Auditorische Illusionen Virtuelle Akustik zur Evaluation neuer Hörsysteme

Transkript

1 Auditorische Illusionen Virtuelle Akustik zur Evaluation neuer Hörsysteme Norbert Dillier UniversitätsSpital Zürich Klinik für Ohren-, Nasen-, Halsund Gesichtschirurgie (ORL)

2 Leben in der Kommunikationsgesellschaft

3 Schall- und Lärmquellen im Hörfeld

4 Auf der Baustelle

5 vom Ohr zum Gehirn (und zurück) Zentrale Verarbeitung Schallleitung Schallaufnahme Schallverarbeitung Schalltransformation Rückkopplung

6 Wahrnehmung auditorischer Objekte Einzelne Instrumente eines Orchesters werden separat gehört Das Gehör kann also Schallquellen trennen und akustische Objekte erkennen Mechanismen? Mingus Big Band: Jump Monk

7 Figur-Hintergrund Problem... woher weiss das Gehör, welche Komponenten zu welchem Ereignis, zu welcher Schallquelle gehören? (Auditorische) Bilder entstehen auf zwei Arten: Durch Fusion, auditorische Integration oder Gruppierung Durch Trennung, Separierung

8 Gestalt - Prinzipien (a) Kontinuität verbundene Regionen eines Bildes werden als Einheit gruppiert (b) Nähe in der Nähe liegende Elemente werden gruppiert (c) Ähnlichkeit Gruppierung ähnlicher Elemente (d) gleiches Schicksal Elemente welche sich räumlich und zeitlich kohärent verändern (e) Abgeschlossenheit bilden Elemente eine geschlossene Kontour, werden sie gruppiert. (f) glatter Übergang glatte Übergänge statt abrupte Veränderungen, die kreuzenden Linien werden hier gesehen und nicht zwei sich berührende Linien, Körper (g) Symmetrie symmetrisch eingefasste Gebiete erscheinen als gruppiertes Bild

9 Stufen der Wahrnehmung auditorischer Objekte (nach A. Bregman Auditory Scene Analysis ) Gruppierungsverfahren: primitives Gruppieren Gruppieren nach Schema Gestalt-Prinzipien Bildung von Ereignissen Bildung von Quellen

10 Beispiele (A. Bregman, Auditory Scene Analysis) Separierung von Melodien (stream segretation), Kontinuitätsprinzip, Variation der zeitlichen Abfolge (track01)

11 Beispiele (A. Bregman, Auditory Scene Analysis) Rhythmus und Melodie ändern bei Separierung von Tonsequenzen (Geschwindigkeit und Frequenz) (track03)

12 Beispiele (A. Bregman, Auditory Scene Analysis) Trennung (segregation) von Melodie und überlagerten Tönen durch Frequenzverschiebung (track05) 5 khz 0

13 Beispiele (A. Bregman, Auditory Scene Analysis) «Streaming», 2 afrikanische Xylophon-Ton- Sequenzen, einzeln und kombiniert (track07)

14 Beispiele (A. Bregman, Auditory Scene Analysis) «Streaming», 2 afrikanische Xylophon-Ton- Sequenzen, unterschiedliche Tonhöhen (track08)

15 Beispiele (A. Bregman, Auditory Scene Analysis) Tonsequenz mit Frequenzübergängen fördert einheitliche Wahrnehmung (track12)

16 Beispiele (A. Bregman, Auditory Scene Analysis) Gekreuzte Sequenzen werden vorwiegend ungekreuzt wahrgenommen (track17)

17 Beispiele (A. Bregman, Auditory Scene Analysis) Harmonische und disharmonische Verhältnisse von Teiltönen (track18)

18 Beispiele (A. Bregman, Auditory Scene Analysis) Gruppierung von Frequenzkomponenten eines komplexen Tones durch parallele Frequenzänderungen (track19)

19 Beispiele (A. Bregman, Auditory Scene Analysis) Einfluss des Zeitverlaufs des Toneinsatzes auf die Wahrnehmung separater Töne. Anstiegszeiten 250, 125, 50, 10 msec (track21)

20 Zeitverlauf von akustischen Signalen Die Klangfarbe (das Timbre) eines Musikinstruments wird vor allem bestimmt durch die Ein- und Ausschwingzeiten der Töne. Einschwingzeit Ausschwingzeit Bei einem Akkordeon zum Beispiel klingt der Ton langsam an und schnell ab. Bei einem Klavier ist es genau umgekehrt. Pegel Zeit Ein- und Ausschwingen eines Musiktons Beispiel 1 Beispiel 2 Ein Klavier ist kein reivalk

21 Die endlose Tonleiter Wer kennt nicht das nebenstehende Bild Treppauf Treppab von M.C. Escher, das eine unendliche Treppe darstellt, die es in Realität nicht geben kann. Der Psychologe R. Shepard und der Musiker J.-C. Risset haben eine akustische Variante dazu erfunden den scheinbar unendlich fallenden Ton. Abspielen

22 Die endlose Tonleiter Die Teiltöne (Partialtöne, d.h. die Grundfrequenz und Obertöne) folgen hier im Abstand einer Oktave, und ihre Pegel werden durch eine fest vorgegeben Einhüllende bestimmt. Werden die Teiltöne gleichsam unter der Einhüllenden nach links zu tiefen Frequenzen verschoben, empfinden wir die Klangfarbe (das Timbre) entsprechend tiefer. Die oberen Teiltöne werden nun aber jeweils fast unmerklich nachgeschoben, so dass die Tonhöhe scheinbar immer fällt, obwohl sich eigentlich nichts ändert. feste Einhüllende nach links gleitende Partialtöne (hin zu tiefen Frequenzen)

23 Gruppierung: Ereignis-Bildung Partialtöne eines Klangs zeitlich gruppieren Wichtigste Prinzipien: Gemeinsames Schicksal Common Onset, AM, FM Kontinuität Kurze Unterbrüche werden ignoriert Geschlossenheit Perzeptive Addition von nicht vorhandenen Teilen (.wav)

24 Merkmal: Spektrale Trennung Am plit ude t Zeitsignal Time (msecs) Filterbank Ma 60 gni tud e 50 (d B) 40 f 7 6 Fre 5 q. (K Hz) 4 f-t Frequency (Hz) Time (msecs)

25 Merkmal: Spektrales Profil Amplitude Pegeländerung Spektrales Profil pegelunabhängig für viele Klänge relative Amplituden-Differenzen werden betrachtet. Frequenz

26 Merkmal: Spektrales Profil Amplitude Musik Störgeräusch Unterschiedliche Klänge haben meist unterschiedliche spektrale Profile Grosse Varianz innerhalb Klassen möglich Sprache Frequenz Spektrales Profil bestimmt Klangfarbe Timbre?

27 Merkmal: Harmonizität Harmonizität gibt an, inwiefern einzelne Partialtöne im Signal in eine harmonische Serie fallen Viele natürliche Klangquellen produzieren harmonische Partialtöne [db] [Hz lin.] Harmonische einzelner Quellen formen ein einzelnes auditorisches Objekt: Pitch Hervorragendes Beispiel für simultane Gruppierung

28 Der eingebildete Grundton (virtuelle Tonhöhe) Pegel Grundfrequenz 1. Oberton 2. Oberton 3. Oberton X X X X Frequenz Abspielen Die Wahrnehmung der Höhe eines Tons hängt in erster Linie von der Verteilung der Obertöne ab, vgl. Bild links. Die Tonhöhe wird auch als gleich empfunden, wenn die Grundfrequenz gar nicht vorhanden ist, wie zum Beispiel am Telefon oder bei einem kleinen Radio (der kleine Lautsprecher kann die tiefen Töne gar nicht übertragen). Im Beispiel wird zuerst ein Ton als Ganzes gespielt. Danach werden zuerst die Grundfrequenz und dann die Obertöne 1-3 nach und nach entfernt. Trotzdem hört man die gleiche Tonhöhe, wenn auch mit etwas anderer Klangfarbe.

29 Wahrnehmung auditorischer Objekte... Primitive Gruppierung findet auf verschiedenen hierarchischen Stufen statt und formiert Ereignisse, Quellen: Die Bildung von Ereignissen basiert hauptsächlich auf der Gruppierung spektraler Klangbestandteile in jedem Zeitpunkt. - gleiches Schicksal Onset / Offset, Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation - Abgeschlossenheit hilft Klanglücken zu überbrücken - glatter Übergang Klangbestandteile ändern das Spektrum nur langsam, harmonische Abfolge

30 Wahrnehmung auditorischer Objekte Die Bildung von Quellen basiert auf der Gruppierung von zeitlich kohärenten Ereignissen. - Ähnlichkeit Töne mit gleichem Timbre kommen von einer Quelle, Instrument - Nähe aufeinanderfolgende Noten ähnlicher Frequenz (Pitch) zählen zu einer Quelle - Abgeschlossenheit stille zeitliche Lücken in Signalen sind dem auditorischen System nicht vertraut - glatter Übergang keine abrupten Übergänge im Klangcharakter

31 Vergangenheit John Baldessari: Beethovens Hörrohr (Saatchi Gallery)

32 Hörgerätealgorithmen Digitale Signalverarbeitsmöglichkeiten Dynamikanpassung basierend auf der Grundlage psychoakustischer Hörmodelle Rückkopplungsunterdrückung (offene Anpassung) Störgeräuschreduktion mit Ein- und Mehrmikrofonsystemen Binaurale Algorithmen zur verbesserten räumlichen Wahrnehmung und Geräuschunterdrückung Wahrnehmung und Klassifizierung auditorischer Objekte zur automatischen Programm-Selektion bzw. -Anpassung

33 Geräusch-Unterdrückung/Reduktion (noise cancellation/reduction) Abschwächung von kontinuierlichem Hintergrundgeräusch Aktivierung von Richtungsmikrofonen in lärmiger Umgebung

34 Einkanalige Geräuschreduktion (spectral subtraction) Frequenzabhängige Verstärkung Signal Frequenz

35 Mehrkanalige (mehr als 1 Mikrofon) Möglichkeiten zur Geräuschreduktion - Adaptives Richtmikrofon (Adaptive Beamformer) - Blinde Quellentrennung (Blind Source Separation) - Kohärenzbasierte Enthallung (Dereverberation) Richtmikrofon Enthallung

36 Richtungshören in Störlärmsituationen Cocktail-Party-Lärm Hintergrundlärm stört Unterhaltung

37 Beamformer (Richtungsfilter) Beamformer- Algorithmus hebt Sprache von vorne hervor und schwächt Schall aus anderen Richtungen ab

38 Evaluation neuer Verfahren - Virtuelle Akustik 38

39 Evaluation von Hörgeräten: Labor und Alltag Labor Alltagsumgebung Mehrkanal-Mikrofonaufnahmen (Strasse, Bahnhofhalle, Platz) Reproduziert mit 12 Lautsprechern (Ambisonics-Rekonstruktion)

40 Erste Resultate: Lokalisation Simulierter Hörverlust NH/Hörgeräteträger

41 Erste Resultate: bewegte Quellen Simulierter Hörverlust NH/Hörgeräteträger

42 Beispiel: Enthallungsalgorithmus Nachhall verändert die akustischen Signale Reflektonen an Wänden und Flächen verzerren den Klang der ursprünglichen Schallquelle Nachhall: Beeinträchtigt Sprachqualität und -Verständlichkeit Verstärkt die Höranstrengung (vor allem für Hörgeschädigte) Keine Reflektionen Mit Reflektionen ORL Research Meeting Zürich

43 Reduktion von Nachhall und Raumechos Zielsignal Direktschall links Direktschall rechts Nachhallsignal links Nachhallsignal rechts Diffus verteilter Umgebungslärm

44 Beispiel: Enthallungsalgorithmus Ziel: Testen der Leistungsfähigkeit von unterschiedlichen Algorithmen zur Enthallung Objektive Messungen: Sprachverständlichkeit, Sprachqualität, Verzerrungen Subjektive Messungen: Nachhall-Wahrnehmung, Sprachverständlichkeit, Lokalisation ODP 44

45 Ueberblick Enthallungsalgorithmus Umgebungslärm Raumakustik Enthallungsalgorithmus Nachhall P. Bleiker, Implementation of a dereverberation algorithm on an xpctarget real time system and experimental validation using virtual acoustics, Masterarbeit ETH

46 Evaluation Enthallungsalgorithmus Implementierung auf einem Matlab/Simulink-Realtime-System Evaluation in simulierter (virtueller) akustischer Umgebung

47 Experimenteller Aufbau Virtuelle Akustik 12 Lautsprecher-Ring Dummy Hörgeräte Mikrofon-Vorverstärker Realtime system Direkte Kabelverbindung (CI) Kopfhörer (NH) Ausgangsverstärker ID04

48 Evaluation von Signalverarbeitungsalgorithmen 48

49 Zusammenfassung Auditorische Illusionen entstehen bei der Umwandlung akustischer Signale in Hörwahrnehmungen. Das Gehör bildet die physikalische Klangwelt in eine Wahrnehmungswelt von Hörobjekten ab. Die Gruppierung und Trennung von Signalkomponenten und die Erzeugung auditorischer Objekte ist fehleranfällig und oft mehrdeutig. Das Verständnis der Hörwahrnehmung hilft bei der Konstruktion verbesserter Signalverarbeitung und deren Ueberprüfung im Labor. Virtuelle Akustik ermöglicht die systematische Untersuchung neuer Verfahren für komplexe akustische Situationen.

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