Mechanismen und Systeme zur Verarbeitung
von Interaktivem 3-D Audio in Echtzeit

Severin S. Todt - XI5392

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Einführung

3-D Audio
Als 3-D Audio wird in der natürlichen Umgebung des Menschen Audio bezeichnet das aus allen ihn umgebenden Richtungen wahrgenommen und differenziert werden kann.
Im Informatikumfeld beschreiben 3-D Audio Systeme Komponenten, die es ermöglichen, die natürlichen Bedingungen beim Hören künstlich zu generieren.
Typischerweise stellt ein solches System Möglichkeiten zur Verfügung, künstliche Soundquellen so im Rahmen einer Anwendung zu positionieren und wiederzugeben, daß der Hörer den Eindruck eines natürlichen Umfeldes vermittelt bekommt.
Zur Erzeugung von künstlichen 3-D Audio Klangbildern kommen verschiedene Techniken zum Einsatz.

Binaural Audio
Binaurale Audiotechniken orientieren sich an der Menschlichen Audiowahrnehmung.
Nutzt der Mensch zwei (bi) Rezeptoren zur Wahrnehmung werden bei dieser Technik zwei Wiedergabekanäle zur Audioreproduktion genutzt. Binaurale Audiotechniken versuchen dabei die Bedingungen an den Trommelfellen bei der Wahrnehmung eines Audiosignals so zu simulieren, wie sie in der Natur auftreten würden.
Da die Bedingungen an den Trommelfellen von vielen Einflußfaktoren wie der Kopfgröße, dem Einfluß des Körpers, der Beschaffenheit des Ohres und vielen weiteren Faktoren abhängt, ist das wiederzugebene Audiosignal durch eine Funktion zu manipulieren.
Die "Head Realted Transfer Function" (HRTF) berücksichtigt die oben angegebenen individuellen Parameter und sorgt für eine Frequenzverschiebung und Amplitudenanpassung wie sie ein Audiosignal in einer natürlichen Umgebung erfahren würde. Zur Generalisierung der binauralen Audiotechniken kommen normalisierte HRTF zum Einsatz, die unter Abstrichen in der Präzision der Positionierung eine beschleunigte und allgemeine Verarbeitung zulassen.
Die Wiedergabe erfolgt wahlweise über Kopfhörer oder Lautsprecher. Während die Kopfhörerwiedergabe durch eine quasi störungsfreie Wiedergabe überzeugt, sind bei Lautsprechern weitere Aufwendungne nötig, um negative Effekte durch "Übersprechungseffekte" oder Störungen von außen zu minimieren.

Multichannel Audio
Entgegen der Verwendung von zwei Wiedergabekanälen bei der binauralen Technik kommen bei der Multichannel Audio Wiedergabe zur Erzeugung eines 3-D Klangbildes eine Vielzahl (>3) Kanäle zum Einsatz.
Die Multichannel Systeme zur Erzeugung von 3-D Klangbildern sind nicht zu verwechseln mit Multichannel Surround Systemen die im Entertainment Bereich zum Einsatz kommen. Die Verwendung von Surround Systemen ermöglicht die Erzeugung eines Klangbildes mit Ausbreitung auf der horizontalen Ebene, doch bleibt die Berücksichtigung der dritten Ebene, der Höheninformation, diesen Systemen verschlossen.
3-D Audio Multichannel Systeme bedienen sich eines Lautsprecherfeldes zur Wiedergabe. Die Lautsprecher sind dabei im Raum so positioniert, daß sie alle Dimension gleichmäßig abdecken.

Multichannel System
Installation im VR Labor der Fachhochschule Wedel
Bei Multichannel Systemen werden nicht die Bedingungen an den Trommelfellen des Hörers simuliert, vielmehr werden unter Verwendung von stereophonen Techniken virtuelle Soundquellen durch die Anpassung von Intensitäten bei der Wiedergabe in beliebigen Positionen zwischen den Lautsprechern positioniert.
Es werden also die Soundquellen nicht die Bedingungen simuliert.
Zur Simluierung kommen dabei speziell für Multichannel Systeme entwickelte stereophone Techniken wie "Vector Based Amplitude Panning" (VBAP) oder Ambisonic zum Einsatz. VBAP setzt dabei zur Simulation von Soundquellen stets drei der vorhandenen Kanäle ein, um eine virtuelle Soundquelle wiederzugeben, wohingegen die Ambisonic Technik immer alle verfügbaren Lautsprecher nutzt und so einen räumlicheren Klang erzeugt.

Echtzeit 3-D Audio
Echtzeit 3-D Audio bezeichnet die Erzeugung eines künstlichen 3-D Klangbildes unter Nutzung der vorgestellten Techniken in Echtzeit unter fortlaufender Berücksichtigung sich ändernder Verhältnisse.
Die Wiedergabe ist dabei gekoppelt an und abgestimmt auf extern auftretende Ergeignisse, die den Ablauf verändern können. Die Aufgrund der Verhältnisse auftretenden Effekte werden dabei on the fly berechnet.

Interaktives 3-D Audio
Interaktives 3-D Audio ist als Spezialform von Echtzeit 3-D Audio zu verstehen.
Bei interaktivem 3-D Audio werden speziell User Eingaben als externe Ereignisse in Echtzeit verarbeitet.
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