Virtuelle Akustik: Lokalisationsmodell & numerische Simulationen

Die Lokalisation von Schallquellen ist eine wichtige Aufgabe des menschlichen Gehörs. Die räumliche Wiedergabe von Schallquellen über Kopfhörer ist eines der Ziele von virtueller Akustik. Obwohl die Mechanismen der Schallquellenlokalisation noch nicht komplett geklärt sind, können Außenohrübertragungsfunktionen (engl.: head- related transfer functions, HRTFs) verwendet werden, um räumliche Schallquellen virtuell darzubieten. HRTFs beschreiben die Filterwirkung der Pinna, des Kopfes und des Torso auf den abgestrahlten Schall einer Quelle und hängen daher stark von der Anatomie der Hörenden ab. Für eine realistische Schallquellenwiedergabe über Kopfhörer müssen die individuellen HRTFs einer Person gemessen werden. Die derzeit verfügbare akustische Messung ist technisch aufwändig, dauert 10 bis 20 Minuten und erfordert Platzierung eines Mikrofons im Ohrkanal des Zuhörers. Als eine Alternative zur akustischen Messung haben wir (als Teil des FWF-Projekts P18401-B15) Laser-Scans von Personen verwendet, um die Geometrie ihrer Köpfe in Form eines geometrischen 3-D Gitters zu erfassen und ihre HRTFs mit numerischen Methoden zu berechnen. Unsere Resultate zeigen, dass eine numerische Berechnung der HRTFs grundsätzlich möglich ist. Gleichzeitig erwies sich aber die perzeptive Evaluierung aufgrund der hohen Anzahl an Parametern als langwierig und problematisch. Es wurde klar, dass ein Lokalisationsmodell zur Vorhersage der Lokalisationsleistung notwendig ist, um die Anzahl der Testbedingungen für die endgültige perzeptive Evaluierung in psychoakustischen Experimenten zu reduzieren. In LocaPhoto wird ein funktionales Vorhersage-Modell für die Schallquellenlokalisation entwickelt, dass neueste Erkenntnisse aus der Neurophysiologie und Psychoakustik vereint. Das Modell wird die perzeptive Evaluierung von HRTFs ermöglichen und als funktionale Modell zur Untersuchung grundlegender Aspekte des räumlichen Hörens auch außerhalb von LocaPhoto beitragen. Weiters wird unsere Arbeit an der numerischen Berechnung der HRTFs fortgeführt mit dem Ziel, perzeptiv validierte HRTFs aus visuell erfassten Daten berechnen zu können. Basierend auf den Erfahrungen aus dem oben erwähnten Projekt wird die Qualität der Berechnung verbessert werden, indem das 3-D Gitter aus 2-D Fotografien mit Hilfe photogrammetrischer Rekonstruktion generiert wird. In der numerischen Berechnung der HRTFs erwarten wir hunderte von Testbedingungen. Das Lokalisationsmodell wird die perzeptiv interessanten Testbedingungen selektieren und somit die für die darauf folgende psychoakustische Evaluierung erforderliche Menge an Experimenten reduzieren. Dennoch werden alle relevanten Ergebnisse der numerischen Berechnung psychoakustisch validiert. Die parallele Arbeit an beiden Zielen, dem Schallquellenlokalisationsmodell und der numerischen Berechnungsmethode für HRTFs, ermöglicht die Ausnutzung von Synergieeffekten und verstärkt somit die Erfolgschancen für LocaPhoto.

Die räumliche Wahrnehmung von Schallquellen ist ein wichtiger Aspekt unseres täglichen Hörens. Ihrer Erforschung widmet sich die binaurale virtuelle Akustik, die zu ihren Zielen die Wiedergabe virtueller räumlicher Schallquellen über Kopfhörer zählt. Dabei können die so genannten HRTFs (aus dem Englischen: head-related transfer functions) verwendet werden, um Schallquellen virtuell räumlich darzubieten. HRTFs beschreiben die Filterwirkung der Ohrmuschel, des Kopfes und des Torsos auf den abgestrahlten Schall einer Quelle und hängen somit stark von der Anatomie der Hörenden ab. Für eine realistische Schallquellenwiedergabe über Kopfhörer müssen daher die individuellen HRTFs einer Person zur Verfügung stehen. Üblicherweise werden die HRTFs akustisch in einer technisch komplexen Prozedur gemessen, die 10 bis 20 Minuten dauert und die Platzierung eines Mikrofons im Ohrkanal des Zuhörers erfordert. Eine Evaluierung der gemessenen HRTFs ist dabei nur in aufwändigen psychoakustischen Experimenten möglich. In dem nun beendeten FWF-Projekt LocaPhoto wurden zwei Ziele verfolgt: eine verbesserte Erfassung von HRTFs sowie deren modelbasierende Evaluierung.Für das erste Ziel wurde eine Methode zur einfacheren Erfassung der HRTFs ausgearbeitet. Dabei lag der Fokus auf der computergestützten Berechnung der HRTFs basierend auf der 3-dimensionalen Geometrie eines Hörers. In der entwickelten Methode werden Fotos vom Kopf und Ohren des Hörers gemacht, die als Grundlage für photogrammetrische Rekonstruktion dienen: aus der Vielzahl von 2- dimensionalen Fotos wird die 3-dimensionale Geometrie der Hörers gerechnet. In dieser Geometrie werden virtuell Mikrofone in den Ohrkanälen sowie Schallquellen um den Kopf platziert. Eine numerische Simulation der Schallausbreitung in dieser Geometrie liefert schlussendlich die individuellen HRTFs des Hörers bereit für die personalisierte Wiedergabe von räumlichen Schallquellen über Kopfhörer.Für die Evaluierung wurde ein Modell der räumlichen Wahrnehmung entwickelt. Dieses Modell basiert auf funktioneller Abbildung verschiedener Stufen des menschlichen Gehörs. Es berechnet die Lokalisationsleistung in vertikalen Ebenen basierend auf HRTFs und weiteren Parametern. In LocaPhoto diente dieses Modell in erster Linie zur Validierung der numerisch simulierten HRTFs und zur Verbesserung des Simulationsprozesses. Darüber hinaus hilft dieses Modell aber auch dem besseren Verständnis unseres auditorischen Systems. Es ist im frei verfügbaren Softwarepaket Auditory Modeling Toolbox implementiert und wird auch in der Zukunft zur Untersuchung grundlegender Aspekte des räumlichen Hörens beitragen.