FI106355B - Menetelmä ja laite virtuaalisen äänilähteen syntetisoimiseksi - Google Patents

Description

106355

Menetelmä ja laite virtuaalisen äänilähteen syntetisoimiseksi

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen menetelmä virtuaalisen äänilähteen syntetisoimiseksi.

5 Keksinnön kohteena on lisäksi patenttivaatimuksen 16 johdanto-osan mukainen laite virtuaalisen äänilähteen syntetisoimiseksi.

Stereoäänentoistossa pyritään välittämään kuulijalle todellisuutta vastaava äänikuva kahden äänikanavan kautta. Perinteisessä stereoäänentoistossa äänen tulosuunta määräytyy äänisignaalin voimakkuus- ja vaihesuhteista eri kanavilla. Tällöin suunta, 10 josta kuulija havaitsee äänen tulevan, on aina kaiutinparin välisellä alueella tai jommankumman kaiuttimen suunnalla.

Perinteinen kahdella kaiuttimella aikaansaatu stereovaikutelma on rajoittunut erityisesti silloin, kun vasemman ja oikean kanavan kaiuttimet ovat lähellä toisiaan, kuten esimerkiksi televisiossa tai kannettavassa stereoradionauhurissa. Kun molemmat 15 kaiuttimet ovat kuulijaan nähden miltei samassa suunnassa, kovin selviä eroja havaitussa äänien suunnassa ei synny.

Henkilökohtaisten tietokoneiden laskentatehon kasvun mukanaan tuomien multimediasovellusten lisääntyminen on lisännyt tarvetta perinteistä stereoäänentoistoa kehittyneemmälle äänentoistolle, jonka avulla kyettäisiin tarjoamaan kuuntelijalle • · · · 20 entistä vakuuttavampi kolmiulotteinen ääniympäristö. Eräs tunnettu keino laajentaa .···, äänentoistojärjestelmän suunnantoistokykyä on useampien äänikanavien ja kaiutti- mien käyttäminen, mikä on tuttua mm. elokuvateattereista.

• ·

Ihminen havaitsee tulevan äänen suunnan pääasiallisesti eri korvien aistiman äänen kulkuaika- ja amplitudieron avulla. Kaksikanavaisessa äänentoistojärjestelmässä 25 voidaan periaatteessa simuloida kaikkia äänen tulosuuntia muuttamalla edellä mai-nittuja tekijöitä. Tällä tavalla ääni voidaan saada kuulumaan jopa kaiutinparin ulko-puolisesta suunnasta.

• · · • Haluttujen äänten kulkuaika- ja amplitudierojen muodostamisen apuna käytetään tässä menetelmässä ns. HRTF-suodattimia (Head Related Transfer Function).

• · · _ 30 HRTF-suodattimilla tarkoitetaan mittaamalla tai laskennallisesti määritettyjä siirto-: funktioita, jotka kuvaavat tietystä suunnasta saapuvan äänen suodattumista lähinnä '··' pään ja ulkokorvan muotojen vaikutuksesta. HRTF-suodattimien avulla voidaan 2 106355 luoda stereokaiutintoistoon keinotekoinen äänikuva virtuaalisesta äänilähteestä, jos kaiuttimista tuleva ristiinkuuluminen vastakkaisiin korviin otetaan huomioon laskennassa.

Kuvassa 1 on esitetty tunnettu ensimmäinen suodatinjärjestelmä 10 ainakin yhteen 5 virtuaaliseen äänilähteeseen perustuvan äänikuvan toteuttamiseksi. Ensimmäinen suodatinjärjestelmä 10 koostuu ensimmäisestä suodatinlohkosta 17, joka sisältää neljä rinnakkaista suodatinta 11, 12, 13 ja 14, joiden avulla järjestelmään tuotavia signaaleja Xl ja Xr suodatetaan tilavaikutelman aikaansaamiseksi, sekä kahdesta summauselimestä 15 ja 16. Kummassakin kanavassa on kaksi suodatinta, joista toi-10 nen toimii stereolaajennussuodattimena 11; 14 ja toinen ristiinkuulumisen estosuo-dattimena 12; 13.

Mikäli äänilähteet sijaitsevat symmetrisesti kuuntelukohdan ympärillä, voidaan vastaava järjestelmä toteuttaa tehokkaammin kuvassa 2 esitetyllä toisella suodatinjärjes-telyllä 20. Tässä toteutuksessa suodattimet 11, 12, 13 ja 14 on korvattu ensimmäisel-15 lä 24 ja toisella spatiaalisuodattimella 25, jolloin laajennus voidaan toteuttaa vain kahdella suodattimella. Haluttaessa käyttää järjestelmää, jossa suodattimien 24, 25 ominaisuudet ovat erikseen säädettävissä, voidaan suodattimet 24, 25 kytkeä erilliseen suodattimien ohjauksesta huolehtivaan ohjauspiiriin 28, jonka avulla signaalien suodatusta voidaan muuttaa äänikuvan muuttamiseksi.

20 Ongelman edellä kuvatuissa menetelmissä muodostavat HRTF-suodatinten signaalia muokkaavat monimutkaiset viive-ja taajuusvasteominaisuudet. Stereofonisessa ää-nentoistossa tämä ei muodosta ongelmaa, koska niiden avulla saadaan aikaan juuri • · ... haluttu tilavaikutelma. Mikäli käsiteltävissä signaaleissa on läsnä myös monofonista **·\ signaalia, aiheuttavat suodattimet haitallisia vääristymiä, koska monofonisen sig- [ * 25 naalin osan kuuluvuussuuntaa ei tarvitse muuttaa. Tällaisissa järjestelmissä monofo- ninen osuus kuulostaa värittyneeltä. Periaatteessa monofonisen signaalin osan vää- • m v : ristymä voitaisiin korjata lisäämällä järjestelmän ulostuloon yksi suodatinaste lisää, mutta tämä puolestaan vääristäisi haluttua tilavaikutelmaa.

• · • · · • · ·

Monofonisuudella tarkoitetaan tässä patenttihakemuksessa vähintään kahden kana-• · · ... ...

30 van signaalien välillä olevaa yhdenmuotoisuutta. Kaksikanavaisessa järjestelmässä • · ·.: * tämä tarkoittaa sitä, että molemmissa kanavissa kulkevissa signaaleissa on havaitta- vissa yhdenmuotoisuutta. Useampikanavaisessa järjestelmässä tulee monofonisuus r'm määritellä kullekin kanavaparille erikseen. Tällöin on mahdollista, että äänikuvassa on samanaikaisesti useita monofonisia signaaleja.

• · 3 106355

Vastaavasti signaalin stereofonisuudella tarkoitetaan sitä osuutta vähintään kahden kanavan signaalista, joiden välillä ei ole yhdenmuotoisuutta. Edellä määritellyn mukaan on mahdollista, että signaali koostuu osittain monofonisesta ja osittain stereofonisesta signaalista.

5 Kuvassa 3 on esitetty patenttihakemuksen FI 962181 mukainen kolmas suodatinjär-jestely 30, jossa kuvan 2 mukaiseen toiseen suodatinlohkoon 21 on lisätty kolmas suodatin 31, joka viiveominaisuuksiltaan vastaa käytettyjä spatiaalisuodattimia 24 ja 25. Toinen suodatinlohko 21, siihen lisätty kolmas suodatin 31 ja summauselimet 36 ja 37 muodostavat yhdessä kolmannen suodatinlohkon 34. Viitejulkaisun mukaises-10 sa ratkaisussa järjestelmään tulevista signaaleista lasketaan elimessä 32 summa- ja erotussignaalit. Saadun summasignaalin voimakkuutta muutetaan vahvistimilla 33. Vahvistimien 33 jälkeistä signaalia käytetään approksimaationa kanavien sisältämästä monofonisesta signaalista. Saatu monofonisen signaalin approksimaatio vähennetään molempien kanavien signaaleista, jolloin kumpaankin kanavaan jää periaattees-15 sa ainoastaan stereofonista signaalia. Tämän jälkeen stereofoninen signaali ohjataan toiseen suodatinlohkoon 21 tilavaikutelman tuottamiseksi ja monofoninen signaali ohjataan kolmannen suodattimen 31 kautta ohi toiseen suodatinlohkon 21 summattavaksi takaisin toisen suodatinlohkon 21 ulostuloista tuleviin signaaleihin.

Patenttijulkaisun FI-962181 mukaisen ratkaisun ongelmana on, että ratkaisu ei täy-20 sin poista monofonisen signaalin värittymistä. Lisäksi ratkaisussa käytetään mono-fonista signaalia approksimoivan summasignaalin vahvistamiseen ennalta säädettyä * .. I ·' vakioarvoa, jolloin oletetaan mono- ja stereofonisten signaalien suhteen pysyvän *:*: vakiona. Todellisuudessa esimerkiksi tyypillisessä musiikkiäänityksessä stereo- ja monosignaalien suhteet voivat vaihdella suurestikin, mikä esitettyyn ratkaisuun pe- • · * 25 rustuvassa järjestelmässä aiheuttaa epätäydellisen suodatuksen, mikä havaitaan . ·. ·. poikkeavuuksina ja virheinä tuotetussa äänikuvassa.

• · · • · • · · * Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan uusi menetelmä ja laite virtuaalisen äänilähteen syntetisoimiseksi, jolla voidaan poistaa edellä kuvatun tekniikan tason : : : ongelmat. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty 30 patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön mukaiselle laitteelle on tun-. ’ . nusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 16 tunnusmerkkiosassa. Keksin- " I. * nön edullisia suoritusmuotoja on esitelty epäitsenäisissä vaatimuksissa.

• * m · · :\ Keksinnön mukaisessa menetelmässä syntetisoidaan virtuaalista äänilähdettä järjes- ’··. telmässä, jossa on ainakin oikea ja vasen kanava signaalien välittämiseksi ja kana- • · 4 106355 viin on kytketty ainakin yhden suodattimen ja vahvistimen sisältämä suodatinlohko, jonka lävitse signaalit johdetaan.

Keksinnön mukaisesti suodatinjärjestelmään syötettävien signaalien stereofonisuutta arviodaan mono/stereo-arvioijan avulla. Arvioinnin perusteella määritellään kultakin 5 suodattimelta saatavien signaalien vahvistuskertoimet, joiden perusteella vahvistetaan suodattimilta saatuja signaaleja.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa signaalin stereofonisuutta arvioidaan kanavien välisen ristikorrelaation symmetrisyyden perusteella tietyn päätösfunktion avulla. Käytettävä päätösfunktio voi olla esimerkiksi paloittain jatkuva funktio, kuten askel-10 tai ramppifunktio. Mikäli toisen kanavan signaali on merkittävästi voimakkaampi kuin toisen, niin keksinnön eräässä suoritusmuodossa voidaan signaali määritellä stereofoniseksi päätösfunktion arvosta riippumatta.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa signaalin monofonista osaa approksimoiva kanavien summasignaali ohjataan erillisen suodattimen lävitse.

15 Keksinnön eräässä suoritusmuodossa monofonisen virtuaalisen äänilähteen virtuaalista sijaintia siirretään pois kaiutinparin keskiakselilta.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa signaali johdetaan suodatinlohkosta ennen suodattimia erilliseen suodatuslohkoon varhaisten virtuaalisten tilaheijastusten tuottamiseksi, minkä jälkeen suodatetut signaalit summataan alkuperäisen suodatin-20 lohkon suodattimien jälkeisiin signaaleihin. Erillinen suodatinlohko voi sisältää ·:·: esimerkiksi ainakin viivepiirin aikaeron tuottamiseksi syntetisoitavaan varhaiseen tilaheijastukseen, ekvalisointisuodattimen signaalin suodattamiseksi halutulla taa-

• M

juusalueella ja spatiaalisen suodattimen tilaefektin aikaansaamiseksi. Lisäksi erilli-sessä suodatinlohkossa suodatetun signaalin voimakkuutta voidaan edullisesti muut- · 25 taa esimerkiksi mono/stereo-arvioijassa arvioitujen heijastusvoimakkuuskertoimien « · « ’ mukaisesti.

: V: Keksinnön mukaisessa laitteessa on ainakin oikea ja vasen kanava, joihin on kytket- : *:': ty vähintään yksi suodin ja vahvistin.

m • · : Keksinnön mukaisesti laitteessa on välineet signaalin stereofonisuuden arvioimi- 30 seksi, välineet ainakin yhdeltä vahvistimelta saatavan signaalin vahvistuskertoimen määrittämiseksi sekä välineet ainakin yhden vahvistimen ohjaamiseksi määritellyn • ·» vahvistuskertoimen mukaisesti.

• · » · 5 106355

Keksinnön mukaisen laitteen eräässä suoritusmuodossa ainakin osa mainituista välineistä on samoja välineitä.

Keksinnön mukaisen laitteen eräässä toisessa suoritusmuodossa laitteessa on välineet varhaisten tilaheijastusten simuloimiseksi äänikuvaan.

5 Keksinnön avulla saavutetaan tekniikan tasoon nähden parempi äänikuva, kun epä-optimaalisesta vahvistussuhteesta aiheutuvat poikkeavuudet ja virheet voidaan eliminoida tapauksissa, joissa mono- ja stereofonisten signaalien suhteet vaihtelevat.

Lisäksi menetelmä tarjoaa tavan varhaisten tilaheijastusten toteuttamiseksi, mikä mahdollistaa entistä todentuntuisemman tilaefektin luomisen.

10 Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti oheisiin piirustuksiin viittaamalla, joissa kuva 1 esittää tunnettua suodatinjärjestelmää virtuaalisen äänilähteen syntetisoi-miseksi, kuva 2 esittää toista tunnettua suodatinjärjestelmää virtuaalisen äänilähteen synte-15 tisoimiseksi, kuva 3 esittää kolmatta tunnettua jäijestelmää virtuaalisen äänilähteen syntetisoi-miseksi, jossa mono- ja stereofoniset signaalit pyritään erottamaan toisistaan, * • · · · ·:··: kuva 4 esittää erästä keksinnön mukaista adaptiivista suodatinjärjetelmää virtuaa- 20 lisen äänilähteen syntetisoimiseksi, • · * | ’ kuva 5 esittää erästä keksinnön mukaista ratkaisua mono/stereo-arvioijan toteutta- • · · miseksi, • · · » » » • « « kuva 6 esittää kahta keksinnön mukaista ratkaisua mono/stereo-arvioijan päätös- . ·. ·. funktion muodoksi, • · · • · · : 25 kuva 7 esittää erästä keksinnön mukaista suodatinjärjestelmää, jossa on ainakin ' : yksi erillinen suodatinlohko varhaisten virtuaalisten tilaheijastusten toteut- . ··. tamiseksi, ja « · * kuva 8 esittää erästä keksinnön mukaista ratkaisua virtuaalisen äänilähteen synte-tisoimiseksi.

6 106355

Kuvia 1, 2 ja 3 on käsitelty edellä tekniikan tason kuvauksen yhteydessä.

Kuvissa käytetään toisiaan vastaavista osista samoja viitenumerolta ja -merkintöjä.

Kuvassa 4 on esitetty eräs keksinnön mukaisen virtuaalisen äänilähteen syntetisoinnin mahdollistava neljäs suodatusjärjestely 40. Ratkaisun perustana on tekniikan ta-5 son mukainen kuvassa 3 esitetty kolmas suodatuslohko 34, jossa ensin lasketaan kanavista Xl ja Xr summa- ja erotussignaalit ensimmäisessä ja toisessa summauseli-messä 22 ja 23. Tämän jälkeen summasignaali suodatetaan ensimmäisessä spatiaali-suodattimessa 24 ja erotussignaali toisessa spatiaalisuodattimessa 25. Tämän jälkeen suodattimilta 24 ja 25 saadut suodatetut summa- ja erotussignaalit yhdistetään jäl-10 leen kolmannessa ja neljännessä summauselimessä 26 ja 27. Kuvassa 4 katkoviivalla rajattuun neljänteen suodatinlohkoon 42 kuuluu edelleen kolmannen suodatinlohkon 34 mukainen ensimmäisen spatiaalisuodattimen 24 rinnalle kytketty kolmas suodatin 31, joka on viiveominaisuuksiltaan edullisesti identtinen ensimmäisen spatiaalisuodattimen 24 kanssa. Näiden lisäksi neljänteen suodatinlohkoon 42 kuuluu ensimmäi-15 nen vahvistin 45 ensimmäiseltä spatiaalisuodattimelta 24 tulevan signaalin voimakkuuden muuttamiseksi, toinen vahvistin 47 toiselta spatiaalisuodattimelta 25 tulevan signaalin voimakkuuden muuttamiseksi ja kolmas vahvistin 46 kolmannelta suodat-timelta 31 tulevan signaalin vahvistamiseksi sekä viides summauselin 49 toiselta vahvistimelta 45 ja kolmannelta vahvistimelta 46 saatavien signaalien summaami-20 seksi.

Käsiteltävä signaali tuodaan neljänteen suodatinlohkoon 42 kahden kanavan Xl ja • II·

Xi· kautta. Kanavat on kytketty mono/stereo-arvioijaan 41 signaalin stereofonisuu- ,···, den arvioimiseksi.

• · ·

Tunnetun tekniikan mukaisesti muodostetaan neljännessä suodatinlohkossa 42 en-v,: 25 siksi sisääntulokanavien summa- ja erotussignaalit ensimmäisessä 22 ja toisessa summauselimessä 23. Summasignaali johdetaan rinnankytketyille ensimmäiselle spatiaalisuodattimelle 24 ja kolmannelle suodattimelle 31. Erotussignaali johdetaan toiselle spatiaalisuodattimelle 25. Haluttaessa käyttää järjestelmää, jossa suodattimi-.···. en 24, 25, 31 ominaisuudet ovat erikseen säädettävissä, voidaan suodattimet 24, 25, » i « 30 31 kytkeä erilliseen suodattimien ohjauksesta huolehtivaan ohjauspiiriin 28.

• · # # · · ·

Keksinnön mukaisesti suodattimien 24, 25 ja 31 ulostulot on kytketty vastaavasti • · vahvistimiin 45, 47 ja 46, joiden vahvistuskertoimet määräytyvät (Kai, Κ,α, Kmi)

• I

: " mono/stereo-arvioijan 41 suorittaman arvioinnin perusteella. Ensimmäisen 45 ja kolmannen vahvistimen 46 jälkeen kolmannen suodattimen 31 ja ensimmäisen spa- Ί 106355 tiaalisuodattimen 24 kautta tulevat signaalit summataan viidennessä summauseli-messä 49. Lopuksi ensimmäisen spatiaalisuodattimen 24 ja kolmannen suodattimen 31 kautta kulkeneiden signaalien summasignaali ja toisen spatiaalisuodattimen 25 kautta tullut erotussignaali yhdistetään kolmannessa 26 ja neljännessä summauseli-5 messä 27.

Esillä olevan keksinnön kannalta on oleellista, että suodattimilta 24, 25 ja 31 saatavien signaalien keskinäisiä voimakkuuksia säädetään muuttamalla vahvistimien 45, 47 ja 46 vahvistusta mono/stereo-arvioijalta 41 saatujen vahvistuskertoimien mukaisesti siten, että signaalien keskinäiset suhteet ovat mono-ja stereofonisten signaalien 10 suhteesta riippumatta tuotettavan äänikuvan kannalta edullisesti optimaaliset.

Säädettävät vahvistimet 45, 47 ja 46 voidaan sijoittaa myös ennen suodattimia, mutta tällöin tarvittava laskenta monimutkaistuu, koska vahvistustasoihin tehtävät muutokset tulisi tehdä myös spatiaalisuodattimien viivelinjoihin, jolloin vahvistuksen vaihtamisen monimutkaisuus olisi verrannollinen spatiaalisuodattimen pituu-15 teen. Jos vahvistuksen muutoksia ei suoritettaisi myös spatiaalisuodattimen viivelinjoihin, voisi vahvistuksen vaihtumisen havaita virheinä äänikuvassa.

Mono/stereo-arvioija 41 määrittää eri vahvistuskertoimet tutkimalla järjestelmään tulevan signaalin stereofonisuutta. Signaalin stereofonisuuden arvioinnissa voidaan edullisesti käyttää hyväksi sitä tosiseikkaa, että kanavien välinen ristikorrelaatio on 20 symmetrinen jos tutkittava signaali on monofonista. Täten voidaan arvioida tutkitta-van signaalin monofonisuutta testaamalla, kuinka symmetrinen kanavien välinen • I · ristikorrelatio on.

• i i

Signaalin monofonisuutta voidaan arvioida esimerkiksi seuraavan yhtälön avulla: ’ ·*· ’ \r[n]l[n-\]-l[n]r[n-1]|+.. ,+|r[n]l[n - N] - l\n\r[n - N]| - φ[η]/[«]| = j < ° monofonmen .•j·, [> 0 = stereofoninen 25 jossa /[n] on vasemman kanavan ja r[n] oikean kanavan signaali ajan hetkellä n ja c *.*.· on vakio. Yhtälö koostuu halutusta määrästä korrelaatiotermejä (1...N), joissa laske- • · · V · taan oikeassa kanavassa ajan hetkellä n olevan signaalin ja vasemman kanavan ai- : kaisemman ajan hetken (n-x, jossa x = 1...N) tulon ja vasemmassa kanavassa ajan • «· · .···. hetkellä rt olevan signaalin ja oikean kanavan aikaisemman ajan hetken (n-x, jossa I « '·' 30 x - 1...N) tulon erotuksen itseisarvo. Ristikorrelaatiotermien summasta vähennetään kanavien signaalien tulon itseisarvo ajanhetkellä n kerrottuna vakiokertoimella c.

Vakiokertoimen c avulla määritellään se, kuinka korkea monofonisen signaalin • I « 8 106355 osuuden tulee olla, jotta signaali luokiteltaisiin monofoniseksi. Mitä suurempaa määrää korrelaatiotermejä käytetään eli mitä suurempi N on, sitä tarkemmin signaalin stereofonisuus voidaan määrittää.

Mikäli tutkittavien kanavien signaaleissa on ennalta tunnettua voimakkuuseroa, esi-5 merkiksi kun tiedetään, että toisen kanavan signaali on aina hiukan toista voimakkaampi, voidaan tulosignaaleille tehdä balanssinkorjaus kertomalla edellä esitellyssä yhtälössä toisen kanavan signaalin voimakkuus sellaisella vakiolla, että tunnettu voimakkuusero kompensoituu.

Alan ammattimiehelle on ilmeistä, ettei edellä esitetty signaalien väliseen ristikorre-10 laatioon perustuva menetelmä ole ainoa menetelmä signaalin monofonisuuden arvioimiseksi. Stereofonisuuden arviointi voidaan suorittaa myös muilla, esimerkiksi kanavien välisten signaalien amplitudi- tai vaihe-erojen vertailuun perustuvilla menetelmillä.

Kuvassa 5 on esitetty eräs ratkaisu mono/stereo-arvioijan toteuttamiseksi, jossa kor-15 relaatiolohko 51 toteuttaa esimerkiksi edellä esitetyn kaavan mukaisen korrelaatio-määrityksen. Korrelaatiolohkosta 51 saatava signaali voidaa tämän jälkeen johtaa alipäästösuodatuslohkoon 52, joka tasoittaa nopeita korrelaatiosignaalin muutoksia. Tasoittavan suodatuksen avulla voidaan sinänsä tunnetulla tavalla säätää, kuinka nopeasti mono/stereo-arvioija reagoi tutkittavan signaalin stereofonisuudessa tapah-20 tuviin muutoksiin.

• Il •*,:t Kun signaalin stereofonisuudesta on saatu arvio esimerkiksi edellä esitetyn mene- ' ' telmän avulla, tulee stereofonisuuden perusteella ratkaista kunkin vahvistimen halut- tu edullisesti optimaalinen vahvistus kyseisellä mono/stereo-signaalien suhteella. Tämä voidaan määrittää esimerkiksi kuvassa 5 esitetyllä päätösfunktiolohkolla 53, 25 johon alipäästösuodatettu korrelaatiosignaali ohjataan.

··· • · * • · ·

Kuvissa 6a ja 6b on graafisesti esitetty kaksi esimerkkiä käytettävän päätösfunktion , . muodoksi. Molemmissa kuvissa x-akselin arvo kuvaa signaalin stereofonisuutta, jo- • · · *·*·* ka on voitu saada esimerkiksi edellä kuvatulla tavalla ristikorrelaation avulla. Y- • · · V * akselin arvo kuvaa muuttujaa K, jota voidaan käyttää säädettävien vahvistimien sää- • 30 dössä. Muuttujan K arvo vaihtelee tyypillisesti kahden ennalta määrätyn luvun vä- • * * * .··*. Iissä, edullisesti esimerkiksi välillä 0-1 siten, että K:n arvolla 0 signaali on täysin monofonista ja K:n arvolla 1 täysin stereofonista. Käytettävä päätösfunktio on edul- » · : lisesti paloittain jatkuva, jolloin kaikilla stereofonisuuden arvoilla voidaan määritel- ·...· lä arvo muuttujalle K.

9 106355

Kuvassa 6a on esitetty askelmainen päätösfunktio, joka määrittää signaalin aina joko täysin monotoniseksi (K=0) tai täysin stereofoniseksi (K=l). Kuvan 6a mukainen päätösfunktio on hyödyllinen mono/stereo-arvioijaa viritettäessä, mutta johtuen funktion epäjatkuvuudesta syntyy äänikuvaan korvin kuultavia virheitä signaalin 5 vaihtuessa monofonisen ja stereofonisen tilan välillä.

Kuvassa 6b esitetty ramppimainen päätösfunktio on askelmaista käyttökelpoisempi virtuaalisen äänilähteen tyypillisissä sovelluksissa. Ramppimaista päätösfunktiota käytettäessä muuttuja K voi saada arvoja myös ääriarvojensa välistä, jolloin tutkittavan signaalin katsotaan sisältävän osaksi monofonista ja osaksi stereofonista signaa-10 lia.

Alan ammattimiehelle on selvää, etteivät mahdolliset päätösfunktion muodot rajoitu edellä esitettyihin esimerkkeihin, vaan päätösfunktiona voidaan käyttää myös toisenlaisen muodon omaavia funktioita näin haluttaessa.

Käytettävästä signaalin stereofonisuuden arvioinnista riippuen on mahdollista, että 15 tapauksissa, joissa toisen kanavan signaalin voimakkuus on merkittävästi suurempi kuin toisen, kuten tapauksissa, jossa toinen kanava on mykkä, käytetty algoritmi voi arvioida signaalin erheellisesti monofoniseksi. Tämä voidaan ehkäistä lisäämällä päätösfunktioon ylimääräinen testi, joka ilmoittaa signaalin stereofoniseksi, jos eri kanavien signaalien voimakkuudet eroavat merkittävästi toisistaan.

. 20 Päätösfunktiolta saatua arvoa käytetään tämän jälkeen säätämään kuvassa 4 esitetty- ··· jen vahvistimien 45, 46 ja 47 vahvistuksia. Vahvistuskertoimet voidaan määrittää ’ ’ esimerkiksi seuraavasti !:::i *.,=**<? ·.· Kbl ~ 1 ::!:5 = i - καχ • · * • · · jossa Kai on ensimmäisen spatiaalisuodattimen 24 jälkeisen ensimmäisen vahvisti-25 men 45 vahvistuskerroin, Kbi on toisen spatiaalisuodattimen 25 jälkeisen toisen • · vahvistimen 47 vahvistuskerroin ja Kmi on kolmannen suodattimen 31 jälkeisen kolmannen vahvistimen 46 vahvistuskerroin. Vakiokertoimella c rajoitetaan ensim- • · f mäisen spatiaalisuodattimen läpi tulevan signaalin vahvistusta signaalin ollessa täy- :' sin stereofonista (K= 1).

• · • · • · 30 Eräs tapa luoda yhä vakuuttavampia äänikuvia on lisätä virtuaalisen äänilähteen syntetisoituun äänikuvaan informaatiota sen virtuaalisen tilan koosta ja akustisista 10 106355 ominaisuuksista, jossa virtuaalinen äänilähde sijaitsee. Äänikuvaan voidaan tuottaa informaatiota virtuaalisesta tilasta esimerkiksi lisäämällä äänikuvaan virtuaalisen tilan aiheuttamia varhaisia ja myöhäisiä tilaheijastuksia (early and late room reflections) ja vaimennusefektejä. On tunnettua mallintaa varhaisia tilaheijastuksia geo-5 metrisen akustiikan avulla samoin kuin on tunnettua käyttää rekursiivisia suodatin-rakenteita virtuaalisen tilan aiheuttamien vaimenemisten mallintamiseen.

Kuvassa 7 on esitetty keksinnön mukaiseen kuvassa 4 esitettyyn neljänteen suoda-tinjärjestelyyn 40 perustuva ratkaisu virtuaalisten akustisten tilojen syntetisoimisek-si. Neljänteen suodatinjärjestelyyn 40 on kuvassa 7 lisätty erillinen suodatinlohko 10 71 varhaisten tilaheijastusten syntetisoimiseksi. Erillisiä heijastuksia ja muita efek tejä tuottavia lohkoja voi käytettävissä olevan laskentatehon rajoissa olla useampiakin. Seuraavassa keksinnön mukaista ratkaisua selostetaan viittaamalla kuvassa 7 esitetyn yhden erillisen suodatuslohkon 71 käyttämiseen. Mikäli erillisiä suodatin-lohkoja on useampia, järjestetään niiden toiminta vastaavasti.

15 Käytettäessä kuvan 4 tapaista neljättä suodatinjärjestelyä 40, ensimmäiseltä ja toiselta summauselementiltä 22 ja 23 saatavat kanavien summa- ja erotussignaalit ohjataan erilliseen suodatinlohkoon 71 varhaisten tilaheijastusten syntetisoimiseksi. Varhaisten tilaheijastusten laskentaan käytetty suodatinlohko 71 käsittää sekä summa-että erotussignaalille edullisesti ainakin yhden viivepiirin 72a; 72b, ekvalisointisuo-20 dattimen 73a; 73b, spatiaalisuodattimen 74a; 74b sekä vahvistimen 75a; 75b. Viive-piirit 72a ja 72b aiheuttavat varhaiseen tilaheijastukseen viiveen, joka vastaa aika-eroa suoraan virtuaalisesta lähteestä tulevan ja heijastuneen äänen välillä. Ekvali-sointisuodattimet 73a ja 73b mallintavat ilmassa ja heijastuksen yhteydessä tapahtu- :'": vaa korkeiden taajuuksien vaimenemista. Spatiaalisuodattimet 74a ja 74b luovat var- ♦ · 25 haiselle tilaheijastukselle samankaltaisen kolmiulotteisen äänikuvan kuin spatiaali-suodattimet 24 ja 31. Säädettävien vahvistimien 75a ja 75b avulla säädetään heijas- t « · tuneiden signaalien voimakkuutta heijastus voimakkuuksien K2i ja K 22 mukaiseksi.

' Heijastus voimakkuuksien laskenta on sinänsä tunnettua tekniikkaa, joka voidaan toteuttaa esimerkiksi lisäämällä mono/stereo-arvioijaan 41 tarvittavat välineet heijas- • · · ’·[·* 30 tusvoimakkuuksien K2i ja K22 laskennan suorittamista varten.

• · * f « m . \ Erilliseltä suodatinlohkolta 71 saatavat varhaisia tilaheijastuksia kuvaavat summa-ja erotussignaalit summataan viidennessä 49 ja kuudennessa summauselimessä 76 ta- • · kaisin neljännessä suodatinjärjestelyssä 40 vastaaviin suodattimien 24, 25, 31 jälkei-siin summa-ja erotussignaaleihin.

• · • · 11 106355

Keksinnön mukaiset ratkaisut eivät rajoitu edellä esitettyissä esimerkeissä esitettyihin ratkaisuihin, vaan ratkaisut voivat vaihdella patenttivaatimusten määrittelemissä rajoissa. Erityisesti keksinnön mukainen ratkaisu ei rajoitu kuvan 2 tapaiseen suoda-tinjärjestelyyn 20, vaan keksinnön mukaista ratkaisua voidaan soveltaa myös muun-5 laisissa suodatinjärjestelyissä, kuten kuvassa 8 on esitetty.

Kuvassa 8 on esitetty keksinnön mukainen ratkaisu virtuaalisen äänilähteen synteti-soimiseksi kuvassa 1 esitettyyn ensimmäiseen suodatinjärjestelyyn 10 perustuvassa suodatinjärjestelmässä. Kuvan 8 selventämiseksi on kytkentään mahdollisesta kuuluva suodattimien ohjaukseen käytetty ohjainpiiri 28 ja siihen liittyvät kytkennät jä-10 tetty piirtämättä, Ratkaisussa signaalin stereofonisuutta tutkitaan mono/stereo-arvioijan 41 avulla, jonka avulla määritellään vahvistuskertoimet suodattimien 11, 12, 13, 14, 88 ja 89 jälkeisille vahvistimille 82, 83, 84, 85, 86 ja 87. Ennen suodattimia molemmista kanavista olevista signaaleista ohjataan osa summauselimelle 91 signaalin monofonisuutta approksimoivan summasignaalin tuottamiseksi.

15 Summasignaali jaetaan viidennelle 88 ja kuudennelle suodattimelle 89 halutun suodatuksen toteuttamiseksi monotoniselle signaalille. Suodatuksen jälkeen viidenneltä suodattimelta 88 tuleva signaali ohjataan viidennelle vahvistimelle 86, joka säätää vasempaan kanavaan syötettävän monofonisen signaalin voimakkuutta mono/stereo-arvioijalta 41 saadun vahvistuskertoimen K3a mukaisesti. Vastaavasti kuudes suoda-20 tin 89 ja kuudes vahvistin 87 muokkaavat oikeaan kanavaan syötettävää monotonista signaalia mono/stereo-arvioijalta 41 saadun vahvistuskertoimen K3b mukaisesti. Tämän jälkeen saadut monofoniset signaalit summataan vasemman ja oikean kana-van summauselimillä 15 ja 16 vastaaviin äänilähteille meneviin kanaviin.

• « · • ·

Vasemman kanavan stereolaajennussuodatin 11 luo vasemman kanavan signaaliin . . 25 halutun tilavaikutelman ja vasemman kanavan ristiinkuulumisenestosuodatin 12 oh- • · · jaa vasemman kanavan signaalin kuuluvuutta oikeasta kanavasta. Vastaavasti oikean * · * *·* · kanavan stereolaajennussuodatin 14 luo oikean kanavan signaaliin halutun tilavaiku telman ja oikean kanavan ristiinkuulumisenestosuodatin 12 ohjaa oikean kanavan « ♦ :.v signaalin kuuluvuutta vasemmasta kanavasta. Keksinnön mukaisesti kaikkien esite- :T: 30 tyjen suodattimien jälkeen on sijoitettu vahvistimet 82, 83, 84 ja 85, joiden avulla ; X säädetään kultakin suodattimelta saatavan signaalin voimakkuutta mono/stereo- • · « arvioijalta saatujen vahvistuskertoimien K)a, K!b, K2a ja K2b mukaisesti. Signaalien voimakkuuden säädön jälkeen vasemman kanavan stereolaajennussuodattimen 11 * » • ’·· jälkeiseltä vahvistimelta 82 saatava signaali summataan vasemman kanavan sum- 35 mauselimessä 15 oikean kanavan ristiinkuulumisenestosuodattimen 13 jälkeiseltä vahvistimelta 84 saatavan signaalin kanssa. Vastaavasti oikean kanavan stereolaa- 12 106355 jennussuodattimen 14 jälkeiseltä vahvistimelta 85 saatava signaali summataan oikean kanavan summauselimessä 16 vasemman kanavan ristiinkuulumisenestosuo-dattimen 12 jälkeiseltä vahvistimelta 83 saatavan signaalin kanssa.

Venattuna kuvassa 4 esitettyyn keksinnön mukaiseen neljänteen suodatinjärjeste-5 lyyn 40 kuvassa 8 esitellyn ratkaisun etuna se, ettei äänikuvassa tarvitse rajoittua symmetrisesti kuuntelukohdan ympärille sijoittuneisiin äänilähteisiin.

Kuvan 8 mukaisella toteutuksella voidaan toteuttaa esimerkiksi ratkaisu, jossa mo-nofonisen äänikuvan ei tarvitse välttämättä kuulua äänilähteiden keskeltä, kuten kuvan 4 mukaisessa ratkaisussa. Kuvan 8 mukaisella ratkaisulla luodun äänikuvan 10 avulla voidaan monofoninen signaali saada kuulumaan halutusta äänilähteiden välisestä pisteestä.

• t · ·« · • · « · • · · • · 1 • m • · · • · · • · 1 « · • · · • · · • · • · · t · 1 • · · * • · « « · • i · · • « 1 « 11· • « · « 11 « 1 • · f

Claims (18)

1, Menetelmä virtuaalisen äänilähteen syntetisoimiseksi järjestelmässä (40), jossa on ainakin oikea ja vasen kanava signaalin välittämiseksi ja kanaviin on kytketty vähintään yksi suodatin (24; 25; 31) ja vahvistin (45; 46; 47), tunnettu siitä, että 5 signaalin stereofonisuutta arvoidaan mono/stereo-arvioijan (41) avulla, ja arvioinnin perusteella määritellään mainitulla ainakin yhdellä suodattimella (24; 25; 31) saatavien signaalien vahvistuskertoimet (Kai, Ka2, Km]), ja mainitulla ainakin yhdellä suodattimella (24; 25; 31) saatujen signaalien voimakkuutta muutetaan määriteltyjen vahvistuskertoimien (Kal, K^, Kml) mukai-10 sesti.

2 Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että signaalien voimakkuutta muutetaan määriteltyjen vahvistuskertoimien (Kai, K^, Kmi) mukaisesti ennen suodattimia (24; 31; 25),

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että signaalin ste-15 reofonisuutta arvioidaan kanavien välisen ristikorrelaation symmetrisyyden perusteella tietyn päätösfunktion avulla.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jos toisen ka- navan signaali on merkittävästi voimakkaampi kuin toisen, niin signaali määritellään *"päätösfunktiosta riippumatta stereofoniseksi. • ·

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytettävä ····: päätösfunktio on paloittain jatkuva. • · • · ·

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytettävä • · · *·1 1 päätösfunktio on askelfunktio.

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytettävä • · 25 päätösfunktio on ramppifunktio.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että monosignaali «il i j·”. ohjataan erillistä kanavaa ainakin ensimmäisen spatiaalisuodattimen (24) ohitse. ; 1··

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että monofonisen virtuaalisen äänilähteen kuulumiskohtaa siirretään pois kaiutinparin keskiakselilta. 14 106355

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että signaali johdetaan ennen mainittua ainakin yhtä suodatinta (24; 25; 31) ainakin yhteen erilliseen suodatuslohkoon (71) varhaisten virtuaalisten tilaheijastusten syntetisoimiseksi signaaliin, minkä jälkeen muokattu signaali summataan takaisin vastaavaan mainitun 5 ainakin yhden suodattimen (24; 25; 31) jälkeiseen signaaliin.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitussa erillisessä suodatuslohkossa (71) signaali johdetaan ainakin ekvalisointisuodattimen (73a; 73b) lävitse signaalin voimakkuuden säätämiseksi tietyillä taajuusalueilla.

12. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitussa 10 erillisessä suodatuslohkossa signaali johdetaan ainakin spatiaalisen suodattimen (74a; 74b) lävitse tilaefektin aikaansaamiseksi.

13. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitussa erillisessä suodatuslohkossa (71) suodatuksen jälkeen signaalin voimakkuutta muutetaan heijastusvoimakkuusarvojen mukaisesti.

13 106355

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että heijastus- voimakkuusarvot lasketaan mono/stereo-arvioijassa.

15. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitussa erillisessä suodatuslohkossa (71) signaali johdetaan ainakin viivepiirin (72a; 72b) Ml ···' lävitse.

16. Laite virtuaalisen äänilähteen syntetisoimiseksi, jossa laitteessa on ainakin oi- * · t kea ja vasen kanava signaalin välittämiseksi ja kanaviin on kytketty vähintään yksi ..... suodatin (24; 25; 31) ja vahvistin (45; 46; 47), tunnettu siitä, että laitteessa on väli- neet (41) signaalin stereofonisuuden arvioimiseksi, välineet (41) ainakin yhdeltä vahvistimelta (24; 25; 31) saatavan signaalin vahvistuskertoimen (Kai, Ka2, Kml) 25 määrittämiseksi sekä välineet (41) vahvistimien (24; 25; 31) ohjaamiseksi vahvis-tuskertoimien (Kai, Ka2, Kml) mukaisesti.

• · · • § · • · · , ·. 17. Patenttivaatimuksen 16 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainituista väli- • · · neistä ainakin kaksi ovat samoja välineitä (41).

« · ./ 18. Patenttivaatimuksen 16 mukainen laite, tunnettu siitä, että laitteessa on välineet 30 (72a, 72b, 73a, 73b, 74a, 74b, 75a, 75b) varhaisten tilaheijastusten syntetisoimisek- si. • 9 15 106355