Introdução à Auralização

1. Introdução à Auralização Cezar Monteiro Pirajá Neto cezar@ime.usp.br

2. Apresentação • Baseado no artigo: M. Kleiner, B.-I. Dalenbäck, P. Svensson, "Auralization - An Overview", JAES Vol.41, pp861-875, Nov 1993. • Pesquisa preliminar sobre minha área de pesquisa • Estrutura da Apresentação: • Introdução • Histórico • Técnicas • Considerações

3. Introdução • Auralização é o processo de renderizar o campo sonoro de uma fonte em um espaço, de modo a simular uma sensação binaural em um posição do espaço modelado. • Foco em recriar a impressão aural das características acústicas de um espaço. • Preocupações: • Fidelidade Sonora • Diretividade • Capturar características acústicas do local

4. Histórico • Munich, década de 30 • Modelos físicos em escala • Alto-falantes customizados na gravação • Reprodução de forma binaural • Fala como sinal de teste • Métodos similares foram utilizados em experiências no Japão • Evolução se deu graças ao Processamento Digital de Sinais

5. Histórico (2) • Meyer (1965) e Kleiner (1980) • Sistemas Auralização utilizando múltiplos alto-falantes • Objetivo era simular reflexões • Bech (1990) e Fincham (1991) • Refinaram o método para obter um posicionamento ótimo dos alto-faltantes. • Produtos Comerciais • Yamaha e Lexicon

6. Técnicas • As técnicas baseiam-se em aproximações de características. • Problema está quantificar e até mesmo descrever audivelmente algumas dessas aproximações. • Quatro técnicas básicas de auralização: • Fully Computed Auralization • Computed multiple-loudspeaker auralization • Direct acoustic scale-model auralization • Indirect acoustic scale-model auralization • Foco nas técnicas que utilizam computação.

7. Fully Computed Auralization • Tendência Hoje • Componentes: • Computador com dados da fonte, sala e do ouvinte • Programa com um modelo matemático das propriedades de transmissão

8. Fully Computed Auralization

9. Fully Computed Auralization (2) • Etapas: • Cálculo da RIR e da BRIR • Filtragem (Convolução) • Cálculo da resposta impulsiva é simples apenas em casos idealizados • Quanto mais realista simulação, mais o modelo se torna extremamente complicado.

10. Fully Computed Auralization (3) • Cálculo da RIR • Predição da RIR • Espelhamento • Ray-Tracing • Problemas • Fenômenos como Dispersão e Difração. • Soluções • FEM – Finite-Element Method • BEM – Boundary-Element Method • Novos Problemas • Quantidade de elementos necessários

11. Fully Computed Auralization (4)Absorção, Dispersão e Difração • Problema para programas baseados somente na acústica geométrica. • Absorção • Dimensão da Superfície / Comprimento de Onda • “Menos problemática” • Complexidade da Reflexão • Materiais reativos • Evitar superestimar Som Direto / Som Reverberante • Perceptivo (Maekawa e Sakurai)

12. Fully Computed Auralization (4)Absorção, Dispersão e Difração (2) • Dispersão e Difração • Kleiner and Kihlman • Efeitos audíveis mesmo que em pequenas proporções • Relação direta com a qualidade acústica • Complicado de simular • Uma solução é fazer uma “re-radiação” • Outra opção é fazer uso de dados dispersão medidos de várias superfícies

13. Fully Computed Auralization (5) • Cáculo da BRIR • Considera um ouvinte humano • Casos idealizados • RIR -> BRIR • Obtenção do Efeito Binaural • Canal Estéreo • Cálculo da função de transferência de um modelo • Medição através de um ouvinte • Medição através de uma cabeça artificial

14. Fully Computed Auralization (5)Cabeça Artificial

15. Fully Computed Auralization (6) • Convolução • Diretamente no domínio do tempo • No domínio das freqüências • Problemas • In-head localization • Back-front ambiguity

16. Fully Computed Auralization (7) • Apresentação • Binaural • Transaural • Back-front confusion • Vantagem • Pode se utilizar grande quantidade de sinais de entrada e RIR • Desvantagem • Tempo de processamento proporcional a essa quantidade

17. Computed Multiple-Loudspeaker Auralization • Compartilha todos os princípios da fully computed auralization • Componentes+ • Sistema multi-canal • Delay e Reverberadores

18. Computed Multiple-Loudspeaker Auralization

19. Computed Multiple-Loudspeaker Auralization (2) • Vantagem • Natural direcionalidade • Desvantagem • Necessidade do array estar localizado em uma câmara anecóica. • Alto-falantes pequenos e suficientes

20. Direct Acoustic Scale-Model Auralization • Modelo acústico escalado • Ultra-sônico • Paredes • Vantagem • Naturalmente incluí os fenômenos como dispersão e difração. • Observações • As vantagens só são válidas se o modelo acústico reproduz fielmente o original (paredes, fonte, ouvinte) • Conseqüência: O modelo e a auralização são aproximações • Problemas • Reproduzir características técnicas de microfones e alto-falantes em escala reduzida. • Propriedades de absorção para reflexões • Reproduzir propriedade de absorção do ar

21. Direct Acoustic Scale-Model Auralization

22. Indirect Acoustic Scale-Model Auralization • Calcular BRIR através do modelo em escala reduzida • No resto equivale ao Direct Acoustic Scale-Model Auralization • Vantagens • Diminuição de distorções • Armazena somente as respostas impulsivas • Possibilidade de compensar perdas pelo ar

23. Indirect Acoustic Scale-Model Auralization

24. Considerações Sobre o Material para Auralização • Caracterização da Fonte • Alto-falante • Fontes Naturais • Diretividade • Reichardt e Kussev

25. Verificação da Auralização • Que se espera ? • Simulação aceitável • Simulação exata • Inteligibilidade da fala (1980) • Comparação entre uma gravação binaural e a auralização do setup • Comparação a partir da audição alternada entre trechos auralizados e reais. • Ruído inerente das salas de concerto

26. Outras considerações • Performance no cálculo da RIR e BRIR • Padronização de Interface • Binaural ou Transaural x Multicanal • Redução de dados

27. Usos da Auralização • Treinamento e Estudos • Predição de ruído • Sistemas de Realidade Virtual • Jogos • Melhorar sistemas em aviões e carros

28. Conclusão • Auralização é útil graças ao advento dos “super”-computadores pessoais e softwares • Junto com novas implementações em hardware a auralização vai se tornar uma poderosa ferramenta para simulação de salas e geração de evento aural • Demonstrações convincentes tem sido feitas. • Verificação dessas demonstrações é que deixa a desejar • Auralização combinada com reprodução transaural e controle ativo do campo sonoro deve possibilitar que a auralização saia dos laboratórios. • Existem várias aplicações interessantes, como Sistemas de Realidade Virtual.

29. Referências • M. Kleiner, B.-I. Dalenbäck, P. Svensson, "Auralization - An Overview", JAES Vol.41, pp861-875, Nov 1993. • Lia Kortchmar, “Sound Quality In Workplaces”, COPPE/URFJ, April 2000.

30. That’s all folks Obrigado

31. Espelhamento

32. Ray-Tracing

33. Apresentação Transaural