Laborpraktikum Audiotechnik: Hörversuche. Dozenten: Dr. Hauke Egermann/Dr. Hans- Joachim Maempel

Transkript

1 Laborpraktikum Audiotechnik: Hörversuche Dozenten: Dr. Hauke Egermann/Dr. Hans- Joachim Maempel

2 Ablauf 1. Einführung 2. Labortermin mit Hörversuchen 3. Protokoll (mit Auswertungen) 4. Individuelle Nachbesprechung mit kurzem schriftlichem Test

3 Organisatorisches Skript und Aufgabenstellung per Termine: Montag, 9-12 Mittwoch 9-12, Donnerstag 9-12, s.t.

4 Ort: Raum H 2001

5 Empirie Von griechisch empeiria Erfahrung, Erfahrungswissen Gewinning von Erkenntnissen durch Erfahrung Messen, beobachten, sammeln von Daten

6 Der Mensch als Messinstrument kann Auskunft geben über eigene basale Empfindungen eigene Gestalt- u. Objekterkennungsleistungen eigene ästhetische Einschätzungen eigene Emotionen die Beschaffenheit der akustisch passiven Umgebung Beschaffenheit von natürlichen Klangeerzeugern Typ und Beschaffenheit von künstlichen Schallquellen die Qualität von akustischen Übertragungssystemen die inhaltliche Bedeutung von Gesprochenem die Befindlichkeit eines anderen sprechenden Menschen den beabsichtigten künstlerischen Ausdruck

7 Empirische Forschung Qualitative Forschung Quantitative Forschung Qualitative Interviewforschung Inhaltsanalyse Repertory Grid Technique (stimulusbasiert) nicht experimentell experimentell Allgemeine Erhebungen Erhebungen unter spezifischen Bedingungen (z.b. stimulusbasiert) oder bei bestimmten Personengruppen 2009 Hans-Joachim Maempel

8 Verschiedene Interessensausrichtungen Quantitative Methoden wollen Sachverhalte erklären Qualitative Methoden wollen Sachverhalte verstehen (Hermeneutik) geben "objektive" Definitionen vor rekonstruieren subjektive Deutungsmuster messen Merkmalsausprägungen Bilden oder testen Vermutungen versuchen Standardisierung Untersuchen große Stichproben untersuchen produzierte Texte halten das eigene Verständnis lange zurück versuchen Offenheit untersuchen kleine Stichproben 2009 Hans-Joachim Maempel

9 Experimentelle quantitative Forschung Versuchsdesign (Methodischer Versuchsaufbau) Unabhängige Variable (Bedingungsvariation) Stimuli (Ausgewählte und/oder modifizierte Reize) Versuchsdurchführung (Instruktionen, Training, Ablauf) Moderierende Variable Erhoben: Kontrollvariable Unbeachtet: Störvariable Versuchstechnik (Technischer Versuchsaufbau) Sampling Fragebogen Interpretation Messinstrument Abhängige Variable (relevantes Merkmal) Interpretation Hypothese, Theorie Datenauswertung (Statistik) Versuchspersonen führen Operation aus (z.b. Feld Ankreuzen) Bei externer Validität verallgemeinerbar Stichprobe Population Bei interner Validität Schluss auf AV zulässig 2009 Hans-Joachim Maempel

10 Klassische Gütekriterien für Empirische Untersuchungen Objektivität: Realisiert als Intersubjektivität Ergebnis unbeeinflusst vom Forscher Reliabilität: Wiederherstellbarkeit-Replizierbarkeit der Ergebnisse Validität: Gültigkeit der gemessenen Merkmale/Objekte/Personen für die fraglichen Merkmale/Objekte/Personen 2009 Hans-Joachim Maempel

11 Grundlegende psychologische Klangmerkmale in Hörversuchen

12 Mögliche Untersuchungsgegenstände die menschliche Wahrnehmung selbst (z.b. Hörschwelle, Emotionen) Audioinhalte (z.b. Musikaufnahmen, Sprecher/innen) Übertragungssystemkomponenten (z.b. Codecs, Lautsprecher, Räume)

13 Psychophysik 19. Jahrhundert Psychophysik=Wissenschaft von Beziehung von physikalischem Reiz und Sinnesempfindung Ernst Heinrich Weber Herman von Helmholz Gustav Theodor Fechner Wilhelm Wundt Teilgebiet Psychoakustik

14 Psychophysik: Empfindungen messen Innere Empfindungen können durch Operationalisierung an äußere Bedingungen gekoppelt werden. Dadurch können innere Empfindungen in den physikalischen Maßeinheiten von Reizen gemessen werden. Nullpunkt ist die Reizschwelle (absolute Schwelle). Einheit ist der ebenmerkliche Unterschied (Unterschiedsschwelle). WEBERsches Gesetz: ΔS / S 0 = konst. STEVENSsches Potenzgesetz: E = k S n S: Stimulusstärke E: Empfindungsstärke k: Sinn-, reizspezifischer Faktor n: Sinn-, reizspezifischer Exponent (Schalldruck Lautheit: n=0,6)

15 Stevenssches Potenzgesetz Empfindungsstärke Stimulusstärke

16 Klassische psychophysische Verfahren nach Fechner Herstellungsverfahren Methode des mittleren Fehlers Vpn regeln die (meist kontinuierlich variierbare) Reizintensität auf die definierte Empfindung, meist durch Einpendeln. Die Reizstärke zur gesuchten Empfindung kann direkt abgelesen werden. Grenzverfahren Methode der ebenmerklichen Unterschiede VL regelt Reizintensität auf definierte Empfindung (aufsteigend oder absteigend). Der Mittelwert gibt die Reizstärke zur gesuchten Empfindung an. Ein automatisiertes auf- und absteigendes Grenzverfahren ist die Békésy-Audiometrie. Konstanzverfahren Methode der richtigen und falschen Fälle Angebot von diskret aber äquidistant variierten Reizen in zufälliger Reihenfolge. Vpn gibt an, ob definierte Empfindung vorhanden ist. Ergebnis ist eine psychometrische Funktion. Die gesuchte Empfindung liegt bei 50% Trefferquote.

17 Hörschwellenbestimmung mit Grenzverfahren Festfrequenzverfahren Zeitverlauf Gleitfrequenzverfahren Geglättete Verbindungskurve der Mittelwerte der Umkehrungspunkte ergeben Audiogramm Beidohriges Audiogramm

18 Konstanzverfahren: Reizschwelle Antwort: Ja/Nein

19 Konstanzverfahren: Unterschiedsschwelle Relative Häufigkeit / Wahrscheinlichkeit einer stärker -Antwort Psychometrische Funktion Positive Antworten einer Versuchsperson Negative Antworten einer Versuchsperson Relative Häufigkeit einer positiven Antwort (mehrere Trials und/oder Versuchspersonen) Relative Stimulusstärke

20 Probleme der klassischen psychophysische Verfahren Herstellungsverfahren Methode des mittleren Fehlers Antizipationsfehler Vpn regeln die (meist kontinuierlich Habituationsfehler variierbare) Reizintensität auf die definierte Empfindung, meist durch Einpendeln. Die Reizstärke zur gesuchten Empfindung Gewissenhaftigkeit kann direkt abgelesen werden. Grenzverfahren Methode der ebenmerklichen Unterschiede Vl regelt Reizintensität auf definierte Antizipationsfehler Empfindung (aufsteigend oder absteigend). Der Mittelwert gibt die Reizstärke Habituationsfehler zur gesuchten Empfindung an. Ein automatisiertes auf- und absteigendes Grenzverfahren ist die Békésy-Audiometrie. Konstanzverfahren Methode der richtigen und falschen Fälle Angebot von diskret aber äquidistant Zeitintensiv variierten Reizen in zufälliger Reihenfolge. Vpn gibt an, ob definierte Empfindung Reizstärkenbereich vorhanden ist. a Ergebnis priori ist eine psychometrische Funktion. Die gesuchte Empfindung liegt bei 50% Trefferquote.

21 Probleme der klassischen psychophysische Verfahren Herstellungsverfahren Methode des mittleren Fehlers Antizipationsfehler Vpn regeln die (meist kontinuierlich Habituationsfehler variierbare) Reizintensität auf die definierte Empfindung, meist durch Einpendeln. Die Reizstärke zur gesuchten Empfindung Gewissenhaftigkeit kann direkt abgelesen werden. Grenzverfahren Methode der ebenmerklichen Unterschiede Vl regelt Reizintensität auf definierte Antizipationsfehler Empfindung (aufsteigend oder absteigend). Der Mittelwert gibt die Reizstärke Habituationsfehler zur gesuchten Empfindung an. Ein automatisiertes auf- und absteigendes Grenzverfahren ist die Békésy-Audiometrie. Konstanzverfahren Methode der richtigen und falschen Fälle Angebot von diskret aber äquidistant Zeitintensiv variierten Reizen in zufälliger Reihenfolge. Vpn gibt an, ob definierte Empfindung Reizstärkenbereich vorhanden ist. a Ergebnis priori ist eine psychometrische Funktion. Die gesuchte Empfindung liegt bei 50% Trefferquote. Kriterienproblem!

22 Probleme der klassischen psychophysische Verfahren Herstellungsverfahren Methode des mittleren Fehlers Antizipationsfehler Vpn regeln die (meist kontinuierlich Habituationsfehler variierbare) Reizintensität auf die definierte Empfindung, meist durch Einpendeln. Die Reizstärke zur gesuchten Empfindung Gewissenhaftigkeit kann direkt abgelesen werden. Lösungungsansätze in Grenzverfahren zeitgenössischen Methode Verfahren: der ebenmerklichen Unterschiede Vl regelt Reizintensität Adaptive auf definierte Antizipationsfehler Verfahren Empfindung -> Zeitreduktion (aufsteigend oder absteigend). Der Mittelwert gibt die Reizstärke Habituationsfehler zur gesuchten Empfindung an. Ein automatisiertes auf- und absteigendes Grenzverfahren ist die Kriterienfreie Antwortparadigmen Békésy-Audiometrie. (Forced-Choice-Verfahren) Konstanzverfahren Methode der richtigen und falschen Fälle Angebot von diskret aber äquidistant Zeitintensiv variierten Reizen in zufälliger Reihenfolge. Vpn gibt an, ob definierte Empfindung Reizstärkenbereich vorhanden ist. a Ergebnis priori ist eine psychometrische Funktion. Die gesuchte Empfindung liegt bei 50% Trefferquote. Kriterienproblem!

23 Paradigmen und Methoden ja/nein Paradigma: - Anzahl der Intervalle - Inhalt der Intervalle - Aufgabe der Versuchsperson 2AFC 3AFC 4AFC Methode: - Messtrategie (Startbedingung, Adaptionssregel, Abbruchkriterium) - Berechnungsvorschrift

24 Hörversuche 1. Hörbarkeit perzeptiver Codierung bei hoher Bitrate Hörbarkeit perzeptiver Codierung bei hoher Bitrate 2. Audioqualität verschiedener Bitraten bei perzeptiver Codierung 3. Phantomschallquellenlokalisation 4. Ästhetisches Urteil zu Musikproduktionen

25 Taxonomie empirischer auditiver Verfahren nach Ciba (2008) Messung der Wahrnehmbarkeit von Reizen oder Reizunterschieden Skalierungsverfahren Erhebung auditiver Qualitäten 2009 Hans-Joachim Maempel Diskriminationsnachweis Schwellwertmessung Direkte Skalierung Indirekte Skalierung Direkte Erhebung (verbale Deskriptoren) Indirekte Erhebung (nonverbale Deskriptoren) Klassische psycho-physische Verfahren Adaptive psycho-physische Verfahren Intervallskalierung (Rating-Verfahren) Verhältnisskalierung Konsensvokabular-Techniken Individualvokabular-Techniken Body-Gesture-Techniken Mathematische Strukturen * Doppeleinordnung ABX ABCHR* Grenzverfahren Herstellungsverfahren Konstanzverfahren Staircase-Verfahren (non-parametrisch) Maximum-Likelihood-/Bayes-Verfahren Signalentdeckungstheorie (SDT) ABCHR* MUSHRA Semantisches Differential (SD) Ähnlichkeitspaarvergleich* Repertory Grid Technique (RGT)* Größenschätzung Größenherstellung Verhältnisschätzung Verhältnisherstellung Differenz-Limen-Technik (DL) Dominanzpaarvergleich Texture-Profile Flavour-Profile Quantitative deskriptive Analyse (QDA) Free-Choice-Profiling (FCP) Repertory Grid Technique (RGT)* Flash-Profile (FP) Pointing-Technik Drawing-Technik Perzeptive Strukturanalyse (PSA) Ähnlichkeitspaarvergleich* mit Multidimensionaler Skalierung (MDS)

26 Taxonomie empirischer auditiver Verfahren nach Ciba (2008) Messung der Wahrnehmbarkeit von Reizen oder Reizunterschieden Skalierungsverfahren Erhebung auditiver Qualitäten 2009 Hans-Joachim Maempel Diskriminationsnachweis Schwellwertmessung Direkte Skalierung Indirekte Skalierung Direkte Erhebung (verbale Deskriptoren) Indirekte Erhebung (nonverbale Deskriptoren) Klassische psycho-physische Verfahren Adaptive psycho-physische Verfahren Intervallskalierung (Rating-Verfahren) Verhältnisskalierung Konsensvokabular-Techniken Individualvokabular-Techniken Body-Gesture-Techniken Mathematische Strukturen * Doppeleinordnung ABX ABCHR* Grenzverfahren Herstellungsverfahren Konstanzverfahren Staircase-Verfahren (non-parametrisch) Maximum-Likelihood-/Bayes-Verfahren Signalentdeckungstheorie (SDT) ABCHR* MUSHRA Semantisches Differential (SD) Ähnlichkeitspaarvergleich* Repertory Grid Technique (RGT)* Größenschätzung Größenherstellung Verhältnisschätzung Verhältnisherstellung Differenz-Limen-Technik (DL) Dominanzpaarvergleich Texture-Profile Flavour-Profile Quantitative deskriptive Analyse (QDA) Free-Choice-Profiling (FCP) Repertory Grid Technique (RGT)* Flash-Profile (FP) Pointing-Technik Drawing-Technik Perzeptive Strukturanalyse (PSA) Ähnlichkeitspaarvergleich* mit Multidimensionaler Skalierung (MDS)

27 Hörversuche 1. Hörbarkeit perzeptiver Codierung bei hoher Bitrate Hörbarkeit perzeptiver Codierung bei hoher Bitrate 2. Audioqualität verschiedener Bitraten bei perzeptiver Codierung 3. Phantomschallquellenlokalisation 4. Ästhetisches Urteil zu Musikproduktionen 1. ABX 2. ABCHR 3. 2AFC, Transformed updown Staircase-Verfahren 4. Semantisches Differential

28 ABX-Bedienoberfläche Tool for Comparing Multiple Audio Samples v1.1 beta 2 GNU Lesser General Public License

29 Verteilungsmodelle: Diskrete Verteilungen Binomialverteilung ( ) k n k p p k n k n X P k f = = = 1 ) ( ) ( ( ) = = = k i i n i p p i n n k X P k F 0 1 ) ( ) (

30 Ratingskalen in Hörversuchen Score: Listening quality scale (MOS) Listening effort scale (MOS le ) Loudness preference scale (MOS lp ) Degradation mean opinion score (DMOS) ITU-R impairment scale Bad Poor Fair Good Excellent No meaning undeerstood with any feasible effort Much quieter than preferred Degradation is very annoying Considerable effort required Moderate effort required Attention necessary; no appreciable effort required Quieter than preferred Preferred Louder than preferred Degradation is annoying Degradation is slightly annoying Very annoying Annoying Slightly annoying Degradation is audible but not annoying Perceptible, but not annoying Complete relaxation possible; no effort required Much louder than preferred Degradation is inaudible Imperceptible MOS = Mean Opinion Score DMOS = Degradation Mean Opinion Score

31 ABCHR-Bedienoberfläche Geringe Qualitätsbeeinträchtigungen Tool for Comparing Multiple Audio Samples v1.1 beta 2, GNU Lesser General Public License

32 ABCHR-Bedienoberfläche Geringe Qualitätsbeeinträchtigungen ITU-R BS Tool for Comparing Multiple Audio Samples v1.1 beta 2, GNU Lesser General Public License

33 ABCHR-Bedienoberfläche Geringe Qualitätsbeeinträchtigungen ITU-R BS Nicht eindimensional: Wahrnehmbarkeit und Störungsgrad - Wahrnehmbarkeit dichotome und diskrete Variable - Intervallskalierung nicht voraussetzbar (Labeling der Skalenstufen) Tool for Comparing Multiple Audio Samples v1.1 beta 2, GNU Lesser General Public License

34 Auswertung mit Diffgrades

35 Adaptive Verfahren zum Unterschiedsschwellenmessung in der Regel als wiederholte Forced-Choice-Versuche ausgelegt (trials) z.b. als 2AFC (zwei Intervalle, Forced Choice) reagieren auf Detektionsleistung der Versuchsperson, Reizstärke wird für den nächsten trial berechnet Mehrere Varianten der Adaption: Anpassung schrittweise durch eine adaptive Regel erfolgen (sog. Staircase-Verfahren) sprungweise durch Darbietung der statistisch wahrscheinlichsten Schwelle (Maximum- Likelihood- und Bayes-Verfahren, z.b. Best PEST, QUEST, ZEST) -> psychometrische Modellfunktion und deren Parameter müssen geschätzt werden Messstrategie = Startbedingung, Adaptionssregel und Abbruchkriterium

36 3-Alternative-Forced-Choice-Prozedur (3AFC) Bitte wählen Sie das manipulierte Beispiel aus. Beispiel war manipuliert Beispiel war manipuliert Beispiel war manipuliert Weiter

41 Logistische Funktion

42 Psychometrische Funktionen für verschiedene Paradigmen Lapsus-Fehler (falsche Wahl trotz richtiger Erkennung) Ratewahrscheinlichkeit Ratekorrektur:

43 Einfaches Staircase-Verfahren mit konstanter Schrittweite Exemplarischer Reizstärkenverlauf für die Versuchspersonen leicht durchschaubar

44 Transformiertes Staircase-Verfahren mit Adaptionsregel 3-Down/1-Up und Schrittweitenhalbierung Unsymmetrische Adaptionsregeln Exemplarischer Reizstärkenverlauf Schwelle = Mittelwert der Umkehrpunkte

45 Best-PEST-Verfahren Exemplarischer Reizstärkenverlauf Schätzung der wahrscheinlichsten Schwelle aus allen bisherigen Trials mittels Likelihood-Funktion und Präsentation als nächsten Trial. Die Schwelle entspricht der Schätzung nach einer bestimmten Anzahl von Trials.

46 Vergleich der Abweichungen adaptiver psychometrischer Verfahren von der wahren Schwelle Stair YN BestPEST YN ZEST YN ZEST 3AFC ZEST 2AFC PEST2AFC Stair 3AFC BestPEST 3AFC Otto (2008)

47 Vergleich der Varianzen der Schätzwerte adaptiver psychometrischer Verfahren von der wahren Schwelle Stair YN BestPEST YN ZEST 3AFC ZEST 2AFC Stair 3AFC >30 Stair 2AFC >30 BestPEST 3AFC >40 Otto (2008)

48 Der Mensch als Messinstrument kann Auskunft geben über eigene basale Empfindungen eigene Gestalt- u. Objekterkennungsleistungen eigene ästhetische Einschätzungen eigene Emotionen die Beschaffenheit der akustisch passiven Umgebung Beschaffenheit von natürlichen Klangeerzeugern Typ und Beschaffenheit von künstlichen Schallquellen die Qualität von akustischen Übertragungssystemen die inhaltliche Bedeutung von Gesprochenem die Befindlichkeit eines anderen sprechenden Menschen den beabsichtigten künstlerischen Ausdruck

49 Semantisches Differenzial Person Nr. Fragebogen Stück Nr. 1 Klasse Nr. Stichprobe Nr. Entscheide bitte in jeder Zeile, ob eher der linke oder eher der rechte Begriff für das Stück zutrifft. Kreuze je nachdem eines der fünf Kästchen an. gefällt mir gefällt mir nicht eintönig abwechslungsreich hart weich melodisch unmelodisch rhythmisch unrhythmisch langsam schnell laut leise dumpf hell leiser Baß lauter Baß deutlicher Gesang undeutlicher Gesang macht schlechte Laune macht gute Laune gut zum Tanzen nicht gut zum Tanzen gut zum Träumen nicht gut zum Träumen Würdest Du das Stück kaufen? ja nein (Egal, ob Du es früher mal gekauft hast) Kanntest Du das Stück bereits? ja nein Bemerkungen: (Ausfüllen freigestellt)

50 Datenraum

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52 Statistische Modelle Field (2005

53 Bereiche der Statistik Deskriptive Statistik beschäftigt sich mit dem Ordnen, Darstellen und Beschreiben von zuvor erhobenen Daten. Zu diesem Zweck werden Tabellen und Grafiken erstellt sowie charakteristische Kennwerte berechnet. Inferenzstatistik zieht Rückschlüsse von den erhobenen Daten (Stichproben) auf die Gesamtheit. Die Inferenzstatistik liefert auch Aussagen über die Qualität der gezogenen Rückschlüsse. Sie benutzt dazu Modelle der Wahrscheinlichkeitsrechnung. 53

54 Mittelwert, Varianz und Streuung: Berechnung vs. Schätzung Empirischer Mittelwert Stichprobenvarianz = Varianz einer Stichprobe oder Population Standardabweichung einer Stichprobe oder Population x = 1 n n i= 1 x i s 2 = 1 n ( x i x) n i= 1 2 s = 1 n ( x i x) n i= 1 2 Standardfehler des Mittelwerts Empirische Varianz = aus einer Stichprobe geschätzte Populationsvarianz Empirische Standardabweichung = aus Stichprobe geschätzte Populationsstandardabweichung ˆ σ = x ˆ σ n 2 ˆ σ 2 = 1 n 1 n i= 1 ( x i x) 2 ˆ σ = 1 n 1 n i= 1 ( x i x) 2

55 Arten statistischer Hypothesen H 1 H 0 Besonderheiten ungerichtet µ 1? µ 2 µ 1 = µ 2 Auch kleine Effekte werden mit großem Stichprobenumfang signifikant gerichtet unspezifisch gerichtet spezifisch µ 1 < µ 2 µ 1? µ 2 Auch kleine Effekte werden mit großem Stichprobenumfang signifikant µ 1 > µ µ 1? µ Angabe der Effektgröße berücksichigt praktische Bedeutsamkeit

56 Testfehler Teststatistik sagt H 0 gilt H 1 gilt In der Population gilt tatsächlich H 0 H 1 Korrekte Annahme α-fehler "falscher Alarm" β-fehler "Verpasser" Korrekte Ablehnung

57 Statistische Signifikanz = Abweichung von Zufälligkeit Signifikanztests für Mittelwertvergleiche (intervallskalierte Daten) Vergleich von Stichproben Eine abhängige Variable Mehrere abhängige Variablen Verschiedene Gruppen getestet Gleiche Gruppe wiederholt getestet Verschiedene Gruppen getestet Gleiche Gruppen wiederholt getestet 2 Faktorstufen / Ein Faktor / Stichproben unabhägige Variable k Faktorstufen / Stichproben t-test für unabh. Stichproben Prüfgröße: t-wert Einfaktorielle univariate VA Prüfgröße: F-Wert t-test für abh. Stichproben Prüfgröße: t-wert Einfaktorielle univariate VA mit Messwiederholung Prüfgröße: F-Wert Einfaktorielle multivariate VA Prüfgröße: Wilks Lambda u.a. Einfaktorielle multivariate VA mit Messwiederholung Prüfgröße: Wilks Lambda u.a. Mehrere Faktoren / unabhängige Variablen Mehrfaktorielle univariate VA Prüfgröße: F-Wert Mehrfaktorielle univariate VA mit Messwiederholung Prüfgröße: F-Wert Mehrfaktorielle multivariate VA Prüfgröße: Wilks Lambda u.a. Mehrfaktorielle multivariate VA mit Messwiederholung Prüfgröße: Wilks Lambda u.a. Vergleich einer Stichprobe mit einer Population z-test (Gauß-Test) Prüfgröße: z-wert (normalverteilt) 2006 Hans-Joachim Maempel

58 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit