Binaural technology for virtual reality

Lentz, Tobias; Vorländer, Michael

doi:hsb910011485

Binaural technology for virtual reality = Binauraltechnik für virtuelle Umgebungen

Lentz, Tobias (Author)

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Tobias Lentz

ImpressumBerlin : Logos-Verl. 2008

UmfangVI, 156 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-8325-1935-3

ReiheAachener Beiträge zur technischen Akustik ; 6

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Vorländer, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-11-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-24662
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51299/files/Lentz_Tobias.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Technische Akustik (613510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Binaurales Hören (Genormte SW) ; Virtuelle Realität (Genormte SW) ; Kunstkopf (Genormte SW) ; Raumakustik (Genormte SW) ; Immersion <Virtuelle Realität> (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Übersprechkompensation (frei) ; Binaurale Synthese (frei) ; Nahfeld-HRTFs (frei) ; Richtcharakteristik (frei) ; Raumakustik-Simulation (frei) ; Crosstalk Cancellation (frei) ; Binaural Synthesis (frei) ; Nearfield-HRTFs (frei) ; Directivity (frei) ; Room Acoustical Simulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
pacs: 43.66.Pn * 43.66.Qp * 43.55.Ka * 43.60.Dh

Kurzfassung
Die Erzeugung und Nutzung künstlicher virtueller Umgebungen gewinnt immer mehr an Bedeutung und wird vor allem in Bereichen wie dem Produktdesign, der Prototypen-Evaluierung und in der Forschung zur Veranschaulichung komplexer Datensätze eingesetzt. In der Vergangenheit lag der Schwerpunkt auf der visuellen Darstellung um beliebige Geometrien dreidimensional anzuzeigen (stereoskopische Darstellung). Da sich die Wahrnehmung jedoch aus einer Vielzahl verschiedener Sinneseindrücke zusammensetzt, ist es wünschenswert, auch die Repräsentation der virtuellen Szenen multimodal und interaktiv zu gestalten. Im Rahmen dieser Arbeit werden zunächst Techniken beschrieben und evaluiert, mit denen eine Erweiterung der Darstellung um die akustische Komponente möglich ist. Des Weiteren wird die Implementierung eines Softwaresystems beschrieben, welches die vorgestellten Techniken nutzt, um komplexe akustische Szenen mit räumlich verteilten Schallquellen möglichst authentisch in Echtzeit zu realisieren. Das vorgestellte System verwendet die Binauraltechnik (binaural: "beidohrig") mit dem Ziel, an den Ohren des Benutzers das Schallsignal zu reproduzieren, das auch im Original-Umfeld dort herrschen würde. Um eine möglichst authentische Simulation zu gewährleisten, ist es erforderlich, alle beteiligten Komponenten, die das Schallfeld beeinflussen, mit einer höchstmöglichen Genauigkeit nachzubilden. Dazu gehört die Beschreibung der Quelle mit ihrem charakteristischen winkel-, abstands- und zeitabhängigen Abstrahlverhalten, die Schallausbreitung in der virtuellen Szene (Raumakustik), die gehörbezogene Berücksichtigung (binaural) aller Schallfeldanteile und letztendlich die exakte Reproduktion dieses künstlichen Schallsignals an den Ohren des Benutzers. Ein besonderer Schwerpunkt wird in dieser Arbeit auf die Reproduktionstechnik gelegt. Es wird eine dynamische Übersprechkompensation vorgestellt, die eine Wiedergabe über Lautsprecher ermöglicht. Um die benötigte Kanaltrennung für eine korrekte binaurale Wiedergabe auch im dynamischen Fall zu garantieren, werden die benötigten Filter zur Laufzeit entsprechend den Positionsinformationen mit gemessenen Außenohrübertragungsfunktionen berechnet. Schließlich wird die Integration dieses Audiosystems in das am Rechen- und Kommunikationszentrum vorhandene fünfseitige VR-Displaysystem beschrieben und evaluiert.

The generation and use of non-intrusive artificial virtual environments is gaining more and more importance. Virtual environments are used in a variety of fields such as product design or evaluation of prototypes. Moreover they turned out to be very effective for the visualization of complex data sets. In the past, investigations were focused mainly on the visual reproduction technique to present geometrical data in a three-dimensional way (stereoscopic representation). However, the human perception consists not only of visual input but is based on a number of sensations and thus it would be worthwhile to create multi-modal and interactive virtual environments. In this thesis, first of all the techniques required to include the acoustic component into a virtual environment are described and assessed. Furthermore the implementation of a software system is described, which takes advantage of these techniques to create complex acoustical scenes in real time. It features spatially distributed sound sources which are utilized to create an environment that is as authentic as possible. The system is based on the binaural technology (binaural: "concerning both ears") and aims at reproducing a sound for the ears of the user that is equivalent to the sound in an original surrounding. It is essential to set up a sound field that is as exact as possible, to achieve a simulation with the highest degree of authenticity. This comprises a description of the source, including its relevant angle-, distance- and time dependent radiation, the sound distribution in the virtual scene (room acoustics), the perception-related consideration of all sound field components, as well as the exact reproduction of the artificial sound at the ears of the user. Therefore, the focus of the thesis is also put on the reproduction technology. In this context, an approach for dynamic crosstalk cancellations is presented, which enables a loudspeaker-based reproduction for binaural acoustical imaging instead of using headphones. Filters are necessary to ensure the required channel separation in a dynamic setting. These filters are calculated in real time on the basis of the given data concerning the position and measured transfer functions of the outer ear. Furthermore the integration of this spatial audio system into a Virtual Reality display system (five-sided CAVE-like environment) at the Center for Computing and Communication, RWTH Aachen University, is described and evaluated.

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