s) herunter bis zu 0,2m gut ist, ist bevorzugt, daß der Mischoperator mit Lautsprechern versehen ist, die wenigstens 0,5m beabstandet sind. Bei einem solchen Abstand läßt sich leichter der Ort des Bildes genau festlegen. Computergraphikanzeigemittel 905, eine Mehrachsensteuerung 906 und eine Tastatur 907 sind zusammen mit geeigneten Rechen- und Speichereinrichtungen, um sie zu unterstützen, vorgesehen.
Die Computergraphikanzeigemittel 905 können eine graphische Darstellung der Position oder des Wegs des Bildes im Raum erzeugen, wie beispielsweise in den Figuren 10 und 11 gezeigt ist. Figur 10 zeigt eine Anzeige 1001 einer Hörsituation, in der ein typischer Hörer 1002 und eine Bildbewegungsbahn 1003 zusammen mit einer Darstellung eines Bewegtbildschirms 1004 und perspektivischen Raumgittern 1005, 1006 dargestellt sind.
An der Unterseite der Anzeige ist ein Menü 1007 dargestellt, das die den besonders bearbeiteten Abschnitt der Tonspur betreffenden Posten einschließlich Aufzeichnungs-, Zeitsynchronisations- und Editierinformation enthält. Die Menüposten können an der Tastatur 907 oder durch Bewegung einer Schreibmarke 1008 zu dem Posten unter Verwendung der Mehrachsensteuerung 106 gewählt werden. Der gewählte Posten kann durch die Tastatur 907 verändert oder unter Verwendung eines Knopfs an der Mehrachsensteuerung 906 hin- und hergeschaltet werden, wobei eine entsprechende Systemaktion aufgerufen wird. Genauer gestattet ein Menüposten 1009 einem Operator die Mehrachsensteuerung 906 mit Software zu verknüpfen, um den Beobachtungspunkt, von dem die perspektivische Ansicht projiziert ist, oder um die Position/Bewegungsbahn des vorhandenen Tonbildes zu steuern. Ein anderer Menüposten 1010 ermöglicht die Auswahl einer in Fig. 11 dargestellten anderen Anzeigeart.
In der Anzeige von Fig. 11 wird die praktisch den vollen Schirm ausfüllende perspektivische Darstellung 1001, die Figur 10 zeigt, durch einen Satz von 3 orthogonalen Ansichten derselben Szene ersetzt; eine Draufsicht 1101, eine Vorderansicht 1102 und eine Seitenansicht 1103. Zur Unterstützung der Interpretation ist der verbleibende Schirmquadrant durch eine reduzierte und weniger detaillierte Version 1104 der perspektivischen Darstellung 1001 belegt. Wieder belegt ein Menü 1105, das im wesentlichen gleich dem unter 1007 gezeigten ist und die gleichen Funktionen hat, den unteren Teil des Schirms. Ein besonderer Menüposten 1106 ermöglicht das Zurückschalten zur Anzeige von Fig. 10.
In Fig. 12 werden Schallquellen 1201, 1202 und 1203 in einem ersten Raum 1204 von zwei Mikrophonen 1205 und 1206 erfaßt, die jeweils rechte und linke Stereosignale erzeugen, die unter Verwendung einer herkömmlichen Stereoaufzeichnungseinrichtung 1207 aufgezeichnet werden. Bei der Wiedergabe durch eine herkömmliche Stereowiedergabeeinrichtung 1208, die jeweils einen rechten und linken Lautsprecher 1209, 1210 mit den von den Mikrophonen 1205, 1206 herrührenden Signalen ansteuert, werden herkömmliche Stereobilder 1211, 1212, 1213, die den jeweiligen Quellen 1201, 1202, 1203 entsprechen von einem Hörer 1214 in einem zweiten Raum 1215 wahrgenommen. Diese Abbildungen liegen an Positionen, die Projektionen der seitlichen Positionen der Quellen relativ zu den Mikrophonen 1205, 1206 auf die die Lautsprecher 1209, 1210 verbindende Linie sind.
Wenn die beiden Paare der Stereosignale verarbeitet und, wie nachstehend im Detail beschrieben, unter Verwendung eines Tonprozessors 1206 kombiniert und durch eine herkömmliche Stereowiedergabeeinrichtung 1217 an einem rechten und linken Lautsprecher 1218, 1219 in einem dritten Raum 1220 wiedergegeben werden, nimmt der Hörer 1226 räumlich scharf lokalisierte Abbildungen der Schallquellen an Positionen wahr, die nicht in Beziehung zu den tatsächlichen Positionen der Lautsprecher 1218, 1219 stehen. Wir nehmen an, daß die Signalverarbeitung so erfolgt, daß eine Abbildung des originalen rechten Kanalsignals an der Position 1224 und eine Abbildung des ursprünglichen linken Kanalsignals bei 1225 gebildet wird. Jede dieser Abbildungen verhält sich so, als ob sie ein echter Lautsprecher wäre. Wir können die Abbildungen als "virtuelle Lautsprecher" annehmen.
Eine Übertragungsfunktion, durch die die Amplituden- und Phasendifferentiale eines Zweikanalsignals auf frequenzabhängiger Basis über das gesamte Audioband eingestellt werden, ist zur Projektion einer Abbildung eines monauralen Audiosignals an eine gegebene Position nötig. Für allgemeine Anwendungen müssen zur Kennzeichnung jedes dieser Responsen unabhängig voneinander für jeden der beiden Kanäle über das gesamte Audiospektrum das Amplituden- und Phasendifferential in Intervallen nicht größer als 40 Hz gekennzeichnet werden, damit die beste Abbildungsstabilität und Kohärenz erzielt wird. Bei Anwendungen, die keine hohe Qualität und örtliche Festlegung der Tonabbildung benötigen, können die Frequenzintervalle vergrößert werden. Somit benötigt die Festlegung einer solchen Übertragungsfunktion etwa 1000 reelle Zahlen (oder in äquivalenter Weise 500 komplexe Zahlen). Unterschiede menschlicher Wahrnehmung räumlicher Orte von Tonquellen sind etwas unbestimmt, basierend auf subjektiven Messungen, jedoch in einem wahren dreidimensionalen Raum können mehr als 1000 deutlich voneinander abgegrenzter Positionen von einem durchschnittlichen Zuhörer unterschieden werden. Eine erschöpfende Kennzeichnung aller Übertragungsfunktionen für alle möglichen Positionen bildet deshalb einen riesigen Datenbestand, der insgesamt mehr als eine Million reeller Zahlen aufweist, und man ist dabei, diese zu sammeln.
Es muß bemerkt werden, daß die Übertragungsfunktion in dem Tonprozessor gemäß dieser Erfindung, die die differentielle Einstellung zwischen den beiden Kanälen erzielt, Stück für Stück durch Versuch und Irrtum über das Audiospektrum in jeweils 40Hz-Intervallen zusammengesetzt wird. Darüber hinaus, wie unten beschrieben, legt jede Übertragungsfunktion im Tonprozessor den Ort des Tons relativ zu zwei voneinander beabstandeten Wandlern an nur einen Ort, d.h. einen Azimut, eine Höhe und Tiefe.
In der Praxis brauchen wir jedoch nicht alle Übertragungsfunktionen explizit, da im allgemeinen zwischen dem rechten und dem linken Kanal Spiegelsymmetrie herrscht. Wenn die die Kanäle modifizierende Übertragungsfunktionen ausgetauscht werden, wird der Abbildungsazimutwinkel (a) umgekehrt, während die Höhe (b) und die Entfernung (r) unverändert bleiben.
Die erfindungsgemäße Prozedur und die Hörillusion läßt sich unter Verwendung herkömmlicher Einrichtungen und vereinfachter Signale demonstrieren. Wenn ein Bündel einer Sinusschwingung bekannter Frequenz in relativ langen Intervallen weich ein- und ausgeschaltet wird, belegt das resultierende Signal im Frequenzbereich ein sehr schmales Band. Tatsächlich tastet dieses Signal die notwendige Übertragungsfunktion an einer einzelnen Frequenz ab. Somit reduziert sich die benötigte Übertragungsfunktion auf eine einfache Steuerung des Amplituden- und Phasendifferentials (oder der Verzögerung) zwischen dem linken und rechten Kanal auf frequenzabhängiger Basis. Auf diese Weise wird es deutlich, daß die Übertragungsfunktion für eine bestimmte Festlegung des Schallortes empirisch bestimmt werden kann, indem Phasen- und Amplitudendifferentialeinstellungen für jedes gewählte Frequenzintervall über das Audiospektrum durchgeführt werden. Durch die Fourier-Transformation kann jedes Signal als Summe einer Folge von Sinusschwingungen dargestellt werden, so daß das verwendete Signal ganz allgemein ist.
Als ein Beispiel zeigt Figur 13 ein System zur Demonstration der vorliegenden Erfindung, bei dem ein Audiosynthetisierer 1302, das Mehrfunktions-Synthetisierergerät 8904A von Hewlett Packard von einem Computer 1301, dem Gerät 330M von Hewlett Packard gesteuert wird, um ein monaurales Audiosignal zu erzeugen, das den Eingängen 1303, 1304 zweier Kanäle einer Audioverzögerungsleitung, Modell PD860 von Eventide Precision Delay eingegeben wird. Von der Verzögerungsleitung 1305 gehen das rechte Kanalsignal zu einem schaltbaren Invertierer 1306, und das linke und rechte Signal gehen dann durch jeweilige veränderliche Dämpfungsglieder 1307, 1308 und anschließend zu zwei Leistungsverstärkern 1309, 1310, die jeweils einen linken und rechten Lautsprecher 1311, 1312 ansteuern.
Der Synthetisierer 1302 erzeugt weich geschaltete Sinusschwingungsbündel 1401 irgendeiner geforderten Testfrequenz unter Verwendung einer Einhüllung, wie sie in Fig. 14 gezeigt ist. Die Sinusschwingung wird unter Verwendung einer ersten linearen Rampe 1402 der Dauer 20 ms eingeschaltet, verweilt bei konstanter Amplitude 1403 für 45 ms und wird dann unter Verwendung einer zweiten linearen Rampe 1402 von 20 ms Dauer ausgeschaltet. Die Bündel werden in Zeitintervallen 1405 von 1 bis 5 s wiederholt.
Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung unter Verwendung des Systems von Fig. 13 und der Signalschwingungsform von Fig. 14 eine Übertragungsfunktion über das gesamte Audiospektrum durch Einstellung der Zeitverzögerung in der Verzögerungsleitung 1305 sowie der Amplitude mit den Dämpfungsgliedern 1307, 1308 aufbauen. Ein Hörer nimmt diese Einstellung vor, lauscht auf die örtliche Lage des Tons und bestimmt, ob er am richtigen Ort liegt. Wenn dies der Fall ist, kann das nächste Frequenzintervall geprüft werden. Wenn dies nicht der Fall ist, wird eine weitere Einstellung vorgenommen und der Hörprozeß wiederholt. Auf diese Weise kann die Übertragungsfunktion über das Audiospektrum aufgebaut werden.
Fig. 15 ist eine Tabelle praktischer, zur Bildung einer Übertragungsfunktion geeigneter Daten, die die Wiedergabe von Tonabbildungen für mehrere Sinusfrequenzen deutlich außerhalb der Richtung der Lautsprecher gestattet. Diese Tabelle kann, wie gerade oben beschrieben wurde, durch Versuch und Irrtum entwickelt werden. Alle diese Abbildungen ergeben sich in allen drei, in Fig. 5m detailliert angegebenen Hörräumen für einen breiten Bereich von Haltungen des Hörerkopfs einschließlich des direkten Anschauens der Abbildungen und für eine Vielzahl von Zuhörern als stabil und wiederholbar. Wir können die Plazierung von Schmalbandsignalen, wie sie oben im einzelnen beschrieben wurde, in der Art generalisieren, daß auch Breitbandsignale, die komplizierte Quellen wie Sprache und Musik darstellen, abbildbar sind. Wenn die differentiellen Amplituden- und Phasenverschiebungen für die beiden Kanäle, wie sie vom einzelnen Eingangssignal abgeleitet werden, für alle Frequenzen durch das Audioband festgelegt sind, ist die gesamte Übertragungsfunktion spezifiziert. In der Praxis brauchen wir nur die differentiellen Amplituden und Verzögerungen für eine Anzahl von Frequenzen in dem interessierenden Band festlegen. Die Amplituden und Verzögerungen an irgendwelchen zwischen den gekennzeichneten liegenden Frequenzen können dann durch Interpolation ermittelt werden. Falls die Frequenzen, an denen die Übertragungsfunktion gekennzeichnet ist, nicht zu weit beabstandet sind und unter Einbeziehung der weichen Änderungsrate der echten dargestellten Übertragungsfunktion, ist das Interpolationsverfahren nicht übermäßig kritisch.
In der Tabelle von Fig. 15 werden die Amplituden und Verzögerungen dem Signal in jedem Kanal zugeteilt, und dies ist allgemein in Fig. 16 gezeigt, in der getrennte Tonprozessoren 1500, 1501 vorgesehen sind. Das Einkanalaudiosignal wird an 1502 eingespeist und beiden Tonprozessoren 1500, 1501 zugeführt, wo Amplitude und Phase auf frequenzabhängiger Basis so eingestellt werden, daß die Differentiale jeweils des linken und rechten Kanalausgangs 1503, 1504 den korrekten, empirisch ermittelten Betrag annehmen, wie oben erläutert wurde. Die über die Leitung 1505 eingespeisten Steuerparameter ändern die differentielle Phasen- und Amplitudeneinstellung, so daß die Tonabbildung an verschiedene, gewünschte Orte gelegt werden kann. Z.B. können in einer digitalen Ausführung die Tonprozessoren Filter mit endlicher Impulsübertragungsfunktion (FIR) sein, deren Koeffizienten durch das Steuerparametersignal variiert werden, um verschiedene effektive Übertragungsfunktionen zu erzielen.
Das in Fig. 16 dargestellte System kann vereinfacht werden, wie die nachfolgende Analyse zeigt. Zunächst wird nur die Differenz oder das Differential zwischen den Verzögerungen der beiden Kanäle betrachtet. Nehmen wir an, daß die Verzögerungen des linken und rechten Kanals jeweils t(l) und t(r) betragen. Die neuen Verzögerungen t'(l) und t'(r) werden durch Addition irgendeiner festen Verzögerung t(a) definiert, so daß:
t'(l) = t(1) + t(a) (1)
t'(r) = t(r) + t(a) (2)
Das Ergebnis ist, daß der gesamte Effekt um die Zeit t(a) später oder, wenn t(a) negativ ist, früher gehört wird. Dieser allgemeine Ausdruck gilt im speziellen Fall, wo t(a) = - t(r) ist.
Eingesetzt ergibt sich:
t'(l) = t(l) - t(r) (3)
t'(r) = t(r) - t(r) = 0 (4)
Durch diese Transformation können wir immer die Verzögerung in einem der Kanäle auf Null verringern. Bei einer praktischen Ausführung müssen wir darauf achten, die geringere Verzögerung abzuziehen, so daß niemals eine negative Verzögerung benötigt wird. Man kann vorziehen, dieses Problem dadurch zu vermeiden, daß man eine feste Restverzögerung in einem der Kanäle beläßt und die Verzögerung im anderen Kanal ändert. Wenn die feste Restverzögerung genügend groß ist, muß die variable Verzögerung negativ sein.
Zweitens brauchen wir nicht die Kanalamplituden unabhängig voneinander steuern. Bei Entwürfen von Audioeinrichtungen ist es üblich, die Amplituden der Signale entweder durch Dämpfung oder Verstärkung zu verändern. Solange beide Stereokanäle im selben Verhältnis verändert werden, tritt keine Veränderung der mitgeführten Positionsinformation auf. Es ist das Verhältnis oder Differential der Amplituden, das wichtig ist und erhalten werden muß. Solange dieses Differential erhalten bleibt, sind alle Wirkungen und Illusionen, die in dieser Beschreibung beschrieben sind, vollständig unabhängig vom Gesamttonpegel der Wiedergabe. Demgemäß kann durch eine Operation ähnlich der wie sie oben für die Zeit- oder Phasensteuerung beschrieben wurde, die gesamte Amplitudensteuerung in einem Kanal stattfinden und der andere Kanal bei einer festen Amplitude belassen werden. Wiederum kann es bequem sein, eine feste Restdämpfung einem Kanal zu verleihen, so daß alle anderen benötigten Amplitudenverhältnisse durch Dämpfung im anderen Kanal erreichbar sind. Die Gesamtsteuerung ist dann unter Verwendung eines veränderlichen Dämpfungsglieds in nur einem Kanal zu erzielen.
Wir können auf diese Weise die gesamte benötigte Information durch Kennzeichnung der differentiellen Dämpfung und Verzögerung als Funktionen der Frequenz für einen einzigen Kanal festlegen. Eine feste, frequenzunabhängige Dämpfung und Verzögerung kann für den zweiten Kanal erfolgen; wenn diese unspezifiziert gelassen werden, kann Einheitsverstärkung und Nullverzögerung angenommen werden.
Somit können für jeden anderen Ort der Tonabbildung und deshalb irgendeine Links-/Rechtsübertragungsfunktion die differentielle Phase und Amplitudeneinstellung (Filterung) insgesamt in einem Kanal oder dem anderen oder auch in jeder Kombination von ihnen organisiert werden. Einer der Tonprozessoren 1500, 1501 kann auf lediglich eine veränderliche Impedanz oder sogar nur ein Stück Draht vereinfacht werden. Es kann keine offene Schaltung sein.
Unter der Annahme, daß der Phasen- und Amplitudenabgleich nur in einem Kanal ausgeführt wird, um das geforderte Differential zwischen den beiden Kanälen zu erzielen, würden sich die Übertragungsfunktionen gemäß den Figuren 17A und 17B darstellen.
Figur 17A stellt eine typische Übertragungsfunktion für die differentielle Phase der beiden Kanäle dar, von denen der linke Kanal unverändert und der rechte Kanal dem Phasenabgleich auf frequenzabhängiger Basis über das Audiospektrum unterworfen wird. Gleichermaßen stellt Figur 17B allgemein eine tpyische Übertragungsfunktion für das Amplitudendifferential der beiden Kanäle dar, von denen die Amplitude des linken Kanals unverändert und die des rechten Kanals einer frequenzabhängigen Dämpfung über das Audiospektrum unterworfen wird.
Es ist einleuchtend, daß die Tonprozessoren 1500, 1501 von Fig. 16 zum Beispiel analog oder digital ausgeführt sein können und einige oder alle der folgenden Schaltungselemente enthalten können: Filter, Verzögerungsglieder, Invertierglieder, Summierer, Verstärker und Phasenschieber. Diese funktionellen Schaltungselemente können in jeder Art zusammengeschaltet sein, die die Übertragungsfunktion ergibt.
Verschiedene äquivalente Darstellungen dieser Information sind möglich und werden üblicherweise in betreffenden Techniken angewendet.
Zum Beispiel kann die Verzögerung als Phasenänderung bei einer gegebenen Frequenz gekennzeichnet sein unter Verwendung der Äquivalenzen:
Phase (Grad) = 360 x (Verzögerungszeit) x Frequenz
Phase (Radians) = 2 x x (Verzögerungszeit) x Frequenz.
Bei der Anwendung dieser Äquivalenz ist Vorsicht geboten, da sie nicht zur Spezifikation des Hauptwerts der Phase ausreicht; die Gesamtphase wird benötigt, falls die obigen Äquivalenzen gelten sollen.
Eine bequeme, weithin in der Elektrotechnik verwendete Darstellung ist die komplexe s-Ebenen-Darstellung. Alle realisierbaren Filtercharakteristiken, die eine relle Analogkomponente enthalten (es gibt etliche, die das nicht tun) kann als Verhältnis zweier Polynome in der Laplace'schen komplexen Frequenzvariablen s ausgedrückt werden. Die allgemeine Formel ist:
T(s) = Ein(s)/Eout(s) = N(s)/D(s) (5)
Darin sind T(s) die Übertragungsfunktion in der s-Ebene, Ein(s) und Eout(s) jeweils die Eingangs- und Ausgangssignale als Funktion von s und die Zähler- und Nennerfunktionen N(s) und D(s) haben die Form:
N(s) = a&sub0; + a&sub1;s + a&sub2;s² + a&sub3;s³ + ... + ansn (6)
D(s) = b&sub0; + b&sub1;s + b&sub2;s² + b&sub3;s&sub3; + ... + bnsn (7)
Die Bedeutung dieser Darstellung besteht darin, daß sie sehr handlich ist. Um die Funktion vollständig bei allen Frequenzen zu spezifizieren, ohne eine Interpolation zu benötigen, brauchen wir nur die n+1 Koeffizienten a und die n+1 Koeffizienten b zu kennzeichnen. Wenn wir diese Koeffizienten gekennzeichnet haben, können Amplitude und Phase der Übertragungsfunktion bei jeder Frequenz einfach unter Verwendung bekannter Verfahren abgeleitet werden. Eine weitere Bedeutung dieser Darstellungsweise besteht darin, daß sie sich sehr leicht aus der Analyse einer Analogschaltung ableiten läßt und deshalb als die natürlichste, handliche und weithin gebräuchliche Methode zur Angabe der Übertragungsfunktion einer solchen Schaltung zur Verfügung steht.
Noch eine andere Darstellung, die zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung bequem zu gebrauchen ist, ist die z- Ebenen-Darstellung. In der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird der Signalprozessor in Form von Digitalfiltern realisiert, um die Vorteile der Flexibilität auszunützen. Weil jede Abbildungsposition durch eine Übertragungsfuntion definiert werden kann, benötigen wir eine Filterart, in der die Übertragungsfunktion leicht und schnell mit geringstmöglicher Einschränkung hinsichtlich der zu erzielenden Funktionen realisiert werden kann. Ein vollprogrammierbares Digitalfilter ist für diese Anforderung geeignet.
Solch ein Digitalfilter kann im Frequenzbereich arbeiten, in welchem Fall das Signal zuerst Fourier-transformiert wird, um es aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich umzusetzen. Der durch eines der obigen Verfahren definierte Amplituden- und Phasengang des Filters wird dann der Frequenzbereichsdarstellung des Signals durch komplexe Multiplikation verliehen. Schließlich wird eine umgekehrte Fourier-Transformation ausgeführt, wodurch das Signal in den Zeitbereich zur Digital- Analogwandlung zurückgebracht wird.
Alternativ können wir die Übertragungsfunktion direkt im Zeitbereich als relle Impulsübertragungsfunktion kennzeichnen. Diese Übertragungsfunktion ist mathematisch dem Amplituden- und Phasengang im Frequenzbereich äquivalent und ergibt sich daraus durch Anwendung einer inversen Fourier-Transformation. Wir können diese Impulsantwort direkt im Zeitbereich anwenden durch Faltung derselben mit der Zeitbereichsdarstellung des Signals. Es kann gezeigt werden, daß die Operation der Faltung im Zeitbereich mathematisch mit der Operation der Multiplikation im Frequenzbereich identisch ist, so daß die direkte Faltung gänzlich zur Frequenzbereichsoperation, wie sie im vorangehenden Paragraphen beschrieben wurde, äquivalent ist.
Da alle digitalen Berechnungen diskret und nicht kontinuierlich sind, ist eine diskrete Notation einer kontinuierlichen zu bevorzugen. Es ist bequem, die Übertragungsfunktion direkt in Größen der Koeffizienten anzugeben, die einem rekursiven Direktfaltungsdigitalfilter eingegeben werden, und dies läßt sich einfach durch Anwenden einer z-Ebenen-Schreibweise erreichen, die parallel der s-Ebenen-Schreibweise ist. Somit gilt, wenn T(z) die s-Zeitbereichsübertragungsfunktion äquivalent zu T(s) im Frequenzbereich ist:
T(z) = N(z)/D(z) (8)
Darin haben N(z) und D(z) die Form:
N(z) = c&sub0; + c&sub1;z&supmin;¹ + c&sub2;z&supmin;² + ... + cnz-n (9)
D(z) = d&sub0; + d&sub1;z&supmin;¹ + d&sub2;z&supmin;² + ... + dma-m (10)
Bei dieser Schreibweise genügen die Koeffizienten c und d zur Kennzeichnung der Funktion, wie in der s-Ebene die Koeffizienten a und b genügten, so daß die gleiche Kompaktheit ermöglicht ist. Das z-Ebenen-Filter kann direkt realisiert werden, wenn der Operator z so interpretiert wird, daß
z&supmin;¹ die Verzögerung von n Abtastintervallen ist.
Dann werden die kennzeichnenden Koeffizienten c und d direkt zu den Multiplikationskoeffizienten in der Realisation. Wir müssen die Spezifikation auf die Verwendung nur negativer Potenzen von z beschränken, da diese positiven Verzögerungen entsprechen. Eine positive Potenz von z würde einer negativen Verzögerung entsprechen, d.h. einer Antwort vor der Zufuhr des auslösenden Signals.
Mit dieser Schreibweise können wir Einrichtungen beschreiben, die eine örtliche Festlegung der Abbildungen eines Breitband- und Tonsignals, wie Sprache und Musik, gestalten. Zu diesen Zwecken kann der Tonprozessor der vorliegenden Erfindung, z.B. der in Fig. 8 gezeigte Prozessor 802 als variables Zweiweg-Analogfilter ausgeführt sein mit variablen Wegekopplungsdämpfern, wie in Fig. 18A. In Fig. 18A wird ein monophones oder monaurales Eingangssignal 1601 zwei Filtern 1610, 1630 und auch zwei Potentiometern 1651, 1652 eingegeben. Die Ausgänge von den Filtern 1610, 1630 sind mit Potentiometern 1653, 1654 verbunden. Die vier Potentiometer 1651-1654 sind in Form einer sogenannten Joystick-Steuerung angeordnet, so daß sie differentiell wirken. Eine Joystick-Achse ermöglicht die Steuerung der Potentiometer 1651, 1652, da sich einer so bewegt, daß er einen größeren Anteil seines Eingangs an seinen Ausgang durchläßt und der andere sich mechanisch umgekehrt bewegt und einen geringeren Anteil seines Eingangs zu seinem Ausgang läßt. Die Potentiometer 1653 und 1654 arbeiten gleichermaßen differentiell auf einer zweiten, unabhängigen Joystickachse. Ausgangssignale von den Potentiometern 1653, 1654 werden jeweils Puffern 1655, 1656 mit Einheitsverstärkung zugeführt, die ihrerseits jeweils Potentiometer 1657, 1658 ansteuern, die so gekoppelt sind, daß sie zusammenwirken. Sie erhöhen oder verringern in Schritten den Anteil des Eingangssignals, der dem Ausgang zugeleitet wird. Die Ausgangssignale von den Potentiometern 1657, 1658 passieren einen Umkehrschalter 1659, der die Filtersignale direkt oder vertauscht ersten Eingängen von Summiergliedern 1660, 1670 zuführt.
Jedes betroffene Summierglied 1660, 1670 empfängt an seinem zweiten Eingang ein Ausgangssignal von den Potentiometern 1651, 1652. Das Summierglied 1670 steuert ein Invertierglied 1690 an, und ein Schalter 1691 gestattet die Auswahl des direkten oder invertierten Signals zur Ansteuerung eines Eingangs 1684 eines Dämpfungsglieds 1689. Der Ausgang des Dämpfungsglieds 1689 ist das sogenannte rechte Kanalsignal. Gleichermaßen steuert das Summierglied 1660 das Invertierglied 1681 an, und ein Schalter 1682 gestattet die Auswahl des direkten oder invertierten Signals am Punkt 1683. Ein Schalter 1685 ermöglicht die Auswahl des Signals 1683 oder des Eingangssignals 1601 als Ansteuerung eines Dämpfungsglieds 1686, das das Ausgangssignals des linken Kanals 1688 erzeugt.
Die Filter 1610, 1630 sind identisch und eines davon ist in Einzelheiten in Fig. 18B gezeigt. Ein Puffer 1611 mit Einheitsverstärkung empfängt das Eingangssignal 1601 und ist kapazitiv durch einen Kondensator 1612 mit einem Filterglied 1613 gekoppelt. Gleichartige Filterglieder 1614 bis 1618 sind kaskadenartig hintereinander angeordnet, und das letzte Filterglied 1680 ist über einen Kondensator 1619 und einen Puffer 1620 mit Einheitsverstärkung zur Ansteuerung eines Invertierglieds 1621 gekoppelt. Der Schalter 1622 ermöglicht eine Wahl entweder des Ausgangssignals des Puffers 1620 oder des Ausgangssignals des Invertierglieds 1621 am Filterausgang 1623.
Die Filterglieder 1623 bis 1618 sind identisch und im einzelnen in Figur 18C gezeigt. Sie unterscheiden sich lediglich im Wert ihres jeweiligen Kondensators 1631. Der Eingang 1632 ist mit dem Kondensator 1631 und einem Widerstand 1633 gekoppelt, und der Widerstand 1633 ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 1634 verbunden, dessen Ausgang 1636 der Ausgang des Filterglieds ist. Ein Gegenkopplungswiderstand 1635 ist in üblicher Weise mit dem Operationsverstärker 1634 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 1634 wird von der Verbindung des Kondensators 1631 mit einem der Widerstände 1637 bis 1642 angesteuert, welche von einem Schalter 1643 ausgewählt werden. Dieses Filter ist ein Allpass-Filter mit einer Phasenverschiebung, die sich mit der Frequenz gemäß der Einstellung des Schalters 1643 verändert.
Die Tabelle 1 listet die Werte der in jedem Filterelement 1613-1618 eingesetzten Kondensatoren 1631 auf, und die Tabelle 2 führt die durch den Schalter 1642 gewählten Widerstandswerte auf. Diese Widerstandswerte sind dieselben für alle Filterglieder 1613-1618.
Eine Ausführung eines der Summierglieder 1660, 1670 ist in Figur 18D gezeigt, in der zwei Eingänge 1661, 1662, die im Operationsverstärker 1663 summiert werden, einen einzigen Ausgang 1664 ergeben. Die Verstärkungen vom Eingang zum Ausgang werden durch die Widerstände 1665, 1667 und den Gegenkopplungswiderstand 1666 festgelegt. In beiden Fällen wird der Eingang 1662 vom Schalter 1659 und der Eingang 1663 jeweils von den Joystick-Potentiometern 1651, 1652 angesteuert.
Als Beispiele einer örtlichen Abbildung zeigt Tabelle 3 die Einstellungen und die diesen entsprechenden Bildpositionen, um ein Tonbild entsprechend einem Hubschrauber zu Positionen weit oberhalb der die Lautsprecher und den Hörer enthaltenden Ebene "fliegen" zu lassen. Um das benötigte monophone Signal für den Prozeß gemäß der vorliegenden Erfindung zu erzeugen, werden die Stereospuren auf der Toneffektplatte summiert. Mit der gemäß der Tabelle aufgebauten Einrichtung lassen sich realistische Tonabbildungen im Raum so projizieren, so daß der Hörer einen Hubschrauber an den tabellarisch angegebenen Orten wahrnimmt. Tabelle 1 Filter Kondensator 1631 Werte, nF Tabelle 2 Schalter 1642 Position Widerstand Widerstandswert in Ohm Tabelle 3 Filter Glied Schalterposition Filter Umkehr des Schalters Potentiometer Verhältnis Umkehr der Position des Schalters Position des Wählschalters Verhältnis des Ausgangsdämpfungsglieds Bildazimut, Grad Bildhöhe Bildentfernung Umkehr weit

Bemerkung zu Tabelle 3:

Die Einstellung des umkehrenden Schalters 1659 ist in beiden Fällen so, daß Signale vom Glied 1657 das Glied 1660 und die vom Glied 1658 das Glied 1670 ansteuern.
Durch das Hinzufügen zweier zusätzlicher Glieder zu den obigen Schaltung läßt sich ein zusätzliches Leistungsmerkmal für eine Seitenverschiebung des Hörbereichs vorsehen. Es sollte jedoch verständlich sein, daß dies nicht für die Erzeugung der Abbdildungen wichtig ist. Die zusätzlichen Glieder sind in Figur 19 gezeigt, in der linke und rechte Signale 1701, 1702 jeweils von den Ausgängen 1688, 1689 des Signalprozessors von Fig. 16 geliefert werden können. In jedem Kanal ist ein Verzögerungsglied 1703, 1704 eingefügt, und die Ausgangssignale von den Verzögerungsgliedern 1703, 1704 werden die Ausgangssignale 1705, 1706 des Tonprozessors.
Die den Kanälen durch diese zusätzliche Einrichtung verliehenen Verzögerungen sind frequenzunabhängig. Deshalb können sie vollständig durch eine einzelne relle Zahl gekennzeichnet werden. Wir nehmen die Verzögerung des linken Kanals zu t(l) und die des rechten Kanals zu t(r) an. Wie im obigen Falle ist nur das Differential zwischen den Verzögerungen von Wichtigkeit und wir können die Einrichtung vollständig durch Spezifikation des Unterschieds zwischen den Verzögerungen steuern. Bei der Realisation werden wir jedem Kanal eine feste Verzögerung hinzufügen, um sicherzustellen, daß wenigstens keine negative Verzögerung zum Erreichen des geforderten Differentials benötigt wird. Eine differentielle Verzögerung t(d) ist wie folgt definiert:
t(d) = t(r) - t(l) (11)
Falls t(d) null ist, wird der erzeugte Effekt im wesentlichen von der zusätzlichen Einrichtung unbeeinflußt bleiben. Falls t(d) positiv ist, wird die Mitte des Hörbereichs seitlich nach rechts längs der Dimension (e) von Figur 3 versetzt. Ein positiver Wert von t(d) entspricht einem positiven Wert von (e) und stellt eine Versetzung nach rechts dar. In gleicher Weise kann eine Versetzung nach links übereinstimmend mit einem negativen Wert von (e) durch einen negativen Wert von t(d) erzielt werden. Durch dieses Verfahren kann der gesamte Hörbereich, in dem Zuhörer die Illusion wahrnehmen, seitlich zu irgendeinem Punkt zwischen oder hinter den Lautsprechern verschoben werden. Es ist leicht möglich, daß die Dimension (e) die Hälfte der Dimension (s) überschreitet, und man erzielt gute Ergebnisse bis zu extremen Verschiebungen, bei denen die Dimension (e) 83% der Dimension (s) beträgt. Dies kann nicht die Grenze des Verfahrens sein, sondern stellt die Grenze der gegenwärtigen Experimente dar.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen und Festlegen eines anscheinenden Ursprungsorts eines gewählten Tons aus einem dem gewählten Ton entsprechenden elektrischen Signal an eine örtlich vorgegebene Stelle irgendwo innerhalb des einen Hörer enthaltenden dreidimensionalen Raums, welches die Schritte aufweist:

Aufteilen des elektrischen Signals in ein erstes und zweites Kanalsignal (L, R);

Veränderung der Amplitude und Verschiebung der Phase des Signals in wenigstens einem der Kanäle und dadurch Erzeugung wenigstens eines ersten oder zweiten modifizierten Kanalsignals und Ableitung von Phasen- und Amplitudendifferentialen zwischen den beiden Kanalsignalen; und

jeweiliges Anlegen des ersten und zweiten Kanalsignals an einen ersten und zweiten Schallwandler (101, 102), die sich in dem dreidimensionalen Raum befinden und vom Zuhörer (103) beabstandet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude und die Phase um unabhängig voneinander wählbare Beträge an Frequenzintervallen im Tonspektrum verändert bzw. verschoben werden, um ein Tonsignal zu erzeugen, das seinen Ursprung anscheinend an einem irgendwo in dem dreidimensionalen Raum liegenden, vorgegebenen Ort hat, der von dem Ort der Schallwandler verschieden sein kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste und das zweite Kanalsignal dem Schritt zur Veränderung der Amplitude und Verschiebung der Phase unterworfen werden, während die Phasen- und Amplitudendifferentiale zwischen den Signalen beibehalten werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin den Schritt aufweist:

Zuführen wenigstens eines der beiden Kanalsignale zu wenigstens einem Allpaßfilter, das einen Operationsverstärkerteil und einen vorgegebenen Frequenzgang und eine Topologie hat, wie sie durch eine empirisch abgeleitete Übertragungsfunktion T(s) für die Laplace'sche komplexe Frequenz (s) gekennzeichnet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Schritt, der wenigstens eines der beiden Signale wenigstens einem Filter zuführt, den weiteren Schritt der Zufuhr des wenigstens einen Signals zu einer Reihe von kaskadenartig in Reihe geschalteten Filtern aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, welches weiterhin einen Schritt zum Speichern des ersten und des zweiten Kanalsignals und eines davon abgeleiteten modifizierten Signals in einem Speichermedium enthält, das die gespeicherten Signale in einer darauffolgenden, gewählten Zeit regenerieren kann.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt, der die Amplitude verändert und die Phase verschiebt, das Leiten wenigstens eines der beiden Kanalsignale durch einen Tonprozessor enthält, der zur Ausführung der differentiellen Phasenverschiebung eine vorgegebene Phasenübertragungsfunktion und zur Ausführung der differentiellen Amplitudenveränderung eine vorgegebene Amplitudenübertragungsfunktion hat.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die vorgegebenen Phasen- und Amplitudenübertragungsfunktionen auf einer frequenzabhängigen Basis in 40 Hz-Intervallen aufgebaut sind.

8. System zur Formung eines Signals zur Erzeugung und örtlichen Festlegung unter Verwendung von zwei im freien Raum liegenden Wandlern (709, 710) eines Höreindrucks des anscheinenden Ursprungs wenigstens eines gewählten Tonsignals an einer vorgegebenen und örtlich festlegbaren Position innerhalb des dreidimensionalen Raums, welcher einen Zuhörer enthält, aus einem dem gewählten Tonsignal entsprechenden elektrischen Signal, wobei das System aufweist:

eine erste und zweite Kanaleinrichtung, wobei beide das elektrische Signal empfangen und eine der Kanal einrichtungen Mittel (705) zur Veränderung der Amplitude und Verschiebung des Phasenwinkels des jeweiligen elektrischen Signals auf frequenzabhängiger Basis enthält, um daraus jeweils ein modifiziertes Signal zu erzeugen, wobei der erste und zweite Kanal den beiden Wandlern eingespeist wird,

dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Änderung der Amplitude und Verschiebung der Phase so angeordnet sind, daß die zwischen beiden Kanälen auftretenden Amplituden- und Phasenverschiebungsdifferentiale unabhängig für jedes Frequenzintervall des Hörspektrums auswählbar sind.

9. System nach Anspruch 8, das weiterhin zweite Mittel in dem anderen Kanal enthält, um ein zweites modifiziertes Signal zu erzeugen, wobei die im zweiten modifizierten Signal bewirkte Amplitudenveränderung und Phasenverschiebung ebenfalls in frequenzabhängiger Weise unter Beibehaltung der Differentiale der Amplitude- und Phasenverschiebung ausgeführt wird.

10. System nach Anspruch 8 oder 9, welches weiterhin mit den Anderungsmitteln verbundene Speichermittel (713) enthält, um die modifizierten Signale in einem Medium zu speichern, das die gespeicherten Signale in einer darauffolgenden, gewählten Zeit regenerieren kann.

11. System nach Anspruch 8, 9 oder 10, bei dem die Mittel zur Veränderung der Amplitude und Verschiebung der Phase einen Tonsignalprozessor aufweisen, der eine vorgegebene Amplitudenübertragungsfunktion zur Erzeugung des Differentials auf frequenzabhängiger Basis und eine vorgegebene Phasenübertragungsfunktion zur Erzeugung des Differentials auf frequenzabhängiger Basis hat.

12. System nach Anspruch 8, 9, 10 oder 11, bei dem die Frequenzintervalle 40 Hz-Intervalle sind.