Klangfeldsynthese. Betrachtung der Klangfeldsynthese anhand des IOSONO Systems. Alexandra Ion BACHELORARBEIT. Nr A.

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1 Klangfeldsynthese Betrachtung der Klangfeldsynthese anhand des IOSONO Systems Alexandra Ion BACHELORARBEIT Nr A eingereicht am Fachhochschul-Bachelorstudiengang Medientechnik und -design in Hagenberg im Jänner 2009

2 Diese Arbeit entstand im Rahmen des Gegenstands Audio Gestaltung im Wintersemester 2008/09 Betreuer: Christop Schaufler, MA ii

3 Erklärung Hiermit erkläre ich an Eides statt, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne fremde Hilfe verfasst, andere als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel nicht benutzt und die aus anderen Quellen entnommenen Stellen als solche gekennzeichnet habe. Hagenberg, am 28. Januar 2009 Alexandra Ion iii

4 Inhaltsverzeichnis Erklärung Kurzfassung Abstract iii vi vii 1 Einleitung 1 2 Klangfeldsynthese - Grundlagen und Eigenschaften Das Huygens sche Prinzip Von der Theorie zur Praxis Fehler und Einschränkungen Beugungseffekte, Endeffekte Spatial Aliasing Fehlende Höhen/Tiefen Dimension Vorteile der Klangfeldsynthese Korrekte Perspektive Große Hörzone Fokussierte Quellen in der Hörzone Bewegung im Schallfeld Atmosphäre durch echte ebene Wellen Lokalisation Lokalisation in der Psychoakustik Lokalisation virtueller Quellen Lokalisation bei WFS und 22.2 Systemen Distanzwahrnehmung Anwendungsgebiete Forschung, Projekte und Systeme Forschungseinrichtungen und Projekte Marktreife Soundsysteme Organisationen iv

5 Inhaltsverzeichnis v 3 Von der Aufnahme zum synthetisierten Schallfeld Recording Direktschall Frühe Reflexionen und Nachhall Künstliche Erzeugung von Reflexionen und Nachhall Kompatibilität Authoring und Mixing Audio Szene Rendering und Übertragung IOSONO in der Praxis René Rodigast und die Anfänge von IOSONO Marktspezifische Gesichtspunkte IOSONO im Vergleich zu Multichannel Die Vision der Heimanwendung Mixing Rendering Zukunftsausblicke Conclusio 35 Literaturverzeichnis 37 A Interview mit René Rodigast zum IOSONO System 40

6 Kurzfassung In dieser Bachelorarbeit wird die Klangfeldsynthese, besser bekannt als Wellenfeldsynthese (kurz WFS), behandelt. Die Wellenfeldsynthese ist ein Ansatz zur Reproduktion von räumlichem Sound. Im Gegensatz zu der gebräuchlichen Methode der Mehrkanal-Stereofonie, wie 5.1 Surround, wo fünf diskrete Lautsprecherkanäle ca. kreisförmig und die Hörposition angeordnet werden, verfügt Wellenfeldsynthese über die Fähigkeit, das Schallfeld physikalisch korrekt reproduzieren zu können. Durch diese Eigenschaft ergeben sich natürlich einige Vorzüge gegenüber den Mehrkanal-Systemen, die jedoch mit einem größeren Aufwand verbunden sind. In dieser Arbeit wird die Wellenfeldsynthese im Allgemeinen beleuchtet. Es werden die Vorteile, Nachteile und Eigenschaften betrachtet. Weiters werden am Beispiel von IOSONO, ein etabliertes Wellenfeldsynthese-System, das am Fraunhofer Institut entwickelt wurde, praktische Aspekte und zukünftige Trends aufgezeigt. vi

7 Abstract This bachelor thesis deals with the topic of Wave Field Synthesis (WFS), an approach to reproduce spatial sound. In contrast to the common method of reproducing spatial sound with multichannel systems, such as 5.1 Surround, in which five discrete speaker channels are arranged in a circular fasion around the listening position, Wave Field Synthesis is able to reproduce the physically correct wave field. This approach offers a number of advantages despite the fact that it also requires greater effort. The thesis describes Wave Field Synthesis in general and pinpoints its advantages, disadvantages and unique characteristics. Furthermore, practical considerations and future trends are discussed on the basis of IOSONO, a well established Wave Field Synthesis system which was developed at the Fraunhofer Institute. vii

8 Kapitel 1 Einleitung Ziel dieser Arbeit ist es, die räumliche Klangwiedergabe via Klangfeldsynthese verständlich zu erklären. Außerdem sollen aktuelle Forschungen und Zukunftstendenzen aufgezeigt werden. Die Klangfeldsynthese wird auch oft als Wellenfeldsynthese (kurz WFS) bezeichnet. Die Wurzeln dieser Technik liegen in den Tiefen der Physik. Hier wird jedoch die komplizierte physikalische Herleitung der Klangfeldsynthese ausgenommen. Es wird Wert darauf gelegt, das System verständlich zu erklären. Außerdem wird auch auf Spezifizierung der Hardware, wie Lautsprecher oder Mikrofone, verzichtet. In Kapitel 2 werden die wichtigsten Eigenschaften der Klangfeldsynthese beleuchtet. Zunächst werden die Grundlagen, auf denen die Klangfeldsynthese aufbaut, erklärt. Da die Theorie nicht vollständig in der Praxis umgesetzt werden kann, müssen Vereinfachungen vorgenommen werden. Daraus ergeben sich natürlich Fehler und Einschränkungen, wie räumliches Aliasing. Diese Fehler werden auch in dieser Arbeit beleuchtet. Natürlich bietet die Wellenfeldsynthese auch einige Vorteile gegenüber den bereits bekannten Beschallungssystemen. Weiters werden die Lokalisations- und Wahrnehmungseigenschaften von durch Wellenfeldsynthese erzeugte Schallfelder betrachtet. Außerdem werden auch die Anwendungsgebiete für die Wellenfeldsynthese aufgezählt. Zum Schluss dieses Kapitels werden Einrichtungen, wo an der Wellenfeldsynthese geforscht wird, sowie marktreife Systeme und Organisationen, die die WFS unterstützen, angeführt. Der Workflow eines Wellenfeldsynthese Systems wird in Kapitel 3 durchlaufen. Es beginnt zunächst mit der Aufnahme, das heißt die Aufnahmebedingungen für dieses System werden geschildert. Danach wird ein Blick auf das Authoring und Mixing geworfen. Aus diesem Arbeitsschritt entsteht eine sogenannte Audio Szene. Was das ist und aus welchen Bestandteilen diese besteht wird im nächsten Schritt dann besprochen. Zuletzt wird noch geklärt, wie denn diese Daten aus dem Computer auch an die Lautsprecher gelangen. Um die Klangfeldsynthese nicht nur in der Theorie zu beleuchten, sondern 1

9 1. Einleitung 2 auch in der Praxis, wurde ein Interview mit einem Ingenieur des Fraunhofer Instituts für Digitale Medientechnik (kurz IDMT) durchgeführt. Dieser ist Projektleiter bei der Forschung und Entwicklung des IOSONO Sound Systems. Er gab Auskunft über die Nachfrage am Markt, die bereits existierenden Anwendungen, weitere Entwicklungen und Verbesserungen von IOSONO und über das Ziel der Heimanwendung. Dies ist nachzulesen in Kapitel 4. Als sinnvollen Abschluss gibt es in Kapitel 5 noch ein Conclusio, denn Schluss, denn ich aus dieser Arbeit gezogen habe.

10 Kapitel 2 Klangfeldsynthese - Grundlagen und Eigenschaften Die Klangfeldsynthese, eher bekannt als Wellenfeldsynthese, ist ein Surround Sound Ansatz, der es ermöglicht ein ganzes Schallfeld zu synthetisieren, welches ident ist mit dem original Schallfeld und physikalisch korrekt [11]. 2.1 Das Huygens sche Prinzip Das Prinzip der Klangfeldsynthese beruht auf dem Huygens schem Prinzip, benannt nach Christiaan Huygens (1629 bis 1695) 1. Wenn von einer primären Schallquelle eine Kugelwelle ausgeht, kann man sich die Ausbreitung dieser Welle so vorstellen, dass ein in Schwingung versetztes Teilchen seine Bewegung auf seine Nachbarteilchen überträgt. Durch diese Übertragung von Bewegung entsteht die Kugelwelle. Daher könnte auch jedes Teilchen, welches durch Auftreffen der Schallwelle in Schwingung versetzt wurde, als Zentrum einer Kugelwelle gesehen werden. Wenn man nun diese Teilchen, diese Sekundärquellen, betrachtet wirken diese als Punktquellen, die eine Kugelwelle mit den Eigenschaften der eigentlichen Primärquelle bilden. Diese Eigenschaften sind die Amplitude und die Phase der Welle. Diese Kugelwellen, die von den Sekundärquellen ausgegeben werden, nennt man auch Huygens sche Elementarwellen. Durch Überlagerung solcher Elementarwellen ist es nun möglich eine Wellenfront zu synthetisieren. Die Abbildung 2.1a beschreibt das Huygens sche Prinzip. Die Schallquelle S ist hier unsere Primärquelle. Die auftreffende Wellenfront auf der Fläche O ist die von der Schallquelle S abgestrahlte Wellen. Nun kann man sich die Wellenfront auch als Überlagerungen von Kugelwellen, die von sekundären Quellen (hier: Punkte auf dem roten Ring) abgestrahlt werden, vorstellen. 1 aus 3

11 2. Klangfeldsynthese - Grundlagen und Eigenschaften 4 Abbildung 2.1: Das Huygens sche Prinzip. Eine Schallquelle S strahlt Kugelwellen ab. Die sich auf der Fläche O befindlichen Teilchen werden daruch in Schwingungen gebracht und strahlen ebenfalls Kugelwellen ab. Diese Wellen nennt man auch Huygen sche Elementarwellen. Durch Überlagerung solcher Wellen kann die Wellenfront synthetisiert werden. Der Schwingungszustand eines im äußeren Schallfeld befindlichen Punkt P kann ist somit bekannt. Abbildung aus [11]. Der Schwingungszustand in einem Punkt P, der sich im äußeren Schallfeld befindet, lässt sich bestimmen, da die Wellenfront auf der Fläche O bekannt ist. Die praktische Verwendung des Huygens schen Prinzips ist die Wellenfeldsynthese. Es werden lediglich die schwingenden Teilchen, unsere Sekundärquellen, auf der Fläche O durch Lautsprecher ersetzt. Diese strahlen ebenso Elementarwellen aus, und bewirken durch ihre Überlagerung eine gemeinsame Wellenfront. Wenn nun die Schallquelle S entfernt wird, erreicht den Zuhörer immer noch dieselbe Wellenfront. Veranschaulicht wird das in Abbildung 2.1b [11]. 2.2 Von der Theorie zur Praxis Die Wellenfeldsynthese ist eine Lösung für Volumina. Das Prinzip entspricht dem akustischen Vorhang von dem Wissenschaftler bereits seit den 30er Jahren träumen. Oellers [16] beschreibt diesen akustischen Vorhang sehr anschaulich: Wenn in die Wand eines Raumes dich an dicht viele größere Löcher gebohrt würden, so könnte man die Schallereignisse hinter dieser Wand perfekt hören. Werden nun diese Löcher mit je einem Lautsprecher zugestopft, der über einen Verstärker mit einem Mikrofon auf der gegenüberliegenden Seite der Wand verbunden ist,

12 2. Klangfeldsynthese - Grundlagen und Eigenschaften 5 ändert sich daran prinzipiell nichts. Dann könnte man natürlich auch an jedes dieser Mikrofone ein langes Kabel anschließen und hätte so die perfekte Übertragung. Aufgegeben hat man diese Idee damals nur deshalb, weil man es niemals für möglich gehalten hätte, so viele Kanäle in mit ausreichender Bandbreite zu übertragen. Und Oellers [16] nimmt die Lösung des Problems gleich vorweg: Das wäre selbst heute noch ein Problem. Lösbar ist das aber nach dem Verfahren der Wellenfeldsynthese. Genauer betrachtet ist das Audiosignal selbst in allen Löchern gleich, also als einfaches Monosignal übertragbar. Den zeitlichen Versatz kann moderne DSP-Technologie problemlos aus den geometrischen Daten oder aus einer Impulsantwort erzeugen. Wenn wir jetzt zu dem Huygens schen Prinzip zurück kehren, so würden unendlich viele Sekundärquellen benötigt. In der Praxis wird jedoch angestrebt die Anzahl der benötigten sekundären Quellen möglichst gering zu halten um somit den technischen Aufwand zu reduzieren. Daher wurden die theoretischen Flächenarrays von Lautsprechern durch Linienarrays ersetzt. Wenn sich diese Arrays auf der Höhe des Ohres befinden, ist das Hörereignis ähnlich [12]. Außerdem ist die Lokalisation auf der Horizontalebene (siehe Kapitel 2.5) für den Menschen die markanteste [11]. Daraus ergibt sich, dass natürlich nur das horizontale Schallfeld reproduziert werden kann. Durch diese Reduktion ergeben sich einige Einschränkungen. Oft bleiben diese jedoch sogar ungehört, da das menschliche Ohr nicht alles wahrnehmen kann. Die resultierenden Einschränkungen werden im nächsten Kapitel erläutert. 2.3 Fehler und Einschränkungen Beugungseffekte, Endeffekte Da die Lautsprecherarrays in der Praxis nicht unendlich lang sein können, wie in der Theorie gewünscht, kann das Schallfeld auch nicht perfekt reproduziert werden. An den Enden der linearen Lautsprecherarrays treten dann die sogenannten Beugungseffekte 2 oder Endeffekte 3 auf. Das geschieht, durch die Abstrahlung der Kugelwellen der äußersten Lautsprecher. Dieser Beugungseffekt kann aber durch Abschwächung der Amplituden der äußersten Lautsprecher vermindert werden [11] [12]. Die Abbildung 2.2a zeigt die synthetisierte Welle durch ein lineares Lautsprecherarray mit gleichbleibender Amplitude (grauer Balken). Der Beugungseffekt ist deutlich sichtbar. Hingegen in 2.2b wird die Amplitude wie 2 auch Diffraction Effect genannt 3 auch Truncation Effect genannt

13 2. Klangfeldsynthese - Grundlagen und Eigenschaften 6 Abbildung 2.2: Beugungseffekt: a) veranschaulicht den Beugungseffekt, ausgelöst durch die Kugelwellen der äußersten Lautsprecher, b) zeigt die Reduktion des Beugungseffekts durch die Abschwächung der Amplitude (grauer Balken). Abbildung aus [11] oben beschrieben abgeschwächt und somit auch der Beugungseffekt vermindert Spatial Aliasing In der Theorie wird die Verteilung der sekundären Quellen als kontinuierlich angenommen. Das ist in der Umsetzung natürlich nicht möglich. Die Lautsprecher, die als Sekundärquellen agieren, haben einen endlichen Abstand zueinander. Das entspricht einer Diskretisierung. Das heißt, dass nur an den Stellen, wo sich ein Lautsprecher befindet auch ein Signal ausgegeben werden kann. Wenn nun ein Signal ausgegeben werden soll, dessen Wellenlänge geringer ist, als der Abstand der Lautsprecher, so ist das nicht möglich bzw. es wird ein anderes Signal ausgegeben. In Abbildung 2.3 wird dies anhand einer einfachen Illustration veranschaulicht. Somit wird klar, dass der Abstand der Lautsprecher zu einander die Alias Frequenz bestimmt. Unterhalb dieser Alias Frequenz kann das Schallfeld korrekt synthetisiert werden, oberhalb davon wird eine Verschlechterung der Lokalisation der virtuellen Schallquellen und der Klangfarbe beobachtet [5] [24]. Aliasing entsteht durch Interferenzen, also Überlagerungen von Wellen, welche durch die Sekundärquellen erzeugt werden. Daraus ergibt sich ein komplexes Überlagerungsmuster in der Hörzone [5]. Bei bewegten virtuellen Quellen wird das Überlagerungsmuster auch kontinuierlich verändert, was zu zeitabhängigen Schwankungen in der Frequenz und somit in der Klangfarbe führt. Obwohl dieses Artefakt bei bewegten Quellen besonders deutlich hörbar ist, wird es nicht erst durch die Bewegung ausgelöst. Es entsteht durch die Aliasing Artefakte, die bereits in statischen

14 2. Klangfeldsynthese - Grundlagen und Eigenschaften 7 Abbildung 2.3: Aliasing. Die blaue durchgehende Welle soll abgebildet werden. Durch den zu großen Abstand der Lautsprecher kann diese Welle nicht realisiert werden, es kommt zum Aliasing und tatsächlich wird die graue gestrichelte Linie wiedergegeben. Quellen entstehen [5] Fehlende Höhen/Tiefen Dimension Wie im Kapitel 2.2 schon besprochen, wird die Wellenfeldsynthese auf die horizontale Ebene rund um den Hörer herunter gebrochen, um die Anzahl der Lautsprecher zu reduzieren. Daher kann auch nur in dieser horizontalen Ebene, und auch nur unterhalb der Alias Frequenz, das Schallfeld korrekt reproduziert werden. Bei meinem Treffen mit René Rodigast [18] erfuhr ich, dass das Fraunhofer Institut beim IOSONO System auch im Bereich der fehlenden Dimensionen forscht. Es gibt bereits Ansätze mit kuppelförmig aufgehängten Lautsprechern, außerdem auch mit geraden linearen Arrays an der Decke, zum Beispiel für Kinos. 2.4 Vorteile der Klangfeldsynthese Obwohl ein solch komplexes System einige Nachteile mit sich bringt, darf nicht außer Acht gelassen werden, dass die Klangfeldsynthese einige signifikante Vorteile gegenüber Mehrkanal- und binauralen Ansätzen bietet. Diese Vorteile werden unten beschrieben. Es soll jedoch bedacht werden, dass die Wellenfeldsynthese nicht immer einen Vorteil gegenüber der Stereofonie, in Abhängigkeit zum Einsatz, hat. Die Vorteile müssen mit dem Aufwand, der für ein Wellenfeldsynthese System notwendig ist, sorgfältig abgewogen werden.

15 2. Klangfeldsynthese - Grundlagen und Eigenschaften Korrekte Perspektive Ein Problem bei der Mehrkanal Stereofonie ist, dass sich die Wahrnehmung der sogenannten Phantomschallquellen [15] mit der Position des Hörers ändert. Die Stereofonie baut auf solchen Phantomschallquellen auf, die entstehen, wenn eine Schallquelle zwischen zwei Lautsprechern positioniert wird. Die Lautsprecher geben dann das Schallsignal anteilig aus. Es ist nun klar, dass bei einer Bewegung des Hörers, zum Beispiel zum rechten Lautsprecher, das Signal von diesem viel stärker wahrgenommen wird, als das Signal des linken Lautsprechers. Somit kann die Phantomschallquelle nicht mehr in seiner ursprünglichen Position wahrgenommen werden. Das passiert bei der Wellenfeldsynthese nicht, da hier das Schallfeld korrekt reproduziert wird. Auch bei einer Bewegung im Schallfeld, wird die Quelle immer noch von der korrekten Richtung wahrgenommen. Die Lokalisation von Schallquellen bei Wellenfeldsynthese wird in dem Kapitel 2.5 ausführlicher beschrieben Große Hörzone Da für die korrekte Wellenfeldsynthese Lautsprecherarrays im ganzen Raum nötig sind und das Schallfeld somit im ganzen Raum reproduziert wird, ist natürlich auch der ganze Raum der sogenannte Sweet Spot, also die Hörzone. Als Sweet Spot wird der Bereich bezeichnet in dem das Schallfeld optimal synthetisiert werden kann. Veranschaulicht wird das in der Abbildung Fokussierte Quellen in der Hörzone Der wohl größte Vorteil von Wellenfeldsynthese ist der, dass auch Schallquellen innerhalb der Hörzone, also vor den Lautsprecherarrays, möglich sind. Solche Quellen nennt man fokussierte Quellen, Schallquellen hinter den Lautsprecherarrays werden virtuelle Quellen genannt [22]. Das ist ebenfalls zu sehen in der Abbildung 2.4b. Die virtuellen Quellen hinter den Arrays wurden vom Huygens schen Prinzip beschrieben, die fokussierten Quellen jedoch nicht. Trotzdem ist die Realisierung solcher Quellen durch Phaseninvertierung möglich. Das Schallfeld kann aber zwischen der fokussierten Quelle und dem Lautsprecherarray nicht richtig wahrgenommen werden. In der Natur würde eine Schallquelle Schallwellen in alle Richtungen abstrahlen. Um mit Wellenfeldsynthese Quellen in der Hörzone zu realisieren, müssen die Lautsprecher die Energie auf die gewünschte Stelle bündeln. Befindet sich ein Hörer nun zwischen der fokussierten Quelle und den Lautsprechern, hört dieser die Lautsprecher. Er nimmt die Schallquelle zum Beispiel von vorne wahr, weil sich die Lautsprecher vor ihm befinden, obwohl die fokussierte Quelle hinter ihm ist. Dieses 4 Abbildung nach

16 2. Klangfeldsynthese - Grundlagen und Eigenschaften 9 S S S S S S Sweet Spot S S Sweet Spot S S S a) b) S S Abbildung 2.4: Vergleich der Größe der Hörzone. a) zeigt den kleinen Sweet Spot von 5.1, b) zeigt die Hörzone von WFS, die sich über den ganzen Raum erstreckt. Beispiel ist in Abbildung 2.5 illustriert. Ab der fokussierten Quelle ist das Schallfeld jedoch korrekt. In Abbildung 2.6a ist das reproduzierte Schallfeld einer virtuellen Quelle zu sehen und in 2.6b das einer fokussierten Quelle [4]. Diese fokussierten Quellen geben völlig neue Möglichkeiten für die Audiogestaltung. Bei meinem Besuch in Ilmenau zeigte Herr Rodigast vom Fraunhofer Institut ein Beispiel mit dem IOSONO System [18], wo ein Geist im Raum herum flog und flüsterte. Das ging sogar so weit, dass der Geist auch durch einen Hindurch fliegen konnte und das sehr real klang. Bei den Bregenzer Festspielen, wo IOSONO ebenfalls installiert ist, ließ der Regisseur bei der Aufführung von Giacomo Puccinis Tosca eine Klarinette durch den Zuschauerraum fliegen. So etwas ist mit keinem anderen Sound System machbar. So kann Sound auch als Mittel der Inszenierung noch besser und kreativereingesetztwerden Bewegung im Schallfeld Da mittels Wellenfeldsynthese das physikalisch korrekte Schallfeld reproduziert wird, ist auch eine Bewegung im Schallfeld, wie in der Realität, möglich. Das macht die Wellenfeldsynthese besonders für Simulationen sehr attraktiv. Siehe auch Kapitel 2.7. Die virtuellen Schallquellen hinter dem Lautsprecherarray werden auch bei einer Bewegung im Schallfeld korrekt wahrgenommen, da die Wellenfeldsynthese sehr gute Lokalisationseigenschaften besitzt. Diese werden in

17 2. Klangfeldsynthese - Grundlagen und Eigenschaften 10 Abbildung 2.5: Das Schallfeld einer fokussierten Quellen. Der Punkt H steht für die Hörerposition, der Punkt S bezeichnet die fokussierte Quelle. Das blau gekennzeichnete Feld zeigt den Bereich, wo die Quelle perspektivisch korrekt wahrgenommen wird. Abbildung nach [21] Abbildung 2.6: Das Schallfeld von virtuellen und fokussierten Quellen. a) zeigt das reproduzierte Schallfeld basierend auf einer virtuellen Quelle hinter dem Lautsprecherarray, wobei b) das Schallfeld einer fokussierten Quelle innerhalb der Hörzone veranschaulicht. Abbildung aus [1]

18 2. Klangfeldsynthese - Grundlagen und Eigenschaften 11 Abbildung 2.7: Illustration von ebenen Wellen. Je weiter die Welle von seiner Quelle S weg ist, umso flacher ist sie. Kapitel 2.5 näher betrachtet. Es ist jedoch zu beachten, dass die fokussierten Quellen, die bereits oben besprochen worden sind, hier eine Ausnahme bilden. Anzumerken bleibt auch, dass die Menschen durch ihre Gestalt einen Schatten im Schallfeld bilden. Dieses Phänomen ist jedoch laut Herrn Rodigast zu vernachlässigen. Zu einer solchen Schattenbildung kommt es in natürlichen Schallfeldern auch Atmosphäre durch echte ebene Wellen Ein weiterer großer Vorteil der Wellenfeldsynthese ist, dass damit die Erzeugung echter ebener Wellen [21] möglich ist. Eine ebene Welle entspricht einer weit entfernten Schallquelle. Je näher die abgestrahlten Wellen noch an der Quelle sind, desto höher ist der Krümmungsgrad der Welle. Das impliziert, dass die Welle bei einer hohen Entfernung nahezu flach ist. Das wird in Abbildung 2.7 dargestellt. Um den Eindruck von Räumlichkeit zu erwecken, wird ein beinahe diffuses Klangfeld benötigt. Ebene Wellen liefern einen ausgeglichenen Schalldruck. Mit der Wellenfeldsynthese ist es möglich eine realistische Atmosphäre mit mehreren ebenen Wellen, die idealerweise von allen Seiten kommen, zu produzieren. Es sind nicht mehr als 10 ebene Wellen nötig um ein diffus wahrgenommenes Schallfeld zu erzeugen [21]. Um eine realistische Atmosphäre zu bilden können bei der Wellenfeldsynthese ebene Wellen mit fokussierten Quellen kombiniert werden.

19 2. Klangfeldsynthese - Grundlagen und Eigenschaften 12 In [21] werden u.a. 3 Arten von Atmosphären unterschieden: Random Atmospheres Die fokussieten Quellen erscheinen völlig zufällig in der Szene. Ein Beispiel hierfür ist Regen, wobei jeder Regentropfen eine eigene Quelle ist. Pathbased Atmospheres Die fokussierten Quellen folgen einem bestimmten Weg. Das wäre denkbar in einer Szene am Marktplatz, wo die Schritte der Leute Quellen sind. Static Atmospheres Hier bleiben die fokussierten Quellen an einer bestimmten Stelle. Der Applaus eines Publikums wäre ein Beispiel für diese Art der Atmosphäre. 2.5 Lokalisation Eine wichtige Eigenschaft der Wellenfeldsynthese ist die Lokalisierbarkeit von virtuellen Quellen. In diesem Kapitel wird die Richtungswahrnehmung, von durch Wellenfeldsynthese erzeugten Quellen, besprochen. Um die Lokalisation von virtuellen Quellen betrachten zu können, muss aber erst geklärt werden, wie die Lokalisation von Schallquellen bei Menschen funktioniert. Im folgendem werden kurz die wichtigsten Eigenschaften erläutert Lokalisation in der Psychoakustik In der Psychoakustik ist das kopfbezogene Koordinatensystem [12] üblich, da es die Erklärung von psychoakustischen Eigenschaften erleichtert. Bei diesem Koordinatensystem gibt es eine Horizontalebene, die horizontal rund um den Kopf in Ohrhöhe verläuft. Die Frontalebene steht senkrecht auf der Horizontalebene und schneidet ebenfalls die Ohren und die Medianebene steht senkrecht auf den anderen beiden. In der Abbildung 2.8 wird dies anschaulich illustriert. Die Richtungswahrnehmung in der Horizontalebene [12] wird durch die Tatsache bestimmt, dass beim Menschen meistens nicht dieselben Signale im rechten wie im linken Ohr ankommen. Die Signale können entweder zeitversetzt oder mit verschiedenem Pegel ankommen. Dadurch ergeben sich die sogenannten interauralen Pegeldifferenzen und die interauralen Zeitdifferenzen. Interaurale Zeitdifferenzen Eine interaurale Zeitdifferenz tritt immer dann auf, wenn eine Schallquelle einen Menschen nicht von direkt vorne, sprich auf der Achse der Medianebene, beschallt. Dadurch haben beide Ohren nicht dieselbe Entfernung zur

20 2. Klangfeldsynthese - Grundlagen und Eigenschaften 13 Abbildung 2.8: Kopfbezogenes Koordinatensystem. Der blaue Kreis bezeichnet die Horizontalebene, der rote die Frontalebene und der grüne die Medianebene. Abbildung nach [12]. Schallquelle und der Schall kommt bei einem Ohr schneller an als bei dem anderen. Die Zeitdifferenz ist besonders zur Ortung von tiefen Frequenzen, die kleiner als 1,5 khz sind, wichtig, da hier keine Pegeldifferenzen wirksam sind [11] [25]. In Abbildung 2.9 wird eine Schallquelle, die sich nicht auf der Medianebene befindet, und ihre Entfernung zu beiden Ohren veranschaulicht. Interaurale Pegeldifferenzen Der Kopf bildet bei Frequenzen, deren Wellenlänge kleiner als die Kopfabmessungen ist, im Schallfeld einen Schatten. Durch diese Schattenbildung kommt es zu interauralen Pegeldifferenzen. In dem Ohr, dass der Schallquelle zugewandt ist, kommt ein anderer Pegel an, als in dem der Schallquelle abgewandten Ohr. Diese Intensitätsunterschiede sind besonders bei hohen Frequenzen über 1,5 khz ausschlaggebend. Bei einer Wellenlänge, die kleiner als der Kopfumfang ist, können keine Zeitdifferenzen wahrgenommen werden [11] [25] Lokalisation virtueller Quellen Bei der Lokalisation virtueller Quellen spielt der Abstand, den die Lautsprecher zueinander haben, wieder eine Rolle. Dieser bestimmt, wie in Kapitel schon besprochen, die Aliasing Frequenz. Unterhalb dieser Frequenz kann das Schallfeld physikalisch korrekt reproduziert werden. Bei einem physikalisch korrekten Schallfeld ist auch die Lokalisation optimal.

21 2. Klangfeldsynthese - Grundlagen und Eigenschaften 14 Abbildung 2.9: Interaurale Zeitdifferenzen. Die Schallquelle S befindet sich links von der Medianebene (gestrichelte Linie), dadurch ergeben sich verschiedene Strecken zum Ohr, versanschaulicht durch d1 und d2. Abbildung nach [11]. Start [20] verglich die Lokalisation von realen Quellen, welche durch einzelne Lautsprecher repräsentiert wurden, mit der von virtuellen Quellen, wobei er aber keine große Differenz bei der Richtungswahrnehmung feststellen konnte. Er führte die Experimente einmal mit einem Wellenfeldsynthese System, welches einen Lautsprecherabstand von 11 cm hatte, durch. Das zweite Mal mit einem Lautsprecherabstand von 22 cm. Er verglich die ankommenden Signale, die er mit einem Kunstkopf aufnahm, der jeweiligen virtuellen Quelle und der realen Quelle. Bei der Auswertung zeigte sich, dass die Lokalisation der virtuellen Quellen, welche mit dem WFS System mit dem Lautsprecherabstand von 11 cm produziert wurden, im schalltoten Raum fast ident mit der Lokalisation der realen Quellen war. Er führte diese Versuche auch außerhalb des schalltoten Raumes durch. Hier zeigte sich jedoch dass die Lokalisation wesentlich stärker abwich. Bei den Hörversuchen von Huber [11] wurden ähnliche Ergebnisse erzielt. Er Verglich die Lokalisation von virtuellen Schallquellen die einmal von einem WFS System mit einem Lautsprecherabstand von 12 cm, und dann von einem System, wo der Lautsprecherabstand 4 cm betrug, erzeugt wurden. Das verglich er mit einer natürlichen Schallquelle und außerdem auch mit dem Wellenfeldsynthese-OPSI System.

22 2. Klangfeldsynthese - Grundlagen und Eigenschaften 15 Wellenfeldsynthese-OPSI Beim Wellenfeldsynthese-OPSI Verfahren (Optimised Phantom Source Imaging of the high frequency contend of virtual sources in Wave Field Synthesis) wird die Wellenfeldsynthese mit der Stereofonie vermischt. Dieses Verfahren wurde als Lösung für die Aliasing Problematik der Wellenfeldsynthese entwickelt. Hier soll eine virtuelle WFS Quelle unterhalb der Alias Frequenz mit einer Phantomschallquelle oberhalb der Alias Frequenz verschmelzen [22]. Es zeigte sich, dass das Wellenfeldsynthese System, mit dem Lautsprecherabstand von 4 cm, die beste Lokalisation von virtuellen Schallquellen ermöglicht. Durch den geringeren Lautsprecherabstand war auch die Alias Frequenz entsprechend hoch (9 khz). Dadurch wurde ein genügend großer Frequenzbereich korrekt reproduziert und dem Gehör wurde eine ausreichend hohe Anzahl an Merkmalen für die Richtungswahrnehmung geboten. So war die Lokalisation dieselbe, wie bei der realen Schallquelle. Bei den anderen Systemen, welche in den Versuchen mit einbezogen wurden, war die Lokalisierbarkeit geringfügig schlechter. Bei dem Wellenfeldsynthese-OPSI Verfahren mit einem Lautsprecherabstand von 12 cm wurde keine bessere Lokalisation festgestellt, als bei dem reinen WFS System mit demselben Lautsprecherabstand. Da keine Bewegung im Schallfeld stattfand, wurde befunden, dass sich der Aufwand für ein WFS System mit so geringem Lautsprecherabstand nicht lohnen würde, da die Lokalisierbarkeit nicht um so viel besser ausfiel Lokalisation bei WFS und 22.2 Systemen In den Hörversuchen von [14] werden die Lokalisationseigenschaften von 22.2 mit denen der Wellenfeldsynthese verglichen. Bei 22.2 handelt es sich um ein von NHK entwickeltes Mehrkanal System, bei dem 22 Lautsprecher, in einem bestimmten 3-dimensionalen Arrangement, und 2 Tieftöner um den Hörer positioniert werden. Im ersten Test wurde untersucht, wie Schallquellen, die mit dem 22.2 System von NHK erzeugt wurden, im 3-dimensionalen Raum von den Probanten wahrgenommen wurden. Im zweiten Test wurde der Fokus auf die Horizontalebene gelegt. Hier wurde ein Wellenfeldsynthese Ring mit einem auf die Horizontalebene reduzierten Set Up von 22.2 verglichen. Bei den Hörversuchen saßen immer 3 Personen gleichzeitig an bestimmten Positionen im Raum. Der Raum war mit einem, für die Akustik durchlässigem, Vorhang verkleidet um die Position Lautsprecher zu verdecken. Außerdem war ein 10 cm 10 cm Raster auf dem Vorhang gedruckt (siehe Abbildung 2.10). Nun mussten die Probanten anhand dieses Rasters die Koordinaten angeben, von wo sie die Schallquelle wahrnahmen, und anhand einer Skala von 1 bis 4 angeben, wie diffus die Schallquelle war.

23 2. Klangfeldsynthese - Grundlagen und Eigenschaften 16 Abbildung 2.10: Der Versuchsaufbau. Hier wird der Versuchsaufbau und das Koordinatensystem schematisch dargestellt. Abbildung aus [14]. Test 1 zeigte, dass wenn sich eine Schallquelle zwischen 2 Lautsprechern mit einem großen Winkelabstand zueinander befand, dann wurde die Quelle eher bei einem der beiden Lautsprecher wahrgenommen. Außerdem wurde festgestellt, dass die Höhe der Schallquellen überschätzt wurde. Bei Test 2 wurde festgestellt, dass die reduzierte Anzahl der Lautsprecher die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die Hörer die Schallquelle nahe bei einem der benachbarten Lautsprecher wahrnimmt. Auch hier wurden die meisten Quellen höher wahrgenommen, als sie sein sollten. Die Autoren sind sich nicht sicher, ob das ein systematischer Fehler des Koordinatensystems des Experiments sein könnte. Allgemein lässt sich nun sagen, dass die Lokalisierbarkeit von virtuellen Quellen besser ist, je geringer der Lautsprecherabstand des Wellenfeldsynthese Systems ist, mit dem die virtuelle Quelle erzeugt wird. Auch hier ist wiederum zu der Zweck zu Bedenken. Wenn keine Bewegung im Schallfeld erfolgt, reicht auch ein System mit geringerer Lautsprecherdichte. 2.6 Distanzwahrnehmung Das Gehör bestimmt die Position einer Schallquelle durch die Richtung aus der der Schall eintrifft und die wahrgenommene Entfernung. Da die Richtungswahrnehmung bereits im Kapitel 2.5 beleuchtet wurde, wird hier nun die Distanzwahrnehmung [23] [22] dargestellt. Für die Bestimmung der Distanz einer Quelle werden vom Gehör Parameter ausgewertet, wie Lautstärke, das Verhältnis von Direkt- zu Diffusschall, das Reflektionsmuster und natürlich die Plausibilität. Wellenfeldsynthese besitzt als einziges Sound System die Eigenschaft die Krümmung der Schallwellen reproduzieren zu können. Je nach Schallquelle hat die abgestrahlte Welle eine bestimmte Krümmung. Das Gehör kann aber nur bei relativ nahen Quellen durch die Krümmung der Welle auf die Entfernung

24 2. Klangfeldsynthese - Grundlagen und Eigenschaften 17 der zugehörigen Schallquelle schließen. Um die Eigenschaft der Distanzwahrnehmung von durch Wellenfeldsynthese erzeugten virtuellen Quellen beurteilen zu können, wurden Versuche u. a. am IRT in München [23] durchgeführt. Es wurde die Wahrnehmung der Distanz von natürlichen Quellen mit der von virtuellen Quellen verglichen. Zunächst wurden die Versuche mit der natürlichen Lautstärke durchgeführt. Bei den natürlichen Quellen (einzelne Lautsprecher) hatte die Distanz der Quellen auch einen erheblichen Einfluss auf die Wahrnehmung dieser. Außerdem konnte beobachtet werden, dass eine Überschätzung der Distanz für Abstände über einen Meter und eine leichte Unterschätzung bei Abständen unter einem Meter statt fand. Bei den virtuellen Quellen wurde ein ähnliches Ergebnis erzielt. Es bleibt lediglich zu bemerken dass die Kurve flacher ausfiel, also die Änderung der Distanz der Quellen nicht so stark wahrgenommen wurde, wie sie tatsächlich war. Es wurde nun vermutet, dass hauptsächlich durch die Lautstärke auf die Distanz der Schallquellen geschlossen wurde, und nicht durch die tatsächliche Position. Um dies zu untersuchen, wurde ein weiterer Versuch durchgeführt, wobei jedoch die Lautstärke der Quellen zufällig gewählt wurde. Bei dem Versuch mit den natürlichen Quellen fiel auf, dass bei Quellen deren Abstand mehr als 85 cm betrug, die Lautstärke tatsächlich die Distanzwahrnehmung bestimmte. Aber es wurde auch belegt, dass Quellen die näher als 85 cm lagen auch wirklich näher wahrgenommen wurden. Dies war bei den durch Wellenfeldsynthese erzeugten Quellen nicht so. Hier zeigt das Experiment, dass die Distanz tatsächlich über die Lautstärke bestimmt wird. Es ist also nicht möglich die Position einer Schallquelle durch die Krümmung der von ihr abgestrahlten Wellen zu erkennen. 2.7 Anwendungsgebiete Nun wurden die Stärken und Schwächen dieses Systems betrachtet. Bleibt nur noch die Frage: Wo wird oder kann Wellenfeldsynthese eingesetzt werden? Einige aktuelle und praxisbezogene Informationen zu diesem Thema habe ich auch aus dem Gespräch mit Herrn Rodigast [18] bezogen und im nachfolgenden Kapitel 4 verarbeitet. Laut [2] gibt es einige Einsatzgebiete, die nun im Folgenden geschildert werden: Theater Bei der Verstärkung der Stimmen von Sprechern, Moderatoren oder Sängern bietet Wellenfeldsynthese eine korrekte Lokalisation für alle Zuschauer. Kino Die Wellenfeldsynthese ist ideal für das Kino, da hier ein hoch qualitativer räumlicher Sound erwartet wird. Außerdem ist auch eine große

25 2. Klangfeldsynthese - Grundlagen und Eigenschaften 18 Hörzone zu bewältigen, wo für das gesamte Publikum die korrekte Soundperspektive dargestellt werden soll. Das ist bis jetzt noch mit keinem anderen System möglich. Weiters können die Zuschauer mit fokussierten Quellen, wie in Kapitel besprochen, beeindruckt werden. Home Theatre Systeme Es ist unbestreitbar ein Trend zu immer größeren Fernsehgeräten, schärferen Bild und auch besseren Sound zu beobachten. Wenn eine Möglichkeit gefunden wird, die Kosten und den Installationsaufwand für ein Wellenfeldsynthese System auf ein akzeptables Niveau zu bringen, ist auch der Heimkinomarkt als Einsatzgebiet für die Wellenfeldsynthese durchaus denkbar. Virtual Reality Theatres Besonders bei 3D Video Projektionen, wo die visuelle Quelle den Publikumsraum betritt, würde die Wellenfeldsynthese diesen Effekt, durch eine virtuelle Quelle an derselben Stelle, verstärken. Simulatoren Die Klangqualität, zum Beispiel eines Flugsimulators, könnte durch die Wellenfeldsynthese erheblich gesteigert werden. Bei den immer komplexer werdenden Vehikeln wächst auch die Relevanz von immer realistischeren Simulatoren. Video Konferenzen Bei Video Konferenzen wird noch mit Mono oder Stereo Signalen gearbeitet. Sobald jedoch jemand durcheinander redet ist es schwer sich auf den gewünschten Sprecher zu konzentrieren. Auch bei Hintergrundlärm leidet die Sprachverständlichkeit. Hier ist zwar räumlicher Klang nicht so gefragt, aber es fördert die Verständlichkeit. Neben den schon genannten Anwendungsgebieten für die Wellenfeldsynthese, wurden in [19] noch die folgenden genannt: Konzerthallen Wellenfeldsynthese ist, durch die sehr kurze Latenz, für die Beschallung in Konzerthallen geeignet. Eine kurze Latenz-Zeit ist für jede Art von Live Performances von größter Wichtigkeit, und diesem Anspruch wird die Wellenfeldsynthese gerecht. Open Air Events Bei der Beschallung von Open Air Events muss darauf geachtet werden, den Schalldruck für das Publikum hoch genug zu halten, aber ohne den Schalldruck auf der Bühne zu hoch werden zu lassen. Auch hier findet die Wellenfeldsynthese Zuspruch. Wie schon erwähnt, wir bei den Bregenzer Festspielen bereits das IOSONO System eingesetzt.

26 2. Klangfeldsynthese - Grundlagen und Eigenschaften 19 Abbildung 2.11: IOSONO in der Berliner Disco Tresor. Das Set Up verfügt über 600 Lautspecher, die die Tanzfläche umringen. Foto von Marco Prosch. Außerdem nannte mir Herr Rodigast [18] bei unserem Gespräch noch ein Anwendungsgebiet für die Wellenfeldsynthese: Themed Entertainment Die Unterhaltung soll immer spektakulärer werden, daher findet die Wellenfeldsynthese auch Zuspruch in Planetarien, Geisterbahnen und anderen Unterhaltungseinrichtungen. Disco Im Oktober 2008 wurde im Rahmen der Popkomm zum ersten Mal ein Wellenfeldsynthese System in einer Diskothek installiert und eröffnet. Es wurde IOSONO rund um die Tanzfläche der Berliner Disco Tresor installiert Forschung, Projekte und Systeme Dieses Kapitel ist als Anhaltspunkt für weitere Informationen gedacht. Es soll einen kleinen Überblick geben, in welchen Institutionen geforscht und entwickelt wird, um die Suche für Interessierte zu vereinfachen. 5 Details aus

27 2. Klangfeldsynthese - Grundlagen und Eigenschaften Forschungseinrichtungen und Projekte Erfunden wurde die Klangfeldsynthese bereits in den 80er Jahren an der Technischen Universität Delft 6 in den Niederlanden. Seit dem wuchs das Interesse auch bei anderen Forschungsinstituten. Entwicklungen und Veröffentlichungen gab es unter anderem am Fraunhofer Institut 7 amirt 8 (Institut für Rundfunktechnik in München) anderircam 9 (Institut de Recherche et Coordination Acoustique/Musique) in Paris andertuerlangen 10 andertuilmenau 11 und an der TU München 12 (meist in Zusammenarbeit mit dem IRT) Außerdem gab es ein großes, von der Europäischen Union gefördertes Projekt zur Entwicklung der Wellenfeldsynthese namens CARROUSO 13 (Creating, Assessing and Rendering in Real Time of High Quality Audio- Visual Environments in MPEG-4 Context) von 2001 bis Geforscht haben 10 internationale Institute, wobei viele der oben genannten auch beteiligt waren Marktreife Soundsysteme Hier gibt es nur 2 Systeme, die es bis jetzt zur Marktreife gebracht haben. IOSONO Es wurde ursprünglich am Fraunhofer AEMT (Arbeitsgruppe Elektronische Medientechnologie) in Ilmenau als Teil des Fraunhofer IIS (Institut für Integrierte Schaltungen) in Erlangen entwickelt. 2003/04 wurde aus dem Fraunhofer AEMT ein eigenes Institut, und zwar das Fraunhofer IDMT 14 (Institut für digitale Medientechnologie) [3], wo weiterhin am IOSONO System geforscht wird. Außerdem wurde auch oder de/projects/carrouso/ 14

28 2. Klangfeldsynthese - Grundlagen und Eigenschaften 21 eine Firma gegründet, die IOSONO GmbH 15, die sich um den Vertrieb des Systems kümmert. sonicemotion 16 Das ist eine Schweizer Firma, die ebenfalls ein Soundsystem auf Basis der Klangfeldsynthese entwickelt hat Organisationen Weiters gibt es auch einige Organisationen, wo regelmäßig Conventions und Veröffentlichungen zu dem Thema Wellenfeldsynthese stattfinden. AES 17 Die Audio Engineering Society VDT oder Tonmeistertagung 18 Verband der deutschen Tonmeister DAFX 19 Jährlich stattfindende Conference on Digital Audio Effects

29 Kapitel 3 Von der Aufnahme zum synthetisierten Schallfeld In diesem Kapitel wird die Arbeit mit dem Wellenfeldsynthese-System geklärt. Es wird mit dem Recording begonnen und die Frage geklärt, wie die Aufnahmebedingungen für die Wellenfeldsynthese sind und ob überhaupt ein Unterschied zu konventionellen Aufnahmetechniken besteht. Danach wird das Mixing betrachtet. Es werden die Unterschiede betrachtet und Tools dafür angeführt. Nach dem Mixing wird der Begriff der Audio Szene geklärt und was so eine Szene beinhaltet. Zuletzt wird noch gezeigt, wie die Übertragung der Daten erfolgt, so dass die Lautsprecher ein Schallfeld reproduzieren können. 3.1 Recording Mit der Aufnahmne beginnt alles. Deßhalb wird in diesem Kapitel geklärt, welche Voraussetzungen die Aufnahme der Audio Daten für die Wellenfeldsynthese erfüllen muss. Grundsätzlich macht eine Unterscheidung [1] zwischen Direktschall, frühen Reflexionen und Nachhall Sinn Direktschall Der direkte Schall einer Quelle sollte mit Spot Mikrofonen möglichst unabhängig vom Raum und trocken aufgenommen werden. Dieses Signal kann dann direkt zu einer virtuellen Quelle verarbeitet werden. Es gibt auch Situation in denen nicht jede einzelne Schallquelle für sich aufgenommen werden kann. Ein Beispiel hierfür ist die Aufnahme eines Orchesters. Hier ist es nötig einige Instrumente zu einer Gruppe zusammen zu fassen und gemeinsam aufzunehmen. Das kann dann wiederum als eigene virtuelle Quelle wiedergegeben werden. Alternativ kann auch das gesamte Orchester oder ein Teil davon mit der konventionellen Stereo Aufnahmetechnik aufgenommen 22

30 3. Von der Aufnahme zum synthetisierten Schallfeld 23 werden und als ebene Welle aus verschiedenen Richtungen wiedergegeben werden Frühe Reflexionen und Nachhall Die frühen Reflexionen und der Nachhall können mit gerichteten Mikrofonen, welche in verschiedene Richtungen zeigen, aufgenommen werden. Die Aufnahme kann aber auch mit einem SoundField 1 Mikrofon erfolgen. Dieses Mikrofon kann mehrere Richtungen zur selben Zeit aufnehmen. Diese Aufnahmen, wie auch immer sie dann erfolgen, werden als ebene Wellen aus der entsprechenden Richtung, aus der sie auch aufgenommen wurden, reproduziert Künstliche Erzeugung von Reflexionen und Nachhall Wenn die Ambience des Aufnahmeraumes nicht herangezogen werden kann, wie es bei Studio Aufnahmen der Fall ist, dann muss diese im Nachhinein erzeugt werden. Das erfolgt dann wie bei konventionellen Surround Sound Methoden durch Geräte, wie zum Beispiel ein Hallgerät. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn die frühen Reflexionen durch virtuelle Quellen wiedergegeben werden. Die späteren Reflexionen werden dann wieder als ebene Wellen aus verschiedenen Richtungen dargestellt Kompatibilität Es können auch konventionelle Aufnahmen mit Hilfe der Wellenfeldsynthese reproduziert werden. Hier liegt der Vorteil darin, dass die Wiedergabe weniger von der Hörerposition abhängig ist, wie bei der Wiedergabe über ein Mehrkanal System. 5.1 Surround kann zum Beispiel problemlos reproduziert werden indem vier ebene Wellen und der Front Kanal als virtuelle Quelle wiedergeben werden. 3.2 Authoring und Mixing Für die Wellenfeldsynthese wird eine andere Herangehensweise für das Mixing benötigt, als bei konventionellen Mehrkanal Verfahren. Im Gegensatz zu diesen ist die Wellenfeldsynthese unabhängig von dem Rendering und damit auch von dem Lautsprecher Set-Up, über den der Sound wiedergegeben wird. Bei Mehrkanal Technologien, sei es nun Stereo oder höher, wird das Mixen eines Tracks durch das spätere Ausgabeformat bestimmt. Es muss für jedes Format ein eigener Mix erstellt werden [19]. 1

31 3. Von der Aufnahme zum synthetisierten Schallfeld 24 Bei der Wellenfeldsynthese wird ein Schallfeld zu einer bestimmten Zeit definiert. Die Signale, die von den Lautsprechern dann wiedergegeben werden, werden erst zur Wiedergabezeit berechnet und gerendert. Das heißt Audio Signale, die auf einem Set-Up A mit einer Anzahl von x Kanälen gemixt wurden, können ohne weiteres auf einem Set-Up B mit y Kanälen abgespielt werden [17]. Das reproduzierte Schallfeld bei der Wellenfeldsynthese wird nicht von vordefinierten Ausgabesignalen für die einzelnen Lautsprecher bzw. Kanäle bestimmt, sondern durch die Audio Daten in Kombination mit seinen Parametern. Die Verarbeitung der Audio Daten bei Wellenfeldsynthese erfolgt objektorientiert, gespeichert wird es im MPEG-4 Format. Daher werden objektorientierte Mixing Tools für die Wellenfeldsynthese benötigt. Wichtig hierbei ist allerdings, dass sich diese in bereits etablierte Audio Workstations, wie zum Beispiel ProTools, Apple Logic oder auch in Produkten von Steinberg, integrieren lassen. Das würde Sinn ergeben, da dann der Toningenieur in seiner gewohnten Arbeitsumgebung bleiben kann. IOSONO hat bereits für seine Spatial Audio Workstation (SAW), welches das stand-alone Authoring Tool für das IOSONO System ist, ein Plugin für Steinbergs Nuendo 4 2 bei der AES Convention in Amsterdam im Mai 2008 vorgestellt [9]. Die Abbildung 3.1 zeigt das Interface der IOSONO Spatial Audio Workstation. Es gab laut Herrn Rodigast [18] auch Gespräche mit ProTools wegen eines Plugins für IOSONO, die zeigten sich jedoch eher zugeknöpft. Für sonicemotion gibt es ebenfalls ein Plugin für die WFS Mischung, und zwar in dem Programm Pyramix 3 aus dem Hause Merging [13]. 3.3 Audio Szene Beim Mixing werden sogenannte Audio Szenen nach einem objektorientiertem Ansatz erzeugt mit denen dann das Wellenfeldsynthese System arbeitet. Eine Audio Szene wird aufgebaut aus verschiedenen Audio Objekten. Audio Objekte können sein Virtuelle Quellen die im gesamten Hörbereich, vor oder hinter dem Lautsprecherarray, positioniert und gruppiert werden können, Bewegte Quellen das sind virtuelle Quellen die sich durch den Hörbereich bewegen und Ebene Wellen die meist für die Erzeugung eines diffusen Schallfeldes als Atmosphäre eingesetzt werden

32 3. Von der Aufnahme zum synthetisierten Schallfeld 25 Abbildung 3.1: IOSONO Spatial Audio Workstation. Das Authoring Tool für IOSONO. Zu sehen sind die plazierten virtuellen Quellen und das Lautsprecherarray, dass dem echten entspricht. Abbildung aus [10]. Obwohl eine sehr weit entfernt positionierte Quelle in der Hörzone ebene Wellen erzeugen würde, ist beim Authoring Tool von IOSONO ein Umschalten zwischen ebenen Wellen und virtuellen Quellen vorgesehen. Das soll aber lediglich eine Erleichterung in der Handhabung bewirken. So muss eine Quelle nicht in die Ferne positioniert werden, wenn in der Hörzone doch nur diffuser Schall ankommt. Jedes Audio Objekt wird mit bestimmten Parametern bestückt. Solche Parameter können zum Beispiel die Position der Quelle, ihre Lautstärke, die Richtung, oder die Start- und Endzeit sein. Außerdem können dem Audio Objekt auch noch Metadaten, wie Name und Beschreibung, hinzugefügt werden. Das Authoring Tool von IOSONO, in dem die Audio Szene gemixt wurde, generiert eine XML Datei mit einer speziellen Struktur, die XMT-SAW genannt wird. Abbildung 3.2 zeigt die Struktur einer Audio Szene am Bespiel des Filmes Matrix [10]. 3.4 Rendering und Übertragung Die entstandenen Audio Szenen sind der Input für das Rendering. Die Audio Szene wird erst während der Wiedergabe in Echtzeit gerendert. Die Rendering Einheit kontrolliert jeden einzelnen Lautsprecher und berechnet das

33 3. Von der Aufnahme zum synthetisierten Schallfeld 26 Abbildung 3.2: Struktur einer Audio Szene bei IOSONO. Abbildung aus [10]. Signal, das ausgegeben werden soll. Da ich detaillierte Informationen [6] [7] [8] über IOSONO zu diesem Bereich habe, möchte ich das Rendering und die Übertragung anhand von IO- SONO beschreiben. Bei IOSONO bestehen die Lautsprecherarrays aus kleineren Lautsprecherpanels. Diese Panels bestehen jeweils aus 8 Lautsprechern, 8 Leistungsverstärkern und Platinen mit digitalen Signalprozessoren (DSP). Die übernehmen die Umwandlung der Signale für die Lautsprecher. Die Rechen- und Steuereinheit von IOSONO errechnet aus den Audio Daten mit einem bestimmten, am Fraunhofer-Institut entwickelten, Algorithmus, die digitalen Signale für jeden einzelnen Lautsprecher und sendet diese mittels RME Hammerfall Soundkarten 4 an die einzelnen Panels. Der bzw. die Rechner sind mit optischen ADAT-Kabeln mit den Panels verbunden. Der ADAT-Wandler in dem Panel wandelt die Signale in analoge Signale um. Diese werden dann über den Leistungsverstärker an die Lautsprecher geschickt. 4