EP2255359A1 - Vorrichtung und verfahren zur akustischen anzeige - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur akustischen anzeige

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EP2255359A1
EP2255359A1 EP09721864A EP09721864A EP2255359A1 EP 2255359 A1 EP2255359 A1 EP 2255359A1 EP 09721864 A EP09721864 A EP 09721864A EP 09721864 A EP09721864 A EP 09721864A EP 2255359 A1 EP2255359 A1 EP 2255359A1
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EP
European Patent Office
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signal
loudspeaker
signals
acoustic
objects
Prior art date
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EP09721864A
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EP2255359B1 (de
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Thomas Sporer
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP2255359A1 publication Critical patent/EP2255359A1/de
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Publication of EP2255359B1 publication Critical patent/EP2255359B1/de
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04S—STEREOPHONIC SYSTEMS 
    • H04S7/00—Indicating arrangements; Control arrangements, e.g. balance control
    • H04S7/30—Control circuits for electronic adaptation of the sound field
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04S—STEREOPHONIC SYSTEMS 
    • H04S2400/00—Details of stereophonic systems covered by H04S but not provided for in its groups
    • H04S2400/11—Positioning of individual sound objects, e.g. moving airplane, within a sound field
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04S2400/00—Details of stereophonic systems covered by H04S but not provided for in its groups
    • H04S2400/13—Aspects of volume control, not necessarily automatic, in stereophonic sound systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04S—STEREOPHONIC SYSTEMS 
    • H04S2420/00—Techniques used stereophonic systems covered by H04S but not provided for in its groups
    • H04S2420/13—Application of wave-field synthesis in stereophonic audio systems

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for acoustically displaying a position of an object in a playback room.
  • Exemplary embodiments include in particular acoustic displays for use on ships.
  • the present invention has the object to provide an apparatus and a method which displays a position of an object acoustically. This object is achieved by a device according to claim 1 or claim 18 and a method according to claim 20.
  • the core idea of the present invention is that a plurality of loudspeakers is spatially arranged so differently in a reproduction room that different positions can be acoustically represented by different activation of the loudspeakers.
  • a signal allocation device is designed to allocate an acoustic signal to the object
  • a loudspeaker drive device is designed to determine one or more loudspeaker signals for the multiplicity of loudspeakers.
  • the one or more loudspeaker signals are arranged to indicate the position of the object, wherein the one or more loudspeaker signals are based on the acoustic signal associated with the object by the signal assigning means.
  • the one or more loudspeaker signals are determined so that when the one or more loudspeaker signals are reproduced, the position of the object in the playback room is displayed acoustically.
  • Embodiments of the present invention also relate to how sensor signals can be displayed more easily by means of intelligent acoustic displays and thus both the security can be improved and the running costs can be reduced.
  • Another idea of the present invention is based on the fact that an essential part of the information in many detectors is a location.
  • a detector for example, a radar, a depth sounder, nautical charts or weather maps come into consideration and the location refers to, for example, a direction as well as a distance to the object.
  • a sound field is generated, for example by means of several speakers, which encodes this information as precisely as possible in a natural way.
  • Wavefield Synthesis in this system, for example, the loudspeakers are at a constant distance and the individual signals for the loudspeakers are calculated according to the well-known WFS algorithms. Objects from a radar signal are reproduced as acoustic objects in the corresponding direction and distance. The objects thus appear as virtual sound sources and can be localized by a listener. For example, all persons on the bridge can perceive the objects in the same place. It is also possible that not only a single object but also several objects are displayed acoustically at the same time, wherein each object, for example, another or optionally also a same acoustic signal can be assigned.
  • WFS Wavefield Synthesis
  • the workup includes on the one hand the detection of moving objects, such as ships and aircraft, and also the detection of static objects, such as the coastline, buoys or islands.
  • moving objects such as ships and aircraft
  • static objects such as the coastline, buoys or islands.
  • the audio signal can optionally be converted into an audio signal by means of a text-to-speech identification, so that the text signal of the transponder becomes audible.
  • Such objects are z. B. determines buoys or beacons, whose identifying information appear, for example, on the radar as text.
  • Objects can still be classified according to their hazard potential. For example, objects that come closer (from the front or faster from the back) or cross the ship's path of movement may be classified as more dangerous than objects that run parallel to the ship or are moving away from the ship. Objects that are farther away are generally considered less dangerous than those that are near or approaching at a high relative speed.
  • a different identifier tone with the identification tone for example in pitch or in the pulse repetition frequency and increase as the danger increases.
  • a higher tone may mean greater danger or increasing volume may imply an increasing danger.
  • a faster beating clock pulse may mean a rising or a higher hazard than a lower clock pulse (for example, when the note tone is represented as a rhythmic clock pulse).
  • the audio signals of the objects thus generated are then reproduced, for example, by the above-mentioned WFS or ZAP, whereby automatically far distant objects become quieter.
  • non-hazardous objects are completely blanked out (not shown) so as not to overload the helmsman or the listener with too much information.
  • the playback location may appear at the same distance as the actual distance, ie if the object is one kilometer away according to the radar, the audio object is perceptible at a distance of one kilometer (1: 1 mapping).
  • the reproduction location is scaled accordingly so that, for example, a 1: 100 mapping is made and an object one kilometer away is acoustically perceptible or reproduced by an acoustic signal (virtual sound source) approximately ten meters away.
  • the former (the 1: 1 figure) has the advantage that no parallax errors occur in the WFS, so that the distance of the object is coded only by the volume and not by the curved waveform.
  • Very distant objects would only be audible very late due to the speed of sound, and furthermore, in a 1: 1 representation, very distant objects are hardly distinguishable by distance.
  • Exemplary embodiments thus pursue the goal of coding objects with audio signals, so that they can be located as well as possible.
  • the audio signals should be sufficiently broadband, since, for example, a sine wave is hardly perceptible.
  • narrowband noise or speech should be used to identify objects, not sinusoidal ones.
  • pulsed signals are emitted instead of continuous signals (eg a continuous tone).
  • the pulse rate can rise similarly to parking sensors in cars with increasing risk.
  • the audio signals should sound pleasant when the danger is sufficiently low.
  • the danger threshold above which there is a serious danger or below which there is little or no danger potential, is set variably in accordance with the circumstances, for example.
  • the danger threshold can optionally also be adapted by the user. For example, the size and speed of a ship or the speeds of the other objects play a role.
  • the threshold value can be determined, for example, from the ratio of the time duration to a predicted collision to a braking time of the ship.
  • the pleasant sound of the audio signals can be achieved, for example, in that unidentified
  • Objects eg objects that pose no danger
  • a low center frequency of the narrowband noise or a low pulse rate (rare representation) is used.
  • a spectral coloring of the narrowband noise can be used, with the high frequencies less
  • the reporting signal may optionally be selected to be precisely located and distinguishable from ambient noise. Moreover, it is advantageous if the reporting signal has a pleasant sound, so that even with long trips, the system is permanently accepted.
  • An essential advantage of acoustic, spatially resolving displays is that, unlike optical displays, they can be used by one person simultaneously with the natural environment.
  • the natural environment may include, for example, driving on sight or listening to ships and buoys. Thus, a so-called augmented reality can be generated.
  • Embodiments are particularly advantageous because they provide an important synergy effect between acoustic and visual display. Namely, the audible indication is always reported and perceived, whereby prioritization for danger may occur while the visual indication requires the attention of the personnel on the bridge. For example, a helmsman sees an object on the radar screen only when he looks at the radar screen. At the same time, however, he no longer looks out of the window and thus loses some of the information about what is happening in his immediate surroundings. Acoustic displays allow him to simultaneously use the information from the radar and the view from the window. Especially in the case of non-self-identifying objects, however, the experienced evaluator is able to classify an object from the radar image (eg as a ship, island or picture disturbance).
  • an object from the radar image eg as a ship, island or picture disturbance
  • Fig. 1 is a schematic representation of an acoustic display device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows an illustration of a system according to the invention with a sensor for determining the position of an object
  • 3a shows representations of location-dependent signals in order to acoustically perceive an increasing danger
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment with a multiplicity of loudspeakers for the acoustic representation of two separate objects
  • FIG. 5 is a schematic representation of a playback room with a WFS module
  • FIG. 6 shows a basic block diagram of a wave field synthesis system with wave field synthesis modules and loudspeaker arrays in a reproduction room.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an acoustic display device 100, which has an input 105 above the position information of an object in the Device 100 can be entered.
  • the apparatus 100 further has outputs for a plurality of loudspeaker signals LS (for example for a first loudspeaker signal LS1, a second loudspeaker signal LS2, a third loudspeaker signal LS3, ..., an nth loudspeaker signal LSn).
  • the input for the position information 105 is designed to signal objects with their position to a signal allocation device 110.
  • the signal allocation device 110 is designed to assign an acoustic signal to the objects, wherein the signal allocation device 110 optionally accesses a signal database 140 in order to assign different signals to different objects, for example on the basis of their potential dangers.
  • the respectively assigned signal may, for example, depend on whether the object is moving, if so at what speed, or if it is immovable.
  • the device 100 has a loudspeaker drive device 120, which receives from the signal allocation device 110 the position of the object and the acoustic signal in order to determine one or more loudspeaker signals LS for a plurality of loudspeakers and these via the outputs for the loudspeaker signals LS1 , ..., LSn output.
  • the loudspeaker driver 120 is configured to determine the one or more loudspeaker signals LS based on the acoustic signal assigned to the object. The determination is carried out in such a way that, when the one or more loudspeaker signals LS are reproduced, the position of the object in the reproduction room is indicated acoustically.
  • a listener or user then takes the position (eg, distance and direction) of the object as a virtual sound source position.
  • one embodiment relates to the reproduction of information of a radar device which determines positions of objects.
  • information from, for example, other sources such as sonar or other sensors are implemented in a similar way.
  • loudspeakers on the bridge of the ship below windows may be arranged on all walls. These loudspeakers, for example, can all be equipped with their own amplifiers or A / D converters (analog-to-digital converters) and can also be individually controlled.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a playback room 210 with three loudspeakers 220a, 220b and 220c and a radar device 230.
  • the radar device 230 is connected to the input 105 and provides position information about objects in an environment of the playback room 210.
  • the radar device 230 configured to pass the position of the object 200 to the device 100 for acoustic display.
  • the three speakers 220a, 220b, 220c are also connected to the outputs for the loudspeaker signals LS of the acoustic display device 100.
  • a first speaker 220a is connected to the output for the first speaker signal LS1
  • a second speaker 220b is connected to the output for the second speaker signal LS2
  • a third speaker 220c is connected to the output for the third speaker signal LS3.
  • the acoustic display device 100 evaluates the position information of the object 200 received from the radar 230 to generate three loudspeaker signals LS1, LS2, LS3 for the first, second and third loudspeakers 220a, 220b, 220c. The determination is made such that the position of the object 200 is audible to the listener in the playback room 210, which is at a position P, for example. For this purpose, first the device 100 determines an acoustic signal for the object 200 as a function of the position of the object 200. The position is determined by the distance d and the direction, which can be given for example by an angle ⁇ . Next, the apparatus 100 calculates loudspeaker signals LS for the first to third loudspeakers 220a to 220c.
  • This may include, for example, scaling the signal level and delaying the signal so that the listener at position P perceives the object 200 according to its position. For example, in the embodiment shown in FIG. 2, this may occur such that the third loudspeaker 220c provides the strongest signal, during which the first loudspeaker 220a provides only a small signal and the second loudspeaker 220b does not provide a signal.
  • the radar device 230 shown in FIG. 2 can also be coupled to a sonar device, which detects, for example, the underwater topography and possibly signals existing shoals that can also be displayed acoustically. To distinguish between different objects (over water, under water or land objects) as mentioned different acoustic signals can be assigned.
  • FIGS. 3a and 3b show possible variations of the acoustic signal as a function of the distance of the object and the danger potential associated therewith.
  • FIG. 3 a shows a dependence of a frequency f of the signal on the distance d of the object 200.
  • a critical distance d c is less than that, there is an increased danger which requires an increased attention of the helmsman.
  • This transition from a safe to a dangerous state for example, be signaled in a changing acoustic signal.
  • the frequency f of the signal may be close to, or only slightly above, a fundamental frequency f 0 , the frequency range thus defined being perceived as safe by the helmsman.
  • the frequency f of the acoustic signal can suddenly rise sharply, so that the increasing danger is signaled to the helmsman.
  • the increase in frequency can optionally also increase monotonously with decreasing distance of the object without causing a sudden change in the critical distance and a constantly increasing danger potential for the helmsman becomes perceptible.
  • the acoustic signal or the frequency f of the acoustic signal can on the one hand include the audio frequency or else the clock frequency, for example, if the acoustic signal indicates a specific clock in a particular frequency (repetition rate of the clocks). Even with the clock signal, the clock frequency can increase with decreasing distance, so that acoustically an increasing danger potential for the pilot becomes perceptible.
  • Fig. 3b shows an embodiment in which the signal level S is shown as a function of time t.
  • the distance between two adjacent clocks decreases, so that the clock frequency increases, so that an approaching object will signal.
  • the decreasing pitch can be combined by the fact that the signal pulses 63
  • the change of the signal may, for example, have a shift of the center frequency to higher frequencies, so that the increasing danger potential is also perceptible in the frequency level or audio frequency of the signal pulses.
  • the amplitude or loudness of the signal can increase at the same time as the risk potential increases.
  • the acoustic signals are barely perceptible, so that the helmsman is not disturbed by the acoustic signals.
  • FIG. 4 shows an embodiment in which a plurality of loudspeakers 220, a first loudspeaker 220a,..., A fourth loudspeaker 22Od,..., A ninth loudspeaker 22Oi,... Have a twelfth loudspeaker 2201.
  • the loudspeakers 220 are arranged around the position P of a listener so that the position of an object 200 or the direction of the object 200 becomes noticeable by the fact that only one loudspeaker is active.
  • the position of the active loudspeaker corresponds at the same time in the direction of the object 200. This is particularly advantageous when the position P in the reproduction room 210 is fixed.
  • a first object 200a at a distance d1 and a second object 200b at a distance d2 from the listening point P may be perceived by the fourth speaker 22Od generating a first sound signal S1 and the second ninth speaker 22Oi generates a second sound signal S2.
  • the listener at the position P takes the first object 200a and the second object was then according to their positions.
  • the speaker can be selected, which is the shortest distance to the connecting line between the respective object and the Position P has. That would be the fourth speaker 22Od for the first object 200a and the ninth speaker 22Oi for the second object 200b. All other loudspeakers are further away from the respective connection lines (measured as a vertical distance) and, for example, can not be active in this embodiment (do not generate a sound signal).
  • the respective adjacent loudspeakers between which the connecting line between the first object 200a and the position P runs, to be active.
  • other neighbors speakers may be active. This means that, for example, in further embodiments not only the fourth loudspeaker 22Od is active, but at the same time the third loudspeaker 220c and / or the second loudspeaker 220b and / or the fifth loudspeaker 22Oe can also be active. However, if multiple speakers are simultaneously active to represent the position of one of the objects 200, the amplitude / phase should be selected such that for a listener at position P, the object 200 will be acoustically perceivable at its respective position.
  • acoustic perceptibility means that the object 200 is perceived as a virtual sound source, wherein the distance in addition to the volume can also be signaled by a different clock frequency or audio frequency (as was shown, for example, in FIGS. 3a, b).
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment in which the loudspeakers are arranged in the context of a wave field synthesis system, so that the acoustic display device 100 drives a first loudspeaker array 221a, a second loudspeaker array 221b and a third loudspeaker array 221c.
  • Each of the three loudspeaker arrays 221a, 221b, 221c has, for example, a multiplicity of loudspeakers which, for B.
  • each loudspeaker in a respective array can be controlled individually, so that the three arrays, which may be arranged, for example, on the sidewalls of the reproduction room 210, synthesize a wave field which would produce an object 200 as a virtual sound source in the reproduction room 210.
  • the device 100 can in turn be coupled to a radar device or a sonar device 230 which transmits the device 100 the position of the respective objects.
  • the object itself does not need to be a sound source, but instead a sound signal is specifically assigned to the object. In this sense, therefore, the acoustic display differs according to embodiments of conventional audio playback systems.
  • Wave field synthesis is an audio reproduction method developed at TU Delft for the spatial reproduction of complex audio scenes.
  • the spatially correct rendering is not limited to a small area, but extends over a wide viewing area.
  • WFS is based on a well-founded mathematical-physical basis, namely the principle of Huygens and the Kirchhoff-Helmholtz integral.
  • a WFS reproduction system consists of a large number of loudspeakers (so-called secondary sources).
  • the loudspeaker signals are formed from delayed and scaled input signals. Since many audio objects (primary sources) are typically used in a WFS scene, many such operations are required to generate the loudspeaker signals. This requires the high computing power required for wave field synthesis.
  • WFS also offers the possibility of realistically mapping moving sources. This feature is used in many WFS systems and is included For example, for use in the cinema, virtual reality applications or live performances of great importance.
  • a primary goal is the development of signal processing algorithms for the playback of moving sources using WFS.
  • the real-time capability of the algorithms is an important condition.
  • the most important criterion for evaluating the algorithms is the objective perceived audio quality.
  • WFS is a very expensive audio reproduction process in terms of processing resources. This is mainly due to the large number of speakers in a WFS setup and the often high number of virtual sources used in WFS scenes. For this reason, the efficiency of the algorithms to be developed is of paramount importance.
  • Wave field synthesis systems have the advantage, in comparison to conventional multi-speaker systems, that exact positioning becomes possible as a result and exact positioning can also be determined at different positions within the reproduction space 210.
  • FIG. 6 shows a basic structure of a wave field synthesis system and has a loudspeaker array 221 which is placed relative to a reproduction space 210.
  • the loudspeaker array shown in FIG. 6, which is a 360 ° array, includes four array sides 221a, 221b, 221c, and 221d.
  • the playback room 210 z. B. a bridge on a ship, it is assumed that with respect to the conventions front / rear or right / left the pre-alignment of the ship is on the same side of the display room 210 where the sub-array 221c is located. In this case, the user who is at the so-called optimal point P in the playback space 210 would see, for example, forward.
  • the sub-array 221a would then be behind the user, while the sub-array 221d would be located to the left of the viewer, and the sub-array 221b would be located to the right of the user.
  • Each loudspeaker array 221 consists of a number of different individual loudspeakers 708 which are each driven with their own loudspeaker signals LS which are provided by a wave field synthesis module 710 via a data bus 712 shown only schematically in FIG.
  • the position information is determined, for example, by a sensor for determining the position of objects (eg the radar) and provided to the wave field synthesis module via the input 105.
  • the wave field synthesis module can also receive further inputs, such as, for example, information about the room acoustics of the playback room 210, etc.
  • the signal allocator 110 is configured to associate acoustic signals to a plurality of objects 200
  • the loudspeaker driver 120 is configured to generate component signals for each of the plurality of objects 200 Combine component signals to speaker signals LS, so that the plurality of objects 200 are acoustically perceptible at different positions.
  • the various objects can appear or be perceived as virtual sources (sound sources) for the listeners.
  • boundary conditions are considered in the ships.
  • the boundary conditions include, for example, requirements for the frequency of the messages, possible positions of the loudspeakers, the required sound pressure level, the characterization of the noise (for example from the engine) and a specification of the control signals for the acoustic display.
  • optimal message signals can then be generated taking into account typical spatial sounds on the ships.
  • the acoustic drive includes techniques such as binaural coding or the wave field synthesis described above.
  • the different techniques are used on test rigs in ships (or one-to-one models of the bridge and / or the control room). For example, psychoacoustic experiments can provide clues.
  • Embodiments use reporting signals that are as well as possible to locate in the ship environment, but at the same time sound as pleasant as possible. In this case test setups in the laboratory or else a one-to-one model from the bridge and / or the control station or in vehicles as well as psychoacoustic experiments are useful.
  • Further embodiments also provide a connection of sensors and information, for example, from Radar, sounder and nautical charts are received, to the audible indicator.
  • An essential part of the connection is the selection of the relevant objects, which should be displayed for example by means of acoustic display.
  • embodiments include the following aspects:
  • the described systems can also be applied in automobiles, i. Further embodiments also include corresponding driver assistance systems in the car. For example, vehicles approaching laterally (eg when changing lanes) can be signaled acoustically.
  • the inventive scheme can also be implemented in software.
  • the implementation may be on a digital storage medium, in particular a floppy disk or a CD with electronically readable control signals, which may be provided with a programmable computer system can work together to perform the appropriate procedure.
  • the invention thus also consists in a computer program product with program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention when the computer program product runs on a computer.
  • the invention can thus be realized as a computer program with a program code for carrying out the method when the computer program runs on a computer.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Circuit For Audible Band Transducer (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

Eine Vorrichtung (100) zur akustischen Anzeige einer Position eines Objekts (200) in einem Wiedergaberaum (210), wobei in dem Wiedergaberaum (210) eine Vielzahl von Lautsprechern (220) an räumlich unterschiedlichen Positionen angeordnet sind, so dass durch unterschiedliche Ansteuerung der Lautsprecher (220) unterschiedliche räumliche Positionen akustisch darstellbar sind, umfasst eine Signalzuordnungseinrichtung (110) und eine Lautsprecheransteuereinrichtung (120). Die Signalzuordnungseinrichtung (110) ist ausgebildet, um dem Objekt (200) ein akustisches Signal zuzuordnen. Die Lautsprecheransteuereinrichtung (120) ist ausgebildet, um ein oder mehrere Lautsprechersignale (LS) für die Vielzahl von Lautsprechern (220) zu ermitteln, wobei das eine oder die mehreren Lautsprechersignale (LS), durch das die Position des Objekts (200) angezeigt wird, auf dem durch die Signalzuordnungseinrichtung (110) dem Objekt (200) zugeordneten akustischen Signalen basieren. Das eine oder die mehreren Lautsprechersignale (LS) sind so ermittelbar, dass bei Wiedergabe des einen oder der mehreren Lautsprechersignale (LS) die Position des Objekts (200) in dem Wiedergaberaum (210) akustisch angezeigt wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur akustischen Anzeige
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur akustischen Anzeige einer Position eines Objekts in einem Wiedergaberaum. Ausführungsbeispiele umfassen insbesondere akustische Displays für den Einsatz auf Schiffen.
Auf der Brücke bzw. im Maschinenleitstand von mittleren und großen Schiffen befinden sich häufig viele optische Anzeigen (z. B. von Sensoren), die zum einen die Technik des Schiffes überwachen und zum anderen Informationen über die Umgebung über und unter Wasser und insbesondere über Hindernisse liefern. Zur Steuerung des Schiffes befinden sich daher in der Regel mehrere Personen auf der Brücke bzw. auf dem Leitstand. Mit steigender Anzahl von meldenden Sensoren wird es immer wichtiger unterscheidbare Signale zu erzeugen, wobei beispielsweise zwischen Warnungen und Hinweisen zu unterscheiden ist. Neben der optischen Anzeige ist insbesondere eine akustische Meldung wünschenswert. Während selten auftretende Meldungen mittels Sprachausgabe unter- stützt werden können, ist die Meldung häufig vorkommender Meldungen, wie sie z. B. Radargeräte oder Echolote liefern, deutlich komplexer. Ein Stand der Technik aus dem Automobilbau wären Abstandssensoren, die Piepstöne variabler Frequenz wiedergeben. Beispielsweise kann die Frequenz mit sinkendem Abstand bei Annäherung an ein Hindernis variabel sein. Bei Schiffen ist dies nicht ausreichend aussagefähig, da bewegliche Hindernisse sich in jeder Richtung befinden und bewegen können.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, welches eine Position eines Objekts akustisch anzeigt. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 18 und ein Verfahren nach Anspruch 20 gelöst.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass in einem Wiedergaberaum eine Vielzahl von Lautsprechern räumlich derart unterschiedlich angeordnet ist, dass durch unterschiedliche Ansteuerung der Lautsprecher unterschiedliche Positionen akustisch darstellbar sind. Insbe- sondere ist eine Signalzuordnungseinrichtung ausgebildet, um dem Objekt ein akustisches Signal zuzuordnen und eine Lautsprecheransteuereinrichtung ist ausgebildet, um eine oder mehrere Lautsprechersignale für die Vielzahl von Lautsprechern zu ermitteln. Das eine oder die mehreren Lautsprechersignale sind derart beschaffen, dass dadurch die Position des Objekts angezeigt wird, wobei das eine oder die mehreren Lautsprechersignale auf dem durch die Signalzuordnungseinrichtung dem Objekt zugeordneten akustischen Signal basiert. Die einen oder mehreren Lautsprecher- Signale werden so ermittelt, dass bei der Wiedergabe des einen oder der mehreren Lautsprechersignale die Position des Objekts in dem Wiedergaberaum akustisch angezeigt wird.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich ferner darauf, wie mittels intelligenter akustischer Displays Sensorsignale leichter darstellbar und damit sowohl die Sicherheit verbessert als auch laufende Kosten reduziert werden können. Eine weitere Idee der vorliegenden Erfindung beruht darauf, dass ein wesentlicher Teil der Information bei vielen Meldern eine Ortsangabe ist. Als Melder kommen beispielsweise ein Radar, ein Echolot, Seekarten oder Wetterkarten in Betracht und die Ortsangabe bezieht sich dabei beispielsweise auf eine Richtung als auch auf eine Entfernung zu dem Objekt. Zur Meldung oder zur Darstellung der Richtung und der Entfernung wird beispielsweise mittels mehrerer Lautsprecher ein Schallfeld erzeugt, welches möglichst präzise diese Information in natürlicher Weise kodiert. Im Zusammenwirken mit den bisher verwendeten optischen Anzeigen von Radar und Echolot ist es dabei sinnvoll, bei der akustischen Darstellung der Umgebung nur die wichtigs- ten oder die wichtigen Objekte zu augmentieren. Dies sind Objekte, die sich beispielsweise nähern oder deren Kurs den Kurs des Schiffes kreuzen, so dass die Gefahr der Kollision besteht.
Basierend auf Wiedergabesystemen für räumliche Audiosignale im Unterhaltungsbereich und im Bereich der virtuellen Realität ist es damit möglich, auch in kleinen Räumen die Wände virtuell verschwinden zu lassen, so dass die Position eines Objekts (Entfernung und Richtung) auch außerhalb des Wiedergaberaums präzise zu hören ist.
Bei der Ansteuerung der Lautsprecher ergeben sich prinzipiell zwei Möglichkeiten:
(i) Wellenfeldsynthese (WFS): bei diesem System befinden sich die Lautsprecher beispielsweise in einem konstanten Abstand und die Berechnung der einzelnen Signale für die Lautsprecher erfolgt nach den bekannten WFS- Algorithmen. Objekte aus einem Radarsignal werden da- bei als akustische Objekte in entsprechender Richtung und Entfernung wiedergegeben. Die Objekte erscheinen somit als virtuelle Schallquellen und können durch einen Hörer lokalisiert werden. Alle Personen auf der Brücke können dabei beispielsweise die Objekte am gleichen Ort wahrnehmen. Möglich ist auch, dass nicht nur ein einzelnes Objekt, sondern dass auch mehrere Objekte gleichzeitig akustisch dargestellt werden, wobei jedem Objekt beispielsweise ein anderes oder optional auch ein gleiches akustisches Signal zugeordnet werden kann.
(ii) Zeit- und Amplitudenpanning (ZAP) : bei diesem Verfahren wird ein akustisches Schallsignal in der Amplitude und Phase für die einzelnen Lautsprecher derart geändert, dass das akustische Signal aus einer bestimmten Richtung und in einer bestimmten Entfernung erscheint. Es ist bei diesem System möglich, einen größeren bzw. unterschiedliche Abstände zwischen den Lautsprechern zu erlauben. Diese Methode hat gegenüber der WSF den Vorteil, dass weniger Lautsprecher erforderlich sind, aber den Nachteil, dass der akustische Ort einer Schallquelle weniger präzise wahrgenommen wird. Even- tuell kann der wahrgenommene Ort der Schallquelle auch etwas von dem Ort der hörenden Person abhängen.
Um ein Radarsignal akustisch darzustellen, wird es zunächst akustisch aufgearbeitet. Die Aufarbeitung umfasst dabei zum einen das Erkennen von beweglichen Objekten, wie beispielsweise Schiffe und Flugzeuge, und ferner das Erkennen von statischen Objekten, wie beispielsweise die Küstenlinie, Bojen oder Inseln. Bei Objekten, die einen Transponder enthalten und sich mit einem Text (Textmitteilung oder allgemein Daten) identifizieren, kann das Audiosignal optional mittels einer Text-zu-Sprache-Identifikation in ein Audiosignal umgesetzt werden, so dass das Textsignal des Transponders hörbar wird. Solche Objekte sind z. B. bestimmt Bojen oder Leuchtfeuer, deren identifizierende Information beispielsweise auf dem Radar als Text erscheinen.
Objekte können weiterhin entsprechend ihres Gefahrenpotentials klassifiziert werden. Dabei können beispielsweise Objekte, die näher kommen (von Vorne oder schneller von Hinten) oder den Bewegungspfad des Schiffes kreuzen, als gefährlicher klassifiziert werden, als Objekte, die parallel zum Schiff verlaufen oder sich vom Schiff entfernen. Objekte, die weiter entfernt sind, gelten in der Regel als weniger gefährlich als solche Objekte, die nahe sind bzw. die sich in einer großen Relativgeschwindigkeit nähern. Je nach Gefahr kann somit den Objekten ein unterschiedlicher Kennungston zugewiesen werden, wobei sich der Kennungston beispielsweise in Tonhöhe oder in der Impulsfolgefrequenz unterscheidet und sich erhöhen, wenn die Gefahr zunimmt. Somit kann ein höherer Ton eine größere Gefahr bedeuten oder eine zunehmende Lautstärke eine steigende Gefahr implizieren. Ähnlich kann ein schneller schlagender Taktimpuls eine steigende oder eine höhere Gefahr bedeuten als ein niedriger Taktimpuls (wenn beispielsweise der Ken- nungston als ein rhythmischer Taktimpuls dargestellt wird) .
Die so erzeugten Audiosignale der Objekte werden dann beispielsweise durch die oben genannte WFS oder ZAP wiedergegeben, wodurch automatisch weit entfernte Objekte leiser werden.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen werden in besonderen Umgebungen, wie beispielsweise Schifffahrtsstraßen, ungefährliche Objekte komplett ausgeblendet (nicht wiedergegeben) , um den Steuermann oder den Hörer nicht mit zuviel Information zu überlasten.
Ferner kann bei Ausführungsbeispielen der Wiedergabeort in gleicher Entfernung erscheinen wie die tatsächliche Entfernung ist, d. h. wenn das Objekt laut Radar ein Kilometer entfernt ist, ist das Audioobjekt in ein Kilometer Entfer- nung wahrnehmbar (1 : 1-Abbildung) . Alternativ wird der Wiedergabeort entsprechend skaliert, so dass beispielsweise eine 1 : 100-Abbildung vorgenommen wird und ein ein Kilometer entferntes Objekt akustisch durch ein ca. zehn Meter entferntes akustisches Signal (virtuelle Schallquelle) wahr- nehmbar ist oder wiedergegeben wird. Ersteres (die 1:1- Abbildung) weist beispielsweise den Vorteil auf, dass bei der WFS keinerlei Parallaxenfehler auftreten, so dass die Entfernung des Objekts nur noch durch die Lautstärke kodiert wird und nicht mehr durch die gekrümmte Wellenform. Sehr weit entfernte Objekte wären allerdings infolge der Schallgeschwindigkeit erst sehr spät hörbar und außerdem sind bei einer 1 : 1-Darstellung sehr weit entfernte Objekte kaum entfernungsmäßig unterscheidbar. Ausführungsbeispiele verfolgen somit das Ziel Objekte mit Audiosignalen zu kodieren, damit sie möglichst gut ortbar sind. Um dies zu erzielen, sollten die Audiosignale hinrei- chend breitbandig sein, da beispielsweise ein Sinuston nur schwer wahrnehmbar ist. Dementsprechend sollten eher Schmalbandrauschen oder Sprache zur Identifizierung von Objekten - nicht aber ein Sinuston - benutzt werden. Um in dichten Umgebungen, wie beispielsweise Schifffahrtsstraßen, eine hohe Anzahl von Objekten wiedergeben zu können und darüber hinaus auch akustisch wahrnehmen zu können, werden statt kontinuierlicher Signale (z. B. ein Dauerton) gepulste Signale ausgesendet. Die Pulsfrequenz kann dabei ähnlich zu Parksensoren bei Autos mit steigender Gefahr steigen. Um eine dauerhafte Nutzung zu ermöglichen, sollten die Audiosignale angenehm klingen, wenn die Gefahr hinreichend niedrig ist. Die Gefahrenschwelle, oberhalb derer eine ernsthafte Gefahr bzw. unterhalb derer kein oder kaum Gefahrenpotential besteht, wird dabei beispielsweise varia- bei entsprechend den Gegebenheiten eingestellt. Die Gefahrenschwelle kann optional auch durch den Nutzer angepasste werden. Zum Beispiel spielen die Größe und die Geschwindigkeit eines Schiffes oder aber auch die Geschwindigkeiten der anderen Objekte eine Rolle. Der Schwellwert kann bei- spielsweise aus dem Verhältnis der Zeitdauer bis zu einer vorausberechneten Kollision zu einer Bremszeit des Schiffes ermittelt werden.
Der angenehme Klang der Audiosignale kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass bei nicht identifizierten
Objekten (z. B. Objekte, die keine Gefahr darstellen) eine niedrige Mittenfrequenz des Schmalbandrauschens oder eine niedrige Pulsfrequenz (seltene Darstellung) verwendet wird.
Alternativ kann auch eine spektrale Färbung des Schmalband- rauschens verwendet werden, bei der hohe Frequenzen weniger
Energie haben als tiefe (Ausschneiden mit Bandpass aus rosa
Rauschen) . Bei identifizierten Objekten wird dies durch seltenes Melden erreicht, z. B. bei Erstkontakt um dann nur im Minutenabstand ein neues Signal zu senden.
Das meldende Signal kann optional derart ausgewählt werden, dass es präzise zu orten ist und von Umgebungsgeräuschen unterscheidbar ist. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn das meldende Signal einen angenehmen Klang hat, so dass auch bei langen Fahrten das System dauerhaft akzeptiert wird. Ein wesentlicher Vorteil akustischer, räumlich auflösender Displays ist, dass sie anders als optische Displays simultan mit der natürlichen Umwelt von einer Person verwendet werden können. Die natürliche Umwelt kann dabei beispielsweise ein Fahren auf Sicht oder auch das Hören von Schiffen und Bojen umfassen. Somit kann eine sogenannte augmented reality erzeugt werden.
Ausführungsbeispiele sind insbesondere deshalb vorteilhaft, da sie einen wichtigen Synergieeffekt zwischen akustischer und optischer Anzeige liefern. Die akustische Anzeige wird nämlich immer gemeldet und wahrgenommen, wobei eine Priori- sierung nach Gefahr erfolgen kann, währenddessen die optische Anzeige die Aufmerksamkeit des Personals auf der Brücke erfordert. Ein Steuermann sieht beispielsweise nur dann ein Objekt auf dem Radarschirm, wenn er auf den Radar- schirm blickt. Gleichzeitig sieht er aber nicht mehr aus dem Fenster und verliert damit einen Teil der Information, was in seinem näheren Umfeld passiert. Akustische Displays ermöglichen ihm gleichzeitig die Information aus dem Radar und den Blick aus dem Fenster zu nutzen. Gerade bei nicht sich selbst identifizierenden Objekten ist aber der erfahrene Auswerter in der Lage, aus dem Radarbild ein Objekt zu klassifizieren (z. B. als Schiff, Insel oder Bildstörung). Somit steckt in dem Zusammenwirken aus der akustischen Wahrnehmung (da ist ein Objekt) und dem Blick auf dem Radarschirm zur Kontrolle ein wichtiger Synergieeffekt. Bei weit entfernten, sich selbst identifizierenden Objekten kann durch einen Blick auf den Radarschirm jederzeit die Identifikation gelesen werden. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur akustischen Anzeige gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems mit einem Sensor zur Bestimmung der Position eines Objekts;
Fig. 3a Darstellungen von ortsabhängigen Signalen, um und 3b eine ansteigende Gefahr akustisch wahrzunehmen;
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit einer Vielzahl von Lautsprechern zur akustischen Darstellung von zwei getrennten Objekten;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Wiedergaberaums mit einem WFS-Modul; und
Fig. 6 ein prinzipielles Blockschaltbild eines Wellen- feldsynthesesystems mit Wellenfeldsynthesemodulen und Lautsprecherarrays in einem Wiedergaberaum.
Bezüglich der nachfolgend Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispie- len gleiche oder gleichwirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und somit die Beschreibung dieser Funktionselemente in den verschiedenen, in den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar sind.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur akustischen Anzeige 100, die einen Eingang 105 aufweist, über dem Positionsangaben eines Objekts in die Vorrichtung 100 eingegeben werden können. Die Vorrichtung 100 weist ferner Ausgänge für eine Vielzahl von Lautsprechersignalen LS auf (z. B. für einem ersten Lautsprechersignal LSl, einem zweiten Lautsprechersignal LS2, einem dritten Lautsprechersignal LS3, ... , einem n-ten Lautsprechersignal LSn) . Der Eingang für die Positionsangaben 105 ist ausgebildet, um einer Signalzuordnungseinrichtung 110 Objekte mit deren Position zu signalisieren. Die Signalzuordnungseinrichtung 110 ist ausgebildet, um den Objekten ein akustisches Signal zuzuordnen, wobei die Signalzuordnungseinrichtung 110 optional auf eine Signaldatenbank 140 zugreift, um verschiedenen Objekten verschiedene Signale - beispielsweise aufgrund ihres Gefahrenpotentials - zuzuordnen. Das jeweils zugeordnete Signal kann beispielsweise davon abhängen, ob sich das Objekt bewegt, wenn ja mit welcher Geschwindigkeit, oder ob es unbeweglich ist.
Ferner weist die Vorrichtung 100 eine Lautsprecheransteuereinrichtung 120 auf, die von der Signalzuordnungseinrich- tung 110 die Position des Objekts und das akustische Signal erhält, um daraus ein oder mehrere Lautsprechersignale LS für eine Vielzahl von Lautsprechern zu ermitteln und diese über die Ausgänge für die Lautsprechersignale LSl, ... , LSn auszugeben. Die Lautsprecheransteuereinrichtung 120 ist ausgebildet, um die einen oder die mehreren Lautsprechersignale LS basierend auf das akustische Signal, welches dem Objekt zugeordnet wurde, zu ermitteln. Die Ermittlung wird derart ausgeführt, dass bei Wiedergabe des einen oder der mehreren Lautsprechersignale LS die Position des Objekts in dem Wiedergaberaum akustisch angezeigt wird. Ein Hörer (oder Nutzer) nimmt dann die Position (z. B. Entfernung und Richtung) des Objekts als Position einer virtuellen Schallquelle war.
Ein Ausführungsbeispiel betrifft wie gesagt die Wiedergabe von Informationen eines Radargeräts, das Positionen von Objekten ermittelt. Zusätzlich zum oder anstatt des Radars können auch Informationen beispielsweise aus anderen Quel- len, wie Echolots, oder anderen Sensoren in ähnlicher Weise umgesetzt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel, das im Folgenden beispielhaft genauer beschrieben werden soll, können beispielsweise Lautsprecher auf der Brücke des Schiffes unterhalb Fenster (eventuell auch zusätzlich oberhalb der Fenster) an allen Wänden angeordnet sein. Diese Lautsprecher können beispielsweise alle mit eigenen Verstärkern oder mit A/D-Umsetzer (Analog-Digital-Wandlern) ausgestattet sein und können darüber hinaus einzeln ange- steuert werden. Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn eine möglichst komplette Umschließung des Personals auf der Brücke mit Lautsprechern erreicht wird, wobei für die zivile Seefahrt eine ebene Umschließung (Kreis) und für militärische Anwendungen eventuell auch eine räumliche Umschließung (Halbkugel) nützlich ist bzw. angestrebt wird. Die Umschließung braucht dabei nicht vollständig zu sein und kleinere Lücken in der Umschließung, die beispielsweise durch vorhandene Türen gegeben sind, wären auch möglich.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Wiedergaberaums 210 mit drei Lautsprechern 220a, 220b und 220c und einem Radargerät 230. Das Radargerät 230 ist mit dem Eingang 105 verbunden und liefert Positionsangaben über Objekte in einer Umgebung des Wiedergaberaums 210. Beispielswei- se ist das Radargerät 230 ausgebildet, um die Position des Objekts 200 an die Vorrichtung 100 zur akustischen Anzeige weiterzugeben. Die drei Lautsprecher 220a, 220b, 220c sind ferner mit den Ausgängen für die Lautsprechersignale LS der Vorrichtung zur akustischen Anzeige 100 verbunden. Konkret ist ein erster Lautsprecher 220a mit dem Ausgang für das erste Lautsprechersignal LSl, ein zweiter Lautsprecher 220b mit dem Ausgang für das zweite Lautsprechersignal LS2 und ein dritter Lautsprecher 220c mit dem Ausgang für das dritte Lautsprechersignal LS3 verbunden.
Die Vorrichtung zur akustischen Anzeige 100 wertet die Positionsangaben des Objekts 200, die sie von dem Radargerät 230 erhält, aus, um daraus drei Lautsprechersignale LSl, LS2, LS3 für den ersten, zweiten und dritten Lautsprecher 220a, 220b, 220c zu ermitteln. Die Ermittlung geschieht derart, dass die Position des Objekts 200 für den Zuhörer in dem Wiedergaberaum 210, der sich beispielsweise an einer Position P befindet, hörbar ist. Dazu ermittelt zunächst die Vorrichtung 100 ein akustisches Signal für das Objekt 200 in Abhängigkeit der Position des Objekts 200. Die Position ist durch die Entfernung d und die Richtung, die beispielsweise über einen Winkel α angegeben werden kann, bestimmt. Als nächstes berechnet die Vorrichtung 100 Lautsprechersignale LS für den ersten bis dritten Lautsprecher 220a bis 220c. Das kann beispielsweise ein Skalieren des Signalpegels und ein Verzögern des Signals umfassen, so dass der Zuhörer an der Position P das Objekt 200 entspre- chend seiner Position wahrnimmt. Bei dem in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel kann das beispielsweise derart geschehen, dass der dritte Lautsprecher 220c das stärkste Signal liefert, währenddessen der erste Lautsprecher 220a nur ein geringes Signal liefert und der zweite Lautsprecher 220b kein Signal liefert.
Das in der Fig. 2 gezeigte Radargerät 230 kann ferner mit einem Sonargerät gekoppelt werden, welches beispielsweise die Unterwassertopographie abskannt und eventuell vorhande- ne Untiefen signalisiert, die ebenfalls akustisch darstellbar sind. Zur Unterscheidung können dabei wie gesagt unterschiedlichen Objekten (über Wasser, unter Wasser oder Landobjekte) unterschiedliche akustische Signale zugeordnet werden.
Die Fig. 3a und 3b zeigen mögliche Variationen des akustischen Signals in Abhängigkeit der Entfernung des Objekts und dem damit verbundenen Gefahrenpotentials.
In der Fig. 3a ist eine Abhängigkeit einer Frequenz f des Signals von der Entfernung d des Objekts 200 dargestellt. Solange das Objekt hinreichend weit entfernt ist, besteht keine oder kaum eine Gefahr. Wenn jedoch das Objekt zu nahe kommt und beispielsweise eine kritische Entfernung dc unterschreitet, besteht eine erhöhte Gefahr, die eine erhöhte Aufmerksamkeit des Steuermanns erforderlich macht. Dieser Übergang von einer gefahrlosen zu einem gefährlichen Zustand kann beispielsweise in einem ändernden akustischen Signal signalisiert werden. Dazu kann beispielsweise, wenn die Entfernung oberhalb der kritischen Entfernung dc liegt, die Frequenz f des Signals nahe oder lediglich leicht oberhalb einer Grundfrequenz f0 liegen, wobei der so defi- nierte Frequenzbereich von dem Steuermann als ungefährlich wahrgenommen wird. Wenn das Objekt jedoch die Entfernung derart verringert, dass sie unterhalb der kritischen Distanz dc kommt, kann die Frequenz f des akustischen Signals plötzlich stark ansteigen, so dass dem Steuermann die ansteigende Gefahr signalisiert wird.
Der Anstieg in der Frequenz kann optional auch monoton mit abnehmender Entfernung des Objekts zunehmen, ohne dass es zu einem plötzlichen Änderung bei der kritischen Distanz kommt und ein ständig steigerndes Gefahrenpotential für den Steuermann wahrnehmbar wird.
Das akustische Signal oder die Frequenz f des akustischen Signals kann dabei zum einen die Tonfrequenz umfassen oder aber auch die Taktfrequenz, wenn beispielsweise das akustische Signal einen bestimmten Takt in einer bestimmten Frequenz (Wiederholrate der Takte) angibt. Auch bei dem Taktsignal kann mit abnehmender Entfernung die Taktfrequenz zunehmen, so dass dadurch akustisch ein zunehmendes Gefah- renpotential für den Steuermann wahrnehmbar wird.
Fig. 3b zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Signalpegel S als Funktion der Zeit t dargestellt ist. Mit zunehmender Zeit nimmt bei diesem Ausführungsbeispiel der Ab- stand zwischen zwei benachbarten Takten ab, so dass die Taktfrequenz zunimmt, so dass ein sich näherndes Objekt signalisieren wird. Gleichzeitig kann der abnehmende Taktabstand dadurch kombiniert werden, dass die Signalpulse 63
lauter und/oder die Frequenzen der Signalpulse geändert werden. Die Änderung des Signals kann beispielsweise eine Verschiebung der Mittenfrequenz zu höheren Frequenzen aufweisen, so dass das zunehmende Gefahrenpotential auch in der Frequenzhöhe oder Tonfrequenz der Signalpulse wahrnehmbar wird. Wie in Fig. 3b gezeigt kann gleichzeitig auch die Amplitude oder Lautstärke des Signals mit zunehmendem Gefahrenpotential zunehmen.
Im Allgemeinen ist es vorteilhaft, wenn in einem gefahrlosen Zustand die akustischen Signale kaum wahrnehmbar sind, so dass der Steuermann durch die akustischen Signale nicht gestört wird.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine Vielzahl von Lautsprechern 220, einen ersten Lautsprecher 220a, ... , einen vierten Lautsprecher 22Od, ... , einen neunten Lautsprecher 22Oi, ... , einen zwölften Lautsprecher 2201 aufweisen. Die Lautsprecher 220 sind derart um die Position P eines Hörers angeordnet, so dass die Position eines Objekts 200 oder die Richtung des Objekts 200 dadurch wahrnehmbar wird, dass lediglich ein Lautsprecher aktiv ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel entspricht die Position des aktiven Lautsprechers gleichzeitig in der Richtung des Objekts 200. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Position P im Wiedergaberaum 210 festgelegt ist.
Beispielsweise können, wie in der Fig. 4 gezeigt, zwei Objekte, ein erstes Objekt 200a in einer Entfernung dl und ein zweites Objekt 200b in einer Entfernung d2 von dem Hörpunkt P wahrgenommen werden, indem der vierte Lautsprecher 22Od ein erstes Schallsignal Sl erzeugt und der neunte Lautsprecher 22Oi ein zweites Schallsignal S2 erzeugt. Der Zuhörer an der Position P nimmt das erste Objekt 200a und das zweite Objekt dann entsprechend ihren Positionen war. Als aktiver Lautsprecher kann beispielsweise der Lautsprecher gewählt werden, welcher die geringste Entfernung zu der Verbindungslinie zwischen dem jeweiligen Objekt und der Position P aufweist. Das wäre bei dem ersten Objekt 200a der vierte Lautsprecher 22Od und bei dem zweiten Objekt 200b der neunte Lautsprecher 22Oi. Alle anderen Lautsprecher befinden sich weiter von den jeweiligen Verbindungsli- nien weg (gemessen als senkrechten Abstand) und können beispielsweise bei diesem Ausführungsbeispiel nicht aktiv sein (erzeugen kein Schallsignal) .
Alternativ ist es ebenfalls möglich, dass die jeweils benachbarten Lautsprecher, zwischen denen die Verbindungslinie zwischen dem ersten Objekt 200a und der Position P entlang läuft, aktiv sind. Es können darüber hinaus noch weitere Nachbarlautsprecher aktiv sein. Dies bedeutet, dass beispielsweise bei weiteren Ausführungsbeispielen nicht nur der vierte Lautsprecher 22Od aktiv ist, sondern gleichzeitig auch der dritte Lautsprecher 220c und/oder der zweite Lautsprecher 220b und/oder der fünfte Lautsprecher 22Oe aktiv sein können. Wenn jedoch mehrere Lautsprecher gleichzeitig aktiv sind, um die Position eines der Objekte 200 darzustellen, ist die Amplitude/Phase derart zu wählen, dass für einen Zuhörer an der Position P das Objekt 200 an seiner jeweiligen Position akustisch wahrnehmbar wird. Akustische Wahrnehmbarkeit bedeutet dabei, dass das Objekt 200 als eine virtuelle Schallquelle wahrgenommen wird, wobei die Entfernung neben der Lautstärke auch durch eine verschiedene Taktfrequenz oder Tonfrequenz signalisiert sein kann (wie es beispielsweise in der Fig. 3a, b dargestellt wurde) .
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Lautsprecher im Rahmen eines Wellenfeldsynthesesystems angeordnet sind, so dass die Vorrichtung zur akustischen Anzeige 100 ein erstes Lautsprecherarray 221a, ein zweites Lautspre- cherarray 221b und ein drittes Lautsprecherarray 221c ansteuert. Jedes der drei Lautsprecherarrays 221a, 221b, 221c weist dabei beispielsweise eine Vielzahl von Lautsprechern auf, die sich z. B. in einem vorbestimmten räumlichen Abstand voneinander befinden und die Vorrichtung 100 ist ausgebildet, dass jeder Lautsprecher in einem jeweiligen Array einzeln ansteuerbar ist, so dass die drei Arrays, die beispielsweise an den Seitenwänden des Wiedergaberaums 210 angeordnet sein können, ein Wellenfeld synthetisieren, welches ein Objekt 200 als virtuelle Schallquelle in dem Wiedergaberaum 210 erzeugen würde. Die Vorrichtung 100 kann dabei wiederum mit einem Radargerät oder einem Sonargerät 230 gekoppelt sein, welches der Vorrichtung 100 die Position der jeweiligen Objekte übermittelt. Das Objekt braucht selbst keine Schallquelle sein, vielmehr wird dem Objekt ein Schallsignal gezielt zugeordnet. In diesem Sinne unterscheidet sich also die akustische Anzeige gemäß Ausführungsbeispielen von herkömmlichen Audio-Wiedergabesystemen.
Der Aufbau eines WFS-System ist im Allgemeinen sehr komplex und basiert auf die Wellenfeldsynthese . Die Wellenfeldsyn- these ist ein an der TU Delft entwickeltes Audio- Reproduktionsverfahren zur räumlichen Wiedergabe komplexer Audioszenen. Im Gegensatz zu den meisten existierenden Verfahren zur Audio-Reproduktion ist die räumlich korrekte Wiedergabe nicht auf ein kleines Gebiet beschränkt, sondern erstreckt sich über ein ausgedehntes Wiedergabegebiet. WFS basiert auf einer fundierten mathematisch-physikalischen Grundlage, namentlich dem Prinzip von Huygens und dem Kirchhoff-Helmholtz-Integral.
Typischerweise besteht ein WFS-Reproduktionssystem aus einer großen Zahl von Lautsprechern (sog. sekundärer Quellen) . Die Lautsprechersignale werden aus verzögerten und skalierten Eingangssignalen gebildet. Da in einer WFS-Szene typischerweise viele Audioobjekte (primäre Quellen) verwendet werden, sind sehr viele solcher Operationen zur Erzeugung der Lautsprechersignale erforderlich. Dies bedingt die hohe für die Wellenfeldsynthese benötigte Rechenleistung.
Neben den oben genannten Vorteilen bietet die WFS auch die Möglichkeit, bewegte Quellen realistisch abzubilden. Dieses Feature wird in vielen WFS-Systemen genutzt und ist bei- spielsweise für den Einsatz im Kino, Virtual-Reality- Applikationen oder Live-Aufführungen von großer Bedeutung.
Jedoch verursacht die Wiedergabe bewegter Quellen eine Reihe charakteristischer Fehler, die im Falle statischer Quellen nicht auftreten. Die Signalverarbeitung eines WFS- Wiedergabesystems hat dabei einen bedeutenden Einfluss auf die Wiedergabequalität.
Ein primäres Ziel ist die Entwicklung von Signalverarbeitungsalgorithmen für die Wiedergabe bewegter Quellen mittels WFS. Dabei ist die Echtzeitfähigkeit der Algorithmen eine wichtige Bedingung. Das wichtigste Kriterium zur Bewertung der Algorithmen ist die objektive wahrgenommene Audio-Qualität.
WFS ist wie gesagt ein bezüglich Verarbeitungsressourcen sehr aufwändiges Verfahren zur Audio-Reproduktion. Dies wird vor allem durch die große Zahl von Lautsprechern in einem WFS-Setup sowie die oftmals hohe Zahl virtueller Quellen, die in WFS-Szenen verwendet werden, bedingt. Aus diesem Grund ist die Effizienz der zu entwickelnden Algorithmen von herausragender Bedeutung.
Wellenfeldsynthesesysteme haben im Vergleich zu üblichen Mehrlautsprechersystemen den Vorteil, dass dadurch eine exakte Positionierung möglich wird und die exakte Positionierung auch an verschiedenen Positionen innerhalb des Wiedergaberaums 210 bestimmbar ist.
In Fig. 6 ist ein prinzipieller Aufbau eines Wellenfeldsyn- thesesystems dargestellt und hat ein Lautsprecherarray 221, das bezüglich eines Wiedergaberaumes 210 platziert ist. Im Einzelnen umfasst das in Fig. 6 gezeigte Lautsprecherarray, das ein 360°-Array ist, vier Arrayseiten 221a, 221b, 221c und 221d. Ist der Wiedergaberaum 210 z. B. eine Brücke auf einem Schiff, so wird bezüglich der Konventionen vorne/hinten oder rechts/links davon ausgegangen, dass sich die Vorausrichtung des Schiffs auf derselben Seite des Wiedergaberaums 210 befindet, an der auch das Teil-Array 221c angeordnet ist. In diesem Fall würde der Nutzer, der an dem hier so genannten Optimal-Punkt P in dem Wiedergabe- räum 210 ist, beispielsweise nach vorne sehen. Hinter dem Nutzer würde sich dann das Teil-Array 221a befinden, während sich links vom Zuschauer das Teil-Array 221d befinden würde, und während sich rechts vom Nutzer das Teil-Array 221b befinden würde.
Jedes Lautsprecherarray 221 besteht aus einer Anzahl von verschiedenen Einzellautsprechern 708, die jeweils mit eigenen Lautsprechersignalen LS angesteuert werden, die von einem Wellenfeldsynthesemodul 710 über einen in Fig. 6 lediglich schematisch gezeigten Datenbus 712 bereitgestellt werden. Das Wellenfeldsynthesemodul 710 ist ausgebildet, um unter Verwendung der Informationen über z. B. Art und Lage der Lautsprecher 708 bezüglich des Wiedergaberaums 210, also von Lautsprecher-Informationen (LS-Infos), und gegebe- nenfalls mit sonstigen Daten Lautsprechersignale LS für die einzelnen Lautsprecher 708 zu berechnen, die jeweils von den Audiodaten für virtuelle Quellen (=Objekte) , denen ferner Positionsinformationen zugeordnet sind, gemäß den bekannten Wellenfeldsynthesealgorithmen abgeleitet werden. Die Positionsinformationen werden beispielsweise von einem Sensor zur Positionsbestimmung von Objekten (z. B. dem Radar) ermittelt und dem Wellenfeldsynthesemodul über dem Eingang 105 bereitgestellt. Das Wellenfeldsynthesemodul kann ferner noch weitere Eingaben erhalten, wie beispiels- weise Informationen über die Raumakustik des Wiedergaberaums 210 etc. aufweisen.
Bei Ausführungsbeispielen, die WFS oder auch ZAP zur Ansteuerung der Lautsprecher nutzen, ist die Signalzuord- nungseinrichtung 110 ausgebildet ist, um mehreren Objekten 200 akustische Signale zuzuordnen und die Lautsprecheransteuereinrichtung 120 ist ausgebildet, um für jedes der mehreren Objekte 200 Komponentensignale zu erzeugen und die Komponentensignale zu Lautsprechersignalen LS zu kombinieren, so dass die mehreren Objekte 200 akustisch an verschiedenen Positionen wahrnehmbar sind. Die verschiedenen Objekte können dabei wie oben beschrieben als virtuelle Quellen (Schallquellen) für die Zuhörer erscheinen oder wahrgenommen werden.
Ausführungsbeispiele können beispielsweise wie folgt ergänzt oder modifiziert werden. So werden bei weiteren Ausführungsbeispielen ebenfalls Randbedingungen in den Schiffen berücksichtigt. Die Randbedingungen umfassen beispielsweise Anforderungen an die Häufigkeit der Meldungen, mögliche Positionen der Lautsprecher, der nötige Schalldruckpegel, die Charakterisierung des Störschalls (z. B. vom Motor) sowie eine Spezifikation der Ansteuersignale für die akustische Anzeige.
Unter Nutzung einer Datenbank können dann optimale Meldesignale unter Berücksichtigung typischer räumlicher Klänge auf den Schiffen erzeugt werden.
Bei Ausführungsbeispielen umfasst die akustische Ansteuerung Techniken wie beispielsweise die binaurale Kodierung oder die oben beschriebene Wellenfeldsynthese. Dabei werden die verschiedenen Techniken anhand von Testaufbauten in Schiffen (oder Eins-zu-Eins-Modellen von der Brücke und/oder des Leitstandes) genutzt. Psychoakustische Experimente können beispielsweise entsprechende Hinweise liefern.
Ausführungsbeispiele setzen Meldesignale ein, die im Schiffsumfeld möglichst gut zu orten sind, gleichzeitig aber möglichst angenehm klingen. Hierbei sind Testaufbauten im Labor oder aber ein Eins-zu-Eins-Modell von der Brücke und/oder des Leitstandes oder in Fahrzeugen sowie psycho- akustische Experimente nützlich.
Weitere Ausführungsbeispiele liefern ferner eine Anbindung von Sensoren und Informationen, die beispielsweise von Radar, Echolot und Seekarten erhalten werden, an die akustische Anzeige. Ein wesentlicher Teil der Anbindung ist dabei die Auswahl der relevanten Objekte, die beispielsweise mittels akustischer Anzeige dargestellt werden sollten.
Ausführungsbeispiele umfassen zusammenfassend beispielsweise die folgenden Aspekte:
(a) Einsatz akustischer Displays in Schiffen;
(b) Anbindung von Radar, Echolot und Seekarten an akustische Displays;
(c) Anbindung von Wetterkarten an akustische Displays;
(d) Anbindung von Funkbojen an akustische Displays für Schiffe;
(e) Auswahl von Objekten nach Wichtigkeit, insbesondere bezüglich des Ortes und der relativen oder der absoluten Geschwindigkeit des Schiffes sowie der Objekte (Schiffe, Unterwasserhindernisse, etc.); und
(f) Auswahl wohlklingender Meldesignale.
Schließlich können die beschriebenen Systeme auch in Automobilen angewendet werden, d.h. weitere Ausführungsbeispiele umfassen ebenfalls entsprechende Systeme zur Fahrerassistenz im Auto. Beispielweise können damit seitlich sich nähernde Fahrzeuge (z. B. beim Spurwechsel) akustisch signalisiert werden.
Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass abhängig von den Gegebenheiten das erfindungsgemäße Schema auch in Software implementiert sein kann. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder einer CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (100) zur akustischen Anzeige einer Position eines Objekts (200) in einem Wiedergaberaum (210), wobei in dem Wiedergaberaum (210) eine Vielzahl von Lautsprechern (220) an räumlich unterschiedlichen Positionen angeordnet sind, so dass durch unterschiedliche Ansteuerung der Lautsprecher (220) unterschiedliche räumliche Positionen akustisch darstellbar sind, mit folgenden Merkmalen:
einer Signalzuordnungseinrichtung (110), die ausgebildet ist, um dem Objekt (200) ein akustisches Signal zuzuordnen; und
einer Lautsprecheransteuereinrichtung (120), die ausgebildet ist, um ein oder mehrere Lautsprechersignale (LS) für die Vielzahl von Lautsprechern (220) zu ermitteln,
wobei das eine oder die mehreren Lautsprechersignale (LS) , durch das die Position des Objekts (200) angezeigt wird, auf dem durch die Signalzuordnungseinrichtung (110) dem Objekt (200) zugeordneten akustischen Signalen basieren, und wobei das eine oder die mehreren Lautsprechersignale (LS) so ermittelbar sind, dass bei Wiedergabe des einen oder mehreren Lautsprechersignalen (LS) die Position des Objekts (200) in dem Wiedergaberaum (210) akustisch angezeigt wird.
2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, die ferner eine Signaldatenbank (140) , die mit der Signalzuordnungseinrichtung (110) ist, aufweist und die Signaldatenbank (140) ausgebildet ist, um verschiedene akustische Signale für verschiedene Objekte (200) bereitzustellen.
3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 2, bei der das zugeordnete akustische Signal davon abhängt, ob das Objekt (200) beweglich oder statisch ist.
4. Vorrichtung (100) nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei der akustische Signale in der Signaldatenbank (140) entsprechend eines Gefahrenpotentials klassifiziert sind und die Signalzuordnungseinrichtung (110) ausgebildet ist, verschiedenen Objekten (200) entsprechend ihrer potentiellen Gefahr akustische Signale aus verschiedenen Klassen zuzuordnen.
5. Vorrichtung (100) nach Anspruch 4, bei der akustische Signale mit einem höheren Gefahrenpotential eine höhe- re Tonfrequenz oder eine höhere Taktfrequenz aufweisen.
6. Vorrichtung (100) nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei der ein akustisches Signal mit einem hohen Gefahrenpo- tential ein Objekt (200) mit einer geringeren Entfernung und ein akustisches Signal mit einem geringen Gefahrenpotential einem Objekt (200) in einer größeren Entfernung zugeordnet wird.
7. Vorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der das Objekt (200) eine Relativgeschwindigkeit zu dem Wiedergaberaum (200) aufweist und bei der das zugeordnete akustische Signal von der Relativgeschwindigkeit abhängt.
8. Vorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen
Ansprüche, bei dem die Lautsprecheransteuereinrichtung
(120) ausgebildet ist, um mehrere Lautsprechersignale
(LS) für die Vielzahl von Lautsprechern (220) zu er- mittein, wobei die Vielzahl von Lautsprechern (220) eine Position in dem Wiedergaberaum (210) zumindest teilweise in einer Ebene umschließen.
9. Vorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Signalzuordnungseinrichtung
(110) ferner einen Eingang (105), der mit einem Sensor (230) zur Positionsbestimmung des Objektes (200) kop- pelbar ist, aufweist und der Sensor (230) ausgebildet ist, die Position des Objekts (200) an die Signalzuordnungseinrichtung (110) zu übermitteln.
10. Vorrichtung (100) nach Anspruch 9, bei der der Sensor (230) ein Radar oder Sonar aufweist.
11. Vorrichtung (100) nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, bei der sich das Objekt (200) durch eine Textmitteilung identifiziert und der Sensor (230) ausgebildet ist, um die Textmitteilung an den Eingang (105) weiterzuleiten und die Vorrichtung (100) ferner ein Text- zu-Sprache-Modul aufweist, das ausgebildet ist, die Textmitteilung in ein Audiosignal umzusetzen und an die Lautsprecheransteuereinrichtung (120) weiterzulei- ten.
12. Vorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Lautsprecheransteuereinrichtung
(120) ausgebildet ist, um genau ein Lautsprechersignal (LS) für genau einen Lautsprecher (22Od) zu ermitteln, wobei der Lautsprecher (220d) im Wiedergaberaum (210) in Richtung des Objekts (200) platzierbar ist.
13. Vorrichtung (100) nach Anspruch 9, bei der das genau eine Lautsprechersignal (LS) genau einen anderen Lautsprecher (220) ansteuert, wenn das Objekt (200) seine Position ändert.
14. Vorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Signalzuordnungseinrichtung
(110) ausgebildet ist, um mehreren Objekten (200) a- kustische Signale zuzuordnen und bei der die Lautsprecheransteuereinrichtung (120) ausgebildet ist, um für jedes der mehreren Objekte (200) Komponentensignale zu erzeugen und die Komponentensignale zu Lautsprechersignalen (LS) zu kombinieren, so dass die mehreren Objekte (200) akustisch an verschiedenen Positionen wahrnehmbar sind.
15. Vorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Lautsprecheransteuereinrichtung
(120) ausgebildet ist, die Entfernung (d) des Objekts (200) durch eine Tonfrequenz oder Taktfrequenz zu kodieren, so dass die Entfernung des Objekts (200) mit einem vorgegebenen Maßstab wahrnehmbar ist.
16. Vorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Signalzuordnungseinrichtung
(110) ausgebildet ist, um dem Objekt (200) ein akustisches Signal in einer vorbestimmten Mindestbandbreite zuzuordnen, so dass das akustische Signal deutlich a- kustisch wahrnehmbar ist.
17. Vorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der Lautsprecheransteuereinrichtung
(120) ein Wellenfeldsynthese-System aufweist, wobei das Wellenfeldsynthese-System ausgebildet ist, um das dem Objekt (200) zugeordnete akustische Signal als virtuelle Quelle wiederzugeben.
18. Vorrichtung zum Abtasten einer Umgebung mit:
einem Sensor (230) zur Bestimmung einer Position eines Objektes (200) in der Umgebung; und
einer Vorrichtung (100) zur akustischen Anzeige nach einem der Ansprüche 1 bis 16, die mit dem Sensor (230) gekoppelt ist und die Position des Objektes (200) von dem Sensor (230) erhält.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei der Sensor (230) ein Radar oder einen Echolot aufweist.
20. Verfahren zur akustischen Anzeige einer Position eines Objekts (200) in einem Wiedergaberaum (210) , wobei in dem Wiedergaberaum (210) eine Vielzahl von Lautsprechern (220) an räumlich unterschiedlichen Positionen angeordnet sind, so dass durch unterschiedliche Ansteuerung der Lautsprecher (220) unterschiedliche Po- sitionen akustisch darstellbar sind, mit folgenden Schritten:
Zuordnen eines akustischen Signals zu einem Objekt (200); und
Ermitteln von einem oder mehreren Lautsprechersignalen (LS) für die Vielzahl von Lautsprechern (220),
wobei das eine oder mehrere Lautsprechersignale (LS) , durch die die Position des Objekts (200) angezeigt wird, basierend auf dem durch die Signalzuordnungseinrichtung (110) dem Objekt (200) zugeordneten akustischen Signalen ermittelt werden, und wobei das eine oder die mehreren Lautsprechersignale (LS) derart er- mittelbar werden, dass bei Wiedergabe des einen oder mehreren Lautsprechersignale (LS) die Position des Objekts (200) in dem Wiedergaberaum (210) akustisch angezeigt wird.
21. Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 20, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
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